一種陣列天線自動(dòng)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟凡娟

(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

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一種陣列天線自動(dòng)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟凡娟

(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

摘要為滿足陣列天線熱穩(wěn)定性要求，針對(duì)陣列天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了基于PLC技術(shù)的溫控系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)與研究?；陉嚵刑炀€系統(tǒng)射頻組件功放模塊的散熱總量和熱量分布特點(diǎn)，確定了本自動(dòng)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。對(duì)溫控系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行了簡要介紹，并測(cè)試與分析了冷卻通道的關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了陣列天線自動(dòng)溫控系統(tǒng)的PLC自動(dòng)控制，提高了可靠性和自動(dòng)化程度。實(shí)測(cè)結(jié)果也證明了這套溫控系統(tǒng)的可行性，對(duì)無人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控陣列天線溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞陣列天線；溫控系統(tǒng)；射頻組件；熱設(shè)計(jì)；自動(dòng)控制

Design and Implementation of an Automatic Temperature Control System for Array Antenna

MENG Fan-juan

(StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThis paper presents the research and design of a PLC-based automatic temperature control system aiming to meet the thermal stability requirement of a given array antenna,according to antenna’s structural characteristics.Design is based on the radiating distribution and total heat emission of the RF amplifier module in the antenna system.The paper briefly introduces process of the control system,tests and analyzes major parameters of the cooling channels.This control system successfully applies PLC automatic control technology into array antenna cooling system,and improves system reliability and automation.The feasibility of this temperature control system has been proved by a series of well-designed experiments.Such system has considerable practical and referential value in unmanned and remote array antenna temperature monitoring system.

Key wordsarray antenna;temperature control system;RF module;thermal design;automatic control

0引言

正常工作的電子設(shè)備對(duì)環(huán)境溫度有一定要求，研究資料表明：具有大功率器件的電子系統(tǒng)，冷卻不良以及電子元器件過熱是引起電子元器件損壞和失效的主要原因[1]。

陣列天線是由多種電子器件組成的密集集合體，需要長時(shí)間無故障工作。它由許多輻射單元與射頻組件相聯(lián)接構(gòu)成一個(gè)大陣面，當(dāng)陣面上少量組件失效時(shí)，并不會(huì)給天線系統(tǒng)運(yùn)行帶來致命的后果，但當(dāng)多個(gè)失效單元具有相關(guān)性時(shí)其影響會(huì)很嚴(yán)重[2]，在進(jìn)行天線總體設(shè)計(jì)時(shí)必須避免這種狀況發(fā)生。

國內(nèi)在80年代就已經(jīng)開始進(jìn)行天線陣面溫控問題的研究工作[3-4]。從研究結(jié)果來看，根據(jù)熱流密度的大小，采取強(qiáng)迫氣冷、強(qiáng)迫液冷和高效熱管技術(shù)等，都可以保證射頻組件發(fā)熱元器件的正常工作。但對(duì)于無人值守的全天候運(yùn)行系統(tǒng)，如何實(shí)時(shí)掌握、監(jiān)控溫控系統(tǒng)運(yùn)行狀況是非常必要的，需要做進(jìn)一步探討與研究。

PLC控制技術(shù)是在工礦企業(yè)被廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算控制裝置，具有功能齊全、使用方便靈活、可靠性高、搞干擾能力強(qiáng)以及易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。已成功應(yīng)用在試驗(yàn)箱溫度控制、水電廠控制系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域[5-6]。該技術(shù)在陣列天線上的應(yīng)用還鮮有報(bào)道。

本文采用PLC控制技術(shù)，結(jié)合風(fēng)機(jī)風(fēng)速可調(diào)特性對(duì)陣列天線溫控系統(tǒng)進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了冷空氣按需分配。使天線陣面在獲得良好熱穩(wěn)定性和均溫性的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、故障報(bào)警和通訊等多種功能。

1設(shè)計(jì)方案

1.1自動(dòng)溫控系統(tǒng)

有源陣列天線射頻組件陣面流程如圖1所示，外形尺寸為2 010 mm×1 920 mm×385 mm，由4個(gè)獨(dú)立區(qū)域拼裝，每個(gè)獨(dú)立區(qū)域有5×15個(gè)射頻組件按順序排列，間距為120 mm，單套組件最大發(fā)熱量為35 W。工作時(shí)環(huán)境溫度由環(huán)控系統(tǒng)保證為22 ℃±2 ℃，并且環(huán)控系統(tǒng)管道進(jìn)出風(fēng)口配合溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工作時(shí)無人值守。系統(tǒng)散熱要求組件壁面溫度<45 ℃，任何射頻組件間的不均衡溫差不超過10 ℃，具備自動(dòng)監(jiān)控、報(bào)警和遠(yuǎn)程通信等功能。

圖1　有源陣列天線射頻組件陣面流程

從工程實(shí)際出發(fā)，經(jīng)發(fā)熱密度計(jì)算[7-8]，確定溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為強(qiáng)迫空氣自動(dòng)溫控系統(tǒng)。

如前所述，系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上對(duì)陣面分成了4個(gè)彼此獨(dú)立的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域端頭安裝了一個(gè)風(fēng)機(jī)組(8個(gè)風(fēng)機(jī))。當(dāng)部分風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)(特別具有相關(guān)性時(shí))，所對(duì)應(yīng)組件通道內(nèi)冷空氣流量勢(shì)必會(huì)減少，這就需要風(fēng)機(jī)組內(nèi)的其他風(fēng)機(jī)參與進(jìn)來共同承擔(dān)任務(wù),均勻分配冷卻空氣來實(shí)現(xiàn)按需配冷。因此，對(duì)風(fēng)機(jī)的控制方案為：通過監(jiān)測(cè)溫度、風(fēng)速等工藝參數(shù)來自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，每個(gè)風(fēng)機(jī)組只負(fù)責(zé)一個(gè)獨(dú)立區(qū)域，對(duì)每個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制。

1.2控制流程

圖1可以看出，其組成為：控制柜(下位機(jī))、上位機(jī)、風(fēng)機(jī)組、傳感器和變送器等。整個(gè)控制系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)二級(jí)控制，通過軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)。上位機(jī)是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與下位機(jī)一起通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；下位機(jī)為PLC控制系統(tǒng)，通過邏輯控制程序執(zhí)行軟件傳送來的命令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接進(jìn)行控制，并采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。工作時(shí)，上位機(jī)與下位機(jī)之間通過總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接，上位機(jī)讀取PLC存儲(chǔ)器中的變量信息，同時(shí)向下位機(jī)發(fā)出指令，即改變PLC存儲(chǔ)器中的變量值來控制設(shè)備的運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

各部分的作用如下：

溫度傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)視射頻組件溫度，如果發(fā)現(xiàn)溫度未達(dá)到預(yù)定值就會(huì)通知PLC系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算；風(fēng)速傳感器采用傳感器和變送器一體化設(shè)計(jì)，工作時(shí)，傳感器將采集到的風(fēng)速信號(hào)傳遞給變送器，變送器將其轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)傳遞給PLC模塊。系統(tǒng)采用的風(fēng)速傳感器的測(cè)量精度為±0.2 m/s，分辨率為0.1 m/s；電流變送器串聯(lián)在風(fēng)機(jī)電路監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)工作電流值，并將該數(shù)值輸送給PLC判斷風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，若風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)異常，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

系統(tǒng)選擇無級(jí)變速風(fēng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為0～4 550轉(zhuǎn)/min，適宜工作溫度為-20～+60 ℃，工作壽命65 000 h。

PLC所需電源模塊、MMC存儲(chǔ)卡、PCI通訊卡、模擬量輸入模塊和接口模塊等安裝在控制柜(下位機(jī))中；溫度和風(fēng)速傳感器布置在每個(gè)獨(dú)立區(qū)域的關(guān)鍵點(diǎn)部位。

1.3PLC控制策略

PLC控制原理如圖2所示。虛框表示PLC模塊，該模塊與風(fēng)機(jī)、變送器等共同組成一個(gè)控制回路?？驁D左邊的溫度信號(hào)1～n來源于射頻組件本身。當(dāng)風(fēng)機(jī)處于自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)，利用PID閉環(huán)回路的控制，可使射頻組件溫度保持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。在回路中PID模塊通過接收的反饋信號(hào)與預(yù)設(shè)目標(biāo)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，輸出一個(gè)電壓信號(hào)來控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。同時(shí)，一旦風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，作為響應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)采集的溫度信號(hào)也將隨之變化。變化后的溫度信號(hào)重新經(jīng)過上述流程進(jìn)入PID控制模塊，再次與目標(biāo)值進(jìn)行比較，循環(huán)往復(fù)，直到反饋信號(hào)與目標(biāo)值相等。

圖2　PLC控制原理

如上所述，PID模塊是通過接收的反饋信號(hào)與預(yù)設(shè)目標(biāo)值進(jìn)行比較，用比較結(jié)果來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，下面就以其中一個(gè)獨(dú)立區(qū)域?yàn)槔齺碚f明運(yùn)算方法。PLC算法模型如圖3所示，每個(gè)方框代表一個(gè)射頻組件，風(fēng)機(jī)編號(hào)設(shè)為F01～F08，設(shè)5個(gè)測(cè)試點(diǎn)溫度為T1～T5控制程序?qū)1和T2進(jìn)行比較，取最大值作為F01和F05風(fēng)機(jī)的反饋值，同理，T2和T3的最大值作為F02和F06風(fēng)機(jī)的反饋值等等。

圖3　PLC算法模型

這種算法能夠保證：

① 測(cè)試點(diǎn)位置的組件溫度可控制在預(yù)設(shè)溫度值附近；

② 在達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，所有風(fēng)機(jī)都參與控制，彼此分擔(dān)相同的責(zé)任。

需要說明的是，上述的控制策略并不受射頻組件獨(dú)立區(qū)域數(shù)量的限制，每一獨(dú)立區(qū)域均可以采用相同的控制策略。

1.4軟件需求

自動(dòng)溫控系統(tǒng)采用組態(tài)軟件編程，上位機(jī)與下位機(jī)軟件共同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)下列功能：

① 實(shí)時(shí)顯示溫度、風(fēng)速數(shù)據(jù)；

② 可查詢實(shí)時(shí)和歷史曲線；

③ 實(shí)時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)至監(jiān)控計(jì)算機(jī)；

④ 具備自動(dòng)手動(dòng)切換開關(guān)；

⑤ 具有報(bào)警功能；

⑥ 口令管理；

⑦ 提供幫助信息；

⑧ 具備自動(dòng)存儲(chǔ)、打印與查詢功能；

⑨ 設(shè)置通訊端口，保證正常通信。

2冷卻通道設(shè)計(jì)

利用空氣來冷卻電子設(shè)備發(fā)熱器件，是一種比較直接的冷卻形式，而冷卻通道是整個(gè)溫控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其結(jié)構(gòu)形式直接影響著功放組件的散熱效果。

由設(shè)計(jì)方案可知，系統(tǒng)由4個(gè)獨(dú)立區(qū)域組成整個(gè)陣面，每個(gè)獨(dú)立區(qū)域單獨(dú)完成溫控任務(wù)，2個(gè)相鄰區(qū)域間沒有空氣交換。因此，在相鄰獨(dú)立區(qū)域間用隔板封閉，不開通風(fēng)孔等孔洞。在每個(gè)獨(dú)立區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)出由承載射頻組件的框架、散熱肋片、導(dǎo)流板以及安裝風(fēng)機(jī)的散熱單元來共同構(gòu)成。其中散熱肋片和導(dǎo)流板安裝于射頻組件上，其陣面風(fēng)道示意圖如圖4所示。

圖4　陣面風(fēng)道示意

每個(gè)獨(dú)立區(qū)域都被整齊排列的5列射頻組件均勻分成了4個(gè)小的冷卻通道，通道為減小阻力設(shè)計(jì)為直線形，之間不再分隔。當(dāng)冷空氣進(jìn)入每個(gè)獨(dú)立區(qū)域后可以通過PLC的控制調(diào)配作用，使4個(gè)小通道中的組件溫度趨于一致。通道截面形狀及尺寸取決于射頻組件輪廓、導(dǎo)流板形狀以及承載框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1肋片及導(dǎo)流板設(shè)計(jì)

每個(gè)射頻組件都含有一個(gè)功放模塊，布置于射頻組件的末級(jí)，本身不自帶風(fēng)機(jī)，其熱量交換途徑主要為散熱肋片，散熱肋片的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到陣面的冷卻效果及發(fā)熱單元工作的可靠性[9]。在本系統(tǒng)射頻組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)散熱肋片進(jìn)行了多種方案的熱仿真優(yōu)化，結(jié)果表明，散熱肋片在齒高35 mm，齒厚2 mm，間距8 mm時(shí)風(fēng)阻最小，傳熱效果最佳。

散熱肋片采用防銹鋁合金板材加工，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)加工性能好、輕巧牢固、傳熱效率高和抗振性能好。機(jī)械加工后進(jìn)行導(dǎo)電氧化防護(hù)。為了保證散熱肋片基板與功放模塊接觸良好，結(jié)合面機(jī)加工表面粗糙度不低于Ra3.2 μm，并涂導(dǎo)熱脂，用數(shù)個(gè)M2.5的螺釘固定。

導(dǎo)流板是為增加散熱肋片處的冷空氣流量而設(shè)置的，在冷卻通道中起部分分流作用。散熱肋片及導(dǎo)流板示意圖如圖5所示。

圖5　散熱肋片及導(dǎo)流板示意

2.2散熱單元設(shè)計(jì)

散熱單元由一個(gè)箱體和風(fēng)機(jī)、濾塵網(wǎng)共同構(gòu)成。箱體是風(fēng)機(jī)的安裝基礎(chǔ)，用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板制造，為提高剛性在箱體表面壓制了深度為2.5 mm的加強(qiáng)筋，并在開口法蘭端面設(shè)計(jì)了數(shù)個(gè)安裝孔，用螺栓與射頻組件承載框架組裝聯(lián)結(jié)，結(jié)合面密封處理。箱體具有一定深度，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障后對(duì)風(fēng)量有一定的調(diào)節(jié)作用，使冷空氣均勻分布至每個(gè)獨(dú)立區(qū)域，保證系統(tǒng)仍能可靠穩(wěn)定運(yùn)行。散熱單元外觀設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6　散熱單元外觀

3工程驗(yàn)證

按上述的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并編寫PLC控制系統(tǒng)程序，在陣面功率最大、環(huán)控系統(tǒng)正常工作、預(yù)設(shè)溫度為37 ℃時(shí)，對(duì)溫控系統(tǒng)進(jìn)行了不同工況下各種參數(shù)的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：在環(huán)控系統(tǒng)正常運(yùn)行，每個(gè)獨(dú)立區(qū)域風(fēng)機(jī)組風(fēng)機(jī)失效25%時(shí)情況下，溫控系統(tǒng)調(diào)控下的射頻組件主要模塊溫度始終保持穩(wěn)定，相互間溫差不超過5.8 ℃，滿足不均衡溫差10 ℃要求。

表1、表2、表3和表4是摘錄了其中2種工況下幾種參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1　風(fēng)道參數(shù)測(cè)試結(jié)果(F04/08損壞，其余自動(dòng))

表2　對(duì)應(yīng)表1工況風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速　(單位：轉(zhuǎn)/min)

表3　風(fēng)道參數(shù)測(cè)試結(jié)果(風(fēng)機(jī)全部自動(dòng))

表4　對(duì)應(yīng)表3工況風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速　(單位：轉(zhuǎn)/min)

另外預(yù)設(shè)溫度可以在一定范圍內(nèi)設(shè)定。其他軟件功能如實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線查詢等均已一一實(shí)現(xiàn)，在此不再詳述。

4結(jié)束語

綜上可見，用PLC技術(shù)對(duì)陣列天線射頻組件陣面熱控系統(tǒng)控制的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，也證明了基于PLC控制的風(fēng)冷溫控系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、技術(shù)實(shí)用、成本低廉、易于操控、污染小并且運(yùn)行可靠。從實(shí)際完成后的實(shí)測(cè)結(jié)果來看，溫升一致性好，在25%風(fēng)機(jī)失效情況下不均衡溫差為5.8 ℃，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人值守等目標(biāo)，取得了滿意的散熱效果。系統(tǒng)運(yùn)行幾年來，溫控系統(tǒng)運(yùn)行良好，不僅保證了陣列天線的正常運(yùn)行，還大大減少了技術(shù)人員巡檢次數(shù)，節(jié)約了經(jīng)費(fèi)開支。

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孟凡娟女，(1963—)，工程師。主要研究方向：電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

作者簡介

中圖分類號(hào)TN03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)04-0067-04

收稿日期：2016-01-08

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.17

引用格式：孟凡娟.一種陣列天線自動(dòng)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程,2016,46(4):67-70.