發(fā)射機(jī)冷卻風(fēng)扇實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

阮 翔

（國(guó)家廣播電視總局 八三一臺(tái)，浙江 金華 321100）

0 引 言

短波發(fā)射機(jī)工作時(shí)元器件會(huì)散發(fā)大量的熱量，如果不能及時(shí)將這些熱量排出或帶走，則溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致元器件性能下降甚至燒毀。風(fēng)冷在150 kW發(fā)射機(jī)和其他類型的發(fā)射機(jī)中應(yīng)用較為廣泛，但目前對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)的檢測(cè)只是在高周冷卻風(fēng)道和低周模塊冷卻風(fēng)道上使用風(fēng)接點(diǎn)的方式進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于其他部分的風(fēng)冷監(jiān)測(cè)大多只采用定期檢查的方法[1]。實(shí)際工作中，這會(huì)給設(shè)備安全和播出安全帶來(lái)隱患，因此必須提高對(duì)發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)可靠性的重視，以更好地保障播出安全。

1 背景和必要性

150 kW發(fā)射機(jī)的主要冷卻方式有風(fēng)冷和水冷，其中對(duì)高周以及PSM模塊吹風(fēng)主要采用風(fēng)接點(diǎn)的方式進(jìn)行檢測(cè)，而對(duì)于高末變壓器、400 V電源以及油負(fù)載等發(fā)熱量大的元器件采用的是軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行吹風(fēng)冷卻。150 kW 短波發(fā)射機(jī)中部分使用軸流風(fēng)機(jī)冷卻實(shí)物如圖1所示[2]。機(jī)房高末變壓器和A8套箱等都因過(guò)熱而損壞過(guò)，由于這些風(fēng)機(jī)的安裝位置等因素，工作人員日常巡機(jī)時(shí)若不打開(kāi)機(jī)箱門則不容易了解風(fēng)機(jī)是否正常運(yùn)行。有些風(fēng)機(jī)在機(jī)箱門打開(kāi)后會(huì)停止運(yùn)行，如油負(fù)載及400 V的風(fēng)扇等，這時(shí)要查看風(fēng)扇是否正常就需要在短接門開(kāi)關(guān)的情況下進(jìn)行合機(jī)保等操作。

圖1 150 kW短波發(fā)射機(jī)中部分使用軸流風(fēng)機(jī)冷卻實(shí)物圖

2 方案的確定

由于高頻干擾和安裝位置等因素的影響，目前很少有機(jī)房能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻風(fēng)扇[3]。根據(jù)相關(guān)資料，對(duì)于冷卻風(fēng)扇的監(jiān)測(cè)可以采用接觸法和非接觸法，接觸法分為電壓和電流的監(jiān)測(cè)，非接觸法包括風(fēng)量測(cè)量法和轉(zhuǎn)速測(cè)量法等[4]。電壓電流監(jiān)測(cè)法可以測(cè)出風(fēng)扇的好壞，但無(wú)法很好地檢測(cè)轉(zhuǎn)速和風(fēng)量。由于短波發(fā)射機(jī)范圍內(nèi)常有高頻干擾，因此對(duì)非接觸法中包含的測(cè)試方法和傳感器要求較高。經(jīng)過(guò)多次研究和測(cè)試，確定了利用激光反射特性并結(jié)合脈沖計(jì)數(shù)的方法，這樣既能在高頻環(huán)境中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確計(jì)數(shù)，還能滿足發(fā)射機(jī)的經(jīng)濟(jì)性實(shí)際需求。確定使用有6個(gè)中斷口的MEGA2560 Pro主控板作為系統(tǒng)平臺(tái)，在芯片內(nèi)寫(xiě)入程序，對(duì)采集到的各路脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和匯總，并通過(guò)串口輸送到上位機(jī)[5]。

3 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，利用激光的反射特性，比較了Arduino和STM32等開(kāi)發(fā)板的適用性后，自行編寫(xiě)開(kāi)發(fā)了冷卻風(fēng)扇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。圖2（a）和（b）為使用Arduino和STM32編寫(xiě)測(cè)速程序的部分代碼。

圖2 測(cè)速程序的部分代碼截圖

本次測(cè)速考慮到發(fā)射機(jī)的高頻干擾而采用非接觸方法，需要使用芯片的外部中斷口。MEGA2560 Pro外部中斷的引腳有6個(gè)，分別為2（interrupt 0）、3（interrupt 1）、18（interrupt 5）、19（interrupt 4）、20（interrupt 3）以及21（interrupt 2）（見(jiàn)圖3）[6]。STM32F103則根據(jù)引腳序號(hào)的不同將眾多中斷觸發(fā)源分成不同的組，比如PA0、PB0、PC0、PD0、PE0、PF0以及PG0為第一組，那么依此類推一共有16組。STM32規(guī)定每一組同一時(shí)間只能有一個(gè)中斷觸發(fā)源工作，因此最多同時(shí)工作的是16個(gè)外部中斷[7]。對(duì)于STM32F103來(lái)說(shuō)，在同一個(gè)板子上EXTI 0～4有4個(gè)獨(dú)立的中斷服務(wù)函數(shù)，EXTI 5～9共用1個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)，EXTI 10～14共用1個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)，EXTI 15使用1個(gè)中斷函數(shù)，共7個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)，即最多同時(shí)7個(gè)中斷口（見(jiàn)圖4）。

圖3 MEGA2560 Pro引腳功能圖

圖4 STM32F103C8T6引腳圖

對(duì)該系統(tǒng)而言，STM32F103比MEGA2560 Pro能用的外部中斷引腳只多了一個(gè)。實(shí)際高頻測(cè)試結(jié)果顯示，STM32F103的精確度和頻率均低于MEGA2560 Pro，而且其外圍電路上也比MEGA2560Pro復(fù)雜，因此選擇MEGA2560 Pro作為系統(tǒng)的主控芯片[8]。

數(shù)據(jù)到達(dá)上位機(jī)后，在上位機(jī)編寫(xiě)程序設(shè)定每個(gè)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速范圍，在風(fēng)速低于或高于這一范圍時(shí)可確定風(fēng)扇異常并告警，檢修人員可以根據(jù)軟件提示對(duì)相應(yīng)的風(fēng)扇進(jìn)行檢修處理。上位機(jī)自動(dòng)化平臺(tái)中風(fēng)扇的相關(guān)設(shè)置如圖5所示。

圖5 上位機(jī)自動(dòng)化平臺(tái)中風(fēng)扇的相關(guān)設(shè)置

4 安裝和應(yīng)用

系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)主要由激光傳感系統(tǒng)和芯片控制系統(tǒng)組成，上位機(jī)有單獨(dú)的風(fēng)扇監(jiān)測(cè)軟件（圖6），并且已經(jīng)在發(fā)射機(jī)單機(jī)自動(dòng)化平臺(tái)中引入（圖7）[9]。

圖6 上位機(jī)中單獨(dú)編寫(xiě)的冷卻風(fēng)扇實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件

圖7 發(fā)射機(jī)單機(jī)自動(dòng)化平臺(tái)中引入風(fēng)扇監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

上位機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示各路風(fēng)扇的運(yùn)行情況，并在發(fā)生風(fēng)扇運(yùn)行異常時(shí)及時(shí)報(bào)告故障情況和風(fēng)扇位置，并進(jìn)行記錄[10]。下位機(jī)則負(fù)責(zé)各個(gè)風(fēng)扇的測(cè)量傳導(dǎo)，并在芯片上收集、測(cè)算、匯集以及傳輸數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 利用MEGA2560 Pro主控板進(jìn)行焊接

以國(guó)家廣播電視總局八三一臺(tái)的150 kW短波發(fā)射機(jī)為例，使用冷卻風(fēng)扇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的位置有6處，分別是高末變壓器風(fēng)扇1處、油負(fù)載變壓器風(fēng)扇2處、400 V電源風(fēng)扇1處、腔體風(fēng)扇1處以及A8套箱風(fēng)扇1處，分別用不同的數(shù)值范圍對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，數(shù)據(jù)有效可靠。對(duì)400 V電源風(fēng)扇進(jìn)行激光測(cè)速的實(shí)際安裝如圖9所示[11]。

圖9 對(duì)400 V電源風(fēng)扇進(jìn)行激光測(cè)速的實(shí)際安裝

5 結(jié) 論

冷卻系統(tǒng)對(duì)短波發(fā)射機(jī)極為重要，發(fā)射機(jī)冷卻風(fēng)扇實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)填補(bǔ)了目前在高頻干擾下對(duì)冷卻風(fēng)扇實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面的空白，利用此系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各冷卻風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除隱患，更好地保障發(fā)射機(jī)設(shè)備安全和播出順利進(jìn)行。此外，該系統(tǒng)在可以利用非接觸方式測(cè)速的環(huán)境中均能發(fā)揮應(yīng)有的作用，其數(shù)據(jù)采集精確且可靠性高，使用效果良好，值得推廣和使用。