基于PLC和变频器控制的DX发射机冷却系统设计与实现
吴艳明
(国家广电总局953台)
摘要 本文从分析DX-400发射机现有冷却系统入手，探索出一种新的发射机冷却系统控制模式，提出了基于PLC和变频器控制的设计理念，依据室内外温度、发射机出水温度通过PLC的PID调节变频风机的频率动态控制室外进风量以及室内排风量最终达到发射机的出水温度在设定范围内的目的。
关键词 PLC 变频器 PID MODBUS 热交换器
1 前言
我台的DX-400水冷数字中波发射机，其冷却系统主要由三台国产（型号：SR-60，风量：8000m3/H，电机功率：1.5kW）热交换器组成，基本能满足发射机的冷却要求但也存在着一些问题和缺点。首先发射机的水温调节完全靠手动调整热交换器的排风阀、回风阀开度来实现，这样就无法保证水温在一个恒定的数值范围内，冷却水温度忽高忽低引起的热胀冷缩导致水路与功放模块接触不良降低了热交换效果，极易引起功放模块过热烧毁。再次原有冷却模式下的功耗比较大，具体表现在三台1.5kW热交换器无论何时都全频全功率运行不能充分的利用室外温度调节达到节能的目的。最后由于设计上的缺陷导致出风量大于进风量机房内产生很大负压，室外空气悬浮物和灰尘通过空隙进入机房致使发射机运行环境恶劣。这些问题的存在制约着发射机安播任务的完成，增加了运维人员的劳动强度和出现故障的几率，综上所述开发一种全新控制模式的冷却系统就显得十分有必要了。
2 系统设计
结合机房环境特点和发射机运维需求冷却系统的设计要实现三个目标。 目标1：改造风道、水路更新三台热交换器和两台短轴水泵，安装变频风机实现高效环保的冷却效果。 目标2：通过PLC+变频器精确控制风机开通数量和转速以及风阀的开度实现变频节能的冷却效果。 目标3：增加系统采样点和相关执行机构拓展系统功能实现无需人为该干预的智能安全的冷却效果。
2.1硬件设计
根据机房的原有设备和环境空间以及要实现的目标综合考虑设计冷却系统布局图如图1系统布局图所示。
2.1.1冷却设备
① 更新三台8000m3/H热交换器为 15000m3/H热交换器，新热交换器表冷器为8排盘芯管（原有为6排）是原热交换器散热量的1.5倍（同等工况下）可大大提高冷却效率，工作时三台热交换器开启数量和顺序由PLC自动控制。 ② 增加一台12000m3/H风量室外新风机，与原有自然通风孔风量相相叠加实现室内比室外略有正压的效果。 ③ 更换两台3.5kW短轴水泵为5kW长轴水泵，更新原有400×400mm2风道为800×800mm2风道提高风水循环效率并将原有手动执行风阀更换为电动执行风阀提高可操作性。 ④ 为了增加系统可靠性，在冷却系统不能自动控制时，可选择手动操作。手动操作的优先级高于自动操作的优先级，此时可将集控箱内电源断开，通过相关工具和按钮人为调节热交换器开通数量和各风阀开度，但变频器的频率处于工频状态无法调节只是维持发射机必要冷却效果。
2.1.2控制设备 根据系统目标设计了系统监控结构图如图2系统监控结构图所示，设备的安装具体位置如图1系统布局图所示。 ① 控制设备 这个系统是以PLC为核心控制器件，PLC即是数据采集、处理的设备又是发出指令的设备，其重要性可想而知。根据前期的调研我们选择施耐德Twido TWDLCAA40DRF PLC 并加装对应数量的模拟量、数字量I/O模块。 ② 人机交互设备（HMI） 系统采用触摸屏作为人机交互设备，综合考虑功能、成本、参数等要素最终选择WEINVIEW TK6070IH 触摸屏作为系统HMI。 ③ 采样设备 模拟量信号采样设备有进水温度、出水温度、流量、液位、室内温度、室外温度、混风温度等变送器。开关量信号采样设备有1～3#排风阀、1～3#回风阀、新风机风阀的开度位置信号还有主备泵的状态信号等节点设备。 ④ 执行机构 执行机构包括风阀执行器和变频器两种设备。风阀执行器采用瑞士BELIMO 风阀执行器，该设备采用机械限位调整机械转角，宽范围扭矩并且自带限位位置状态信号。变频器采用SAMCO-VM06高性能矢量控制变频器，该设备具有高效、灵敏、安全可靠的特点尤其是易于组网通讯方式多样的特点尤为突出。
2.2软件设计
2.2.1功能要求 ① 实现数据实时显示功能，这里包括系统各种模拟量、开关量信号的显示，还有各变频器运行状态包括频率、PID等数据的显示设定功能。 ② 实现三台热交换器根据温度自动按照优先级顺序依次开启功能，并可人为设置各风机优先级顺序（这样设计是防止让一台热交换器经常启动与其它热交换器磨损程度不均而采取的措施）。 ③ 实现运行中的热交换器任意一台出现故障时，自动甩掉故障热交换器同时启动优先级高的未用热交换器，保证整个冷却系统效率不变。 ④ 实现依据室外、室内、发射机出水等温度，通过PLC的PID调节控制变频风机的数量和频率动态调节室外空气进风量以及室内排风量最终达到动态调节发射机的出水温度的目的。
2.2.2 系统PID功能设计 系统PID功能设计思路是：将目标信号通过变送器变成0～10V标准信号送入PLC内置的PID调节器，经与给定参数进行PID运算后输出到变频器，使变频器实时调整热交换器内风机运行频率达到将目标信号控制在预定范围波动的目的。 下面以控制发射机出水温度为例具体说明PID调节功能，如图3 PID结构示意图所示。目标信号SP是一个与温度控制目标相对应的值，通常用百分数表示，反馈信号PV是温度变送器PS反馈回来的信号，该信号是一个反映实际温度的信号。PV和两者SP是相减的关系，其合成信号E＝（PV - SP)，经过PID调节处理后得到频率给定信号，决定变频器的输出频率F。当用风量减少时，则温度上升，PV↑，合成信号（PV - SP) ↑，变频器输出频率F↑，电动机转速N↑，直至温度大小回复到目标值；反之，出水温度过低，则 PV↓→E＝（PV - SP) ↓→F↓→N↓直至温度大小回复到目标值达到新的平衡。同样新风风机的PID控制也是相同的机理，不同的是将室内温度作为PV信号，与给定温度参数SP进行比较通过PID调节来控制新风风机频率，使室温在设定的温度范围内窄幅波动。
2.2.3 HMI界面设计 HMI界面的设计遵守可视、可控、可设定、易于实现的原则，共有5个一级菜单，分别为“首页”、“机组”、“仪表”、“报警”、“设定”界面。其中在“设定”界面下又分为“排风系统”、“新风系统”和“后厅温度报警值设定”等3个二级菜单。而“排风系统”分为 “工艺参数设定”、 “PID参数设定”、“回/排风阀开关温度条件设定”、“启停顺序设定”4个三级菜单。“新风系统”分为 “工艺参数设定”、“PID参数设定”、“新风阀开关温度条件设定”等 3个三级菜单。“后厅温度报警值设定”部分只有一个2级菜单。
3 系统实现
系统硬件施工主要包括：风道及热交换器的安装、集控箱的布线、变频器箱的布线与安装几个部分，由于这部分不是文章重点在此就不再叙述了，下面介绍一下系统通讯实现和软件编程过程。 3.1系统通讯实现 Modbus 协议是应用于各种电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，不同厂商不同型号的控制器相互间可以实现通信。之说以能达到这样的效果是因为协议中定义了一个控制器能识别的消息机制,通过这种机制无论设备间经过何种网络进行通信均可达到相互识别的效果。PLC与触摸屏之间的通讯就是基于Modbus 协议通讯的，下面具体说明其实现过程。
3.1.1 制作PLC与触摸屏间数据线
Twido TWDLCAA40DRF PLC的通讯接口为8P RS485MINI型接口，触摸屏为9P 485D型接口。由于接口不同无法买到相应的数据线，只能自制通讯电缆内部接线。 PLC数据线接头的1、2、5管脚分别与触摸屏数据线接头2、1、5连接并将触摸屏接头的5、7两管脚短接即可完成数据线的制作。
3.1.2 PLC通讯参数设置
启动PLC编程软件Twido soft在设备中点击TWDLCAA40DRF——硬件——端口——端口设置，在端口设置中进行端口参数设置；选择Modbus协议选项，设置波特率为9600，数据位为8，无校验，停止位为1。
3.1.3触摸屏参数的设置
启动触摸屏软件EB8000打开IO管理器——ModbusRTU01[COM1]——Modbus Equipment，双击“Modbus Equipment”即可进行通讯参数设置。同样设置波特率为9600，数据位为8，无校验，停止位为1。自此PLC与触摸屏间的通讯设置完成，两者间完成Modbus 协议对接可以实现通讯了。
3.2软件编程
3.2.1 PID设置
在Twido系列PLC中，模拟量控制的PID调节功能不是通过编写梯形图程序来配置，而是通过Twido Soft编程软件中的PID配置功能来完成。双击工程浏览软件项目中的PID图标，便可很方便的进入PID设置画面。
① 首先必须选中“配置”，在“工作模式”的下拉式菜单选择PID工作模式。同时可以选中“PID状态”，并在“PID状态”栏内填入一个内部字（%MW0～%MW2999中的任一个均可），这个内部字的状态将反应PID的工作状态，可用来监视PID的运行情况。 ② PID输入信号的设置，在“输入”配置界面中“度量标准”栏里填入被控过程变量，可以是内部字，也可以是输入字，数值范围在0～10000之间。 ③ PID参数的设置，在“PID”配置界面中“给定值”栏里填入给定值，可以是一个内部字、一个常量字，其范围应在设定的最大值与最小值之间，这里填入与触摸屏对应PID设置的地址变量。 ④ PID输出设置，在“输出”配置界面中“动作栏”选择动作类型。动作类型分为正作用和反作用两种，当地址位为1时为正作用，当地址位为0时为反作用。这里选择1，系统要求为正作用。 3.2.2 PLC编程 PLC编程采用施耐德专用编程软件Twidosoft，软件提供一套完整的编程环境，可进行离线编程、在线连接和调试。根据软件设计中的四点功能要求来实现，具体程序由于篇幅有限在此不再赘述。下图为冷却系统实现后的运行界面图，如图4 DX发射机冷却系统运行界面图所示。 4 结束语 DX发射机通风冷却系统在设计时充分考虑到室外温度、室内温度、发射机出水温度合理的调节三者的关系，通过控制变频风机的数量和频率动态调节室外空气进风量以及室内排风量最终达到动态调节发射机的出水温度。通过这样的调节可以避免风机满功率长时间运行带来的功耗浪费达到节能高效的目的。当单个排风机出现故障时，通过PLC控制可以快速有效的甩掉故障热交换器，投入备用热交换器，保障发射机的冷却效果。此系统投入运行一年有余达到了安全、稳定、节能、高效的设计初衷，希望基于PLC和变频器控制的这种设计理念，对广大DX发射机运维人员有所帮助。
参考文献 [1] 姜治臻，周雪莉．PLC项目实训——Twido系列[M]．北京：高等教育出版社：2009:92-130
[2] 曾繁玲．施耐德PLC、变频器入门与应用实训[M]．北京：中国电力出版社 ：2011：36-64
[3] Schneider．TWIDO PLC指令集参考手册[M]．Schneider 公司内部资料 ： 2009
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