TSW2500型500 kW發(fā)射機(jī)智能水箱控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

鄧曉霞

（國家廣播電視總局2022臺，新疆 喀什 844000）

作為超大功率短波發(fā)射機(jī)，TSW2500型500 kW發(fā)射機(jī)配備的兩極電子管射頻功率放大器等設(shè)備具有較高穩(wěn)定性，可以降低系統(tǒng)故障發(fā)生幾率，確保輸出功率穩(wěn)定。但在長期運(yùn)行的過程中末極電子管板將產(chǎn)生較大熱輻射，需要采用水冷卻方式實(shí)施強(qiáng)制降溫，從而維持該部件的熱平衡。而配備的水冷卻系統(tǒng)屬于封閉系統(tǒng)，依靠水箱及時(shí)補(bǔ)水維持水流循環(huán)，因此需加強(qiáng)智能水箱控制系統(tǒng)研究，以便通過提供發(fā)射機(jī)所需冷卻水保證設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 TSW2500型500 kW發(fā)射機(jī)水箱控制問題

從發(fā)射機(jī)水流循環(huán)過程來看，通過儲水箱將水加入到冷卻水系統(tǒng)后，水流將通過頂部水管進(jìn)入到各射頻級進(jìn)水口，流經(jīng)各支路時(shí)將設(shè)備元器件產(chǎn)生的熱量帶走，出水經(jīng)過冷凝器后回到水箱，完成一個(gè)水流循環(huán)。受水蒸騰因素的影響，在水箱液位較低時(shí)需要及時(shí)補(bǔ)水，以免因冷卻水量不足影響冷卻效果，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)因電子管板過熱而出現(xiàn)停機(jī)問題。但依靠人員確認(rèn)水箱液位和完成補(bǔ)水操作容易受人為因素的影響，在炎熱季節(jié)也將面臨頻繁補(bǔ)水問題，大大增加了發(fā)射機(jī)播出事故發(fā)生幾率。此外，對電子管板進(jìn)行冷卻，要求水溫不超50℃，一旦溫度過高將觸發(fā)繼電保護(hù)裝置，通過斷開相關(guān)電源避免設(shè)備受損。因此在水箱補(bǔ)水過程中，需要對水箱發(fā)射機(jī)入口水溫進(jìn)行控制，同樣容易受到人為干預(yù)，造成冷卻系統(tǒng)運(yùn)行效果存在一定不確定性。為解決這些問題，需要完成智能水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，引入自動化技術(shù)進(jìn)行水箱改造，通過監(jiān)測液位和水溫完成水箱自動補(bǔ)水控制，保證供水可靠的同時(shí)，使發(fā)射機(jī)運(yùn)行達(dá)到“無人值守”效果，實(shí)現(xiàn)保證播音安全和減少人力浪費(fèi)的雙重目標(biāo)。

2 TSW2500型500 kW發(fā)射機(jī)智能水箱控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研發(fā)智能水箱控制系統(tǒng)，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)來看可以選用繼電器、單片機(jī)或PLC控制方式。相比較而言，采用繼電器實(shí)現(xiàn)球閥接觸控制將產(chǎn)生較高能耗，同時(shí)接線復(fù)雜，造成系統(tǒng)故障率較高。采用PLC控制方式能夠通過編程實(shí)現(xiàn)各種控制功能，但應(yīng)用于小型控制項(xiàng)目上成本較高，因此多應(yīng)用于流水線、大型設(shè)備上[1]。采用單片機(jī)控制方式成本較低，可以通過連接擴(kuò)展電路實(shí)現(xiàn)各種控制功能，要求合理完成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合發(fā)射機(jī)水箱液位和水溫控制需求，最終決定選用STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)水箱控制系統(tǒng)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來看，如圖1所示，包含數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、溫度控制模塊、自動補(bǔ)水模塊和人機(jī)交互觸摸屏幾個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)采集模塊用于對水箱液位、發(fā)射機(jī)入口水溫等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，傳遞至單片機(jī)進(jìn)行處理后可以生成相應(yīng)的控制指令，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控液位和水溫的目的，繼而實(shí)現(xiàn)水箱的自動補(bǔ)水[2]。通過觸摸屏顯示液位、水溫等信息，能夠滿足人員管理需求。

圖1 發(fā)射機(jī)智能水箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作原理

從系統(tǒng)工作原理上來看，發(fā)射機(jī)配備儲水箱和冷卻水箱兩個(gè)水箱，前者用于供水，后者用于實(shí)現(xiàn)純凈水冷卻。儲水箱出水口直接連接冷卻系統(tǒng)入水口，入口位置應(yīng)連接水泵，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測液位確定是否啟動電磁閥進(jìn)行水箱補(bǔ)水。在儲水箱中布置壓力傳感器，用于對水箱液位變化進(jìn)行監(jiān)測，采集到的信號經(jīng)過低通濾波器處理后，能夠去除干擾，經(jīng)過放大器放大后完成A/D轉(zhuǎn)換，傳送至系統(tǒng)單片機(jī)中進(jìn)行處理，經(jīng)運(yùn)算后獲得液位數(shù)值[3]。在確定水箱達(dá)到設(shè)定的低液位標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將啟動電磁閥進(jìn)行補(bǔ)水。檢測發(fā)現(xiàn)水箱處于高液位后，系統(tǒng)將關(guān)閉電磁閥，從而維持液位動態(tài)平衡。自來水經(jīng)過冷凝器冷卻后將進(jìn)入到冷卻水箱，出水口連接發(fā)射機(jī)入水口，為保證發(fā)射機(jī)入水口水溫達(dá)到電子管板冷卻要求，需要配備溫度傳感器進(jìn)行水溫檢測，發(fā)現(xiàn)水溫過高時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，并啟動溫控設(shè)備進(jìn)行水溫調(diào)節(jié)，保證冷卻水溫低于發(fā)射機(jī)入水口水溫要求。在整個(gè)控制過程中，系統(tǒng)針對各水箱設(shè)置有電磁閥啟停按鈕和報(bào)警器，在系統(tǒng)發(fā)生故障造成水箱液位或水溫達(dá)到規(guī)定值以下時(shí)將啟動報(bào)警器，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

3 TSW2500型500 kW發(fā)射機(jī)智能水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 單片機(jī)模塊

系統(tǒng)選用STM32F103單片機(jī)作為核心微處理器，可知芯片采用ARM CortexM3芯片，頻率可達(dá)72 MHz，包含144個(gè)引腳，能夠達(dá)到較高運(yùn)行速率，確保各種數(shù)據(jù)得到快速處理，并及時(shí)生成控制指令，滿足液位和水溫實(shí)時(shí)控制要求。單片機(jī)擁有512 kB的Flash，用于存儲程序，內(nèi)存RAM為64 kB，能夠?yàn)樵诰€編程提供支持[4]。在數(shù)據(jù)存儲方面，可以使用16位后備存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，保證系統(tǒng)掉電后不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問題。在外接電路上，芯片工作電流為+3.3 V直流電源，包含重復(fù)電路和晶體振蕩電路。芯片擁有強(qiáng)大功能和較低功耗，因此能夠滿足水箱“無人值守”控制要求，體現(xiàn)系統(tǒng)智能化特點(diǎn)。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

在水箱液位、水溫等數(shù)據(jù)測量和傳輸方面，由于發(fā)射機(jī)功率較大，控制系統(tǒng)處于高頻環(huán)境中，要求設(shè)計(jì)的電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力，以便達(dá)到較高控制精度要求。數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器、溫度傳感器、濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等硬件構(gòu)成。其中，壓力傳感器長期處于水中，需要選用由不銹鋼密封外殼和無油硅壓力芯體構(gòu)成的設(shè)備，配備紅黑電源線和白色測量線，能夠完成水壓檢測，測量范圍在0~5 V之間，精度能夠達(dá)到0.01 V[5]。在與單片機(jī)連接時(shí)，設(shè)計(jì)DO、DI、CS和CLK 4條數(shù)據(jù)線，在芯片通信時(shí)均選擇雙向數(shù)據(jù)接口，并確認(rèn)DI和DO不同時(shí)工作，通過并聯(lián)在同根數(shù)據(jù)線上使用。溫度傳感器選用DS18B20芯片，利用不銹鋼管封裝，在-10℃~85℃范圍內(nèi)檢測精度能夠達(dá)到±0.5℃，采用數(shù)字傳輸方式，具有較強(qiáng)抗干擾性。溫度傳感器芯片為3腳PR-35封裝，包含64位光刻ROM、寄存器、傳感器和報(bào)警觸發(fā)器等部分，DO端與5 kΩ上拉電阻連接，最大電流能夠達(dá)到1 mA。模塊濾波放大電路設(shè)計(jì)為Sallen-key二階低通有源電路，核心器件為LM324。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路選用ADC0832芯片，能夠達(dá)到8位分辨率，可以在32μs內(nèi)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并通過雙通道完成數(shù)據(jù)校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確傳輸。

3.1.3 自動補(bǔ)水模塊

從自動補(bǔ)水模塊構(gòu)成上來看，包含水泵驅(qū)動電路、報(bào)警電路等結(jié)構(gòu)。通過單總線協(xié)議對傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取后，單片機(jī)將根據(jù)壓力和液位關(guān)系完成數(shù)據(jù)運(yùn)算，見表1，得到液位實(shí)時(shí)測量結(jié)果，并與設(shè)定值進(jìn)行對比，生成相應(yīng)控制指令。在水泵驅(qū)動電路設(shè)計(jì)上，采用由發(fā)光二極管和光敏二極管構(gòu)成的光耦合器進(jìn)行水泵繼電器開閉控制。在液位低于液位下限值時(shí)，將進(jìn)行低電平信號輸出，經(jīng)過緩沖器到達(dá)發(fā)光二極管陰極，產(chǎn)生的亮光促使光敏二極管發(fā)出電流信號，通過繼電器驅(qū)動電機(jī)供水。在液位達(dá)到上限時(shí)，單片機(jī)輸出高電平，光耦合器不導(dǎo)通，促使電機(jī)停轉(zhuǎn)。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可能出現(xiàn)不停補(bǔ)水或不補(bǔ)水等情況，導(dǎo)致液位超出最高或最低限值，單片機(jī)將通過控制報(bào)警器輸出高低電平促使蜂鳴器報(bào)警。在電路設(shè)計(jì)上，選用BEEP芯片與單片機(jī)連接，在輸出高電平時(shí)使三極管導(dǎo)通，能夠激活蜂鳴器，在輸出低電平時(shí)可以中斷三極管，使蜂鳴器停止工作。此外，在水箱補(bǔ)水過程中，需要在發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)水端布置三通電動閥與手動閥并聯(lián)，平時(shí)處于開啟狀態(tài)，在系統(tǒng)處于高液位告警時(shí)說明可能存在漏水或補(bǔ)水過多等問題，閥門將會關(guān)閉，以免設(shè)備受損。而在系統(tǒng)失靈的情況下，可以現(xiàn)場切換手動閥將進(jìn)水端關(guān)閉。

表1 壓力傳感器輸出值與液位關(guān)系表

3.1.4 溫度控制模塊

設(shè)計(jì)溫度控制模塊，在單片機(jī)完成傳感器傳輸數(shù)據(jù)運(yùn)算后，與發(fā)射機(jī)入口水溫進(jìn)行比較，可知設(shè)定的溫度范圍在25℃~45℃之間。根據(jù)預(yù)設(shè)溫度，單片機(jī)可以輸出不同端口值對冷凝器繼電器進(jìn)行控制，通過調(diào)節(jié)繼電器電流大小調(diào)節(jié)冷卻水溫度。如在溫度低于下限時(shí)，可以控制冷凝器停止工作，以防設(shè)備和管路因水溫過低而受損。而在溫度超出上限時(shí)，可以增大繼電器電流促使冷凝器加速運(yùn)行，達(dá)到降低發(fā)射機(jī)入口水溫的目標(biāo)。利用單片機(jī)引腳輸出高低電平，能夠?qū)崿F(xiàn)繼電器控制，同時(shí)采取相同方式實(shí)現(xiàn)報(bào)警模塊輸出控制?？紤]到“無人值守”問題，利用RS323方式將單片機(jī)與GSM模塊連接，在系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警后，GSM模塊發(fā)送AT指令，促使模塊向設(shè)定的移動設(shè)備號碼發(fā)送短信，向遠(yuǎn)程端人員傳遞報(bào)警信息，提醒人員及時(shí)處理。

3.1.5 電源模塊

系統(tǒng)電源模塊由變壓器、穩(wěn)壓器、整流橋電路構(gòu)成，通過變壓器將220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)? V交流電后，通過整流橋電路完成交直流轉(zhuǎn)換，輸出5 V直流電。通過穩(wěn)壓器可以將5 V直流電降至3.3 V，為單片機(jī)供電。在整流橋和穩(wěn)壓器之間，使用電容進(jìn)行濾波，增強(qiáng)電路抗干擾能力，確保輸出電壓穩(wěn)定。

3.1.6 觸摸屏

系統(tǒng)觸摸屏選用MCGS，配備4核CPU，主頻為1 GHz，屬于嵌入式一體化設(shè)備，擁有超高性能。觸摸屏的分辨率能夠達(dá)到1024×600，電磁屏蔽性良好，能夠避免受發(fā)射機(jī)信號干擾。通過連接單片機(jī)，可以對單片機(jī)傳遞的液位、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，以圖形方式進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化顯示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件可以劃分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)主要用于實(shí)現(xiàn)水箱液位和入口水溫的測量控制，需要完成單片機(jī)軟件編程，上位機(jī)則為系統(tǒng)人機(jī)交互觸摸屏，需要完成組態(tài)程序編寫。

實(shí)際在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，可以利用Keil uVision4軟件完成單片機(jī)程序的編寫，然后下載到單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各模塊功能電路控制，確保不同模塊功能得以實(shí)現(xiàn)。從系統(tǒng)主程序來看，系統(tǒng)程序開始運(yùn)行時(shí)需要先對各器件、端口進(jìn)行初始化處理，然后對各檢測電路信號進(jìn)行讀取，完成相關(guān)數(shù)據(jù)顯示。在檢測發(fā)現(xiàn)相關(guān)數(shù)值無法達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出相應(yīng)控制指令，如果能夠達(dá)到設(shè)定要求將處于待機(jī)模式，完成水位等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。以水箱液位控制程序設(shè)計(jì)為例，如圖2所示，單片機(jī)在上電后將完成壓力傳感器的初始化，然后向傳感器發(fā)送ROM指令，促使其進(jìn)行液位檢測。根據(jù)檢測到的信號，單片機(jī)能夠判斷液位是否達(dá)到設(shè)定上限值或下限值，然后進(jìn)行水泵啟?？刂?。在系統(tǒng)工作過程中，也將實(shí)時(shí)顯示液位信息，在液位超出報(bào)警限值時(shí)判定水泵工作存在異常情況，并發(fā)出報(bào)警。按照類似流程，能夠完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序、溫度控制程序等各子程序段編寫，系統(tǒng)可以通過調(diào)取對應(yīng)程序完成數(shù)據(jù)處理和指令輸出。

圖2 系統(tǒng)液位控制程序圖

觸摸屏組態(tài)程序用于完成液位等數(shù)據(jù)讀取，并通過數(shù)據(jù)處理生成相應(yīng)畫面。從系統(tǒng)界面構(gòu)成上來看，包含主界面、實(shí)時(shí)顯示界面、報(bào)警界面等。通過系統(tǒng)啟動窗口，能夠進(jìn)入主界面，然后在主界面上選擇需要進(jìn)入的窗口，完成相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)定。如進(jìn)入液位控制窗口，可以設(shè)置液位上限和下限值，為系統(tǒng)完成控制指令運(yùn)算奠定基礎(chǔ)。在實(shí)時(shí)顯示界面，將展示系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的液位、發(fā)射機(jī)入口水溫等信息，可以根據(jù)曲線圖確定水箱液位變化情況，也能調(diào)取歷史數(shù)據(jù)獲得各時(shí)段液位變化信息。在報(bào)警界面可以查看系統(tǒng)曾經(jīng)產(chǎn)生的報(bào)警信息，根據(jù)報(bào)警時(shí)間和相關(guān)描述對系統(tǒng)故障進(jìn)行分析和判斷，及時(shí)完成設(shè)備修復(fù)。

3.3 仿真測試

為確定系統(tǒng)功能是否可以順利實(shí)現(xiàn)，需要采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，直接在PC機(jī)上完成系統(tǒng)程序模擬運(yùn)行，對系統(tǒng)全部控制程序開展仿真測試。在測試過程中，壓力傳感器輸出模擬信號在0~5 V之間，可以完成對應(yīng)液位數(shù)值范圍轉(zhuǎn)換。對智能水箱控制過程進(jìn)行模擬，設(shè)定水箱液位正常在5~23 cm之間，在檢測到的數(shù)值低于5 cm時(shí)需要進(jìn)行補(bǔ)水，超出23 cm立即停止補(bǔ)水。在報(bào)警值設(shè)定方面，在檢測數(shù)值達(dá)到3 cm或25 cm時(shí)發(fā)出報(bào)警。從水溫控制角度來看，在水溫低于20℃或高于50℃時(shí)系統(tǒng)將發(fā)出對應(yīng)報(bào)警信號。從仿真測試結(jié)果來看，各繼電器、電磁閥和報(bào)警器均能完成對應(yīng)動作，并且系統(tǒng)可以達(dá)到較高靈敏度，因此能夠?yàn)榘l(fā)射機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。將系統(tǒng)投入使用，只需要簡單編程就能完成多個(gè)發(fā)射機(jī)的水箱監(jiān)控，確保儲水箱的水位和發(fā)射機(jī)入口水溫始終處于規(guī)定范圍內(nèi)，無須人員每小時(shí)巡視和手動補(bǔ)水，充分展現(xiàn)系統(tǒng)智能化水平。

4 結(jié)束語

水箱可靠供水是大功率發(fā)射機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)條件，水量不足或水溫過高等問題發(fā)生將引發(fā)設(shè)備停機(jī)。設(shè)計(jì)智能水箱控制系統(tǒng)，結(jié)合水溫、液位控制要求完成系統(tǒng)各部分功能模塊設(shè)計(jì)，做好系統(tǒng)硬件選型和軟件設(shè)計(jì)，能夠保證系統(tǒng)按照設(shè)定單片機(jī)程序進(jìn)行水箱自動補(bǔ)水和發(fā)射機(jī)入水口水溫調(diào)節(jié)，并在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，為提高發(fā)射機(jī)自動化監(jiān)管水平提供支持，從而有效預(yù)防播出事故發(fā)生。