基于PLC的衛星天線控制系統改造方案

□ 張杰超

基于PLC的衛星天線控制系統改造方案

□ 張杰超

廣東廣播電視臺有多臺衛星天線配備了天線控制系統，其中有接收站，也有上行站。原來的系統都是基于單片機結構，抗干擾能力弱，系統穩定性差，加上裝機時間久遠，系統故障不斷，常常出現重啟等現象，或者顯示的方位、俯仰等參數大幅跳動不準確，給天線的操作帶來很大的不方便。

PLC（Programmable Logic Controller）可編程邏輯控制器，是專門為工業控制設計，其硬件結構基本上與微型計算機相同。制造商在設計和制造過程中采取了多層次的抗干擾措施, 使系統能在惡劣的工業環境下與強電設備一起工作。筆者認為，可使用PLC改造衛星天線控制系統，具有投入少、改造工作量少、系統容易實現等優勢，改造后的系統在功能和可靠性等方面可以有不少提升。本文以廣東廣播電視臺6.2米上行站天線控制系統為例，闡述使用PLC對天線控制系統進行改造的方案

一、原系統分析

（一）原系統結構

圖一 原系統結構

如圖一所示系統由ACU（天線控制單元），ADU（天線驅動單元）、跟蹤接收機、天線角度傳感器、交流電機及限位保護裝置等組成。

ACU是整個系統的核心。它是基于MCS-51單片機的結構，面板的液晶顯示屏和操控鍵盤組成人機界面。輸入接口通過光耦合器隔離輸入，輸出接口使用繼電器輸出。ACU的輸入有開關量與模擬量。開關量有6個，包括來自方位順時針、方位逆時針、俯仰上抬、俯仰下俯、極化順時針、極化逆時針等6個限位開關。模擬量有4個，它們分別來自方位、俯仰、極化等三個角度傳感器，以及作為接收電平監測的跟蹤接收機的AGC輸出，經A/D轉換后送入MCS-51單片機，以檢測天線的實時指向和接收電平的高低。輸出有6個開關量，輸出通過ADU分別驅動方位、俯仰、極化三軸的電機，每軸正反兩個方向的轉動。

ADU單元主要由中間繼電器和交流接觸器組成。ADU接受ACU指令驅動天線的方位電機、俯仰電機、極化電機。并對天線方位、俯仰、極化三軸的正反共六個方向作硬件限位保護。

ACU根據天線的方位、俯仰、極化軸傳感器的位置，顯示天線實時的方位角、俯仰角和極化角，根據跟蹤接收機的信號電平顯示接收信號電平；根據面板操控鍵盤的狀態，跟蹤接收機的信號電平及天線狀態產生到ADU的控制命令，以控制天線方位角、俯仰角和極化角。同時把ADU送來的狀態（限位、系統故障等）顯示出來。

ACU主要功能：（1）天線實時位置顯示。（2）手動控制——通過ACU面板上轉向鍵的控制，可使天線在順時針、逆時針、上抬、下俯四個方向上轉動。（3）位置指定——根據所指定的衛星代號（預先設定）使天線自動轉向目標。也可在當前指向的基礎上，根據輸入的角度偏移量，使天線偏移一定的角度后自動停止。（4）步進跟蹤——根據跟蹤接收機提供信號電平的大小，使天線自動跟蹤目標。（5）手動調整極化——根據菜單提示，通過面板的按鈕，控制饋源順時針或逆時針轉動，達到極化校準的目的。（6）參數設置、參數顯示——用戶通過面板上的按鍵，按照菜單，可輸入和修改各種工作參數，如天線角度零值標定、接收點經緯度設置、軟件限位設定、接收衛星參數預置等等。參數顯示模式中，以十六進制的方式顯示已預設好的參數。

（二）系統存在的問題與缺陷

該系統于2000年安裝至今裝，已有十多年時間，在使用過程中發現系統容易受干擾,系統經常自動重啟，顯示的天線參數大幅度變化。目前由于設備已經老化，故障不斷，主要是由ACU引起。現在只能甩開ACU，直接使用ADU上的開關控制電機調整天線。在使用過程中還發現ACU的菜單不夠友好，菜單結構簡單，不直觀，操作不方便。例如，操作錯誤沒有提示；不管在什么方式下，極化都要手動調整；查看參數是用十六進制的代碼顯示，非常不直觀。

二、新系統構成

本方案主要是針對ACU（天線控制單元）進行改造，使用PLC（可編程序控制器）替代原系統ACU。ADU-（天線驅動單元）等其他部件不作改動。要求改造后系統滿足原系統的所有功能，消除系統不穩定、可靠性低、操作不方便等不足，并改善菜單結構，使操作更直觀方便。

（一）系統硬件組成

圖二為新系統結構，系統采用上下位機結構，上位機采用PC機，下位機采用PLC。上位機PC 提供良好的

人機交互界面實現參數的輸入、查看、計算、存儲打印等，以及天線參數的實時顯示等監視功能。下位機PLC完成天線的實時控制，天線實時參數采集、上傳和控制保護。PLC 與PC 通過RS-232C 實現通訊。

圖二 新系統結構

PLC選用三菱公司的FX2N系列，FX2N系列由基本單元和各種可選的擴展模塊、特殊功能模塊等通過積木式的搭接構成系統。根據上面對舊系統的分析，系統有6個輸入開關量、4個輸入模擬量、6個輸出開關量。確定PLC控制系統的硬件配置如下：

采用FX2N-16MR基本單元，它是控制核心，用來執行程序，同時它還有輸入輸出I/O口，其中開關量輸入8點、輸出8點，輸入X0-X5作為限位輸入，輸出Y0-Y5為電機驅動輸出（具體接法如圖示）。輸入輸出各多出兩點，可作備用，MR代表繼電器輸出。

FX2N-4AD是模擬量輸入模塊,可以輸入4路模擬信號，分別接入方位、俯仰、極化三個角度傳感器的輸出信號，經FX2N-4AD模數轉換后送FX2N-16MR進行角度編碼。另一路接跟蹤接收機AGC輸出（經緩沖放大器），作接收電平監測用。

FX2N-232-BD是通訊模塊，適合RS-232C通訊用，作PC與PLC通訊用。

PLC控制功能：（1）通過上位機對PLC 數據的讀寫監控，實現對天線數據的采集、上傳，為上位機提供動態畫面數據。（2）按上位機指令要求的工作方式和天線目標位置參數控制ADU天線驅動單元驅動電機，使天線到達目的位置，實現天線的尋星和自動跟蹤功能。（3）實現天線的軟件限位保護功能。

（二）PLC軟件設計

PLC程序，由主程序和三個子程序組成，三個子程序分別負責天線的方位、俯仰、極化角的調整，主程序負責與上位機PC的通訊數據交換、數據采集、調整方式設置等。具體程序采用SFC（順序功能圖）進行編寫。程序限于文章的篇幅不作詳細介紹。

（三）上位機軟件設計

上位機PC采用Visual Basic 編寫人機界面。主要功能有：

（1）狀態顯示

顯示系統的尋星模式或自動跟蹤狀態；顯示目標衛星名稱、定點經度、方位、俯仰、極化角的計算角度；顯示天線方位、俯仰、極化角的實時角度，并模擬天線的轉動方位和俯仰；顯示實時的接收電平。

（2）故障報警

顯示天線方位、俯仰、極化三軸位置軟件限位與硬件限位，并且有告警聲音提示，提醒操作人員及時處理；顯示系統故障，例如：與下位機通訊故障、下位機PLC故障，跟故障有關的設備出現告警的紅色，而且顯示一個“系統工作不正常！”的信息框，提示出錯信息。

（3）用戶功能

首先，用戶注冊。如果用戶想進入操作界面，需要先進行注冊，并按不同的權限進入不同的操作界面。其次，用戶管理。可以修改密碼和對用戶權限進行設置。包括操作界面1：有手動尋星（通過窗體上的按鈕控制天線轉動）；自動尋星；偏移尋星；自動跟蹤等天線操作模式選擇。操作界面2：可進行星位預置，把一批可能要接收的衛星的代號、名稱、定位經度先行輸入，系統自行計算出方位角、俯仰角、極化角等參數并顯示，同時存儲備用。

（4）數據資料管理

上位機系統有天線控制所有的資料，以及天線轉換接收目標記錄、檢修周期表、檢修資料、故障應急預案等。登錄后可隨時查看。

（5）工程菜單

設置天線的基本參數：天線的方位、俯仰、極化三軸零位值標定；三軸軟件限位設定；接收點經緯度：三軸角度傳感器角度標定等等。

（四）上位機PC與下位機PLC的串行通訊

PC與PLC兩者之間連接使用的是FX-232CAB-1電纜線，PLC一端接入通訊模塊FX2N-232-BD，PC一端接入RS232C端口。兩者間采用無協議通訊（RS指令），事前需對通訊格式進行設定，三菱FX PLC的通訊格式在特殊寄存器D8120中設定，其中包含有波特率、數據長度、奇偶校驗、停止位和協議格式等。在這里對D8120設置成H48F即數據長度為8位，偶校驗，2位停止位，波特率為9600bps，無標題符和終結符，沒有添加和校驗碼，采用無協議（參見《FX通訊用戶手冊》）。無協議通訊就是通過執行RS指令，配以M8122發請求標志；M8123數據接收完成標志：M8129通訊超時標志等軟元件來建立通訊。

上位機的通訊程序，使用Visual Basic支持的通信控件MSCOMM.OCX實現。由于篇幅所限程序部分在此不作展開。

小結

使用PLC改造天線控制系統，可以做到省時、省錢、省力，成功率高。本系統只需要一個基本單元加一個模擬輸入模塊和一個通訊模塊，一共三個組件外加一臺個人電腦，組裝簡單方便工作量少，省去單片機系統開發的繁瑣和易受干擾的不確定性。PLC程序用梯形圖、SFC（順序功能圖）編寫，PC程序用Visual Basic語言編寫，都是簡單易學的語言，不需要專業的計算機知識。程序可以針對具體系統編寫，還可以在現場作進一步調整、修改、完善，以達到最佳效果。本設計還引入了上位機——PC，利用PC機的強大功能，使界面顯示更加清晰直觀，操作更加簡單方便。利用PC機還可以建立一些記錄文檔、表格，例如操作日志、維修記錄、故障記錄等方便日后查找。本設計沒有針對ADU——天線驅動單元進行改造，下一步可以使用變頻調速器代替ADU驅動天線電機，變頻調速器由PLC控制，從而控制電機的速度，使天線的轉動速度可變，在離目標遠的時候速度快，接近目標時慢下來，這樣天線對星更加快捷、準確。

1.黃永紅.電氣控制與PLC 應用技術.北京：機械工業出版社.2011

2.劉洪濤，黃海.PLC 應用開發從基礎到實踐.北京：電子工業出版社.2007：12-65

3.三菱機電《FX2N用戶手冊》

4. 三菱機電《FX通訊用戶手冊》

5.楊克玉.VB6.0程序設計實訓教程.北京：機械工業出版社 .2013

（作者單位：廣東廣播電視臺）