雷達電子模塊散熱模擬測控系統設計與開發

俞 濤 王國超 王 寧

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著現代雷達技術向著小型化和輕型化的方向發展，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，從而導致雷達各電子模塊的熱流密度不斷增大。而根據研究表明，55%電子設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其使用壽命[1]。因此，雷達電子模塊的散熱設計是保證雷達工作性能及可靠性的關鍵因素。

為了提高電子模塊的散熱能力，相關學者進行了大量研究。目前，適用于電子設備的散熱技術主要包括強迫風冷散熱、強迫液冷散熱、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某雷達電子機箱進行了散熱分析，采用強迫風冷的方式優化了散熱設計[7-8]。中電三十八所的潘占等人開展了基于熱管散熱技術的某相控陣雷達功放模塊熱仿真分析，對熱管熱作用過程進行合理的假設，建立了熱管熱平衡狀態下的傳熱模型[8]。電子模塊的散熱能力不僅與散熱技術有關，其本身的結構形式也起到關鍵性作用。因此，電子模塊的結構設計及熱仿真研究同樣得到了廣泛的關注[9-10]。如韓文峰等學者介紹了一種高機動車載小陣面相控陣雷達天線艙體散熱設計的方法，并通過ICEPAK熱仿真軟件對整個散熱系統進行了仿真模擬與驗證，最后通過實測驗證了設計過程與方法的正確性[11]。王猛等學者通過合理規劃風的流動路徑完成有源相控陣雷達天線環控系統的設計，并對其散熱模型進行了仿真分析，得到了天線框架內各低功耗器件的表面溫度分布圖[12]。然而，在實際工程應用中，結構設計和電氣設計往往是并行工作，電子模塊的結構設計是否滿足電子元器件的散熱要求難以進行試驗驗證，且由于熱力學仿真過程中進行了大量的假設和近似，最終會導致仿真結果出現難以控制的偏差。因此，亟需設計和開發可實際模擬電子元器件及模塊發熱的實驗平臺，從而驗證電子模塊的結構設計是否滿足工作時的散熱要求。

本文以實現模擬電子模塊元器件發熱和監控實時溫度兩方面功能為目標，制定了以PLC為控制核心的電子模塊散熱模擬測控系統總體方案，通過硬件集成設計、PLC編程和觸摸屏組態等環節實現了上述兩方面功能，為電子模塊散熱設計的驗證提供了可靠的實驗平臺。

1 散熱模擬測控系統工作原理

雷達電子模塊散熱模擬測控系統是能夠通過對熱源加熱功率的控制來模擬電子模塊中的芯片、器件及模塊在實際工作時的發熱情況，同時實現對電子模塊中各部位溫度進行測量、數據顯示、存儲的測控實驗平臺。該測控系統由西門子S7-1200 PLC、威綸通觸摸屏MT8102iE(人機交互界面)、模擬量輸入模塊ADAM-4018+、固態繼電器、開關電源、通訊網絡及接口等組成，如圖1所示。

圖1 散熱模擬測控系統原理圖

散熱模擬測控系統以西門子PLC作為控制中心，上位機采用威綸通觸摸屏實現參數設定和數據采集。該系統包括模擬熱源模塊和溫度采集模塊兩大功能模塊：當模擬熱源模塊工作時，在觸摸屏上設定各通道的功率百分比，觸摸屏將設定值寫入PLC相應的寄存器中，PLC輸出PWM(脈寬調制)波送給固態繼電器，通過調整占空比的方式來控制加熱器的通斷從而實現對加熱功率的控制；溫度采集模塊采集熱電偶送來的溫度信號，經模擬量輸入模塊(研華ADAM-4018+)轉換為所測點的實時溫度后，在觸摸屏上進行顯示。觸摸屏可外插大容量存儲卡或U盤用于保存模擬熱源設定值和實時溫度測量值，并能夠定期將數據上傳至管理系統。

2 硬件集成設計

散熱模擬測控系統的硬件組成包括PLC、觸摸屏、模擬量輸入模塊、固態繼電器、開關電源、分線器、空氣開關、通訊網絡及供電線路等。測控系統的核心是西門子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接口用于進行編程，并可通過以太網實現與觸摸屏的通信；同時，該CPU模塊具有4路脈沖信號輸出功能，可產生PWM信號對固態繼電器進行控制。為了實現PLC與模擬量輸入模塊ADAM4018+之間的通信，需要在PLC上擴展一個串口通信模塊CM 1241(RS422/485)，并通過RS485總線與多個模擬量輸入模塊進行連接。

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

在散熱模擬測控系統中，實現溫度采集功能的ADAM-4018+是一個16位8通道模擬量輸入模塊，該模塊支持Modbus通信協議，可以測量多種模擬量信號(如熱電偶、mV、V和mA)，且具有數據記錄功能。ADAM-4018+硬件接線如圖3(a)所示，該模塊8個通道的輸入均為K型熱電偶，通過RS485總線將所測的數據上傳至PLC寄存器從而實現溫度采集功能。固態繼電器是實現模擬熱源功率控制的關鍵元器件，可實現輸入端微小的控制信號直接驅動大電流負載的功能。在進行模擬熱源功能時，固態繼電器的輸入端接入PLC輸出的PWM波控制輸出端熱源負載電源的通斷占空比，通過此方式便可實現模擬熱源功率的靈活控制，固態繼電器硬件接線如圖3(b)所示。

在散熱模擬測控系統中，PLC、觸摸屏、模擬量輸入模塊及固態繼電器控制信號均由1個75W的24VDC開關電源供電，加熱源由兩個240W的24VDC開關電源供電。根據所有模塊的結構特點以及電氣連接要求，設計了散熱模擬測控系統電控箱，如圖4所示。其中，觸摸屏、開關電源及分線器等器件安裝在前面板上，PLC、開關電源、模擬量輸入模塊及固態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行連接。電控箱側面設有圓形開孔，用于熱電偶及加熱源走線；頂部設計有把手，可方便使用人員進行搬運。

(a)前面板

3 軟件編程及功能實現

3.1 通訊設置

在建立了硬件連接關系的基礎上，想要實現散熱模擬測控系統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據傳輸與通信連接。在該系統中，需要進行通訊設置的主要包括觸摸屏與PLC之間的以太網通信以及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之間的以太網通信時，需要分別在觸摸屏組態軟件和PLC編程軟件中設置IP地址，保證PLC和觸摸屏的IP地址在同一網段，并將PLC中的數據塊地址標簽以.db格式的文件形式導出。在觸摸屏組態時，需在系統參數設置中添加PLC設備并設置設備類型及接口類型，再通過標簽導入功能將PLC數據塊地址導入觸摸屏程序中，便可實現觸摸屏對PLC寄存器的讀/寫功能，如圖5所示。

圖5 觸摸屏組態軟件中的PLC數據塊地址標簽

RS485串行通信遵循Modbus通訊協議，在建立PLC與模擬量輸入模塊ADAM-4018+之間的RS485串行通信時，需要在ADAM4000 Utility應用軟件中設置其通訊參數如機地址、波特率、數據位、停止位、校驗位、使能及各輸入口所接傳感器類型，并在PLC編程軟件中設置對應的通訊參數，如圖6所示。在散熱模擬測控系統中，通訊參數統一設置為波特率9600、8位數據位、1位停止位、無校驗，2塊模擬量輸入模塊的機地址分別為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是整個散熱模擬測控系統的控制中心，因此PLC程序是實現模擬熱源和溫度采集兩大功能的核心。在該系統中，PLC編程使用的軟件為Siemens TIA V16，編程內容主要包括設備組態、ADAM-4018+數據采集、數據校驗、數據轉換和PWM脈沖輸出等幾個部分。

1)設備組態

在進行PLC程序塊編制之前需要進行設備組態，讓軟件獲得所使用的硬件信息從而提供相應的編程功能模塊。在進行設備組態時，首先在虛擬機架上添加所使用的PLC及CPU型號，再在PLC兩側的空余機架上添加擴展模塊，使組態中的設備型號及位置與實際設備相統一。在本系統中，PLC及CPU型號為：SIMATIC S7-1200，擴展模塊為：CM 1241(RS422/485)。在添加完設備后，需要設置PLC的以太網地址、RS485接口參數及脈沖輸出口的脈沖參數等從而完成PLC編程的設備組態。

圖7 PLC設備組態

2)數據采集

在散熱模擬測控系統中，PLC作為控制中心需要采集模擬量輸入模塊中的熱電偶數據以實現系統的溫度采集功能。由于PLC與ADAM-4018+之間采用的是RS485串行通信，因此，PLC需要向下位機發送采集指令并同時接收下位機返回的8個通道的溫度數據，如圖8所示。在西門子PLC編程軟件中采用的是點到點的通訊方式，數據格式為十六進制的ASCⅡ碼。

圖8 ADAM 4018+溫度數據采集PLC程序

3)數據校驗

為了保證數據的準確性及穩定性，避免產生亂碼及錯誤數據，需要對采集到的溫度數據進行校驗。模擬量輸入模塊ADAM-4018+采用的校驗方式為累加和校驗，即將一次通訊數據包里除最后一個字節的全部數據進行按字節累加求和，再將結果與最后一個字節的校驗數據進行比較，如果相同的話就證明數據無誤。ADAM-4018+數據校驗的PLC程序如圖9所示。

圖9 ADAM 4018+數據校驗PLC程序

4)數據轉換

在對采集到的ADAM-4018+數據進行校驗后，還需要將其進行轉換，將十六進制的ASCⅡ碼轉換成十進制的實際溫度值以便于上位機進行讀取，數據轉換PLC程序如圖10所示。在數據轉換過程中，首先是將數據段單個字節的ASCⅡ碼轉換成實數，再將其乘以對應的位數級別并進行求和，便得到了實際每個輸入口的溫度數值。

圖10 ADAM 4018+數據轉換PLC程序

5)PWM脈沖輸出

為了實現散熱模擬測控系統的模擬熱源功能，需要PLC通過I/O口以PWM的方式輸出脈沖從而控制固態繼電器的通斷時間比。在編程過程中，PWM功能通過MOVE指令和CTRL_PWM指令塊實現，如圖11所示。首先，在設備組態時需確定脈沖輸出的端口號，同時設置脈沖發生器參數如脈沖輸出類型、輸出源、時集、脈寬形式、周期、初始脈寬及輸出地址等參數，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波從而實現對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

觸摸屏作為散熱模擬測控系統的上位機，主要功能是實現人機交互，將設定好的模擬熱源加熱功率寫入PLC相應的寄存器，并實時顯示PLC采集和處理后的溫度數據。在進行觸摸屏組態時，首先將PLC數據塊地址導入觸摸屏程序，隨后在主面板上添加控件，并在控件的屬性設置中賦予相應地址標簽，從而實現觸摸屏對PLC寄存器的讀/寫功能，散熱模擬測控系統觸摸屏組態界面如圖12所示。

圖12 觸摸屏組態界面

散熱模擬測控系統觸摸屏界面包括模塊發熱模擬和實時溫度采集兩部分，在模塊發熱模擬功能中采用滑動開關元件和數值元件對發熱功率百分比進行控制，用戶既可以通過滑動開關進行調整也可以直接輸入具體數值；實時溫度采集的16個測溫點所顯示的數據為2塊模擬量輸入模塊16個輸入通道K型熱電偶采集到的溫度值。通過該界面，便可實現散熱模擬測控系統的人機交互功能。

4 散熱模擬測控系統應用案例

目前，該雷達電子模塊散熱模擬測控系統已成功應用在某型號單兵戰場偵察雷達機箱熱管焊接過程監控以及熱管散熱效果評估等實驗中，如圖13所示。散熱模擬測控系統實際應用過程表明：該系統具有實時性好、操作簡單、工作穩定等優點。

5 結束語

本文針對電子模塊散熱設計無法進行實驗驗證的問題，進行雷達電子模塊散熱模擬測控系統設計開發，研發結果如下：

1)散熱模擬測控系統以PLC為控制核心，通過硬件集成設計、PLC編程和觸摸屏組態等手段，能夠實現電子模塊散熱效果驗證過程中的模擬熱源發熱和實時溫度監控功能。

2)散熱模擬測控系統實際應用過程表明：該系統具有實時性好、操作簡單、工作穩定等優點，為電子模塊散熱設計的驗證提供了良好的實驗平臺。