符世楠
國家廣播電視總局2023臺 海南省 臨高縣 571837
水冷系統(tǒng)作為發(fā)射機(jī)的重要組成部分,它為發(fā)射機(jī)的末級電子管、高末槽路線圈及電容進(jìn)行冷卻降溫,為發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。水泵作為水冷系統(tǒng)不可或缺的一部分,它保證了水在水冷系統(tǒng)中的循環(huán)流動。BGTB5141 型 100kW 短 波發(fā)射機(jī)的冷卻系統(tǒng)配備有主備兩個水泵,當(dāng)主泵故障或水流量不足時(shí),可通過主備泵切換電路對水泵進(jìn)行自動切換。主備泵切換電路的使用讓發(fā)射機(jī)的水冷系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定可靠,但因?yàn)闊o法進(jìn)行“二次互投”的缺陷在一定程度上降低了發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
主備泵切換原理如圖1 所示,筆者以小豆開關(guān)5S1 撥至下面位置為例,此時(shí)5S1 的兩組接點(diǎn) (1,5) 和 (2,6) 分別導(dǎo)通,“主控合”動作后,熱交換器交流接觸器1K4 線包得電,使得其常開接點(diǎn)(L4,T4)閉合。當(dāng)熱交換器交流接觸器1K4 接點(diǎn)(L4,T4)閉合后,延時(shí)繼電器5K1 得電 (BGTB5141 型 100kW短波發(fā)射機(jī)設(shè)置延時(shí)繼電器的延時(shí)時(shí)間為3秒),使得其常開接點(diǎn)(1,4) 閉合,常閉接點(diǎn) (6,8)斷開。當(dāng)延時(shí)繼電器5K1 的(1,4)接點(diǎn)閉合后,交流接觸器5K3 得電,其一組常閉接點(diǎn)(NC21,NC22)斷開,三組常開接點(diǎn) (1,4)、(2,5)、(3,6)閉合,使得3相380V交流電送至水泵B2,水泵B2(主用水泵)開始工作。水泵B2 開始工作后,管內(nèi)水流流經(jīng)靶式流量計(jì)5WC1 使得其常開接點(diǎn) (O,CK)閉合,此時(shí)115V 控制電源分別經(jīng)交流接觸器5K1 的(1,4) 接點(diǎn)和靶式流量計(jì)的 (0,CK)接點(diǎn)兩條通路同時(shí)使交流接觸器5K3 的線包得電。延時(shí)繼電器5K1 在得電3 秒后,延時(shí)結(jié)束,其常開接點(diǎn)(1,4)斷開,但由于靶式流量計(jì)5WC1 的接點(diǎn)(0,CK)依然閉合,115V 控制電通過5WC1 接點(diǎn)送至交流接觸器5K3,使得水泵B2繼續(xù)保持工作。另外,雖然延時(shí)繼電器5K1延時(shí)結(jié)束后其常閉接點(diǎn)(6,8)導(dǎo)通,但是因?yàn)榻涣鹘佑|器5K3線包得電工作,其常閉接點(diǎn)(NC21,NC22)斷開,交流接觸器5K2線包無法得電,水泵B1因此不能得電工作。
水泵B2 故障引起水流量不足時(shí),靶式流量計(jì)5WC1 常開接點(diǎn)(0,CK)斷開,交流接觸器5K3 線包失電,其常閉接點(diǎn)(NC21,NC22)閉合,三組常開接點(diǎn) (1,4)、(2,5)、(3,6)斷開,水泵B2 停止工作。當(dāng)交流接觸器5K3 的常閉接點(diǎn)(NC21,NC22)閉合后,115V控制電源經(jīng)交流接觸器5K1 的常閉接點(diǎn)(6,8)、小豆開關(guān)5S1接點(diǎn)(1,5)和交流接觸器5K3 常閉接點(diǎn)(NC21,NC22)使交流接觸器5K2 線包得電,其常閉接點(diǎn)(NC21,NC22)斷開,三組常開接點(diǎn) (1,4)、(2,5)、(3,6)閉合,使得3相380V交流電送至水泵B1(備用水泵),水泵B1開始工作,完成備泵的切換。
在主泵切換至備泵后,如果不將5S1 小豆開關(guān)進(jìn)行切換(即5S1 開關(guān)的 (1,5)、(2,6) 接點(diǎn)斷開,(1,3)、(2,4)接點(diǎn)閉合),當(dāng)水泵B1 故障引起水流量再次不足時(shí),此時(shí)交流接觸器5K2 的常閉接點(diǎn) (NC21,NC22)為斷開狀態(tài),靶式流量計(jì)5WC1接點(diǎn)(0,CK)也斷開,交流接觸器5K3 線包無法得電,導(dǎo)致主泵無法工作,進(jìn)而使發(fā)射機(jī)的水冷系統(tǒng)停止運(yùn)行,使得發(fā)射機(jī)因水溫過高進(jìn)行“斷高壓”、“斷燈絲”等保護(hù)動作。
圖1 主備泵切換原理圖
由此可以看出,當(dāng)水流量過低導(dǎo)致發(fā)射機(jī)主泵切換至備泵后,發(fā)射機(jī)的主備泵切換電路無法在水流量再次過低時(shí)自動將備泵切換至主泵使用(即“二次互投”)。
為了解決主備泵切換電路無法進(jìn)行“二次互投”和日常運(yùn)行維護(hù)中暴露出的一些問題,對電路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),采用單片機(jī)(單片機(jī)是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計(jì)算機(jī),這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲存貯器RAM、程序存貯器ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種I/O接口電路[1])作為主備泵切換電路的控制核心,省去了通過交流接觸器對水泵進(jìn)行邏輯控制的電路,使電路得以簡化,更加靈活與智能。
為了彌補(bǔ)三相電磁交流接觸器壽命短、動作存在滯后性等缺點(diǎn),使用三相固態(tài)交流接觸器(具有高可靠、壽命長、無觸點(diǎn)、無火花、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、控制功率小等特點(diǎn))對其進(jìn)行替換,進(jìn)一步增加了電路的可靠性,保證了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
主備泵切換電路改進(jìn)方案整體框架由信號輸入、信號輸出、控制、CAN 通信、狀態(tài)指示等5個模塊組成。如圖2所示。
2.1.1 控制模塊
控制模塊由單片機(jī)及其外圍電路組成。單片機(jī)采用ST 公司STM32F1 系列的單片機(jī),型號為STM32F103C8T6,具有高性能、低成本、低功耗、豐富的外設(shè)接口等優(yōu)點(diǎn)。
2.1.2 CAN通信模塊
CAN通信模塊由德州儀器公司生產(chǎn)的SN65HVD230D 芯片及其外圍電路組成,用于與CAN總線上的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。例如發(fā)射機(jī)的上位機(jī)可以通過CAN總線來控制模塊進(jìn)行水泵切換操作,也可以通過其了解水泵的使用情況。
2.1.3 信號輸入模塊
熱交換器1K4 的吸合與斷開為單片機(jī)提供水泵上電的開關(guān)量信號。靶式流量計(jì)為單片機(jī)提供水流量的開關(guān)量信號。數(shù)字水壓表輸出4~20mA電流信號,通過4~20mA 轉(zhuǎn) 0~10V 隔離模塊,將4~20mA 的電流信號轉(zhuǎn)換為0~10V 電壓信號,然后通過ADS8689 電路將電壓信號轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字量信息,最后通過SPI的通信方式將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī),供單片機(jī)做數(shù)據(jù)參考。手動切換水泵按鈕,它用于提供一個手動切換水泵的功能。
2.1.4 信號輸出模塊
信號輸出模塊由光耦隔離電路組成,通過光耦隔離,實(shí)現(xiàn)了對單片機(jī)的輸出信號的電氣隔離,避免了外部的干擾信號通過輸出端口傳入控制電路中。
2.1.5 狀態(tài)指示模塊
狀態(tài)指示模塊由LED指示燈模塊和蜂鳴器模塊組成,LED 指示燈模塊用于主備泵的使用狀態(tài)及故障狀態(tài)的顯示;蜂鳴器模塊用于在電路發(fā)生故障時(shí)發(fā)出報(bào)警聲,起到提醒作用。
圖2 主備泵切換電路改進(jìn)方案整體框圖
單片機(jī)通過判斷熱交換器交流接觸器1K4 的通斷狀態(tài),判斷是否需要開啟水泵。當(dāng)單片機(jī)檢測到交流接觸器1K4 吸合時(shí),通過控制主泵的三相固態(tài)交流接觸器吸合,使主泵上電。主泵上電10秒后,單片機(jī)通過靶式流量計(jì)和數(shù)字水壓表提供水流量和水壓的數(shù)據(jù),判斷水泵是否工作正常。
在冷卻系統(tǒng)運(yùn)行過程中,如果單片機(jī)檢測到靶式流量計(jì)斷開且水壓異常時(shí),先判斷水泵是否已經(jīng)進(jìn)行過兩次“二次互投”,如果是,則證明水泵或管道出現(xiàn)問題,單片機(jī)將控制LED故障燈亮起和蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲進(jìn)行告警。否則,單片機(jī)將通過主備泵使用標(biāo)志位進(jìn)行水泵的切換。
由于整個主備泵切換控制電路由多個模塊組成,若單片機(jī)使用單一線程去處理模塊傳來的開關(guān)量信號與數(shù)據(jù)、控制狀態(tài)指示模塊顯示主備泵的使用狀態(tài)及故障狀態(tài)和蜂鳴器通斷、控制輸出模塊輸出相應(yīng)的信號,這將會使整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率降低,故引入uCOSIII 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。通過將不同的功能塊分成不同的任務(wù),這些任務(wù)通過uCOSIII 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度,使得每個任務(wù)如同同時(shí)進(jìn)行,有效地提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
主備泵切換電路上電后,單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行初始化、ADS8689芯片初始化、uCOSIII 初始化。初始化成功后,創(chuàng)建一個優(yōu)先級最高的起始任務(wù)(TaskStart 任務(wù)),任務(wù)調(diào)度后,在這個起始任務(wù)里創(chuàng)建用戶任務(wù),用戶任務(wù)創(chuàng)建完后,uCOSIII 系統(tǒng)的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度器將根據(jù)時(shí)間片對每個任務(wù)進(jìn)行時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度,如圖3所示。
在這個系統(tǒng)里,根據(jù)需要將用戶任務(wù)分為5個。
圖3 軟件流程圖
任務(wù)1:負(fù)責(zé)處理輸入的開關(guān)量和數(shù)字量信息,將這些信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志。任務(wù)2:根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志顯示主備泵的使用狀態(tài)及故障狀態(tài)和控制蜂鳴器通斷。任務(wù)3:根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志,切換主備泵。任務(wù)4:負(fù)責(zé)CAN總線通信。任務(wù)5:由于單片機(jī)使用了一片型號為SP706S的看門狗芯片,單片機(jī)需要定時(shí)翻轉(zhuǎn)SP706S 芯片6 腳的電平,即“喂狗”。該任務(wù)為負(fù)責(zé)定時(shí)“喂狗”。
發(fā)射機(jī)主備泵切換電路的改進(jìn)方案解決了原有主備泵切換電路無法自動進(jìn)行水泵“二次互投”的缺陷,并在此基礎(chǔ)上增加了CAN總線接口,使得外部設(shè)備可以通過CAN總線控制水泵和了解水泵的使用情況。通過單片機(jī)的運(yùn)用,使得主備泵切換電路變得更加智能、穩(wěn)定、可靠。