人民日?qǐng)?bào)天線主面融雪除冰系統(tǒng)

+ 張睿 人民日?qǐng)?bào)社衛(wèi)星地球站

人民日?qǐng)?bào)天線主面融雪除冰系統(tǒng)

+ 張睿 人民日?qǐng)?bào)社衛(wèi)星地球站

1 前言

項(xiàng)目背景：

人民日?qǐng)?bào)社衛(wèi)星版面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)于1992年建立，是國內(nèi)第一家以傳輸報(bào)紙版面為核心業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信專網(wǎng)，首次實(shí)現(xiàn)報(bào)紙本地與異地代印點(diǎn)同步印刷出版。目前擁有C和KU兩套完全獨(dú)立、相互備份的衛(wèi)星版面?zhèn)鬏攲＞W(wǎng)，在全國建有46個(gè)代印點(diǎn)、137個(gè)衛(wèi)星接收小站，是國內(nèi)報(bào)業(yè)規(guī)模最大、安全可靠性最高的衛(wèi)星版面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。

人民日?qǐng)?bào)衛(wèi)星版面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)每天向全國代印點(diǎn)發(fā)送人民日?qǐng)?bào)的數(shù)據(jù)版面文件，是人民日?qǐng)?bào)出版流程的重要組成部分，其安全性、可靠性尤為重要，保證出版安全是我們的神圣使命與崇高政治責(zé)任。

當(dāng)每年冬季來臨時(shí)，衛(wèi)星地球站的雪衰會(huì)干擾衛(wèi)星天線上下行信號(hào)，天線主面的冰雪會(huì)散射、吸收電磁波，增大噪聲溫度，影響衛(wèi)星傳輸?shù)纳闲休椛涔β屎拖滦衅焚|(zhì)因數(shù)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)完全中斷。經(jīng)測(cè)算，5mm厚的積雪化雪時(shí)產(chǎn)生的冰雪水混合物對(duì)C波段天線的G/T值降低約3dB，對(duì)Ku波段天線的G/T值降低最多可達(dá)6至8 dB，當(dāng)天線覆蓋10cm以上的積雪時(shí)，C波段天線的信號(hào)被噪聲完全覆蓋。嚴(yán)重影響了衛(wèi)星系統(tǒng)的可用性，威脅出版安全。

為解決雪衰問題，我們采用過電熱絲加熱方式進(jìn)行除雪，但此種方式故障率高、維修成本高、功率大，最終因效果不好被棄用。此后我們采用人工掃雪的方式，但由于天線都在高處，下雪后天線表面濕滑，掃雪人員的人身安全有很大隱患。所以我們迫切需要一種安全有效的融雪除冰手段來解決雪衰問題。

項(xiàng)目需求：

1、能夠快速有效的將融化天線表面積雪。

2、故障率低、使用壽命長、維護(hù)成本低。

3、用電安全、達(dá)到安全防火標(biāo)準(zhǔn)。

4、節(jié)能、功率可控，可根據(jù)氣候環(huán)境智能控制輸出功率。

5、具有友好的操作界面，簡單易用。

6、項(xiàng)目施工過程中不中斷再用業(yè)務(wù)。

對(duì)此我們進(jìn)行了廣泛探索、調(diào)研和實(shí)踐，橫縱對(duì)比了多種技術(shù)，如吹風(fēng)法、背板加熱法等。但吹風(fēng)法的鼓風(fēng)機(jī)噪音太大，對(duì)周邊的噪音污染太大，我們沒有采用，最終采用了背板加熱的方法。

對(duì)于何種背板加熱材料能夠見效快、耐老化，能夠滿足用電安全、滿足防火要求，我們細(xì)致的調(diào)研了碳板加熱膜、硅橡膠加熱膜等較為先進(jìn)的加熱材料。最終選定了有較好貼副性能、導(dǎo)熱均勻、可靠性高的硅橡膠加熱膜作為天線主面加熱材料。

硅橡膠加熱膜原是作為輸油管道、大型設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備等的保溫加熱材料，由于其柔軟、附著能力強(qiáng)，我們通過精確地功率控制系統(tǒng)創(chuàng)新性的將其應(yīng)用在了天線背板加熱當(dāng)中。

硅橡膠加熱膜技術(shù)參數(shù)：

（1）、最高使用溫度：最高使用溫度可達(dá)：225℃，最低環(huán)境溫度為-60℃（若采用3M雙面膠層，則最低使用環(huán)境溫度為-32℃）

（2）、最佳溫度：150 ℃

（3）、絕緣電阻：≥5 MΩ

（4）、耐壓強(qiáng)度： 1500v/5s

（5）. 電壓：220V/380V

（6）、功率偏差：±8%

本案中所使用的硅橡膠加熱片尺寸為20＊8cm2和10＊10 cm2兩種規(guī)格，功率密度為0.3W/ cm2。

2 設(shè)計(jì)說明：電氣系統(tǒng)

2.1 基礎(chǔ)動(dòng)力電源情況

空調(diào)機(jī)房380V配電柜裝配80A、60A空氣開關(guān)，用16mm2＊5A 380V鎧裝電纜分別引入機(jī)房小配電箱并裝配60A空氣開關(guān)，再分別引向6.2米和4.5米天線。

2.2 室外配電箱

6.2 米和4.5米天線下方分別安裝一組空氣開關(guān)，6.2米所配總空開100A，四項(xiàng)控制器空開均為40安；4.5米天線所配總空開為80A，有三項(xiàng)均為40A的控制器空開。

380V鎧裝電纜進(jìn)入總空開，分別將三根火線對(duì)應(yīng)接入控制器，由于6.2米天線有四個(gè)功率控制器，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將B相、D相控制器接入B相火線。

2.3 天線分區(qū)

6.2 米天線分四個(gè)功率控制器，既四個(gè)大分區(qū)。每個(gè)大分區(qū)分別控制四個(gè)溫區(qū)，共計(jì)16個(gè)溫區(qū)（既每瓣天線扇面）。

2.4 功率分配

經(jīng)過認(rèn)真計(jì)算和反復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)功率達(dá)到0.8KW/ m2時(shí)，可使天線表面溫度的絕對(duì)值上升30℃。

經(jīng)測(cè)算6.2米天線的面積約等于40 m2，每個(gè)小分區(qū)鋪裝40個(gè)大的和9個(gè)小的加熱單元，共計(jì)49個(gè)加熱單元2.19KW。每控制器四個(gè)溫區(qū)共計(jì)8.76KW。6.2米天線飽和功率為35.04KW。功率密度為0.876KW/ m2，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖1 硅橡膠加熱膜供電時(shí)間與溫度關(guān)系

2.5 系統(tǒng)控制軟件

兩面天線共7個(gè)功率控制器通過交換機(jī)接入遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，通過后臺(tái)程序分配的IP地址進(jìn)行統(tǒng)一管理。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端可以查看系統(tǒng)工作狀態(tài)、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。

遠(yuǎn)程控制終端讀取埋裝于天線背板的溫度傳感器中數(shù)據(jù)，再根據(jù)所得數(shù)據(jù)經(jīng)過加權(quán)平均算法得出每扇面的實(shí)際溫度值。系統(tǒng)再根據(jù)天線的實(shí)際溫度，對(duì)融雪除冰系統(tǒng)進(jìn)行智能的功率控制，使溫度達(dá)到設(shè)定溫度。

圖中每一個(gè)扇面是一個(gè)溫區(qū)，當(dāng)鼠標(biāo)放到每個(gè)溫區(qū)上，可顯示該溫區(qū)的實(shí)時(shí)信息。每個(gè)溫區(qū)的顏色會(huì)根據(jù)實(shí)際溫度不斷變化。當(dāng)實(shí)際溫度達(dá)到或接近設(shè)定溫度時(shí)，溫區(qū)圖會(huì)呈現(xiàn)出綠色；當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，溫區(qū)圖會(huì)向暖色系變化，直至呈現(xiàn)出紅色；當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，溫區(qū)圖會(huì)向冷色系變化，直至呈現(xiàn)出藍(lán)色。（上圖設(shè)定溫度為1.2℃，實(shí)際溫度為21℃，故溫區(qū)顏色呈現(xiàn)出紅色狀態(tài)。）

圖3 6.2米天線加熱單元分布

圖4 加熱單元分區(qū)

控制軟件工具條功能如下：

（1）顯示模式：可監(jiān)測(cè)天線溫度、功率、電流和占空比的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)研判天線的工作狀態(tài)。

（2）控制軟件可以將多面天線進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過“天線查看”工具條或軟件下方的左右箭頭進(jìn)行切換。

圖5 配電結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 6.2米天線操作界面

（3）設(shè)置。

1)供電區(qū)域最大功率：在設(shè)置選項(xiàng)中，可根據(jù)供電條件和用電需求合理設(shè)置供電總功率，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)此項(xiàng)設(shè)置按需分配每面天線以及每個(gè)溫區(qū)的供電功率。

2)天線溫度設(shè)定：此設(shè)定是根據(jù)室外氣候條件設(shè)定的理想工作溫度，當(dāng)溫度設(shè)定后，融雪除冰系統(tǒng)將以此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工作。

3)天線最大功率：是指在多面天線加熱系統(tǒng)組成一個(gè)天線加熱陣列時(shí)，其中一面天線的最大限制功率。

4)天線工作模式：系統(tǒng)有3種可配置工作模式，恒溫模式、功率限制、自動(dòng)模式：

恒溫模式：設(shè)置天線表面溫度后，各分區(qū)對(duì)加熱功率進(jìn)行控制使天線表面溫度保持在設(shè)定溫度±0.5℃內(nèi)。此模式天線表面溫度穩(wěn)定，在極端惡劣天氣下能保證天線表面無積雪。

功率限制模式：由于部分現(xiàn)場(chǎng)條件限制，無法提供恒溫模式所需功率。系統(tǒng)根據(jù)所處“供電區(qū)域”設(shè)定的功率，自由分配分區(qū)進(jìn)行加熱。分區(qū)申請(qǐng)到功率后對(duì)該區(qū)域進(jìn)行加熱，溫度達(dá)到設(shè)定值（預(yù)設(shè)1.2℃，可遠(yuǎn)程配置）停止加熱，釋放的功率由其它分區(qū)進(jìn)行申請(qǐng)。該模式使用功率小，但天線表面溫度不均勻，可能部分分區(qū)會(huì)短時(shí)出現(xiàn)堆積。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，使用中13m天線在6kW限制功率下，中雪環(huán)境能保證天線正常工作。

自動(dòng)模式：結(jié)合恒溫模式和功率限制模式的優(yōu)點(diǎn)，在非惡劣天氣下工作在恒溫模式，保證天線表面溫度穩(wěn)定。在極端惡劣天氣下，由于功率超過“供電區(qū)域”設(shè)定的功率，自動(dòng)切換到功率限制模式，保證天線正常工作。

3 系統(tǒng)效果及特點(diǎn)

天線主面融雪除冰系統(tǒng)主要應(yīng)用于7＊24小時(shí)地球站，能使衛(wèi)星天線表面在冰雪天氣中無法被冰雪覆蓋，是確保通信業(yè)務(wù)不受冰雪影響的有效手段。

系統(tǒng)基本原理是將電器性能高度穩(wěn)定的硅橡膠電加熱片附著在天線背板上，用高精度的功率控制使其更加安全、穩(wěn)定、節(jié)能。該系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）融雪速度快、效果好。15分鐘內(nèi)可使天線表面溫度提升20℃，最低可在室外環(huán)境零下30℃的情況下正常運(yùn)行。在恒溫模式下溫度穩(wěn)定度高，溫漂小于1℃。若在降雪前開啟，天線主面將無法覆蓋積雪，所以降雪過程中不影響天線正常工作，天線的接收信標(biāo)下降不超過1dB。

（2）精確合理的功率控制，安全、節(jié)能。根據(jù)天線的傳熱特性,使用有限元分析方法進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，大幅提升系統(tǒng)加熱效率。256級(jí)的過零功率控制和軟啟動(dòng)的方式避免了沖擊電流對(duì)電器元件的損耗，增強(qiáng)了使用壽命降低了EMC干擾。通過系統(tǒng)對(duì)功率的精確控制，在非極端氣候條件下，通常只需要設(shè)計(jì)功率的10%即可達(dá)到融雪效果。即便有供電達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的情況出現(xiàn)，通過系統(tǒng)的功率控制模式，依然能夠保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（3）控制軟件優(yōu)秀?；贗P管理，能夠輕松部署到任何網(wǎng)絡(luò)，且可部署多監(jiān)控端，方便監(jiān)控管理；軟件可遠(yuǎn)程開關(guān)系統(tǒng)，設(shè)置參數(shù)，監(jiān)控狀態(tài)；軟件可設(shè)置多種控制模式，以應(yīng)對(duì)各種工作環(huán)境；參數(shù)設(shè)定后，系統(tǒng)全自動(dòng)工作無需人工干預(yù)。

（4）很強(qiáng)的系統(tǒng)整體性和擴(kuò)展性。系統(tǒng)可以控制多幅天線的加熱系統(tǒng)組成一個(gè)整體的陣列式系統(tǒng)，統(tǒng)籌分配總供電功率和每幅天線功率，確保不超過總設(shè)定功率的前提下合理分配功率。系統(tǒng)還可以根據(jù)需求隨時(shí)將新的天線加入已整合好的陣列式系統(tǒng).

（5）安全、可靠性高。系統(tǒng)采用多種保護(hù)措施保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。采用耐高低溫材料、防水設(shè)計(jì)和施工保證使用壽命。分布式的設(shè)計(jì)保證部分部件損壞不影響整體系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)中所有控制器均獨(dú)立運(yùn)行，使用內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，在任何控制器失效的情況下均不會(huì)影響其它控制器的正常使用。即使在設(shè)備失效或損毀的特殊情況下，依然可以使用控制器面板上的手動(dòng)控制開關(guān)對(duì)天線進(jìn)行手動(dòng)加熱控制。

（6）其他安全特性：本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之初將確保安全定義為最低要求，全面的安全保護(hù)裝置、設(shè)置是確保本系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。實(shí)際功率超過設(shè)定功率、極端條件下的天線表面溫度失控、軟硬件控制系統(tǒng)故障，當(dāng)任意一項(xiàng)意外發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)都將進(jìn)入緊急停機(jī)保護(hù)，防止意外情況的進(jìn)一步擴(kuò)大。優(yōu)質(zhì)的電子元器件和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕すに?，也確保了系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定。

4.后續(xù)

經(jīng)過一個(gè)冬天，系統(tǒng)經(jīng)歷了低溫、大風(fēng)降溫、冰雪等氣象條件的檢驗(yàn)，這套融雪除冰系統(tǒng)都能穩(wěn)定的將溫度保持在設(shè)定溫度的±0.5℃以內(nèi)，體現(xiàn)出了融雪速度快、消耗功率低等特點(diǎn)，效果顯著，結(jié)果令人滿意。我們近期正在研發(fā)降雪自動(dòng)檢測(cè)等模塊來不斷完善本系統(tǒng)。但一個(gè)新系統(tǒng)還需要不斷的思考與完善，也歡迎業(yè)界的同仁們一同探討，提出您的寶貴意見，將天線主面融雪除冰的頑疾問題一掃而凈。