S7HP型发射机水循环监测系统研究

2018-03-27林文才

西部广播电视 2018年4期

林文才

国家新闻出版广电总局824台（以下简称“我台”）的S7HP型1000 kW全固态中波发射机系法国Thomson公司生产，由三个功率放大模块柜和并机网络柜组成。发射机的热耗散主要靠水冷系统，一小部分由风冷系统排出，剩余部分通过自然对流直接排到机房中。每个功率放大模块柜都有自己独立的水冷系统，可对射频放大模块、高压整流器和-VINT整流器进行冷却降温，确保这些组件处于相对温度下，才能使发射机稳定运行。原有水循环监测采用的是指针式仪表，观测不准确，且位于水泵房，值班人员需定时巡机查看水压和水温。若水冷系统出现故障，未能及时发现，将造成发射机封锁停机，严重威胁安全播出工作。为提高发射机安全播出水平，以及发射机播出状态监测能力，本文设计了基于PC机和单片机的水循环监测系统，该系统可实时监测水循环的水压和水温，并对异常情况发出语音报警，确保水冷系统正常工作。

1 系统设计

该系统由一个PC主机和多个从机（数据采集终端）组成，从机包含有水压（水温）检测电路和中央控制器（单片机），系统组网示意图如图1所示。

各从机将发射机水冷系统的水压和水温数据进行实时采集与传送，PC主机可对各从机送来的采集数据进行监视和记录，并在计算机屏幕上显示，从而达到远程监控发射机水冷系统的目的，对水循环设备运行过程进行科学管理、预防事故发生。

PC主机和各从机通过RS485总线进行串行通信，工作方式为半双工通信，主要的工作流程是：首先PC机轮流访问各从机，从机接收到主机发送的命令，然后将采集到的数据传送给主机，主机再将接收到的数据在屏幕上显示并保存。

2 硬件设计

从机分为四个模块：CPU模块、通信模块、显示模块和输入接口模块，从机系统组成如图2所示。输入接口模块将水压（水温）传感器输出的4～20 mA电流信号，转化为单片机可以识别的电压信号，即可实现对水循环设备运行数据的采集。显示模块由LED指示灯组成，可以显示从机的工作状态。通信模块采用RS485 MODBUS RTU标准通信协议，实现PC主机和各从机的数据交换。CPU模块负责采集数据，并将数据通过RS485总线发送给PC主机。

图1 系统组网示意

图2 从机系统组成图

2.1 CPU模块

在数据采集和处理过程中，考虑到传输速度和稳定性，CPU模块选用了ATMEL公司生产的8位AVR微处理器Atmega8。

图3 8位AVR微处理器Atmega8管脚配置图

CPU模块如图3所示，VCC和GND为5V电源端口；XTAL1和XTL2为外部晶体振荡器输入端口；PC6和PB3-PB4为MCU-ISP形式软件写入端口；PD0和PD1为485串口输出/输入端口；PD2为485的输入/输出使能端口；PD3为LED指示灯输出端口；PC0为A/D转换器模拟量输入端口；AVCC为A/D 转换器的电源。

为避免电磁干扰（EMI），提高模拟测量的精度，电路中AVCC通过一个LC网络与数字电压源VCC连接，并在AREF上外加电容，以提高噪声抑制性能。

单片机Atmega8接入水压/水温传感器，采集数据，通过内部计算，采用RS485 MODBUS RTU标准通信协议将获取的数据发送给PC主机。

2.2 通信模块

通信模块电路采用低功耗收发器MAX485，TTL与MAX485两侧的电源与信号通过光耦和双通道数字隔离芯片ADUM1201实现隔离，将总线上A接一个上拉电阻，B接一个下拉电阻，上下拉电阻保证在通信过程中A，B线不会因电平差别小而出现乱码的情况。在485总线的首尾两端接匹配电阻120Ω，吸收总线上的反射信号，保证485总线的稳定性。

模块充分考虑了485总线防雷设计，在485的发送端和接收端采用了3个瞬态电压抑制器TVS，2个热恢复保险丝和1个气体放电管，可以起到很好的抗干扰和防雷的作用，避免雷电对通信网络的破坏，使485总线更安全。

2.3 输入接口模块

水压传感器采用的是A0B-131小巧型压力变送器，可以用于石油、化工、冶金、电力、医药卫生、酿酒及食品加工等工业领域，测量液体，气体和蒸汽的压力及液位。该变送器采用了扩散硅敏感元件，测量精确，稳定性好，抗干扰能力强，适合恶劣使用环境。主要技术参数为，测量范围：0～60 MPA；测量精度：±0.5%FS；输出信号：4～20 mADA。

水温传感器采用的是SBWZ一体化温度变送器，该变送器安全可靠，使用寿命长，抗干扰能力强，工作原理是热电偶(热电阻)产生的热电势(电阻)经过温度变送器的电桥产生不平衡信号，经放大后转换成为4～20 mA的直流电信号输出。主要技术参数是：测量范围：0～100 ℃，测量精度：±0.5%FS，输出信号：4～20 mADA。

传感器将水压（水温）物理量转换为电流信号，输入接口模块将4～20 mA电流转化0～5 V电压信号，便于单片机计算。

3 程序设计

3.1 通信协议

本系统采用RS485 MODBUS RTU标准通信方式。通信协议如下：

第一，串行通信的一帧数据由1位起始位、8位数据位、无奇偶校验位、1位停止位共10位组成。

第二，设置波特率为9 600 bps。为保证数据传送的准确性，单片机和PC主机的波特率必须相同。

第三，数据帧格式如表1所示。

表1 数据帧格式

第三，数据定义包括以下内容。

地址码定义：地址范围为01～FE。功能码定义：03—读寄存器，06—写寄存器。寄存器地址：0000—4～20 mA电流输入寄存器地址，0064—模块地址寄存器地址。校验码定义：采用CRC16校验码。

第五，采集命令过程如下。

发送：01 03 0000 0001 840A（见表2）

接收：01 03 01 00F2 C9C1（见表3）

第六，模块地址设置如下。

发送：01 06 0064 02 B249（将模块地址01改为02，见表4）

接收：01 06 0064 02 B249（修改成功后返回相同数据，见表4）

3.2 PC主机程序设计

PC主机的界面设计使用编程开发工具Visual Basic 6.0，数据交换使用通信控件MSComm，数据的存储采用数据库Access实现。界面设计如图4所示，实现的主要功能有：显示采集终端传送的水压和水温数据；系统管理：设置告警阈值，对异常值发出语音告警，设置通信端口号，实现与从机的串行通信；数据管理：可查询存储的历史记录。