祝海揚，向亞飛，徐澤東，代永光，李彥平

(青海省大氣探測技術(shù)保障中心，西寧 810001)

0 引言

天氣雷達(dá)在暴雨、臺風(fēng)、冰雹、龍卷風(fēng)等強(qiáng)對流災(zāi)害性天氣監(jiān)測和預(yù)警中發(fā)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(dá)216部。隨著新一代天氣雷達(dá)組網(wǎng)運行的重要性不斷提高，對雷達(dá)運行穩(wěn)定性與雷達(dá)故障維修保障能力提出了更高要求。

根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)安裝、凈空環(huán)境及探空環(huán)境等要求，雷達(dá)機(jī)房越來越多地建設(shè)在遠(yuǎn)離辦公區(qū)的地點，這對供電的持續(xù)性和供電質(zhì)量提出了更高的要求。據(jù)統(tǒng)計，SA型新一代天氣雷達(dá)部分停機(jī)故障是由一些小故障引起的，主要表現(xiàn)在RDA計算機(jī)與伺服系統(tǒng)通信連接失敗、RDA計算機(jī)與DAU(數(shù)據(jù)采集單元)系統(tǒng)的通信接口連接失敗以及天線動態(tài)錯誤故障等。這些故障通常可以通過手動重啟RDA計算機(jī)或RDASC新一代天氣雷達(dá)運行軟件，重新通電復(fù)位DCU、DAU等分機(jī)系統(tǒng)，或者是重新通電復(fù)位發(fā)射機(jī)主控板等使雷達(dá)系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。因此，設(shè)計一種穩(wěn)定可靠、方便快捷的天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是非常有必要的。一方面，值班人員可以根據(jù)業(yè)務(wù)要求開啟或者關(guān)閉雷達(dá)系統(tǒng)，從而減輕雷達(dá)的運行壓力，減緩元器件的老化速度，減少經(jīng)費投入；另一方面在雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)生故障需重啟時可遠(yuǎn)程進(jìn)行操作。

國內(nèi)在天氣雷達(dá)技術(shù)保障方面已經(jīng)積累了大量的研究成果[1-3]，國外也做了很多相關(guān)的研究工作[4-6]。張初江[7]等設(shè)計了針對SA型、SB型天氣雷達(dá)的遠(yuǎn)程控制方案，雖然可遠(yuǎn)程控制雷達(dá)電源、高壓、伺服工控機(jī)等設(shè)備，但靈活性和可靠性不高，不便于移植。荀家寶[8]等詳細(xì)介紹了雷達(dá)供電的遠(yuǎn)程控制與軟件設(shè)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(dá)開關(guān)機(jī)的響應(yīng)時間與故障節(jié)點。鑒于此，文章設(shè)計了一種基于I/O交互控制技術(shù)的天氣雷達(dá)電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對無人值守天氣雷達(dá)電源的遠(yuǎn)程控制，提高雷達(dá)技術(shù)保障人員維護(hù)故障處理的效率。

1 系統(tǒng)需求分析

天氣雷達(dá)電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對雷達(dá)總電源、發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)電源、伺服分系統(tǒng)電源、接收分系統(tǒng)電源和RDA分系統(tǒng)電源的遠(yuǎn)程控制功能。系統(tǒng)具體功能要求如下：

1)信息采集。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能實時采集雷達(dá)各系統(tǒng)電源狀態(tài)與機(jī)房溫濕度信息；

2)遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確控制雷達(dá)各系統(tǒng)電源開/關(guān)狀態(tài)；

3)信息反饋。硬件控制器能將雷達(dá)各系統(tǒng)電源狀態(tài)反饋至終端設(shè)備，終端設(shè)備控制雷達(dá)電源后，硬件控制器能反饋雷達(dá)各系統(tǒng)電源狀態(tài)是否控制成功；

4)旁路設(shè)計。當(dāng)電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障無法正常工作時，可以通過應(yīng)急電路控制雷達(dá)各系統(tǒng)電源開/關(guān)狀態(tài)；

5)天氣雷達(dá)電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)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(dá)的正常運行；

6)控制軟件能廣泛適用于Windows 7及以上系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)主要包含兩個部分：硬件分系統(tǒng)與軟件分系統(tǒng)。硬件分系統(tǒng)與軟件分系統(tǒng)之間通過局域網(wǎng)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(guān)等組成。硬件設(shè)備實時采集雷達(dá)各系統(tǒng)電源狀態(tài)與機(jī)房溫濕度信息，根據(jù)上位機(jī)軟件命令控制雷達(dá)各分系統(tǒng)電源，并向上位機(jī)軟件反饋控制結(jié)果信息。軟件部分實現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)電源控制、狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)運行日志管理等功能。上位機(jī)軟件向I/O交互控制器發(fā)送控制命令，實時監(jiān)控雷達(dá)電源狀態(tài)與溫濕度信息，對于超過閾值的溫濕度進(jìn)行報警，同時可以通過日志管理對雷達(dá)運行狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計與查詢。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

天氣雷達(dá)電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件部分采用I/O交互控制器作為整個電源控制系統(tǒng)的核心，通過其輸出端開關(guān)量變化控制交流接觸器的通斷，從而達(dá)到電源遠(yuǎn)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(dá)機(jī)房溫濕度數(shù)據(jù)。

硬件系統(tǒng)電路主要包含2部分：第1部分是上位機(jī)控制雷達(dá)各系統(tǒng)的電源狀態(tài)；第2部分是雷達(dá)各系統(tǒng)電源狀態(tài)反饋給上位機(jī)。雷達(dá)電源狀態(tài)控制電路主要完成值班人員對雷達(dá)電源狀態(tài)的控制功能。雷達(dá)電源狀態(tài)反饋電路由I/O交互控制器采集雷達(dá)電源狀態(tài)，并將其發(fā)送至終端設(shè)備，幫助值班人員了解雷達(dá)當(dāng)前的電源狀態(tài)以及控制命令是否正常。

2.1.1 控制電路設(shè)計

控制電路主要通過I/O交互控制器與交流接觸器實現(xiàn)。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(dá)各分系統(tǒng)電源輸入端相連接。

控制電源以雷達(dá)系統(tǒng)總電源、發(fā)射分系統(tǒng)電源和接收分系統(tǒng)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(jié)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(guān)，其他各分系統(tǒng)輸入電源均從總電源開關(guān)后引入，以達(dá)到總電源與各分系統(tǒng)電源相關(guān)聯(lián)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(jié)點)。在控制電路設(shè)計時，保證總電源及各分系統(tǒng)電源開關(guān)一直處于吸合狀態(tài)，通過控制器控制交流接觸器的吸合與斷開達(dá)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(jī)軟件的開關(guān)命令后，控制輸入輸出模塊的輸出端開關(guān)閉合，使交流接觸器線圈通電，交流接觸器的靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力，將交流接觸器內(nèi)的動鐵芯吸附，從而接通對應(yīng)的電源；反之，輸出端口開關(guān)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(shè)計

反饋電路設(shè)計的目的是獲取雷達(dá)系統(tǒng)總電源和各分系統(tǒng)電源實時的通斷狀態(tài)，并且在各個開關(guān)有相應(yīng)控制操作時能及時獲取操作成功與否的反饋信息。設(shè)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(jī)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(tài)，吸合后處于閉合狀態(tài)。I/O交互控制器為COM端提供1個開關(guān)量檢測信號，當(dāng)此檢測信號與開關(guān)量輸入端(Input1-8)中的任意一個接通時，對應(yīng)的開關(guān)量輸入端為接通狀態(tài)，從而發(fā)生字節(jié)位的變化。在字節(jié)位發(fā)生變化后，交流接觸器將此開關(guān)量上傳至I/O交互控制器，后者生成報文數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)存儲模塊內(nèi)，通過通訊模塊反饋報文信息，從而讀取到各設(shè)備的電源通斷狀態(tài)。

2.2 軟件系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)為雷達(dá)設(shè)備提供遠(yuǎn)程服務(wù)功能，通過I/O交互控制器控制雷達(dá)總電源、發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、RDA分系統(tǒng)等多路信號，并實時監(jiān)控溫濕度信息。

系統(tǒng)流程如下：首先初始化各個頁面信息、數(shù)據(jù)庫信息等，登錄系統(tǒng)后，配置IP地址連接I/O交互控制器；連接成功后會讀取當(dāng)前雷達(dá)電源狀態(tài)，用戶可以根據(jù)實際使用情況遠(yuǎn)程控制雷達(dá)系統(tǒng)。

2.2.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)有3個主要的功能模塊：

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

2)通信配置模塊。其下的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)子模塊可以配置IP地址與網(wǎng)絡(luò)端口。

3)控制命令模塊?？刂泼钅K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(jiān)控界面設(shè)計

監(jiān)控主界面包括4個部分：功能模塊區(qū)、雷達(dá)控制區(qū)、溫濕度監(jiān)控區(qū)和狀態(tài)信息反饋區(qū)。功能模塊區(qū)為用戶提供功能使用快捷轉(zhuǎn)換窗口；雷達(dá)控制區(qū)為監(jiān)控界面核心區(qū)域，為用戶提供控制雷達(dá)的操作界面，包括雷達(dá)總電源和各分系統(tǒng)電源控制，當(dāng)電源接通后界面下方按鈕由紅色變?yōu)樗{(lán)色，且相應(yīng)撥碼開關(guān)閉合；溫濕度監(jiān)控區(qū)實時監(jiān)測溫度、濕度數(shù)據(jù)，同時當(dāng)溫度或濕度超過設(shè)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(tài)信息反饋區(qū)包括兩部分內(nèi)容：一是通信連接狀態(tài)顯示，二是軟件操作狀態(tài)提示(包括操作提示信息和反饋狀態(tài)提示信息)。

3 結(jié)束語

基于I/O交互控制技術(shù)設(shè)計的天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實現(xiàn)了雷達(dá)總電源、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、伺服系統(tǒng)、RDA監(jiān)控設(shè)備等系統(tǒng)供電的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程一鍵開關(guān)機(jī)自動控制與現(xiàn)場手動控制?？刂葡到y(tǒng)在海南新一代雷達(dá)站試運行期間穩(wěn)定可靠、控制精確、系統(tǒng)控制響應(yīng)時間短；在短時快速連續(xù)改變雷達(dá)電源狀態(tài)的情況下，系統(tǒng)能準(zhǔn)確控制雷達(dá)電源狀態(tài)；在軟件長時間離線再次登錄或者在線情況下能正?？刂评走_(dá)開關(guān)機(jī)。軟硬件功能均能滿足用戶對雷達(dá)遠(yuǎn)程控制的需求?？刂葡到y(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能縮短了普通故障維修時間，提高了雷達(dá)維護(hù)維修的時效性，減輕了雷達(dá)運行壓力，有效地提升了雷達(dá)運行效率；且控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，便于在其他雷達(dá)站進(jìn)行推廣使用。