+ 張睿 人民日報社衛(wèi)星地球站

人民日報天線主面融雪除冰系統(tǒng)

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1 前言

項目背景：

人民日報社衛(wèi)星版面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)于1992年建立，是國內第一家以傳輸報紙版面為核心業(yè)務的衛(wèi)星通信專網(wǎng)，首次實現(xiàn)報紙本地與異地代印點同步印刷出版。目前擁有C和KU兩套完全獨立、相互備份的衛(wèi)星版面?zhèn)鬏攲＞W(wǎng)，在全國建有46個代印點、137個衛(wèi)星接收小站，是國內報業(yè)規(guī)模最大、安全可靠性最高的衛(wèi)星版面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。

人民日報衛(wèi)星版面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)每天向全國代印點發(fā)送人民日報的數(shù)據(jù)版面文件，是人民日報出版流程的重要組成部分，其安全性、可靠性尤為重要，保證出版安全是我們的神圣使命與崇高政治責任。

當每年冬季來臨時，衛(wèi)星地球站的雪衰會干擾衛(wèi)星天線上下行信號，天線主面的冰雪會散射、吸收電磁波，增大噪聲溫度，影響衛(wèi)星傳輸?shù)纳闲休椛涔β屎拖滦衅焚|因數(shù)，嚴重時會導致信號完全中斷。經(jīng)測算，5mm厚的積雪化雪時產(chǎn)生的冰雪水混合物對C波段天線的G/T值降低約3dB，對Ku波段天線的G/T值降低最多可達6至8 dB，當天線覆蓋10cm以上的積雪時，C波段天線的信號被噪聲完全覆蓋。嚴重影響了衛(wèi)星系統(tǒng)的可用性，威脅出版安全。

為解決雪衰問題，我們采用過電熱絲加熱方式進行除雪，但此種方式故障率高、維修成本高、功率大，最終因效果不好被棄用。此后我們采用人工掃雪的方式，但由于天線都在高處，下雪后天線表面濕滑，掃雪人員的人身安全有很大隱患。所以我們迫切需要一種安全有效的融雪除冰手段來解決雪衰問題。

項目需求：

1、能夠快速有效的將融化天線表面積雪。

2、故障率低、使用壽命長、維護成本低。

3、用電安全、達到安全防火標準。

4、節(jié)能、功率可控，可根據(jù)氣候環(huán)境智能控制輸出功率。

5、具有友好的操作界面，簡單易用。

6、項目施工過程中不中斷再用業(yè)務。

對此我們進行了廣泛探索、調研和實踐，橫縱對比了多種技術，如吹風法、背板加熱法等。但吹風法的鼓風機噪音太大，對周邊的噪音污染太大，我們沒有采用，最終采用了背板加熱的方法。

對于何種背板加熱材料能夠見效快、耐老化，能夠滿足用電安全、滿足防火要求，我們細致的調研了碳板加熱膜、硅橡膠加熱膜等較為先進的加熱材料。最終選定了有較好貼副性能、導熱均勻、可靠性高的硅橡膠加熱膜作為天線主面加熱材料。

硅橡膠加熱膜原是作為輸油管道、大型設備和醫(yī)療設備等的保溫加熱材料，由于其柔軟、附著能力強，我們通過精確地功率控制系統(tǒng)創(chuàng)新性的將其應用在了天線背板加熱當中。

硅橡膠加熱膜技術參數(shù)：

（1）、最高使用溫度：最高使用溫度可達：225℃，最低環(huán)境溫度為-60℃（若采用3M雙面膠層，則最低使用環(huán)境溫度為-32℃）

（2）、最佳溫度：150 ℃

（3）、絕緣電阻：≥5 MΩ

（4）、耐壓強度： 1500v/5s

（5）. 電壓：220V/380V

（6）、功率偏差：±8%

本案中所使用的硅橡膠加熱片尺寸為20＊8cm2和10＊10 cm2兩種規(guī)格，功率密度為0.3W/ cm2。

2 設計說明：電氣系統(tǒng)

2.1 基礎動力電源情況

空調機房380V配電柜裝配80A、60A空氣開關，用16mm2＊5A 380V鎧裝電纜分別引入機房小配電箱并裝配60A空氣開關，再分別引向6.2米和4.5米天線。

2.2 室外配電箱

6.2 米和4.5米天線下方分別安裝一組空氣開關，6.2米所配總空開100A，四項控制器空開均為40安；4.5米天線所配總空開為80A，有三項均為40A的控制器空開。

380V鎧裝電纜進入總空開，分別將三根火線對應接入控制器，由于6.2米天線有四個功率控制器，根據(jù)設計要求和實際應用經(jīng)驗，將B相、D相控制器接入B相火線。

2.3 天線分區(qū)

6.2 米天線分四個功率控制器，既四個大分區(qū)。每個大分區(qū)分別控制四個溫區(qū)，共計16個溫區(qū)（既每瓣天線扇面）。

2.4 功率分配

經(jīng)過認真計算和反復試驗，當功率達到0.8KW/ m2時，可使天線表面溫度的絕對值上升30℃。

經(jīng)測算6.2米天線的面積約等于40 m2，每個小分區(qū)鋪裝40個大的和9個小的加熱單元，共計49個加熱單元2.19KW。每控制器四個溫區(qū)共計8.76KW。6.2米天線飽和功率為35.04KW。功率密度為0.876KW/ m2，優(yōu)于設計指標。

圖1 硅橡膠加熱膜供電時間與溫度關系

2.5 系統(tǒng)控制軟件

兩面天線共7個功率控制器通過交換機接入遠程監(jiān)控終端，通過后臺程序分配的IP地址進行統(tǒng)一管理。遠程監(jiān)控終端可以查看系統(tǒng)工作狀態(tài)、設置系統(tǒng)參數(shù)。

遠程控制終端讀取埋裝于天線背板的溫度傳感器中數(shù)據(jù)，再根據(jù)所得數(shù)據(jù)經(jīng)過加權平均算法得出每扇面的實際溫度值。系統(tǒng)再根據(jù)天線的實際溫度，對融雪除冰系統(tǒng)進行智能的功率控制，使溫度達到設定溫度。

圖中每一個扇面是一個溫區(qū)，當鼠標放到每個溫區(qū)上，可顯示該溫區(qū)的實時信息。每個溫區(qū)的顏色會根據(jù)實際溫度不斷變化。當實際溫度達到或接近設定溫度時，溫區(qū)圖會呈現(xiàn)出綠色；當實際溫度高于設定溫度時，溫區(qū)圖會向暖色系變化，直至呈現(xiàn)出紅色；當實際溫度低于設定溫度時，溫區(qū)圖會向冷色系變化，直至呈現(xiàn)出藍色。（上圖設定溫度為1.2℃，實際溫度為21℃，故溫區(qū)顏色呈現(xiàn)出紅色狀態(tài)。）

圖3 6.2米天線加熱單元分布

圖4 加熱單元分區(qū)

控制軟件工具條功能如下：

（1）顯示模式：可監(jiān)測天線溫度、功率、電流和占空比的實時數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)研判天線的工作狀態(tài)。

（2）控制軟件可以將多面天線進行統(tǒng)一管理，通過“天線查看”工具條或軟件下方的左右箭頭進行切換。

圖5 配電結構示意圖

圖6 6.2米天線操作界面

（3）設置。

1)供電區(qū)域最大功率：在設置選項中，可根據(jù)供電條件和用電需求合理設置供電總功率，系統(tǒng)會根據(jù)此項設置按需分配每面天線以及每個溫區(qū)的供電功率。

2)天線溫度設定：此設定是根據(jù)室外氣候條件設定的理想工作溫度，當溫度設定后，融雪除冰系統(tǒng)將以此標準進行工作。

3)天線最大功率：是指在多面天線加熱系統(tǒng)組成一個天線加熱陣列時，其中一面天線的最大限制功率。

4)天線工作模式：系統(tǒng)有3種可配置工作模式，恒溫模式、功率限制、自動模式：

恒溫模式：設置天線表面溫度后，各分區(qū)對加熱功率進行控制使天線表面溫度保持在設定溫度±0.5℃內。此模式天線表面溫度穩(wěn)定，在極端惡劣天氣下能保證天線表面無積雪。

功率限制模式：由于部分現(xiàn)場條件限制，無法提供恒溫模式所需功率。系統(tǒng)根據(jù)所處“供電區(qū)域”設定的功率，自由分配分區(qū)進行加熱。分區(qū)申請到功率后對該區(qū)域進行加熱，溫度達到設定值（預設1.2℃，可遠程配置）停止加熱，釋放的功率由其它分區(qū)進行申請。該模式使用功率小，但天線表面溫度不均勻，可能部分分區(qū)會短時出現(xiàn)堆積。經(jīng)實際測試，使用中13m天線在6kW限制功率下，中雪環(huán)境能保證天線正常工作。

自動模式：結合恒溫模式和功率限制模式的優(yōu)點，在非惡劣天氣下工作在恒溫模式，保證天線表面溫度穩(wěn)定。在極端惡劣天氣下，由于功率超過“供電區(qū)域”設定的功率，自動切換到功率限制模式，保證天線正常工作。

3 系統(tǒng)效果及特點

天線主面融雪除冰系統(tǒng)主要應用于7＊24小時地球站，能使衛(wèi)星天線表面在冰雪天氣中無法被冰雪覆蓋，是確保通信業(yè)務不受冰雪影響的有效手段。

系統(tǒng)基本原理是將電器性能高度穩(wěn)定的硅橡膠電加熱片附著在天線背板上，用高精度的功率控制使其更加安全、穩(wěn)定、節(jié)能。該系統(tǒng)有以下特點：

（1）融雪速度快、效果好。15分鐘內可使天線表面溫度提升20℃，最低可在室外環(huán)境零下30℃的情況下正常運行。在恒溫模式下溫度穩(wěn)定度高，溫漂小于1℃。若在降雪前開啟，天線主面將無法覆蓋積雪，所以降雪過程中不影響天線正常工作，天線的接收信標下降不超過1dB。

（2）精確合理的功率控制，安全、節(jié)能。根據(jù)天線的傳熱特性,使用有限元分析方法進行科學設計，大幅提升系統(tǒng)加熱效率。256級的過零功率控制和軟啟動的方式避免了沖擊電流對電器元件的損耗，增強了使用壽命降低了EMC干擾。通過系統(tǒng)對功率的精確控制，在非極端氣候條件下，通常只需要設計功率的10%即可達到融雪效果。即便有供電達不到設計要求的情況出現(xiàn)，通過系統(tǒng)的功率控制模式，依然能夠保證系統(tǒng)的正常運行。

（3）控制軟件優(yōu)秀?；贗P管理，能夠輕松部署到任何網(wǎng)絡，且可部署多監(jiān)控端，方便監(jiān)控管理；軟件可遠程開關系統(tǒng)，設置參數(shù)，監(jiān)控狀態(tài)；軟件可設置多種控制模式，以應對各種工作環(huán)境；參數(shù)設定后，系統(tǒng)全自動工作無需人工干預。

（4）很強的系統(tǒng)整體性和擴展性。系統(tǒng)可以控制多幅天線的加熱系統(tǒng)組成一個整體的陣列式系統(tǒng)，統(tǒng)籌分配總供電功率和每幅天線功率，確保不超過總設定功率的前提下合理分配功率。系統(tǒng)還可以根據(jù)需求隨時將新的天線加入已整合好的陣列式系統(tǒng).

（5）安全、可靠性高。系統(tǒng)采用多種保護措施保證系統(tǒng)的安全可靠運行。采用耐高低溫材料、防水設計和施工保證使用壽命。分布式的設計保證部分部件損壞不影響整體系統(tǒng)的運轉。系統(tǒng)中所有控制器均獨立運行，使用內部網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)共享，在任何控制器失效的情況下均不會影響其它控制器的正常使用。即使在設備失效或損毀的特殊情況下，依然可以使用控制器面板上的手動控制開關對天線進行手動加熱控制。

（6）其他安全特性：本系統(tǒng)的設計之初將確保安全定義為最低要求，全面的安全保護裝置、設置是確保本系統(tǒng)安全運行的基礎。實際功率超過設定功率、極端條件下的天線表面溫度失控、軟硬件控制系統(tǒng)故障，當任意一項意外發(fā)生時，系統(tǒng)都將進入緊急停機保護，防止意外情況的進一步擴大。優(yōu)質的電子元器件和嚴謹?shù)氖┕すに?，也確保了系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定。

4.后續(xù)

經(jīng)過一個冬天，系統(tǒng)經(jīng)歷了低溫、大風降溫、冰雪等氣象條件的檢驗，這套融雪除冰系統(tǒng)都能穩(wěn)定的將溫度保持在設定溫度的±0.5℃以內，體現(xiàn)出了融雪速度快、消耗功率低等特點，效果顯著，結果令人滿意。我們近期正在研發(fā)降雪自動檢測等模塊來不斷完善本系統(tǒng)。但一個新系統(tǒng)還需要不斷的思考與完善，也歡迎業(yè)界的同仁們一同探討，提出您的寶貴意見，將天線主面融雪除冰的頑疾問題一掃而凈。