發(fā)射機(jī)冷凝器室通排風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董浩

摘 要： 結(jié)合RS485和Modbus通信協(xié)議，基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，采用PLC及數(shù)字溫度采集模塊，對(duì)廣播發(fā)射機(jī)房冷凝器室通排風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)直觀的終端監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)的異態(tài)報(bào)警和歷史溫度數(shù)據(jù)分析能力，系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 發(fā)射機(jī)；冷凝器；PLC；組態(tài)王

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，以可編程邏輯控制器為核心的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。這種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)同樣適用于對(duì)廣播發(fā)射機(jī)房冷凝器室輔助設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。冷凝器是發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響。發(fā)射機(jī)冷凝器的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)冷凝器室溫度及冷卻風(fēng)循環(huán)有很高要求。

本文根據(jù)發(fā)射機(jī)房冷凝器室日常維護(hù)需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套發(fā)射機(jī)房冷凝器室通排風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由PLC（可編程控制器）、數(shù)字溫度采集模塊、計(jì)算機(jī)、串口服務(wù)器等設(shè)備構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射機(jī)冷凝器室的實(shí)時(shí)監(jiān)控，告警管理，配置管理，數(shù)據(jù)管理。

一、機(jī)房冷凝器室工作方式

發(fā)射機(jī)房冷凝器室通常分為三個(gè)部分，除了放置冷凝器設(shè)備的冷凝器室外，還有沉降室和排風(fēng)室。沉降室內(nèi)安裝進(jìn)風(fēng)百葉窗和除塵裝置，負(fù)責(zé)將室外冷卻風(fēng)送到冷凝器。排風(fēng)室安裝排風(fēng)百葉窗，負(fù)責(zé)將熱風(fēng)排出。在排風(fēng)室和沉降室之間有混風(fēng)百葉窗連接。各百葉窗的開(kāi)關(guān)可以由電動(dòng)執(zhí)行器控制開(kāi)關(guān)。

當(dāng)冷凝器室溫度高了，值班人員打開(kāi)進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)百葉窗，使室外冷空氣進(jìn)入冷凝器室，此時(shí)通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)為外循環(huán)；當(dāng)室溫低了，值班人員關(guān)閉進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)百葉窗，并打開(kāi)混風(fēng)百葉窗，此時(shí)通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)為內(nèi)循環(huán)。同時(shí)如果循環(huán)水溫度過(guò)低，可在冷凝器易凍壞部位加裝電加熱帶，降低凍壞概率。

機(jī)房每天播出情況復(fù)雜多變，夏天冷凝器室溫度過(guò)高時(shí)，如果值班人員沒(méi)有及時(shí)倒換通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)會(huì)造成發(fā)射機(jī)高溫保護(hù)；冬天冷凝器室溫度過(guò)低時(shí)，如果值班人員沒(méi)有及時(shí)倒換通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)會(huì)造成冷凝器凍壞。這兩種情況都會(huì)造成較長(zhǎng)時(shí)間停播。因此，安裝一套監(jiān)測(cè)功能全、采集精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、報(bào)警靈敏的冷凝器室通排風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤其重要。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組成如圖所示，其監(jiān)控系統(tǒng)的核心是PLC控制器，溫度采集模塊作為溫度取樣設(shè)備，采用工控機(jī)作為上位機(jī)監(jiān)視冷凝器室的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行管理與控制。

（1）系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)立在和發(fā)射機(jī)房分開(kāi)的“監(jiān)控室”內(nèi)，方便值班人員操作。在冷凝器室本地使用PLC作為下位機(jī)對(duì)設(shè)備狀態(tài)、溫度數(shù)值及通風(fēng)百葉窗等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。形成上位機(jī)、下位機(jī)和傳感器這種分布式系統(tǒng)架構(gòu)，使結(jié)構(gòu)清晰，管理方便，而且易于擴(kuò)展。

在系統(tǒng)通訊方面，一般PLC都支持RS232、RS485等串口通訊，因此在冷凝器室內(nèi)部PLC和溫度采集模塊的通訊可采用1000米內(nèi)穩(wěn)定快速的RS485通訊方式。考慮到從機(jī)房到“監(jiān)控室”的距離較遠(yuǎn)，環(huán)境較惡劣，因此可以通過(guò)串口服務(wù)器，將PLC的串口通訊搭建到廣播發(fā)射臺(tái)站原有的信息化平臺(tái)上，可以用最少的用線量和最低的施工成本實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)不僅子系統(tǒng)接入方便，而且上位機(jī)可以設(shè)置在任意一個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端，靈活方便。

（2）PLC系統(tǒng)配置

PLC作為系統(tǒng)的下位機(jī)是聯(lián)系冷凝器室監(jiān)控設(shè)備和上位機(jī)的紐帶。PLC應(yīng)用范圍廣泛，因此種類也繁多。本發(fā)系統(tǒng)選擇三菱公司的FX2N系列的PLC。FX2N 是FX系列PLC家族中最先進(jìn)的系列，本機(jī)自帶內(nèi)置電源、I/O接口和通信擴(kuò)展接口。FX2N不但自身支持多個(gè)輸入輸出點(diǎn)，還支持多種擴(kuò)展控制方式，用途多樣化。

本系統(tǒng)PLC的I/O模塊主要承擔(dān)開(kāi)關(guān)量輸入輸出的作用。輸入開(kāi)關(guān)量主要包括進(jìn)風(fēng)閥、排風(fēng)閥、混風(fēng)閥的百葉窗執(zhí)行器到位信號(hào)，冷凝器風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)信號(hào)，冷凝器加熱帶開(kāi)關(guān)信號(hào)。同時(shí)PLC通過(guò)自身的輸出模塊控制冷凝器室各輔助設(shè)備的繼電器開(kāi)關(guān)，包括各百葉窗和加熱帶的控制。I/O模塊數(shù)量根據(jù)I/O數(shù)據(jù)表統(tǒng)計(jì)和實(shí)際情況作適當(dāng)調(diào)整，但必須有30%的備用點(diǎn)數(shù)，以便擴(kuò)展。

（3）溫度傳感器的選擇

本系統(tǒng)采用DS18B20型傳感器。DS18B20尺寸微型，耗能低，準(zhǔn)確性高，抗干擾能力強(qiáng)，容易和各種溫度采集處理器搭配，是數(shù)字溫度測(cè)量采集系統(tǒng)常用的溫度傳感器。測(cè)量的溫度范圍是—55～125℃，測(cè)溫誤差0.5℃。其精度較高，可編程分辨率高達(dá)9-12位，和傳統(tǒng)電偶式傳感器的測(cè)量精度比起來(lái)有了巨大的提高。DS18B20數(shù)字溫度傳感器只有三條簡(jiǎn)單的接線端子，有多種封裝如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，可以根據(jù)能用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。且DS18B20傳輸線的距離在30m 以內(nèi)都有效，可以滿足冷凝器室所有測(cè)溫點(diǎn)的布線。

市面上有較多種適應(yīng)DS18B20的數(shù)字溫度采集模塊，多個(gè)DS18B20并聯(lián)在一根總線上與溫度采集模塊連接，采用碼分多址、串行方式進(jìn)行訪問(wèn)。然后通過(guò)RS485 MODBUS協(xié)議通訊，可以實(shí)現(xiàn)將溫度模塊采集的數(shù)據(jù)上傳到下位機(jī)PLC中。

三、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)編程使用PLC的專用梯形圖語(yǔ)言編寫，主要實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)和溫度采集模塊的通信、冷凝器室各設(shè)備的狀態(tài)采集、以及輔助設(shè)備的控制等功能。

上位機(jī)的軟件使用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)。組態(tài)軟件是一類專門應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境?？梢詫⒊Ｓ脭?shù)據(jù)采集設(shè)備和設(shè)備控制設(shè)備，通過(guò)簡(jiǎn)單組網(wǎng)的方式，實(shí)現(xiàn)快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，并自建簡(jiǎn)單的工業(yè)控制單元，儀表等軟件開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。

上圖為上位機(jī)人機(jī)交互頁(yè)面的主界面。通過(guò)整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)可以通過(guò)四個(gè)頁(yè)面實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)功能：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頁(yè)面

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頁(yè)面是本系統(tǒng)的主界面，當(dāng)用戶開(kāi)啟系統(tǒng)軟件后，上位機(jī)顯示直接跳轉(zhuǎn)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頁(yè)面，在本頁(yè)面中，顯示出一個(gè)完整的機(jī)房冷凝器室示意圖。圖中標(biāo)注出各設(shè)備及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置和實(shí)時(shí)狀態(tài)，用戶可以通過(guò)可視化界面查看到目前的機(jī)房狀態(tài)，各種環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)。主要包括：冷凝器風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，冷凝器水溫，冷凝器室室溫，百葉窗開(kāi)關(guān)狀態(tài)，時(shí)鐘顯示。

（2）遠(yuǎn)程控制頁(yè)面

遠(yuǎn)程控制頁(yè)面類似一個(gè)操作臺(tái)，用戶通過(guò)選擇頁(yè)面中的按鈕，向PLC發(fā)送指令，PLC再通過(guò)輸出模塊控制冷凝器室設(shè)備的開(kāi)關(guān)。同時(shí)，被操作的設(shè)備狀態(tài)在操作臺(tái)界面上用指示燈的形式顯示出來(lái)。主要包括：手動(dòng)/自動(dòng)切換、百葉窗控制，加熱帶控制。

（3）設(shè)定頁(yè)面

設(shè)定頁(yè)面主要提供一些后臺(tái)數(shù)據(jù)的在線配置和修改功能。主要包括系統(tǒng)的自動(dòng)控制條件設(shè)定和溫度報(bào)警的門限值設(shè)定。主要包括：百葉窗開(kāi)關(guān)設(shè)定，加熱帶開(kāi)關(guān)設(shè)定，溫度報(bào)警門限設(shè)定。

（4）溫度曲線頁(yè)面

溫度趨勢(shì)曲線頁(yè)面主要提供溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及數(shù)據(jù)分析功能。實(shí)時(shí)溫度趨勢(shì)曲線頁(yè)面包含兩個(gè)溫度曲線圖表：冷凝器水溫實(shí)時(shí)曲線和冷凝器室室溫實(shí)時(shí)曲線。歷史溫度趨勢(shì)曲線頁(yè)面包含一個(gè)歷史趨勢(shì)曲線圖表，用戶可以根據(jù)圖表下拉菜單，選擇查看系統(tǒng)所有溫度取樣點(diǎn)歷史趨勢(shì)曲線。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的需要注意的幾個(gè)問(wèn)題

廣播發(fā)射機(jī)房多為大功率發(fā)射機(jī)，工作頻率從幾MHz到幾十MHz，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題大多數(shù)和高頻干擾有關(guān)，以下列舉幾個(gè)問(wèn)題：

（1）設(shè)備布局

對(duì)于溫度傳感器的布局，在可以檢測(cè)到溫度的前提下，盡量遠(yuǎn)離高功率的高頻器件，如交換開(kāi)關(guān)、天饋線；下位機(jī)的布局要考慮離網(wǎng)絡(luò)接入端盡可能近些，最好安裝在帶有高頻屏蔽的柜子里。

（2）器件選擇與制作

在系統(tǒng)器件的選擇時(shí)，應(yīng)采用高品質(zhì)的器件，但在此系統(tǒng)如此惡劣的環(huán)境中長(zhǎng)期使用時(shí)，將成為系統(tǒng)的隱患。在處理溫度傳感器時(shí)，為了使傳感器更穩(wěn)定長(zhǎng)期的工作，我們將傳感器采用高導(dǎo)熱性的鋼制外殼和密封膠進(jìn)行封裝。同時(shí)將外殼與總線的屏蔽層接到一起。另外使每個(gè)傳感器的引線盡量短，盡量避免高頻干擾。

（3）接地的處理

測(cè)量系統(tǒng)對(duì)接地有很高的要求，尤其是小信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)，在使用RS485的總線測(cè)量中，一般采用總線屏蔽層單端接地的方法，避免因屏蔽層的封閉回路而造成兩接地點(diǎn)間的電流環(huán)路，干擾正常的測(cè)量信號(hào)。

五、系統(tǒng)下一步的完善想法

系統(tǒng)目前已投入使用，但在以下幾方面仍可以進(jìn)一步改進(jìn)，使系統(tǒng)更趨于完整和完善。1、加入更多的輔助測(cè)量模塊，如電壓、濕度、風(fēng)力，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍。2、從單一機(jī)房擴(kuò)展到多個(gè)機(jī)房，進(jìn)而擴(kuò)展到全臺(tái)機(jī)房范圍監(jiān)控。3、開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)版軟件，方便在各網(wǎng)絡(luò)終端監(jiān)控冷凝器室工作。

六、結(jié)論

系統(tǒng)完成投入運(yùn)行后，在系統(tǒng)穩(wěn)定性和監(jiān)控準(zhǔn)確性方面都得到了很好的體現(xiàn)。通過(guò)此系統(tǒng)，值班人員不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)房冷凝器室運(yùn)行情況，而且在環(huán)境或設(shè)備出現(xiàn)異態(tài)前，系統(tǒng)可以提前報(bào)警，給相關(guān)人員留下充足的時(shí)間去處理。系統(tǒng)不僅降低了值班人員工作量，而且為安全播出提供了更好的保障。

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