发射机冷却风扇实时监测系统开发与应用
2021-07-02阮翔
阮 翔
（国家广播电视总局 八三一台，浙江 金华 321100）
0 引 言
短波发射机工作时元器件会散发大量的热量，如果不能及时将这些热量排出或带走，则温度过高会导致元器件性能下降甚至烧毁。风冷在150 kW发射机和其他类型的发射机中应用较为广泛，但目前对风冷系统的检测只是在高周冷却风道和低周模块冷却风道上使用风接点的方式进行检测，对于其他部分的风冷监测大多只采用定期检查的方法[1]。实际工作中，这会给设备安全和播出安全带来隐患，因此必须提高对发射机冷却系统可靠性的重视，以更好地保障播出安全。
1 背景和必要性
150 kW发射机的主要冷却方式有风冷和水冷，其中对高周以及PSM模块吹风主要采用风接点的方式进行检测，而对于高末变压器、400 V电源以及油负载等发热量大的元器件采用的是轴流风机进行吹风冷却。150 kW 短波发射机中部分使用轴流风机冷却实物如图1所示[2]。机房高末变压器和A8套箱等都因过热而损坏过，由于这些风机的安装位置等因素，工作人员日常巡机时若不打开机箱门则不容易了解风机是否正常运行。有些风机在机箱门打开后会停止运行，如油负载及400 V的风扇等，这时要查看风扇是否正常就需要在短接门开关的情况下进行合机保等操作。
图1 150 kW短波发射机中部分使用轴流风机冷却实物图
2 方案的确定
由于高频干扰和安装位置等因素的影响，目前很少有机房能实时监测冷却风扇[3]。根据相关资料，对于冷却风扇的监测可以采用接触法和非接触法，接触法分为电压和电流的监测，非接触法包括风量测量法和转速测量法等[4]。电压电流监测法可以测出风扇的好坏，但无法很好地检测转速和风量。由于短波发射机范围内常有高频干扰，因此对非接触法中包含的测试方法和传感器要求较高。经过多次研究和测试，确定了利用激光反射特性并结合脉冲计数的方法，这样既能在高频环境中实现实时精确计数，还能满足发射机的经济性实际需求。确定使用有6个中断口的MEGA2560 Pro主控板作为系统平台，在芯片内写入程序，对采集到的各路脉冲数据进行计算和汇总，并通过串口输送到上位机[5]。
3 系统的开发
根据轴流风机的特点，利用激光的反射特性，比较了Arduino和STM32等开发板的适用性后，自行编写开发了冷却风扇监测系统。图2（a）和（b）为使用Arduino和STM32编写测速程序的部分代码。
图2 测速程序的部分代码截图
本次测速考虑到发射机的高频干扰而采用非接触方法，需要使用芯片的外部中断口。MEGA2560 Pro外部中断的引脚有6个，分别为2（interrupt 0）、3（interrupt 1）、18（interrupt 5）、19（interrupt 4）、20（interrupt 3）以及21（interrupt 2）（见图3）[6]。STM32F103则根据引脚序号的不同将众多中断触发源分成不同的组，比如PA0、PB0、PC0、PD0、PE0、PF0以及PG0为第一组，那么依此类推一共有16组。STM32规定每一组同一时间只能有一个中断触发源工作，因此最多同时工作的是16个外部中断[7]。对于STM32F103来说，在同一个板子上EXTI 0～4有4个独立的中断服务函数，EXTI 5～9共用1个中断服务函数，EXTI 10～14共用1个中断服务函数，EXTI 15使用1个中断函数，共7个中断服务函数，即最多同时7个中断口（见图4）。
图3 MEGA2560 Pro引脚功能图
图4 STM32F103C8T6引脚图
对该系统而言，STM32F103比MEGA2560 Pro能用的外部中断引脚只多了一个。实际高频测试结果显示，STM32F103的精确度和频率均低于MEGA2560 Pro，而且其外围电路上也比MEGA2560Pro复杂，因此选择MEGA2560 Pro作为系统的主控芯片[8]。
数据到达上位机后，在上位机编写程序设定每个风扇的转速范围，在风速低于或高于这一范围时可确定风扇异常并告警，检修人员可以根据软件提示对相应的风扇进行检修处理。上位机自动化平台中风扇的相关设置如图5所示。
图5 上位机自动化平台中风扇的相关设置
4 安装和应用
系统分为上位机和下位机两部分，下位机主要由激光传感系统和芯片控制系统组成，上位机有单独的风扇监测软件（图6），并且已经在发射机单机自动化平台中引入（图7）[9]。
图6 上位机中单独编写的冷却风扇实时监测软件
图7 发射机单机自动化平台中引入风扇监测数据
上位机负责实时显示各路风扇的运行情况，并在发生风扇运行异常时及时报告故障情况和风扇位置，并进行记录[10]。下位机则负责各个风扇的测量传导，并在芯片上收集、测算、汇集以及传输数据，如图8所示。
图8 利用MEGA2560 Pro主控板进行焊接
以国家广播电视总局八三一台的150 kW短波发射机为例，使用冷却风扇监测系统监测的位置有6处，分别是高末变压器风扇1处、油负载变压器风扇2处、400 V电源风扇1处、腔体风扇1处以及A8套箱风扇1处，分别用不同的数值范围对其进行监测。目前系统运行情况良好，数据有效可靠。对400 V电源风扇进行激光测速的实际安装如图9所示[11]。
图9 对400 V电源风扇进行激光测速的实际安装
5 结 论
冷却系统对短波发射机极为重要，发射机冷却风扇实时监测系统填补了目前在高频干扰下对冷却风扇实时监测方面的空白，利用此系统可以远程实时监测各冷却风扇的运转情况，及时发现并排除隐患，更好地保障发射机设备安全和播出顺利进行。此外，该系统在可以利用非接触方式测速的环境中均能发挥应有的作用，其数据采集精确且可靠性高，使用效果良好，值得推广和使用。
