萬學(xué)軍
摘要:在我國廣播傳媒運(yùn)行的初期,使用的是需要人工操作的系統(tǒng),容易出現(xiàn)故障且維護(hù)困難,屬于分立元件邏輯控制方式?,F(xiàn)在隨著科技的發(fā)展,這種方式已經(jīng)開始改變,大功率短波轉(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)開始PLC進(jìn)行設(shè)計管理,在PLC基礎(chǔ)上對大功率短波轉(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計研究將成為其發(fā)展的趨勢。本文從整個控制系統(tǒng)的組成和工作原理開始介紹,進(jìn)一步分析了其軟硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)與層次。
關(guān)鍵詞:PLC 大功率 短波 轉(zhuǎn)動天線 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 設(shè)計研究
中圖分類號:TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-9416(2016)05-0000-00
PLC(Programmable Logic Controller即可編程邏輯控制器)是一種可進(jìn)行編輯的儲存控制器,用于內(nèi)部存儲程序,執(zhí)行邏輯運(yùn)算操作等面向用戶的指令,并能輸入和輸出各類型機(jī)械和生產(chǎn)的過程?;谒拇蠊β识滩ㄞD(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計使我國的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)技術(shù)方案實現(xiàn)了高效穩(wěn)定的遠(yuǎn)程控制和運(yùn)行,以及監(jiān)控機(jī)房的無人值班、有人留守工作模式。
1 PLC基礎(chǔ)上大功率短波轉(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的組成和工作原理
天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要依據(jù)廣播的運(yùn)行圖對天線的轉(zhuǎn)動和高低頻轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制,利用工業(yè)控制計算機(jī)和PLC可以對其進(jìn)行實時的監(jiān)督和控制。在進(jìn)行系統(tǒng)的信號處理過程中,主要依據(jù)天線運(yùn)行要求開展,再依據(jù)系統(tǒng)處理信號的主要特點(diǎn)對整個系統(tǒng)進(jìn)行總體框架的設(shè)計。而整個系統(tǒng)是出于短波頻段,采用大功率射頻信號進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng),在發(fā)射機(jī)房共有5部大功率的短波發(fā)射機(jī)、1套假負(fù)載以及10副短波發(fā)射天線[1]。
大功率短波轉(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)一般以遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式對轉(zhuǎn)動天線和發(fā)射機(jī)實行控制來實現(xiàn)其目標(biāo)。在這個過程中會按照節(jié)目的運(yùn)行方式,對指令進(jìn)行發(fā)布,實現(xiàn)發(fā)射機(jī)換天線、變換天線方向、切換天線程式以及換頻等原本的天線與發(fā)射機(jī)之間的本地控制。這兩個系統(tǒng)之間必須要有連鎖情況,從而使整個高壓閉合安全系統(tǒng)得以開放其進(jìn)行通信的接口協(xié)議,同時具備一定的較好的擴(kuò)展性,使其實現(xiàn)主臺區(qū)中心監(jiān)控機(jī)房進(jìn)行集成的所有自動化控制系統(tǒng)。其中包括轉(zhuǎn)動天線的發(fā)射系統(tǒng)臺區(qū)的使用的發(fā)射機(jī)、主臺區(qū)以及天線的自動化控制系統(tǒng)等主要和次要的系統(tǒng)組成在內(nèi)。
系統(tǒng)整體上的組成及結(jié)構(gòu)目標(biāo)是形成兩級控制:上位機(jī)使用工控機(jī)進(jìn)行控制,主要目的是使上位機(jī)的各項功能得以順利完成,其中包括:編輯整體的節(jié)目運(yùn)行圖、系統(tǒng)節(jié)目狀態(tài)的實時顯示、遠(yuǎn)程控制的把握、數(shù)據(jù)的存儲、進(jìn)行預(yù)警報警、制作和提交報表等功能;下位機(jī)基于OMRON的CJ1H-CPU45H的PLC方式,主要負(fù)責(zé)完成高低頻數(shù)據(jù)以及天線角度的采集和控制等功能。
此外,大功率短波轉(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用了兩套獨(dú)立的控制系統(tǒng)以保證整個系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定。這兩套獨(dú)立的控制系統(tǒng)為手動控制系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng);手動控制系統(tǒng)中,上位機(jī)上系統(tǒng)中具有人機(jī)界面的控制按鈕,控制人員通過對其的控制操作,使PLC接收到其指令,隨后進(jìn)行高低頻轉(zhuǎn)換以及天線轉(zhuǎn)動起停等的自動控制;自動控制系統(tǒng)中,控制人員通過對上位機(jī)的操作可以下載PLC運(yùn)行圖,實現(xiàn)高低頻轉(zhuǎn)換和天線轉(zhuǎn)動起停等的自動控制。
2 PLC基礎(chǔ)上大功率短波轉(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 PLC硬件設(shè)計
轉(zhuǎn)動天線是電臺進(jìn)行廣播發(fā)送的基本設(shè)備,它一般均以廣播運(yùn)行圖編輯的要求來進(jìn)行高低頻段的倒換以及在給定廣播方向的倒轉(zhuǎn)中發(fā)送相關(guān)廣播。整個系統(tǒng)使用了屬于CJ1H系列的輔助PLC控制,硬件為模塊化的設(shè)計方式,同時配合多項控制功能,使基于此PLC控制的系統(tǒng)具有配置相對靈活、抗干擾能力較強(qiáng)、反應(yīng)迅速的優(yōu)勢?;诖薖LC控制的系統(tǒng)硬件的配置主要包括以下四個部分:第一CJ1H-CPU45H系列的PLC為真不改革系統(tǒng)進(jìn)行控制的核心,以此來進(jìn)行相關(guān)的程序執(zhí)行任務(wù);第二,通信部分使用CJ1W-SCU2-V1單元硬件配置,以此保持和上位機(jī)進(jìn)行通信;第三,模擬量輸入的部分使用了CJ1W-AD081-V1單元硬件配置,它具有8個輸入信號點(diǎn)的范圍,分別是4~20mA 、1~5V、0~10V和-10~10V;第四,模擬量輸出的部分使用CJ1W-AD08C單元硬件配置,它同樣具有8個信號點(diǎn)的范圍,并與上述模擬量輸入的部分的信號點(diǎn)范圍完全相同[2]。
2.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
整個大功率短波轉(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件設(shè)置主要包括以下四部分:發(fā)射機(jī)進(jìn)行本地控制的主體系統(tǒng)、室內(nèi)環(huán)境和音頻開關(guān)的監(jiān)控系統(tǒng)、進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的終端以及轉(zhuǎn)動天線的監(jiān)控系統(tǒng)。其中,進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的終端是整個硬件設(shè)施的監(jiān)控主體,其在中心監(jiān)控機(jī)房即時對發(fā)射機(jī)、室內(nèi)環(huán)境和音頻開關(guān)、轉(zhuǎn)動天線等任意選擇自動或手動的模式進(jìn)行終端控制。同時,進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的終端以熱備份冗余的方式進(jìn)行主用和熱備用的工控機(jī)數(shù)據(jù)連接,實現(xiàn)對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集。熱備用工控機(jī)是主用工控機(jī)的備用設(shè)備,在其發(fā)生故障影響使用時會被自動激活,接管所有自動控制并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸至計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中備份保存。進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的終端系統(tǒng)使用的上位機(jī)平臺是工業(yè)級的工控機(jī),其一般使用以太網(wǎng)進(jìn)行與發(fā)射機(jī)的自動系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信連接,并提取其中的重要信息,作為自身進(jìn)行遠(yuǎn)程控制工作的根本依據(jù)。它用8芯光纜(長約2.5公里)進(jìn)行機(jī)房控制系統(tǒng)的連接,同時使用光纖分配器和光貓來實現(xiàn)系統(tǒng)接口之間點(diǎn)對點(diǎn)的連接通信。其中有3對芯分別與室內(nèi)環(huán)境和音頻開關(guān)的計算機(jī)、轉(zhuǎn)動天線、發(fā)射機(jī)進(jìn)行連接,另留一對芯作為備用[3]。轉(zhuǎn)動天線的控制系統(tǒng)硬件使用的是SLC500系列型號的處理器及其相應(yīng)的模擬和數(shù)據(jù)的傳輸模塊,同時使用在控制柜前方進(jìn)行安裝的觸摸屏作為人機(jī)交互的操作界面。
3 PLC基礎(chǔ)上大功率短波轉(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 PLC軟件設(shè)計
轉(zhuǎn)動天線的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計時,往往根據(jù)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的操作流程來對其進(jìn)行編寫,并形成具有一定規(guī)范的梯形圖,在此過程中需要先給出數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂返姆峙浔?。?和表2即為為PLC的I/O地址傳輸分配表:
大功率短波轉(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的自動工作程序通常以系統(tǒng)設(shè)計的整體要求為主要依據(jù)。PLC在現(xiàn)場進(jìn)行高、低頻開關(guān)角度和位置數(shù)據(jù)的讀取,并將讀取的數(shù)據(jù)和最開始的廣播運(yùn)行圖在高、低頻和角度進(jìn)行比較,當(dāng)PLC讀取的相關(guān)數(shù)據(jù)與廣播運(yùn)行圖在高、低頻位置和角度上的數(shù)據(jù)有差異時,便可以自動對天線轉(zhuǎn)動的差異之處進(jìn)行相對應(yīng)的控制。大功率短波轉(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)高低頻的選擇過程是對處于自動控制狀態(tài)下的系統(tǒng),將PLC實際的運(yùn)行圖和最初的廣播運(yùn)行圖在天線的角度和高、低頻上進(jìn)行比較,當(dāng)PLC實際的運(yùn)行圖和廣播運(yùn)行圖有差異時會自動進(jìn)行高、低頻的切換。如在實際的運(yùn)行圖處于高頻狀態(tài),而廣播運(yùn)行圖顯示需要低頻狀態(tài)時,機(jī)器將自動落高壓5秒,隨后在4009.08控制下,高、低頻馬達(dá)重新轉(zhuǎn)到低頻的狀態(tài),同時,W29.06會斷開使馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動。大功率短波轉(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的天線方位轉(zhuǎn)動遠(yuǎn)程控制是在天線高、低頻的切換完成后,首先比較實際運(yùn)行與廣播運(yùn)行圖的角度,并對其顯示出的差異,以廣播運(yùn)行圖為準(zhǔn),進(jìn)行天線轉(zhuǎn)動控制,同時控制系統(tǒng)將對需要轉(zhuǎn)動的方向進(jìn)行優(yōu)化分析,從而選取最佳轉(zhuǎn)動路徑,隨后轉(zhuǎn)動天線角度,使其與廣播運(yùn)行圖的方向一致。
3.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
大功率短波轉(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計一般以SCADA、RSView32系統(tǒng)以及RSLogix500的編程語言等工具進(jìn)行軟件的開發(fā)。本地機(jī)房進(jìn)行控制的系統(tǒng)和進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的終端間一般采用DF1協(xié)議和串口通訊,達(dá)到國家規(guī)定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),同時兼顧熊德可靠性及其效率。光纖分配器和光貓可以將需要傳達(dá)的信息轉(zhuǎn)成光信號進(jìn)行傳輸,從而有效地解決由于使用串口協(xié)議傳輸造成的機(jī)房臺區(qū)和主臺區(qū)間地電磁干擾和距離過遠(yuǎn)問題,從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?、可靠。這也在一定程度上解決了機(jī)房和中心監(jiān)控機(jī)房間通訊故障的情況,在二者通訊故障時,機(jī)房的室內(nèi)環(huán)境、天線和發(fā)射機(jī)等自動監(jiān)控系統(tǒng)均能自主切換成為本地模式繼續(xù)運(yùn)行,從而確保了設(shè)備整體運(yùn)行的安全性和獨(dú)立性[4]。
模塊分級結(jié)構(gòu)下的控制系統(tǒng),使自動控制系統(tǒng)進(jìn)行逐步設(shè)計和實施成為可能。模塊分級結(jié)構(gòu)均是由最簡單、原始的數(shù)據(jù)采集模塊單元開始,逐步上升至全臺的中央自動遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò),其牢靠的層次性有利于工作人員在進(jìn)行手動控制中靈活地應(yīng)用電臺的實際情況進(jìn)行系統(tǒng)系統(tǒng)功能的修改或增減以及系統(tǒng)配置等。
遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的主界面是采用各種方式通過StationMaster plus系統(tǒng)的HMI對它進(jìn)行存取。StationMaster Plus系統(tǒng)有兩個組成部分,分別是級別較低的基本單元以及StationMaster Plus應(yīng)用單元。一般情況下,多用戶、多任務(wù)的操作系統(tǒng)均屬于低級別單元,它們用以對基本的用戶、運(yùn)行程序以及輸入/輸出的操作進(jìn)行基本的控制和管理。而SCADA系統(tǒng)為較高級別的單元,它負(fù)責(zé)對其所控制的設(shè)備輸出命令以及各項數(shù)據(jù)的實時采集。在通信線路整體穩(wěn)定、操作無誤的情況下,SCADA系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)庫會對任何時間設(shè)備的真實狀態(tài)進(jìn)行圖象保存。此外,SCADA系統(tǒng)還可以對更低級別數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定義、取樣比率和信息的存取。而SLGMS圖形工具則充當(dāng)人類工程學(xué)與人之間可理解的中間階層,在控制系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行信息和命令的交換、傳輸。
StationMaster Plus應(yīng)用單元處理的數(shù)據(jù)可以被TCP-服務(wù)器直接接收,并通過TCP-服務(wù)器的圖形模塊系統(tǒng)顯示出來。在StationMaster Plus處理數(shù)據(jù)的過程中,系統(tǒng)會自動記錄輸入的數(shù)據(jù)與列表當(dāng)中,而demon模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)所有的輸入事件,它會檢查傳輸時間表上自動執(zhí)行的項目與是否會受到影響,并進(jìn)行先關(guān)的提示。StationMaster Plus應(yīng)用單元的自動控制模塊則可以同時向音頻matrix、天線控制系統(tǒng)以及發(fā)射機(jī)等發(fā)送其需要執(zhí)行的命令。圖形模型系統(tǒng)具有顯示信息和獲得鼠標(biāo)點(diǎn)擊、其運(yùn)動軌跡以及鍵盤輸入信息的功能。它獲取的全部數(shù)據(jù)都將送到StationMaster Plus核查并儲存,其出現(xiàn)的錯誤操作在核查后都將被排除。StationMaster應(yīng)用單元和圖形模型系統(tǒng)均獨(dú)立于其相應(yīng)的操作系統(tǒng),當(dāng)計算機(jī)平臺或操作系統(tǒng)發(fā)生變化時,這兩者可以對其投入資本提供一定的保護(hù)。RTU程序同樣屬于一個獨(dú)立的計算機(jī)系統(tǒng)程序,它有唯一的程序接口,自帶的各種軟件包在應(yīng)用于不同的系統(tǒng)時,會依據(jù)自身的思想模式在一定程度上擴(kuò)展或改變系統(tǒng)功能。RTU程序的應(yīng)用使控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作功能增強(qiáng),而且可以利用它接受并處理一些被處理過的數(shù)據(jù)。此外,RTU程序還有助于系統(tǒng)低級別具備一致性,使天線控制系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)和綜合報告能夠合并于一個控制系統(tǒng)中,并以較為簡單基本的函數(shù)形式顯示出來,有助于操作人員的辨識。RTU程序的程序控制和數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)是具備自動控制功能,并被MicroLogix1000邏輯程序控制的遠(yuǎn)程終端單元。此外,這個遠(yuǎn)程終端的SI為系列接口,BO為二進(jìn)制輸出,BI為二進(jìn)制輸入。
4 結(jié)語
基于PLC的大功率短波轉(zhuǎn)動天線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是最新的遠(yuǎn)程控制應(yīng)用系統(tǒng),它極大地改善了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的操作和運(yùn)行模式,并在一定程度上減輕了操作人員的工作負(fù)擔(dān),降低了由于人為操作產(chǎn)生的故障和事故。在此技術(shù)在我國應(yīng)用后,其高效穩(wěn)定的自動化控制方式使操作人員的工作效率得到了較大的提升,促進(jìn)了廣播、電臺等行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。對其設(shè)計的研究探討有助于對其的學(xué)習(xí)和應(yīng)用,使我國遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的建設(shè)得以繼續(xù)進(jìn)步發(fā)展,為其在進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
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