曹誠

（海參信息通信局 北京市 100841）

1 引言

PLC 控制系統作為整個發射機系統的“神經中樞”，通過與低頻發射機的接口電路相接，實現對發射機的監控。主要完成對發射機各分系統的控制和實時的狀態監測，具體為對各設備的信息進行采集、存儲、顯示、傳輸并使得各受控設備按照一定的邏輯指令完成相應動作。PLC 控制系統操作簡便、可靠性高，經實際使用效果良好。

2 低頻發射機控制系統要求

PLC 控制系統作為低頻發射機的監控裝置必須滿足發射機的控制要求，具體內容如下：

2.1 數據采集和顯示

實現對電源電壓，功放電流、中槽電流、天線電壓等8 路模擬量和電源分系統、功率放大分系統、冷卻分系統、調諧及匹配濾波分系統等7 大分系統中200 多路開關量的采集，模擬量要求精確到小數點后兩位，所有開關量均為高電平有效。

2.2 邏輯控制

實現對發射機自檢、開/關機、開/關冷卻、開/關低壓、開/關高壓、升/降高壓等一系列操作控制，包括手動和自動開關機兩種方式，開關機過程要顯示發射機各部分狀態是否正常。

2.3 系統自動預置

發射機控制系統需要將每個頻率點所在調諧狀態下的電感、電容等數據進行采集并存儲，以便激勵器頻率再次調至此點時，發射機系統中控制電感、電容的相應開關按照調諧點的數據正確動作，使發射機自動預置到上次的調諧狀態。

2.4 故障告警及處理

根據發射機故障的嚴重程度對發射機故障進行分級，對于影響發射機正常工作的故障，設定為一級故障，如功放電流或中槽電流過大，一旦監測到此類故障，直接切斷高壓，以保護人員及發射機免受損傷；對于某些不影響發射機正常完成發射任務的設備故障，僅指示并記錄。

3 PLC控制在低頻發射機中的應用

3.1 對各分系統的控制

3.1.1 對信號生成處理分系統的控制

控制系統僅對信號生成與處理分系統中的低頻信號激勵器進行監控。其中載波輸出為正弦信號，通過電路對其進行波形轉換，輸出方波信號后送至PLC 的計數模塊進行處理，利用采樣的頻率值對設備進行預置。通過工業以太網對低頻信號激勵器進行監控。如圖1所示。

封鎖激勵由PLC 的數字輸出模塊給出，激勵狀態由PLC 的數字輸入模塊采樣。控制系統與低頻信號激勵器通過工業以太網交互數據，實現對激勵器工作狀態的采樣及操控，采樣內容主要有激勵器的工作頻率、工作方式、工作狀態等，并且可遠程更改激勵的工作頻率、工作狀態、調機電平等數據。

圖1：與低頻信號激勵器的硬件連接圖

3.1.2 對功率放大分系統的控制

對功放的控制選用小型PLC S7-1200 實現，其自身帶有I/O 模塊，安裝于每個功放柜的功放監控單元內，通過數字輸入模塊、熱電偶信號模塊、模擬輸入模塊等對功放單元過壓、過流、溫度、輸入電流、電壓等信號進行采集，并通過S7 通信將采集數據傳送至PLC 主控制器，主控制器根據采集數據采取相應操作。如監測到功放單元內部水冷板溫度過高時主控制器將其激勵輸入信號封鎖；監測到某個功放柜的出水參量在設定時間段內持續異常，則認為冷卻異常，系統會自動關斷高壓；功放柜內15V 低壓電源運行過程中若某個功放柜低壓故障，主控制器會對相應輸入電源柜發出指令，關斷其高壓輸出。

3.1.3 對調諧及匹配濾波分系統的控制

調諧及匹配濾波分系統的控制對象主要為各可調線圈和高頻開關，PLC 控制系統通過對步進電機的控制驅動可調線圈，通過交流接觸器控制三相異步電機正反轉實現高頻開關動作。

OLED顯示采用4線串行SPI，使用4線制串行模式的接口信號線。RST引腳用來硬件復位OLED，讓其恢復默認狀態；DC引腳是命令/數據標志，用于讀與寫；SDIN引腳是數據線，不同模式下對應的信號線不同，SCLK引腳是時鐘線，只有在串行模式下，D0時鐘線為信號線，D1為數據線。

3.1.4 對可調線圈的控制

PLC 控制系統一方面采用源入型數字輸入模塊對線圈的位置碼盤信息進行采集，通過在主控制器CPU 317 中的軟件程序將采集到的格雷碼進行轉換，最終輸出為BLP2B—39 型數碼管需要的SDA和SCK 數據信號，從而實現對線圈位置的實時顯示；另一方面主控制器接收線圈增/減按鍵指令后，根據指令通過ET200S 1STEP模塊驅動線圈步進電機正反轉，同時將不同線圈不同頻率（調諧狀態下）的線圈位置以多維數組形式的DB 塊進行記錄，激勵器再次調至該頻率時，控制器比較線圈現有位置數據與存儲數據大小，并根據比較結果向1STEP 模塊分配方向參數，直至線圈自動轉動到預存調諧位置。

3.1.5 對高頻開關的控制

PLC 控制系統將不同的高頻開關在不同頻率（調諧狀態下）的位置狀態（上、中、下三個限位點）做成多維數組形式的DB 塊，當激勵器頻率調至某點時，主控制器CPU 通過各開關預存的位置信息通過數字輸出信號向相應的交流接觸器發出正反轉指令，直至高頻開關到達指定位置。

3.1.6 對測量分系統的控制

低頻發射機中，電源輸出電流電壓、功放輸出電流、中槽電流、電壓、發射機輸出功率，及天線電流、電壓，都是判斷發射機的工作是否正常的重要參數。為使得測量安全準確，系統中采用隔離變送器對測量信號隔離后取樣再送至模擬量模塊統一處理的方式。

系統中使用魏德米勒的隔離變送器對傳感器輸出的電壓信號進行隔離，變換為不易受到干擾的0mA ～20mA 電流信號傳輸至PLC 高速的模擬量輸入模塊，主控制器通過SCALE 縮放函數對采集數據進行處理，并根據系統要求設置保護閾值，當測量值超過設定的安全范圍時，啟動硬件中斷OB40，利用OB40 中的置位程序對相應硬件中斷標志位進行置位，從而在人機交互界面中顯示故障告警信息同時采取相應的保護措施。

電源、冷卻、假負載三個分系統通過工業以太網實現與發射機PLC 控制系統互通。其中與電源控制器之間采用MODBUS TCP 協議，與假負載控制器采用PROFINET 協議，與冷卻控制間采用西門子PLC 之間的S7 通信協議。

3.2 各控制柜設計及設備選型

3.2.1 各控制柜設計

PLC 控制系統包括機房內的兩個控制柜（主機監控和天線監控各一個）、一個執行柜和一個設備柜；以及調諧亭內的亭內控制柜和執行柜。控制柜中放置控制器及各功能模塊，人機界面采用操控顯示屏；執行柜內主要安裝驅動各開關和線圈動作的步進電機驅動裝置及交流接觸器；設備柜用以安裝供主機房內全部控制用電的UPS 電源以及網絡交換機。如圖2所示。

3.2.2 PLC 控制系統選型

PLC 控制系統采用CPU 317 作為主控制器，天線監控柜和調諧亭控制柜采用接口模塊IM151-3 作為主控制器的分布式I/O 使用，功放監控單元采用CPU 1215，通過PROFINET 與主控制器通信，PLC 模塊電源采用PS307 5A 電源、CPU 下設數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊等，人機界面采用19 英寸觸摸屏。

4 PLC應用于低頻發射機控制中的優勢

早期在發射機中的計算機控制系統常用的處理器是微控制器（單片機），其設計靈活，硬件成本低，但開發周期較長，通信速度和可靠性受限，而PLC 控制系統抗電磁干擾能力強，可靠性高，采用模塊化設計，維修方便，且其應用的PROFINET 不但實時性好，且基于以太網可以同時傳輸TCP、語音、圖像等數據。

4.1 PLC抗干擾能力強，可靠性高

PLC 采用微電子技術，大量的開關動作是由無觸點的半導體電路完成的，使得因接觸不良等原因造成的故障大為減少。所有的I/O 接口電路均采用光電隔離使工業現場的外電路與PLC 內部電路之間電氣上隔離；各模塊均采用屏蔽措施以防止輻射干擾；采用性能優良的開關電源；對采用的器件進行嚴格的篩選。PLC 具有良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟硬件發生異常情況，CPU 立即采用有效措施以防止故障擴大，從實際使用情況來看，PLC 控制系統的平均無故障時間一般可達4 ～5 萬小時。

圖2：單機單亭控制設備布局示意圖

4.2 靈活的模塊化設計

PLC的各個部件包括CPU、電源、I/O接口等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，可維護性好。且PLC 針對不同的現場信號如交流或直流、開關量或模擬量、電壓或電流，不同的現場器件或設備如按鈕、行程開關、傳感器及變送器等有相應的I/O 模塊直接連接，另外為了提高操作性能它還有多種人機對話的接口模塊，系統的規模和功能可根據需要自行組合，操作簡單靈活。

4.3 PROFINET通信開放、高速、高效

PROFINET I/O 支持分布式現場設備直接接入以太網，從而使所有使用的設備都連入一致的網絡結構中，為整個控制系統提供一致的通信，PROFINET 憑其優秀的開放性，可實現統一的設備自動化網絡，連接自動化設備和標準以太網設備。PROFINET 數據傳輸速率遠高于傳統現場總線，可在不影響I/O 數據傳輸的情況下實現大數據量的無故障傳輸。

5 結束語

PLC 控制系統在低頻發射機的應用打開了低頻發射機控制領域的新局面，其在實際使用中代替原有的以微控制器組成的發射機控制系統后，使得發射機在實時性和可靠性上都得到了提高，獲得了用戶的好評，有很大的推廣和使用價值。