TSW2500型500 kW發射機智能水箱控制系統研究與設計

鄧曉霞

（國家廣播電視總局2022臺，新疆 喀什 844000）

作為超大功率短波發射機，TSW2500型500 kW發射機配備的兩極電子管射頻功率放大器等設備具有較高穩定性，可以降低系統故障發生幾率，確保輸出功率穩定。但在長期運行的過程中末極電子管板將產生較大熱輻射，需要采用水冷卻方式實施強制降溫，從而維持該部件的熱平衡。而配備的水冷卻系統屬于封閉系統，依靠水箱及時補水維持水流循環，因此需加強智能水箱控制系統研究，以便通過提供發射機所需冷卻水保證設備安全、穩定運行。

1 TSW2500型500 kW發射機水箱控制問題

從發射機水流循環過程來看，通過儲水箱將水加入到冷卻水系統后，水流將通過頂部水管進入到各射頻級進水口，流經各支路時將設備元器件產生的熱量帶走，出水經過冷凝器后回到水箱，完成一個水流循環。受水蒸騰因素的影響，在水箱液位較低時需要及時補水，以免因冷卻水量不足影響冷卻效果，導致發射機因電子管板過熱而出現停機問題。但依靠人員確認水箱液位和完成補水操作容易受人為因素的影響，在炎熱季節也將面臨頻繁補水問題，大大增加了發射機播出事故發生幾率。此外，對電子管板進行冷卻，要求水溫不超50℃，一旦溫度過高將觸發繼電保護裝置，通過斷開相關電源避免設備受損。因此在水箱補水過程中，需要對水箱發射機入口水溫進行控制，同樣容易受到人為干預，造成冷卻系統運行效果存在一定不確定性。為解決這些問題，需要完成智能水箱控制系統設計，引入自動化技術進行水箱改造，通過監測液位和水溫完成水箱自動補水控制，保證供水可靠的同時，使發射機運行達到“無人值守”效果，實現保證播音安全和減少人力浪費的雙重目標。

2 TSW2500型500 kW發射機智能水箱控制系統

2.1 系統結構

研發智能水箱控制系統，結合以往經驗來看可以選用繼電器、單片機或PLC控制方式。相比較而言，采用繼電器實現球閥接觸控制將產生較高能耗，同時接線復雜，造成系統故障率較高。采用PLC控制方式能夠通過編程實現各種控制功能，但應用于小型控制項目上成本較高，因此多應用于流水線、大型設備上[1]。采用單片機控制方式成本較低，可以通過連接擴展電路實現各種控制功能，要求合理完成控制系統結構設計。結合發射機水箱液位和水溫控制需求，最終決定選用STM32單片機設計水箱控制系統。從系統結構上來看，如圖1所示，包含數據采集模塊、電源模塊、溫度控制模塊、自動補水模塊和人機交互觸摸屏幾個部分。其中，數據采集模塊用于對水箱液位、發射機入口水溫等數據進行采集，傳遞至單片機進行處理后可以生成相應的控制指令，達到實時監控液位和水溫的目的，繼而實現水箱的自動補水[2]。通過觸摸屏顯示液位、水溫等信息，能夠滿足人員管理需求。

圖1 發射機智能水箱控制系統結構圖

2.2 工作原理

從系統工作原理上來看，發射機配備儲水箱和冷卻水箱兩個水箱，前者用于供水，后者用于實現純凈水冷卻。儲水箱出水口直接連接冷卻系統入水口，入口位置應連接水泵，根據實時監測液位確定是否啟動電磁閥進行水箱補水。在儲水箱中布置壓力傳感器，用于對水箱液位變化進行監測，采集到的信號經過低通濾波器處理后，能夠去除干擾，經過放大器放大后完成A/D轉換，傳送至系統單片機中進行處理，經運算后獲得液位數值[3]。在確定水箱達到設定的低液位標準時，將啟動電磁閥進行補水。檢測發現水箱處于高液位后，系統將關閉電磁閥，從而維持液位動態平衡。自來水經過冷凝器冷卻后將進入到冷卻水箱，出水口連接發射機入水口，為保證發射機入水口水溫達到電子管板冷卻要求，需要配備溫度傳感器進行水溫檢測，發現水溫過高時發出報警信號，并啟動溫控設備進行水溫調節，保證冷卻水溫低于發射機入水口水溫要求。在整個控制過程中，系統針對各水箱設置有電磁閥啟停按鈕和報警器，在系統發生故障造成水箱液位或水溫達到規定值以下時將啟動報警器，從而增強系統的可靠性。

3 TSW2500型500 kW發射機智能水箱控制系統設計

3.1 硬件設計

3.1.1 單片機模塊

系統選用STM32F103單片機作為核心微處理器，可知芯片采用ARM CortexM3芯片，頻率可達72 MHz，包含144個引腳，能夠達到較高運行速率，確保各種數據得到快速處理，并及時生成控制指令，滿足液位和水溫實時控制要求。單片機擁有512 kB的Flash，用于存儲程序，內存RAM為64 kB，能夠為在線編程提供支持[4]。在數據存儲方面，可以使用16位后備存儲器進行數據保存，保證系統掉電后不會出現數據丟失問題。在外接電路上，芯片工作電流為+3.3 V直流電源，包含重復電路和晶體振蕩電路。芯片擁有強大功能和較低功耗，因此能夠滿足水箱“無人值守”控制要求，體現系統智能化特點。

3.1.2 數據采集模塊

在水箱液位、水溫等數據測量和傳輸方面，由于發射機功率較大，控制系統處于高頻環境中，要求設計的電路具有較強的抗干擾能力，以便達到較高控制精度要求。數據采集模塊由壓力傳感器、溫度傳感器、濾波放大電路、A/D轉換電路等硬件構成。其中，壓力傳感器長期處于水中，需要選用由不銹鋼密封外殼和無油硅壓力芯體構成的設備，配備紅黑電源線和白色測量線，能夠完成水壓檢測，測量范圍在0~5 V之間，精度能夠達到0.01 V[5]。在與單片機連接時，設計DO、DI、CS和CLK 4條數據線，在芯片通信時均選擇雙向數據接口，并確認DI和DO不同時工作，通過并聯在同根數據線上使用。溫度傳感器選用DS18B20芯片，利用不銹鋼管封裝，在-10℃~85℃范圍內檢測精度能夠達到±0.5℃，采用數字傳輸方式，具有較強抗干擾性。溫度傳感器芯片為3腳PR-35封裝，包含64位光刻ROM、寄存器、傳感器和報警觸發器等部分，DO端與5 kΩ上拉電阻連接，最大電流能夠達到1 mA。模塊濾波放大電路設計為Sallen-key二階低通有源電路，核心器件為LM324。模數轉換電路選用ADC0832芯片，能夠達到8位分辨率，可以在32μs內完成數據轉換，并通過雙通道完成數據校驗，保證數據快速、準確傳輸。

3.1.3 自動補水模塊

從自動補水模塊構成上來看，包含水泵驅動電路、報警電路等結構。通過單總線協議對傳感器發送的數據進行讀取后，單片機將根據壓力和液位關系完成數據運算，見表1，得到液位實時測量結果，并與設定值進行對比，生成相應控制指令。在水泵驅動電路設計上，采用由發光二極管和光敏二極管構成的光耦合器進行水泵繼電器開閉控制。在液位低于液位下限值時，將進行低電平信號輸出，經過緩沖器到達發光二極管陰極，產生的亮光促使光敏二極管發出電流信號，通過繼電器驅動電機供水。在液位達到上限時，單片機輸出高電平，光耦合器不導通，促使電機停轉。在系統出現故障時，可能出現不停補水或不補水等情況，導致液位超出最高或最低限值，單片機將通過控制報警器輸出高低電平促使蜂鳴器報警。在電路設計上，選用BEEP芯片與單片機連接，在輸出高電平時使三極管導通，能夠激活蜂鳴器，在輸出低電平時可以中斷三極管，使蜂鳴器停止工作。此外，在水箱補水過程中，需要在發射機冷卻系統進水端布置三通電動閥與手動閥并聯，平時處于開啟狀態，在系統處于高液位告警時說明可能存在漏水或補水過多等問題，閥門將會關閉，以免設備受損。而在系統失靈的情況下，可以現場切換手動閥將進水端關閉。

表1 壓力傳感器輸出值與液位關系表

3.1.4 溫度控制模塊

設計溫度控制模塊，在單片機完成傳感器傳輸數據運算后，與發射機入口水溫進行比較，可知設定的溫度范圍在25℃~45℃之間。根據預設溫度，單片機可以輸出不同端口值對冷凝器繼電器進行控制，通過調節繼電器電流大小調節冷卻水溫度。如在溫度低于下限時，可以控制冷凝器停止工作，以防設備和管路因水溫過低而受損。而在溫度超出上限時，可以增大繼電器電流促使冷凝器加速運行，達到降低發射機入口水溫的目標。利用單片機引腳輸出高低電平，能夠實現繼電器控制，同時采取相同方式實現報警模塊輸出控制。考慮到“無人值守”問題，利用RS323方式將單片機與GSM模塊連接，在系統發出報警后，GSM模塊發送AT指令，促使模塊向設定的移動設備號碼發送短信，向遠程端人員傳遞報警信息，提醒人員及時處理。

3.1.5 電源模塊

系統電源模塊由變壓器、穩壓器、整流橋電路構成，通過變壓器將220 V交流電轉變為5 V交流電后，通過整流橋電路完成交直流轉換，輸出5 V直流電。通過穩壓器可以將5 V直流電降至3.3 V，為單片機供電。在整流橋和穩壓器之間，使用電容進行濾波，增強電路抗干擾能力，確保輸出電壓穩定。

3.1.6 觸摸屏

系統觸摸屏選用MCGS，配備4核CPU，主頻為1 GHz，屬于嵌入式一體化設備，擁有超高性能。觸摸屏的分辨率能夠達到1024×600，電磁屏蔽性良好，能夠避免受發射機信號干擾。通過連接單片機，可以對單片機傳遞的液位、溫度等數據進行分析和處理，以圖形方式進行數據可視化顯示。

3.2 軟件設計

系統軟件可以劃分為上位機和下位機兩部分，下位機主要用于實現水箱液位和入口水溫的測量控制，需要完成單片機軟件編程，上位機則為系統人機交互觸摸屏，需要完成組態程序編寫。

實際在系統軟件設計方面，可以利用Keil uVision4軟件完成單片機程序的編寫，然后下載到單片機實現各模塊功能電路控制，確保不同模塊功能得以實現。從系統主程序來看，系統程序開始運行時需要先對各器件、端口進行初始化處理，然后對各檢測電路信號進行讀取，完成相關數據顯示。在檢測發現相關數值無法達到設定要求時，系統將發出相應控制指令，如果能夠達到設定要求將處于待機模式，完成水位等參數的實時監測。以水箱液位控制程序設計為例，如圖2所示，單片機在上電后將完成壓力傳感器的初始化，然后向傳感器發送ROM指令，促使其進行液位檢測。根據檢測到的信號，單片機能夠判斷液位是否達到設定上限值或下限值，然后進行水泵啟停控制。在系統工作過程中，也將實時顯示液位信息，在液位超出報警限值時判定水泵工作存在異常情況，并發出報警。按照類似流程，能夠完成系統數據采集程序、溫度控制程序等各子程序段編寫，系統可以通過調取對應程序完成數據處理和指令輸出。

圖2 系統液位控制程序圖

觸摸屏組態程序用于完成液位等數據讀取，并通過數據處理生成相應畫面。從系統界面構成上來看，包含主界面、實時顯示界面、報警界面等。通過系統啟動窗口，能夠進入主界面，然后在主界面上選擇需要進入的窗口，完成相關數據設定。如進入液位控制窗口，可以設置液位上限和下限值，為系統完成控制指令運算奠定基礎。在實時顯示界面，將展示系統實時監測到的液位、發射機入口水溫等信息，可以根據曲線圖確定水箱液位變化情況，也能調取歷史數據獲得各時段液位變化信息。在報警界面可以查看系統曾經產生的報警信息，根據報警時間和相關描述對系統故障進行分析和判斷，及時完成設備修復。

3.3 仿真測試

為確定系統功能是否可以順利實現，需要采用MATLAB軟件進行仿真分析，直接在PC機上完成系統程序模擬運行，對系統全部控制程序開展仿真測試。在測試過程中，壓力傳感器輸出模擬信號在0~5 V之間，可以完成對應液位數值范圍轉換。對智能水箱控制過程進行模擬，設定水箱液位正常在5~23 cm之間，在檢測到的數值低于5 cm時需要進行補水，超出23 cm立即停止補水。在報警值設定方面，在檢測數值達到3 cm或25 cm時發出報警。從水溫控制角度來看，在水溫低于20℃或高于50℃時系統將發出對應報警信號。從仿真測試結果來看，各繼電器、電磁閥和報警器均能完成對應動作，并且系統可以達到較高靈敏度，因此能夠為發射機安全、穩定運行提供保障。將系統投入使用，只需要簡單編程就能完成多個發射機的水箱監控，確保儲水箱的水位和發射機入口水溫始終處于規定范圍內，無須人員每小時巡視和手動補水，充分展現系統智能化水平。

4 結束語

水箱可靠供水是大功率發射機穩定運行的基礎條件，水量不足或水溫過高等問題發生將引發設備停機。設計智能水箱控制系統，結合水溫、液位控制要求完成系統各部分功能模塊設計，做好系統硬件選型和軟件設計，能夠保證系統按照設定單片機程序進行水箱自動補水和發射機入水口水溫調節，并在系統發生故障時及時發出報警，為提高發射機自動化監管水平提供支持，從而有效預防播出事故發生。