基于固態(tài)發(fā)射機的遠(yuǎn)程老練考機系統(tǒng)分析

陳洲 王十佳

作者簡介：陳洲（1982— ），男，江蘇南京人，工程師，本科；研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)工程化設(shè)計。

摘要：隨著固態(tài)器件的普及，固態(tài)發(fā)射機逐步在高功率微波發(fā)射領(lǐng)域全面替代真空管發(fā)射機。文章以固態(tài)發(fā)射機為研究對象，介紹了其系統(tǒng)組成和考機過程；分析了固態(tài)發(fā)射機在考機過程中的各類風(fēng)險類型，并設(shè)計了針對這些風(fēng)險的緊急故障處理方法。另外，文章以考機過程中涉及的考機指標(biāo)為對象，介紹了一種用于考機風(fēng)險識別的門限設(shè)計和計算方式，該方式可在避免虛警與有效保護之間得到平衡。以一臺固態(tài)發(fā)射機為例，介紹了該固態(tài)發(fā)射機老練考機系統(tǒng)的設(shè)計使用方法。經(jīng)驗證，該方法可有效降低考機風(fēng)險與人力成本，提高老練考機效率。

關(guān)鍵詞：固態(tài)發(fā)射機；老練考機；自動測試系統(tǒng)

中圖分類號：TP319中圖分類號 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0 引言

隨著固態(tài)功率放大器件的不斷普及，如今越來越多發(fā)射機采用固態(tài)放大器作為主要放大單元，利用功率合成或逐級放大等方式代替落后的電子管與真空管放大器。目前，固態(tài)發(fā)射系統(tǒng)在投入使用前，需要經(jīng)過指標(biāo)測試及老練考機試驗。性能指標(biāo)測試存在項目多，測試時間長，數(shù)據(jù)量大等問題，但通過自動測試系統(tǒng)的建立已基本解決，而老練考機試驗是固態(tài)放大器生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，也是提高固態(tài)發(fā)射系統(tǒng)質(zhì)量、減少故障率的重要手段之一，但老練考機試驗的時間動輒幾十小時、上百小時，考機過程中存在各種風(fēng)險，考機環(huán)境惡劣，需要人員長時間值守，對人力資源造成嚴(yán)重浪費，因此，需要開發(fā)一款可以自動處理異常狀況及告警的遠(yuǎn)程考機系統(tǒng)。

1 固態(tài)發(fā)射機組成與考機需求分析

固態(tài)發(fā)射機由電源、放大、激勵、控制和輸出組成，如圖1所示。本文所述固態(tài)發(fā)射機既包括復(fù)雜系統(tǒng)中的固態(tài)發(fā)射子系統(tǒng)，也包括組成復(fù)雜固態(tài)發(fā)射機的組件。因此，一些組件和子系統(tǒng)可能不具備自激設(shè)備、電源系統(tǒng)和獨立的控制系統(tǒng)［1］。

針對固態(tài)發(fā)射機系統(tǒng)組成，考機系統(tǒng)應(yīng)該充分遍歷各系統(tǒng)的功能。以激勵系統(tǒng)為例，若激勵為調(diào)頻信號，則設(shè)備應(yīng)采用掃頻方式在可用頻帶內(nèi)循環(huán)考機；若激勵為調(diào)制信號，則設(shè)備應(yīng)遍歷所有工作比。需要指出的是，固態(tài)發(fā)射機的考機目標(biāo)主要為設(shè)備中大功率輸出的模塊或子系統(tǒng)。若激勵中包含相位編碼功能，則該功能對設(shè)備中的固態(tài)發(fā)射部分——放大系統(tǒng)與電源系統(tǒng)來說，工作狀態(tài)沒有區(qū)別。如為簡化考機系統(tǒng)，可在激勵中去除該功能。總之，固態(tài)發(fā)射機考機系統(tǒng)應(yīng)使固態(tài)發(fā)射機中的涉及固態(tài)發(fā)射輸出的模塊與器件在正常工作模式中可能出現(xiàn)工作狀態(tài)下連續(xù)工作一定的時長。

2 考機風(fēng)險分析

對固態(tài)發(fā)射機，尤其是處于研制狀態(tài)和少量生產(chǎn)的固態(tài)發(fā)射機來說，其考機系統(tǒng)應(yīng)充分考慮考機過程中的各類風(fēng)險。如某些放大器件因為外圍設(shè)備異常造成失效，引起功率合成端的功率失衡；如電源模塊失效導(dǎo)致的系統(tǒng)內(nèi)存在短路；如因設(shè)備內(nèi)某部分存在溫度過高造成的設(shè)備損壞等。對固態(tài)發(fā)射機來說，出現(xiàn)上述故障不僅會導(dǎo)致設(shè)備或考機系統(tǒng)的損壞，造成經(jīng)濟損失，還存在高壓觸電、爆炸和失火的風(fēng)險。因此，選擇設(shè)備工作狀態(tài)異常的判據(jù)和設(shè)計緊急停機的異常處理功能對于固態(tài)發(fā)射機考機系統(tǒng)是非常必要的。

考機系統(tǒng)為避免人力浪費，應(yīng)考慮自動告警與緊急故障處理。關(guān)于異常狀態(tài)的判定將于本文3.2中進行討論，而緊急故障處理方法可以分為切斷激勵法和斷電法。

對于僅出現(xiàn)在放大系統(tǒng)內(nèi)部，可以采用切斷激勵的方法，如圖2所示。若設(shè)備為自激類型，應(yīng)在自激模塊后設(shè)置開關(guān)，考機系統(tǒng)可以通過控制該開關(guān)達(dá)到切斷激勵的目的。對于出現(xiàn)短路的故障，應(yīng)采取切斷電源的方法。對電源系統(tǒng)的切除既可以處在設(shè)備的電源系統(tǒng)與放大系統(tǒng)之間設(shè)置開關(guān)完成，也可以直接切斷外部能源與電源系統(tǒng)直接的聯(lián)系。對于一些低壓大電流設(shè)備，可以考慮采用斷路器與真空開關(guān)，對珍貴設(shè)備的保護還可采用選相的方法切斷電流［2］。

3 考機指標(biāo)測量與響應(yīng)

3.1 考機指標(biāo)

為了考機過程中的安全考慮，設(shè)置考機指標(biāo)是非常必要的。例如設(shè)備的輸入電流、輸出功率的異常都可作為停止考機的判據(jù)。考機過程會遍歷系統(tǒng)所有的工作狀態(tài)，為了提高效率，也可以將系統(tǒng)的檢驗過程并入考機，在考機過程中對需要驗收的指標(biāo)進行記錄。考機系統(tǒng)為保證系統(tǒng)的可靠性并減少虛警，應(yīng)盡可能地合并相關(guān)指標(biāo)、減少監(jiān)測指標(biāo)、減少硬件以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性；應(yīng)用考機指標(biāo)作為風(fēng)險措施的判據(jù)時，應(yīng)設(shè)置多階段、多門限以避免考機過程因一些小的擾動頻繁斷電、保護或重啟。

通常，考機系統(tǒng)的開發(fā)與搭設(shè)應(yīng)該同步于產(chǎn)品或者設(shè)備的研發(fā)。在確定特定考機對象的考機指標(biāo)時，應(yīng)充分參考設(shè)備的設(shè)計指標(biāo)。所有的質(zhì)量指標(biāo)都應(yīng)納入考機指標(biāo)內(nèi)，如輸出功率、功率因數(shù)、頻譜質(zhì)量、相位等。考機過程中這些數(shù)據(jù)的變化充分反映了產(chǎn)品的質(zhì)量與特性，是后期質(zhì)量分析的重要依據(jù)；早期批次的考機數(shù)據(jù)也有助于產(chǎn)品設(shè)備的設(shè)計改進和完善。考機指標(biāo)中應(yīng)包含必要的安全指標(biāo)，如輸入電流、一些關(guān)鍵位置如功率合成部件等的溫度、除濕機和散熱系統(tǒng)等保障系統(tǒng)的濕度溫度等關(guān)鍵指標(biāo)等。

3.2 指標(biāo)監(jiān)測

考機系統(tǒng)指標(biāo)監(jiān)測應(yīng)采用高可靠性、可耐長時間工作的傳感器，對安全指標(biāo)監(jiān)測的傳感器應(yīng)兼顧高采集率和準(zhǔn)確率以避免虛警和漏報［3］。其中采集的模擬信號，或?qū)?yīng)電子型號的傳感器，考慮到傳輸過程中的損耗和干擾，應(yīng)在考機平臺就近設(shè)計MCU集中數(shù)據(jù)，與具有通信功能的儀表如功率計、頻譜儀等通過GPIB、光纖等方式連接工控機，如圖3所示。同時可通過光纖、無線等方式連接遠(yuǎn)程監(jiān)控面板或上位機，達(dá)到遠(yuǎn)程考機監(jiān)控的目的。

有些待考機設(shè)備具有高頻、高壓的特點，對傳感器通信提出了特別要求。其中高頻干擾會對數(shù)字通信有較大影響，而高壓大電流設(shè)備尤其是瞬時大電流會將地線電勢拉高，當(dāng)考機平臺與設(shè)備共地時通信會受到較大影響。當(dāng)設(shè)計安全指標(biāo)監(jiān)測的傳感器外圍電路時，應(yīng)考慮與設(shè)備地線分開，同時應(yīng)采取一定的屏蔽措施，如設(shè)置鐵盒、通線處采用磁珠屏蔽等。也可考慮在傳感器就近處設(shè)計硬件電路完成門限監(jiān)測，輸出不易受到干擾的穩(wěn)定高低電平代替模擬信號或數(shù)字信號，或可直接采用光纖通信避免通信干擾。

3.3 告警與故障數(shù)據(jù)處理

在考慮考機過程中異常處理設(shè)計時，通常通過對安全指標(biāo)設(shè)置門限，當(dāng)指標(biāo)達(dá)到門限時，進行異常處理手段動作的方式。該方式對安全指標(biāo)的監(jiān)測傳感器要求較高，同時單一安全指標(biāo)數(shù)據(jù)的異常即會引起虛警，導(dǎo)致考機中斷；一些異常處理手段為不可重復(fù)或破壞性動作，造成較大損失，可以采取歐式幾何的方式［4］，將各指標(biāo)合成。假設(shè)有指標(biāo)a，b，c，d…，其中指標(biāo)a的額定值為a1，上限為a2。將測量值做a=a-a1a2-a1的標(biāo)幺化處理，同時所有指標(biāo)都進行相同計算，最后，對所有指標(biāo)l=a2+b2+c2+…做合成化處理。通過計算可知，任意指標(biāo)達(dá)到門限時，l都將大于1，若此時將l值大于1設(shè)置為合成指標(biāo)的門限，任意單指標(biāo)達(dá)到門限或指標(biāo)較大都會觸發(fā)異常處理手段。若將l值門限設(shè)置稍大于1，將有效避免虛警。需要指出的是，這些指標(biāo)也可以是非安全性指標(biāo)。如指標(biāo)f，g…為普通運行指標(biāo)，首先通過上述標(biāo)幺化處理后，可以通過對其加權(quán)l(xiāng)=a2+b2+c2+…+αf2+βg2+…做合成化處理。通過合理的指標(biāo)權(quán)重與門限設(shè)置，可以使避免虛警與有效保護得到平衡。

在考慮考機過程中風(fēng)險措施的判據(jù)時，加權(quán)指標(biāo)相較于單指標(biāo)更具優(yōu)勢。通常在安全事故發(fā)生的情境中，一些指標(biāo)的輕微改變不會觸發(fā)單指標(biāo)的閾值，而這些輕微的指標(biāo)偏離在多指標(biāo)加權(quán)后會更加明顯，因此可以更早地發(fā)現(xiàn)故障。為了消除虛警，可以同時采取兩種指標(biāo)。以加權(quán)指標(biāo)設(shè)立一個相對嚴(yán)格閾值，該閾值觸發(fā)后不會停止考機，而是會采取相對溫和的措施，如提高采樣率、增加采集指標(biāo)如溫度、限流等，如故障進一步發(fā)展并觸發(fā)單指標(biāo)閾值，再采取切斷激勵、斷電等保護措施。從加權(quán)指標(biāo)閾值觸發(fā)到單指標(biāo)閾值觸發(fā)階段的考機數(shù)據(jù)可以更好地表征故障發(fā)生初時設(shè)備的運行狀況，且限流等措施也可以防止故障惡化。

4 考機案例分析

4.1 系統(tǒng)組成

選取一款典型的固態(tài)發(fā)射機進行驗證，該發(fā)射機主要由冷卻系統(tǒng)、功放系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、分配合成系統(tǒng)組成，具備遙控開關(guān)機功能和BIT功能，可上報故障信號和功率指示信號，具有一定的保護功能。

考機系統(tǒng)主要由老練數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和自行開發(fā)的自動測試系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要包括溫度采集模塊、流量采集模塊、開關(guān)機控制模塊、電流采集模塊、通信模塊。自動測試系統(tǒng)主要有工控機極其控制軟件、信號源、功率計、頻譜儀、示波器等儀表設(shè)備組成，基于C#程序通過GBIP對儀表設(shè)備進行控制為發(fā)射機提供激勵信號以及指標(biāo)的測試。并通過485總線將數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)進行采集。通過CAN總線收集發(fā)射系統(tǒng)BIT信息，如圖4所示。

4.2 考機風(fēng)險與監(jiān)測

在本案例中，考機風(fēng)險主要有兩個：4︰1功率合成器4個合成接口采用的硬連接，裝配要求極高。考機老練過程中，存在打火的風(fēng)險。由于打火情況出現(xiàn)在連接處內(nèi)部，無法直接及時發(fā)現(xiàn)打火情況。但打火發(fā)生時一般伴隨打火嘯叫聲、打火處溫度快速升高等情況；采用水冷散熱的固態(tài)發(fā)射機非常依賴外循環(huán)水的流量穩(wěn)定，若出現(xiàn)外循環(huán)水供水流量減小導(dǎo)致發(fā)射組件中散熱差時，對溫度敏感的功率放大管壽命會大大減少甚至立即燒壞。

針對以上考機風(fēng)險，須采集的指標(biāo)包括合成器的4個合成口進行溫度、冷卻系統(tǒng)外循環(huán)水流量及溫度、內(nèi)循環(huán)水溫度以及設(shè)備總電流。其中溫度傳感器采用鉑電阻、流量采用渦輪傳感器、電流采用電流鉗采集。考機風(fēng)險措施由三步組成：當(dāng)考機風(fēng)險指標(biāo)觸發(fā)閾值時，首先通過自動考機系統(tǒng)檢測BIT功能識別危險類型，并通過設(shè)備的遙控開關(guān)機功能控制設(shè)備關(guān)機；若關(guān)機失敗，則自動考機系統(tǒng)控制設(shè)備激勵——信號發(fā)生器斷開激勵信號；若激勵信號斷開后指標(biāo)仍惡化，則控制斷路器工作，斷開設(shè)備總電源。

4.3 安全指標(biāo)門限設(shè)計

依據(jù)3.3所介紹方法，設(shè)計考機合成指標(biāo)，首先，合成器口打火故障的特點主要為兩個：合成器口溫度的絕對值或相互之間的差值過大。依據(jù)該特點，4個合成器口溫度分別記為a1、a2、a3、a4，計算出4個溫度的平均值a-′=a1+a2+a3+a44和差值a′·=Max{|ai-aj||i，j=1，2，3，4}平均，依據(jù)設(shè)備特性，對其進行標(biāo)幺化處理，計算出標(biāo)幺化后的a-與a·。其次組件發(fā)熱主要有兩種特征，內(nèi)循環(huán)水箱水溫高和外循環(huán)水流量低，其中前者為結(jié)果后者為原因，兩者相關(guān)且短時間內(nèi)水溫升高量不明顯，內(nèi)循環(huán)水箱水溫記為b1，室溫記為b2，外循環(huán)水流量記為d。設(shè)計指標(biāo)b′=b2-b1d，對其標(biāo)幺化后得到溫度流量指標(biāo)b。該指標(biāo)可以有效地衡量水箱水溫因外循環(huán)水流量降低所造成的溫升。同時將水箱水溫進行標(biāo)幺化處理，記為b·1。設(shè)備總電流記為c，若其多次采樣結(jié)果都超出閾值，則可排除干擾等因素，判定設(shè)備出現(xiàn)短路故障。計算連續(xù)三次電流采樣的平均值c-′=Max{ci+ci-1+ci-23|i=1，2，3，4……}，并通過標(biāo)幺化處理為c-。

綜合上述指標(biāo)，設(shè)計考機風(fēng)險判據(jù)為l=a-2+a·2+b2+b·12+c-2，其閾值設(shè)置為1.1。當(dāng)觸發(fā)閾值后，考機系統(tǒng)將激活考機風(fēng)險措施及光聲報警并通過上位機呼叫人員處理。

另外根據(jù)端口打火時升溫迅速的特點，采樣得到某一時刻合成器1端口的溫度加速度a1t=T1（t+1）－T1（t－1）9t2，其中t為溫度采樣周期，T為某一時刻合成器端口溫度，當(dāng)合成器端口出現(xiàn)打火時，其對應(yīng)的溫度加速度將出現(xiàn)短暫的連續(xù)上升，且遠(yuǎn)超其他3個合成器端口。將以上因素綜合考慮，得出合成器端口1相較于其他3個合成器端口溫度加速度的差值a-1（t）=a－a2（t）+a3（t）+a4（t）3。p=∑tt－9q，q=1，a1t＞0｜a1（t）＞00，其他，該式計算鄰近的9個采樣周期中合成器端口溫度上升，且高于其余3個端口平均的個數(shù)，若p≥7，則判定該端口存在打火現(xiàn)象。通過端口的溫度加速度可以快速及時地發(fā)現(xiàn)端口打火問題，避免大功率打火造成的損失。

4.4 上位機設(shè)計

除風(fēng)險判斷與處理外，考機平臺上位機監(jiān)測如圖5所示，考機系統(tǒng)上位機還可對考機中的儀表設(shè)置、考機流程、考機指標(biāo)等實時顯示，并可遠(yuǎn)程更改儀表設(shè)置、遙控考機開關(guān)等。

5 結(jié)語

本文以固態(tài)發(fā)射機為研究對象，首先介紹了其系統(tǒng)的組成，分析了考機需求及考機風(fēng)險類型，并介紹了幾類處理固態(tài)發(fā)射機考機故障的方法，考機過程中指標(biāo)的選取與監(jiān)測方法以及通過考機指標(biāo)判別考機風(fēng)險的方法，并針對考機過程中存在的虛警與漏報問題，通過采用合成指標(biāo)方法有效降低考機故障的虛警與漏報，在避免虛警與有效保護方面得到平衡。通過該方法實現(xiàn)考機系統(tǒng)的自動化、遠(yuǎn)程化，提高老練考機系統(tǒng)及設(shè)備的安全性、可靠性，改善老練考機的環(huán)境，減少人力資源的投入。本文通過一例工程實踐，從系統(tǒng)組成、考機風(fēng)險判別、安全門限指標(biāo)選取到系統(tǒng)設(shè)計的流程介紹了該方案的使用方法和實用性。

參考文獻(xiàn)

［1］王衛(wèi)華，江元俊，賈中璐.固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機的關(guān)鍵技術(shù)［J］.電子科學(xué)技術(shù)評論，2005（1）：27-33.

［2］劉北陽，李志兵，趙子瑞，等.高壓斷路器電磁類型操動機構(gòu)的位移跟蹤技術(shù)研究［J］.高壓電器，2021（9）：9-18.

［3］黃寒硯，顏國歡.固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機實驗平臺的構(gòu)建與應(yīng)用［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2017（3）：1-3.

［4］賈波，劉福，雷正偉，等.自動測試系統(tǒng)計量策略及指標(biāo)確立準(zhǔn)則研究［J］.儀表技術(shù)，2010（7）：65-66，71.

（編輯 李春燕）

Abstract： With the popularity of solid-state devices， solid-state transmitters gradually replace vacuum tube transmitters in the field of high-power microwave transmission. This paper takes the solid-state transmitter as the research object，firstly， introduces its system composition and burn-in process， analyzes several risk types of the solid-state transmitter in burn-in process， and designs emergency fault treatment methods for these risks. Then this paper analyzes the selection and calculation methods of the burn-in indicators involved in the test proces.Threshold design and calculation method for burn-in riskidentification is introduced.This methodcan be balanced between avoiding false alarm and effective protection. Finally， taking a solid-state transmitter as an example， the design and application method ofthe solid-state transmitter burn-in system is introduced. It is proved that this method can effectively reduce the risk and labor cost of burn-in progress and improve the efficiency of brun-in system.

Key words： solid-state transmitter; proficiency test machine; automatic test system