大功率短波发射机水温自动控制系统的设计和实现

吕连灿

（国家广播电视总局二0 二二台 新疆维吾尔自治区喀什地区 844000）

由于国内大部分大功率短波发射机无独立控制单个冷凝器风机运行的设计，难以满足发射机温度调控需求，需要通过操作人员根据发射机运行状态手动启停相应数量的风机，使水温保持在合理范围。但因人工判断调整运行风机个数，随意性大，误差率高，对安全播音构成严重威胁，通过对水冷却系统的评估，结合水冷系统控制特点、线路结构等因素，对水冷却系统进行设计改造，增加水温监测设备，根据水温的变化自动控制风机的运行个数，保持水温始终工作在合理范围，实现远程智能监控、远程手动控制等功能，满足实际安全播音的需要。

1 水温自动控制原理分析

大功率短波发射机水冷却使用的散热冷凝器安装有四个独立风机，由发射机控制系统对其进行“启/停”控制，在发射机处于全灯丝以上状态时四个冷却风机全部投入运转。

特别是在冬季外部环境温度较低时，利用传统原有的设计无法满足发射机的温度控制要求，即通过冷凝器室的环境温度控制。需要一种针对发射机水温的实时监测分析系统，同时对冷凝器风机的运行个数进行控制。未改造前，一直是由值班人员根据发射机的运行状态和温度变化来人为判断并且操控风机的“启/停”，这一系列的操作不仅增加了值班员的工作量，而且对安全播音构成严重威胁。

根据实际需求分析，决定在冷凝器进水管处安装水温监测装置，将取样的温度值送到PLC 进行判断处理，计算得出某个风机“启/停”的具体指令，同时进行动作，保持发射机水温工作在合理范围。控制流程图如图1 所示。

图1：控制流程图

2 软硬件设备的准备

2.1 硬件设备准备

（1）监测发射机水温变化情况，决定在每部发射机冷凝器的进水口处设置一监测点，并安装测量范围在-40℃到60℃的水温监测探头，输出0—10mA 电流信号，能够比较准确的监测到水温的大小和变化情况。

（2）安装温度变送器将测量到的水温电流信号转换成可传送的标准化输出信号，便于控制系统的测量和控制。

（3）选择使用2 部CPU 为SR60 的西门子S7-200 SMART 的PLC，并扩展2 块EM AM06 的模拟信号输入模块，组成PLC 控制核心，上述配置设备总计有72 个数字信号输入点、48 个数字信号输出点、8 个模拟信号输入点，完全满足机房8 部发射机32 个风机控制、32 个运行监测、8 个温度检测的设计需要（剩余输入输出点作为备份和扩展）；该型号PLC 使用220V 交流输入电源，继电器型输出，带负载能力强、具有较强的抗干扰能力，满足大功率发射机房的使用需求。

（4）选择使用以太网通信接口，配合1 台小型交换机和4 台光电转换器，能方便的连接到远程控制室的监控PC端。

2.2 开发系统软件准备

（1）使用STEP 7- Micro/WIN SMART 编程组态软件进行编程，该软件支持 LAD（梯形图）， STL（语句表），FBD（功能块图）编程语言，部分语言之间可以自由转换，软件自身为人机交互打下了良好的基础，使得开发更加高效。

（2）使用MCGS 组态软件快速构造和生成发射机水温自动控制的监控系统，完成控制模式切换、水温监测显示、风机运行控制和监测、水温范围和风机运行个数的设定等功能的开发，实现智能化监测、控制、管理。

3 控制电路的设计与改造

3.1 加装水温传感器

在冷凝器的进水管上设置一监测点，垂直打孔至管内，竖直安装一根直径为1CM、长度为15CM 的单端开口铜管，将另一密闭端伸入到进水管内，从开口端将温度探头伸入放置，加入导热硅脂增加导热效果，同时方便于温度探头的更换和调整；用红蓝黑三芯线连接到温度变送器，保障水温测量的准确性。

3.2 改造发射机冷凝器控制电路

原机设计为四个风机同时“启/停”，因考虑到此设计存在缺陷，无法满足温度控制要求，在不改变原机控制逻辑的基础上，将统一控制改为单个分别控制。在原风机控制电路中的热跳继电器后面，增加空气开关和接触器。分别 为FS110、KM110、FS120、KM120、FS130、KM130、FS140、KM140；增设手动/自动控制电路。在手动控制状态下，可操作启停按钮对相应风机进行控制；在自动控制状态下，可根据设定好的温度范围和实际温度自动控制中间继电器K11、K12、K13、K14 的吸合，从而控制相应数量风机的运转，控制原理图和实际接线控制柜如图2 所示。

图2：控制原理图

3.3 PLC控制系统原理与接线

一号冷凝器室中的PLC（1）控制C01—C04 机16 台风机的“启/停”，输入电源1M 点接24V 的负极，数字输入端子I0.0-I0.3 接KM110-KM140 的常开点，I0.5、I0.6、I0.7、I1.0 接KM210-KM240 的常开点,I1.2-I1.5 接KM310-KM340 的常开点，I1.7、I2.0、I2.1、I2.2 接KM410-KM540的常开点,用于检测风机的运行状态；1L、2L、3L、4L 点接24V 的正极，数字输出端子Q0.0-Q0.3 接K11-K14 的线包，数字输出端子Q1.0-Q1.3 接K21-K24 的线包, 数字输出端子Q2.0-Q2.3 接K31-K34 的线包，数字输出端子Q3.0-Q3.3 接K41-K44 的线包,用于控制风机的启停；4 个温度变送器输出信号分别接至AM06 扩展模块的（0+，0-）、（1+，1-）、（2+，2-）、（3+，3-）模拟输入端子，AM06 将输入的4-20mA电流信号转换为数字量，即把C01—C04 机的水温信号送入PLC（1）进行显示和处理，如PLC 控制和通信连接原理图所示。

二号冷凝器室中的PLC（2）控制C05—C06 机，输入电源1M 点接24V 的负极，数字输入端子I0.0-I0.3 接KM510-KM540 的常开点，I0.5、I0.6、I0.7、I1.0 接KM610-KM640 的常开点,I1.2-I1.5 接KM710-KM740 的常开点，I1.7、I2.0、I2.1、I2.2 接KM810-KM840 的常开点,用于检测风机的运行情况；1L、2L、3L、4L 点接24V 的正极，数字输出端子Q0.0-Q0.3 接K51-K54 的线包，数字输出端子Q1.0-Q1.3 接K61-K64 的线包, 数字输出端子Q2.0-Q2.3 接K71-K74 的线包，数字输出端子Q3.0-Q3.3 接K81-K84 的线包,用于控制风机的启停；4 个温度变送器输出的4-20mA信号分别接至AM06 扩展模块的（0+，0-）、（1+，1-）、（2+，2-）、（3+，3-）模拟输入端子，AM06 将输入的4-20mA电流信号转换为数字量，即把C05—C08 机的水温信号送入PLC（2）进行显示和处理。

分别用网线把两部PLC 的RJ45 口和光电转换器的RJ45口相连接，用光纤连接到远程控制室的光电转换器，再与交换机相连，实现控制室与远程两个冷凝器室的通信。PLC 控制和通信连接原理图如图3 所示。

图3：PLC 控制和通信连接原理图

4 水温自动控制软件系统的设计与实现

4.1 PLC编程设计

根据实时发射机水温监控需求，在PLC 编程的算法思路上，分别建立模拟量输入和温度转换模块、温度分析控制模块、控制模式模块以此把输入的4-20mA 电流信号转换成温度大小，并根据温度的大小、变化和实际风机的运行个数来控制四个输出量，从而调整风机的运行状态，使水温达到设定的范围。

（1）设置硬件组态：在STEP 7- Micro/WIN SMART 编程组态软件中添加SR60 和AM06 设备组态参数；

（2）规划制定符号表：按照编程需求建立温度显示、风机运行状态、温度设置、风机控制等符号表，方便程序的编写并增加可读性；

（3）水温处理：添加Scale 模拟量转换库，设置模拟量转换的参数，转换出实际的水温；

（4）控制模式设置：建立本地控制、远程自动控制操作和监控；

（5）风机自动运行控制：以C01 机为例，在远程自动控制模式下，当测量水温C01SW 小于设置温度C01_SZWD1 时，延时20 秒后Q0.0-Q0.3 全部复位，不输出控制信号，停止所有风机；当测量水温C01SW 大于C01_SZWD1 小于C01_SZWD2 时，延时20 秒后Q0.0 置位输出控制信号，Q0.1 至Q0.3 复位，1 号风机运转、2-4 号风机停止；当测量水温C01SW 大于C01_SZWD2 小于C01_SZWD3 时，延时20 秒后Q0.0 和Q0.1 置位输出控制信号，Q0.2 和Q0.3复位，1 号和2 号风机运转，3 号和4 号风机停止；当测量水温C01SW 大于C01_SZWD3 小于C01_SZWD4 时，延时20 秒后Q0.0 至Q0.2 置位输出控制信号，Q0.3 复位，1号至3 号风机运转，4 号风机停止；当测量水温C01SW 大于C01_SZWD4 小于C01_SZWD5 时，延时20 秒后Q0.0 至Q0.3 置位输出控制信号，4 个风机全部运转；当测量水温C01SW 大于C01_SZWD5 时，延时20 秒后Q0.0 至Q0.3 置位输出控制信号，4 个风机全部运转；在远程手动控制模式下，设置了单个风机的手动启停控制。增加计时器是为了防止风机频繁启停操作而缩短风机的使用寿命。

（6）故障报警：设置了温度低限和高限报警，提醒值班员采取其它措施来保持温度在正常范围。

4.2 MCGS组态软件编程设计

分析冷凝器风机控制系统实际需求，在MCGS 中规划建立控制模式、温度显示、风机运行状态显示、手动控制风机操作、自动控制温度设置、故障报警等功能模块。具体设计过程如下：

4.2.1 MCGS 连接PLC

设置本地电脑IP 地址为192.168.1.100，通过交换机和光电转换器查找连接左右冷凝器室的两个PLC，通过设备窗口中的设备管理添加两个西门子200SMART 的通信模块，分别设置添加PLC 通信IP 为192.168.1.2 和192.168.1.3，连接正常后检查连接的数据对象表与PLC中的符号表相对应。

4.2.2 运行参数设置

添加16 个手动/自动按钮，分别连接C01_SDKZ、C02_SDKZ、C03_SDKZ、C04_SDKZ、C05_SDKZ、C06_SDKZ、C07_SDKZ、C08_SDKZ 和C01_ZDKZ、C02_ZDKZ、C03_ZDKZ、C04_ZDKZ、C05_ZDKZ、C06_ZDKZ、C07_ZDKZ、C08_ZDKZ 变量，按钮进行“取反”操作来设置控制方式；

添加8 个长方形，分别连接C01_KZZT、C02_KZZT、C03_KZZT、C04_KZZT、C05_KZZT、C06_KZZT、C07_KZZT、C08_KZZT 等8 个变量，并填充灰紫两色进行连接手动/自动两种控制方式，用于显示8 部发射机的控制方式；

添加40 个长方形输入框，来设置水温的上下限，以CO1 机为例，分别对应连接C01_SZWD1、C01_SZWD2、C01_SZWD3、C01_SZWD4、C01_SZWD5 等5 个数据对象，与实际水温C01SW 进行比较后自动控制四个风机的启停操作。

4.2.3 主控窗口设置

添加主控窗口，在该窗口中分别添加8 个标签框，分别 连 接C01SW、C02SW、C03SW、C04SW、C05SW、C06SW、C07SW、C08SW 变量，用于显示8 部发射机的实际水温；同时8 个标签框的底色与发射机温度超限变量C01_WDGJ、C02_WDGJ、C03_WDGJ、C04_WDGJ、C05_WDGJ、C06_WDGJ、C07_WDGJ、C08_WDGJ 相连接，当某部发射机水温超高或者超低时相应标签框的底色变成高亮红色，正常范围为白色。

添加32 个圆形框， 以CO1 机为例， 分别连接C01_1ZT、C01_2ZT、C01_3ZT、C01_4ZT 等32 个变量，并填充红绿两色进行连接运行停止两种状态，用于显示8 部发射机各个风机的运行状态；

添加64 个启动和停止按钮，用于32 个风机的启停，以CO1 机为例，8 个按钮分别连接C01_1QD、C01_1TZ、C01_2QD、C01_2TZ、C01_3QD、C01_3TZ、C01_4QD、C01_4TZ 变量，按钮进行按1 松0 操作来启停对应的风机；

添加32 个风机图像，用于32 个风机的启停动画指示，以CO1 机为例，4 个风机图像分别连接C01_1ZT、C01_2ZT、C01_3ZT、C01_4ZT 变量，图像进行动画“可见度”连接来反映4 个风机运行停止的动画指示；

再添加其它发射机号、风机号、冷凝器号、方框、线条等，进行合理规划布局，即组成了风机控制的主控画面。

5 使用方法和使用效果

该系统在实际使用时可根据季节环境变化设定水温度控制阈值与控制模式，可实时监控风机运行状态、发射机温度等数据，如发现异常可及时远程手动处理。

该系统是经过充分调研、反复论证，充分考虑了机房发射机运行状态、冷凝器冷却效果、值班维护实际情况而在原机设计的基础上进行的技术革新。提升了水温控制的精度，大大减少了冷凝器风机的频繁手动操作，减轻了值班员的劳动强度、提高了冷却效果，合理利用电能，节约了能源，改善了发射机的运行环境，极大的保障了发射机的稳定运行，完全满足发射机房安全播音的实际需要。该系统的设计理念和方法有较强的推广价值和意义，为无线事业和安全播音工作提供优质的运行保障。