地球站功放室環境自動控制系統
——風壓閥聯動控制

張慧敏

國家廣播電視總局呼和浩特地球站 內蒙古 呼和浩特市 010050

1 引 言

廣播衛星地球站作為廣播電視行業中的一個重要傳輸單位，承擔有中央三臺的上行任務。保障節目優質零秒上行為工作中的重中之重。

衛星上行地球站的主要上行設備有解復用器、調制器、上變頻器、高功放、衛星天線等，其中上變頻器與高功放均放置在功放小室中，每一個功放室中至少有一套上行系統，個別功放室內有兩套上行系統，均承擔有上行業務。廣播衛星地球站承擔的業務為二十四小時不間斷播音，設備需一直連續運行，工作強度大，雖然都為專業設備，可也必須保證其工作環境能夠達到要求。地球站機房均為一類機房，其環境要求如表1 所示：

表1 一類機房環境標準

新風系統的設計已經相對成熟，在本文中對于其基本功能不做介紹，只介紹其根據廣播衛星地球站的特殊性而針對性設計部分。主要有溫度補償控制與風壓閥聯動控制兩部分。

2 系統建設背景

2.1 系統建設意義

衛星上行地球站中上變頻器與高功放均屬于精密儀器，對環境要求非常嚴格。尤其是高功放，它作為實現功率放大的設備，在工作期間會產生大量的熱量，因此需要大量的風循環來對其內部進行降溫，進風口為室溫空氣，在高功放中循環后將設備產生的熱量攜帶出去，以達到給高功放降溫的目的。高功放正常工作時進口溫度需控制在20℃，出口溫度可達到50℃甚至更高。高功放進口吸入的空氣為室內空氣，所以必須保證室內的環境溫度能夠滿足要求。若室內溫度過高，不能實現給高功放降溫的效果，高功放溫度過高則會影響高功放正常運行甚至會造成掉高壓。

高功放作為衛星上行系統中對功率進行放大的設備，其作用異常重大，一旦高功放掉高壓，一整個系統將無功率輸出，造成轉發器空載的嚴重播出事故。同時高功放運行時也必須保證其微正壓，一旦檢測到負壓情況也可能會產生掉高壓的現象。因此必須保證高功放的工作環境達到要求，一但出現故障，會對安全播出產生重大影響。

2.2 原控制系統簡介

最初功放室并未采用自動控制，只是通過新風系統引入室外空氣，對引入空氣進行過濾，使空氣潔凈，溫度控制依靠于兩臺大功率空調實現。后進行自動化改造，實現的環境情況的實時監測與報警，讓一線值班員能夠在遠程實時地了解到功放室的環境情況，但缺少自動控制部分。

3 系統設計創新點

功放室環境自動控制系統其主要功能有遠程監控報警，恒溫控制，恒壓控制等。監測系統在本文中不做贅述，主要介紹本系統中的設計創新點。

3.1 溫度補償控制

在本次新風系統設計時，考慮到高功放排出大量熱量，而在冬天還需要空調加溫實現室內溫度的恒定，這樣的情況是對熱能的嚴重浪費，如果能將這個熱量作為溫度補償將會減輕空調的運行強度，實現節約電能的目的。

3.2 風壓閥聯動控制

本系統創新點有利用本該排放到空氣中的熱能對功放室的溫度進行補償，節約能源。但在控制過程中存在的一個問題就是需要將高功放排出的熱風進行利用而不可以排出，若不進行相應的排風處理就會影響壓力的平衡。排風管道直接與高功放風扇相連，若壓力失衡會造成高功放風壓告警，嚴重的會造成掉高壓，影響節目上行，對于安全播出工作隱患頗大。因此必須保證風壓的平衡。

壓力的控制與溫度的控制互為干擾，如何解決兩者之間的平衡問題為本系統設計的重大難點，經過長時間的運行測試，最終選擇了風壓閥的聯動控制。該控制方式并未在其他新風系統中使用過，是根據某一衛星地球站功放室的實際情況為實現節能控制的主要訴求而設計的。

4 系統設計

4.1 系統主體介紹

整個新風系統的作用有溫度控制，壓力控制，保證室內空氣潔凈度，遠程監測報警，歷史數據查詢等功能，其主要有送風風機，通過變頻器實現風機風量的控制；高功放出口，室內排風口均安裝有風閥，實現對風量的控制。整個系統運行情況為：變頻器頻率控制有手自動兩種控制模式，手動控制模式為人工輸入固定頻率進行控制，自動控制采用分段區間式控制，根據不同溫度區間設定不同的控制頻率，溫度控制區間設置較大，一般為5℃甚至更大。不論變頻器為那種控制方式，均不會在短時間內產生變化，其變化周期按天來計算，因此在實時的自動控制系統中，其變化量可忽略不計，認為其為固定量。

4.2 溫度補償控制

溫度控制其控制對象為高功放排風口風閥，高功放出口排出空氣為熱空氣，在室內溫度達不到要求溫度時打開風閥將熱空氣排至室內，以達到對室內溫度的補償，若因天氣原因導致高功放出口溫度全部引入室內也不能夠使室內溫度達到要求時，室內原有的空調會發揮其制熱功能，實現高功放的恒溫控制。這樣的溫度控制方式可以在大氣環境溫度低于設定溫度的情況下，將空調的啟動運行時間大大縮短。廣播衛星地球站一般有多個功放小室，且均配備有大功率空調，若能夠將空調的使用頻率降低，其節約的電能將相當可觀。且現在電費的收取采用階梯電價，作為一個需要二十四小時不間斷工作的臺站，其電能的使用是非常巨大的，能夠在空調的使用上節約電能是對站內的整體電能節約有重要意義的。

針對于溫度的控制，本系統采用PID 單閉環控制，控制對象為室內風閥，控制熱風排入室內的多少，溫度的設定通過遠程上位機輸入，遠程控制軟件采用昆侖通態（MCGS）作為控制軟件，實現實時監測功能。

5 風壓閥聯動控制

5.1 壓力控制背景

本系統主要創新點在于利用本該排放到空氣中的熱能對功放室的溫度進行補償，節約能源。但在控制過程中存在的一個問題就是需要將高功放排出的熱風進行利用而不可以排出，若不進行相應的排風處理就會影響壓力的平衡。排風管道直接與高功放風扇出風相連，若壓力失衡會造成高功放風壓告警，嚴重的會造成掉高壓，影響節目上行，對于安全播出工作隱患頗大。因此必須保證風壓的平衡。

5.2 壓力控制方式比較

5.2.1 PID 控制方式

優點：PID 控制屬于經典的控制算法，其使用已經非常的成熟，只要選定控制對象與控制量，對其參數進行整定后，其控制要求能夠達到相對完美并且應用靈活，可根據控制對象的不同要求進行自動控制。在本系統中，其控制對象為變頻器，通過對變頻器的控制以實現風機轉速調節來達到風量的控制進而實現壓力恒定控制。

缺點：進風為室外空氣，為冷空氣，會對室內的溫度造成很大的影響，使得進行溫度補償的熱量不足以達到要求，這樣就違背了本系統設計的初衷，失去了本系統設計的意義，因此不能夠采用該控制方式。

5.2.2 風閥控制

優點：與溫度溫度補償控制系統互不干擾，能夠根據溫度控制情況進行跟隨控制，其控制結果反饋也不會對溫度產生影響，完美解決了溫度壓力之間的互相控制干擾問題。

缺點：控制為固定算法，不夠靈活，算法寫在組態軟件中，因運算量較大，其反應較慢，但不影響其使用。

壓力的控制是大慣性控制，其控制難度較大。采用PID算法控制風機風量實現室內壓力平衡，但是本控制系統的主要控制變量為溫度，是為了實現熱能的利用，對功放室進行溫度補償以實現節能的要求，因此必須保證熱風的回風量達到要求。在滿足此基本要求的情況下再考慮壓力的控制，若使用PID 算法對風機風量進行控制，就不能夠滿足基本的控制要求，因此選擇采用以出風口與進風口的聯動控制來保證風量一定，實現壓力的平衡，這樣的話就能首先滿足該系統對于溫度控制的要求，使壓力作為擾動量對于系統的影響降到最低，同時又能夠保證壓力的一定，滿足功放室的環境要求。

綜上所述，選用風壓閥聯動控制最為合適。

5.3 壓力控制——風壓閥聯動控制

功放室新風系統本就有排風閥，只要保證熱風回風量與排風量相一致，就能保證高功放出口風壓恒定。這就需要排風閥與回風閥聯動運行。各個功放室的回風口面積一定，均為400cm×400cm，但排風口的面積不同，DBS 波段的兩個功放室排風口面積為400cm ×800cm，C1 功放室與三個KU 波段的功放室排風口面積為600cm×600cm，C2 功放室排風口面積為500cm×500cm。風量的控制是通過風葉的旋轉來實現的，直觀上觀看與百葉窗相似，所以可以通過旋轉角度來計算其通風面積，只要保證排風與回風的通風面積相同即可。下面就以某一功放室的排風與回風為例推導公式。

首先設回風口的長為x，寬為y。設排風口的長為a，寬為b。如圖1 所示。

在初始狀態時，回風口全開，排風口全關，設回風口關閉角度為α，排風口打開角度為β，回風口通風高度為m，排風口通風高度為n。如圖2 所示。

回風口面積為：

排風口面積為：

圖1

圖2

回風口打開面積為：

排風口打開面積為：

根據示意圖計算：

控制需滿足排風口與回風口通過風量一定，即：

根據以上計算公式可推導出進風口與出風口之間的關系，這樣就能夠保證進出口風量一致，進而對功放室內的壓力進行控制，只要在遠程客戶端中輸入回風口與排風口的面積，系統便會根據該公式進行自動運算。

6 結束語

溫度補償控制能夠在室內溫度低于室外溫度時充分利用設備自身產生的熱量，實現廢棄能源的再利用。將空調的使用頻率降低，節約電能。

風壓閥根據風量一定的原理進行控制在此之前并未在新風系統中被使用過。其公式及控制方式均為自己研究實現，經過實際運行測試，運行穩定可靠。

該系統運行后進行過多次調試，采用過多種控制方式，最終選用PID 控制風閥保證溫度一定，進出口風量一致原理實現風壓閥聯動以實現壓力控制。該系統目前運行穩定，自動控制功能使用便利。