基于PLC，觸摸屏及變頻器對吹膜機的改造
我國加入WTO以后，企業(yè)在國際市場上面臨前所未有的競爭，因此針對改善產(chǎn)品品質(zhì)和提高生產(chǎn)效率的技術(shù)革新勢在必行。傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)存在硬件繁雜、電氣線路多、人機交流困難、機械調(diào)速系統(tǒng)復(fù)雜而帶來的維護(hù)工作量大、時間長和可靠性差等問題。本論文根據(jù)目前工業(yè)自動控制領(lǐng)域比較先進(jìn)的PLC,觸摸屏及變頻器技術(shù)對塑膠吹膜機進(jìn)行電氣自動化改造及技術(shù)升級，解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)操作復(fù)雜，新產(chǎn)品生產(chǎn)周期長等問題，有利于人員培訓(xùn)及提高企業(yè)市場競爭力。
第1章 引言
上世紀(jì)80年代來自臺灣的塑膠吹膜機，其溫控電路采用的是溫控器加接觸器的方式，由于長期工作在頻繁的大電流通斷狀態(tài)，接觸器損壞率非常高，而且每個溫控器只能控制一段溫度，造成很多溫控器散落在各處，操作非常不便。控制電路使用的是繼電器互鎖的方式，線路復(fù)雜，維修的難度很大，可靠性也非常低。調(diào)速是通過機械部分完成的，主要通過更換齒輪的減速比來實現(xiàn)，機械磨損很嚴(yán)重且非常耗能。這些落后的技術(shù)使得需要投入大量的人力物力進(jìn)行操作和維護(hù)，同時造成維護(hù)停機時間長，零配件消耗費用高等問題。鑒于以上落后的技術(shù)無法滿足生產(chǎn)需求和使企業(yè)在市場上處于競爭優(yōu)勢，本人采用了近年來在工業(yè)上使用越來越廣泛的PLC，觸摸屏及變頻器對該機進(jìn)行了改造。新的技術(shù)采用溫控模塊加固態(tài)繼電器的方法控制溫度，解決了長期頻繁的大電流通斷所帶來的零件損壞問題。變頻器調(diào)速的方式解決了機械磨損很嚴(yán)重且非常耗能的問題。觸摸屏的使用有利于操作者直觀的了解機器目前的狀態(tài)解決了操作復(fù)雜，人員培訓(xùn)難的問題。以上技術(shù)的綜合應(yīng)用可靠性高，可實現(xiàn)設(shè)備長期免維護(hù)，解決維護(hù)難，維護(hù)停機時間長的問題。
第2章 設(shè)計思路及選型
2.1 控制要求
由于世界經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，企業(yè)訂單的迅速增加，產(chǎn)品呈多樣化趨勢，加上珠三角地區(qū)“招工難”情況的加劇。根據(jù)實際情況，對控制系統(tǒng)提出以下幾點要求：
1.系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠，可長時間無故障運行。
2.可以保存多組配方，并能按預(yù)先設(shè)定的配方自動的調(diào)整各馬達(dá)的速度。
3.要操作簡單，可以集中控制，節(jié)省人力。
4.要有故障報警及保護(hù)裝置。
2.2 系統(tǒng)分析
本系統(tǒng)主要是通過PLC，觸摸屏及變頻器的綜合應(yīng)用結(jié)合吹膜機的實際需要來完成控制要求的。設(shè)計思路主要是：用PLC溫控模塊加固態(tài)繼電器來控制吹膜機各段的溫度。用PLC模擬量模塊加變頻器來控制各馬達(dá)的速度。使用觸摸屏來完成溫度的設(shè)置和顯示，速度的設(shè)置和顯示，故障的設(shè)置和顯示，配方功能的實現(xiàn)等等。
2.2.1 吹膜機介紹及工作流程圖
塑膠吹膜機是一種把顆粒狀的塑膠原料制造成塑膠薄膜的機器，其工作流程如下：
在入料口加入塑膠原料，同時加熱主螺桿和旋轉(zhuǎn)模頭。待各溫度值到達(dá)設(shè)定值時啟動機器，此時經(jīng)過高溫熔化后的塑膠原料在主螺桿的帶動下由環(huán)狀的旋轉(zhuǎn)模頭擠出，擠出的薄膜經(jīng)過風(fēng)冷和水冷后被引取輪引出，再經(jīng)過壓花輪A和壓花輪B壓花后被引入輪引入到卷曲輪，最后由卷曲輪將薄膜卷成一卷卷的成品。
流程方框圖及實物圖如下：
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圖2.1 流程方框圖
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圖2.2 吹膜機圖片
2.2.2 改造項目的控制方案及思路
1. 將原有的溫控器加接觸器控制溫度的方式，改為PLC加溫度模塊加固態(tài)繼電器的方式。因為固態(tài)繼電器是無觸點的控制器件，損壞率非常低，用于加熱時的頻繁大電流接通很適合。PLC加溫控模塊的方式很穩(wěn)定，控溫準(zhǔn)，并且溫度可以集中控制。
2. 將原有的通過機械部分更換齒輪減速比的調(diào)速方式，改為用變頻器改變電機頻率調(diào)速。變頻器調(diào)速具有節(jié)能，穩(wěn)定的優(yōu)點。同時解決了機械調(diào)速的磨損和維修難問題，而且通過用PLC模擬量輸出的功能控制變頻器，可以集中控制變頻器，操作簡單。
3.用觸摸屏做為上位機來完成各項溫度的設(shè)定，變頻器頻率的設(shè)定，配方功能，報警顯示，機器故障和狀態(tài)顯示等。使操作大為簡化，節(jié)省人員。配方功能可以方便隨時更換新產(chǎn)品，節(jié)省新產(chǎn)品上線時間，提高效率。報警顯示和故障顯示可以隨時告知故障情況和故障點，便于維修和調(diào)試，同時避免了故障的擴(kuò)大化。
以下為控制方案圖：
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圖2.3 控制方案圖
2.2.3 PLC，觸摸屏及變頻器的選型
（1）PLC的選型
目前的PLC大致分為兩個流派。一個是日本派系，其代表有三菱，歐姆龍等品牌。
另一個是歐美派系，它的代表主要是西門子，AB等。我國的PLC主要是日本派系的，有一些比如信捷，永宏，豐煒，臺達(dá)等品牌（永宏，豐煒，臺達(dá)為中國臺灣品牌）。
PLC選型主要根據(jù)功能和性價比來決定，因為功能越強，價格就越高。本工程要
求PLC具有RS485通信，可擴(kuò)展模塊，完成AD轉(zhuǎn)換，溫度控制，模擬量輸出等功能，而且要求PLC具備相應(yīng)指令系統(tǒng)和該公司必須有配套的相關(guān)模塊。
根據(jù)經(jīng)濟(jì)實用的原則，本工程選用了永宏電機的FBS-32MAT型PLC，F(xiàn)BS-TC6溫控模塊，F(xiàn)BS-4DA模擬量輸出模塊，F(xiàn)BS-6AD模擬量輸入模塊和FBS-CB5通信模板。
（2）．觸摸屏的選型
目前市面上的觸摸屏種類很多，常用的品牌主要有FATEK,eView，GE， Proface ，HAKKO ，WEINVIEW， HITECH 等。
和PLC一樣，觸摸屏的選型也是依靠功能和性價比來決定的，功能越強，價格就越高。本工程所要求的功能幾乎所有的品牌都可以做到，因此根據(jù)經(jīng)濟(jì)實用原則，本工程選用了價格相對較低的FATEK公司的FV070ST-T50觸摸屏。
（3）．變頻器的選型
變頻器選型時要注意的幾點：
1) 采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。
2) 變頻器的負(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時的方式方法。
3) 變頻器與負(fù)載的匹配問題；
I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。
II. 電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。對于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。
III.轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時有可能發(fā)生。
4) 在使用變頻器驅(qū)動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。
5) 變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。
6) 對于一些特殊的應(yīng)用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。
根據(jù)以上要求結(jié)合本工程實際情況，本工程選用的變頻器均為藍(lán)海華騰V5系列。如下圖所示：
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圖2.6藍(lán)海華騰V5系列變頻器
第3章 應(yīng)用設(shè)計及功能實現(xiàn)
3.1 觸摸屏與PLC實現(xiàn)人機對話的設(shè)計
要想實現(xiàn)觸摸屏與PLC的人機交流，必須卻保PLC與觸摸屏的正常通訊，同時觸摸屏上畫面的各種元件必須一一對應(yīng)PLC上的各種軟元件。
3.1.1 FBS系列PLC與永宏FV系列觸摸屏的連接說明
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圖3.1 永宏觸摸屏軟件觸控大師設(shè)置圖
FV系列觸摸屏的畫面編輯軟件為《觸控大師》，上圖3.1 是永宏觸摸屏與FBS系列PLC通訊時畫面編輯軟件《觸控大師》上的設(shè)置。圖3.2是FV系列觸摸屏與FBS系列PLC通訊的詳細(xì)接線圖，用RS232通訊協(xié)議實現(xiàn)通訊。
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圖3.2 觸摸屏與FBS主機的RS232通訊接線圖
3.2 溫度控制的實現(xiàn)
本工程要求溫度控制在一定的精度范圍，用觸摸屏輸入設(shè)定溫度值，同時通過觸摸屏畫面監(jiān)控溫度值。
3.2.1 PLC溫控模塊FBS-TC6的接線圖
溫控模塊的作用是把熱電偶感知的溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號送給PLC的裝置，溫度的精度與模塊的分辨率有關(guān)，分辨率越高精度就越高。下圖是FBS-TC6的接線圖。
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圖3.3 PLC溫控模塊FBS-TC6的接線圖
3.2.3 觸摸屏溫控畫面
圖3.4是觸摸屏的溫控畫面。圖中《設(shè)定值》用來設(shè)定所需溫度值，《感測值》用來顯示FBS-TC6所檢測到的溫度值，《手動加熱》是用來選擇加熱的開關(guān)。
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圖3.6觸摸屏溫控畫面
上圖中《感測值》用來顯示FBS-TC6所檢測到的溫度值，也就是FBS-TC6測量現(xiàn)場所得到的測量值經(jīng)過轉(zhuǎn)換得來的，之所以要經(jīng)過轉(zhuǎn)換，是因為FBS-TC6測量現(xiàn)場所得到的測量值是一個工程值，要想顯示實際的℃溫度，就必須轉(zhuǎn)換。該處需要注意一個問題，觸摸屏里面的小數(shù)點只是個假象，參與程序運算的實際上是個整數(shù)，比如觸摸屏設(shè)值33.3，那么在PLC中參與運算的則是333.
3.2.4 PLC溫控程序的思路
目前來講PLC控制溫度最為科學(xué)的方法應(yīng)當(dāng)是PID控制法。PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。
PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善�，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下：
(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；
(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；
(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID 控制器的參數(shù)
PID溫控系統(tǒng)常見的一些問題和對策：
1.加溫很迅速就達(dá)到目標(biāo)值，但溫度過沖很大
分析：A.比例系數(shù)過大，致使在未達(dá)到設(shè)定溫度前加溫比例過高。
B．微分系數(shù)過小，致使對對象反應(yīng)不敏感。
對策：減小比例系數(shù)或增加微分系數(shù)。
2.加溫經(jīng)常達(dá)不到目標(biāo)值，小于目標(biāo)值的時間較多。
分析：A.比例系數(shù)過小，加溫比例不夠。
B.積分系數(shù)過小，對恒偏差補償不足。
對策：增加比例系數(shù)或增加積分系數(shù)。
3．基本上在控制目標(biāo)上，但上下偏差偏大，經(jīng)常波動。
分析:A.積分系數(shù)過小，對即時變化反應(yīng)不夠快，反映措施不力。
B．積分系數(shù)過大，使微分反應(yīng)被淹沒鈍化。
C.設(shè)定的基本定時周期過短，加熱沒有來得及傳到測溫點。
對策：改變積分系數(shù)，調(diào)整基本定時周期。
4． 受工作環(huán)境影響較大，在稍有變動時就會引取溫度的波動。
分析：A.積分系數(shù)過小，對即時變化反應(yīng)不夠快，反映措施不力。
B.設(shè)定的基本定時周期過長，不能及時得到修正。
對策：改變微分系數(shù)，調(diào)整基本定時周期。
3.3馬達(dá)調(diào)速的實現(xiàn)
觸摸屏，PLC，變頻器實現(xiàn)馬達(dá)的調(diào)速，有以下幾點：1，通過觸摸屏輸入馬達(dá)速度的設(shè)定值和顯示馬達(dá)的當(dāng)前速度。2，用PLC的模擬量輸出模塊FBS-4DA輸出0-10V的電壓控制變頻器的輸出頻率。3，由變頻器驅(qū)動馬達(dá)運轉(zhuǎn)及停止。
3.3.1 PLC模擬量輸出模塊FBS-4DA的接線圖
模擬量輸出模塊的作用是將PLC給出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量信號并輸出電壓或電流的裝置，下圖是永宏電機FBS-4DA模擬量輸出模塊的接線圖。O0+和O0-端子輸出的0-10V電壓連接到變頻器的0-10V模擬量輸入端子上，來控制變頻器速度。
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3.3.3 觸摸屏速度控制畫面
下圖是觸摸屏的速度控制畫面，主要用來控制各馬達(dá)的速度。OFF 這牌按鈕是用來啟停相對應(yīng)得馬達(dá)的開關(guān)。A處的按鈕用來設(shè)定和顯示馬達(dá)頻率設(shè)定值。B處顯示馬達(dá)當(dāng)前運行的頻率。《加速》和《減速》按鈕分別用來在運行時對馬達(dá)頻率進(jìn)行微調(diào)。
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《馬達(dá)頻率設(shè)定值》是觸摸屏對PLC主機給出的現(xiàn)場所需的馬達(dá)頻率，為一個現(xiàn)在值，需要根據(jù)實際情況通過PLC主機程序運算得到一個0-250的工程值，把這個工程值賦予FBC-4DA模塊，再由FBS-4DA模塊轉(zhuǎn)換為模擬量電壓或電流來控制變頻器。在這里同樣要注意觸摸屏的小數(shù)點問題。
3.3.4 變頻器的接線及設(shè)置
變頻器接線示意圖：
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變頻器的設(shè)置
不同品牌的變頻器參數(shù)設(shè)置方法各不相同，但萬變不離其中，主要有以下幾個方面：
1. 設(shè)定頻率指令來源，本工程應(yīng)設(shè)定為主頻率輸入由模擬信號DC 0- +10V 控制（AVI）。
2. 運轉(zhuǎn)指令來源，本工程設(shè)定為運轉(zhuǎn)指令由外部端子控制。
3. 馬達(dá)停機方式，本工程設(shè)定為自由停車。
4. 最高操作頻率，本工程設(shè)定為100HZ。
5. 最高輸出電壓，本工程設(shè)定為220V。
另外一些比如加減速時間，禁止反轉(zhuǎn)等功能也需要根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)定。
結(jié)論
PLC，觸摸屏及變頻器的自動控制綜合應(yīng)用技術(shù)提高了工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)設(shè)備的效率，解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)操作復(fù)雜，新產(chǎn)品生產(chǎn)周期長等問題，有利于人員培訓(xùn)及提高企業(yè)市場競爭力。本文結(jié)合現(xiàn)實生產(chǎn)中的實際情況，完成了對塑膠吹膜機的改造，應(yīng)用PLC，觸摸屏及變頻器的綜合控制技術(shù)完成了溫度，速度的控制，提高了電氣控制的可靠性，縮短了維修時間，減少了維修的工作量，降低了設(shè)備零部件的損壞率。因此該技術(shù)可以在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)當(dāng)?shù)玫綇V泛的應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。
信捷產(chǎn)品在氫氣燃料電池項目中的應(yīng)用
一、項目介紹1、項目工藝介紹氫燃料電源系統(tǒng)是在主供電網(wǎng)不穩(wěn)定，甚至完全沒有市電的情況下給需要用電的電信設(shè)備提供穩(wěn)定，可靠，具有實時監(jiān)測功能的不間斷電源系統(tǒng)。在通常情況下，這個氫燃料（備用）電源系統(tǒng)是一個根據(jù)用戶不同需要和不同應(yīng)用而專門設(shè)計和配置的一個完善的解決方案。2、項目應(yīng)用的產(chǎn)品 產(chǎn)品名稱 型號 數(shù)量 PLC XC3-24R-E 1 擴(kuò)展模塊 XC-E8AD 1 網(wǎng)絡(luò)模塊 G-BOX 1 觸摸屏 THA65-MT 1 二、控制系統(tǒng)的構(gòu)成1、系統(tǒng)硬件的構(gòu)成本系統(tǒng)由控制器信捷PLC，信捷模擬量擴(kuò)展模塊，和信捷網(wǎng)絡(luò)模塊G-BOX，以及各種測量儀表構(gòu)成�；驹恚焊鳒y量儀表將采集的信號傳給信捷模擬量擴(kuò)展模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再給PLC，從而做出相應(yīng)的輸出動作，同時將異常告警信號通過G-BOX發(fā)信息給工作人員。系統(tǒng)的幾種情況a.燃料電池待機狀態(tài)（有市電時）條件：有市電220V或380V，此時市電作為主供電（缺兩相，或者三相為市電缺失情況）系統(tǒng)控制操作：優(yōu)先切換到市電回路上，保證市電為負(fù)載正常供電，并關(guān)閉相關(guān)燃料電池系統(tǒng)。工藝流程圖如下：
b.燃料電池預(yù)啟動（有市電時→無市電的瞬間）條件：市電不穩(wěn)或者沒有市電時系統(tǒng)控制操作：切斷市電回路，啟動燃料電池系統(tǒng)。工藝流程圖如下：
c.燃料電池運行狀態(tài)（燃料電池正常工作，此時無市電）條件：市電回路切換、燃料電池此時作為主供電源系統(tǒng)控制操作：循環(huán)掃描A類，B類，C類，D類信號，發(fā)手機短信。工藝流程圖如下：d.燃料電池預(yù)關(guān)閉狀態(tài)（無市電→有市電的一瞬間）。條件：市電來電時系統(tǒng)控制操作：關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)、恢復(fù)市電供電電路。工藝流程圖如下：e.蓄能電池放電控制PLC通過本體采集鐵門門磁、傾斜撞擊、煙霧、水浸等信號；E-8AD模擬量采集電池溫度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、氫氣濃度、氣體閥前后壓力等信號；PLC本體再通過485和5個儀表通訊讀取電流電壓信號進(jìn)行分類A、B、C、D 信號，報警后作各種處理。2、工藝說明氫燃料電源系統(tǒng)具備完善的氫氣安全實時監(jiān)測功能，如遇到突發(fā)事件啟動或停止燃料電池。并且系統(tǒng)帶有環(huán)境動力監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)χ苓叚h(huán)境情況進(jìn)行實時監(jiān)控，并且記錄下當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)。具體需要實現(xiàn)的功能如下：1、完善的人機界面；2、提供比鉛酸蓄電池組+柴油發(fā)電機更靈活，更安全可靠的備電方案；3、提供比鉛酸蓄電池組+柴油發(fā)電機更經(jīng)濟(jì)的總體擁有成本（TCO）；4、提供瞬時、不間斷的備電；5、備電時長可達(dá)數(shù)小時、數(shù)天、數(shù)星期；6、在體積、重量、設(shè)備維護(hù)各個方面優(yōu)于電池組+柴油機方案；7、設(shè)備具有15-20年的工作壽命；8、無噪音、不產(chǎn)生震動；9、無任何有害物質(zhì)排放，零污染；10、可在高溫、潮濕、寒冷環(huán)境下工作；11、可安裝在室內(nèi)、室外或移動車輛上；12、具備短信報警功能，能夠?qū)⑷剂想姵氐倪\行狀態(tài)及當(dāng)前環(huán)境及安全告警狀態(tài)通知相關(guān)維護(hù)人員。3、控制方案a. XC系列PLC簡單，穩(wěn)定，方便，可靠，適應(yīng)性更強。b. 當(dāng)PLC循環(huán)掃描A類，B類，C類，D類信號，G-BOX通過GSM網(wǎng)絡(luò)給手機發(fā)出報警短信，G-BOX實現(xiàn)了自動化系統(tǒng)與GPRS網(wǎng)絡(luò)，GSM網(wǎng)絡(luò)的連接。c. 此項目是新研發(fā)的新產(chǎn)品，通過了嚴(yán)格的測試，各項指標(biāo)均已達(dá)標(biāo)。中國電信，中國移動，只要需要基站的地方都需要這樣的設(shè)備，事實證明，該設(shè)計方案可行，并已投產(chǎn)使用。
