TSW2500型短波发射机UCS系统简介与偶发故障处置

2022-03-19陈蕴涵

现代制造技术与装备 2022年2期

陈蕴涵

（国家广播电视总局831台，金华 321100）

国家广播电视总局831台甲机房3部TSW2500型发射机2021年从飞机电子集中监视系统（Eletronic Centralized Aircraft Monitor，ECAM）改造升级为统一计算系统（Unified Computing System，UCS）。改造过程中遇到了一些问题，但在解决问题的过程中也积累了一定的改造经验。发射机系统升级改造完成以来，3部发射机平稳运行过程中出现了一些异态以及故障。针对这些问题，本文阐述了UCS系统的原理、构造与相关注意事项，并对偶发异态与故障进行了分析。

1 UCS

1.1 UCS简介

UCS是阿姆倍通公司最新研究的一套控制系统，广泛应用于核聚变、医疗卫生、广播发射等领域[1]。UCS与中间件Middleware在线数据库、DB Center NG一起在工业ITX PC板中运行，提供了广泛的控制和接口功能。由于增强的现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）架构，UCS几乎可以应用于任何场景并为场景定制完美的解决方案。

1.2 UCS组成

UCS由用于测量的UCS-ASM机箱、用于短波控制的UCS-SW机箱、用于PSM控制的UCS-PSM机箱、WAGO I/O系统、CAN总线马达伺服系统以及图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）这几部分组成。UCS-ASM机箱主要用于发射机相关模拟量的采集与测量，由19寸的机箱（包含了SCC61板卡和SAU61板卡）、SCI13模拟量接口板（固定在发射机A100机箱F面板）以及电源模块3部分组成[2]。其中：SAU61板卡与SCC61板卡相连，负责将采集到的信号传送到SCC61板卡；SCC61板卡是ASM机箱核心板卡，负责ASM机箱与SW机箱通信、模拟量信号采集、鉴相器、联锁和快速保护；SCI13模拟量接口板可以同时对16个模拟量值进行采集和滤波，并将采集的数据通过线缆传输到ASM机箱进行处理。在TSW2500型发射机中，SCI13主要负责采集高前屏流、高前屏压、高末栅流、高末连栅流、高末栅压、高末连栅压、高末屏流和高末屏压信号。

1.2.1 UCS-SW机箱

UCS-SW机箱用于短波发射机的控制，由基于Linux操作系统的计算机、电源模块和SCC21短波应用板3部分组成。其中，计算机的ITX主板中包含了所有值和参数的数据库“DB Center ND”、用户界面、基于以太网协议的远程接口、自动调谐功能、故障处理功能以及发射机顺序控制的嵌入式状态机。ITX含有2个以太网接口，可以和内部网络交换机以及外部网络交换机进行通信。另外，ITX还有4个USB 2.0接口，分别与发射机的触摸屏、键盘鼠标、ASM机箱和控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线相连进行通信，以及3个COM port串行通信端口和与显示器相连的VGA视频输出端口[3]。SCC21板卡负责射频激励的生成、音频处理、射频激励的采样与测量、功率测量和驻波比的计算、发射机相关安全联锁、数据采集和转发。

1.2.2 UCS-PSM机箱

UCS-PSM机箱主要用于短波发射机功率模块的控制。它由4部分组成，即基于Linux操作系统的计算机、电源模块、SCC11短波应用板和固定在A100机箱G面板的光纤接口板SCP10板卡。PSM机箱的主要作用为控制每一个功率模块的平均载荷，并停用损坏的模块，根据要启动的功率计算出开启模块的数量，并满足PSM所需的瞬时高压电平。同时，PSM机箱通过与其他机箱的信号转换，可以在用户界面显示每一个PSM模块的状态，而且可以将从SW机箱单元传输过来的音频信号传输给光纤接口板SCP10板卡，在光电转换后转化为功率模块的控制信号。

1.2.3 WAGO I/O系统

WAGO I/O系统在UCS系统中非常重要。除了UCS-ASM机箱处理的8路模拟量以外的通信均由WAGO的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）完成。该系统通过RJ45接口直接与UCS-SW单元中的工控机通信[4]。这套I/O系统由通信总线耦合器、电源模块、数字输入/输出模块、模拟（电流）输入/输出模块、模拟（电压）输入模块和终端模块组成。其中，I/O系统一方面负责采集相关数据，如水温、水流、门互锁、接地信号等，另一方面负责开关量的输出，如发射机灯丝控制、发射机告警灯控制等。此外，发射机升/降灯丝延迟均由I/O系统控制。

1.2.4 CAN总线马达伺服系统

UCS系统选用Dunker公司生产的BG65 CI系列CAN总线马达。此电动机是无刷伺服电机，带有一个集成的运动控制器和CAN总线接口，通过集成运动控制器和一个转子位置检测传感器可以驱动路径控制。通过CAN接口可实现电机在运行时对位置速度的控制，具有动态性好、设计紧凑、调节范围大、转动惯量低以及结构稳健等优点。控制马达动作的通信链路为UCS-SW机箱控制信号通过USB线传输到AD-panel面板，经过面板滤波后的信号通过CAN总线传输到各马达电机。

1.2.5 GUI界面

UCS系统界面的GUI界面可以把各项数据和操作方式通过界面的方式简单呈现在操作人员面前，而且在GUI上可以清晰地显示发射机目前的功率、频率、操作模式（手动/自动）、遥控/本地状态、调制方法、发射机的音频输入输出以及发射机所处的状态等信息。其中，GUI中还包含10个子界面：HOME界面（显示当前频率各项表值以及马达位置信号）、Calib.界面（对发射机HOME界面的显示值进行校准）、Events界面（显示发射机各项事件记录）、Tuning界面（显示各频率的调谐数据且可对功率等参数进行调整）、Cool.界面（显示发射机水导值与风机水泵状态）、Login界面、PSM界面（显示各模块工作状态）、Info界面（显示发射机版本号等）、Audio界面（显示音频状态且可对音频输入进行设置）以及Settings界面（对发射机灯丝等参数进行设置）。

1.3 UCS系统优势

UCS系统与ECAM相比具有多项优点：第一，UCS系统可搭载DRM设备，从而为将来的DRM广播提供基础；第二，UCS系统的接线相较于ECAM系统更加简洁明了；第三，UCS系统使用了最新的硬件和软件技术，淘汰了原ECAM控制系统所使用的老式板卡；第四，UCS一个机箱设备可以实现以前很多设备的功能，有更高的集成度；第五，UCS系统可以存储更多的频率数据并且支持备份和导出；第六，UCS系统可以设置一个频率在不同天线上使用不同的调谐数据，并且相互不冲突。UCS硬件拓扑图如图1所示。

2 UCS系统升级改造过程

2.1 UCS系统改造前准备

国家广播电视总局831台TSW2500型发射机在升级为UCS系统时，改造的第一步是采集、统计并记录原发射机的相关数据，主要包括发射机状态记录、电容和电感的位置记录、调谐数据和设置参数保存、灯丝电压记录、光纤序号做标记、放电求距离测量、流量计和阀门位置记录以及发射机状况记录等，并且要对假负载进行测试和校准[5]。

2.2 UCS系统改造过程

UCS系统改造的第二步是拆除并清点原发射机需要拆除的元器件。改造过程中，先后拆除了原A100机箱A面板的紧急按钮开关和直流马达控制单元，A100机箱B面板的MP2和MP3马达、射频衰减器、直流马达变压器、低通滤波器、鉴相器及射频检测，A100机箱C面板的水路导电检测延时继电器，A100机箱D面板的24 V电源开关、马达位置A151控制板、模拟量输入A161板，A100机箱E面板的ECAM机箱、显示器、键盘、YCS机箱、YCP机箱和电源机箱，射频机箱的高末灯丝取样A294和高末屏极取样电阻以及整流机箱灯丝取样A194。UCS系统改造的第三步是安装UCS系统的相关设备，包括UCS-ASM机箱、UCS-SW机箱、UCS-PSM机箱、触摸屏、伸缩键盘、A100机箱的全新G板、模拟量输入板卡SCI13、穿墙板AD-PANEL板卡、模块控制SCP10板卡、伺服电机马达及相关附属设备以及各设备间的连接线。

2.3 UCS系统改造后调试

UCS系统改造完成后，需要对发射机的控制系统进行调试。调试过程分为6个阶段，分别对应发射机的OFF、MOT、AUX、FIL、STBY和ON这6个状态。第1阶段，在发射机处于OFF状态时，在加电前需要确认所安装的设备是否安装到位、线缆是否安装正确、真空电容是否安装正常、电气隔离是否正常以及高压开关设备与发射机电源系统状态是否正常等，在加电后需要检查UCS基础设置是否运行正常。第2阶段，在发射机处于MOT状态时，需要测试新安装的紧急开关按钮是否正常，并设置WAGO I/O和看门狗，同时对马达及马达控制进行调试，其中包括马达设置、马达驱动安装、马达位置调整、马达自动控制检查。第3阶段和第4阶段，在发射机处于AUX和FIL状态时，需要对发射机的风冷及水冷进行测量，其中包括高压风、低压风、水导设置、流量计设置、水温监控设置、高速水泵运行状态及低速水泵运行状态，同时需要对发射机灯丝进行测量以及校准，并对发射机高压开关和安全连锁进行测试，在确保风冷及水冷正常的前提下，安装高前管、高末管以及隔直电容。第5阶段，在发射机准备进入STBY模式前，检查PSM系统的光纤、模块、安全互锁和温度保护，确认各功能正常后，发射机进入STBY模式。当发射机处于STBY模式时，需要测试假负载、天线互锁功能、定向耦合器以及驻波比的功能性。第6阶段，在发射机处于ON状态时，检测T31前级电子管屏级、T41高末栅极、T51高末帘栅极、高末电子管屏级供电回路、射频部分、自动调谐系统以及安全功能等，并对相位1、相位2和音频进行校准。

2.4 UCS系统升级过程中遇到的问题

第一，更换MP13路马达连接杆时发现原马达与电容连接杆的孔洞直径太小，扩孔后才得以安装新的连接杆。第二，MP5电容在拆除时需要做好防水措施，并保证电容传送杆直接与马达电机相连，如果未做好防水措施，在拆除电容时水会顺着传送杆灌入电机，从而造成电机损坏。第三，安装MP6路马达时，传送杆和马达的安装空间很小，需要拆除C251左侧面板后才方便电机安装。第四，安装马达电机电源时，由于原配电源线不够长，需要把马达电机电源从A100机箱B面板移位到电控机箱D面板。第五，连接UCS各机箱之间的USB 2.0线容易松动，易造成发射机通信故障，此时将原先的USB 2.0线升级为USB 3.0线即可解决此问题。第六，UCS机箱因故障需要重启时，需要将3台机箱同时重启。如果只单独重启一台机箱，则系统有可能无法正常运行。

3 UCS系统偶发故障分析与处置

3.1 发射机UCS系统切换频率时马达调谐数据无动作

发射机在正常倒换频率时，发射机频率可以倒换，但是发射机马达调谐数据并没有动作，发射机无法正常加高压。经过分析发现，发射机调谐数据及马达驱动由内置于UCS-SW机箱内的Special Function（SF）功能控制，当SF功能运行异常时，发射机的调谐数据不会进行工作。针对这一问题，可重启SF功能软件，否则需要将发射机关闭后重启UCS系统与UCS机箱。

3.2 发射机UCS系统自动化平台死机

发射机远程控制的自动化平台死机，可以看到表值但是无法对发射机进行操作。经过分析得知，因自动化平台软件通过交换机传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）与发射机相连，自动化平台故障对发射机当前工作状态没有影响，但是由于自动化平台软件死机导致不能对发射机进行操作。针对这一问题，可重启自动化平台。此时，因为UCS系统自动化平台有看门狗软件，所以关闭自动化平台后自动化平台会自动重启。

3.3 UCS-ASM机箱通信丢失

发射机处于STBY状态时，反复出现ASM通信丢失告警，发射机掉FIL状态，无法加高压。经过分析得知，UCS-ASM机箱通过X200（USB通用串行总线）接口与UCS-SW机箱进行通信。当ASM机箱与SW机箱通信异常时，会出现通信异常告警。针对这一问题，检查USB通用串行总线功能正常后，对UCS接口进行了紧固，并在发射机降OFF后重启UCS-ASM机箱。

3.4 WAGO I/O通信异常

正常运行的发射机状态跌落至MOT状态，发射机水路、风路等信号丢失。经过分析得知，故障的原因为WAGO I/O系统控制多路关键模拟量输入与输出，当WAGO模块出现故障时，发射机无法读取到相关模拟量数据造成误判。针对这一问题，可在确认WAGO I/O系统看门狗运行正常后，紧固WAGO系统通信总线耦合器的光纤并重启WAGO系统。

3.5 发射机UCS系统自动化平台抄表数据显示错误

自动化平台抄表数据异常，MS开关位置显示与现实相反。经过分析可知，此故障为自动化平台软件故障，需要检查自动化配置文件。针对这一问题，可修改自动化软件配置文件中的Signallist.xml文件。

3.6 发射机UCS系统驻波比异常

发射机触摸屏HOME界面显示驻波比与屏耗超限，Events界面出现Upper warning APD、UCS-SW switched back to lower state、UCS-PSM switched back to lower state、Lower warning Ig1V2 or upper warning APD.VA runup stopped等告警信息，发射机自动降功率。经过分析，天馈线匹配异常或电容耐压不足会引起发射机驻波比与屏耗超限，同时发射机取样异常也会引起发射机驻波比与屏耗超限。发射机反射功率/入射功率取样通路为：定向耦合器→射频衰减器→AD-PANEL板卡→UCS-SW机箱。因为此次故障并未出现反射功率超限，所以采样故障的可能性更大。针对这一问题，在更换UCS-SW机箱后故障依然存在，但更换射频衰减器后表值恢复正常。