中波廣播發(fā)射機自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的下位機子系統(tǒng)軟件設(shè)計及“零點問題”分析與解決

文丨陳思平

中波廣播發(fā)射機自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的下位機子系統(tǒng)軟件設(shè)計及“零點問題”分析與解決

文丨陳思平

發(fā)射機自動化監(jiān)控系統(tǒng)以數(shù)據(jù)、表格和聲音等形式實時監(jiān)控發(fā)射機的運行情況，自動控制發(fā)射機的開關(guān)機，自動應急故障處理，故障自動告警和診斷。下位機子系統(tǒng)作為自動化實時監(jiān)測控制系統(tǒng)中的一個重要組成部分，在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。本文主要論述自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的下位機子系統(tǒng)中的軟件設(shè)計及一個代表性問題的分析與解決。

自動化； 實時監(jiān)控； PAC軟件

中波廣播發(fā)射機的固態(tài)化和數(shù)字化，給發(fā)射機的自動監(jiān)控奠定了堅實的基礎(chǔ)，發(fā)射機的各種外部接口也為機器的自動控制提供了極大的方便。隨著各臺站逐漸建立起自己的計算機局域網(wǎng)，基于局域網(wǎng)的自動化監(jiān)控也有了質(zhì)的飛越。

1 自動化實時監(jiān)測控制系統(tǒng)構(gòu)成

廈門廣播電視集團發(fā)射中心201臺自動化實時監(jiān)測控制系統(tǒng)如圖1所示。

系統(tǒng)主要由下位機子系統(tǒng)、局域網(wǎng)通訊子系統(tǒng)、客戶端監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器四個子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)相對獨立，都可以以損失部分功能為代價脫離其他系統(tǒng)獨立運行，同時又有緊密的聯(lián)系，互相有著頻繁的數(shù)據(jù)交換，組合在一起，才構(gòu)成完整的自動化實時監(jiān)測控制系統(tǒng)。控制網(wǎng)和辦公網(wǎng)之間用物理單向的傳輸通道連接，既能讓辦公網(wǎng)中的用戶了解機器設(shè)備的運行狀態(tài)實時信息，又能百分百防止黑客和病毒程序?qū)刂凭W(wǎng)的入侵。

2 下位機子系統(tǒng)軟件需求

圖1 自動化監(jiān)控系統(tǒng)整體框圖

下位機即發(fā)射機的前端控制器，可以直接對發(fā)射機實現(xiàn)監(jiān)測和控制的設(shè)備。下位機安裝于發(fā)射機內(nèi)部，每臺發(fā)射機都有自己的下位機。下位機以并發(fā)互聯(lián)方式連接到發(fā)射機，對發(fā)射機原有電路不做修改、不影響原有功能。發(fā)射機面板上手動操作與下位機自動控制相互獨立，必要時可通過機器面板的遙控或本地開關(guān)來進行自動/手動切換，手動時實時監(jiān)控系統(tǒng)只有監(jiān)測功能，沒有控制功能。下位機子系統(tǒng)脫離了其他子系統(tǒng)仍然能夠正常運行。自動化系統(tǒng)中的其他子系統(tǒng)都需要從下位機子系統(tǒng)獲取信息以實現(xiàn)具體功能，脫離下位機子系統(tǒng)，自動化系統(tǒng)就失去了對發(fā)射機的聯(lián)系，監(jiān)測控制也就無從談起，下位機子系統(tǒng)是整個自動化系統(tǒng)的基石。下位機子系統(tǒng)作為自動化系統(tǒng)的一個重要組成部分，需要實現(xiàn)多種功能，主要有。

2.1 監(jiān)測功能

下位機能夠?qū)Πl(fā)射機各狀態(tài)量、模擬量及配套同軸開關(guān)狀態(tài)進行實時監(jiān)測。可以根據(jù)不同的發(fā)射機種類設(shè)置不同的監(jiān)測點。監(jiān)測不受開關(guān)機時間限制，可以隨時得到發(fā)射機的各個相關(guān)數(shù)據(jù)。（1）控制功能：根據(jù)預先設(shè)定好的臨時開關(guān)機時間或者正常發(fā)射機開關(guān)機時間及主備機設(shè)置，結(jié)合同軸開關(guān)上的天線狀態(tài)，下位機能夠?qū)νS開關(guān)進行天線倒換操作，將天線倒換到需要的發(fā)射機上，并能夠?qū)Πl(fā)射機進行開關(guān)機操作。臨時開關(guān)機時間表中的開關(guān)機時間段結(jié)束后將自動清空，正常開關(guān)機時間表設(shè)定后永久生效，不會因發(fā)射機關(guān)機、停電等原因消失。（2）故障處置功能：發(fā)射機運行過程中發(fā)生故障，可以對故障進行智能處理，如自動降功率、自動倒機、自動倒天線等。（3）通訊功能：下位機能夠?qū)崟r地將得到的各狀態(tài)量和模擬量轉(zhuǎn)換成符合標準modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)發(fā)送到其他子系統(tǒng)，對于不同發(fā)射機的不同狀態(tài)量、模擬量，可以根據(jù)需要設(shè)置是否發(fā)送到其他子系統(tǒng)。不僅如此，下位機編程過程中使用到的數(shù)據(jù)、變量也可以轉(zhuǎn)換成modbus協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送給其他需要的子系統(tǒng)。同時，也可以接收局域網(wǎng)上其他子系統(tǒng)發(fā)送過來的各數(shù)據(jù)、命令，實現(xiàn)遠程控制。

3 下位機子系統(tǒng)軟件設(shè)計

下位機子系統(tǒng)中實現(xiàn)的各功能，都由下位機中的軟件來實現(xiàn)，可以說，軟件是下位機的靈魂，運行什么樣的軟件，決定了下位機可以實現(xiàn)什么樣的功能。

3.1 ISaGRAF介紹

下位機軟件采用符合ISaGRAF規(guī)范的編程方式，ISaGRAF是一套完全符合IEC61131-3標準、與硬件無關(guān)并以視窗為開發(fā)環(huán)境的可編程控制語言設(shè)計開發(fā)的軟件。在ISaGRAF3.3版中將流程圖語言納入成為第六種程序設(shè)計語言，使得ISaGRAF完全支持世界上自動化行業(yè)的順序表（SFC）、功能塊（FBD）、梯形圖（LD）、結(jié)構(gòu)文本（ST）、指令表（IL）、流程圖（FC）六大程序設(shè)計語言，可以簡單的與圖控軟件或人機界面集成在一起，可離線模擬，可在線調(diào)試控制，具備程序上傳功能，是一套強大的可編程開發(fā)工具。

圖6 下位機軟件

圖5 下位機軟件流程圖

3.2 軟件流程圖

下位機子系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。

3.3 軟件設(shè)計

不同的發(fā)射機上的下位機軟件稍有不同，總體思想是一樣的。下面以一臺發(fā)射機上的下位機為例說明。

下位機軟件開發(fā)界面如圖6。

下位機軟件共包含8個主程序，其中開始5個，結(jié)束3個。主程序Autorun還包含7個子程序。詳細說明如下：（1）Start 程序初始化，對某些變量做初始化賦值，打開E2PROM的寫保護，并輸出一個閃爍信號控制發(fā)光二極管表示程序正在運行。（2）GetInput通過ISaGRAF提供的“直接表示變量”功能，直接訪問下位機的各個輸入輸出寄存器，獲取發(fā)射機各模擬量和狀態(tài)量，并對獲取到的各個模擬量進行軟件濾波。（3）SYSTIME 系統(tǒng)時間讀取及校時功能的實現(xiàn)。在下位機子系統(tǒng)中，時間是一個很重要的參數(shù)，時間的準確與否直接影響下位機功能能否正常實現(xiàn)。系統(tǒng)由客戶端檢測下位機時間，發(fā)現(xiàn)時間異常時，由客戶端發(fā)送校時命令及標準時間信息，接收到客戶端發(fā)送的校時命令時，將接收到的標準時間做簡單校驗后寫入下位機。（4）Autorun自動機開關(guān)機是下位機需要實現(xiàn)的最主要的功能。程序需要能接受來自客戶端設(shè)置的開關(guān)機時間表，并按臨時開關(guān)機時間表和正常開關(guān)機時間表自動開關(guān)機。臨時開關(guān)機時間表最多可以設(shè)置5段，每段可以設(shè)置起止時間，在該段時間表執(zhí)行完畢后將自動清空。正常開關(guān)機時間表以星期為單位，每星期的每一天最多可設(shè)置5個常規(guī)開機時間段。還可以根據(jù)需要設(shè)置強制開關(guān)機——開關(guān)機鎖定。這三種開關(guān)機設(shè)置有嚴格的等級控制，優(yōu)先級最高的是開關(guān)機鎖定，其次為臨時開關(guān)機時間表，最后為自動開關(guān)機時間表。（5）TimeDate計算系統(tǒng)日期和時間。將系統(tǒng)時間換算為程序運行需要的格式。（6）ReedEEP 讀取參數(shù)。從E2PROM中讀取已經(jīng)存儲的主備機設(shè)置、開關(guān)機時間表和臨時開關(guān)機時間表。（7）Primary判斷今天本機是否為主機，并從E2PROM中讀取主備機提前滯后開關(guān)機的時間。按星期為單位給發(fā)射機定義主機和備機標志，主機將比備機提前一定時間開機，并對發(fā)射機開機的時間進行修正，使發(fā)射機開機能自動比設(shè)定的自動開關(guān)機時間提前一定時間開機，提前的時間可以通過客戶端設(shè)置。并且，不論原先設(shè)置好的主備機標志如何，當天播音的發(fā)射機將被設(shè)置為主機，未播音的發(fā)射機為備機。處于開關(guān)機時間段時，主備機標志不被修改，除非需要倒機。（8）OnceOpen 臨時開關(guān)機時間表開關(guān)機程序。將讀取到的控制器日期和時間和臨時開關(guān)機時間表中的日期時間進行比較，如果在臨時開關(guān)機時間表內(nèi)則開機。臨時開關(guān)機時間結(jié)束后將本段臨時開關(guān)機時間表清空。（9）Normal正常的自動開關(guān)機程序。將計算好的系統(tǒng)日期時間和開關(guān)機時間表內(nèi)的時間進行比較。若在開關(guān)機時間段內(nèi)則開機。（10）SaveOnce當接收到客戶端發(fā)送更改臨時開關(guān)機時間表的命令時調(diào)用。將修改的臨時開關(guān)機表寫到E2PROM。（11）SaveNorm當接收到客戶端發(fā)送更改開關(guān)機時間表的命令時調(diào)用。比較新開關(guān)機時間表和原有開關(guān)機時間表的不同，將不同的寫入E2PROM。（12）TONGZHOU 倒天線及倒機功能的實現(xiàn)。接收到倒天線命令時，判斷是否滿足倒天線條件，滿足則倒天線，不滿足則不動作。如若倒天線失敗或天線狀態(tài)異常，則發(fā)出報警信號。倒天線動作正常完成后，開啟當不在天線上的發(fā)射機開機時，開啟假負載。（13）AI_LIMIT簡單故障處理功能的實現(xiàn)。當發(fā)射機的反射功率超過設(shè)定值時，控制發(fā)射機改低功率播出。反射功率恢復時，控制發(fā)射機恢復高功率播出；發(fā)射機發(fā)生電流過荷控制發(fā)射機發(fā)出過荷復位命令，過荷復位命令發(fā)出后過荷狀態(tài)依舊，控制發(fā)射機改為低功率播出，過荷狀態(tài)消失后恢復高功率播出。（14）TMSCtrl 控制發(fā)射機開關(guān)機：該程序接收上面幾個程序運行的結(jié)果，控制發(fā)射機的開關(guān)機。單獨將對發(fā)射機的開關(guān)列為一個程序，一方面使程序可讀性增加，令一方面也更為穩(wěn)定可靠，而且也方便程序的調(diào)試，保證調(diào)試的過程不會造成對發(fā)射機的誤操作。（15）r_normal 調(diào)試用。（16）End 程序結(jié)束。為程序一個循環(huán)的結(jié)束進行一些相關(guān)的處理工作。另外還包含對發(fā)射機故障的自動復位功能。

3.4 軟件濾波

為了避免系統(tǒng)受到的干擾對運行結(jié)果產(chǎn)生影響，需要在硬件連接時做好充分的硬件抗干擾處理外，在軟件上，也需要對采集到的模擬輸入量進行軟件濾波。常用的軟件濾波有限幅濾波和中位值濾波、平均濾波、低通濾波三大類，在本系統(tǒng)的設(shè)計采用了平均濾波的方法，對多次測量的參數(shù)進行平均值處理來消除一般隨機干擾的影響。平均濾波又分為算術(shù)平均濾波、去極值平均濾波、遞推平均濾波三種。算術(shù)平均濾波適合對一般具有隨機干擾的信號進行濾波，去極值平均濾波適用于對脈沖干擾和隨機干擾的抑制，他是結(jié)合了算術(shù)平均濾波和中值濾波的優(yōu)點。移動平均濾波？的優(yōu)點是速度較快。去極值平均濾波的算法是：對連續(xù)的n個數(shù)據(jù)進行排序，通常n=2k+2，k為整數(shù)。去掉其中最大和最小的2個數(shù)據(jù)，將剩余數(shù)據(jù)取平均值。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，為了加快運行速度，n的取值為10。

3.6 “零點問題”

所謂“零點問題”，是指下位機子系統(tǒng)在0：00：00時刻會偶爾的出現(xiàn)誤動作現(xiàn)象。即在這個時間點附近，本來不應該開啟發(fā)射機的，下位機PAC發(fā)出了開機命令，本來不應該關(guān)閉發(fā)射機的，卻把它給關(guān)了。這種開關(guān)機動作都是瞬間的，誤動作后程序會自動恢復，反映到發(fā)射機上，就是發(fā)射機開了一下立刻又關(guān)上了，或者是關(guān)了立刻又重新開啟。該故障出現(xiàn)的頻率不定，有時間隔幾天出現(xiàn)一次，有時隔了幾個月才出現(xiàn)一次。在開關(guān)機時間設(shè)計這一部分，我們對一周七天分別設(shè)置開關(guān)機時間，每天可以設(shè)置五段開關(guān)機時間，每段時間段有一個開機時間和一個關(guān)機時間，一共是70個時間點數(shù)據(jù)。如若有時間段會跨至第二天，比如周一5：00開機至周二1：00，設(shè)計中沒有將其分開為周一5：00至24：00和周二0：00至1：00，而是合并為一段5：00至1：00，以開機時間為界歸入周一的開機時間段內(nèi)。這么設(shè)計主要是考慮增加對實際使用人員的友好度。在發(fā)射機自動化監(jiān)控系統(tǒng)的實際運行過程中，實際使用人員為機房的當班值班人員。在值班員值班過程中，內(nèi)部文件、規(guī)定及平時大家的交流都是直接采用的5：00至1：00，對于實際的使用者來說更容易接受。而我們接觸到的其他產(chǎn)品，例如音頻傳輸監(jiān)控系統(tǒng)，都是分成2段設(shè)置，比較不友好。問題出現(xiàn)之初，我們覺得不像是程序編寫問題，因為程序編寫一般不會出現(xiàn)類似的軟故障，大多是故障出現(xiàn)就一直出現(xiàn)，于是我們首先考慮的是硬件部分。反復檢查多次硬件連接電路，但是并無發(fā)現(xiàn)任何問題。該問題在初期的程序編寫后并沒有出現(xiàn)，后主要是出現(xiàn)與上海PDM 3KW機型上，在其他機型上相當長一段時間內(nèi)沒有出現(xiàn)，直至去年才在HARRIS DX-10機型上出現(xiàn)了一次，同時，由于零點正值許多頻率的播音結(jié)束時間，這個時間點空中的電磁場變化比較劇烈，這又讓我們產(chǎn)生了誤判斷，認為問題是出在發(fā)射機上，認為是發(fā)射機的外部接口不夠穩(wěn)定導致。于是針對外部接口做了一些抗干擾措施，但是故障依舊。下位機子系統(tǒng)的電源模塊工作穩(wěn)定度不夠也曾經(jīng)出現(xiàn)過問題，我們于是轉(zhuǎn)移目標到該發(fā)射機配套的下位機子系統(tǒng)的電源模塊，使用一個穩(wěn)壓直流電源從外部供電，故障依舊。接下來考慮的，就是下位機PAC本身。其他外部硬件已經(jīng)都做了處理卻沒有效果。更換PAC，故障依舊。

故障排查陷入了僵局，始終找不到線索。直至2011年年底，在一次同上位機軟件調(diào)試配合的過程中，偶然發(fā)現(xiàn)了一個怪現(xiàn)象，才終于抓到了這個問題的本質(zhì)。這個現(xiàn)象就是從PAC控制器本身獲取時間時，在0點會產(chǎn)生跳變的情況。例如，2012年1月1日的23：59：59，下一秒本應是2012年1月2日0：0：0，但實際上偶爾會出現(xiàn)2012年1月1日0：0：0，整整相差24小時。當兩天的開關(guān)機時間段并非完全一致時，就會出現(xiàn)誤動作。現(xiàn)象找到了，分析其原因，實際PAC提供的時間獲取函數(shù)分為三個，分別為DAY_TIME()、SYSDAT_R()和SYSTIM_R()，DAY_TIME()函數(shù)的輸出為字符串型，不符合需要，并沒有采用。實際采用的是SYSDAT_R()和SYSTIM_R()兩個函數(shù)。這兩者都是屬于ISaGRAF中的功能塊（Function Block，F(xiàn)模塊），SYSDAT_R()函數(shù)用來獲取系統(tǒng)日期，返回值是四個整型數(shù)據(jù)，分別對應系統(tǒng)當前日期中的年、月、日和星期，SYSTIM_R()函數(shù)用來獲取系統(tǒng)時間，返回值是三個整型數(shù)據(jù)，分別對應系統(tǒng)當前時間中的小時、分鐘和秒鐘。這兩個函數(shù)獲取的七個整型數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，就構(gòu)成了軟件中需要用到的系統(tǒng)時間。兩個函數(shù)本身的運行并沒有問題，獲取數(shù)據(jù)過程正常，數(shù)據(jù)的獲取也是正確的。問題出現(xiàn)在將兩個函數(shù)獲取到的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起時。由于ISaGRAF采用的是順序執(zhí)行模式，一個功能塊執(zhí)行完畢后才執(zhí)行下一個功能塊，在模塊本身的執(zhí)行以及這兩個模塊執(zhí)行之間，都是有時間的，雖然這個時間很短，但卻不可忽略。于是問題就出現(xiàn)在：于2012年1月1日23：59：59獲取時間，先執(zhí)行SYSDAT_R()，獲取系統(tǒng)日期，得到四個整型值，分別是2012（年）、1（月）、1（日）、7（星期），再執(zhí)行SYSTIM_R()，獲取系統(tǒng)時間，由于兩個函數(shù)執(zhí)行之間有一個間隔時間，SYSTIM_R()函數(shù)本身的執(zhí)行也需要時間，經(jīng)過這么一個很短的時間后，系統(tǒng)時間有可能剛好已經(jīng)過了0點，此時的系統(tǒng)時間是2011年1月2日0：0：0，通過SYSTIM_R()函數(shù)獲取到的三個整型值是0（小時）、0（分鐘）、0（秒），和前面的SYSDAT_R()函數(shù)獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，時間就是2011年1月1日0：0：0，這就得到一個錯誤的數(shù)據(jù)，與實際時間相差了整整24個小時，如果系統(tǒng)中設(shè)定兩天的開關(guān)機時間并不一致，就會由此產(chǎn)生錯誤的動作。這個錯誤的時間數(shù)據(jù)是一次性的，下一個循環(huán)讀取到的系統(tǒng)日期和時間就恢復為正確數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)又將發(fā)出正確的命令，反映到發(fā)射機上，就是發(fā)射機開啟然后立刻又關(guān)閉，或是關(guān)閉后又立刻開啟。抓到了故障現(xiàn)象，分析出了故障原因，故障排除就很容易了，最終排除故障的是以下代碼。

(*以下為解決0點問題*)if hour1=23 and minute1>=1 and minute1<=58 and weektemp <> week1 then weektemp := week1; end_if； if hour1=0 and minute1=0 and second1=0 then if weektemp=week1 then return; end_if; end_if； if hour1=23 and minute1=59 and second1=59 then if weektemp <>week1 then return; end_if; end_if；hour1、minute1、second1、week1和weektemp為幾個中間變量，分別對應時、分、秒、星期和星期。hour1、minute1、second1、week1為實時獲取到的可能有錯誤的值，weektemp用來進行校驗。在23:01至23:58期間對weektemp進行賦值并保證其正確，0:0:0時檢查weektemp和week1，發(fā)現(xiàn)week1仍無變化即認為此次獲取的數(shù)據(jù)有誤，將此次數(shù)據(jù)舍棄。同樣，在23:59:59時也可能存在錯誤，同樣用類似的方法解決。

本系統(tǒng)中所使用的下位機控制器是泓格PAC，其系統(tǒng)日期和時間用不同的函數(shù)分別讀取的方式，是出現(xiàn)“零點問題”的根源，屬于系統(tǒng)漏洞。如上所述這種系統(tǒng)漏洞對編程時序形成威脅，容易造成動作時序的錯亂。如果改成系統(tǒng)日期和時間合并讀取，由系統(tǒng)內(nèi)部解決好日期和時間的同步問題，那么對使用系統(tǒng)的編程者會更友好。“零點問題”的存在已經(jīng)告知相關(guān)廠家，并引起了高度重視。

4 結(jié)束語

下位機子系統(tǒng)作為自動化實時監(jiān)測控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，為實現(xiàn)國家廣電總局“高質(zhì)量，不間斷，既經(jīng)濟，又安全”十二字總方針提供了可靠的條件，使發(fā)射臺對發(fā)射機的集中控制成為現(xiàn)實。該系統(tǒng)在廈門廣播電視集團發(fā)射中心201臺運行以來，性能穩(wěn)定，可靠，操作方便，易于維護，很好地完成各項設(shè)計的功能。解決“零點問題”以后，從未發(fā)生過因自動化系統(tǒng)的誤動作，影響播出或危及播出的情況。

[1]張丕灶. 數(shù)字式調(diào)幅中波發(fā)射機，2002（9）.

[2]浙江省淳安無線電廠. GZ-1/3KW全固態(tài)中波廣播發(fā)射機技術(shù)說明書，2003（1）.

[3]泓格科技股份有限公司.ISaGRAF槑進階簡體中文使用手冊手冊，2003 （4）.

（廈門廣播電視集團，福建廈門361004）