TSW2500型短波發(fā)射機UCS系統(tǒng)簡介與偶發(fā)故障處置

陳蘊涵

（國家廣播電視總局831臺，金華 321100）

國家廣播電視總局831臺甲機房3部TSW2500型發(fā)射機2021年從飛機電子集中監(jiān)視系統(tǒng)（Eletronic Centralized Aircraft Monitor，ECAM）改造升級為統(tǒng)一計算系統(tǒng)（Unified Computing System，UCS）。改造過程中遇到了一些問題，但在解決問題的過程中也積累了一定的改造經(jīng)驗。發(fā)射機系統(tǒng)升級改造完成以來，3部發(fā)射機平穩(wěn)運行過程中出現(xiàn)了一些異態(tài)以及故障。針對這些問題，本文闡述了UCS系統(tǒng)的原理、構(gòu)造與相關(guān)注意事項，并對偶發(fā)異態(tài)與故障進行了分析。

1 UCS

1.1 UCS簡介

UCS是阿姆倍通公司最新研究的一套控制系統(tǒng)，廣泛應用于核聚變、醫(yī)療衛(wèi)生、廣播發(fā)射等領(lǐng)域[1]。UCS與中間件Middleware在線數(shù)據(jù)庫、DB Center NG一起在工業(yè)ITX PC板中運行，提供了廣泛的控制和接口功能。由于增強的現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）架構(gòu)，UCS幾乎可以應用于任何場景并為場景定制完美的解決方案。

1.2 UCS組成

UCS由用于測量的UCS-ASM機箱、用于短波控制的UCS-SW機箱、用于PSM控制的UCS-PSM機箱、WAGO I/O系統(tǒng)、CAN總線馬達伺服系統(tǒng)以及圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）這幾部分組成。UCS-ASM機箱主要用于發(fā)射機相關(guān)模擬量的采集與測量，由19寸的機箱（包含了SCC61板卡和SAU61板卡）、SCI13模擬量接口板（固定在發(fā)射機A100機箱F面板）以及電源模塊3部分組成[2]。其中：SAU61板卡與SCC61板卡相連，負責將采集到的信號傳送到SCC61板卡；SCC61板卡是ASM機箱核心板卡，負責ASM機箱與SW機箱通信、模擬量信號采集、鑒相器、聯(lián)鎖和快速保護；SCI13模擬量接口板可以同時對16個模擬量值進行采集和濾波，并將采集的數(shù)據(jù)通過線纜傳輸?shù)紸SM機箱進行處理。在TSW2500型發(fā)射機中，SCI13主要負責采集高前屏流、高前屏壓、高末柵流、高末連柵流、高末柵壓、高末連柵壓、高末屏流和高末屏壓信號。

1.2.1 UCS-SW機箱

UCS-SW機箱用于短波發(fā)射機的控制，由基于Linux操作系統(tǒng)的計算機、電源模塊和SCC21短波應用板3部分組成。其中，計算機的ITX主板中包含了所有值和參數(shù)的數(shù)據(jù)庫“DB Center ND”、用戶界面、基于以太網(wǎng)協(xié)議的遠程接口、自動調(diào)諧功能、故障處理功能以及發(fā)射機順序控制的嵌入式狀態(tài)機。ITX含有2個以太網(wǎng)接口，可以和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換機以及外部網(wǎng)絡(luò)交換機進行通信。另外，ITX還有4個USB 2.0接口，分別與發(fā)射機的觸摸屏、鍵盤鼠標、ASM機箱和控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線相連進行通信，以及3個COM port串行通信端口和與顯示器相連的VGA視頻輸出端口[3]。SCC21板卡負責射頻激勵的生成、音頻處理、射頻激勵的采樣與測量、功率測量和駐波比的計算、發(fā)射機相關(guān)安全聯(lián)鎖、數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2.2 UCS-PSM機箱

UCS-PSM機箱主要用于短波發(fā)射機功率模塊的控制。它由4部分組成，即基于Linux操作系統(tǒng)的計算機、電源模塊、SCC11短波應用板和固定在A100機箱G面板的光纖接口板SCP10板卡。PSM機箱的主要作用為控制每一個功率模塊的平均載荷，并停用損壞的模塊，根據(jù)要啟動的功率計算出開啟模塊的數(shù)量，并滿足PSM所需的瞬時高壓電平。同時，PSM機箱通過與其他機箱的信號轉(zhuǎn)換，可以在用戶界面顯示每一個PSM模塊的狀態(tài)，而且可以將從SW機箱單元傳輸過來的音頻信號傳輸給光纖接口板SCP10板卡，在光電轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)化為功率模塊的控制信號。

1.2.3 WAGO I/O系統(tǒng)

WAGO I/O系統(tǒng)在UCS系統(tǒng)中非常重要。除了UCS-ASM機箱處理的8路模擬量以外的通信均由WAGO的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）完成。該系統(tǒng)通過RJ45接口直接與UCS-SW單元中的工控機通信[4]。這套I/O系統(tǒng)由通信總線耦合器、電源模塊、數(shù)字輸入/輸出模塊、模擬（電流）輸入/輸出模塊、模擬（電壓）輸入模塊和終端模塊組成。其中，I/O系統(tǒng)一方面負責采集相關(guān)數(shù)據(jù)，如水溫、水流、門互鎖、接地信號等，另一方面負責開關(guān)量的輸出，如發(fā)射機燈絲控制、發(fā)射機告警燈控制等。此外，發(fā)射機升/降燈絲延遲均由I/O系統(tǒng)控制。

1.2.4 CAN總線馬達伺服系統(tǒng)

UCS系統(tǒng)選用Dunker公司生產(chǎn)的BG65 CI系列CAN總線馬達。此電動機是無刷伺服電機，帶有一個集成的運動控制器和CAN總線接口，通過集成運動控制器和一個轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器可以驅(qū)動路徑控制。通過CAN接口可實現(xiàn)電機在運行時對位置速度的控制，具有動態(tài)性好、設(shè)計緊湊、調(diào)節(jié)范圍大、轉(zhuǎn)動慣量低以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)健等優(yōu)點?？刂岂R達動作的通信鏈路為UCS-SW機箱控制信號通過USB線傳輸?shù)紸D-panel面板，經(jīng)過面板濾波后的信號通過CAN總線傳輸?shù)礁黢R達電機。

1.2.5 GUI界面

UCS系統(tǒng)界面的GUI界面可以把各項數(shù)據(jù)和操作方式通過界面的方式簡單呈現(xiàn)在操作人員面前，而且在GUI上可以清晰地顯示發(fā)射機目前的功率、頻率、操作模式（手動/自動）、遙控/本地狀態(tài)、調(diào)制方法、發(fā)射機的音頻輸入輸出以及發(fā)射機所處的狀態(tài)等信息。其中，GUI中還包含10個子界面：HOME界面（顯示當前頻率各項表值以及馬達位置信號）、Calib.界面（對發(fā)射機HOME界面的顯示值進行校準）、Events界面（顯示發(fā)射機各項事件記錄）、Tuning界面（顯示各頻率的調(diào)諧數(shù)據(jù)且可對功率等參數(shù)進行調(diào)整）、Cool.界面（顯示發(fā)射機水導值與風機水泵狀態(tài)）、Login界面、PSM界面（顯示各模塊工作狀態(tài)）、Info界面（顯示發(fā)射機版本號等）、Audio界面（顯示音頻狀態(tài)且可對音頻輸入進行設(shè)置）以及Settings界面（對發(fā)射機燈絲等參數(shù)進行設(shè)置）。

1.3 UCS系統(tǒng)優(yōu)勢

UCS系統(tǒng)與ECAM相比具有多項優(yōu)點：第一，UCS系統(tǒng)可搭載DRM設(shè)備，從而為將來的DRM廣播提供基礎(chǔ)；第二，UCS系統(tǒng)的接線相較于ECAM系統(tǒng)更加簡潔明了；第三，UCS系統(tǒng)使用了最新的硬件和軟件技術(shù)，淘汰了原ECAM控制系統(tǒng)所使用的老式板卡；第四，UCS一個機箱設(shè)備可以實現(xiàn)以前很多設(shè)備的功能，有更高的集成度；第五，UCS系統(tǒng)可以存儲更多的頻率數(shù)據(jù)并且支持備份和導出；第六，UCS系統(tǒng)可以設(shè)置一個頻率在不同天線上使用不同的調(diào)諧數(shù)據(jù)，并且相互不沖突。UCS硬件拓撲圖如圖1所示。

2 UCS系統(tǒng)升級改造過程

2.1 UCS系統(tǒng)改造前準備

國家廣播電視總局831臺TSW2500型發(fā)射機在升級為UCS系統(tǒng)時，改造的第一步是采集、統(tǒng)計并記錄原發(fā)射機的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要包括發(fā)射機狀態(tài)記錄、電容和電感的位置記錄、調(diào)諧數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)保存、燈絲電壓記錄、光纖序號做標記、放電求距離測量、流量計和閥門位置記錄以及發(fā)射機狀況記錄等，并且要對假負載進行測試和校準[5]。

2.2 UCS系統(tǒng)改造過程

UCS系統(tǒng)改造的第二步是拆除并清點原發(fā)射機需要拆除的元器件。改造過程中，先后拆除了原A100機箱A面板的緊急按鈕開關(guān)和直流馬達控制單元，A100機箱B面板的MP2和MP3馬達、射頻衰減器、直流馬達變壓器、低通濾波器、鑒相器及射頻檢測，A100機箱C面板的水路導電檢測延時繼電器，A100機箱D面板的24 V電源開關(guān)、馬達位置A151控制板、模擬量輸入A161板，A100機箱E面板的ECAM機箱、顯示器、鍵盤、YCS機箱、YCP機箱和電源機箱，射頻機箱的高末燈絲取樣A294和高末屏極取樣電阻以及整流機箱燈絲取樣A194。UCS系統(tǒng)改造的第三步是安裝UCS系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備，包括UCS-ASM機箱、UCS-SW機箱、UCS-PSM機箱、觸摸屏、伸縮鍵盤、A100機箱的全新G板、模擬量輸入板卡SCI13、穿墻板AD-PANEL板卡、模塊控制SCP10板卡、伺服電機馬達及相關(guān)附屬設(shè)備以及各設(shè)備間的連接線。

2.3 UCS系統(tǒng)改造后調(diào)試

UCS系統(tǒng)改造完成后，需要對發(fā)射機的控制系統(tǒng)進行調(diào)試。調(diào)試過程分為6個階段，分別對應發(fā)射機的OFF、MOT、AUX、FIL、STBY和ON這6個狀態(tài)。第1階段，在發(fā)射機處于OFF狀態(tài)時，在加電前需要確認所安裝的設(shè)備是否安裝到位、線纜是否安裝正確、真空電容是否安裝正常、電氣隔離是否正常以及高壓開關(guān)設(shè)備與發(fā)射機電源系統(tǒng)狀態(tài)是否正常等，在加電后需要檢查UCS基礎(chǔ)設(shè)置是否運行正常。第2階段，在發(fā)射機處于MOT狀態(tài)時，需要測試新安裝的緊急開關(guān)按鈕是否正常，并設(shè)置WAGO I/O和看門狗，同時對馬達及馬達控制進行調(diào)試，其中包括馬達設(shè)置、馬達驅(qū)動安裝、馬達位置調(diào)整、馬達自動控制檢查。第3階段和第4階段，在發(fā)射機處于AUX和FIL狀態(tài)時，需要對發(fā)射機的風冷及水冷進行測量，其中包括高壓風、低壓風、水導設(shè)置、流量計設(shè)置、水溫監(jiān)控設(shè)置、高速水泵運行狀態(tài)及低速水泵運行狀態(tài)，同時需要對發(fā)射機燈絲進行測量以及校準，并對發(fā)射機高壓開關(guān)和安全連鎖進行測試，在確保風冷及水冷正常的前提下，安裝高前管、高末管以及隔直電容。第5階段，在發(fā)射機準備進入STBY模式前，檢查PSM系統(tǒng)的光纖、模塊、安全互鎖和溫度保護，確認各功能正常后，發(fā)射機進入STBY模式。當發(fā)射機處于STBY模式時，需要測試假負載、天線互鎖功能、定向耦合器以及駐波比的功能性。第6階段，在發(fā)射機處于ON狀態(tài)時，檢測T31前級電子管屏級、T41高末柵極、T51高末簾柵極、高末電子管屏級供電回路、射頻部分、自動調(diào)諧系統(tǒng)以及安全功能等，并對相位1、相位2和音頻進行校準。

2.4 UCS系統(tǒng)升級過程中遇到的問題

第一，更換MP13路馬達連接桿時發(fā)現(xiàn)原馬達與電容連接桿的孔洞直徑太小，擴孔后才得以安裝新的連接桿。第二，MP5電容在拆除時需要做好防水措施，并保證電容傳送桿直接與馬達電機相連，如果未做好防水措施，在拆除電容時水會順著傳送桿灌入電機，從而造成電機損壞。第三，安裝MP6路馬達時，傳送桿和馬達的安裝空間很小，需要拆除C251左側(cè)面板后才方便電機安裝。第四，安裝馬達電機電源時，由于原配電源線不夠長，需要把馬達電機電源從A100機箱B面板移位到電控機箱D面板。第五，連接UCS各機箱之間的USB 2.0線容易松動，易造成發(fā)射機通信故障，此時將原先的USB 2.0線升級為USB 3.0線即可解決此問題。第六，UCS機箱因故障需要重啟時，需要將3臺機箱同時重啟。如果只單獨重啟一臺機箱，則系統(tǒng)有可能無法正常運行。

3 UCS系統(tǒng)偶發(fā)故障分析與處置

3.1 發(fā)射機UCS系統(tǒng)切換頻率時馬達調(diào)諧數(shù)據(jù)無動作

發(fā)射機在正常倒換頻率時，發(fā)射機頻率可以倒換，但是發(fā)射機馬達調(diào)諧數(shù)據(jù)并沒有動作，發(fā)射機無法正常加高壓。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)射機調(diào)諧數(shù)據(jù)及馬達驅(qū)動由內(nèi)置于UCS-SW機箱內(nèi)的Special Function（SF）功能控制，當SF功能運行異常時，發(fā)射機的調(diào)諧數(shù)據(jù)不會進行工作。針對這一問題，可重啟SF功能軟件，否則需要將發(fā)射機關(guān)閉后重啟UCS系統(tǒng)與UCS機箱。

3.2 發(fā)射機UCS系統(tǒng)自動化平臺死機

發(fā)射機遠程控制的自動化平臺死機，可以看到表值但是無法對發(fā)射機進行操作。經(jīng)過分析得知，因自動化平臺軟件通過交換機傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）與發(fā)射機相連，自動化平臺故障對發(fā)射機當前工作狀態(tài)沒有影響，但是由于自動化平臺軟件死機導致不能對發(fā)射機進行操作。針對這一問題，可重啟自動化平臺。此時，因為UCS系統(tǒng)自動化平臺有看門狗軟件，所以關(guān)閉自動化平臺后自動化平臺會自動重啟。

3.3 UCS-ASM機箱通信丟失

發(fā)射機處于STBY狀態(tài)時，反復出現(xiàn)ASM通信丟失告警，發(fā)射機掉FIL狀態(tài)，無法加高壓。經(jīng)過分析得知，UCS-ASM機箱通過X200（USB通用串行總線）接口與UCS-SW機箱進行通信。當ASM機箱與SW機箱通信異常時，會出現(xiàn)通信異常告警。針對這一問題，檢查USB通用串行總線功能正常后，對UCS接口進行了緊固，并在發(fā)射機降OFF后重啟UCS-ASM機箱。

3.4 WAGO I/O通信異常

正常運行的發(fā)射機狀態(tài)跌落至MOT狀態(tài)，發(fā)射機水路、風路等信號丟失。經(jīng)過分析得知，故障的原因為WAGO I/O系統(tǒng)控制多路關(guān)鍵模擬量輸入與輸出，當WAGO模塊出現(xiàn)故障時，發(fā)射機無法讀取到相關(guān)模擬量數(shù)據(jù)造成誤判。針對這一問題，可在確認WAGO I/O系統(tǒng)看門狗運行正常后，緊固WAGO系統(tǒng)通信總線耦合器的光纖并重啟WAGO系統(tǒng)。

3.5 發(fā)射機UCS系統(tǒng)自動化平臺抄表數(shù)據(jù)顯示錯誤

自動化平臺抄表數(shù)據(jù)異常，MS開關(guān)位置顯示與現(xiàn)實相反。經(jīng)過分析可知，此故障為自動化平臺軟件故障，需要檢查自動化配置文件。針對這一問題，可修改自動化軟件配置文件中的Signallist.xml文件。

3.6 發(fā)射機UCS系統(tǒng)駐波比異常

發(fā)射機觸摸屏HOME界面顯示駐波比與屏耗超限，Events界面出現(xiàn)Upper warning APD、UCS-SW switched back to lower state、UCS-PSM switched back to lower state、Lower warning Ig1V2 or upper warning APD.VA runup stopped等告警信息，發(fā)射機自動降功率。經(jīng)過分析，天饋線匹配異常或電容耐壓不足會引起發(fā)射機駐波比與屏耗超限，同時發(fā)射機取樣異常也會引起發(fā)射機駐波比與屏耗超限。發(fā)射機反射功率/入射功率取樣通路為：定向耦合器→射頻衰減器→AD-PANEL板卡→UCS-SW機箱。因為此次故障并未出現(xiàn)反射功率超限，所以采樣故障的可能性更大。針對這一問題，在更換UCS-SW機箱后故障依然存在，但更換射頻衰減器后表值恢復正常。

4 結(jié)語

UCS系統(tǒng)作為一種全新的發(fā)射機控制系統(tǒng)與ECAM系統(tǒng)相比具有多項優(yōu)勢。目前，全國有多個臺站正在進行UCS系統(tǒng)改造，經(jīng)過無線局的大力推廣，未來舊的ECAM系統(tǒng)發(fā)射機將被逐漸淘汰。同時，隨著UCS系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，相關(guān)的UCS維護人員也將積累更多的UCS維護知識，有助于進一步提升人員的專業(yè)水平。