DX-600 中波發射機自動化系統設計與實現

李紀濤

（國家廣播電視總局無線電臺管理局，北京 100866）

1 系統概述

哈里斯公司的DX-600 發射機由3 個200 kW功放單元、三并機網絡、傳輸饋筒、阻隔負載、切換開關組件、TCU 系統、以及CCU 系統等部分組成。各部分之間相互密切聯系，組成一個有序的整體。其中，3 個功放單元可并機運行，或兩兩并機運行，改造后也可以實現單機工作，其工作模式為全功率600 kW、中功率300 kW 以及低功率200 kW。為了實現發射機操作和監測自動化的功能，并適應機房有人留守、無人值班的管理制度，筆者所在的技術團隊配套開發了自動化控制系統，可以實現發射機自動開/關機、自動巡檢抄表、自動音頻切換以及故障報警等功能[1]。

2 系統的整體硬件設計

系統硬件包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統、工業控制計算機、外圍附屬設備以及接口控制板卡共四部分。其中，使用工業控制計算機作上位機，使用AB 公司的PLC 作下位機，外圍附屬設備包括智能頻率計、水路控制箱、電源控制箱以及各種傳感器等，用到的接口控制板卡有PLC 接口板、PBLED 接口板等。

系統連接方面，使PLC 通過DH+網絡級聯后接入上位機，實現與上位機的實時、雙向的動態數據交換（Dynamic Data Exchange，DDE）。上位機根據PLC 采集的數據判斷發射機的運行狀態，并接收來自局域網的運行圖下發給PLC 執行，從而實現對發射機的控制。同時，上位機還具備遠程監控發射機數據和遠程控制發射機的開關機和功率升降等操作的功能。

2.1 信號采集及接口電路

設計硬件時，需要根據發射機采集的信號來確定采樣點數和采集控制的范圍，并根據采樣點和控制點的數量選擇適當的PLC 模塊。系統采集的狀態信號主要來自發射機的三個部位，即合成器、功放單元LED 顯示板及功放單元整流柜。為了降低信號采集電路對原系統的干擾，并對功放單元的控制電路做有效的隔離，需要制作一塊PLC 接口板來轉接采集信號。所有的輸入數據和控制量都是通過PLC 接口板和PBLED 接口板來完成轉接和處理的，其硬件之間的連接如圖1 所示。

圖1 信號采集和接口電路硬件結構框圖

2.2 下位機PLC 系統的硬件構成

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種以微處理器為核心的數字式控制器，能夠對采集到的各種數據進行邏輯運算和存儲，并具備通信功能。DX-600 發射機使用的是AB 公司（Allen-Bradley）的SLC5000 系列PLC 處理器。為了匹配信號的采集量，在功放單元中采用型號為SL5/01 的PLC，但需要對內部模塊進行改造，以增加數據通信量。主要的改造操作有：

（1）保留發射機自帶的數字/模擬輸入輸出模塊，即1 塊4 路模擬量輸入模塊1746－NI4、1 塊32 路數字輸入模塊1746－IV32 及1 塊32 路數字輸出模塊1746－OV32；

（2）拆除一塊未使用的1764－DCM 通信模塊，增加1 塊16 路模擬量輸入模塊1764－NI16V、1 塊32 路數字輸入模塊1746－IV32 及1 塊32 路數字輸出模塊1746－OV32。

在合成器中，使用具備DH+網絡通信功能的型號為SL5/04 的PLC。合成器PLC 同時收集和處理合成器狀態信號和功放單元的狀態信號后，一方面送到人機交互觸摸屏（Man Machine Interface，MMI），另一方面通過自動化系統平臺之間的DH+網絡送到上位機。操作人員通過人機交互觸摸屏發出指令后，合成器PLC 通過TCU 機柜中的控制板卡分別與3 個功放單元的PLC 進行通信，發射機執行完指令后再將信號反饋回人機交互觸摸屏。發射機系統整體架構如圖2 所示。

圖2 發射機系統整體架構圖

3 系統的整體軟件設計

整體的系統軟件包括上位機監控軟件和下位機PLC 系統的程序。設計時，嚴格按照發射機運行圖和運維人員實際的監測需求進行展開，并要著重注意軟件運行的安全性。其中，上位機監控軟件要求能夠對發射機的運行狀態和參數進行實時監控；下位機PLC 系統的軟件能夠對發射機的運行數據進行正確的采集，并對上位機下發的操作指令進行邏輯處理，這要求下位機PLC 系統要與上位機監控軟件實現雙向、實時的通信，以提供準確的設備運行數據并嚴格執行上位機下發的操作指令[2]。

3.1 上位機監控系統軟件實現

上位機監控系統的軟件是在Windows 2003 操作系統上用Visual Basic 6.0 開發的，數據存儲基于SQL SERVER 數據庫。該軟件要求兼容性強、穩定性高，主要用來接收下位機PLC系統采集到的數據，并與下位機PLC 系統進行雙向、實時的數據通信。為了嚴格滿足發射機實際運行情況和監控及操作需求，上位機監控軟件的設計一定要兼顧安全性和功能性，需要滿足以下要求。

（1）人機交互界面簡潔美觀，并完全漢化顯示，使得操作人員可以直觀地掌握發射機的運行狀態，更快速地發現發射機設備故障，更便捷地給發射機下發操作指令。

（2）與下位機PLC 的通信要做到即時、雙向。上位機監控系統軟件需要實時顯示發射機的運行數據、故障信息，所以上位機與下位之間采用DDE 動態數據交換的方式，用專用電纜連接成DH+通信網絡。

（3）程序運行需穩定可靠。DX600 發射機每天持續運行時間一般會大于十個小時，而上位機監控系統更是一經啟動便持續數天不間斷運行，期間不停地處理、存儲大量數據，故對軟件運行的穩定性提出了極高的要求。

根據以上要求，最終設計出的上位機監控系統應用程序界面如圖3 所示。

圖3 上位機監控系統的應用程序

3.2 下位機PLC 系統的程序改造與編譯

下位機PLC 系統通過串行方式連接，由功放單元內的PLC 組件來采集功放單元的運行狀態數據，然后發送到合成器PLC 組件中的掃描模塊SN 中。采集與處理的單元包括故障判斷單元、運行圖判斷單元、切換模塊以及開機命令單元。各個單元按照時序順序依次執行，即前一個單元執行完畢后輸出結果，后一個單元根據輸出的結果來判斷是否滿足本單元執行條件，若滿足，則繼續執行指令并輸出結果。

合成器部分的PLC 系統同時接收合成器部分的運行狀態數據和PB-200 功放單元的運行狀態數據，在PLC 系統對接收到的信號進行邏輯運算后，同時將發射機的整機運行狀態數據送給合成器控制單元TCU 的人機接口觸摸屏（MMI）和上位機監控系統。人機接口觸摸屏在交互界面上給出發射機狀態的指示，并給運維人員提供手動輸入操作指令的接口，而上位機自動化系統平臺通過DH+電纜通信接收到PLC提供的數據后，會將發射機運行狀態數據在應用程序中呈現，并存入SQL SERVER 數據庫中進行保存。

AB 公司的SLC5000 系列PLC 程序需要在專用編譯軟件RSLINX 中編寫。在編寫控制程序前，應畫出程序的邏輯框圖。邏輯框圖中前后流程銜接的嚴密程度直接決定著控制系統的可靠性，因此，邏輯框圖應完全考慮到發射機按照運行圖正常播出時和突發故障時可能面臨的各種情況，并在保障人機安全的前提下做出相應的響應。完成邏輯框圖后，可以根據邏輯流程編寫控制程序，實現自動化功能。本文給出的邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 PLC 程序邏輯框圖

需要注意的是，在對PLC 進行編程之前，應該先對PLC 上的接線端子的輸入輸出地址進行分配，因為I/O 信號與硬件地址相匹配是PLC 控制系統設計的基礎。輸入輸出配置好的PLC，其輸入點地址應該與輸入信號相匹配，輸出點地址與輸出信號相匹配。這就是說，在同一時刻，PLC 系統中I/O 地址與輸入輸出信號（回路）是一一對應關系，即I/O地址不會與多個實際輸入／輸出電路對應。然后，對PLC 進行編程時，按點號將上述對應關系建立起邏輯控制關系，實際工程中再按照邏輯關系圖進行點號“對號入座”接線[3]。

3.3 自動化系統軟件設計的特點

上位機監控系統和下位機PLC 系統組成的自動化控制系統采用集中式管理、分散控制的結構。工控機作為上位機的硬件部分，給監控系統應用程序提供了穩定可靠的運行環境，而下位機PLC 系統可以享有獨立的采集和控制權，上位機和下位機之間通過DH+通信網絡實現實時、雙向的動態數據交換[4]。上位機可用于編程、參數設定和修改、狀態數據的在線顯示等，僅可控制DX 發射機的功率升降，對其他功能部分并沒有直接的控制權限。而下位機PLC 系統由于采用了模塊化結構，在可靠性、抗干擾方面都具有很高的能力，即使上位機發生故障，下位機依然可以按照預設的參數和命令對發射機進行控制，故而系統設計為依舊保持PLC 系統擁有獨立的采集、控制權限。另外，PLC 的模塊化設計使得設備內部線路簡潔，集成度更高，也方便增加新的功能，能夠大大縮短自動化系統的施工周期，為改造后的盡快恢復播出節約了大量的時間[5]。

4 結 語

本文簡要介紹了DX-600 發射機自動化系統的設計和實現，在不影響發射機正常運行和安全播出的基礎上，通過改造發射機的控制系統部分，以自動化實現發射機開關機、“高-中-低”的三種功率的工作模式切換、運行狀態實時監測、語音報警、本機自動/手動校時、工作日志管理以及發射機附屬設備控制等功能。該系統充分利用發射機自身的PLC 系統，改造過程既節約成本又對原發射機的改動不大，完全不影響發射機的正常運行和安全播出工作，從而減輕了發射機房運維人員的維護工作負擔，既為發射機房的“三滿播出任務”提供了技術保證，又為機房推進機房有人留守，無人值班的管理制度提供了技術支持。