发射机房的天线自动控制系统设计

1 引言

随着发射台信息化建设的深入开展，为了实现发射机房监控系统的全自动化控制，我台丙机房5部150kW短波发射机新建了天线自动控制系统。天线控制系统作为发射机房监控系统的一个子系统，可以受远端监控机房的控制，为机房监控系统提供天线控制接口和数据上传接口；能够提供手动方式或自动方式，独立完成对天线同轴开关和场地转换开关的切换控制；自动状态下，天控系统根据运行时间表自动倒换工作；可以对天线的控制操作和故障进行记录、统计和查询；同时可以完成对天线、假负载工作状态的监测。下面对我机房的天线自动控制系统作一简要介绍。

2 天线自动控制系统的基本结构

天线自动控制系统采用了工业控制计算机加带光耦隔离的DI/O板的设计方案。带光耦隔离的DI/O板主要由若干个光电耦合器组成，可以使天线自动控制单元与受控对象之间进行电隔离，确保系统工作的稳定性。其中，工控机采用研华原装IPC-610（P42.8G，512M，80G硬盘，comb光驱，10/100M自适应网卡），17寸工业触摸屏显示器作为显示终端；开关量输入采用研华PCI-1752（64路入PC104总线输入板），输出卡采用研华PCI-1754（64路出PC104总线输出板）。

2.1 系统组成

天线自动控制系统主要包括硬件和软件两个部分。

硬件系统包括如下三个部分：

（1）管理控制中心：主要由工控机和DI/O卡构成（含触摸屏、鼠标、键盘等外围设备）。

（2）天线控制和状态采样单元：主要由控制和采样电路构成。

（3）受控单元：主要由同轴开关和场地开关组成。

软件系统用LABVIEW语言进行编写，主要包含：自动运行、手动运行、数据记录等。

2.2 系统控制原理

图 1为天线自动控制系统控制原理框图。该系统由工业控制计算机对系统进行管理和控制，控制时，由软件系统通过DI/O卡对控制电路发出控制指令，控制电路根据控制指令对执行单元（受控对象：同轴开关和场地开关）进行相应控制动作，从而使天线转到被指定的相应位置；同时，采样电路对受控对象的开关状态进行采样，通过DI/O卡反馈给工业控制计算机。



图1 天线自动控制系统控制原理框图

3 硬件控制部分

3.1 受控对象的位置关系

天线自动控制系统的受控对象主要是同轴开关和场地开关，它们均受控于控制电路。图2为同轴开关（KT）和场地开关（K）控制原理图。



图2 同轴开关（KT）和场地开关（K）控制原理图

同轴开关KT0-KT4有两种工作状态，即：天线位和假负载位。天线位表示发射机连接到对应天线上；假负载位表示发射机连接到对应假负载上。场地开关K1、K2、K3、K4、K5也有两种工作状态，即：直通和转向，直通表明此时场地开关按照十字直接接通天线；转向表明此时场地开关按照转向方向接通天线。代播机可以使用任何一副天线，C01机、C02机、CO3机、C04机除了能接通本机天线外，只能依次使用下一级天线，即：C01机可接通301、302、303、304、305、备用天线；C02机可接通302、303、304、305、备用天线；C03机可接通 304、305、备用天线；C04机可接通305、备有天线。

3.2 同轴开关控制及采样电路

3.2.1 功能：

（1）完成对同轴开关的控制。

（2）实现天线位和假负载位的硬件闭锁。

（3）完成对同轴开关位置状态的采样。

（4）完成发射机是否加高压的判断。

（5）完成对假负载开关是否打开的判断。

3.2.2 同轴开关的控制及采样电路原理

图 3为同轴开关KT0-KT4控制及采样原理，图4为同轴开关控制示意图。同轴交换开关内部的驱动电机为220VAC控制。在图3中，A继电器为天线到位控制继电器，C继电器为天线到位采样继电器；B继电器为假负载到位控制继电器，D继电器为假负载到位采样继电器。A、B、C、D继电器均为24VDC控制。



图3同轴开关KT0-KT4控制及采样原理



图4  同轴开关控制示意图

（1）天线到位控制及采样

当同轴开关需要转向天线位时，工控机01端将发出一个低电平指令，通过C继电器常闭接点C4送到A继电器线包的下端，A继电器得电后，其常开接点A2接通，220VAC控制电压被送到同轴交换开关的14端，同轴开关驱动电机被加电，开始转动（见图4），当同轴开关与天线连接到位后，同轴交换开关15端送出24V的天线到位的信息指令到C继电器线包的上端，C继电器得电吸合，C继电器常闭接点C4断开，A继电器线包失电立即断开，其常开接点A2断开，同轴开关驱动电机断电，同时，C继电器常开接点C1接通，将+24V天线到位的采样信号送给工控机DI/O卡的11端，到此，天线到位控制完成。

（2）假负载到位控制及采样

当同轴开关需要转向假负载位时，工控机02端将发出一个低电平指令，通过D继电器的常闭接点D4送到B继电器线包的下端，B机电器得电后，其常开接点B2接通，220VAC控制电压被送到同轴交换开关的16端，同轴交换开关驱动电机被加电，开始转动（见图4）；当同轴开关与假负载连接到位后，同轴开关17端送出24V的假负载到位的信息指令到D继电器线包的上端，D继电器得电吸合，D继电器常闭接点D4断开，B继电器线包失电立即断开，其常开接点B2断开，同轴开关驱动电机断电，同时，D继电器常开接点D1接通，将+24V假负载到位的采样信号送给工控机DI/O卡12端，到此，假负载到位控制完成。

3.3 场地开关控制及采样电路

3.3.1 功能

（1）完成对场地开关的控制。

（2）实现硬件闭锁功能。

（3）完成对场地开关位置状态的采样。

3.3.2 场地开关的控制及采样电路原理

图5为场地交换开关K1-K5控制及采样原理，图6为场地开关转向控制示意图，图7为场地开关直通控制示意图。同轴交换开关内部的驱动电机为220VAC控制。



图5 场地交换开关K1-K5控制及采样原理



图6 场地开关转向控制示意图



图7 场地开关直通控制示意图

在图5中，A继电器为场地开关转向控制继电器，C继电器为场地开关转向到位采样继电器；B继电器为场地开关直通控制继电器，D继电器为场地开关直通到位采样继电器。A、B、C、D继电器和场地开关均为24VDC控制。

（1）转向驱动控制及采样

当场地开关处在直通位置，需要向转向位转动时，工控机20端发出一个低电平指令，经C继电器常闭接点C3，加到A继电器线包的下端，A继电器的电后，其常开接点A2接通，+24V控制电压被加到场地交换开关的4端，场地开关驱动电机得电运转（见图6、图7）；当场地开关由直通位转到转向位到位后，场地交换开关的5端送出24V高电平的到位信息指令，并加到C继电器线包的下端，C继电器得电吸合，其常闭接点C3断开，使A继电器失电，立即断开，A继电器常开接点A2断开，场地开关驱动电机24V断电，同时，C继电器常开接点C1接通，将24V转向到位信息的采样信号送给工控机DI/O卡30端，转向驱动控制完成。

（2）直通驱动控制及采样

当场地开关处在转向位置，需要向直通位转动时，工控机21端发出一个低电平指令，经D继电器常闭接点D3，加到B继电器线包的下端，B继电器的电后，其常开接点B2接通，+24V控制电压被加到场地交换开关的6端，场地开关驱动电机得电运转（见图6、图7）；当场地开关由转向位转到直通位到位后，场地交换开关的7端送出24V高电平的到位信息指令，并加到D继电器线包的下端，D继电器得电吸合，其常闭接点D3断开，使B继电器失电，立即断开，B继电器常开接点B2断开，场地开关驱动电机24V断电，同时，D继电器常开接点D1接通，将24V 直通到位信息的采样信号送给工控机DI/O卡31端，直通驱动控制完成。

3.4 系统安全措施

（1）发射机加高压时，其对应的所有开关不允许切换。

（2）发射机应在天线位，而天线转动未到位时；发射机应在假负载位，而假负载转动未到位时，发射机不能加高压。

（3）由于闭锁信号不到位，发射机不能加高压，因此系统需要判断每部发射机是否加高压、判断天线或假负载是否转动到位。

（4）为确保发射机加高压安全，系统设计有硬件和软件闭锁信号，硬件闭锁由场地开关和同轴开关给出，软件闭锁信号由系统给出，当满足加高压条件时，软件系统给出软件闭锁信号，当软件和硬件闭锁信号都满足时，系统才能加高压。

4 系统软件

系统软件的设计是利用工业控制计算机平台，以完成天线控制系统的全部功能为目的，本着操作简单、实用，界面友好、美观进行的。

4.1 软件系统功能

天线自动交换系统功能结构图如图8所示。



图8 天线自动交换系统功能结构图

天线自动交换系统的功能如下：

（1）天线自动交换系统实现对天线交换开关的自动切换功能，确定发射机需要连接的天线或假负载。天线交换开关的控制包括：手动操作、电动控制和自动控制三种模式。

手动操作：使用机械方式切换天线交换开关。（此时系统不应在自动模式，并有相应的措施切断驱动电源，保护设备和人身安全，但监测依然有效。）电动控制：在控制柜或控制面板上，通过人为控制电动开关，实现对天线交换开关的切换。

自动控制：根据运行时间表，以定时时间脉冲为切换依据实现天线交换开关的自动控制。

（2）自动化系统工作模式之间的相互切换，在上位机的屏幕上选择，相互切换后，必须保持原天线交换系统的运行状态。

（3）自动运行时，系统自动接收远程机房下发的运行图并依据运行图进行工作。

（4）手动运行时，系统管理员可直接修改本监控系统的运行图，完成系统控制；权限管理员也可对系统各个控制开关的状态进行编辑，人为修改数据。

（5）日志管理功能：能够对管理员的操作情况、报警等信息进行全面记录，方便查看系统运行情况。

4.2 操作界面

（1）欢迎界面。

欢迎界面如图9所示。


图9 欢迎界面

说明：登录界面提供了用户鉴权功能，只有具有管理员身份和密码的用户才可以使用本系统，确保系统安全。

（2）工作模式选择

说明：系统提供自动和手动两种工作模式，用户可在登录后选择使用；日志为系统使用情况和故障的记录，用户可在此直接进入查看。

（3）主界面（自动运行）

天线系统自动运行主界面如图10所示。


图10 天线系统自动运行主界面

说明：

①系统的基本功能为自动、手动、日志查看功能，在主界面的最下端以按钮的形式显示。

②图10中的绿色线条表示播音机天线通路接通，灰色表示天线通路未接通。

蓝色线条表示代播机天线通路接通。

4.3 软件的基本流程图

执行流程图为软件主流程，完成系统功能（见图11）。执行流程的简单过程如下。


图11 执行流程图

选择好需要切换的设备（或开关）后，点击“执行”按钮，实现天线和假负载、代播机和发射机的自动切换，执行步骤如下：

第一步：等待“执行”命令，若“执行”

命令到达，执行第二步。

第二步：检查发射机的状态，看是否连接到相关的发射机，若发现发射机的连接，执行第三步，否则取消执行并发出告警提示。

第三步：执行同轴交换开关的控制程序，实现天线和假负载的自动切换。

第四步：执行场地开关的控制程序，实现发射机和代播机的自动切换。

5 结束语

天线控制系统投入使用已有2年多，在安全播出日常运行中，系统工作稳定，使用简捷灵活，既减轻了机房值班员的维护工作量，又减少了故障率，为机房安全播出起到了有力的保障作用。