發(fā)射機房的天線自動控制系統(tǒng)設計

1 引言

隨著發(fā)射臺信息化建設的深入開展，為了實現發(fā)射機房監(jiān)控系統(tǒng)的全自動化控制，我臺丙機房5部150kW短波發(fā)射機新建了天線自動控制系統(tǒng)。天線控制系統(tǒng)作為發(fā)射機房監(jiān)控系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，可以受遠端監(jiān)控機房的控制，為機房監(jiān)控系統(tǒng)提供天線控制接口和數據上傳接口；能夠提供手動方式或自動方式，獨立完成對天線同軸開關和場地轉換開關的切換控制；自動狀態(tài)下，天控系統(tǒng)根據運行時間表自動倒換工作；可以對天線的控制操作和故障進行記錄、統(tǒng)計和查詢；同時可以完成對天線、假負載工作狀態(tài)的監(jiān)測。下面對我機房的天線自動控制系統(tǒng)作一簡要介紹。

2 天線自動控制系統(tǒng)的基本結構

天線自動控制系統(tǒng)采用了工業(yè)控制計算機加帶光耦隔離的DI/O板的設計方案。帶光耦隔離的DI/O板主要由若干個光電耦合器組成，可以使天線自動控制單元與受控對象之間進行電隔離，確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。其中，工控機采用研華原裝IPC-610（P42.8G，512M，80G硬盤，comb光驅，10/100M自適應網卡），17寸工業(yè)觸摸屏顯示器作為顯示終端；開關量輸入采用研華PCI-1752（64路入PC104總線輸入板），輸出卡采用研華PCI-1754（64路出PC104總線輸出板）。

2.1 系統(tǒng)組成

天線自動控制系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩個部分。

硬件系統(tǒng)包括如下三個部分：

（1）管理控制中心：主要由工控機和DI/O卡構成（含觸摸屏、鼠標、鍵盤等外圍設備）。

（2）天線控制和狀態(tài)采樣單元：主要由控制和采樣電路構成。

（3）受控單元：主要由同軸開關和場地開關組成。

軟件系統(tǒng)用LABVIEW語言進行編寫，主要包含：自動運行、手動運行、數據記錄等。

2.2 系統(tǒng)控制原理

圖 1為天線自動控制系統(tǒng)控制原理框圖。該系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機對系統(tǒng)進行管理和控制，控制時，由軟件系統(tǒng)通過DI/O卡對控制電路發(fā)出控制指令，控制電路根據控制指令對執(zhí)行單元（受控對象：同軸開關和場地開關）進行相應控制動作，從而使天線轉到被指定的相應位置；同時，采樣電路對受控對象的開關狀態(tài)進行采樣，通過DI/O卡反饋給工業(yè)控制計算機。



圖1 天線自動控制系統(tǒng)控制原理框圖

3 硬件控制部分

3.1 受控對象的位置關系

天線自動控制系統(tǒng)的受控對象主要是同軸開關和場地開關，它們均受控于控制電路。圖2為同軸開關（KT）和場地開關（K）控制原理圖。



圖2 同軸開關（KT）和場地開關（K）控制原理圖

同軸開關KT0-KT4有兩種工作狀態(tài)，即：天線位和假負載位。天線位表示發(fā)射機連接到對應天線上；假負載位表示發(fā)射機連接到對應假負載上。場地開關K1、K2、K3、K4、K5也有兩種工作狀態(tài)，即：直通和轉向，直通表明此時場地開關按照十字直接接通天線；轉向表明此時場地開關按照轉向方向接通天線。代播機可以使用任何一副天線，C01機、C02機、CO3機、C04機除了能接通本機天線外，只能依次使用下一級天線，即：C01機可接通301、302、303、304、305、備用天線；C02機可接通302、303、304、305、備用天線；C03機可接通 304、305、備用天線；C04機可接通305、備有天線。

3.2 同軸開關控制及采樣電路

3.2.1 功能：

（1）完成對同軸開關的控制。

（2）實現天線位和假負載位的硬件閉鎖。

（3）完成對同軸開關位置狀態(tài)的采樣。

（4）完成發(fā)射機是否加高壓的判斷。

（5）完成對假負載開關是否打開的判斷。

3.2.2 同軸開關的控制及采樣電路原理

圖 3為同軸開關KT0-KT4控制及采樣原理，圖4為同軸開關控制示意圖。同軸交換開關內部的驅動電機為220VAC控制。在圖3中，A繼電器為天線到位控制繼電器，C繼電器為天線到位采樣繼電器；B繼電器為假負載到位控制繼電器，D繼電器為假負載到位采樣繼電器。A、B、C、D繼電器均為24VDC控制。



圖3同軸開關KT0-KT4控制及采樣原理



圖4同軸開關控制示意圖

（1）天線到位控制及采樣

當同軸開關需要轉向天線位時，工控機01端將發(fā)出一個低電平指令，通過C繼電器常閉接點C4送到A繼電器線包的下端，A繼電器得電后，其常開接點A2接通，220VAC控制電壓被送到同軸交換開關的14端，同軸開關驅動電機被加電，開始轉動（見圖4），當同軸開關與天線連接到位后，同軸交換開關15端送出24V的天線到位的信息指令到C繼電器線包的上端，C繼電器得電吸合，C繼電器常閉接點C4斷開，A繼電器線包失電立即斷開，其常開接點A2斷開，同軸開關驅動電機斷電，同時，C繼電器常開接點C1接通，將+24V天線到位的采樣信號送給工控機DI/O卡的11端，到此，天線到位控制完成。

（2）假負載到位控制及采樣

當同軸開關需要轉向假負載位時，工控機02端將發(fā)出一個低電平指令，通過D繼電器的常閉接點D4送到B繼電器線包的下端，B機電器得電后，其常開接點B2接通，220VAC控制電壓被送到同軸交換開關的16端，同軸交換開關驅動電機被加電，開始轉動（見圖4）；當同軸開關與假負載連接到位后，同軸開關17端送出24V的假負載到位的信息指令到D繼電器線包的上端，D繼電器得電吸合，D繼電器常閉接點D4斷開，B繼電器線包失電立即斷開，其常開接點B2斷開，同軸開關驅動電機斷電，同時，D繼電器常開接點D1接通，將+24V假負載到位的采樣信號送給工控機DI/O卡12端，到此，假負載到位控制完成。

3.3 場地開關控制及采樣電路

3.3.1 功能

（1）完成對場地開關的控制。

（2）實現硬件閉鎖功能。

（3）完成對場地開關位置狀態(tài)的采樣。

3.3.2 場地開關的控制及采樣電路原理

圖5為場地交換開關K1-K5控制及采樣原理，圖6為場地開關轉向控制示意圖，圖7為場地開關直通控制示意圖。同軸交換開關內部的驅動電機為220VAC控制。



圖5 場地交換開關K1-K5控制及采樣原理



圖6 場地開關轉向控制示意圖



圖7 場地開關直通控制示意圖

在圖5中，A繼電器為場地開關轉向控制繼電器，C繼電器為場地開關轉向到位采樣繼電器；B繼電器為場地開關直通控制繼電器，D繼電器為場地開關直通到位采樣繼電器。A、B、C、D繼電器和場地開關均為24VDC控制。

（1）轉向驅動控制及采樣

當場地開關處在直通位置，需要向轉向位轉動時，工控機20端發(fā)出一個低電平指令，經C繼電器常閉接點C3，加到A繼電器線包的下端，A繼電器的電后，其常開接點A2接通，+24V控制電壓被加到場地交換開關的4端，場地開關驅動電機得電運轉（見圖6、圖7）；當場地開關由直通位轉到轉向位到位后，場地交換開關的5端送出24V高電平的到位信息指令，并加到C繼電器線包的下端，C繼電器得電吸合，其常閉接點C3斷開，使A繼電器失電，立即斷開，A繼電器常開接點A2斷開，場地開關驅動電機24V斷電，同時，C繼電器常開接點C1接通，將24V轉向到位信息的采樣信號送給工控機DI/O卡30端，轉向驅動控制完成。

（2）直通驅動控制及采樣

當場地開關處在轉向位置，需要向直通位轉動時，工控機21端發(fā)出一個低電平指令，經D繼電器常閉接點D3，加到B繼電器線包的下端，B繼電器的電后，其常開接點B2接通，+24V控制電壓被加到場地交換開關的6端，場地開關驅動電機得電運轉（見圖6、圖7）；當場地開關由轉向位轉到直通位到位后，場地交換開關的7端送出24V高電平的到位信息指令，并加到D繼電器線包的下端，D繼電器得電吸合，其常閉接點D3斷開，使B繼電器失電，立即斷開，B繼電器常開接點B2斷開，場地開關驅動電機24V斷電，同時，D繼電器常開接點D1接通，將24V 直通到位信息的采樣信號送給工控機DI/O卡31端，直通驅動控制完成。

3.4 系統(tǒng)安全措施

（1）發(fā)射機加高壓時，其對應的所有開關不允許切換。

（2）發(fā)射機應在天線位，而天線轉動未到位時；發(fā)射機應在假負載位，而假負載轉動未到位時，發(fā)射機不能加高壓。

（3）由于閉鎖信號不到位，發(fā)射機不能加高壓，因此系統(tǒng)需要判斷每部發(fā)射機是否加高壓、判斷天線或假負載是否轉動到位。

（4）為確保發(fā)射機加高壓安全，系統(tǒng)設計有硬件和軟件閉鎖信號，硬件閉鎖由場地開關和同軸開關給出，軟件閉鎖信號由系統(tǒng)給出，當滿足加高壓條件時，軟件系統(tǒng)給出軟件閉鎖信號，當軟件和硬件閉鎖信號都滿足時，系統(tǒng)才能加高壓。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件的設計是利用工業(yè)控制計算機平臺，以完成天線控制系統(tǒng)的全部功能為目的，本著操作簡單、實用，界面友好、美觀進行的。

4.1 軟件系統(tǒng)功能

天線自動交換系統(tǒng)功能結構圖如圖8所示。



圖8 天線自動交換系統(tǒng)功能結構圖

天線自動交換系統(tǒng)的功能如下：

（1）天線自動交換系統(tǒng)實現對天線交換開關的自動切換功能，確定發(fā)射機需要連接的天線或假負載。天線交換開關的控制包括：手動操作、電動控制和自動控制三種模式。

手動操作：使用機械方式切換天線交換開關。（此時系統(tǒng)不應在自動模式，并有相應的措施切斷驅動電源，保護設備和人身安全，但監(jiān)測依然有效。）電動控制：在控制柜或控制面板上，通過人為控制電動開關，實現對天線交換開關的切換。

自動控制：根據運行時間表，以定時時間脈沖為切換依據實現天線交換開關的自動控制。

（2）自動化系統(tǒng)工作模式之間的相互切換，在上位機的屏幕上選擇，相互切換后，必須保持原天線交換系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

（3）自動運行時，系統(tǒng)自動接收遠程機房下發(fā)的運行圖并依據運行圖進行工作。

（4）手動運行時，系統(tǒng)管理員可直接修改本監(jiān)控系統(tǒng)的運行圖，完成系統(tǒng)控制；權限管理員也可對系統(tǒng)各個控制開關的狀態(tài)進行編輯，人為修改數據。

（5）日志管理功能：能夠對管理員的操作情況、報警等信息進行全面記錄，方便查看系統(tǒng)運行情況。

4.2 操作界面

（1）歡迎界面。

歡迎界面如圖9所示。


圖9 歡迎界面

說明：登錄界面提供了用戶鑒權功能，只有具有管理員身份和密碼的用戶才可以使用本系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全。

（2）工作模式選擇

說明：系統(tǒng)提供自動和手動兩種工作模式，用戶可在登錄后選擇使用；日志為系統(tǒng)使用情況和故障的記錄，用戶可在此直接進入查看。

（3）主界面（自動運行）

天線系統(tǒng)自動運行主界面如圖10所示。


圖10 天線系統(tǒng)自動運行主界面

說明：

①系統(tǒng)的基本功能為自動、手動、日志查看功能，在主界面的最下端以按鈕的形式顯示。

②圖10中的綠色線條表示播音機天線通路接通，灰色表示天線通路未接通。

藍色線條表示代播機天線通路接通。

4.3 軟件的基本流程圖

執(zhí)行流程圖為軟件主流程，完成系統(tǒng)功能（見圖11）。執(zhí)行流程的簡單過程如下。


圖11 執(zhí)行流程圖

選擇好需要切換的設備（或開關）后，點擊“執(zhí)行”按鈕，實現天線和假負載、代播機和發(fā)射機的自動切換，執(zhí)行步驟如下：

第一步：等待“執(zhí)行”命令，若“執(zhí)行”

命令到達，執(zhí)行第二步。

第二步：檢查發(fā)射機的狀態(tài)，看是否連接到相關的發(fā)射機，若發(fā)現發(fā)射機的連接，執(zhí)行第三步，否則取消執(zhí)行并發(fā)出告警提示。

第三步：執(zhí)行同軸交換開關的控制程序，實現天線和假負載的自動切換。

第四步：執(zhí)行場地開關的控制程序，實現發(fā)射機和代播機的自動切換。

5 結束語

天線控制系統(tǒng)投入使用已有2年多，在安全播出日常運行中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，使用簡捷靈活，既減輕了機房值班員的維護工作量，又減少了故障率，為機房安全播出起到了有力的保障作用。