廣播電視發射臺集成監控管理系統設計

韓榮華

（山西廣播電視無線管理中心，山西 太原 030001）

1 引言

由中國傳媒大學廣播電視數字化工程中心與山西廣播電視無線管理中心共同研發的廣播電視發射臺集成監控管理系統（Transmitter-station Integrated Monitor and Management System，TIMMS），是針對現行發射臺發射機固態化后對多部發射機實現集成監管的需求，將實時監控與遠程監控、網管等技術相結合，并針對以往各種發射機自動監控系統存在的缺點和不足，在優化系統功能、增強可靠性等方面進行了科研攻關，經過在山西省4個直屬調頻電視發射臺進行反復試驗、不斷改進和完善的基礎上完成的[1]。實踐證明，該系統性能先進，功能完善，抗干擾能力強，運行穩定可靠。

2 TIMMS系統結構

TIMMS的結構如圖1所示。系統可分為3層，即實時控制層、監控管理層和遠程監管層。

2.1 實時控制層

實時控制層負責對發射機進行數據采集和實時控制。這一層由實時控制單元PLC[2]、發射機信號采集板以及RS-485通信單元組成。發射機數據采集與控制板結構如圖2所示。

1）PLC控制單元

實時控制層的核心為PLC（可編程邏輯控制器）。PLC是以微處理器為核心，集計算機技術、自動化控制技術及通信技術于一體的工業控制裝置，又稱工業控制計算機。其主要特點有：（1）可靠性高，抗干擾能力強，適應高溫、振動沖擊、強電子干擾等惡劣的工業環境；（2）豐富的I/O接口模塊，易于和現場設備連接；（3）采用類似繼電器控制線路的梯形圖編程，編程簡單靈活，便于現場修改；（4）指令豐富，運算能力強；（5）CPU具有自診斷功能，不會有病毒和死機現象；（6）具有停電記憶與來電自動重啟功能。

2）數據采集

數據采集分模擬量和開關量。模擬量最多可采集128個，包括輸出功率、反射功率、調制度、駐波比、各級電壓、電流等。開關量包括門連鎖、通信狀態、運行狀態等。

下面以本省10 kW全固態電視發射機（北廣電子集團生產）為例，共計采集125個模擬量，包括有整機發射功率、反射功率、駐波比，功放柜A和B的發射功率、反射功率、駐波比，交流380 V三相電壓和激勵器功率。每個功放模塊取5個電流、2個溫度值，16個功放模塊共采集80個電流值、32個溫度值。取樣值通過發射機的外部接口板提取，該接口電路板上的二極管、暫態吸收穩壓管和光電隔離器能隔離和吸收外部電纜瞬態電壓或干擾信號，以確保采樣值準確可靠。

開關量包括門開關、天線位置、激勵器A/B狀態、中放A/B狀態、調制推動A/B狀態等。從信號采集點將開關量接入信號采集板，再通過光電隔離后送進PLC的開關量輸入模塊進行檢測。

PLC微處理器采用循環掃描方式，在一個掃描周期內，由16個160 ms寬度的選通脈沖相應選通第1到第16個模塊的順序，采集每個功放模塊的5個電流量、2個溫度量、整機輸出功率和反射功率、A柜輸出功率和反射功率、B柜輸出功率和反射功率、ABC三相電壓以及激勵器輸出功率。

3）實時控制功能

發射機的實時控制功能通過PLC及控制程序實現。用于SIMATIC可編程控制器組態和編程的標準軟件包STEP7 支持 3 種語言，即語句表（STL）、梯形圖（LAD）和功能塊圖（FBD）。本系統主要采用梯形圖編程語言，在計算機或筆記本電腦上編寫PLC控制程序，然后下載到PLC中。

PLC實時控制單元可實現功能為：（1）定時開關機。每天可設置3次開關機時間，每周7天可分別設置。（2）自動功率控制功能（APC）。開機時步進增功率，關機時步進降功率，播出過程中自動調整功率至滿功率或設定功率。（3）發射機各參數越限報警及保護功能。駐波比超過1.25時自動降功率，無音視頻或駐波比超過1.5時封鎖激勵等。（4）3次過荷自動保護。針對電流、駐波比等參數，在20 s內連續發生3次過荷時強制關機保護。（5）發射機停電記憶與來電自動重啟功能。（6）主備機自動倒換功能。

4）實時控制層的抗干擾措施

盡管PLC本身具有很強的抗干擾能力，但考慮到發射機房各種干擾因素比較多，如電源波動、強電磁干擾、動力強電沖擊等，均可能影響控制系統的正常工作。為進一步確保實時控制層的可靠性，針對發射機房干擾源類型，采取了相應的電磁兼容抗干擾措施，即PLC內部和外部電路分別接地，內部CPU、存儲器等電路共接數字地，外部A/D、D/A等共接模擬地。PLC系統接地線和其他電器的機體接地線各自單獨接地，對于開關量的輸入，則先經由延遲濾波器 （延遲時間從0.2 ms到12.8 ms可選，默認值為6.4 ms）對噪聲脈沖進行過濾，當輸入狀態改變時，必須在延遲時間期限內保持在新狀態，方為有效；對于模擬量的輸入，PLC有模擬輸入濾波器，可對不同的模擬輸入選擇軟件濾波器，其濾波值為模擬量輸入設定個數采樣值的平均值。

采用以上綜合抗干擾措施后，系統的抗干擾性能得到進一步增強。

2.2 監控管理層

監控管理層由工控機、監控管理軟件、數據服務器和數據庫組成。

1）現場數據通信

現場數據通信采用RS-485總線，可連接32個下位機，加中繼器后最多可連接255個設備。

為確保串行通信安全可靠，數據幀采用具有起始、結束字段的完整數據包格式。由地址標示符識別系統中的每個PLC，以避免通信沖突。數據幀號能確定發送數據的內容，有利于數據通信的可靠性。并采用高效檢錯的CRC（循環冗余校驗碼）進行差錯控制。

此外，針對上、下位機之間通信意外中斷的情況，采用了數據恢復機制。當PLC檢測到通信意外中斷時，將采集到的數據暫存到自身的緩存區，同時記錄采集數據的時間，并等待上位機發出數據恢復命令；當上位機檢測到通信意外中斷時，會一直檢測通信狀況，直到通信恢復正常后向下位機發送數據恢復命令，下位機收到命令后按照通信中斷恢復幀的格式傳送緩存區的數據。

2）數據庫

采用Microsoft SQL Server作為監控管理系統的數據庫平臺。

數據庫包括設備實時數據、值班員信息以及相關的各種輔助信息。實時數據由軟件通過通信端口與設備控制器通信采集回來經加工處理而得到，利用這些數據可實現各種監控功能，如報警、數據顯示、數據記錄、數據查詢等。管理數據以值班員為核心建立值班員賬號，通過賬號實現對遠程操作、值班日志、維修日志和值班考勤等各項功能和數據的管理。

3）監控管理軟件

監控管理軟件主要有兩大功能，一是實時監控功能，包括開關機操作、功率調整、模式切換、主備機倒換等，并能正確判斷、處理發射機運行故障并及時報警[3]。另一個是管理功能，包括發射機屬性設置、播出時間表設置、發射機數據存儲、歷史數據統計、數據組合條件查詢、格式報表打印和值班管理等。

監控軟件提供全圖形化的分區導航按鈕操作界面，可直觀地顯示發射機所有參數和工作狀態，顯示方式包括數碼顯示、模擬指針表頭顯示、模擬溫度計和狀態燈顯示等多種方式。圖3為圖形化數據顯示界面截圖。

4）故障診斷專家系統

故障診斷專家系統由人機交互界面、知識庫、推理機、解釋器、綜合數據庫、知識獲取等6個部分構成。在專家系統的知識庫中收集了本系統眾多專家和一線工程技術人員的專業知識和維護經驗，通過知識獲取機制可以不斷地對專家系統知識庫進行更新和新知識的補充。當發射機出現故障時，故障診斷專家系統根據專家提供的知識和經驗進行推理和判斷，并將相應的處理措施通過界面提供給用戶，同時監控管理系統發出聲、光信號報警，以提醒值班員對故障進行及時處理。對于值班員未能在規定時間范圍內處理的報警信息，系統會自動通過手機短信將報警信息發送到預先設置好的手機號碼上。

2.3 遠程監管層

2.3.1 遠程監控管理系統結構

遠程監管系統采用了B/S架構[4]，即瀏覽器/服務器模式，其結構如圖4所示。

Web瀏覽器在客戶端通過統一資源定位器（URL）指向的Web服務器提出服務申請；Web服務器對用戶進行身份驗證后，通過HTTP把所需要的文件資料傳送給用戶，并顯示在用戶的Web瀏覽器上。

Web服務器負責向用戶提供實時數據顯示、歷史數據查詢、用戶登錄驗證等服務。該層的任務是接受用戶請求，通過SQL等方式向數據庫服務器提出數據處理申請，而后等數據庫服務器將數據處理結果提交給Web服務器，再傳送回客戶端。

數據庫服務器的任務是接受Web服務器對數據庫操縱的請求，實現對數據庫查詢、修改、更新等功能，把運行結果提交給Web服務器。

Web服務器是一種交互式圖形界面的Internet服務，通過HTML語言把信息組織成為圖文并茂的超文本。而Web瀏覽器則是為用戶提供基于HTTP超文本傳輸協議的用戶界面，創建有多個Web窗體，如首頁、管理員登錄頁、報警信息頁、單個發射臺監控頁面、單個模塊監控頁面、運行數據查詢、模塊參數查詢、故障記錄查詢、運行統計查詢、考勤記錄查詢、值班日志查詢和權限管理等。

遠程監管層通過以太網與監控管理層連接，通過網絡通信技術與數據庫技術獲取發射臺現場數據[5]。由于在本省高山臺未通光纜，但參與試驗的這4個高山臺均開通了數字微波，因此可利用協議轉換器將局域網的以太信號與數字微波的E1信號相互轉換，通過數字微波構建起通信網絡，采用無線傳輸方式實現遠程監測數據的回傳。這4個發射臺的發射機數據通過數字微波通道回傳到省局監測中心的服務器，該服務器在互聯網上設有固定IP地址，無線管理中心各相關業務部室可登陸該IP地址頁面，通過授權認證后，實時監看各臺站發射機運行的各項數據，了解遠程發射機的運行狀態，從而指導對發射機進行維護管理。

2.3.2 遠程監管系統主要功能

遠程監控管理系統的主要功能如下：1）顯示多個發射臺簡要概況及發射機重要參數；2）準實時顯示發射機運行狀態及參數；3）條件查詢發射機歷史數據，生成格式報表；4）發射機故障報警及故障輔助診斷；5）修改發射機運行時間表及相關參數；6）查詢發射臺值班信息，生成格式報表；7）遠程打印數據報表；8）其他管理功能。基于安全性考慮，在遠程監管層未開放發射機控制功能。

3 小結

TIMMS具有完備的實時控制功能和完整的發射機管理功能，實現了對發射機運行狀態、技術指標、值班情況的現場監控和遠程管理。由于其實時控制層采用了高可靠性和抗干擾能力強的PLC控制器，與采用單板機進行實時控制的系統相比，該系統現場抗干擾和抗雷擊的性能大大提高，特別適用于高山臺強電磁干擾和多雷的惡劣環境。此外，由于采集的模擬量多達128個，能夠全面監控發射機的運行狀態，并可準確定位故障，借助專家智能分析系統還可實現故障診斷。該系統的應用，使發射臺的技術維護管理工作得到全面升級，實現了由傳統的依賴于值班員的現場和單機監管向自動化、網絡化、集中監管和遠程遙控的現代化管理模式的跨越，有力促進廣播電視節目的安全優質播出。

[1]李建軍，周劍，王金華.山西省廣播電視發射臺集成監控管理系統[J].廣播與電視技術，2009（1）：55-56.

[2]柴瑞娟，陳海霞.西門子PLC編程技術及工程應用[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3]葉建紅，楊朝赟，周劍.廣播電視發射機故障診斷專家系統研究[J].廣播與電視技術，2008（8）：48-51.

[4]宋培義，劉麗華，梁鄭麗.計算機網絡技術及應用[M].北京：中國廣播電視出版社，2003.

[5]劉行兵，牟占生，孫斌.電視發射臺遠程監控系統的實現[J].電視技術，2008，32（11）：70-71.