大功率短波發(fā)射機水溫自動控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

呂連燦

（國家廣播電視總局二0 二二臺 新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū) 844000）

由于國內(nèi)大部分大功率短波發(fā)射機無獨立控制單個冷凝器風機運行的設計，難以滿足發(fā)射機溫度調(diào)控需求，需要通過操作人員根據(jù)發(fā)射機運行狀態(tài)手動啟停相應數(shù)量的風機，使水溫保持在合理范圍。但因人工判斷調(diào)整運行風機個數(shù)，隨意性大，誤差率高，對安全播音構(gòu)成嚴重威脅，通過對水冷卻系統(tǒng)的評估，結(jié)合水冷系統(tǒng)控制特點、線路結(jié)構(gòu)等因素，對水冷卻系統(tǒng)進行設計改造，增加水溫監(jiān)測設備，根據(jù)水溫的變化自動控制風機的運行個數(shù)，保持水溫始終工作在合理范圍，實現(xiàn)遠程智能監(jiān)控、遠程手動控制等功能，滿足實際安全播音的需要。

1 水溫自動控制原理分析

大功率短波發(fā)射機水冷卻使用的散熱冷凝器安裝有四個獨立風機，由發(fā)射機控制系統(tǒng)對其進行“啟/?！笨刂?，在發(fā)射機處于全燈絲以上狀態(tài)時四個冷卻風機全部投入運轉(zhuǎn)。

特別是在冬季外部環(huán)境溫度較低時，利用傳統(tǒng)原有的設計無法滿足發(fā)射機的溫度控制要求，即通過冷凝器室的環(huán)境溫度控制。需要一種針對發(fā)射機水溫的實時監(jiān)測分析系統(tǒng)，同時對冷凝器風機的運行個數(shù)進行控制。未改造前，一直是由值班人員根據(jù)發(fā)射機的運行狀態(tài)和溫度變化來人為判斷并且操控風機的“啟/?！?，這一系列的操作不僅增加了值班員的工作量，而且對安全播音構(gòu)成嚴重威脅。

根據(jù)實際需求分析，決定在冷凝器進水管處安裝水溫監(jiān)測裝置，將取樣的溫度值送到PLC 進行判斷處理，計算得出某個風機“啟/停”的具體指令，同時進行動作，保持發(fā)射機水溫工作在合理范圍?？刂屏鞒虉D如圖1 所示。

圖1：控制流程圖

2 軟硬件設備的準備

2.1 硬件設備準備

（1）監(jiān)測發(fā)射機水溫變化情況，決定在每部發(fā)射機冷凝器的進水口處設置一監(jiān)測點，并安裝測量范圍在-40℃到60℃的水溫監(jiān)測探頭，輸出0—10mA 電流信號，能夠比較準確的監(jiān)測到水溫的大小和變化情況。

（2）安裝溫度變送器將測量到的水溫電流信號轉(zhuǎn)換成可傳送的標準化輸出信號，便于控制系統(tǒng)的測量和控制。

（3）選擇使用2 部CPU 為SR60 的西門子S7-200 SMART 的PLC，并擴展2 塊EM AM06 的模擬信號輸入模塊，組成PLC 控制核心，上述配置設備總計有72 個數(shù)字信號輸入點、48 個數(shù)字信號輸出點、8 個模擬信號輸入點，完全滿足機房8 部發(fā)射機32 個風機控制、32 個運行監(jiān)測、8 個溫度檢測的設計需要（剩余輸入輸出點作為備份和擴展）；該型號PLC 使用220V 交流輸入電源，繼電器型輸出，帶負載能力強、具有較強的抗干擾能力，滿足大功率發(fā)射機房的使用需求。

（4）選擇使用以太網(wǎng)通信接口，配合1 臺小型交換機和4 臺光電轉(zhuǎn)換器，能方便的連接到遠程控制室的監(jiān)控PC端。

2.2 開發(fā)系統(tǒng)軟件準備

（1）使用STEP 7- Micro/WIN SMART 編程組態(tài)軟件進行編程，該軟件支持 LAD（梯形圖）， STL（語句表），F(xiàn)BD（功能塊圖）編程語言，部分語言之間可以自由轉(zhuǎn)換，軟件自身為人機交互打下了良好的基礎，使得開發(fā)更加高效。

（2）使用MCGS 組態(tài)軟件快速構(gòu)造和生成發(fā)射機水溫自動控制的監(jiān)控系統(tǒng)，完成控制模式切換、水溫監(jiān)測顯示、風機運行控制和監(jiān)測、水溫范圍和風機運行個數(shù)的設定等功能的開發(fā)，實現(xiàn)智能化監(jiān)測、控制、管理。

3 控制電路的設計與改造

3.1 加裝水溫傳感器

在冷凝器的進水管上設置一監(jiān)測點，垂直打孔至管內(nèi)，豎直安裝一根直徑為1CM、長度為15CM 的單端開口銅管，將另一密閉端伸入到進水管內(nèi)，從開口端將溫度探頭伸入放置，加入導熱硅脂增加導熱效果，同時方便于溫度探頭的更換和調(diào)整；用紅藍黑三芯線連接到溫度變送器，保障水溫測量的準確性。

3.2 改造發(fā)射機冷凝器控制電路

原機設計為四個風機同時“啟/?！?，因考慮到此設計存在缺陷，無法滿足溫度控制要求，在不改變原機控制邏輯的基礎上，將統(tǒng)一控制改為單個分別控制。在原風機控制電路中的熱跳繼電器后面，增加空氣開關和接觸器。分別 為FS110、KM110、FS120、KM120、FS130、KM130、FS140、KM140；增設手動/自動控制電路。在手動控制狀態(tài)下，可操作啟停按鈕對相應風機進行控制；在自動控制狀態(tài)下，可根據(jù)設定好的溫度范圍和實際溫度自動控制中間繼電器K11、K12、K13、K14 的吸合，從而控制相應數(shù)量風機的運轉(zhuǎn)，控制原理圖和實際接線控制柜如圖2 所示。

圖2：控制原理圖

3.3 PLC控制系統(tǒng)原理與接線

一號冷凝器室中的PLC（1）控制C01—C04 機16 臺風機的“啟/停”，輸入電源1M 點接24V 的負極，數(shù)字輸入端子I0.0-I0.3 接KM110-KM140 的常開點，I0.5、I0.6、I0.7、I1.0 接KM210-KM240 的常開點,I1.2-I1.5 接KM310-KM340 的常開點，I1.7、I2.0、I2.1、I2.2 接KM410-KM540的常開點,用于檢測風機的運行狀態(tài)；1L、2L、3L、4L 點接24V 的正極，數(shù)字輸出端子Q0.0-Q0.3 接K11-K14 的線包，數(shù)字輸出端子Q1.0-Q1.3 接K21-K24 的線包, 數(shù)字輸出端子Q2.0-Q2.3 接K31-K34 的線包，數(shù)字輸出端子Q3.0-Q3.3 接K41-K44 的線包,用于控制風機的啟停；4 個溫度變送器輸出信號分別接至AM06 擴展模塊的（0+，0-）、（1+，1-）、（2+，2-）、（3+，3-）模擬輸入端子，AM06 將輸入的4-20mA電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，即把C01—C04 機的水溫信號送入PLC（1）進行顯示和處理，如PLC 控制和通信連接原理圖所示。

二號冷凝器室中的PLC（2）控制C05—C06 機，輸入電源1M 點接24V 的負極，數(shù)字輸入端子I0.0-I0.3 接KM510-KM540 的常開點，I0.5、I0.6、I0.7、I1.0 接KM610-KM640 的常開點,I1.2-I1.5 接KM710-KM740 的常開點，I1.7、I2.0、I2.1、I2.2 接KM810-KM840 的常開點,用于檢測風機的運行情況；1L、2L、3L、4L 點接24V 的正極，數(shù)字輸出端子Q0.0-Q0.3 接K51-K54 的線包，數(shù)字輸出端子Q1.0-Q1.3 接K61-K64 的線包, 數(shù)字輸出端子Q2.0-Q2.3 接K71-K74 的線包，數(shù)字輸出端子Q3.0-Q3.3 接K81-K84 的線包,用于控制風機的啟停；4 個溫度變送器輸出的4-20mA信號分別接至AM06 擴展模塊的（0+，0-）、（1+，1-）、（2+，2-）、（3+，3-）模擬輸入端子，AM06 將輸入的4-20mA電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，即把C05—C08 機的水溫信號送入PLC（2）進行顯示和處理。

分別用網(wǎng)線把兩部PLC 的RJ45 口和光電轉(zhuǎn)換器的RJ45口相連接，用光纖連接到遠程控制室的光電轉(zhuǎn)換器，再與交換機相連，實現(xiàn)控制室與遠程兩個冷凝器室的通信。PLC 控制和通信連接原理圖如圖3 所示。

圖3：PLC 控制和通信連接原理圖

4 水溫自動控制軟件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

4.1 PLC編程設計

根據(jù)實時發(fā)射機水溫監(jiān)控需求，在PLC 編程的算法思路上，分別建立模擬量輸入和溫度轉(zhuǎn)換模塊、溫度分析控制模塊、控制模式模塊以此把輸入的4-20mA 電流信號轉(zhuǎn)換成溫度大小，并根據(jù)溫度的大小、變化和實際風機的運行個數(shù)來控制四個輸出量，從而調(diào)整風機的運行狀態(tài)，使水溫達到設定的范圍。

（1）設置硬件組態(tài)：在STEP 7- Micro/WIN SMART 編程組態(tài)軟件中添加SR60 和AM06 設備組態(tài)參數(shù)；

（2）規(guī)劃制定符號表：按照編程需求建立溫度顯示、風機運行狀態(tài)、溫度設置、風機控制等符號表，方便程序的編寫并增加可讀性；

（3）水溫處理：添加Scale 模擬量轉(zhuǎn)換庫，設置模擬量轉(zhuǎn)換的參數(shù)，轉(zhuǎn)換出實際的水溫；

（4）控制模式設置：建立本地控制、遠程自動控制操作和監(jiān)控；

（5）風機自動運行控制：以C01 機為例，在遠程自動控制模式下，當測量水溫C01SW 小于設置溫度C01_SZWD1 時，延時20 秒后Q0.0-Q0.3 全部復位，不輸出控制信號，停止所有風機；當測量水溫C01SW 大于C01_SZWD1 小于C01_SZWD2 時，延時20 秒后Q0.0 置位輸出控制信號，Q0.1 至Q0.3 復位，1 號風機運轉(zhuǎn)、2-4 號風機停止；當測量水溫C01SW 大于C01_SZWD2 小于C01_SZWD3 時，延時20 秒后Q0.0 和Q0.1 置位輸出控制信號，Q0.2 和Q0.3復位，1 號和2 號風機運轉(zhuǎn)，3 號和4 號風機停止；當測量水溫C01SW 大于C01_SZWD3 小于C01_SZWD4 時，延時20 秒后Q0.0 至Q0.2 置位輸出控制信號，Q0.3 復位，1號至3 號風機運轉(zhuǎn)，4 號風機停止；當測量水溫C01SW 大于C01_SZWD4 小于C01_SZWD5 時，延時20 秒后Q0.0 至Q0.3 置位輸出控制信號，4 個風機全部運轉(zhuǎn)；當測量水溫C01SW 大于C01_SZWD5 時，延時20 秒后Q0.0 至Q0.3 置位輸出控制信號，4 個風機全部運轉(zhuǎn)；在遠程手動控制模式下，設置了單個風機的手動啟?？刂?。增加計時器是為了防止風機頻繁啟停操作而縮短風機的使用壽命。

（6）故障報警：設置了溫度低限和高限報警，提醒值班員采取其它措施來保持溫度在正常范圍。

4.2 MCGS組態(tài)軟件編程設計

分析冷凝器風機控制系統(tǒng)實際需求，在MCGS 中規(guī)劃建立控制模式、溫度顯示、風機運行狀態(tài)顯示、手動控制風機操作、自動控制溫度設置、故障報警等功能模塊。具體設計過程如下：

4.2.1 MCGS 連接PLC

設置本地電腦IP 地址為192.168.1.100，通過交換機和光電轉(zhuǎn)換器查找連接左右冷凝器室的兩個PLC，通過設備窗口中的設備管理添加兩個西門子200SMART 的通信模塊，分別設置添加PLC 通信IP 為192.168.1.2 和192.168.1.3，連接正常后檢查連接的數(shù)據(jù)對象表與PLC中的符號表相對應。

4.2.2 運行參數(shù)設置

添加16 個手動/自動按鈕，分別連接C01_SDKZ、C02_SDKZ、C03_SDKZ、C04_SDKZ、C05_SDKZ、C06_SDKZ、C07_SDKZ、C08_SDKZ 和C01_ZDKZ、C02_ZDKZ、C03_ZDKZ、C04_ZDKZ、C05_ZDKZ、C06_ZDKZ、C07_ZDKZ、C08_ZDKZ 變量，按鈕進行“取反”操作來設置控制方式；

添加8 個長方形，分別連接C01_KZZT、C02_KZZT、C03_KZZT、C04_KZZT、C05_KZZT、C06_KZZT、C07_KZZT、C08_KZZT 等8 個變量，并填充灰紫兩色進行連接手動/自動兩種控制方式，用于顯示8 部發(fā)射機的控制方式；

添加40 個長方形輸入框，來設置水溫的上下限，以CO1 機為例，分別對應連接C01_SZWD1、C01_SZWD2、C01_SZWD3、C01_SZWD4、C01_SZWD5 等5 個數(shù)據(jù)對象，與實際水溫C01SW 進行比較后自動控制四個風機的啟停操作。

4.2.3 主控窗口設置

添加主控窗口，在該窗口中分別添加8 個標簽框，分別 連 接C01SW、C02SW、C03SW、C04SW、C05SW、C06SW、C07SW、C08SW 變量，用于顯示8 部發(fā)射機的實際水溫；同時8 個標簽框的底色與發(fā)射機溫度超限變量C01_WDGJ、C02_WDGJ、C03_WDGJ、C04_WDGJ、C05_WDGJ、C06_WDGJ、C07_WDGJ、C08_WDGJ 相連接，當某部發(fā)射機水溫超高或者超低時相應標簽框的底色變成高亮紅色，正常范圍為白色。

添加32 個圓形框， 以CO1 機為例， 分別連接C01_1ZT、C01_2ZT、C01_3ZT、C01_4ZT 等32 個變量，并填充紅綠兩色進行連接運行停止兩種狀態(tài)，用于顯示8 部發(fā)射機各個風機的運行狀態(tài)；

添加64 個啟動和停止按鈕，用于32 個風機的啟停，以CO1 機為例，8 個按鈕分別連接C01_1QD、C01_1TZ、C01_2QD、C01_2TZ、C01_3QD、C01_3TZ、C01_4QD、C01_4TZ 變量，按鈕進行按1 松0 操作來啟停對應的風機；

添加32 個風機圖像，用于32 個風機的啟停動畫指示，以CO1 機為例，4 個風機圖像分別連接C01_1ZT、C01_2ZT、C01_3ZT、C01_4ZT 變量，圖像進行動畫“可見度”連接來反映4 個風機運行停止的動畫指示；

再添加其它發(fā)射機號、風機號、冷凝器號、方框、線條等，進行合理規(guī)劃布局，即組成了風機控制的主控畫面。

5 使用方法和使用效果

該系統(tǒng)在實際使用時可根據(jù)季節(jié)環(huán)境變化設定水溫度控制閾值與控制模式，可實時監(jiān)控風機運行狀態(tài)、發(fā)射機溫度等數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)異?？杉皶r遠程手動處理。

該系統(tǒng)是經(jīng)過充分調(diào)研、反復論證，充分考慮了機房發(fā)射機運行狀態(tài)、冷凝器冷卻效果、值班維護實際情況而在原機設計的基礎上進行的技術革新。提升了水溫控制的精度，大大減少了冷凝器風機的頻繁手動操作，減輕了值班員的勞動強度、提高了冷卻效果，合理利用電能，節(jié)約了能源，改善了發(fā)射機的運行環(huán)境，極大的保障了發(fā)射機的穩(wěn)定運行，完全滿足發(fā)射機房安全播音的實際需要。該系統(tǒng)的設計理念和方法有較強的推廣價值和意義，為無線事業(yè)和安全播音工作提供優(yōu)質(zhì)的運行保障。