PLC在發(fā)射臺天線交換系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

廖世得

摘 要 大功率短波廣播發(fā)射臺一般設(shè)有多部大功率短波發(fā)射機及多副大功率短波發(fā)射天線。為了使發(fā)射機能在不同的時間使用不同的頻率對不同服務(wù)區(qū)進(jìn)行廣播，就必須有能把發(fā)射機靈活轉(zhuǎn)接到不同天線上的天線交換系統(tǒng)。本文針對我臺三個發(fā)射機房的十部發(fā)射機和十付發(fā)射天線交換控制系統(tǒng)，應(yīng)用PLC可編程邏輯控制器為控制核心進(jìn)行改造，使得全臺天線資源得到充分利用，改造后的天線交換系統(tǒng)操作方法簡單直觀、維護(hù)方便，提高了天線使用率，減小了發(fā)射機停播時間。

關(guān)鍵詞 PLC 短波發(fā)射機 天線交換開關(guān) 控制系統(tǒng)

中圖分類號：TN948.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.03.074

Design and Application of PLC in the Transmitting

Station Antenna Switching System

LIAO Shide

（State Press and Publication Administration of Radio Qiliuyi Station， Yong'an， Fujian 366000）

Abstract Short wave radio transmitting power generally has multiple power shortwave transmitters and multiple vice power shortwave antenna. In order for the transmitter to be able to use different frequencies at different times for different broadcast service area， there must be flexible and be able to turn the transmitter to the antenna switching system on different antennas. In this paper， ten sets of three transmit transmitter for my room and pay ten transmitting antenna switching control system， PLC programmable logic controller application to control the core transformation， making the whole station antenna resources are fully utilized， after the transformation of the antenna switching system operation is simple and intuitive， easy to maintain and improve the utilization of the antenna， reducing the transmitter off the air time.

Key words PLC; shortwave transmitter; antenna switching switch; control system

0 引言

隨著計算機信息技術(shù)的飛躍發(fā)展，原來大功率發(fā)射臺天線交換控制系統(tǒng)已經(jīng)告別了單純的繼電器控制，取而代之的是單片機和以PLC為核心的可編程邏輯控制器技術(shù)，同時也將過去的天線交換控制由室外切換改為室內(nèi)切換。以我臺而言，三個發(fā)射機房原都有獨立的天線交換系統(tǒng)，由于發(fā)射機投產(chǎn)是不同年代，天線交換系統(tǒng)設(shè)備也就不統(tǒng)一，不在同一個起點;有的在室內(nèi)切換、有的在室外切換，不適應(yīng)信息化管理的需求。為此，我們利用PLC為核心的可編程邏輯控制器對原三個發(fā)射機房的十部發(fā)射機戶內(nèi)外天線控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，增加了控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)備設(shè)施及連接網(wǎng)絡(luò)等;成功將三個發(fā)射機房的十?dāng)?shù)部發(fā)射機靈活轉(zhuǎn)接到不同天線上。通過改造充分整合利用有效的發(fā)射天線資源，實現(xiàn)了發(fā)射機在不同時間使用不同頻率對不同服務(wù)區(qū)的實驗廣播，實現(xiàn)了不同機房的發(fā)射機之間及同一機房發(fā)射機之間的相互代播。

1 短波天線交換系統(tǒng)概述

大功率廣播信號的傳輸方式分為平衡傳輸（雙饋線傳輸）和不平衡傳輸（同軸饋線傳輸），中波廣播信號一般采用不平衡的同軸饋線傳輸方式，短波廣播信號一般采用平衡的雙饋線傳輸方式。雙饋線傳輸方式又分為帶饋筒的屏蔽式平衡傳輸和不帶饋筒的開放平衡傳輸，屏蔽式平衡傳輸一般用于室內(nèi)，不帶饋筒的開放平衡傳輸一般用于室外。屏蔽式平衡傳輸方式的傳輸效率高、故障率低、維護(hù)量小、相鄰饋線間的干擾小。

目前，短波廣播信號一般采用在平衡傳輸方式下進(jìn)行切換，有室外切換和室內(nèi)切換。由于天線交換系統(tǒng)是整個短波天線傳輸中的一個重要環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量的好壞直接影響到短波廣播的傳輸效率和播出效果。它主要由交換單元和操作控制電路組成，交換單元的各個開關(guān)單元機械性能和可靠性是保證天線靈活、準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，而各單元中傳輸?shù)氖歉哳l大電流信號。因此，交換開關(guān)無論是機械特性，還是電氣特性都有非常嚴(yán)格的要求，如果天線交換系統(tǒng)安裝在室外切換，所屬設(shè)備容易受到天氣等氣候條件的影響，故障率高、維護(hù)量大，現(xiàn)在都傾向于室內(nèi)切換。室內(nèi)短波天線交換系統(tǒng)隨著傳輸技術(shù)的發(fā)展，具有傳輸效率高、運行穩(wěn)定、故障率低特點，現(xiàn)以成為大功率中短波發(fā)射臺的發(fā)展趨勢。

2 原有短波天線交換系統(tǒng)存在的問題

我臺裝備的10部大功率短波發(fā)射機，10副短波發(fā)射天線，分屬甲乙丙三個發(fā)射機房。上世紀(jì)90年代建設(shè)的丙機房天線交換系統(tǒng)，由按鈕和各種繼電器實現(xiàn)邏輯控制，操作復(fù)雜、故障率高，每次操作需先查詢校隊各場地開關(guān)狀態(tài)，然后在分別按下相應(yīng)的按鈕驅(qū)動各個電機動作，無法進(jìn)行自動化通信操作;發(fā)射機之間互相交換是由兩臺室內(nèi)同軸開關(guān)完成，同軸饋管的尺寸是4吋，耐壓偏低，天饋線系統(tǒng)上的駐波一旦偏大，饋管內(nèi)部就容易打火，造成工作頻段許多頻率無法開。2001和2003年改建投產(chǎn)的甲、乙機房天線交換系統(tǒng)也是在室外進(jìn)行，室外天線交換開關(guān)定位偏差大、故障率高、相鄰饋線間的干擾大。2013年組裝的一部備份發(fā)射機，由于沒有可靠的天線交換系統(tǒng)因此沒能夠充分發(fā)揮代播機功能;而三個發(fā)射機房的天線交換系統(tǒng)都是獨立單元，不具備統(tǒng)一調(diào)度功能，造成機房之間的發(fā)射機相互代播必須經(jīng)過電話聯(lián)絡(luò)等一系列程序，效率低，極容易發(fā)生人為責(zé)任事故。為此，規(guī)范對我臺三個機房公共天線交換系統(tǒng)和丙機房天線交換系統(tǒng)進(jìn)行改造是必要的。

3 設(shè)計要求

為使發(fā)射機的輸出功率盡可能多地傳輸?shù)教炀€上，要求天線阻抗與傳輸饋線在工作頻段上實現(xiàn)阻抗匹配，但天饋線系統(tǒng)的駐波比指標(biāo)分別受天線、饋線、天饋線交換系統(tǒng)的狀況影響，尤其是對多個機房、多部發(fā)射機、多付發(fā)射天線的天線交換系統(tǒng)來說各項技術(shù)指標(biāo)有更高的要求。為此，選擇了傳輸效率高、故障率低、維護(hù)量小、干擾小的屏蔽式平衡傳輸方式是首選;天線交換自動控制系統(tǒng)的核心控制器選用Allen-Bradley PLC可編程邏輯控制器。改造后三個機房10部發(fā)射機所屬天線可實現(xiàn)天線交換開關(guān)的手動操作、電動控制和自動控制三種模式，三個機房天線頻段相同可互相代播，備份機也可直接代播甲乙丙三個機房所有的發(fā)射機;三個機房根據(jù)運行時間表，實現(xiàn)對交換開關(guān)的自動控制;天線交換開關(guān)的路由由臺運行管理系統(tǒng)實現(xiàn)，同時天線自動交換系統(tǒng)也保留路由計算功能;系統(tǒng)實現(xiàn)對天線工作狀態(tài)的監(jiān)測、監(jiān)控，故障聯(lián)鎖、報警等功能;系統(tǒng)具有本地顯示天線交換開關(guān)的狀態(tài)及發(fā)射機高壓狀態(tài)以及手動/自動模式的顯示;饋筒和開關(guān)部分任意通道的駐波比保持在1.15以下，保證發(fā)射機能夠安全運行。

4 天線交換自動控制系統(tǒng)

天線交換自動控制系統(tǒng)，由上位控制計算機（下稱上位機）、下位控制計算機（下稱下位機）、控制柜，核心部件采用PLC可編程邏輯控制器及連接網(wǎng)絡(luò)等組成。

4.1 PLC可編程邏輯控制器

根據(jù)國際電工委員會（IEC）在1985年的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中，對PLC作了如下定義：“是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。”我們選用Allen-Bradley PLC作為天線交換系統(tǒng)的控制核心，通過與計算機通信聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)三個發(fā)射機所屬發(fā)射機天線有條件狀態(tài)的互代以及各種控制功能的實現(xiàn)。

4.2 系統(tǒng)介紹

（1）天線交換系統(tǒng)上位機的人機界面程序采用Visual Basic6.0編寫，主要功能是監(jiān)測和控制天線交換開關(guān)的切換、天線交換開關(guān)的工作狀態(tài)、實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信、以及GPS同步系統(tǒng)時鐘等;上位機控制天線交換開關(guān)的操作方式分別有：運行圖操作、單開關(guān)操作和通道操作。

運行圖操作：是把編輯好的運行圖下載到控制柜里的PLC，PLC按照運行圖自動操作天線交換開關(guān)的切換;

單開關(guān)操作：就是對每一臺單個的天線交換開關(guān)進(jìn)行切換操作;

通道操作：是用戶根據(jù)需要選擇信號傳輸通道的發(fā)射機和天線，系統(tǒng)自動完成該傳輸通道的建立，但天線交換控制系統(tǒng)必須是在 “遠(yuǎn)程控制”的工作模式下;天線交換控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程的機房平臺的通信在上位機中完成，天線交換控制系統(tǒng)通過上位機接收來自機房平臺的運行圖等操作指令，機房平臺通過上位機獲取天線交換系統(tǒng)的工作狀態(tài);上位機接收GPS的時間，把GPS的時間與系統(tǒng)時間進(jìn)行比較，達(dá)到一定的差值后自動校準(zhǔn)系統(tǒng)時間，并可通過手動操作校準(zhǔn)PLC的時間。

（2）下位機的人機界面程序采用Visual Basic6.0編寫，主要功能是監(jiān)測和控制天線交換開關(guān)的切換、天線交換開關(guān)的工作狀態(tài)等，操作方式與上位機一樣，但天線交換控制系統(tǒng)必須是在“本地控制”的工作模式下。

（3）控制柜的核心是Allen-Bradley PLC，天線交換控制系統(tǒng)的底層邏輯運算、天線交換開關(guān)的切換執(zhí)行以及運行圖的執(zhí)行都在PLC中完成;PLC的外圍電路是天線交換控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這部分包含外圍繼電器、開關(guān)電源、UPS電源連線等。

（4）連接網(wǎng)絡(luò)是天線交換控制系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)中的上位機、下位機和PLC之間的通信完全依賴連接網(wǎng)絡(luò);三個機房的上位機和下位機分別與三個機房的PLC都需要用連接網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)到一起，這部分包括上位機和下位機的網(wǎng)卡、PLC的網(wǎng)絡(luò)模塊、網(wǎng)線、光通信模塊、光纜和交換機等。

5 技術(shù)措施與實現(xiàn)

天饋線傳輸方式采用前面敘述的屏蔽式平衡傳輸方式;改造升級后的天線開關(guān)自動控制系統(tǒng)必須實現(xiàn)甲乙丙三個機房有條件互相代播，具有手動、電動、自動切換，實時監(jiān)測開關(guān)工作狀態(tài);具備根據(jù)周期的運行時間表實現(xiàn)遠(yuǎn)程動控制等功能。天線交換系統(tǒng)如圖1所示，用10臺室內(nèi)短波天線交換。

圖1 天線交換系統(tǒng)圖

圖2 天線交換開關(guān)布局圖

開關(guān)組成甲、乙、丙的天線交換公共系統(tǒng)。由于是在原機房里安裝設(shè)備，為了在有限的空間里，使用盡可能最少的設(shè)備，又能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能;對原需要用20臺開關(guān)方可實現(xiàn)系統(tǒng)功能的方案進(jìn)行了大膽創(chuàng)新。對部分開關(guān)無論是功能還是工藝進(jìn)行了改進(jìn)，在開關(guān)上增加一副轉(zhuǎn)向刀，達(dá)到增加天線交換系統(tǒng)的功能目的。所增加的刀體與原轉(zhuǎn)向刀體相互之間的隔離度保持在50dB以上，確保了不影響系統(tǒng)的傳輸效果。這項技術(shù)創(chuàng)新的成功實現(xiàn)，使一臺開關(guān)完成四臺普通開關(guān)的功能，大大縮減了開關(guān)的使用數(shù)量，同時還能保證系統(tǒng)功能不受影響;既節(jié)省了建設(shè)天線交換控制室的經(jīng)費，也為日后運維大大縮減了維護(hù)成本和工作量。

此外，系統(tǒng)增加5臺封閉式天線轉(zhuǎn)換開關(guān)，建立甲、乙、丙三個機房互相代播公共通道，實現(xiàn)有條件下機房之間互相代播。丙機房原開放式天線轉(zhuǎn)換開關(guān)改造后更換為封閉式天線轉(zhuǎn)換開關(guān)，使兩部發(fā)射機有了互相代播的通道，另增加1臺封閉式天線轉(zhuǎn)換開關(guān)使丙機房兩部發(fā)射機接入臺代播公共通道。同時增加1臺封閉式天線轉(zhuǎn)換開關(guān)，使1部備份機接入臺天線交換通道，這樣一旦需要就可以代播甲乙丙三個機房的任意一部發(fā)射機。改造升級后的天線交換開關(guān)自動控制系統(tǒng)，完全達(dá)到和實現(xiàn)了設(shè)計要求。

圖2是系統(tǒng)開關(guān)布局圖。相關(guān)控制程序由于篇幅有限，不再一一敘述。

6 結(jié)束語

PLC是一款程序設(shè)計簡單，改變程序靈活，功能強大、通用性好，控制可靠的通用控制裝置。我臺通過PLC在天線交換自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用證明：此系統(tǒng)抗干擾性強、性能穩(wěn)定、操作方便、控制可靠，不但降低了故障率，也減輕了維護(hù)成本，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 李建斌.TBH522型150kW短波發(fā)射機天線自動交換系統(tǒng)的改造.廣播電視信息，2013（7）.

[2] 陳冠強，覃曉志，謝春聲，洪亮.PLC同軸天線轉(zhuǎn)換開關(guān)控制器的研制.視聽，2012（4）.