符世楠

國(guó)家廣播電視總局2023臺(tái) 海南省 臨高縣 571837

引 言

水冷系統(tǒng)作為發(fā)射機(jī)的重要組成部分，它為發(fā)射機(jī)的末級(jí)電子管、高末槽路線圈及電容進(jìn)行冷卻降溫，為發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。水泵作為水冷系統(tǒng)不可或缺的一部分，它保證了水在水冷系統(tǒng)中的循環(huán)流動(dòng)。BGTB5141 型 100kW 短 波發(fā)射機(jī)的冷卻系統(tǒng)配備有主備兩個(gè)水泵，當(dāng)主泵故障或水流量不足時(shí)，可通過(guò)主備泵切換電路對(duì)水泵進(jìn)行自動(dòng)切換。主備泵切換電路的使用讓發(fā)射機(jī)的水冷系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定可靠，但因?yàn)闊o(wú)法進(jìn)行“二次互投”的缺陷在一定程度上降低了發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1 主備泵切換電路分析

主備泵切換原理如圖1 所示，筆者以小豆開(kāi)關(guān)5S1 撥至下面位置為例，此時(shí)5S1 的兩組接點(diǎn) （1，5） 和 （2，6） 分別導(dǎo)通，“主控合”動(dòng)作后，熱交換器交流接觸器1K4 線包得電，使得其常開(kāi)接點(diǎn)（L4，T4）閉合。當(dāng)熱交換器交流接觸器1K4 接點(diǎn)（L4，T4）閉合后，延時(shí)繼電器5K1 得電 （BGTB5141 型 100kW短波發(fā)射機(jī)設(shè)置延時(shí)繼電器的延時(shí)時(shí)間為3秒），使得其常開(kāi)接點(diǎn)（1，4） 閉合，常閉接點(diǎn) （6，8）斷開(kāi)。當(dāng)延時(shí)繼電器5K1 的（1，4）接點(diǎn)閉合后，交流接觸器5K3 得電，其一組常閉接點(diǎn)（NC21，NC22）斷開(kāi)，三組常開(kāi)接點(diǎn) （1，4）、（2，5）、（3，6）閉合，使得3相380V交流電送至水泵B2，水泵B2（主用水泵）開(kāi)始工作。水泵B2 開(kāi)始工作后，管內(nèi)水流流經(jīng)靶式流量計(jì)5WC1 使得其常開(kāi)接點(diǎn) （O，CK）閉合，此時(shí)115V 控制電源分別經(jīng)交流接觸器5K1 的（1，4） 接點(diǎn)和靶式流量計(jì)的 （0，CK）接點(diǎn)兩條通路同時(shí)使交流接觸器5K3 的線包得電。延時(shí)繼電器5K1 在得電3 秒后，延時(shí)結(jié)束，其常開(kāi)接點(diǎn)（1，4）斷開(kāi)，但由于靶式流量計(jì)5WC1 的接點(diǎn)（0，CK）依然閉合，115V 控制電通過(guò)5WC1 接點(diǎn)送至交流接觸器5K3，使得水泵B2繼續(xù)保持工作。另外，雖然延時(shí)繼電器5K1延時(shí)結(jié)束后其常閉接點(diǎn)（6，8）導(dǎo)通，但是因?yàn)榻涣鹘佑|器5K3線包得電工作，其常閉接點(diǎn)（NC21，NC22）斷開(kāi)，交流接觸器5K2線包無(wú)法得電，水泵B1因此不能得電工作。

水泵B2 故障引起水流量不足時(shí)，靶式流量計(jì)5WC1 常開(kāi)接點(diǎn)（0，CK）斷開(kāi)，交流接觸器5K3 線包失電，其常閉接點(diǎn)（NC21，NC22）閉合，三組常開(kāi)接點(diǎn) （1，4）、（2，5）、（3，6）斷開(kāi)，水泵B2 停止工作。當(dāng)交流接觸器5K3 的常閉接點(diǎn)（NC21，NC22）閉合后，115V控制電源經(jīng)交流接觸器5K1 的常閉接點(diǎn)（6，8）、小豆開(kāi)關(guān)5S1接點(diǎn)（1，5）和交流接觸器5K3 常閉接點(diǎn)（NC21，NC22）使交流接觸器5K2 線包得電，其常閉接點(diǎn)（NC21，NC22）斷開(kāi)，三組常開(kāi)接點(diǎn) （1，4）、（2，5）、（3，6）閉合，使得3相380V交流電送至水泵B1（備用水泵），水泵B1開(kāi)始工作，完成備泵的切換。

在主泵切換至備泵后，如果不將5S1 小豆開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換（即5S1 開(kāi)關(guān)的 （1，5）、（2，6） 接點(diǎn)斷開(kāi)，（1，3）、（2，4）接點(diǎn)閉合），當(dāng)水泵B1 故障引起水流量再次不足時(shí)，此時(shí)交流接觸器5K2 的常閉接點(diǎn) （NC21，NC22）為斷開(kāi)狀態(tài)，靶式流量計(jì)5WC1接點(diǎn)（0，CK）也斷開(kāi)，交流接觸器5K3 線包無(wú)法得電，導(dǎo)致主泵無(wú)法工作，進(jìn)而使發(fā)射機(jī)的水冷系統(tǒng)停止運(yùn)行，使得發(fā)射機(jī)因水溫過(guò)高進(jìn)行“斷高壓”、“斷燈絲”等保護(hù)動(dòng)作。

圖1 主備泵切換原理圖

由此可以看出，當(dāng)水流量過(guò)低導(dǎo)致發(fā)射機(jī)主泵切換至備泵后，發(fā)射機(jī)的主備泵切換電路無(wú)法在水流量再次過(guò)低時(shí)自動(dòng)將備泵切換至主泵使用（即“二次互投”）。

2 改進(jìn)方案

為了解決主備泵切換電路無(wú)法進(jìn)行“二次互投”和日常運(yùn)行維護(hù)中暴露出的一些問(wèn)題，對(duì)電路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)（單片機(jī)是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計(jì)算機(jī)，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)存貯器RAM、程序存貯器ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種I/O接口電路［1］）作為主備泵切換電路的控制核心，省去了通過(guò)交流接觸器對(duì)水泵進(jìn)行邏輯控制的電路，使電路得以簡(jiǎn)化，更加靈活與智能。

為了彌補(bǔ)三相電磁交流接觸器壽命短、動(dòng)作存在滯后性等缺點(diǎn)，使用三相固態(tài)交流接觸器（具有高可靠、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、控制功率小等特點(diǎn)）對(duì)其進(jìn)行替換，進(jìn)一步增加了電路的可靠性，保證了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 電路設(shè)計(jì)

主備泵切換電路改進(jìn)方案整體框架由信號(hào)輸入、信號(hào)輸出、控制、CAN 通信、狀態(tài)指示等5個(gè)模塊組成。如圖2所示。

2.1.1 控制模塊

控制模塊由單片機(jī)及其外圍電路組成。單片機(jī)采用ST 公司STM32F1 系列的單片機(jī)，型號(hào)為STM32F103C8T6，具有高性能、低成本、低功耗、豐富的外設(shè)接口等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 CAN通信模塊

CAN通信模塊由德州儀器公司生產(chǎn)的SN65HVD230D 芯片及其外圍電路組成，用于與CAN總線上的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。例如發(fā)射機(jī)的上位機(jī)可以通過(guò)CAN總線來(lái)控制模塊進(jìn)行水泵切換操作，也可以通過(guò)其了解水泵的使用情況。

2.1.3 信號(hào)輸入模塊

熱交換器1K4 的吸合與斷開(kāi)為單片機(jī)提供水泵上電的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。靶式流量計(jì)為單片機(jī)提供水流量的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。數(shù)字水壓表輸出4～20mA電流信號(hào)，通過(guò)4～20mA 轉(zhuǎn) 0～10V 隔離模塊，將4～20mA 的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～10V 電壓信號(hào)，然后通過(guò)ADS8689 電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字量信息，最后通過(guò)SPI的通信方式將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，供單片機(jī)做數(shù)據(jù)參考。手動(dòng)切換水泵按鈕，它用于提供一個(gè)手動(dòng)切換水泵的功能。

2.1.4 信號(hào)輸出模塊

信號(hào)輸出模塊由光耦隔離電路組成，通過(guò)光耦隔離，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單片機(jī)的輸出信號(hào)的電氣隔離，避免了外部的干擾信號(hào)通過(guò)輸出端口傳入控制電路中。

2.1.5 狀態(tài)指示模塊

狀態(tài)指示模塊由LED指示燈模塊和蜂鳴器模塊組成，LED 指示燈模塊用于主備泵的使用狀態(tài)及故障狀態(tài)的顯示；蜂鳴器模塊用于在電路發(fā)生故障時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，起到提醒作用。

圖2 主備泵切換電路改進(jìn)方案整體框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過(guò)判斷熱交換器交流接觸器1K4 的通斷狀態(tài)，判斷是否需要開(kāi)啟水泵。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到交流接觸器1K4 吸合時(shí)，通過(guò)控制主泵的三相固態(tài)交流接觸器吸合，使主泵上電。主泵上電10秒后，單片機(jī)通過(guò)靶式流量計(jì)和數(shù)字水壓表提供水流量和水壓的數(shù)據(jù)，判斷水泵是否工作正常。

在冷卻系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果單片機(jī)檢測(cè)到靶式流量計(jì)斷開(kāi)且水壓異常時(shí)，先判斷水泵是否已經(jīng)進(jìn)行過(guò)兩次“二次互投”，如果是，則證明水泵或管道出現(xiàn)問(wèn)題，單片機(jī)將控制LED故障燈亮起和蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲進(jìn)行告警。否則，單片機(jī)將通過(guò)主備泵使用標(biāo)志位進(jìn)行水泵的切換。

由于整個(gè)主備泵切換控制電路由多個(gè)模塊組成，若單片機(jī)使用單一線程去處理模塊傳來(lái)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)與數(shù)據(jù)、控制狀態(tài)指示模塊顯示主備泵的使用狀態(tài)及故障狀態(tài)和蜂鳴器通斷、控制輸出模塊輸出相應(yīng)的信號(hào)，這將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率降低，故引入uCOSIII 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。通過(guò)將不同的功能塊分成不同的任務(wù)，這些任務(wù)通過(guò)uCOSIII 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，使得每個(gè)任務(wù)如同同時(shí)進(jìn)行，有效地提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

主備泵切換電路上電后，單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行初始化、ADS8689芯片初始化、uCOSIII 初始化。初始化成功后，創(chuàng)建一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的起始任務(wù)（TaskStart 任務(wù)），任務(wù)調(diào)度后，在這個(gè)起始任務(wù)里創(chuàng)建用戶任務(wù)，用戶任務(wù)創(chuàng)建完后，uCOSIII 系統(tǒng)的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度器將根據(jù)時(shí)間片對(duì)每個(gè)任務(wù)進(jìn)行時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，如圖3所示。

在這個(gè)系統(tǒng)里，根據(jù)需要將用戶任務(wù)分為5個(gè)。

圖3 軟件流程圖

任務(wù)1：負(fù)責(zé)處理輸入的開(kāi)關(guān)量和數(shù)字量信息，將這些信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志。任務(wù)2：根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志顯示主備泵的使用狀態(tài)及故障狀態(tài)和控制蜂鳴器通斷。任務(wù)3：根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志，切換主備泵。任務(wù)4：負(fù)責(zé)CAN總線通信。任務(wù)5：由于單片機(jī)使用了一片型號(hào)為SP706S的看門狗芯片，單片機(jī)需要定時(shí)翻轉(zhuǎn)SP706S 芯片6 腳的電平，即“喂狗”。該任務(wù)為負(fù)責(zé)定時(shí)“喂狗”。

結(jié) 束 語(yǔ)

發(fā)射機(jī)主備泵切換電路的改進(jìn)方案解決了原有主備泵切換電路無(wú)法自動(dòng)進(jìn)行水泵“二次互投”的缺陷，并在此基礎(chǔ)上增加了CAN總線接口，使得外部設(shè)備可以通過(guò)CAN總線控制水泵和了解水泵的使用情況。通過(guò)單片機(jī)的運(yùn)用，使得主備泵切換電路變得更加智能、穩(wěn)定、可靠。