DF100A型100KW短波发射机冷却系统的自动化改造
于用寿 吴静
(国家广电总局761台)
摘要 本文简要介绍了DF100A短波发射机冷却系统的工作原理，分析了运行维护中所发现的冷却系统存在的不稳定因素，详细阐述了冷却系统进行的技术革新改造方案和由FPGA实现的自动控制系统。 关键词 冷凝器 FPGA 自动控制 技术改造 1 引言 西新工程以来，我国已安装了大量DF100A型100KW短波发射机， DF100A型短波发射机是国家广电总局无线电台管理局的短波发射机中的主力机型。该系列发射机装备在各直属发射台的总功率达20000kW，全年播音时间达72.5万小时，占全局中短波、电视、调频播出总时间的50%，该机型的整体运行稳定性对于全局安全传输发射工作的重要性是不言而喻的。因此提高DF100A短波发射机的运行稳定性是发射台维护工作者的重要工作。在长期的运行和维护中，我们发现DF100A短波发射机的水冷却系统先天存在着不稳定因素。为此，我们做了大量实验，对水冷却系统进行了技术革新改造，自主研发了冷却系统的自动控制系统，在实际运行中取得了良好效果。
2 DF100A短波发射机水冷却系统介绍 DF100A短波发射机的高末电子管采用蒸发冷却。如图1所示，冷却系统使用水泵向蒸发锅和水冷的射频元件供水。一个汽水分离箱（贮水箱）安装在水电机箱的下方。水泵从汽水分离箱中抽出的热水送至冷凝器的水冷盘管中。在那里水被风冷冷凝器冷却到电子管和水冷的射频元件可用的适宜温度，通过电子管和水冷的射频元件后，被加热成热水，最后返回汽水分离箱中以供再次循环。DF100A短波发射机的效率在75%左右，大量由电子管和射频元件产生的热量要由风冷冷凝器交换后排到室外。 发射机用两台水泵供水，一个主用，一个备用。用延时继电器和交流接触器做成的主备切换电路实现主用水泵和备用水泵的相互切换。当主用水泵故障时，水流停止，水管内部的水流接点断开，主备切换电路切换水泵至备用水泵工作。但是水泵故障后没有报警，没有提示人工去处理水泵故障，值班人员不知道主用水泵已经出现故障，故障没有得到及时处理，当备用水泵也出现故障后，就无法完成自动切换了，造成了发射机停播。 冷凝器的水冷盘管是由铜管制成的，长时间运行后，在冷却水的腐蚀和电解作用下，会造成水冷盘管的铜管漏水，修补铜管需要排尽水后焊补，要花费较长时间才能修复，造成发射机的长时间停播。冷凝器的热量交换是由一个轴流风机对着水冷盘管吹风，将热量排到室外，发射机冷凝器风机损坏后的更换也需要较长时间，也会造成发射机的长时间停播。 DF100A发射机冷却水水温大于55℃时，发射机将因水温过高而保护（落高压）。对于诸多南方台站，炎热夏季室外高温，室内温度也高。冷凝器室的室内温度过高会直接影响到冷凝器的热交换效率，导致发射机的冷却水水温升高，发射机电子管和水冷元件的温度也普遍升高。这不仅影响了昂贵的电子管和水冷真空电容的使用寿命，也严重的威胁到安全播音。因此，冷凝器室和冷却水的温度控制极为重要。 我台冷凝器出风口直接对室外排风，冷凝器水冷盘管与室外空气直接接触。霜冻天气冷凝器水冷盘管的冷却水易冻结，导致水冷盘的铜管涨裂。一旦发生此类现象，冷凝器就无法使用，需要更换冷凝器，将造成发射机的长时间停播。发射机刚开机预热时，未加高压，电子管还没开始蒸发冷却，没有产生大量热量，发射机系统水冷元件也没有产生热量，而此时发射机的冷却系统已经开始运行，冷凝器风机开始吹风，遇到霜冻天气，室外温度很低，更容易把冷凝器的水冷盘管冻坏。我台曾经在1999年12月21日冻坏了多台冷凝器，直接造成发射机的长时间停播。冻裂了的水冷盘管无法修复，造成了较大的经济损失。1999年之后我台实行了冬季防冻措施，人工监测室外温度，室外温度较低时开启加温装置。发射机预热时先关闭冷凝器风机，发射机加高压后，电子管和水冷元件产生热量了，又必须及时开启冷凝器风机，否则会造成水温过高，导致水温过高保护，落高压，发生人为停播事故。冬季防冻措施增加了值班人员的值班劳动强度，加大了值班压力。而随着信息化的发展和无线电台管理局“有人值守，无人值班”运行模式的提出，人工冬季防冻措施已经不再适应广播电台的发展了。 3 冷却系统的技术改造 基于以上发射机冷却系统存在的不稳定因素，有必要对冷却系统进行技术改造，同时增加自动控制系统，实现冷却系统的自动控制，并对冷凝器实施保护。我台已经对冷却系统进行了技术改造，方案是对每部发射机增加一台冷凝器（如图2）。正常运行时，两部冷凝器串联运行，水闸阀K1、K2关闭，K3、K4、K5、K6打开。当一台冷凝器出现故障时，如冷凝器1出现故障，可关闭冷凝器1，即关闭K2、 K3、K4，打开K1、K5、K6，冷凝器2单独运行，这样就可以可在发射机不停机的情况下对出现故障的冷凝器1进行修复，避免了发射机的停播。同时增加了冷凝器的自动控制系统，可根据水温的变化运行不同的风机开启方案，避免出现水温过高，同时也避免在水温不高时开启多台风机，浪费电费。在冬季时无需人工介入，能自动实施防冻措施，对冷凝器进行保护。去除原水泵切换电路，增加水泵的自动控制系统，监测水泵的运行状态，水泵故障时自动切换，并报警提示人工处理。 4 冷却系统的自动控制系统 4.1、硬件系统介绍 冷却系统的自动控制系统采用FPGA完成自动控制的功能。图3为自动控制系统框图，风接点检测电路检测风机接点的变化情况，经光耦输入板送至FPGA。温度检测电路检测温度，经光耦输入板送至FPGA。水流接点信号也经光耦输入板送至FPGA。FPGA将收到的水流接点信号、风机接点信号和温度信号进行处理，并根据这些信号的变化情况发出指令，经6路继电器输出板到各个交流接触器，控制水泵、风机和加温装置的运行。 FPGA的输入、输出的电平无法满足发射机自动控制的现场条件，需采用光电耦合电路进行转换和隔离。 水温的监测采用两个微电脑温度控制器CM-5，利用其内部继电器接点输出温度变化的信号至FPGA。 4.1.1、 FPGA FPGA是现场可编程门阵列（Field Programable Gate Array）的简称，是一种可编程的IC芯片。FPGA具有集成度高、开发时间短、体积小、性能高、可靠性高、设计灵活(可编程、可再编程、系统内可再编程)、通用性好的优点，目前在各种领域都得到广泛应用。 FPGA由布线资源分隔的可编程逻辑单元构成阵列，又由可编程 I/O单元围绕阵列构成整个芯片，排成阵列的逻辑单元由布线通道中的可编程内连线连接起来实现一定的逻辑功能。 目前我们使用的FPGA的可编程逻辑单元一般由查找表和触发器构成。查找表（Look-Up-Table)简称为 LUT，其本质上就是一个静态存储器 SRAM。查找表是这样实现的：首先 FPGA 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，然后把结果事先写入查找表中，FPGA 工作时，输入信号所进行的逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容后输出，即实现了该逻辑功能。 通俗地说，FPGA 就是由查找表、触发器和布线资源组成。图4是一个Cyclone系列FPGA芯片的内部结构，其中一对查找表和触发器构成逻辑单元 LE，若干个 LE 组成逻辑阵列块 LAB，最后再配上各种布线资源，就是一个 FPGA芯片了。 我们选用ALTERA公司的FPGA开发板（见图5），配置的FPGA芯片是ALTERA公司CycloneII的EP2C5Q208C8，配置了64Mbit的SDRAM、64Mbit的 FLASH、20MHz晶振、6位LED灯、6位一体数码管、6位拨码开关、蜂鸣器和34针标准扩展口等，能完全满足冷却系统的自动化控制的需要。 4.1.2、输出电路 如图6所示，U1为TLP521光电耦合器，内部的基本结构是一个光发二极管和一个光敏三极管，当有电流通过时光发二极管导通发光，光敏三极管也导通，反之当没有电流通过时光发二极管截止不发光，光敏三极管也截止，实现输入逻辑特性与输出逻辑特性相同，电路上也实现了隔离。由于光电耦合器输出驱动能力不足，使用三极管Q1驱动输出继电器工作。 工作原理为：当FPGA输出低电平（逻辑“0”）至J1的端子，光电耦合器U1的内部发光二极管导通发光，使得光敏三极管导通，电源Vcc送至Q1基极，Q1导通，输出继电器线包电路形成通路，输出继电器工作，继电器接点K1吸合，驱动交流接触器工作。反之，当FPGA输出高电平（逻辑“1”）时，发光二极管截止，三极管也截止，Q1截止，继电器线包失电，继电器接点K1断开，驱动的交流接触器也失电断开。
4.1.3、输入电路
输入电路如图7所示，其工作原理为：当风机风接点（或温度接点、水流接点）K1接通，输入端J1的2号端子为低电平（逻辑“0”），光电耦合器U1的内部发光二极管导通发光，使得光敏三极管导通，J2的2号端子输出低电平（逻辑“0”）至FPGA。当输入端J1的2号端子为高电平（逻辑“1”），光电耦合器U1的内部发光二极管不能发光，光敏三极管截止，J2的2号端子输出高电平（逻辑“1”）至FPGA。
4.1.4、水温监测电路
水温的监测使用两个微电脑温度控制器CM-5，它是一种制冷设备的专用器件，一个由单片机控制的器件。具有快速启动，精度高，抗干扰能力强，运行可靠性等优点，温度控制范围可达-20℃至+80℃。它可以人为设定“上限”温度和“下限”温度。温度控制器通过温度感应探头测量水温，当水温低于设置的“下限”温度（5℃）时，微电脑温度控制器内部的继电器动作，继电器接点接通，低电平信号经输入小板送至FPGA。当水温高于设置的“上限”温度（6℃）时，微电脑温度控制器内部的继电器断开，继电器接点断开，高电平信号经输入小板送至FPGA。 4.2、自动控制系统的功能 自动控制系统的程序开发使用Altera公司的Quartus Ⅱ作为软件开发平台，用Verilog HDL语言编程完成自动控制系统所需的所有逻辑功能。自动控制系统的功能如下： 4.2.1、自检功能 图8为自检流程。发射机没有工作指令时，两台冷凝器风机均没有工作，两台风机的接点都不应该动作，如风机没有工作而风机接点吸合，说明风机接点故障，控制系统发出声音报警，提示人工处理，LED数码也同时显示哪台风机接点吸合住不放开。 同样，发射机没有工作指令时，两台水泵均没有工作，水流接点不应该动作，如水泵没有工作而水流接点吸合，说明水流接点故障，控制系统发出声音报警，提示人工处理。 发射机给出工作指令后，系统加电开始10秒钟自检，同时开启两台冷凝器风机，在第5秒至第10秒内，检测两台风机接点是否都正常吸合，否则给出声音报警。POST (Power On Self Test，POST)报警延至发射机关机后才结束，提示人工处理。自检完成后，系统选择正常的风机工作。 发射机给出工作指令后，系统开始水泵的自检，在第0秒至第5秒内，开启备用水泵运行，系统检测水流接点，如果没有吸合，系统发出声音报警，提示人工处理。在第5秒至第10秒内，关闭备用水泵，开启主用水泵运行，系统同样检测水流接点，如果没有吸合，系统发出声音报警，提示人工处理。20秒自检完成后，系统选择正常的水泵工作。 4.2.2、冷凝器风机的自动控制 自检结束后，自动控制系统选择能工作正常的风机工作。如两台风机都能工作正常，则选择主用风机工作。在运行中，当主用风机工作出现故障，系统自动切换至备用风机工作，并报警提示人工处理。 4.2.3、水泵的监测和自动控制 自检结束后，自动控制系统选择能工作正常的水泵工作。如两台水泵都能工作正常，则选择主用水泵工作。在数码管上显示水泵的工作状态。在运行中，当主用水泵出现故障，系统自动切换至备用水泵工作，并报警提示人工处理。 4.2.4、水温监测和保护功能 图9为水温监测保护流程。控制系统监测冷凝器的冷却水水温，当水温低于5℃（低温下限温度），同时关闭两台冷凝器风机，并开启加温装置，避免因为水温过低结冻而损坏冷凝器，同时给以报警提示温度过低。当水温高于6℃（低温上限温度），关闭加温装置，开启主用风机正常工作。夏天冷凝器的冷却水水温高于45℃（高温上限温度）时，主、备风机同时开启，加快冷凝器热量交换速度，降低水温，避免出现因为发射机水温过高保护，而落高压，造成停播。当温度低于44℃（高温下限温度）时，关闭一台风机，只开启一台风机。 发射机没开机时，控制系统也在实时监测冷凝器的水温。当水温低于5℃时，为了防止冷却水冻结而损坏冷凝器，开启加温装置对冷凝器加温，同时开启水泵，让冷却水保持流动状态，防止冷却水局部冻结。 4.2.5、工作状态显示和故障报警 开发板数码管可以显示系统的工作状态，显示水泵、风机的工作状态，显示故障的主要内容。蜂鸣器和声音报警输出对故障进行声音报警。利用报警声音的长和短区别不同的故障内容。表1为数码管显示内容及其含义，表2 为声音报警及其含义。
表1、数码管显示内容及其含义
| 数码管显示内容 | 内容 |
| “E 1” | 主用水泵故障 |
| “E 2” | 备用水泵故障 |
| “0” | 主用风机接点和备用风机接点都无动作 |
| “1” | 风机1工作正常 |
| “2” | 风机2工作正常 |
| “1 2” | 风机1、风机2都工作正常 |
| “L” | 水温低于5℃ |
| “H” | 水温高于45℃ |
| “E” | 水温过低过高同时警示的错误 |
表2、声音报警及其含义
| 蜂鸣器和声音报警 | 内容 |
| 长音 | 水泵故障 |
| 长音 | 主用风机接点和备用风机接点都无动作 |
| 长短音 | 主用风机故障切换至备用风机工作 |
| 短长音 | 水温低于5℃ |
| 短长音 | 水温高于45℃ |
| 长音 | 无接触器工作证实 |
| 短音 | 自检不能完成 |
4.2.6、防干扰和交流接触器保护 广播电台的发射机房普遍存在射频干扰大的问题，控制系统很容易受到干扰。我们在程序设计时，对输入信号进行数字滤波，减小干扰，防止发生误动作。当输入信号有电平变化时，在电平变化的一瞬间，电平处于极不稳定的状态，我们在程序中设置电平变化检测模块，检测电平变化，并延迟20ms后再一次检测电平状态，如果前后一致才做为有效电平。继电器的触点的闭合及断开的瞬间均会伴随有一连串的抖动，抖动时间一般为5ms～10ms，上述的延迟处理也同样起到消除触点抖动的作用。 输出电路用交流接触器控制风机和加温设备的电源，交流接触器的接点有大电流通过，如在短时间内频繁动作（抖动现象），交流接触器的接点会过热，烧坏交流触接器。我们对不同的输入信号做了100ms至2s的延时，有效地防止了交流接触器抖动现象。控制系统还对交流接触器的状态进行监测，当有交流触接器无法正常工作时报警提示人工处理。 4.2.7、容错性 控制系统还具有较好的容错性，保证冷却系统能够正常工作。当FPGA控制系统失电或死机时，两台风机将会同时工作；无工作指令时出现水温过高，说明工作指令出错，也会开启风机；水温过低和过高同时出现也是错误信号，以水温过高的信号处理。容错的措施还有很多，目地是在出现错误的信号时，冷却系统依然能正常工作，保证发射机不出现停播。 5、结束语 冷却系统的技术革新改造及其自动控制系统的研发，很好地解决了原来冷却系统存在的诸多不稳定因素，经过一年来的上机试验，取得了比较满意的效果。冬季防冻应用，极大减轻了值班人员的劳动强度和精神压力；抗干扰方面，可以根据发射机房的具体情况，在程序设计时通过不同的数字滤波方案，改变数字滤波器的参数，有效减小了干扰，防止了误动作发生。作为一个自主研发的产品，该控制系统在设计方面的不足之处在所难免，需要在使用中不断改进。 参考文献： [1] 夏宇闻. Verilog数字系统设计教程（第2版）.北京航空航天大学出版社2008.6 [2] 童诗白.模拟电子技术基础(第4版). 高等教育出版社. 2006.05
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