BGTB5141型100kW短波发射机主备泵切换电路的分析与改进

符世楠

国家广播电视总局2023台 海南省 临高县 571837

引 言

水冷系统作为发射机的重要组成部分，它为发射机的末级电子管、高末槽路线圈及电容进行冷却降温，为发射机的稳定运行提供保障。水泵作为水冷系统不可或缺的一部分，它保证了水在水冷系统中的循环流动。BGTB5141 型 100kW 短 波发射机的冷却系统配备有主备两个水泵，当主泵故障或水流量不足时，可通过主备泵切换电路对水泵进行自动切换。主备泵切换电路的使用让发射机的水冷系统变得更加稳定可靠，但因为无法进行“二次互投”的缺陷在一定程度上降低了发射机冷却系统运行的可靠性。

1 主备泵切换电路分析

主备泵切换原理如图1 所示，笔者以小豆开关5S1 拨至下面位置为例，此时5S1 的两组接点 （1，5） 和 （2，6） 分别导通，“主控合”动作后，热交换器交流接触器1K4 线包得电，使得其常开接点（L4，T4）闭合。当热交换器交流接触器1K4 接点（L4，T4）闭合后，延时继电器5K1 得电 （BGTB5141 型 100kW短波发射机设置延时继电器的延时时间为3秒），使得其常开接点（1，4） 闭合，常闭接点 （6，8）断开。当延时继电器5K1 的（1，4）接点闭合后，交流接触器5K3 得电，其一组常闭接点（NC21，NC22）断开，三组常开接点 （1，4）、（2，5）、（3，6）闭合，使得3相380V交流电送至水泵B2，水泵B2（主用水泵）开始工作。水泵B2 开始工作后，管内水流流经靶式流量计5WC1 使得其常开接点 （O，CK）闭合，此时115V 控制电源分别经交流接触器5K1 的（1，4） 接点和靶式流量计的 （0，CK）接点两条通路同时使交流接触器5K3 的线包得电。延时继电器5K1 在得电3 秒后，延时结束，其常开接点（1，4）断开，但由于靶式流量计5WC1 的接点（0，CK）依然闭合，115V 控制电通过5WC1 接点送至交流接触器5K3，使得水泵B2继续保持工作。另外，虽然延时继电器5K1延时结束后其常闭接点（6，8）导通，但是因为交流接触器5K3线包得电工作，其常闭接点（NC21，NC22）断开，交流接触器5K2线包无法得电，水泵B1因此不能得电工作。

水泵B2 故障引起水流量不足时，靶式流量计5WC1 常开接点（0，CK）断开，交流接触器5K3 线包失电，其常闭接点（NC21，NC22）闭合，三组常开接点 （1，4）、（2，5）、（3，6）断开，水泵B2 停止工作。当交流接触器5K3 的常闭接点（NC21，NC22）闭合后，115V控制电源经交流接触器5K1 的常闭接点（6，8）、小豆开关5S1接点（1，5）和交流接触器5K3 常闭接点（NC21，NC22）使交流接触器5K2 线包得电，其常闭接点（NC21，NC22）断开，三组常开接点 （1，4）、（2，5）、（3，6）闭合，使得3相380V交流电送至水泵B1（备用水泵），水泵B1开始工作，完成备泵的切换。

在主泵切换至备泵后，如果不将5S1 小豆开关进行切换（即5S1 开关的 （1，5）、（2，6） 接点断开，（1，3）、（2，4）接点闭合），当水泵B1 故障引起水流量再次不足时，此时交流接触器5K2 的常闭接点 （NC21，NC22）为断开状态，靶式流量计5WC1接点（0，CK）也断开，交流接触器5K3 线包无法得电，导致主泵无法工作，进而使发射机的水冷系统停止运行，使得发射机因水温过高进行“断高压”、“断灯丝”等保护动作。

图1 主备泵切换原理图

由此可以看出，当水流量过低导致发射机主泵切换至备泵后，发射机的主备泵切换电路无法在水流量再次过低时自动将备泵切换至主泵使用（即“二次互投”）。

2 改进方案

为了解决主备泵切换电路无法进行“二次互投”和日常运行维护中暴露出的一些问题，对电路进行了重新设计，采用单片机（单片机是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储存贮器RAM、程序存贮器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路［1］）作为主备泵切换电路的控制核心，省去了通过交流接触器对水泵进行逻辑控制的电路，使电路得以简化，更加灵活与智能。

为了弥补三相电磁交流接触器寿命短、动作存在滞后性等缺点，使用三相固态交流接触器（具有高可靠、寿命长、无触点、无火花、抗干扰能力强、灵敏度高、控制功率小等特点）对其进行替换，进一步增加了电路的可靠性，保证了设备的稳定运行。

2.1 电路设计

主备泵切换电路改进方案整体框架由信号输入、信号输出、控制、CAN 通信、状态指示等5个模块组成。如图2所示。

2.1.1 控制模块

控制模块由单片机及其外围电路组成。单片机采用ST 公司STM32F1 系列的单片机，型号为STM32F103C8T6，具有高性能、低成本、低功耗、丰富的外设接口等优点。

2.1.2 CAN通信模块

CAN通信模块由德州仪器公司生产的SN65HVD230D 芯片及其外围电路组成，用于与CAN总线上的其他节点进行通信。例如发射机的上位机可以通过CAN总线来控制模块进行水泵切换操作，也可以通过其了解水泵的使用情况。

2.1.3 信号输入模块

热交换器1K4 的吸合与断开为单片机提供水泵上电的开关量信号。靶式流量计为单片机提供水流量的开关量信号。数字水压表输出4～20mA电流信号，通过4～20mA 转 0～10V 隔离模块，将4～20mA 的电流信号转换为0～10V 电压信号，然后通过ADS8689 电路将电压信号转换为电压数字量信息，最后通过SPI的通信方式将数据传送给单片机，供单片机做数据参考。手动切换水泵按钮，它用于提供一个手动切换水泵的功能。

2.1.4 信号输出模块

信号输出模块由光耦隔离电路组成，通过光耦隔离，实现了对单片机的输出信号的电气隔离，避免了外部的干扰信号通过输出端口传入控制电路中。

2.1.5 状态指示模块

状态指示模块由LED指示灯模块和蜂鸣器模块组成，LED 指示灯模块用于主备泵的使用状态及故障状态的显示；蜂鸣器模块用于在电路发生故障时发出报警声，起到提醒作用。

图2 主备泵切换电路改进方案整体框图

2.2 软件设计

单片机通过判断热交换器交流接触器1K4 的通断状态，判断是否需要开启水泵。当单片机检测到交流接触器1K4 吸合时，通过控制主泵的三相固态交流接触器吸合，使主泵上电。主泵上电10秒后，单片机通过靶式流量计和数字水压表提供水流量和水压的数据，判断水泵是否工作正常。

在冷却系统运行过程中，如果单片机检测到靶式流量计断开且水压异常时，先判断水泵是否已经进行过两次“二次互投”，如果是，则证明水泵或管道出现问题，单片机将控制LED故障灯亮起和蜂鸣器发出警报声进行告警。否则，单片机将通过主备泵使用标志位进行水泵的切换。

由于整个主备泵切换控制电路由多个模块组成，若单片机使用单一线程去处理模块传来的开关量信号与数据、控制状态指示模块显示主备泵的使用状态及故障状态和蜂鸣器通断、控制输出模块输出相应的信号，这将会使整个系统的运行效率降低，故引入uCOSIII 实时操作系统。通过将不同的功能块分成不同的任务，这些任务通过uCOSIII 实时操作系统的时间片轮转调度，使得每个任务如同同时进行，有效地提高了系统的实时性。

主备泵切换电路上电后，单片机内部进行初始化、ADS8689芯片初始化、uCOSIII 初始化。初始化成功后，创建一个优先级最高的起始任务（TaskStart 任务），任务调度后，在这个起始任务里创建用户任务，用户任务创建完后，uCOSIII 系统的时间片轮转调度器将根据时间片对每个任务进行时间片轮转调度，如图3所示。

在这个系统里，根据需要将用户任务分为5个。

图3 软件流程图

任务1：负责处理输入的开关量和数字量信息，将这些信息转换成相应的状态标志。任务2：根据状态标志显示主备泵的使用状态及故障状态和控制蜂鸣器通断。任务3：根据状态标志，切换主备泵。任务4：负责CAN总线通信。任务5：由于单片机使用了一片型号为SP706S的看门狗芯片，单片机需要定时翻转SP706S 芯片6 脚的电平，即“喂狗”。该任务为负责定时“喂狗”。

结 束 语

发射机主备泵切换电路的改进方案解决了原有主备泵切换电路无法自动进行水泵“二次互投”的缺陷，并在此基础上增加了CAN总线接口，使得外部设备可以通过CAN总线控制水泵和了解水泵的使用情况。通过单片机的运用，使得主备泵切换电路变得更加智能、稳定、可靠。