中波廣播發(fā)射機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章中設(shè)計(jì)了一套中波廣播發(fā)射機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，構(gòu)建自動(dòng)化控制系統(tǒng)總框架，從下位機(jī)PLC及其他設(shè)備進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)控中波廣播發(fā)射，精準(zhǔn)采集發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：文章中所設(shè)計(jì)的中波廣播發(fā)射機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，各模塊功能的實(shí)現(xiàn)程度達(dá)到相關(guān)設(shè)計(jì)要求，自鎖保護(hù)功能完善，抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)主備用設(shè)備自動(dòng)切換，減少?gòu)V播事故，保障中波廣播發(fā)射機(jī)的播出安全。

關(guān)鍵詞：中波廣播；發(fā)射機(jī)；自動(dòng)化控制

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.05.019

中圖分類號(hào)：TN 838" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）05-00-03

Abstract： This paper designs a set of automatic control system for medium wave broadcasting transmitter. Firstly， the overall framework of the automatic control system is constructed， and the hardware design is carried out from the lower computer PLC and other equipment， real-time monitoring of the medium wave broadcast transmission， and accurate acquisition of transmitter data. The test results show that the automatic control system of the medium wave broadcasting transmitter designed in this paper is stable and reliable in operation， with a high degree of automation， the realization of the functions of each module meets the relevant design requirements， the self-locking protection function is complete， the anti-interference ability is strong， the performance is stable， and the operation is simple. It can realize the automatic switching of the main and standby equipment， reduce broadcast accidents， and ensure the broadcasting safety of the medium wave broadcasting transmitter.

Key words： medium wave broadcasting; transmitter; automatic control

在信息化飛速發(fā)展的今天，廣播電視產(chǎn)業(yè)面臨著向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化方向發(fā)展的使命，對(duì)廣播發(fā)射臺(tái)的安全性、穩(wěn)定性提出了更為嚴(yán)格的要求[1]。廣播發(fā)射設(shè)備是廣播系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其功能是對(duì)音頻和視頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制及放大，并以無(wú)線電波的形式進(jìn)行傳輸。因中波的波長(zhǎng)要比長(zhǎng)波短，需在更深處的電離層才能產(chǎn)生反射，靠地面波和天空波兩種方式進(jìn)行傳播。由于地面和空中的信號(hào)是同步的，中波廣播發(fā)射機(jī)接收信號(hào)的難度較大，發(fā)射距離通常為數(shù)百千米[2]，中波廣播發(fā)射機(jī)主要用于近程本地?zé)o線電廣播、海上通信、無(wú)線電導(dǎo)航和航空通信等。當(dāng)前，調(diào)頻廣播發(fā)射技術(shù)存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在信號(hào)傳輸、信號(hào)覆蓋、發(fā)射機(jī)功率及噪聲等方面，導(dǎo)致其無(wú)法及時(shí)向各轉(zhuǎn)播單位反饋報(bào)警信息和轉(zhuǎn)播數(shù)據(jù)，影響事件處理的準(zhǔn)確性和及時(shí)性[3]。本文研究設(shè)計(jì)的中波廣播發(fā)射機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建自動(dòng)化控制系統(tǒng)總框架，從下位機(jī)PLC及其他設(shè)備進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)控中波廣播發(fā)射機(jī)的狀態(tài)，精準(zhǔn)采集發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)。逐步建立起中波廣播發(fā)射機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)建立科學(xué)、高效的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)體系具有一定幫助，為今后的自動(dòng)化廣播發(fā)射工作創(chuàng)造有利的條件。

1" 自動(dòng)化控制系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)

中波廣播發(fā)射機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用分布式主框架形式，系統(tǒng)中包括人機(jī)交互、主控單元以及各個(gè)子單元三大部分[4]。人機(jī)交互單元由上位機(jī)和觸摸屏組成，其主要作用是利用RS-485/232通信接口與下位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)時(shí)間的遠(yuǎn)程更改以及對(duì)發(fā)射機(jī)的開(kāi)關(guān)斷路；主控單元是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它一方面可與人機(jī)交互，另一方面又可與各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行通信，完成對(duì)設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)的收集；子單元由綜合管理單元、PWM（脈寬調(diào)制）單元、功率放大器組成，綜合管理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)射機(jī)開(kāi)關(guān)電源、主電源電壓、入射功率、反射功率以及各種數(shù)字量信號(hào)的采集與管理，然后對(duì)各個(gè)功率放大器的電源狀況進(jìn)行控制；PWM主要執(zhí)行主控單元的命令，通過(guò)調(diào)整數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)升、降功率；功率放大器負(fù)責(zé)監(jiān)控和控制功率單元的工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)故障，將及時(shí)向控制中心報(bào)告故障信息，待解決問(wèn)題后恢復(fù)正常運(yùn)行。

2" 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體硬件框架

中波廣播發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件組成有：?jiǎn)纹瑱C(jī)W77E58、模數(shù)輸入電路、開(kāi)關(guān)量輸入電路、開(kāi)關(guān)量輸出電路、ASUS鍵盤、LED顯示屏、D7-P5520存儲(chǔ)器以及供電電路等。自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行首先需要借助低通濾波器過(guò)濾掉來(lái)自發(fā)射機(jī)的功放電流和電壓、電源電流和電壓、功放溫度等模擬量的高頻干擾，然后由多個(gè)開(kāi)關(guān)選通中波廣播發(fā)射信號(hào)，并將信號(hào)輸入到MAX197高速A/D轉(zhuǎn)換芯片中，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而在STM32L152V8T6A微處理器中完成數(shù)據(jù)處理工作。該智能控制器可借助鍵盤操控查看系統(tǒng)工作狀態(tài)和各通道所采集的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)發(fā)射機(jī)的運(yùn)行狀況，并將其具體情況顯示在LED液晶顯示屏上；該自動(dòng)化控制器與主機(jī)通過(guò)RS485總線進(jìn)行通信連接，將采集到的數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

2.2 通信接口電路

RS-485通信接口電路連接時(shí)，RXD（接收數(shù)據(jù)的引腳）連接單片機(jī)RXD，TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)的引腳）與RXD的TXD相連接，設(shè)定單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸啟動(dòng)端，低電平下傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)。要求不斷提升實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路精度，精確記錄和控制發(fā)送端工作內(nèi)容。為達(dá)到此功能要求，系統(tǒng)選擇DS12C887實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器電路則采用4片24C512并聯(lián)的I2C總線傳輸數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)記錄通信接口電路故障與過(guò)去一年內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)顯示屏選用大型液晶顯示器，型號(hào)為MST-G320240DBSW-213W-E，與SED1335控制器完全兼容，可實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)量、模擬開(kāi)關(guān)量、查詢歷史記錄、設(shè)定定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)參數(shù)、顯示故障提示等多種功能。

2.3 下位機(jī)PLC設(shè)計(jì)

下位機(jī)PLC是以單片機(jī)為核心的一種數(shù)字控制器，它可以對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯操作、存儲(chǔ)，并具有通信功能。中波廣播發(fā)射機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的DX-600發(fā)送器采用SLC5000系列的PLC處理器。功率放大器采用SL5/01型PLC，以滿足采集信號(hào)的要求，但必須對(duì)其內(nèi)部模塊進(jìn)行改進(jìn)，以提高數(shù)據(jù)通信能力[5]。發(fā)送器的輸入/輸出模塊構(gòu)成包括1746-NI4輸入模塊、1746-IV32輸入模塊和1746-OV32輸出模塊。合成器采用SL5/04型號(hào)的PLC，它具有DH+網(wǎng)絡(luò)通信的能力。PLC在采集、處理合成器狀態(tài)及功率放大器的狀態(tài)信號(hào)后，一方面將其送入MMI（人機(jī)交互觸摸屏），另一方面由DH+網(wǎng)絡(luò)將狀態(tài)信號(hào)傳輸給上位機(jī)。當(dāng)操作員在觸摸屏上下達(dá)命令后，PLC通過(guò)TCU機(jī)箱內(nèi)的控制板與3臺(tái)功率放大器進(jìn)行通信，發(fā)送端完成命令后將輸出信號(hào)返回到系統(tǒng)顯示屏。

3" 軟件設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控中波廣播發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)

（1）本系統(tǒng)的人機(jī)界面要求簡(jiǎn)潔、美觀，且全部采用中文顯示，便于操作人員更加直觀地了解發(fā)射機(jī)工作狀況，能更為迅速地發(fā)現(xiàn)發(fā)射設(shè)備故障，方便監(jiān)控軟件向發(fā)送器下達(dá)操作命令。

（2）與PLC下位機(jī)進(jìn)行即時(shí)、雙向通信。由于中波廣播發(fā)射機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件要求對(duì)發(fā)送設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，因此在主機(jī)和下位機(jī)之間使用DDE進(jìn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)交換，并通過(guò)專用的電纜將DH+通信網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。

（3）必須保證軟件工作的穩(wěn)定性和可靠性。DX600傳送器一天的工作時(shí)長(zhǎng)超過(guò)十個(gè)小時(shí)，而主機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)一旦開(kāi)機(jī)，便會(huì)連續(xù)幾天不停工作，需要處理和存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，所以中波廣播發(fā)射機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控軟件的穩(wěn)定性能有很高的要求。

3.2 中波廣播發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集

利用中波廣播發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)發(fā)電機(jī)、發(fā)射機(jī)房等重要設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，達(dá)到微秒級(jí)的精度，并能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，以此來(lái)滿足用戶需要。同時(shí)，系統(tǒng)需要對(duì)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，整個(gè)中波廣播發(fā)射臺(tái)的所有設(shè)備都是在系統(tǒng)中工作的，遠(yuǎn)程遙控設(shè)備可確保裝置整體平穩(wěn)運(yùn)行。中波廣播發(fā)射器準(zhǔn)確地收集大量的數(shù)據(jù)，在處理故障時(shí)，根據(jù)故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響程度，將其劃分為三種：第一種是脈沖寬度輸出故障。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以直接發(fā)出信號(hào)。第二種是各類電源、聯(lián)鎖等設(shè)備出現(xiàn)故障，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，并關(guān)閉電源。第三種是駐波比和總電流的過(guò)流失效。圖1所示為遇到第三種故障問(wèn)題的具體處理流程。

處理第三種故障通常可以用脈沖寬度阻塞時(shí)，在發(fā)現(xiàn)駐波比故障或總電流過(guò)流時(shí)，每出現(xiàn)一次故障則脈沖寬度便閉鎖1秒，20秒之內(nèi)出現(xiàn)5次以上的故障，則表明單憑脈沖寬度封閉是不能解決此故障的，必須進(jìn)行整機(jī)降壓，直到故障徹底解除。功放單元設(shè)備可通過(guò)整機(jī)降壓的方式處理故障，其基本原理是：由功放單元的控制器對(duì)功放單元的電流、溫度等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集，在出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)溫等故障時(shí)，功放單元會(huì)根據(jù)故障類型將故障信息上報(bào)給主控單元，由主控單元切斷故障放大器的電源，同時(shí)控制PWM單元的數(shù)字電位器，調(diào)整PWM單元的輸出脈寬，增加普通放大器的輸出功率，然后將輸出功率與參考值進(jìn)行比較，調(diào)整參考值，使得系統(tǒng)功放單元可以實(shí)時(shí)輸出額定功率；如果系統(tǒng)功放設(shè)備故障超過(guò)備用數(shù)量，由主控制器綜合管理單元關(guān)閉故障功放，以確保中波廣播發(fā)射機(jī)的降壓功率正常工作，中波廣播內(nèi)容能夠連續(xù)播放。

當(dāng)功放被調(diào)整后，由綜合管理單元對(duì)功放進(jìn)行供電，當(dāng)發(fā)現(xiàn)功放裝置故障已經(jīng)排除后，控制PWM輸出脈沖寬度，減小普通放大器的功率，保持設(shè)備的輸出功率。

4" 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試準(zhǔn)備

完成中波廣播發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，為測(cè)試設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)整機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)采用D7-P5520存儲(chǔ)器、STM32L152V8T6A微控制器、CBTL04083ABS多路開(kāi)關(guān)以及RS-485通信接口；采用飛利浦（PHILIPS）193V5直面屏LED顯示器，其響應(yīng)時(shí)間為5 ms，屏幕刷新率為60 Hz。該系統(tǒng)具有廣泛的環(huán)境適應(yīng)性，此次試驗(yàn)環(huán)境溫度為-10～50℃，濕度大于等于95%、大氣壓力80～105 kPa。若機(jī)房環(huán)境達(dá)不到以上條件，則應(yīng)設(shè)置空調(diào)進(jìn)行室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的電源電壓為300～450 V，或180～280 V，在機(jī)房中要做好防雷措施，以免雷擊引發(fā)故障。

4.2 測(cè)試結(jié)果

為檢驗(yàn)中波廣播發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，實(shí)驗(yàn)首先令系統(tǒng)在5臺(tái)功放設(shè)備的狀態(tài)下，根據(jù)系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)測(cè)試，然后人工仿真各種故障，并對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)該系統(tǒng)的熱備用故障處理功能進(jìn)行測(cè)試，以確認(rèn)在功放設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)的系統(tǒng)工作狀態(tài)，具體測(cè)試結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1可知，5個(gè)功率單元的傳輸功率各不相同，傳輸速率隨著傳輸功率變化而變化，功率越大速率越高，最高可達(dá)172 kbps；中波廣播發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的丟包率較低，可見(jiàn)系統(tǒng)的安全性及傳輸準(zhǔn)確率較高；故障檢測(cè)率最低不低于97.5%，最高為98.7%，可見(jiàn)中波廣播發(fā)射機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的安全性極高。

5" 結(jié)束語(yǔ)

本文中所構(gòu)建的自動(dòng)化控制系統(tǒng)總框架，從下位機(jī)PLC及其他設(shè)備進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)控中波廣播發(fā)射機(jī)，精準(zhǔn)采集發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)。該自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠確保中波電臺(tái)發(fā)射臺(tái)工作的平穩(wěn)、減輕工作量、提高工作效率，為人民提供高質(zhì)量收聽(tīng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，節(jié)省人力，為該行業(yè)的未來(lái)發(fā)展提供幫助。

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