地球站功放室环境自动控制系统——风压阀联动控制

张慧敏

国家广播电视总局呼和浩特地球站 内蒙古 呼和浩特市 010050

1 引 言

广播卫星地球站作为广播电视行业中的一个重要传输单位，承担有中央三台的上行任务。保障节目优质零秒上行为工作中的重中之重。

卫星上行地球站的主要上行设备有解复用器、调制器、上变频器、高功放、卫星天线等，其中上变频器与高功放均放置在功放小室中，每一个功放室中至少有一套上行系统，个别功放室内有两套上行系统，均承担有上行业务。广播卫星地球站承担的业务为二十四小时不间断播音，设备需一直连续运行，工作强度大，虽然都为专业设备，可也必须保证其工作环境能够达到要求。地球站机房均为一类机房，其环境要求如表1 所示：

表1 一类机房环境标准

新风系统的设计已经相对成熟，在本文中对于其基本功能不做介绍，只介绍其根据广播卫星地球站的特殊性而针对性设计部分。主要有温度补偿控制与风压阀联动控制两部分。

2 系统建设背景

2.1 系统建设意义

卫星上行地球站中上变频器与高功放均属于精密仪器，对环境要求非常严格。尤其是高功放，它作为实现功率放大的设备，在工作期间会产生大量的热量，因此需要大量的风循环来对其内部进行降温，进风口为室温空气，在高功放中循环后将设备产生的热量携带出去，以达到给高功放降温的目的。高功放正常工作时进口温度需控制在20℃，出口温度可达到50℃甚至更高。高功放进口吸入的空气为室内空气，所以必须保证室内的环境温度能够满足要求。若室内温度过高，不能实现给高功放降温的效果，高功放温度过高则会影响高功放正常运行甚至会造成掉高压。

高功放作为卫星上行系统中对功率进行放大的设备，其作用异常重大，一旦高功放掉高压，一整个系统将无功率输出，造成转发器空载的严重播出事故。同时高功放运行时也必须保证其微正压，一旦检测到负压情况也可能会产生掉高压的现象。因此必须保证高功放的工作环境达到要求，一但出现故障，会对安全播出产生重大影响。

2.2 原控制系统简介

最初功放室并未采用自动控制，只是通过新风系统引入室外空气，对引入空气进行过滤，使空气洁净，温度控制依靠于两台大功率空调实现。后进行自动化改造，实现的环境情况的实时监测与报警，让一线值班员能够在远程实时地了解到功放室的环境情况，但缺少自动控制部分。

3 系统设计创新点

功放室环境自动控制系统其主要功能有远程监控报警，恒温控制，恒压控制等。监测系统在本文中不做赘述，主要介绍本系统中的设计创新点。

3.1 温度补偿控制

在本次新风系统设计时，考虑到高功放排出大量热量，而在冬天还需要空调加温实现室内温度的恒定，这样的情况是对热能的严重浪费，如果能将这个热量作为温度补偿将会减轻空调的运行强度，实现节约电能的目的。

3.2 风压阀联动控制

本系统创新点有利用本该排放到空气中的热能对功放室的温度进行补偿，节约能源。但在控制过程中存在的一个问题就是需要将高功放排出的热风进行利用而不可以排出，若不进行相应的排风处理就会影响压力的平衡。排风管道直接与高功放风扇相连，若压力失衡会造成高功放风压告警，严重的会造成掉高压，影响节目上行，对于安全播出工作隐患颇大。因此必须保证风压的平衡。

压力的控制与温度的控制互为干扰，如何解决两者之间的平衡问题为本系统设计的重大难点，经过长时间的运行测试，最终选择了风压阀的联动控制。该控制方式并未在其他新风系统中使用过，是根据某一卫星地球站功放室的实际情况为实现节能控制的主要诉求而设计的。

4 系统设计

4.1 系统主体介绍

整个新风系统的作用有温度控制，压力控制，保证室内空气洁净度，远程监测报警，历史数据查询等功能，其主要有送风风机，通过变频器实现风机风量的控制；高功放出口，室内排风口均安装有风阀，实现对风量的控制。整个系统运行情况为：变频器频率控制有手自动两种控制模式，手动控制模式为人工输入固定频率进行控制，自动控制采用分段区间式控制，根据不同温度区间设定不同的控制频率，温度控制区间设置较大，一般为5℃甚至更大。不论变频器为那种控制方式，均不会在短时间内产生变化，其变化周期按天来计算，因此在实时的自动控制系统中，其变化量可忽略不计，认为其为固定量。

4.2 温度补偿控制

温度控制其控制对象为高功放排风口风阀，高功放出口排出空气为热空气，在室内温度达不到要求温度时打开风阀将热空气排至室内，以达到对室内温度的补偿，若因天气原因导致高功放出口温度全部引入室内也不能够使室内温度达到要求时，室内原有的空调会发挥其制热功能，实现高功放的恒温控制。这样的温度控制方式可以在大气环境温度低于设定温度的情况下，将空调的启动运行时间大大缩短。广播卫星地球站一般有多个功放小室，且均配备有大功率空调，若能够将空调的使用频率降低，其节约的电能将相当可观。且现在电费的收取采用阶梯电价，作为一个需要二十四小时不间断工作的台站，其电能的使用是非常巨大的，能够在空调的使用上节约电能是对站内的整体电能节约有重要意义的。

针对于温度的控制，本系统采用PID 单闭环控制，控制对象为室内风阀，控制热风排入室内的多少，温度的设定通过远程上位机输入，远程控制软件采用昆仑通态（MCGS）作为控制软件，实现实时监测功能。

5 风压阀联动控制

5.1 压力控制背景

本系统主要创新点在于利用本该排放到空气中的热能对功放室的温度进行补偿，节约能源。但在控制过程中存在的一个问题就是需要将高功放排出的热风进行利用而不可以排出，若不进行相应的排风处理就会影响压力的平衡。排风管道直接与高功放风扇出风相连，若压力失衡会造成高功放风压告警，严重的会造成掉高压，影响节目上行，对于安全播出工作隐患颇大。因此必须保证风压的平衡。

5.2 压力控制方式比较

5.2.1 PID 控制方式

优点：PID 控制属于经典的控制算法，其使用已经非常的成熟，只要选定控制对象与控制量，对其参数进行整定后，其控制要求能够达到相对完美并且应用灵活，可根据控制对象的不同要求进行自动控制。在本系统中，其控制对象为变频器，通过对变频器的控制以实现风机转速调节来达到风量的控制进而实现压力恒定控制。

缺点：进风为室外空气，为冷空气，会对室内的温度造成很大的影响，使得进行温度补偿的热量不足以达到要求，这样就违背了本系统设计的初衷，失去了本系统设计的意义，因此不能够采用该控制方式。

5.2.2 风阀控制

优点：与温度温度补偿控制系统互不干扰，能够根据温度控制情况进行跟随控制，其控制结果反馈也不会对温度产生影响，完美解决了温度压力之间的互相控制干扰问题。

缺点：控制为固定算法，不够灵活，算法写在组态软件中，因运算量较大，其反应较慢，但不影响其使用。

压力的控制是大惯性控制，其控制难度较大。采用PID算法控制风机风量实现室内压力平衡，但是本控制系统的主要控制变量为温度，是为了实现热能的利用，对功放室进行温度补偿以实现节能的要求，因此必须保证热风的回风量达到要求。在满足此基本要求的情况下再考虑压力的控制，若使用PID 算法对风机风量进行控制，就不能够满足基本的控制要求，因此选择采用以出风口与进风口的联动控制来保证风量一定，实现压力的平衡，这样的话就能首先满足该系统对于温度控制的要求，使压力作为扰动量对于系统的影响降到最低，同时又能够保证压力的一定，满足功放室的环境要求。

综上所述，选用风压阀联动控制最为合适。

5.3 压力控制——风压阀联动控制

功放室新风系统本就有排风阀，只要保证热风回风量与排风量相一致，就能保证高功放出口风压恒定。这就需要排风阀与回风阀联动运行。各个功放室的回风口面积一定，均为400cm×400cm，但排风口的面积不同，DBS 波段的两个功放室排风口面积为400cm ×800cm，C1 功放室与三个KU 波段的功放室排风口面积为600cm×600cm，C2 功放室排风口面积为500cm×500cm。风量的控制是通过风叶的旋转来实现的，直观上观看与百叶窗相似，所以可以通过旋转角度来计算其通风面积，只要保证排风与回风的通风面积相同即可。下面就以某一功放室的排风与回风为例推导公式。

首先设回风口的长为x，宽为y。设排风口的长为a，宽为b。如图1 所示。

在初始状态时，回风口全开，排风口全关，设回风口关闭角度为α，排风口打开角度为β，回风口通风高度为m，排风口通风高度为n。如图2 所示。

回风口面积为：

排风口面积为：

图1

图2

回风口打开面积为：

排风口打开面积为：

根据示意图计算：

控制需满足排风口与回风口通过风量一定，即：

根据以上计算公式可推导出进风口与出风口之间的关系，这样就能够保证进出口风量一致，进而对功放室内的压力进行控制，只要在远程客户端中输入回风口与排风口的面积，系统便会根据该公式进行自动运算。

6 结束语

温度补偿控制能够在室内温度低于室外温度时充分利用设备自身产生的热量，实现废弃能源的再利用。将空调的使用频率降低，节约电能。

风压阀根据风量一定的原理进行控制在此之前并未在新风系统中被使用过。其公式及控制方式均为自己研究实现，经过实际运行测试，运行稳定可靠。

该系统运行后进行过多次调试，采用过多种控制方式，最终选用PID 控制风阀保证温度一定，进出口风量一致原理实现风压阀联动以实现压力控制。该系统目前运行稳定，自动控制功能使用便利。