地球站功放室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)
——風(fēng)壓閥聯(lián)動(dòng)控制

張慧敏

國(guó)家廣播電視總局呼和浩特地球站 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

1 引 言

廣播衛(wèi)星地球站作為廣播電視行業(yè)中的一個(gè)重要傳輸單位，承擔(dān)有中央三臺(tái)的上行任務(wù)。保障節(jié)目?jī)?yōu)質(zhì)零秒上行為工作中的重中之重。

衛(wèi)星上行地球站的主要上行設(shè)備有解復(fù)用器、調(diào)制器、上變頻器、高功放、衛(wèi)星天線等，其中上變頻器與高功放均放置在功放小室中，每一個(gè)功放室中至少有一套上行系統(tǒng)，個(gè)別功放室內(nèi)有兩套上行系統(tǒng)，均承擔(dān)有上行業(yè)務(wù)。廣播衛(wèi)星地球站承擔(dān)的業(yè)務(wù)為二十四小時(shí)不間斷播音，設(shè)備需一直連續(xù)運(yùn)行，工作強(qiáng)度大，雖然都為專業(yè)設(shè)備，可也必須保證其工作環(huán)境能夠達(dá)到要求。地球站機(jī)房均為一類機(jī)房，其環(huán)境要求如表1 所示：

表1 一類機(jī)房環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)相對(duì)成熟，在本文中對(duì)于其基本功能不做介紹，只介紹其根據(jù)廣播衛(wèi)星地球站的特殊性而針對(duì)性設(shè)計(jì)部分。主要有溫度補(bǔ)償控制與風(fēng)壓閥聯(lián)動(dòng)控制兩部分。

2 系統(tǒng)建設(shè)背景

2.1 系統(tǒng)建設(shè)意義

衛(wèi)星上行地球站中上變頻器與高功放均屬于精密儀器，對(duì)環(huán)境要求非常嚴(yán)格。尤其是高功放，它作為實(shí)現(xiàn)功率放大的設(shè)備，在工作期間會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此需要大量的風(fēng)循環(huán)來(lái)對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行降溫，進(jìn)風(fēng)口為室溫空氣，在高功放中循環(huán)后將設(shè)備產(chǎn)生的熱量攜帶出去，以達(dá)到給高功放降溫的目的。高功放正常工作時(shí)進(jìn)口溫度需控制在20℃，出口溫度可達(dá)到50℃甚至更高。高功放進(jìn)口吸入的空氣為室內(nèi)空氣，所以必須保證室內(nèi)的環(huán)境溫度能夠滿足要求。若室內(nèi)溫度過(guò)高，不能實(shí)現(xiàn)給高功放降溫的效果，高功放溫度過(guò)高則會(huì)影響高功放正常運(yùn)行甚至?xí)斐傻舾邏骸?/p>

高功放作為衛(wèi)星上行系統(tǒng)中對(duì)功率進(jìn)行放大的設(shè)備，其作用異常重大，一旦高功放掉高壓，一整個(gè)系統(tǒng)將無(wú)功率輸出，造成轉(zhuǎn)發(fā)器空載的嚴(yán)重播出事故。同時(shí)高功放運(yùn)行時(shí)也必須保證其微正壓，一旦檢測(cè)到負(fù)壓情況也可能會(huì)產(chǎn)生掉高壓的現(xiàn)象。因此必須保證高功放的工作環(huán)境達(dá)到要求，一但出現(xiàn)故障，會(huì)對(duì)安全播出產(chǎn)生重大影響。

2.2 原控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

最初功放室并未采用自動(dòng)控制，只是通過(guò)新風(fēng)系統(tǒng)引入室外空氣，對(duì)引入空氣進(jìn)行過(guò)濾，使空氣潔凈，溫度控制依靠于兩臺(tái)大功率空調(diào)實(shí)現(xiàn)。后進(jìn)行自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)的環(huán)境情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警，讓一線值班員能夠在遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)地了解到功放室的環(huán)境情況，但缺少自動(dòng)控制部分。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

功放室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)其主要功能有遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警，恒溫控制，恒壓控制等。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在本文中不做贅述，主要介紹本系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)。

3.1 溫度補(bǔ)償控制

在本次新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到高功放排出大量熱量，而在冬天還需要空調(diào)加溫實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的恒定，這樣的情況是對(duì)熱能的嚴(yán)重浪費(fèi)，如果能將這個(gè)熱量作為溫度補(bǔ)償將會(huì)減輕空調(diào)的運(yùn)行強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的。

3.2 風(fēng)壓閥聯(lián)動(dòng)控制

本系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)有利用本該排放到空氣中的熱能對(duì)功放室的溫度進(jìn)行補(bǔ)償，節(jié)約能源。但在控制過(guò)程中存在的一個(gè)問(wèn)題就是需要將高功放排出的熱風(fēng)進(jìn)行利用而不可以排出，若不進(jìn)行相應(yīng)的排風(fēng)處理就會(huì)影響壓力的平衡。排風(fēng)管道直接與高功放風(fēng)扇相連，若壓力失衡會(huì)造成高功放風(fēng)壓告警，嚴(yán)重的會(huì)造成掉高壓，影響節(jié)目上行，對(duì)于安全播出工作隱患頗大。因此必須保證風(fēng)壓的平衡。

壓力的控制與溫度的控制互為干擾，如何解決兩者之間的平衡問(wèn)題為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重大難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試，最終選擇了風(fēng)壓閥的聯(lián)動(dòng)控制。該控制方式并未在其他新風(fēng)系統(tǒng)中使用過(guò)，是根據(jù)某一衛(wèi)星地球站功放室的實(shí)際情況為實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的主要訴求而設(shè)計(jì)的。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主體介紹

整個(gè)新風(fēng)系統(tǒng)的作用有溫度控制，壓力控制，保證室內(nèi)空氣潔凈度，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)報(bào)警，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，其主要有送風(fēng)風(fēng)機(jī)，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的控制；高功放出口，室內(nèi)排風(fēng)口均安裝有風(fēng)閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量的控制。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況為：變頻器頻率控制有手自動(dòng)兩種控制模式，手動(dòng)控制模式為人工輸入固定頻率進(jìn)行控制，自動(dòng)控制采用分段區(qū)間式控制，根據(jù)不同溫度區(qū)間設(shè)定不同的控制頻率，溫度控制區(qū)間設(shè)置較大，一般為5℃甚至更大。不論變頻器為那種控制方式，均不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生變化，其變化周期按天來(lái)計(jì)算，因此在實(shí)時(shí)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，其變化量可忽略不計(jì)，認(rèn)為其為固定量。

4.2 溫度補(bǔ)償控制

溫度控制其控制對(duì)象為高功放排風(fēng)口風(fēng)閥，高功放出口排出空氣為熱空氣，在室內(nèi)溫度達(dá)不到要求溫度時(shí)打開(kāi)風(fēng)閥將熱空氣排至室內(nèi)，以達(dá)到對(duì)室內(nèi)溫度的補(bǔ)償，若因天氣原因?qū)е赂吖Ψ懦隹跍囟热恳胧覂?nèi)也不能夠使室內(nèi)溫度達(dá)到要求時(shí)，室內(nèi)原有的空調(diào)會(huì)發(fā)揮其制熱功能，實(shí)現(xiàn)高功放的恒溫控制。這樣的溫度控制方式可以在大氣環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度的情況下，將空調(diào)的啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間大大縮短。廣播衛(wèi)星地球站一般有多個(gè)功放小室，且均配備有大功率空調(diào)，若能夠?qū)⒖照{(diào)的使用頻率降低，其節(jié)約的電能將相當(dāng)可觀。且現(xiàn)在電費(fèi)的收取采用階梯電價(jià)，作為一個(gè)需要二十四小時(shí)不間斷工作的臺(tái)站，其電能的使用是非常巨大的，能夠在空調(diào)的使用上節(jié)約電能是對(duì)站內(nèi)的整體電能節(jié)約有重要意義的。

針對(duì)于溫度的控制，本系統(tǒng)采用PID 單閉環(huán)控制，控制對(duì)象為室內(nèi)風(fēng)閥，控制熱風(fēng)排入室內(nèi)的多少，溫度的設(shè)定通過(guò)遠(yuǎn)程上位機(jī)輸入，遠(yuǎn)程控制軟件采用昆侖通態(tài)（MCGS）作為控制軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

5 風(fēng)壓閥聯(lián)動(dòng)控制

5.1 壓力控制背景

本系統(tǒng)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于利用本該排放到空氣中的熱能對(duì)功放室的溫度進(jìn)行補(bǔ)償，節(jié)約能源。但在控制過(guò)程中存在的一個(gè)問(wèn)題就是需要將高功放排出的熱風(fēng)進(jìn)行利用而不可以排出，若不進(jìn)行相應(yīng)的排風(fēng)處理就會(huì)影響壓力的平衡。排風(fēng)管道直接與高功放風(fēng)扇出風(fēng)相連，若壓力失衡會(huì)造成高功放風(fēng)壓告警，嚴(yán)重的會(huì)造成掉高壓，影響節(jié)目上行，對(duì)于安全播出工作隱患頗大。因此必須保證風(fēng)壓的平衡。

5.2 壓力控制方式比較

5.2.1 PID 控制方式

優(yōu)點(diǎn)：PID 控制屬于經(jīng)典的控制算法，其使用已經(jīng)非常的成熟，只要選定控制對(duì)象與控制量，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行整定后，其控制要求能夠達(dá)到相對(duì)完美并且應(yīng)用靈活，可根據(jù)控制對(duì)象的不同要求進(jìn)行自動(dòng)控制。在本系統(tǒng)中，其控制對(duì)象為變頻器，通過(guò)對(duì)變頻器的控制以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到風(fēng)量的控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓力恒定控制。

缺點(diǎn)：進(jìn)風(fēng)為室外空氣，為冷空氣，會(huì)對(duì)室內(nèi)的溫度造成很大的影響，使得進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臒崃坎蛔阋赃_(dá)到要求，這樣就違背了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷，失去了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義，因此不能夠采用該控制方式。

5.2.2 風(fēng)閥控制

優(yōu)點(diǎn)：與溫度溫度補(bǔ)償控制系統(tǒng)互不干擾，能夠根據(jù)溫度控制情況進(jìn)行跟隨控制，其控制結(jié)果反饋也不會(huì)對(duì)溫度產(chǎn)生影響，完美解決了溫度壓力之間的互相控制干擾問(wèn)題。

缺點(diǎn)：控制為固定算法，不夠靈活，算法寫(xiě)在組態(tài)軟件中，因運(yùn)算量較大，其反應(yīng)較慢，但不影響其使用。

壓力的控制是大慣性控制，其控制難度較大。采用PID算法控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量實(shí)現(xiàn)室內(nèi)壓力平衡，但是本控制系統(tǒng)的主要控制變量為溫度，是為了實(shí)現(xiàn)熱能的利用，對(duì)功放室進(jìn)行溫度補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的要求，因此必須保證熱風(fēng)的回風(fēng)量達(dá)到要求。在滿足此基本要求的情況下再考慮壓力的控制，若使用PID 算法對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行控制，就不能夠滿足基本的控制要求，因此選擇采用以出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口的聯(lián)動(dòng)控制來(lái)保證風(fēng)量一定，實(shí)現(xiàn)壓力的平衡，這樣的話就能首先滿足該系統(tǒng)對(duì)于溫度控制的要求，使壓力作為擾動(dòng)量對(duì)于系統(tǒng)的影響降到最低，同時(shí)又能夠保證壓力的一定，滿足功放室的環(huán)境要求。

綜上所述，選用風(fēng)壓閥聯(lián)動(dòng)控制最為合適。

5.3 壓力控制——風(fēng)壓閥聯(lián)動(dòng)控制

功放室新風(fēng)系統(tǒng)本就有排風(fēng)閥，只要保證熱風(fēng)回風(fēng)量與排風(fēng)量相一致，就能保證高功放出口風(fēng)壓恒定。這就需要排風(fēng)閥與回風(fēng)閥聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。各個(gè)功放室的回風(fēng)口面積一定，均為400cm×400cm，但排風(fēng)口的面積不同，DBS 波段的兩個(gè)功放室排風(fēng)口面積為400cm ×800cm，C1 功放室與三個(gè)KU 波段的功放室排風(fēng)口面積為600cm×600cm，C2 功放室排風(fēng)口面積為500cm×500cm。風(fēng)量的控制是通過(guò)風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，直觀上觀看與百葉窗相似，所以可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度來(lái)計(jì)算其通風(fēng)面積，只要保證排風(fēng)與回風(fēng)的通風(fēng)面積相同即可。下面就以某一功放室的排風(fēng)與回風(fēng)為例推導(dǎo)公式。

首先設(shè)回風(fēng)口的長(zhǎng)為x，寬為y。設(shè)排風(fēng)口的長(zhǎng)為a，寬為b。如圖1 所示。

在初始狀態(tài)時(shí)，回風(fēng)口全開(kāi)，排風(fēng)口全關(guān)，設(shè)回風(fēng)口關(guān)閉角度為α，排風(fēng)口打開(kāi)角度為β，回風(fēng)口通風(fēng)高度為m，排風(fēng)口通風(fēng)高度為n。如圖2 所示。

回風(fēng)口面積為：

排風(fēng)口面積為：

圖1

圖2

回風(fēng)口打開(kāi)面積為：

排風(fēng)口打開(kāi)面積為：

根據(jù)示意圖計(jì)算：

控制需滿足排風(fēng)口與回風(fēng)口通過(guò)風(fēng)量一定，即：

根據(jù)以上計(jì)算公式可推導(dǎo)出進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口之間的關(guān)系，這樣就能夠保證進(jìn)出口風(fēng)量一致，進(jìn)而對(duì)功放室內(nèi)的壓力進(jìn)行控制，只要在遠(yuǎn)程客戶端中輸入回風(fēng)口與排風(fēng)口的面積，系統(tǒng)便會(huì)根據(jù)該公式進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算。

6 結(jié)束語(yǔ)

溫度補(bǔ)償控制能夠在室內(nèi)溫度低于室外溫度時(shí)充分利用設(shè)備自身產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)廢棄能源的再利用。將空調(diào)的使用頻率降低，節(jié)約電能。

風(fēng)壓閥根據(jù)風(fēng)量一定的原理進(jìn)行控制在此之前并未在新風(fēng)系統(tǒng)中被使用過(guò)。其公式及控制方式均為自己研究實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

該系統(tǒng)運(yùn)行后進(jìn)行過(guò)多次調(diào)試，采用過(guò)多種控制方式，最終選用PID 控制風(fēng)閥保證溫度一定，進(jìn)出口風(fēng)量一致原理實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓閥聯(lián)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)壓力控制。該系統(tǒng)目前運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)控制功能使用便利。