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【摘要】本文采用HMI、PLC、PID、变频器等温度控制技术结合多种高新技术，对400kW水冷中波发射机冷却及机房环境温度系统进行设计，实现环境温度适宜，发射机水温恒定。
【关键词】HIM；PLC；变频器；温度传感器；PID
1.前言
953台400kW水冷式中波发射机主要由两部PB200单元、并机网络、天馈线系统、供电系统、水泵、热交换器组成。虽然发射机整机效率高，但工作中产生大量热量，需要冷却系统降温，保障发射机正常运行。
由于单位地处东北高寒地区，加之冷却和通风系统设计不合理，需要值班员手动调节排风阀、回风阀、引风阀，水温忽高忽低，发射机内部元件工作不稳定，过热加快老化及出现故障。外热交换器排风和引风口不平衡，机房内产生负压，造成机房值班人员夏季感觉热，冬季感觉冷，春天灰尘大，为确保发射机稳定运行于实现发射机房“有人留守，无人值班”的新型运维模式，进行发射机冷却系统改造和环境温度智能监控系统设计。
2.400kW中波发射机冷却系统工作原理
如图1所示，400kW水冷式中波发射机冷却系统工作原理：PB200单元是闭合环路冷却系统，其热交换柜由表冷器和4台风机组成，4B1、4B2、4B3风机对4个功放机柜冷却，4B4风机对输出网络柜冷却，风至上而下流动，形成闭合环路，带走部件上热量的热风吹到热交换柜中表冷器时，冷却水温度增加，降低闭合环路流动空气的温度，表冷器中水至上而下进入射频放大器水冷铜排中，射频放大器散热片紧贴铜排，热量传导给循环水，水进入整流机柜可控硅冷却装置和水冷阻流圈中，带走热量后，与PB单元出水汇聚一起送到外热交换器组进一步冷却，水泵是管道液体流动的动力装置，外热交换器由1#、2#、3#热交换器组成，热交换器利用风和水进行热量交换，通过风机冷却内部表冷器进出发射机内部的循环水，风把热量带出室外，水泵把冷却后的水通过入水管道送到发射机中，降低发射机设备工作所产生的热量，然后通过回水管道把热量带回到外热交换器组降温，这样周而复始，不断循环，使发射机有一个良好工作环境，稳定工作。排风阀、联络风阀、引风阀起到作用。
外冷却系统采用三台型号SR-60，风量8000m3/H水冷热交换器，水泵流量10m3/H，出水温度最高可达45℃。水冷热交换器的排风阀、回风阀、引风阀均为手动调节，水温不能控制；三台热交换器向室外排风口为400×400mm，只有一个800×800mm引风口向室内进风，导致机房内产生很大负压。使得冬季取暖的热量和夏季制冷凉风很快被风机排出室外，造成机房值班人员夏季感觉热，冬季感觉冷。
3.中波发射机冷却及机房环境温度智能控制系统设计
解决机房内负压，保持排风量低于进风量，使机房内部呈现正压。就要增加引风机。解决水温恒定，就需要采用增减风机数量和根据水温增减控制变频器频率风机转速实现。因为我单位处于东北地区，还要考虑冬季和春夏秋季节，冷却方式不同的问题，实行两种运行图。为此，结合机房实际情况和上述解决方法设计中波发射机冷却及机房环境温度智能控制系统，增加必要控制及状态监测点，保障发射机节能变频冷却系统准确、安全、有效可靠运行。图2所示400kW中波发射机冷却系统改造及机房环境温度智能监控系统方框图。
（1）更新三台排风量为12500m3/H热交换器，表冷器为8排管，同等工况为原热交换器1.5倍；春夏秋季采用自然进风冷却方式，将机房后厅两扇窗口（2400×1600mm）改为新风口，安装过滤器净化新风，防止室外灰尘飞絮进入机房。冬季采用内外循环结合方式，热交换器室外安装一台送风量15000m3/H新风机，使新风与排风机排出的热风混合进入机房后厅，降低室内温度，达到为机器降温的目的。
（2）春夏秋季模式：发射机自动开启后，水泵运转，系统根据风机设定顺序及水温，启动变频风机和电动排风阀向室外排风，3#、4#电动执行风阀自动开启，室外新风进入发射机房后厅，再进入风机室内热交换器，带走表冷器上的热量，进风量能满足风机排风量，机房保持正压；当水温超过设定之后，第二台变频排风机启动。当发射机关机后，风机停转，风机排风阀和3#、4#电动执行风阀均可靠关闭。
（3）冬季模式：系统根据排风机设定顺序及水温启动变频风机、电动排风阀、回风阀，一部分热风排出室外，一部分进入主风道；新风机按照室外温度、混风、室内温度三个参数，调节变频器频率及模拟量风阀开度，控制进入主风道的冷风量，冷风与热风混合后送到机房后厅调节室内温度。进风量与排风量基本持平，机房保持正压。
（4）设计HMI（触摸屏）控制界面，包括冬季和春夏秋季运行图设置、实现数据实时显示功能，包括进出水温度、水压、液位、流量、室内外温度、混风温度等模拟量，还有1～3#排风阀状态、1～3#回风阀状态、新风风机状态、主备水泵状态、各风机在用状态等开关量，还有各变频器实时运行状态包括频率、PID等数据。排风机顺序启动实现三台热交换器根据温度自动按照优先级顺序依次开启功能，并可人为设置各风机优先级顺序（防止让一台热交换器经常启动与其它热交换器磨损程度不均而采取的措施）。水温及环境温度参数设定界面、故障报警等。
（5）解决机房正压问题，夏季打开后厅3#、4#进风阀，进风量能满足两台风机的排风量，使机房保持在平衡状态；冬季，关闭3#、4#进风阀，打开新风机和模拟量新风阀，控制冷风的进入量，使机房保持在微微正压状态，使室内的热风不被排风机抽走，节约取暖能源和电能。
（6）采用瑞士BELIMO风门执行器，其工作可靠，安装便捷。可安装于各种不同轴径的风门轴上，采用机械限位调整机械转角，宽范围有效扭矩可达40NM，寿命长久。
（7）采用瑞士伟拓Vector插入温度传感器，SDA-T1系列插入式温度变送器的感温敏感元件是NTC电阻。变送器电路的微处理器每秒对温度采样一次。滤波时间计算信号平均值，并且根据温度量程做线性变换，然后产生信号输出。保证外部干扰对此变送器最小的影响，默认滤波平均时间10秒。测量范围和滤波取样次数用户可以通过OPA-S1终端来设定。配置OPA-S1终端用户可以读出变送器所记录的测量最大值和最小值。 （8）PLC是利用其闭环控制模块来实现PID控制，在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件PID是比例，积分，微分的缩写，比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差。PID控制算法来说，位置式PID控制算法示意图如图3所示，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对误差进行累加，所以运算工作量大。而且如果执行器出现故障，则会引起执行机构位置的大幅度变化，而这种情况在生产场合不允许的，因而产生了增量式PID控制算法。
4.水温自动控制调整系统实现
（1）合理配置、效果明显
更新三台25000m3/H风量热交换器（表冷器采用8排管），提高冷却效率，增加一台15000m3/H风量室外新风机，更新风道、管路，降低发射机冷却水温及机房环境温度，使发射机设备更加稳定运行。
（2）智能调节、无人值守
采用HMI、PLC、变频器等高端技术产品，实现人机交互、智能控制、自动＼手动切换等功能，有效降低值机员劳动强度。在发生故障时能够及时报警并自动进行相关操作。
（3）实现正压、环境改善
春＼夏＼秋运行模式：系统自动打开后厅滤尘进风阀，进风量高于风机最大排风量，保持机房正压；冬季运行模式：自动关闭后厅滤尘进风阀，按温度调节启动变频新风机和模拟量新风阀开度，保持机房正压，使室内热风不被送风机抽走。
（4）智能高效、节能环保
系统通过控制变频风机数量和频率，调节排风量及室外空气进风量，动态调节发射机水温。冬季启动一台送风机和一台进风机，水温可维持在25℃左右；春＼夏＼秋季启动两台送风机，水温可维持在30℃左右，发射机内部温度降低，稳定性提高，大大提高了冷却效率，节约了电能。取消空调，因为空调用氟利昂作为制冷剂，污染大气。
5.结束语
400kW水冷中波发射机冷却及机房环境温度系统项目完成后，经过近两年来的运行，设备运行可靠，有效地解决了发射机房负压问题，并且使得机房环境得到了大大改善，发射机水温恒定，机房内室内适宜，发射机设备洁净，通风系统智能操作，大大减轻技术人员检修和值班工作量，确保了400kW水冷式中波发射机安全稳定运行，并为实现400kW中波发射机“有人留守，无人值班”奠定了坚实的基础。
参考文献
[l]DX型大功率中波发射机.广播电视发送与传输维护手册10-1[S].国家广播电影电视总局无线电台管理局.
[2]夏德钤，翁贻方编著.自动控制理论[M].机械工业出版社，2007，2.
[3]张建民，王涛.智能控制原理及应用[M].北京：冶金工业出版社，2003.
[4]陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，1998.
[5]朱思洪主编.机电一体化技术[M].中国农业出版社，2004.
作者简介：孙旭（1956—），河北易县人，高级工程师，现供职于国家新闻出版广电总局953台，研究方向：DX型中波广播发射机维护管理。
【关键词】HIM；PLC；变频器；温度传感器；PID
1.前言
953台400kW水冷式中波发射机主要由两部PB200单元、并机网络、天馈线系统、供电系统、水泵、热交换器组成。虽然发射机整机效率高，但工作中产生大量热量，需要冷却系统降温，保障发射机正常运行。
由于单位地处东北高寒地区，加之冷却和通风系统设计不合理，需要值班员手动调节排风阀、回风阀、引风阀，水温忽高忽低，发射机内部元件工作不稳定，过热加快老化及出现故障。外热交换器排风和引风口不平衡，机房内产生负压，造成机房值班人员夏季感觉热，冬季感觉冷，春天灰尘大，为确保发射机稳定运行于实现发射机房“有人留守，无人值班”的新型运维模式，进行发射机冷却系统改造和环境温度智能监控系统设计。
2.400kW中波发射机冷却系统工作原理
如图1所示，400kW水冷式中波发射机冷却系统工作原理：PB200单元是闭合环路冷却系统，其热交换柜由表冷器和4台风机组成，4B1、4B2、4B3风机对4个功放机柜冷却，4B4风机对输出网络柜冷却，风至上而下流动，形成闭合环路，带走部件上热量的热风吹到热交换柜中表冷器时，冷却水温度增加，降低闭合环路流动空气的温度，表冷器中水至上而下进入射频放大器水冷铜排中，射频放大器散热片紧贴铜排，热量传导给循环水，水进入整流机柜可控硅冷却装置和水冷阻流圈中，带走热量后，与PB单元出水汇聚一起送到外热交换器组进一步冷却，水泵是管道液体流动的动力装置，外热交换器由1#、2#、3#热交换器组成，热交换器利用风和水进行热量交换，通过风机冷却内部表冷器进出发射机内部的循环水，风把热量带出室外，水泵把冷却后的水通过入水管道送到发射机中，降低发射机设备工作所产生的热量，然后通过回水管道把热量带回到外热交换器组降温，这样周而复始，不断循环，使发射机有一个良好工作环境，稳定工作。排风阀、联络风阀、引风阀起到作用。
外冷却系统采用三台型号SR-60，风量8000m3/H水冷热交换器，水泵流量10m3/H，出水温度最高可达45℃。水冷热交换器的排风阀、回风阀、引风阀均为手动调节，水温不能控制；三台热交换器向室外排风口为400×400mm，只有一个800×800mm引风口向室内进风，导致机房内产生很大负压。使得冬季取暖的热量和夏季制冷凉风很快被风机排出室外，造成机房值班人员夏季感觉热，冬季感觉冷。
3.中波发射机冷却及机房环境温度智能控制系统设计
解决机房内负压，保持排风量低于进风量，使机房内部呈现正压。就要增加引风机。解决水温恒定，就需要采用增减风机数量和根据水温增减控制变频器频率风机转速实现。因为我单位处于东北地区，还要考虑冬季和春夏秋季节，冷却方式不同的问题，实行两种运行图。为此，结合机房实际情况和上述解决方法设计中波发射机冷却及机房环境温度智能控制系统，增加必要控制及状态监测点，保障发射机节能变频冷却系统准确、安全、有效可靠运行。图2所示400kW中波发射机冷却系统改造及机房环境温度智能监控系统方框图。
（1）更新三台排风量为12500m3/H热交换器，表冷器为8排管，同等工况为原热交换器1.5倍；春夏秋季采用自然进风冷却方式，将机房后厅两扇窗口（2400×1600mm）改为新风口，安装过滤器净化新风，防止室外灰尘飞絮进入机房。冬季采用内外循环结合方式，热交换器室外安装一台送风量15000m3/H新风机，使新风与排风机排出的热风混合进入机房后厅，降低室内温度，达到为机器降温的目的。
（2）春夏秋季模式：发射机自动开启后，水泵运转，系统根据风机设定顺序及水温，启动变频风机和电动排风阀向室外排风，3#、4#电动执行风阀自动开启，室外新风进入发射机房后厅，再进入风机室内热交换器，带走表冷器上的热量，进风量能满足风机排风量，机房保持正压；当水温超过设定之后，第二台变频排风机启动。当发射机关机后，风机停转，风机排风阀和3#、4#电动执行风阀均可靠关闭。
（3）冬季模式：系统根据排风机设定顺序及水温启动变频风机、电动排风阀、回风阀，一部分热风排出室外，一部分进入主风道；新风机按照室外温度、混风、室内温度三个参数，调节变频器频率及模拟量风阀开度，控制进入主风道的冷风量，冷风与热风混合后送到机房后厅调节室内温度。进风量与排风量基本持平，机房保持正压。
（4）设计HMI（触摸屏）控制界面，包括冬季和春夏秋季运行图设置、实现数据实时显示功能，包括进出水温度、水压、液位、流量、室内外温度、混风温度等模拟量，还有1～3#排风阀状态、1～3#回风阀状态、新风风机状态、主备水泵状态、各风机在用状态等开关量，还有各变频器实时运行状态包括频率、PID等数据。排风机顺序启动实现三台热交换器根据温度自动按照优先级顺序依次开启功能，并可人为设置各风机优先级顺序（防止让一台热交换器经常启动与其它热交换器磨损程度不均而采取的措施）。水温及环境温度参数设定界面、故障报警等。
（5）解决机房正压问题，夏季打开后厅3#、4#进风阀，进风量能满足两台风机的排风量，使机房保持在平衡状态；冬季，关闭3#、4#进风阀，打开新风机和模拟量新风阀，控制冷风的进入量，使机房保持在微微正压状态，使室内的热风不被排风机抽走，节约取暖能源和电能。
（6）采用瑞士BELIMO风门执行器，其工作可靠，安装便捷。可安装于各种不同轴径的风门轴上，采用机械限位调整机械转角，宽范围有效扭矩可达40NM，寿命长久。
（7）采用瑞士伟拓Vector插入温度传感器，SDA-T1系列插入式温度变送器的感温敏感元件是NTC电阻。变送器电路的微处理器每秒对温度采样一次。滤波时间计算信号平均值，并且根据温度量程做线性变换，然后产生信号输出。保证外部干扰对此变送器最小的影响，默认滤波平均时间10秒。测量范围和滤波取样次数用户可以通过OPA-S1终端来设定。配置OPA-S1终端用户可以读出变送器所记录的测量最大值和最小值。 （8）PLC是利用其闭环控制模块来实现PID控制，在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件PID是比例，积分，微分的缩写，比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差。PID控制算法来说，位置式PID控制算法示意图如图3所示，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对误差进行累加，所以运算工作量大。而且如果执行器出现故障，则会引起执行机构位置的大幅度变化，而这种情况在生产场合不允许的，因而产生了增量式PID控制算法。
4.水温自动控制调整系统实现
（1）合理配置、效果明显
更新三台25000m3/H风量热交换器（表冷器采用8排管），提高冷却效率，增加一台15000m3/H风量室外新风机，更新风道、管路，降低发射机冷却水温及机房环境温度，使发射机设备更加稳定运行。
（2）智能调节、无人值守
采用HMI、PLC、变频器等高端技术产品，实现人机交互、智能控制、自动＼手动切换等功能，有效降低值机员劳动强度。在发生故障时能够及时报警并自动进行相关操作。
（3）实现正压、环境改善
春＼夏＼秋运行模式：系统自动打开后厅滤尘进风阀，进风量高于风机最大排风量，保持机房正压；冬季运行模式：自动关闭后厅滤尘进风阀，按温度调节启动变频新风机和模拟量新风阀开度，保持机房正压，使室内热风不被送风机抽走。
（4）智能高效、节能环保
系统通过控制变频风机数量和频率，调节排风量及室外空气进风量，动态调节发射机水温。冬季启动一台送风机和一台进风机，水温可维持在25℃左右；春＼夏＼秋季启动两台送风机，水温可维持在30℃左右，发射机内部温度降低，稳定性提高，大大提高了冷却效率，节约了电能。取消空调，因为空调用氟利昂作为制冷剂，污染大气。
5.结束语
400kW水冷中波发射机冷却及机房环境温度系统项目完成后，经过近两年来的运行，设备运行可靠，有效地解决了发射机房负压问题，并且使得机房环境得到了大大改善，发射机水温恒定，机房内室内适宜，发射机设备洁净，通风系统智能操作，大大减轻技术人员检修和值班工作量，确保了400kW水冷式中波发射机安全稳定运行，并为实现400kW中波发射机“有人留守，无人值班”奠定了坚实的基础。
参考文献
[l]DX型大功率中波发射机.广播电视发送与传输维护手册10-1[S].国家广播电影电视总局无线电台管理局.
[2]夏德钤，翁贻方编著.自动控制理论[M].机械工业出版社，2007，2.
[3]张建民，王涛.智能控制原理及应用[M].北京：冶金工业出版社，2003.
[4]陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，1998.
[5]朱思洪主编.机电一体化技术[M].中国农业出版社，2004.
作者简介：孙旭（1956—），河北易县人，高级工程师，现供职于国家新闻出版广电总局953台，研究方向：DX型中波广播发射机维护管理。