大功率發信設備控制系統的實時監測及抗干擾設計

王磊

（海裝駐北京地區第八軍事代表室 北京市 100015）

1 引言

隨著發射設備功率等級的提升，對設備的可靠性也提出了更高的要求，為了使得發信設備穩定可靠地工作，需要增加監控量，提升監控級別，保證數據實時可靠的傳輸，這些都是相輔相成的，實時性由可靠性來保障，加強控制系統的抗干擾能力并實現了模塊級監控，才可以更好地監視發信設備狀態，提高控制系統的自動化水平。

2 功能需求

（1）對發信設備進行全程實時監測，保證控制系統在大功率環境下的可靠工作。

（2）當系統出現過流、過壓、過熱等故障時，根據故障等級采取相應措施，保障設備及人身安全，并對故障位置給出相應指示。

（3）完成對電壓、電流、功率等的測量，使工作狀態直觀化、數字化，便于操作員掌握；具有模塊級自檢能力，主要節點工作狀態顯示直觀；具有對單元級、關鍵部件級的器件進行監測和控制功能。

3 系統設計與實現

3.1 總體設計

3.1.1 需求分析

原有控制系統方案中采用總線型拓撲結構，控制中心以及遠程站內的各控制裝置通過CAN 總線連接在一起，連接方式為星形，控制中心內的工控機通過RS485 串行通信與數據處理裝置進行數據交換，通過RS422 遙控激勵器工作，利用預留網口實現與監控管理分系統的通信，其通信協議除CAN 通信外，均為自由協議，控制裝置內部的數據交換也為自由協議。總線型拓撲結構如圖1 所示。

隨著技術的發展發信設備功率等級大幅提高，為保證發信系統更可靠地工作，系統中增加了大量的監控點，同時為提高臺站信息化水平，保證實現發信設備可視、可管、可控的要求，這些均需要新型的控制體制來保障。

增加的監控點多為模擬量，如上百個單元的電流、溫度，數十個機柜的電壓，低壓進電的相關參數，增加大量數據的同時還要保障系統工作的實時性，原有系統的通信速率實現起來就略顯困難，若用現有臺站的控制方式會導致控制中心或遠程站控制裝置的增加，這些裝置間通過CAN 通信聯系，而CAN 通信報文幀長度有限使數據只能分時傳輸，這樣又導致數據的實時性有所降低，而利用PLC 作為主控器的控制方式正好可以解決這個問題，因為PLC 系統構成靈活，擴展方便，本身很適合這種大量開關量和模擬量的控制場合，利用其成熟的工業技術只需在同一個控制中心或遠程站分別安裝一個CPU，其他功能只需要擴展模塊即可，CPU 間及擴展模塊間使用PROFINET 通信，實時性強。

對于大功率發信設備而言，控制系統的可靠性和抗干擾性是也急需解決的問題，從器件型號的選定到安裝、走線，信號傳輸方式以及軟件的處理，都需要進行設計。

3.1.2 系統布設結構

圖1：總線型拓撲結構示意圖

本控制系統設計徹底改變了以往設備與遠程站之間星形網絡的連接方式，利用網管型工業交換機將各控制點組成多環光纖網絡，而網絡也采用了PROFINET 工業以太網，保證了系統的高速數據傳輸的同時也保證了數據的高可靠性。控制設計主要分為現場控制級、過程控制級和過程管理級三層結構，現場控制級設備的任務主要完成過程數據的采集與處理，直接完成操作命令，實現分散控制，完成與上級設備的數據通信；過程控制級的主要功能是采集過程數據，進行數據轉換與處理，對發信過程進監測和控制，輸出控制信號，實現反饋控制、邏輯控制和順序控制功能，與過程管理級進行數據通信；過程管理級的主要設備是操作站，操作站是操作人員與集散控制系統相互交換信息的人機接口設備，是集散控制系統的核心顯示、操作和管理裝置。

3.2 系統實時性設計

3.2.1 網絡架構

PROFINET 是開放的標準的實時的工業以太網標準，基于工業以太網。PROFINET 最突出的特點是它的實時性，從過程自動化到工廠自動化再到運動控制，其實時性可以滿足各種各樣的應用，在實時性較高的場合特別是在運動控制中，PROFINET 的性能是最為突出的。PROFINET 另外一個突出的特點是以太網，借用以太網可以同時傳輸TCP或者數據、語音、圖像等數據，而且由于在以太網中，診斷更加靈活，SNMP 協議，HTTP 協議都可以診斷PN 設備，來獲取診斷信息。從網絡的任何一點，隨時隨地訪問你所需要連接的設備。另外，對于網絡的擴展，PROFINET 使用以太網的連接方式，加入交換機，插入網線連接即可。這與我們辦公的局域網相似，需要增加設備的時候，只需要連接到交換機的端口即可。

臺站網絡設計為冗余環網，保證在高可靠的大型系統數據交換裝置出現問題時不影響設備的正常工作，本控制系統使用的交換機支持高速冗余環網，一方面確保從監控中心到各控制站設備造成累計時延不超過毫秒級，另一方面端到端通信自愈時間均小于300ms，其數值遠低于系統輪詢周期，并且此環網等時同步實時通訊，確保了網絡通訊忙時，享有更高優先級的數據將確保實時傳輸。此種解決方案確保了監控數據業務的傳輸；其另外一個突出的特點就是以太網，借用以太網，可以同時傳輸圖像數據，并支持VLAN劃分，切實做到管控分離。

3.2.2 內部接口

各個站內部的通信協議除了已定型的設備采用了TCP/IP 自由協議，其余均采用工業標準協議，物理接口為網絡接口，發信設備控制中心內監控設備較多，以此來詳細介紹各設備間的接口設計，遠程站可以完全套用。

PROFINET I/O 協議傳輸內容均為對實時性要求高的監控數據；電源子系統、冷卻子系統都有其自身的獨立控制系統，監控數據對實時性要求不高，故采用了MODBUS TCP 協議，方便設備對接，但是當有故障信號產生時，這兩個子系統都留有開關量信號輸出，以便控制系統及時采取保護措施；UPS 為商用產品，接口協議固化，為MODBUS TCP 協議；激勵器和階梯波發生器為已定型產品，協議固化，為TCP/IP 自由協議。

3.2.3 設計實現

實時監測是發信設備運行的基礎，也是保證控制系統可靠運行的必要條件。通過對關鍵設備、系統運行狀態的實時監測，實現對大功率發信裝備與發信狀態的實時感知、集中呈現。

3.2.3.1 關鍵設備監測

根據采集的關鍵設備工作狀態、參數，經整理分析后以圖形化方式進行實時呈現，并將采集的工作狀態、參數與故障信息保存到數據庫，為系統運維與故障診斷分析提供數據支撐。

3.2.3.2 發信進程監視

綜合臺站各分系統、設備的工作狀態，對發信進程進行全程動態監測，以圖形化方式向值班人員呈現發信工作流程及狀態變化（如開/關冷卻、開/關低壓、開/關高壓、激勵信號狀態等信息）。

3.2.3.3 過程信號監測

整個發信系統不僅測量點多，而且每個測量點的電壓和電流都相對較大，為使得測量安全準確，系統中采用取樣后單獨測量的方式。當測量值超過設定的安全范圍時，采取相應的保護措施。模擬量采樣模塊選用高速模塊，保證單通道采樣速度在幾十微秒。遠程站數據采用PROFINET 工業以太網傳輸，數據更新時間為幾毫秒，完全能保證數據的實時性。

3.2.3.4 故障信息監測

PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。同時各模塊級監控設備根據其故障的等級，采用通信或硬件接點的方式上報故障信息，對操作人員進行警示，嚴重時直接切斷工作電源，保護設備及人身安全。

3.3 系統抗干擾設計

控制系統的檢測信號一般比較微弱，干擾信號不能有效解決，則會嚴重影響系統的正常工作，控制系統在如此功率等級所形成的電磁環境中，會受到來自空間的輻射、引線干擾等，在此通過工程實踐總結出了一些干擾的解決方法。

3.3.1 器件選擇

3.3.1.1 PLC 輸入模塊

數字量輸入模塊具備可組態的輸入延時：0.05 ms 到 20 ms可調，可有效抑制信號中斷，防止信號的電平的波動對邏輯處理造成影響；模擬量輸入模塊可通過濾波功能對各個測量值進行濾波，濾波可設為4 個級別。

3.3.1.2 攝像頭及供電電源

攝像頭采用鋁制外殼，防止在高頻電磁場環境下產生干擾影響其正常工作，而供電電源選取交流24V，因為攝像頭使用的直流開關電源絕大多數開關頻率都落在發信設備的工作頻率內，為防止加載高壓時對開關頻率有影響；同時攝像頭供電處加裝電源進電濾波器。

3.3.1.3 隔離變送器

使用隔離變送器，可降低傳輸線干擾以及接地干擾對測量值的影響。使用模擬信號隔離器后，可以有效的消除產生在兩條信號間的共模噪聲。隔離器采用三端隔離的信號隔離形式，外部電源由一個電氣隔離的DC/DC 轉換器向輸入和輸出回路供電，由于輸入與輸出回路隔離，因此即使在短路、浪涌或是極性顛倒的情況下，隔離器后端的電子設備也不會被損壞。

由于控制系統的電源負端通常會接地，而傳感器本身也會就近接地，瞬態電流將流過沿接地導體之間產生的地電位差所形成的回路，從而干擾正常信號，模擬信號隔離放大器可以消除接地回路對測量信號的干擾。

3.3.1.4 過壓抑制器

感性電路的接通和斷開會引起過電壓，這種情況尤其會在接觸器控制回路斷開時出現。斷開接觸器線圈時，會導致線圈閉合時儲存在磁流回路中的電磁能量的釋放，以一陣過電壓波為特征恢復，產生陡坡和極高的振幅，這種情況嚴重干擾了電子設備，毀壞敏感器件。為了減少這種危害，接觸器均加裝了專用的過壓抑制器，可以抑制過電壓的瞬間干擾。

3.3.1.5 驅動設備電源

驅動設備的供電電源選用ALM 和AIM 的組合，ALM 是可調節性電源模塊，可向電網回饋，母線電壓是閉環控制，所以即使電網電壓有波動母線電壓仍然比較穩定，它可以動態地調整網側的功率因數，向電網側提供感性或容性電流。ALM 對電網的反作用很小，可以有效地抑制諧波，回饋電能通過AIM 的整形，近似正弦波。

3.3.2 軟件濾波處理

3.3.2.1 消抖濾波法

設置一個濾波計數器將每次采樣值與當前有效值比較：如果采樣值與當前有效值之差的絕對值＜經驗值，則將本次值替換當前有效值，采樣值與當前有效值之差的絕對值＞經驗值，判斷計數器是否＞=上限N(溢出)，如果計數器溢出，則將本次值替換當前有效值，并清計數器。

采用這種方法判斷數據變化趨勢，可利用濾波后的數據組成新的數據進行數據處理，可避免在臨界值附近的數據波動對后續數據處理產生誤判。

3.3.2.2 遞推平均濾波法

把連續取N 個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數據放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數據（先進先出原則），把隊列中的N 個數據進行算術平均運算，就可獲得新的濾波結果。

采用這種方法對AD 采樣結果進行濾波，對采樣值的周期性干擾有較好的抑制作用。

4 結束語

大功率發信設備控制系統將發信設備各分系統有機融合為一個整體，通過各種抗干擾技術將控制系統的穩定性提升，通過模塊級狀態信息采集和實時的數據傳輸實現精確控制，實現數據在各個控制環節的可靠融合，在此基礎上才能實現大功率發信設備控制過程的完全自動化，減少發信過程中的人工環節。