雷達(dá)電子模塊散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

俞 濤 王國(guó)超 王 寧

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)向著小型化和輕型化的方向發(fā)展，芯片和各元器件的尺寸不斷減小，電子模塊的集成度和組裝密度越來越高，從而導(dǎo)致雷達(dá)各電子模塊的熱流密度不斷增大。而根據(jù)研究表明，55%電子設(shè)備失效是由于溫度過高引起的，降低元器件溫度可有效的延長(zhǎng)其使用壽命[1]。因此，雷達(dá)電子模塊的散熱設(shè)計(jì)是保證雷達(dá)工作性能及可靠性的關(guān)鍵因素。

為了提高電子模塊的散熱能力，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。目前，適用于電子設(shè)備的散熱技術(shù)主要包括強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱、強(qiáng)迫液冷散熱、熱管散熱及均溫板散熱等[2-6]。如中電二十所的任瑞敏等研究者對(duì)某雷達(dá)電子機(jī)箱進(jìn)行了散熱分析，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式優(yōu)化了散熱設(shè)計(jì)[7-8]。中電三十八所的潘占等人開展了基于熱管散熱技術(shù)的某相控陣?yán)走_(dá)功放模塊熱仿真分析，對(duì)熱管熱作用過程進(jìn)行合理的假設(shè)，建立了熱管熱平衡狀態(tài)下的傳熱模型[8]。電子模塊的散熱能力不僅與散熱技術(shù)有關(guān)，其本身的結(jié)構(gòu)形式也起到關(guān)鍵性作用。因此，電子模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熱仿真研究同樣得到了廣泛的關(guān)注[9-10]。如韓文峰等學(xué)者介紹了一種高機(jī)動(dòng)車載小陣面相控陣?yán)走_(dá)天線艙體散熱設(shè)計(jì)的方法，并通過ICEPAK熱仿真軟件對(duì)整個(gè)散熱系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬與驗(yàn)證，最后通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)過程與方法的正確性[11]。王猛等學(xué)者通過合理規(guī)劃風(fēng)的流動(dòng)路徑完成有源相控陣?yán)走_(dá)天線環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其散熱模型進(jìn)行了仿真分析，得到了天線框架內(nèi)各低功耗器件的表面溫度分布圖[12]。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)往往是并行工作，電子模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足電子元器件的散熱要求難以進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，且由于熱力學(xué)仿真過程中進(jìn)行了大量的假設(shè)和近似，最終會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果出現(xiàn)難以控制的偏差。因此，亟需設(shè)計(jì)和開發(fā)可實(shí)際模擬電子元器件及模塊發(fā)熱的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而驗(yàn)證電子模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足工作時(shí)的散熱要求。

本文以實(shí)現(xiàn)模擬電子模塊元器件發(fā)熱和監(jiān)控實(shí)時(shí)溫度兩方面功能為目標(biāo)，制定了以PLC為控制核心的電子模塊散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)總體方案，通過硬件集成設(shè)計(jì)、PLC編程和觸摸屏組態(tài)等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了上述兩方面功能，為電子模塊散熱設(shè)計(jì)的驗(yàn)證提供了可靠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)工作原理

雷達(dá)電子模塊散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)是能夠通過對(duì)熱源加熱功率的控制來模擬電子模塊中的芯片、器件及模塊在實(shí)際工作時(shí)的發(fā)熱情況，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子模塊中各部位溫度進(jìn)行測(cè)量、數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)的測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該測(cè)控系統(tǒng)由西門子S7-1200 PLC、威綸通觸摸屏MT8102iE(人機(jī)交互界面)、模擬量輸入模塊ADAM-4018+、固態(tài)繼電器、開關(guān)電源、通訊網(wǎng)絡(luò)及接口等組成，如圖1所示。

圖1 散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)原理圖

散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)以西門子PLC作為控制中心，上位機(jī)采用威綸通觸摸屏實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)包括模擬熱源模塊和溫度采集模塊兩大功能模塊：當(dāng)模擬熱源模塊工作時(shí)，在觸摸屏上設(shè)定各通道的功率百分比，觸摸屏將設(shè)定值寫入PLC相應(yīng)的寄存器中，PLC輸出PWM(脈寬調(diào)制)波送給固態(tài)繼電器，通過調(diào)整占空比的方式來控制加熱器的通斷從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱功率的控制；溫度采集模塊采集熱電偶送來的溫度信號(hào)，經(jīng)模擬量輸入模塊(研華ADAM-4018+)轉(zhuǎn)換為所測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度后，在觸摸屏上進(jìn)行顯示。觸摸屏可外插大容量存儲(chǔ)卡或U盤用于保存模擬熱源設(shè)定值和實(shí)時(shí)溫度測(cè)量值，并能夠定期將數(shù)據(jù)上傳至管理系統(tǒng)。

2 硬件集成設(shè)計(jì)

散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成包括PLC、觸摸屏、模擬量輸入模塊、固態(tài)繼電器、開關(guān)電源、分線器、空氣開關(guān)、通訊網(wǎng)絡(luò)及供電線路等。測(cè)控系統(tǒng)的核心是西門子S7-1200的CPU模塊1214C DC/DC/DC，硬件連接如圖2所示。該CPU模塊集成了PROFINET接口用于進(jìn)行編程，并可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與觸摸屏的通信；同時(shí)，該CPU模塊具有4路脈沖信號(hào)輸出功能，可產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)固態(tài)繼電器進(jìn)行控制。為了實(shí)現(xiàn)PLC與模擬量輸入模塊ADAM4018+之間的通信，需要在PLC上擴(kuò)展一個(gè)串口通信模塊CM 1241(RS422/485)，并通過RS485總線與多個(gè)模擬量輸入模塊進(jìn)行連接。

圖2 西門子S7-1200 CPU模塊1214C DC/DC/DC硬件接線圖

在散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)溫度采集功能的ADAM-4018+是一個(gè)16位8通道模擬量輸入模塊，該模塊支持Modbus通信協(xié)議，可以測(cè)量多種模擬量信號(hào)(如熱電偶、mV、V和mA)，且具有數(shù)據(jù)記錄功能。ADAM-4018+硬件接線如圖3(a)所示，該模塊8個(gè)通道的輸入均為K型熱電偶，通過RS485總線將所測(cè)的數(shù)據(jù)上傳至PLC寄存器從而實(shí)現(xiàn)溫度采集功能。固態(tài)繼電器是實(shí)現(xiàn)模擬熱源功率控制的關(guān)鍵元器件，可實(shí)現(xiàn)輸入端微小的控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載的功能。在進(jìn)行模擬熱源功能時(shí)，固態(tài)繼電器的輸入端接入PLC輸出的PWM波控制輸出端熱源負(fù)載電源的通斷占空比，通過此方式便可實(shí)現(xiàn)模擬熱源功率的靈活控制，固態(tài)繼電器硬件接線如圖3(b)所示。

在散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)中，PLC、觸摸屏、模擬量輸入模塊及固態(tài)繼電器控制信號(hào)均由1個(gè)75W的24VDC開關(guān)電源供電，加熱源由兩個(gè)240W的24VDC開關(guān)電源供電。根據(jù)所有模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及電氣連接要求，設(shè)計(jì)了散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)電控箱，如圖4所示。其中，觸摸屏、開關(guān)電源及分線器等器件安裝在前面板上，PLC、開關(guān)電源、模擬量輸入模塊及固態(tài)繼電器安裝在背板上，為了方便打開維修，前面板和箱體之間通過鉸鏈和碰珠卡扣進(jìn)行連接。電控箱側(cè)面設(shè)有圓形開孔，用于熱電偶及加熱源走線；頂部設(shè)計(jì)有把手，可方便使用人員進(jìn)行搬運(yùn)。

(a)前面板

3 軟件編程及功能實(shí)現(xiàn)

3.1 通訊設(shè)置

在建立了硬件連接關(guān)系的基礎(chǔ)上，想要實(shí)現(xiàn)散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)的模擬熱源及溫度采集功能，首先需要建立各模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸與通信連接。在該系統(tǒng)中，需要進(jìn)行通訊設(shè)置的主要包括觸摸屏與PLC之間的以太網(wǎng)通信以及PLC與模擬量輸入模塊之間的RS485串行通信。

在建立觸摸屏與PLC之間的以太網(wǎng)通信時(shí)，需要分別在觸摸屏組態(tài)軟件和PLC編程軟件中設(shè)置IP地址，保證PLC和觸摸屏的IP地址在同一網(wǎng)段，并將PLC中的數(shù)據(jù)塊地址標(biāo)簽以.db格式的文件形式導(dǎo)出。在觸摸屏組態(tài)時(shí)，需在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中添加PLC設(shè)備并設(shè)置設(shè)備類型及接口類型，再通過標(biāo)簽導(dǎo)入功能將PLC數(shù)據(jù)塊地址導(dǎo)入觸摸屏程序中，便可實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)PLC寄存器的讀/寫功能，如圖5所示。

圖5 觸摸屏組態(tài)軟件中的PLC數(shù)據(jù)塊地址標(biāo)簽

RS485串行通信遵循Modbus通訊協(xié)議，在建立PLC與模擬量輸入模塊ADAM-4018+之間的RS485串行通信時(shí)，需要在ADAM4000 Utility應(yīng)用軟件中設(shè)置其通訊參數(shù)如機(jī)地址、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位、使能及各輸入口所接傳感器類型，并在PLC編程軟件中設(shè)置對(duì)應(yīng)的通訊參數(shù)，如圖6所示。在散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)中，通訊參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為波特率9600、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗(yàn)，2塊模擬量輸入模塊的機(jī)地址分別為01和02，輸入口所接傳感器為K型熱電偶。

3.2 PLC編程

西門子PLC是整個(gè)散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)的控制中心，因此PLC程序是實(shí)現(xiàn)模擬熱源和溫度采集兩大功能的核心。在該系統(tǒng)中，PLC編程使用的軟件為Siemens TIA V16，編程內(nèi)容主要包括設(shè)備組態(tài)、ADAM-4018+數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和PWM脈沖輸出等幾個(gè)部分。

1)設(shè)備組態(tài)

在進(jìn)行PLC程序塊編制之前需要進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，讓軟件獲得所使用的硬件信息從而提供相應(yīng)的編程功能模塊。在進(jìn)行設(shè)備組態(tài)時(shí)，首先在虛擬機(jī)架上添加所使用的PLC及CPU型號(hào)，再在PLC兩側(cè)的空余機(jī)架上添加擴(kuò)展模塊，使組態(tài)中的設(shè)備型號(hào)及位置與實(shí)際設(shè)備相統(tǒng)一。在本系統(tǒng)中，PLC及CPU型號(hào)為：SIMATIC S7-1200，擴(kuò)展模塊為：CM 1241(RS422/485)。在添加完設(shè)備后，需要設(shè)置PLC的以太網(wǎng)地址、RS485接口參數(shù)及脈沖輸出口的脈沖參數(shù)等從而完成PLC編程的設(shè)備組態(tài)。

圖7 PLC設(shè)備組態(tài)

2)數(shù)據(jù)采集

在散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)中，PLC作為控制中心需要采集模擬量輸入模塊中的熱電偶數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫度采集功能。由于PLC與ADAM-4018+之間采用的是RS485串行通信，因此，PLC需要向下位機(jī)發(fā)送采集指令并同時(shí)接收下位機(jī)返回的8個(gè)通道的溫度數(shù)據(jù)，如圖8所示。在西門子PLC編程軟件中采用的是點(diǎn)到點(diǎn)的通訊方式，數(shù)據(jù)格式為十六進(jìn)制的ASCⅡ碼。

圖8 ADAM 4018+溫度數(shù)據(jù)采集PLC程序

3)數(shù)據(jù)校驗(yàn)

為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生亂碼及錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，需要對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。模擬量輸入模塊ADAM-4018+采用的校驗(yàn)方式為累加和校驗(yàn)，即將一次通訊數(shù)據(jù)包里除最后一個(gè)字節(jié)的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行按字節(jié)累加求和，再將結(jié)果與最后一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果相同的話就證明數(shù)據(jù)無誤。ADAM-4018+數(shù)據(jù)校驗(yàn)的PLC程序如圖9所示。

圖9 ADAM 4018+數(shù)據(jù)校驗(yàn)PLC程序

4)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在對(duì)采集到的ADAM-4018+數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)后，還需要將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將十六進(jìn)制的ASCⅡ碼轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的實(shí)際溫度值以便于上位機(jī)進(jìn)行讀取，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換PLC程序如圖10所示。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，首先是將數(shù)據(jù)段單個(gè)字節(jié)的ASCⅡ碼轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)，再將其乘以對(duì)應(yīng)的位數(shù)級(jí)別并進(jìn)行求和，便得到了實(shí)際每個(gè)輸入口的溫度數(shù)值。

圖10 ADAM 4018+數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換PLC程序

5)PWM脈沖輸出

為了實(shí)現(xiàn)散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)的模擬熱源功能，需要PLC通過I/O口以PWM的方式輸出脈沖從而控制固態(tài)繼電器的通斷時(shí)間比。在編程過程中，PWM功能通過MOVE指令和CTRL_PWM指令塊實(shí)現(xiàn)，如圖11所示。首先，在設(shè)備組態(tài)時(shí)需確定脈沖輸出的端口號(hào)，同時(shí)設(shè)置脈沖發(fā)生器參數(shù)如脈沖輸出類型、輸出源、時(shí)集、脈寬形式、周期、初始脈寬及輸出地址等參數(shù)，再在PLC程序中將模擬量輸入通過MOVE指令塊賦值到輸出地址中，最終由CTRL_PWM指令塊通過指定端口輸出PWM波從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬熱源的功率控制。

圖11 PWM脈沖輸出PLC程序

3.3 觸摸屏組態(tài)

觸摸屏作為散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)的上位機(jī)，主要功能是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，將設(shè)定好的模擬熱源加熱功率寫入PLC相應(yīng)的寄存器，并實(shí)時(shí)顯示PLC采集和處理后的溫度數(shù)據(jù)。在進(jìn)行觸摸屏組態(tài)時(shí)，首先將PLC數(shù)據(jù)塊地址導(dǎo)入觸摸屏程序，隨后在主面板上添加控件，并在控件的屬性設(shè)置中賦予相應(yīng)地址標(biāo)簽，從而實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)PLC寄存器的讀/寫功能，散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)觸摸屏組態(tài)界面如圖12所示。

圖12 觸摸屏組態(tài)界面

散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)觸摸屏界面包括模塊發(fā)熱模擬和實(shí)時(shí)溫度采集兩部分，在模塊發(fā)熱模擬功能中采用滑動(dòng)開關(guān)元件和數(shù)值元件對(duì)發(fā)熱功率百分比進(jìn)行控制，用戶既可以通過滑動(dòng)開關(guān)進(jìn)行調(diào)整也可以直接輸入具體數(shù)值；實(shí)時(shí)溫度采集的16個(gè)測(cè)溫點(diǎn)所顯示的數(shù)據(jù)為2塊模擬量輸入模塊16個(gè)輸入通道K型熱電偶采集到的溫度值。通過該界面，便可實(shí)現(xiàn)散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)的人機(jī)交互功能。

4 散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用案例

目前，該雷達(dá)電子模塊散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用在某型號(hào)單兵戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)機(jī)箱熱管焊接過程監(jiān)控以及熱管散熱效果評(píng)估等實(shí)驗(yàn)中，如圖13所示。散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過程表明：該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電子模塊散熱設(shè)計(jì)無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的問題，進(jìn)行雷達(dá)電子模塊散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，研發(fā)結(jié)果如下：

1)散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)以PLC為控制核心，通過硬件集成設(shè)計(jì)、PLC編程和觸摸屏組態(tài)等手段，能夠?qū)崿F(xiàn)電子模塊散熱效果驗(yàn)證過程中的模擬熱源發(fā)熱和實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控功能。

2)散熱模擬測(cè)控系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過程表明：該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，為電子模塊散熱設(shè)計(jì)的驗(yàn)證提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。