林文才
國家新聞出版廣電總局824臺(以下簡稱“我臺”)的S7HP型1000 kW全固態(tài)中波發(fā)射機系法國Thomson公司生產(chǎn),由三個功率放大模塊柜和并機網(wǎng)絡柜組成。發(fā)射機的熱耗散主要靠水冷系統(tǒng),一小部分由風冷系統(tǒng)排出,剩余部分通過自然對流直接排到機房中。每個功率放大模塊柜都有自己獨立的水冷系統(tǒng),可對射頻放大模塊、高壓整流器和-VINT整流器進行冷卻降溫,確保這些組件處于相對溫度下,才能使發(fā)射機穩(wěn)定運行。原有水循環(huán)監(jiān)測采用的是指針式儀表,觀測不準確,且位于水泵房,值班人員需定時巡機查看水壓和水溫。若水冷系統(tǒng)出現(xiàn)故障,未能及時發(fā)現(xiàn),將造成發(fā)射機封鎖停機,嚴重威脅安全播出工作。為提高發(fā)射機安全播出水平,以及發(fā)射機播出狀態(tài)監(jiān)測能力,本文設計了基于PC機和單片機的水循環(huán)監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)可實時監(jiān)測水循環(huán)的水壓和水溫,并對異常情況發(fā)出語音報警,確保水冷系統(tǒng)正常工作。
該系統(tǒng)由一個PC主機和多個從機(數(shù)據(jù)采集終端)組成,從機包含有水壓(水溫)檢測電路和中央控制器(單片機),系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖如圖1所示。
各從機將發(fā)射機水冷系統(tǒng)的水壓和水溫數(shù)據(jù)進行實時采集與傳送,PC主機可對各從機送來的采集數(shù)據(jù)進行監(jiān)視和記錄,并在計算機屏幕上顯示,從而達到遠程監(jiān)控發(fā)射機水冷系統(tǒng)的目的,對水循環(huán)設備運行過程進行科學管理、預防事故發(fā)生。
PC主機和各從機通過RS485總線進行串行通信,工作方式為半雙工通信,主要的工作流程是:首先PC機輪流訪問各從機,從機接收到主機發(fā)送的命令,然后將采集到的數(shù)據(jù)傳送給主機,主機再將接收到的數(shù)據(jù)在屏幕上顯示并保存。
從機分為四個模塊:CPU模塊、通信模塊、顯示模塊和輸入接口模塊,從機系統(tǒng)組成如圖2所示。輸入接口模塊將水壓(水溫)傳感器輸出的4~20 mA電流信號,轉化為單片機可以識別的電壓信號,即可實現(xiàn)對水循環(huán)設備運行數(shù)據(jù)的采集。顯示模塊由LED指示燈組成,可以顯示從機的工作狀態(tài)。通信模塊采用RS485 MODBUS RTU標準通信協(xié)議,實現(xiàn)PC主機和各從機的數(shù)據(jù)交換。CPU模塊負責采集數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過RS485總線發(fā)送給PC主機。
圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)示意
圖2 從機系統(tǒng)組成圖
在數(shù)據(jù)采集和處理過程中,考慮到傳輸速度和穩(wěn)定性,CPU模塊選用了ATMEL公司生產(chǎn)的8位AVR微處理器Atmega8。
圖3 8位AVR微處理器Atmega8管腳配置圖
CPU模塊如圖3所示,VCC和GND為5V電源端口;XTAL1和XTL2為外部晶體振蕩器輸入端口;PC6和PB3-PB4為MCU-ISP形式軟件寫入端口;PD0和PD1為485串口輸出/輸入端口;PD2為485的輸入/輸出使能端口;PD3為LED指示燈輸出端口;PC0為A/D轉換器模擬量輸入端口;AVCC為A/D 轉換器的電源。
為避免電磁干擾(EMI),提高模擬測量的精度,電路中AVCC通過一個LC網(wǎng)絡與數(shù)字電壓源VCC連接,并在AREF上外加電容,以提高噪聲抑制性能。
單片機Atmega8接入水壓/水溫傳感器,采集數(shù)據(jù),通過內部計算,采用RS485 MODBUS RTU標準通信協(xié)議將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC主機。
通信模塊電路采用低功耗收發(fā)器MAX485,TTL與MAX485兩側的電源與信號通過光耦和雙通道數(shù)字隔離芯片ADUM1201實現(xiàn)隔離,將總線上A接一個上拉電阻,B接一個下拉電阻,上下拉電阻保證在通信過程中A,B線不會因電平差別小而出現(xiàn)亂碼的情況。在485總線的首尾兩端接匹配電阻120Ω,吸收總線上的反射信號,保證485總線的穩(wěn)定性。
模塊充分考慮了485總線防雷設計,在485的發(fā)送端和接收端采用了3個瞬態(tài)電壓抑制器TVS,2個熱恢復保險絲和1個氣體放電管,可以起到很好的抗干擾和防雷的作用,避免雷電對通信網(wǎng)絡的破壞,使485總線更安全。
水壓傳感器采用的是A0B-131小巧型壓力變送器,可以用于石油、化工、冶金、電力、醫(yī)藥衛(wèi)生、釀酒及食品加工等工業(yè)領域,測量液體,氣體和蒸汽的壓力及液位。該變送器采用了擴散硅敏感元件,測量精確,穩(wěn)定性好,抗干擾能力強,適合惡劣使用環(huán)境。主要技術參數(shù)為,測量范圍:0~60 MPA;測量精度:±0.5%FS;輸出信號:4~20 mADA。
水溫傳感器采用的是SBWZ一體化溫度變送器,該變送器安全可靠,使用壽命長,抗干擾能力強,工作原理是熱電偶(熱電阻)產(chǎn)生的熱電勢(電阻)經(jīng)過溫度變送器的電橋產(chǎn)生不平衡信號,經(jīng)放大后轉換成為4~20 mA的直流電信號輸出。主要技術參數(shù)是:測量范圍:0~100 ℃,測量精度:±0.5%FS,輸出信號:4~20 mADA。
傳感器將水壓(水溫)物理量轉換為電流信號,輸入接口模塊將4~20 mA電流轉化0~5 V電壓信號,便于單片機計算。
本系統(tǒng)采用RS485 MODBUS RTU標準通信方式。通信協(xié)議如下:
第一,串行通信的一幀數(shù)據(jù)由1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗位、1位停止位共10位組成。
第二,設置波特率為9 600 bps。為保證數(shù)據(jù)傳送的準確性,單片機和PC主機的波特率必須相同。
第三,數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。
表1 數(shù)據(jù)幀格式
第三,數(shù)據(jù)定義包括以下內容。
地址碼定義:地址范圍為01~FE。功能碼定義:03—讀寄存器,06—寫寄存器。寄存器地址:0000—4~20 mA電流輸入寄存器地址,0064—模塊地址寄存器地址。校驗碼定義:采用CRC16校驗碼。
第五,采集命令過程如下。
發(fā)送:01 03 0000 0001 840A(見表2)
接收:01 03 01 00F2 C9C1(見表3)
第六,模塊地址設置如下。
發(fā)送:01 06 0064 02 B249(將模塊地址01改為02,見表4)
接收:01 06 0064 02 B249(修改成功后返回相同數(shù)據(jù),見表4)
PC主機的界面設計使用編程開發(fā)工具Visual Basic 6.0,數(shù)據(jù)交換使用通信控件MSComm,數(shù)據(jù)的存儲采用數(shù)據(jù)庫Access實現(xiàn)。界面設計如圖4所示,實現(xiàn)的主要功能有:顯示采集終端傳送的水壓和水溫數(shù)據(jù);系統(tǒng)管理:設置告警閾值,對異常值發(fā)出語音告警,設置通信端口號,實現(xiàn)與從機的串行通信;數(shù)據(jù)管理:可查詢存儲的歷史記錄。
從機的軟件編程主要包括定時采集、A/D轉換、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。從機的主程序流程圖如圖5所示。
表2 發(fā)送內容
表3 接收內容
表4 模塊地址設置
圖4 應用程序界面
圖5 從機程序流程圖
該系統(tǒng)已實現(xiàn)了對發(fā)射機水循環(huán)的水溫和水壓數(shù)據(jù)的采集及顯示,已投入使用,今后將進一步完善該平臺,增加監(jiān)測項目,為安全播出工作提供技術保障。
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