李紀(jì)濤

（國家廣播電視總局無線電臺(tái)管理局，北京 100866）

1 系統(tǒng)概述

哈里斯公司的DX-600 發(fā)射機(jī)由3 個(gè)200 kW功放單元、三并機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳輸饋筒、阻隔負(fù)載、切換開關(guān)組件、TCU 系統(tǒng)、以及CCU 系統(tǒng)等部分組成。各部分之間相互密切聯(lián)系，組成一個(gè)有序的整體。其中，3 個(gè)功放單元可并機(jī)運(yùn)行，或兩兩并機(jī)運(yùn)行，改造后也可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)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(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)操作和監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的功能，并適應(yīng)機(jī)房有人留守、無人值班的管理制度，筆者所在的技術(shù)團(tuán)隊(duì)配套開發(fā)了自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)自動(dòng)開/關(guān)機(jī)、自動(dòng)巡檢抄表、自動(dòng)音頻切換以及故障報(bào)警等功能[1]。

2 系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統(tǒng)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、外圍附屬設(shè)備以及接口控制板卡共四部分。其中，使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作上位機(jī)，使用AB 公司的PLC 作下位機(jī)，外圍附屬設(shè)備包括智能頻率計(jì)、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(tǒng)連接方面，使PLC 通過DH+網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)后接入上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)、雙向的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange，DDE）。上位機(jī)根據(jù)PLC 采集的數(shù)據(jù)判斷發(fā)射機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并接收來自局域網(wǎng)的運(yùn)行圖下發(fā)給PLC 執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)的控制。同時(shí)，上位機(jī)還具備遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制發(fā)射機(jī)的開關(guān)機(jī)和功率升降等操作的功能。

2.1 信號(hào)采集及接口電路

設(shè)計(jì)硬件時(shí)，需要根據(jù)發(fā)射機(jī)采集的信號(hào)來確定采樣點(diǎn)數(shù)和采集控制的范圍，并根據(jù)采樣點(diǎn)和控制點(diǎn)的數(shù)量選擇適當(dāng)?shù)腜LC 模塊。系統(tǒng)采集的狀態(tài)信號(hào)主要來自發(fā)射機(jī)的三個(gè)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(hào)采集電路對(duì)原系統(tǒng)的干擾，并對(duì)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(zhuǎn)接采集信號(hào)。所有的輸入數(shù)據(jù)和控制量都是通過PLC 接口板和PBLED 接口板來完成轉(zhuǎn)接和處理的，其硬件之間的連接如圖1 所示。

圖1 信號(hào)采集和接口電路硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 下位機(jī)PLC 系統(tǒng)的硬件構(gòu)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(shù)字式控制器，能夠?qū)Σ杉降母鞣N數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和存儲(chǔ)，并具備通信功能。DX-600 發(fā)射機(jī)使用的是AB 公司（Allen-Bradley）的SLC5000 系列PLC 處理器。為了匹配信號(hào)的采集量，在功放單元中采用型號(hào)為SL5/01 的PLC，但需要對(duì)內(nèi)部模塊進(jìn)行改造，以增加數(shù)據(jù)通信量。主要的改造操作有：

（1）保留發(fā)射機(jī)自帶的數(shù)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(shù)字輸入模塊1746－IV32 及1 塊32 路數(shù)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(shù)字輸入模塊1746－IV32 及1 塊32 路數(shù)字輸出模塊1746－OV32。

在合成器中，使用具備DH+網(wǎng)絡(luò)通信功能的型號(hào)為SL5/04 的PLC。合成器PLC 同時(shí)收集和處理合成器狀態(tài)信號(hào)和功放單元的狀態(tài)信號(hào)后，一方面送到人機(jī)交互觸摸屏（Man Machine Interface，MMI），另一方面通過自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)之間的DH+網(wǎng)絡(luò)送到上位機(jī)。操作人員通過人機(jī)交互觸摸屏發(fā)出指令后，合成器PLC 通過TCU 機(jī)柜中的控制板卡分別與3 個(gè)功放單元的PLC 進(jìn)行通信，發(fā)射機(jī)執(zhí)行完指令后再將信號(hào)反饋回人機(jī)交互觸摸屏。發(fā)射機(jī)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計(jì)

整體的系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)PLC 系統(tǒng)的程序。設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格按照發(fā)射機(jī)運(yùn)行圖和運(yùn)維人員實(shí)際的監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行展開，并要著重注意軟件運(yùn)行的安全性。其中，上位機(jī)監(jiān)控軟件要求能夠?qū)Πl(fā)射機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；下位機(jī)PLC 系統(tǒng)的軟件能夠?qū)Πl(fā)射機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的采集，并對(duì)上位機(jī)下發(fā)的操作指令進(jìn)行邏輯處理，這要求下位機(jī)PLC 系統(tǒng)要與上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)雙向、實(shí)時(shí)的通信，以提供準(zhǔn)確的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)并嚴(yán)格執(zhí)行上位機(jī)下發(fā)的操作指令[2]。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件是在Windows 2003 操作系統(tǒng)上用Visual Basic 6.0 開發(fā)的，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)基于SQL SERVER 數(shù)據(jù)庫。該軟件要求兼容性強(qiáng)、穩(wěn)定性高，主要用來接收下位機(jī)PLC系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，并與下位機(jī)PLC 系統(tǒng)進(jìn)行雙向、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信。為了嚴(yán)格滿足發(fā)射機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況和監(jiān)控及操作需求，上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)一定要兼顧安全性和功能性，需要滿足以下要求。

（1）人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔美觀，并完全漢化顯示，使得操作人員可以直觀地掌握發(fā)射機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，更快速地發(fā)現(xiàn)發(fā)射機(jī)設(shè)備故障，更便捷地給發(fā)射機(jī)下發(fā)操作指令。

（2）與下位機(jī)PLC 的通信要做到即時(shí)、雙向。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件需要實(shí)時(shí)顯示發(fā)射機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障信息，所以上位機(jī)與下位之間采用DDE 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換的方式，用專用電纜連接成DH+通信網(wǎng)絡(luò)。

（3）程序運(yùn)行需穩(wěn)定可靠。DX600 發(fā)射機(jī)每天持續(xù)運(yùn)行時(shí)間一般會(huì)大于十個(gè)小時(shí)，而上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)更是一經(jīng)啟動(dòng)便持續(xù)數(shù)天不間斷運(yùn)行，期間不停地處理、存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，故對(duì)軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性提出了極高的要求。

根據(jù)以上要求，最終設(shè)計(jì)出的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用程序界面如圖3 所示。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用程序

3.2 下位機(jī)PLC 系統(tǒng)的程序改造與編譯

下位機(jī)PLC 系統(tǒng)通過串行方式連接，由功放單元內(nèi)的PLC 組件來采集功放單元的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后發(fā)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(yùn)行圖判斷單元、切換模塊以及開機(jī)命令單元。各個(gè)單元按照時(shí)序順序依次執(zhí)行，即前一個(gè)單元執(zhí)行完畢后輸出結(jié)果，后一個(gè)單元根據(jù)輸出的結(jié)果來判斷是否滿足本單元執(zhí)行條件，若滿足，則繼續(xù)執(zhí)行指令并輸出結(jié)果。

合成器部分的PLC 系統(tǒng)同時(shí)接收合成器部分的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和PB-200 功放單元的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，在PLC 系統(tǒng)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，同時(shí)將發(fā)射機(jī)的整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)送給合成器控制單元TCU 的人機(jī)接口觸摸屏（MMI）和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。人機(jī)接口觸摸屏在交互界面上給出發(fā)射機(jī)狀態(tài)的指示，并給運(yùn)維人員提供手動(dòng)輸入操作指令的接口，而上位機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)通過DH+電纜通信接收到PLC提供的數(shù)據(jù)后，會(huì)將發(fā)射機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序中呈現(xiàn)，并存入SQL SERVER 數(shù)據(jù)庫中進(jìn)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(yīng)畫出程序的邏輯框圖。邏輯框圖中前后流程銜接的嚴(yán)密程度直接決定著控制系統(tǒng)的可靠性，因此，邏輯框圖應(yīng)完全考慮到發(fā)射機(jī)按照運(yùn)行圖正常播出時(shí)和突發(fā)故障時(shí)可能面臨的各種情況，并在保障人機(jī)安全的前提下做出相應(yīng)的響應(yīng)。完成邏輯框圖后，可以根據(jù)邏輯流程編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(duì)PLC 進(jìn)行編程之前，應(yīng)該先對(duì)PLC 上的接線端子的輸入輸出地址進(jìn)行分配，因?yàn)镮/O 信號(hào)與硬件地址相匹配是PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。輸入輸出配置好的PLC，其輸入點(diǎn)地址應(yīng)該與輸入信號(hào)相匹配，輸出點(diǎn)地址與輸出信號(hào)相匹配。這就是說，在同一時(shí)刻，PLC 系統(tǒng)中I/O 地址與輸入輸出信號(hào)（回路）是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即I/O地址不會(huì)與多個(gè)實(shí)際輸入／輸出電路對(duì)應(yīng)。然后，對(duì)PLC 進(jìn)行編程時(shí)，按點(diǎn)號(hào)將上述對(duì)應(yīng)關(guān)系建立起邏輯控制關(guān)系，實(shí)際工程中再按照邏輯關(guān)系圖進(jìn)行點(diǎn)號(hào)“對(duì)號(hào)入座”接線[3]。

3.3 自動(dòng)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和下位機(jī)PLC 系統(tǒng)組成的自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用集中式管理、分散控制的結(jié)構(gòu)。工控機(jī)作為上位機(jī)的硬件部分，給監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用程序提供了穩(wěn)定可靠的運(yùn)行環(huán)境，而下位機(jī)PLC 系統(tǒng)可以享有獨(dú)立的采集和控制權(quán)，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過DH+通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、雙向的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換[4]。上位機(jī)可用于編程、參數(shù)設(shè)定和修改、狀態(tài)數(shù)據(jù)的在線顯示等，僅可控制DX 發(fā)射機(jī)的功率升降，對(duì)其他功能部分并沒有直接的控制權(quán)限。而下位機(jī)PLC 系統(tǒng)由于采用了模塊化結(jié)構(gòu)，在可靠性、抗干擾方面都具有很高的能力，即使上位機(jī)發(fā)生故障，下位機(jī)依然可以按照預(yù)設(shè)的參數(shù)和命令對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行控制，故而系統(tǒng)設(shè)計(jì)為依舊保持PLC 系統(tǒng)擁有獨(dú)立的采集、控制權(quán)限。另外，PLC 的模塊化設(shè)計(jì)使得設(shè)備內(nèi)部線路簡(jiǎn)潔，集成度更高，也方便增加新的功能，能夠大大縮短自動(dòng)化系統(tǒng)的施工周期，為改造后的盡快恢復(fù)播出節(jié)約了大量的時(shí)間[5]。

4 結(jié) 語

本文簡(jiǎn)要介紹了DX-600 發(fā)射機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，在不影響發(fā)射機(jī)正常運(yùn)行和安全播出的基礎(chǔ)上，通過改造發(fā)射機(jī)的控制系統(tǒng)部分，以自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)開關(guān)機(jī)、“高-中-低”的三種功率的工作模式切換、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、語音報(bào)警、本機(jī)自動(dòng)/手動(dòng)校時(shí)、工作日志管理以及發(fā)射機(jī)附屬設(shè)備控制等功能。該系統(tǒng)充分利用發(fā)射機(jī)自身的PLC 系統(tǒng)，改造過程既節(jié)約成本又對(duì)原發(fā)射機(jī)的改動(dòng)不大，完全不影響發(fā)射機(jī)的正常運(yùn)行和安全播出工作，從而減輕了發(fā)射機(jī)房運(yùn)維人員的維護(hù)工作負(fù)擔(dān)，既為發(fā)射機(jī)房的“三滿播出任務(wù)”提供了技術(shù)保證，又為機(jī)房推進(jìn)機(jī)房有人留守，無人值班的管理制度提供了技術(shù)支持。