基于I/O交互技術的天氣雷達電源遠程控制系統設計與實現

祝海揚，向亞飛，徐澤東，代永光，李彥平

(青海省大氣探測技術保障中心，西寧 810001)

0 引言

天氣雷達在暴雨、臺風、冰雹、龍卷風等強對流災害性天氣監測和預警中發揮了重要作用。截至2020年初，納入中國氣象局考核的新一代天氣雷達216部。隨著新一代天氣雷達組網運行的重要性不斷提高，對雷達運行穩定性與雷達故障維修保障能力提出了更高要求。

根據雷達系統安裝、凈空環境及探空環境等要求，雷達機房越來越多地建設在遠離辦公區的地點，這對供電的持續性和供電質量提出了更高的要求。據統計，SA型新一代天氣雷達部分停機故障是由一些小故障引起的，主要表現在RDA計算機與伺服系統通信連接失敗、RDA計算機與DAU(數據采集單元)系統的通信接口連接失敗以及天線動態錯誤故障等。這些故障通常可以通過手動重啟RDA計算機或RDASC新一代天氣雷達運行軟件，重新通電復位DCU、DAU等分機系統，或者是重新通電復位發射機主控板等使雷達系統恢復正常運行。因此，設計一種穩定可靠、方便快捷的天氣雷達遠程控制系統是非常有必要的。一方面，值班人員可以根據業務要求開啟或者關閉雷達系統，從而減輕雷達的運行壓力，減緩元器件的老化速度，減少經費投入；另一方面在雷達系統發生故障需重啟時可遠程進行操作。

國內在天氣雷達技術保障方面已經積累了大量的研究成果[1-3]，國外也做了很多相關的研究工作[4-6]。張初江[7]等設計了針對SA型、SB型天氣雷達的遠程控制方案，雖然可遠程控制雷達電源、高壓、伺服工控機等設備，但靈活性和可靠性不高，不便于移植。荀家寶[8]等詳細介紹了雷達供電的遠程控制與軟件設計，但是仍然采用了繼電器作為中間輸出，無形中增加了雷達開關機的響應時間與故障節點。鑒于此，文章設計了一種基于I/O交互控制技術的天氣雷達電源遠程控制系統，以實現對無人值守天氣雷達電源的遠程控制，提高雷達技術保障人員維護故障處理的效率。

1 系統需求分析

天氣雷達電源遠程控制系統主要實現對雷達總電源、發射機分系統電源、伺服分系統電源、接收分系統電源和RDA分系統電源的遠程控制功能。系統具體功能要求如下：

1)信息采集。遠程控制系統能實時采集雷達各系統電源狀態與機房溫濕度信息；

2)遠程控制。遠程控制系統能準確控制雷達各系統電源開/關狀態；

3)信息反饋。硬件控制器能將雷達各系統電源狀態反饋至終端設備，終端設備控制雷達電源后，硬件控制器能反饋雷達各系統電源狀態是否控制成功；

4)旁路設計。當電源遠程控制系統出現故障無法正常工作時，可以通過應急電路控制雷達各系統電源開/關狀態；

5)天氣雷達電源遠程控制系統電路必須具有非常高的信號隔離度與抗干擾能力，以免影響雷達的正常運行；

6)控制軟件能廣泛適用于Windows 7及以上系統。

2 系統總體設計

系統主要包含兩個部分：硬件分系統與軟件分系統。硬件分系統與軟件分系統之間通過局域網建立通信。硬件部分由I/O交互控制器、交流接觸器、溫濕度傳感器、旁路開關等組成。硬件設備實時采集雷達各系統電源狀態與機房溫濕度信息，根據上位機軟件命令控制雷達各分系統電源，并向上位機軟件反饋控制結果信息。軟件部分實現雷達系統電源控制、狀態監控、系統運行日志管理等功能。上位機軟件向I/O交互控制器發送控制命令，實時監控雷達電源狀態與溫濕度信息，對于超過閾值的溫濕度進行報警，同時可以通過日志管理對雷達運行狀態進行統計與查詢。

2.1 硬件系統設計與實現

天氣雷達電源遠程控制系統硬件部分采用I/O交互控制器作為整個電源控制系統的核心，通過其輸出端開關量變化控制交流接觸器的通斷，從而達到電源遠程控制的目的；Socket通訊接口外接溫濕度傳感器，可以精確測量雷達機房溫濕度數據。

硬件系統電路主要包含2部分：第1部分是上位機控制雷達各系統的電源狀態；第2部分是雷達各系統電源狀態反饋給上位機。雷達電源狀態控制電路主要完成值班人員對雷達電源狀態的控制功能。雷達電源狀態反饋電路由I/O交互控制器采集雷達電源狀態，并將其發送至終端設備，幫助值班人員了解雷達當前的電源狀態以及控制命令是否正常。

2.1.1 控制電路設計

控制電路主要通過I/O交互控制器與交流接觸器實現。I/O交互控制器的輸出端連接交流接觸器的控制線圈，交流接觸器主觸點與雷達各分系統電源輸入端相連接。

控制電源以雷達系統總電源、發射分系統電源和接收分系統電源控制為例，I/O交互控制器的輸出端output1、output4和output7分別與3個交流接觸器連接，控制器各輸出口一端接火線，一端接交流接觸器(B1節點)；1號交流接觸器輸入端接交流380 V供電電源，輸出端接總電源開關，其他各分系統輸入電源均從總電源開關后引入，以達到總電源與各分系統電源相關聯的目的；另外，各個交流接觸器控制線圈的另一端接零線(B2節點)。在控制電路設計時，保證總電源及各分系統電源開關一直處于吸合狀態，通過控制器控制交流接觸器的吸合與斷開達到電源通斷控制的目的。

控制電路工作原理：I/O交互控制器在收到上位機軟件的開關命令后，控制輸入輸出模塊的輸出端開關閉合，使交流接觸器線圈通電，交流接觸器的靜鐵芯產生電磁吸力，將交流接觸器內的動鐵芯吸附，從而接通對應的電源；反之，輸出端口開關斷開，交流接觸器的線圈斷電，交流接觸器的靜鐵芯電磁吸力消失，交流接觸器的動鐵芯在彈簧作用力下與靜鐵芯分離，主觸頭斷開，切斷電源。

2.1.2 反饋電路設計

反饋電路設計的目的是獲取雷達系統總電源和各分系統電源實時的通斷狀態，并且在各個開關有相應控制操作時能及時獲取操作成功與否的反饋信息。設計原則：通過I/O交互控制器將交流接觸器的動作信息反饋給上位機軟件，交流接觸器有兩個常開輔助觸點，交流接觸器的任一輔助觸點并接在I/O交互控制器輸入端的COM口，另一輔助觸點連接I/O交互控制器的輸入端Input1-Input8口。

反饋電路工作原理：交流接觸器的輔助觸點在交流接觸器未吸合時處于常開狀態，吸合后處于閉合狀態。I/O交互控制器為COM端提供1個開關量檢測信號，當此檢測信號與開關量輸入端(Input1-8)中的任意一個接通時，對應的開關量輸入端為接通狀態，從而發生字節位的變化。在字節位發生變化后，交流接觸器將此開關量上傳至I/O交互控制器，后者生成報文數據保存在數據存儲模塊內，通過通訊模塊反饋報文信息，從而讀取到各設備的電源通斷狀態。

2.2 軟件系統開發與實現

軟件系統為雷達設備提供遠程服務功能，通過I/O交互控制器控制雷達總電源、發射機分系統、伺服分系統、接收分系統、RDA分系統等多路信號，并實時監控溫濕度信息。

系統流程如下：首先初始化各個頁面信息、數據庫信息等，登錄系統后，配置IP地址連接I/O交互控制器；連接成功后會讀取當前雷達電源狀態，用戶可以根據實際使用情況遠程控制雷達系統。

2.2.1 系統功能模塊設計

電源遠程控制系統有3個主要的功能模塊：

1)系統菜單模塊。系統菜單模塊有3個子模塊，分別是主頁面子模塊、監控頁面子模塊、運行日志子模塊。

2)通信配置模塊。其下的網絡參數子模塊可以配置IP地址與網絡端口。

3)控制命令模塊。控制命令模塊有打開電源與一鍵控制兩個子模塊，為用戶提供了手動與自動兩種操作模式。

2.2.2 監控界面設計

監控主界面包括4個部分：功能模塊區、雷達控制區、溫濕度監控區和狀態信息反饋區。功能模塊區為用戶提供功能使用快捷轉換窗口；雷達控制區為監控界面核心區域，為用戶提供控制雷達的操作界面，包括雷達總電源和各分系統電源控制，當電源接通后界面下方按鈕由紅色變為藍色，且相應撥碼開關閉合；溫濕度監控區實時監測溫度、濕度數據，同時當溫度或濕度超過設定閾值時報警，報警信息為背景變紅閃爍，且在面板上顯示“報警”二字；狀態信息反饋區包括兩部分內容：一是通信連接狀態顯示，二是軟件操作狀態提示(包括操作提示信息和反饋狀態提示信息)。

3 結束語

基于I/O交互控制技術設計的天氣雷達遠程控制系統實現了雷達總電源、接收機、發射機、伺服系統、RDA監控設備等系統供電的遠程狀態監測、遠程一鍵開關機自動控制與現場手動控制。控制系統在海南新一代雷達站試運行期間穩定可靠、控制精確、系統控制響應時間短；在短時快速連續改變雷達電源狀態的情況下，系統能準確控制雷達電源狀態；在軟件長時間離線再次登錄或者在線情況下能正常控制雷達開關機。軟硬件功能均能滿足用戶對雷達遠程控制的需求。控制系統的遠程控制功能縮短了普通故障維修時間，提高了雷達維護維修的時效性，減輕了雷達運行壓力，有效地提升了雷達運行效率；且控制系統采用模塊化設計，便于在其他雷達站進行推廣使用。