DF500A型短波發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)研究與分析

師紅偉

摘 要：DF500A型短波發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)是發(fā)射機(jī)的核心部件，負(fù)責(zé)控制發(fā)射機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行控制和邏輯安全保護(hù)功能。深入研究分析其運(yùn)行機(jī)制和原理有助于技術(shù)人員的日常維護(hù)與管理，提升安全傳輸發(fā)射保障能力

【關(guān)鍵詞】發(fā)射機(jī) 自動(dòng)控制 邏輯控制 調(diào)諧控制

1 引言

DF500A型短波發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)是用戶和發(fā)射機(jī)各種設(shè)備和遠(yuǎn)見連接的橋梁，具有調(diào)整、監(jiān)控所有開關(guān)程序、保證工作人員人身安全、保護(hù)設(shè)備安全、簡化操作等功能。精密的操作鍵和彩色顯示器使工作人員的操作簡單直接，顯示屏上清楚地顯示了所有操作數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)狀況。

2 整體設(shè)計(jì)

用戶通過發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)的各項(xiàng)操作。控制系統(tǒng)主要有兩方面的功能，一方面確保正確的開、關(guān)發(fā)射機(jī)順序；另一方面在發(fā)生故障時(shí)，執(zhí)行必要的保護(hù)動(dòng)作。另外，它還控制著發(fā)射機(jī)的調(diào)諧系統(tǒng)，并使之與控制系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。

DF500A控制系統(tǒng)由四部分構(gòu)成：

（1）帶有用戶界面的上位機(jī)人機(jī)交互自動(dòng)控制系統(tǒng)。

（2）邏輯控制系統(tǒng)。

（3）調(diào)諧控制系統(tǒng)。

（4）燈絲控制系統(tǒng)。整機(jī)控制系統(tǒng)框圖見圖1。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著保障設(shè)備安全運(yùn)行，提高設(shè)備可靠性的目的，采用先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，用先進(jìn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，做到高可靠、高質(zhì)量設(shè)計(jì)。

自動(dòng)控制系統(tǒng)采用高可靠的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)。用Microsoft Visual Studio 2005為開發(fā)平臺(tái)，對(duì)發(fā)射機(jī)的控制全部封裝于程序中。所開發(fā)的人機(jī)對(duì)話界面友好，操作畫面簡單直觀，大方得體，色彩豐富，給人很好的視覺效果，不易造成視覺疲勞。

4 邏輯控制系統(tǒng)

邏輯控制器與調(diào)諧控制器構(gòu)成了發(fā)射機(jī)的核心控制，它們安裝在一個(gè)自成一體的插箱內(nèi)。

邏輯控制系統(tǒng)監(jiān)控發(fā)射機(jī)開關(guān)的切換步驟，它與發(fā)射機(jī)安全系統(tǒng)和PSM控制系統(tǒng)聯(lián)系緊密。其控制包括風(fēng)路、水路、燈絲、高壓、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等設(shè)備，它主要完成如下三方面的功能：

4.1 實(shí)時(shí)采樣

控制器系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣一百多路發(fā)射機(jī)風(fēng)路、水路、燈絲、高壓、馬達(dá)等各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)量，并通過RS232串行通信方式上傳至上位機(jī)。

4.2 故障處理

控制器系統(tǒng)通過采樣到的狀態(tài)量分析發(fā)射機(jī)的運(yùn)行狀況，并采取相應(yīng)保護(hù)措施，如當(dāng)系統(tǒng)檢測到屏極過流、前級(jí)過流等過流故障或某個(gè)門未關(guān)好、某處水溫過高等故障時(shí)，系統(tǒng)將立即斷高壓，因?yàn)槿绯霈F(xiàn)上述故障卻仍然在高壓狀態(tài)極易損壞機(jī)器設(shè)備或威脅操作人員的安全。

4.3 控制命令處理

操作人員可以通過上位機(jī)控制或手動(dòng)按鍵控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)射機(jī)的上燈絲、合高壓、斷高壓、關(guān)機(jī)、復(fù)位、升功率、降功率等過程，系統(tǒng)根據(jù)不同的控制命令適時(shí)啟動(dòng)、關(guān)斷風(fēng)路、水路、燈絲、高壓、馬達(dá)等設(shè)備的各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。

4.1 邏輯控制器硬件描述

500kW短波發(fā)射機(jī)邏輯控制器采用兩片EPM7512EAQI208作為核心處理器（一片負(fù)責(zé)所有的邏輯控制，一片負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信），輸入接口電路、輸出接口電路、狀態(tài)指示燈電路作為外部接口電路。由于控制器輸入量、輸出量及狀態(tài)指示量都比較多，因此輸入接口電路由輸入接口電路板A、輸入接口電路板B組成，輸出接口電路由輸出接口電路板A、輸出接口電路板B組成，狀態(tài)顯示由狀態(tài)顯示電路板A、狀態(tài)顯示電路板B組成，核心控制板負(fù)責(zé)邏輯控制及外圍電路控制、通信電路板負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信。受整個(gè)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，邏輯控制器采用插箱式結(jié)構(gòu)，所以各電路板之間的連線通過母板來實(shí)現(xiàn)。輸入接口電路板A上共有54路輸入信號(hào)，輸入接口電路板B上共有50路輸入信號(hào)，為了增強(qiáng)抗干擾性能，用光電耦合器將輸入信號(hào)分成系統(tǒng)內(nèi)與系統(tǒng)外兩部分，系統(tǒng)內(nèi)高電平為+3.3V，系統(tǒng)外高電平為+24V，并且系統(tǒng)內(nèi)與系統(tǒng)外的地隔離；輸出接口電路板A上有40路輸出信號(hào)，輸出接口電路板B上有26路輸出信號(hào)，設(shè)計(jì)原理同輸入信號(hào)。

邏輯控制器的各功能板插在一個(gè)母版上，A1～A4板插在母版前面，A14～A17板插在母版后面。實(shí)際板卡連接如圖2。

4.2 邏輯控制器按鍵操作說明

4.2.1 A1通信電路板按鍵操作說明

A1通信電路板上共有高功率、低功率、升功率、降功率、+、-、S七個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵均帶有指示燈。

4.2.2 A2核心控制板按鍵操作說明

A2核心控制板上共有關(guān)機(jī)、黑燈絲、紅燈絲、高壓合、高壓斷、復(fù)位、快速燈絲七個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵均帶有指示燈。

其中切換發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)有三個(gè)按鍵即關(guān)機(jī)鍵、黑燈絲鍵、紅燈絲鍵，為了使發(fā)射機(jī)狀態(tài)切換更嚴(yán)謹(jǐn)有序、提高穩(wěn)定性，在軟件上分成了四個(gè)工作狀態(tài)即紅燈絲、黑燈絲、關(guān)機(jī)延時(shí)、待機(jī)。

4.3 邏輯控制器控制狀態(tài)說明

4.3.1 待機(jī)狀態(tài)

發(fā)射機(jī)已上電，但不工作，關(guān)斷所有的輸出。邏輯控制器所有按鍵指示燈滅。

4.3.2 黑燈絲狀態(tài)

啟動(dòng)輔助電源、低速水泵、調(diào)壓器，電子管末級(jí)燈絲電壓保持在4V。在升/降燈絲、預(yù)熱/冷卻燈絲過程中黑燈絲按鍵指示燈閃爍，預(yù)熱完成后常亮。

4.3.3 紅燈絲狀態(tài)

先到黑燈絲狀態(tài)，再啟動(dòng)高速水泵、高低壓風(fēng)機(jī)、冷凝器風(fēng)機(jī)1，電子管末級(jí)燈絲電壓保持在17V。在升/降燈絲、預(yù)熱/冷卻燈絲過程中紅燈絲按鍵指示燈閃爍，預(yù)熱完成后常亮。

4.3.4 關(guān)機(jī)延時(shí)狀態(tài)

啟動(dòng)輔助電源、低速水泵，電子管末級(jí)燈絲電壓保持在0V。在降燈絲、冷卻燈絲過程中關(guān)機(jī)按鍵指示燈閃爍，延時(shí)結(jié)束后自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

4.4 邏輯控制器軟件描述

發(fā)射機(jī)各邏輯狀態(tài)之間可以互相切換，其狀態(tài)切換如圖3。

在待機(jī)狀態(tài)可以直接按黑燈絲按鍵進(jìn)入黑燈絲狀態(tài)即過程A1，也可以直接按紅燈絲按鍵進(jìn)入紅燈絲狀態(tài)即過程B1；在黑燈絲狀態(tài)可以按關(guān)機(jī)按鍵進(jìn)入關(guān)機(jī)延時(shí)狀態(tài)即過程C1，延時(shí)完成后自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)即過程D1，也可以按紅燈絲按鍵進(jìn)入紅燈絲狀態(tài)即過程B2；在紅燈絲狀態(tài)可以按關(guān)機(jī)按鍵進(jìn)入關(guān)機(jī)延時(shí)狀態(tài)即過程C2，延時(shí)完成后自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，也可以按黑燈絲按鍵進(jìn)入黑燈絲狀態(tài)即過程B2；在關(guān)機(jī)延時(shí)狀態(tài)如果按黑燈絲按鍵或紅燈絲按鍵將進(jìn)入黑燈絲狀態(tài)即過程A1或紅燈絲狀態(tài)即過程B1，如果不按鍵將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

5 調(diào)諧控制系統(tǒng)

調(diào)諧控制的基本功能是通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置來調(diào)整射頻系統(tǒng)的可變電容和電感，使射頻系統(tǒng)工作在阻抗匹配最佳狀態(tài)。調(diào)諧控制系統(tǒng)包括調(diào)諧控制器，調(diào)諧電源，馬達(dá)控制放大器和調(diào)諧馬達(dá)裝置。

5.1 調(diào)諧原理

發(fā)射機(jī)調(diào)諧系統(tǒng)分成兩個(gè)操作步驟：粗調(diào)和微調(diào)。粗調(diào)系統(tǒng)的主要特征是調(diào)整數(shù)據(jù)的再現(xiàn)性和大存儲(chǔ)容量。相位傳感器、負(fù)載傳感器、電流傳感器等提供的調(diào)諧數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)處理保證了微調(diào)的可靠性。

5.1.1 第一步：粗調(diào)

發(fā)射機(jī)通常只裝備11個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻帶的頻率，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)諧系統(tǒng)含有？個(gè)預(yù)設(shè)值，在4.7—26.1MHz的短波頻率范圍內(nèi)分配。每個(gè)預(yù)設(shè)值包含了發(fā)射機(jī)調(diào)諧過程的詳細(xì)信息，例如電動(dòng)機(jī)定位、開關(guān)元器件定位等。

預(yù)設(shè)值在試運(yùn)行時(shí)設(shè)定。調(diào)試人員把100個(gè)常用的操作狀態(tài)作為預(yù)設(shè)值存儲(chǔ)進(jìn)去，這些預(yù)設(shè)值和固化的預(yù)設(shè)值的信息是一樣的。固化預(yù)設(shè)值和可選預(yù)設(shè)值結(jié)合使用使射頻部分的操作簡單可靠。

根據(jù)固化預(yù)設(shè)值和調(diào)試者預(yù)設(shè)值，控制系統(tǒng)決定電動(dòng)機(jī)的位置、電動(dòng)機(jī)切換位置和所有需要根據(jù)所選操作頻率才能確定的數(shù)據(jù)。添加兩種預(yù)設(shè)值之間的頻率數(shù)據(jù)增加了改進(jìn)調(diào)諧、快速微調(diào)、操作便利等功能。

所有機(jī)械調(diào)諧元件到位之后，微調(diào)就會(huì)啟動(dòng)。

5.1.2 第二步：微調(diào)

發(fā)射機(jī)根據(jù)載波頻率和天線負(fù)載調(diào)諧，調(diào)諧所需的數(shù)據(jù)由相位、負(fù)載和電壓傳感器供給。調(diào)諧狀態(tài)被實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且加載變化被自動(dòng)修正。

發(fā)射機(jī)可以調(diào)諧間隔為10Hz的11個(gè)國際短波頻帶之間的任一個(gè)載波頻率。

5.2 調(diào)諧控制器

調(diào)諧控制器是500kW發(fā)射機(jī)核心控制的一部分，調(diào)諧控制器控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

發(fā)射機(jī)自動(dòng)調(diào)諧控制核心由通信模塊（ARM1）、調(diào)諧模塊（ARM2）組成。通信板負(fù)責(zé)與上位機(jī)、調(diào)諧板進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)控制發(fā)射機(jī)開關(guān)機(jī)、調(diào)諧以及狀態(tài)信息、報(bào)警信息的及時(shí)上傳。調(diào)諧板負(fù)責(zé)調(diào)諧和與邏輯控制器進(jìn)行通信，接收通信板發(fā)送的調(diào)諧命令，上傳通過A/D轉(zhuǎn)換獲取的狀態(tài)信息，以及通過D/A接口控制發(fā)射機(jī)進(jìn)行調(diào)諧；同時(shí)，調(diào)諧板可通過顯示器及鍵盤實(shí)現(xiàn)手動(dòng)微調(diào)馬達(dá)。

調(diào)諧控制器與邏輯控制器在一個(gè)自成一體的插箱內(nèi)，各功能板插在一個(gè)母板上，A5板插在母版前面，A11～A14板插在母版后面。其實(shí)際板卡連接如圖5。

5.2.1 母板

母板負(fù)責(zé)鏈接AD板、DA板、通信控制板、調(diào)諧控制板和通信接口板，進(jìn)行各個(gè)電路板之間信號(hào)的鏈接和轉(zhuǎn)換。

5.2.2 AD板

AD板的主要功能是把十三路馬達(dá)位置數(shù)據(jù)和各種表值數(shù)據(jù)的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給調(diào)諧控制板。AD電路板主要由兩個(gè)多路選擇開關(guān)（ADG40）和一個(gè)AD轉(zhuǎn)換芯片（AD7233）及其外圍電路組成，并且整個(gè)自動(dòng)調(diào)諧控制系統(tǒng)的電源（+24V）從該板輸入。

5.2.3 DA板

DA板主要是把調(diào)諧控制板傳送過來的十三路馬達(dá)控制信號(hào)由數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量去控制十三路電機(jī)，并且激勵(lì)器的控制從該板輸出。DA板主要由兩個(gè)DA轉(zhuǎn)換芯片（AD7839）及其外圍電路組成。

5.2.4 通信接口板

通信接口板主要負(fù)責(zé)控制板和外圍設(shè)備的接口，光耦隔離進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備。X2是邏輯控制的接口，X6是波段控制的接口。

5.2.5 通信控制板

通信控制板主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信、與調(diào)諧控制板通信和一些邏輯控制功能。通信控制板主要由ARM芯片LPC2388和iPort模塊組成。通信控制板實(shí)現(xiàn)的邏輯功能有關(guān)機(jī)、黑燈絲、紅燈絲、高壓合、高壓斷、復(fù)位、快速燈絲、封鎖音周、封鎖PSM指令。

5.2.6 邏輯控制板

邏輯控制板主要負(fù)責(zé)調(diào)諧控制、與邏輯控制器通信、與調(diào)諧控制板通信、液晶顯示、指示燈和一些邏輯控制功能。邏輯控制板主要由ARM芯片LPC2388和液晶顯示模塊組成。邏輯控制板實(shí)現(xiàn)的邏輯功能有高功率、低功率、升功率、降功率和啟動(dòng)調(diào)諧。

5.3 燈絲控制器

燈絲控制器使發(fā)射機(jī)的電子管末級(jí)燈絲電壓能夠在要求時(shí)間間隔內(nèi)升、降、預(yù)熱、冷卻，實(shí)現(xiàn)保護(hù)電子管的目的，并穩(wěn)定保持在要求電壓范圍內(nèi)，不隨外電波動(dòng)而波動(dòng)，并將燈絲狀態(tài)實(shí)時(shí)輸出給邏輯控制器，使發(fā)射機(jī)工作在相應(yīng)狀態(tài)。

燈絲控制器系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并顯示發(fā)射機(jī)電子管末級(jí)燈絲電壓、末級(jí)燈絲電流、前級(jí)燈絲電壓，當(dāng)收到發(fā)射機(jī)邏輯控制系統(tǒng)發(fā)出的關(guān)機(jī)、黑燈絲、紅燈絲指令時(shí)，系統(tǒng)將電子管末級(jí)燈絲電壓從當(dāng)前電壓升或降到要求電壓，圖6表示了電子管末級(jí)燈絲曲線。

升降時(shí)間間隔必須符合要求，即從0V升到4.0V時(shí)間為80s，從4.0V升到17.0V時(shí)間為180s，從17.0V降到4.0V時(shí)間為180s，從4.0V降到0.0V時(shí)間為80s，如果燈絲電壓從其它電壓值升降，則時(shí)間間隔按比例縮小。

當(dāng)燈絲電壓按要求升降到黑燈絲或紅燈絲狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)必須保證電子管末級(jí)燈絲電壓穩(wěn)定在相應(yīng)電壓值，使其不隨外電波動(dòng)而波動(dòng)。燈絲電壓升到4.0V即黑燈絲狀態(tài)后，延時(shí)30分鐘，即預(yù)熱30分鐘，待預(yù)熱完成后才能升紅燈絲；當(dāng)燈絲電壓從紅燈絲狀態(tài)降到黑燈絲狀態(tài)后延時(shí)5分鐘，即冷卻5分鐘，待冷卻完成后才能進(jìn)行降零燈絲，即燈絲電壓降為0V；當(dāng)燈絲電壓從黑燈絲狀態(tài)降到零燈絲狀態(tài)后延時(shí)5分鐘，即冷卻5分鐘。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集3路模擬量，即發(fā)射機(jī)電子管末級(jí)燈絲電壓、末級(jí)燈絲電流、前級(jí)燈絲電壓，輸入電壓均在0-10V范圍內(nèi)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送微處理器；輸出控制1路模擬量即末級(jí)燈絲控制電壓，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后到電子調(diào)壓器的控制端，輸出電壓范圍在0-10V范圍內(nèi)；系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集來自邏輯控制器的命令信號(hào)，即6路輸入開關(guān)量，并隨時(shí)將電子管末級(jí)燈絲的狀態(tài)信號(hào)即12路開關(guān)量輸出給邏輯控制器，為了增強(qiáng)抗干擾性能，用光電耦合器將開關(guān)量分成系統(tǒng)內(nèi)與系統(tǒng)外兩部分，系統(tǒng)內(nèi)高電平為+3.3V，系統(tǒng)外高電平為+24V，并且系統(tǒng)內(nèi)與系統(tǒng)外的地隔離；前面板上的VFD顯示屏，實(shí)時(shí)顯示電子管末級(jí)燈絲電壓值、末級(jí)燈絲電流值、前級(jí)燈絲電壓值。

6 結(jié)束語

DF500A型短波發(fā)射機(jī)的控制系統(tǒng)是發(fā)射機(jī)的核心部件，是發(fā)射機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行控制的基礎(chǔ)，深入分析和研究其運(yùn)行工作機(jī)制和原理意義重大，是提升安全傳輸發(fā)射保障能力的有力保障。

作者單位

國家新聞出版廣電總局二0二四臺(tái) 黑龍江省佳木斯市 154025