基于PLC的衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)改造方案

□ 張杰超

基于PLC的衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)改造方案

□ 張杰超

廣東廣播電視臺有多臺衛(wèi)星天線配備了天線控制系統(tǒng)，其中有接收站，也有上行站。原來的系統(tǒng)都是基于單片機結(jié)構(gòu)，抗干擾能力弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，加上裝機時間久遠，系統(tǒng)故障不斷，常常出現(xiàn)重啟等現(xiàn)象，或者顯示的方位、俯仰等參數(shù)大幅跳動不準確，給天線的操作帶來很大的不方便。

PLC（Programmable Logic Controller）可編程邏輯控制器，是專門為工業(yè)控制設(shè)計，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同。制造商在設(shè)計和制造過程中采取了多層次的抗干擾措施, 使系統(tǒng)能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下與強電設(shè)備一起工作。筆者認為，可使用PLC改造衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)，具有投入少、改造工作量少、系統(tǒng)容易實現(xiàn)等優(yōu)勢，改造后的系統(tǒng)在功能和可靠性等方面可以有不少提升。本文以廣東廣播電視臺6.2米上行站天線控制系統(tǒng)為例，闡述使用PLC對天線控制系統(tǒng)進行改造的方案

一、原系統(tǒng)分析

（一）原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖一 原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖一所示系統(tǒng)由ACU（天線控制單元），ADU（天線驅(qū)動單元）、跟蹤接收機、天線角度傳感器、交流電機及限位保護裝置等組成。

ACU是整個系統(tǒng)的核心。它是基于MCS-51單片機的結(jié)構(gòu)，面板的液晶顯示屏和操控鍵盤組成人機界面。輸入接口通過光耦合器隔離輸入，輸出接口使用繼電器輸出。ACU的輸入有開關(guān)量與模擬量。開關(guān)量有6個，包括來自方位順時針、方位逆時針、俯仰上抬、俯仰下俯、極化順時針、極化逆時針等6個限位開關(guān)。模擬量有4個，它們分別來自方位、俯仰、極化等三個角度傳感器，以及作為接收電平監(jiān)測的跟蹤接收機的AGC輸出，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入MCS-51單片機，以檢測天線的實時指向和接收電平的高低。輸出有6個開關(guān)量，輸出通過ADU分別驅(qū)動方位、俯仰、極化三軸的電機，每軸正反兩個方向的轉(zhuǎn)動。

ADU單元主要由中間繼電器和交流接觸器組成。ADU接受ACU指令驅(qū)動天線的方位電機、俯仰電機、極化電機。并對天線方位、俯仰、極化三軸的正反共六個方向作硬件限位保護。

ACU根據(jù)天線的方位、俯仰、極化軸傳感器的位置，顯示天線實時的方位角、俯仰角和極化角，根據(jù)跟蹤接收機的信號電平顯示接收信號電平；根據(jù)面板操控鍵盤的狀態(tài)，跟蹤接收機的信號電平及天線狀態(tài)產(chǎn)生到ADU的控制命令，以控制天線方位角、俯仰角和極化角。同時把ADU送來的狀態(tài)（限位、系統(tǒng)故障等）顯示出來。

ACU主要功能：（1）天線實時位置顯示。（2）手動控制——通過ACU面板上轉(zhuǎn)向鍵的控制，可使天線在順時針、逆時針、上抬、下俯四個方向上轉(zhuǎn)動。（3）位置指定——根據(jù)所指定的衛(wèi)星代號（預(yù)先設(shè)定）使天線自動轉(zhuǎn)向目標。也可在當前指向的基礎(chǔ)上，根據(jù)輸入的角度偏移量，使天線偏移一定的角度后自動停止。（4）步進跟蹤——根據(jù)跟蹤接收機提供信號電平的大小，使天線自動跟蹤目標。（5）手動調(diào)整極化——根據(jù)菜單提示，通過面板的按鈕，控制饋源順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，達到極化校準的目的。（6）參數(shù)設(shè)置、參數(shù)顯示——用戶通過面板上的按鍵，按照菜單，可輸入和修改各種工作參數(shù)，如天線角度零值標定、接收點經(jīng)緯度設(shè)置、軟件限位設(shè)定、接收衛(wèi)星參數(shù)預(yù)置等等。參數(shù)顯示模式中，以十六進制的方式顯示已預(yù)設(shè)好的參數(shù)。

（二）系統(tǒng)存在的問題與缺陷

該系統(tǒng)于2000年安裝至今裝，已有十多年時間，在使用過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)容易受干擾,系統(tǒng)經(jīng)常自動重啟，顯示的天線參數(shù)大幅度變化。目前由于設(shè)備已經(jīng)老化，故障不斷，主要是由ACU引起。現(xiàn)在只能甩開ACU，直接使用ADU上的開關(guān)控制電機調(diào)整天線。在使用過程中還發(fā)現(xiàn)ACU的菜單不夠友好，菜單結(jié)構(gòu)簡單，不直觀，操作不方便。例如，操作錯誤沒有提示；不管在什么方式下，極化都要手動調(diào)整；查看參數(shù)是用十六進制的代碼顯示，非常不直觀。

二、新系統(tǒng)構(gòu)成

本方案主要是針對ACU（天線控制單元）進行改造，使用PLC（可編程序控制器）替代原系統(tǒng)ACU。ADU-（天線驅(qū)動單元）等其他部件不作改動。要求改造后系統(tǒng)滿足原系統(tǒng)的所有功能，消除系統(tǒng)不穩(wěn)定、可靠性低、操作不方便等不足，并改善菜單結(jié)構(gòu)，使操作更直觀方便。

（一）系統(tǒng)硬件組成

圖二為新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用上下位機結(jié)構(gòu)，上位機采用PC機，下位機采用PLC。上位機PC 提供良好的

人機交互界面實現(xiàn)參數(shù)的輸入、查看、計算、存儲打印等，以及天線參數(shù)的實時顯示等監(jiān)視功能。下位機PLC完成天線的實時控制，天線實時參數(shù)采集、上傳和控制保護。PLC 與PC 通過RS-232C 實現(xiàn)通訊。

圖二 新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC選用三菱公司的FX2N系列，F(xiàn)X2N系列由基本單元和各種可選的擴展模塊、特殊功能模塊等通過積木式的搭接構(gòu)成系統(tǒng)。根據(jù)上面對舊系統(tǒng)的分析，系統(tǒng)有6個輸入開關(guān)量、4個輸入模擬量、6個輸出開關(guān)量。確定PLC控制系統(tǒng)的硬件配置如下：

采用FX2N-16MR基本單元，它是控制核心，用來執(zhí)行程序，同時它還有輸入輸出I/O口，其中開關(guān)量輸入8點、輸出8點，輸入X0-X5作為限位輸入，輸出Y0-Y5為電機驅(qū)動輸出（具體接法如圖示）。輸入輸出各多出兩點，可作備用，MR代表繼電器輸出。

FX2N-4AD是模擬量輸入模塊,可以輸入4路模擬信號，分別接入方位、俯仰、極化三個角度傳感器的輸出信號，經(jīng)FX2N-4AD模數(shù)轉(zhuǎn)換后送FX2N-16MR進行角度編碼。另一路接跟蹤接收機AGC輸出（經(jīng)緩沖放大器），作接收電平監(jiān)測用。

FX2N-232-BD是通訊模塊，適合RS-232C通訊用，作PC與PLC通訊用。

PLC控制功能：（1）通過上位機對PLC 數(shù)據(jù)的讀寫監(jiān)控，實現(xiàn)對天線數(shù)據(jù)的采集、上傳，為上位機提供動態(tài)畫面數(shù)據(jù)。（2）按上位機指令要求的工作方式和天線目標位置參數(shù)控制ADU天線驅(qū)動單元驅(qū)動電機，使天線到達目的位置，實現(xiàn)天線的尋星和自動跟蹤功能。（3）實現(xiàn)天線的軟件限位保護功能。

（二）PLC軟件設(shè)計

PLC程序，由主程序和三個子程序組成，三個子程序分別負責天線的方位、俯仰、極化角的調(diào)整，主程序負責與上位機PC的通訊數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)采集、調(diào)整方式設(shè)置等。具體程序采用SFC（順序功能圖）進行編寫。程序限于文章的篇幅不作詳細介紹。

（三）上位機軟件設(shè)計

上位機PC采用Visual Basic 編寫人機界面。主要功能有：

（1）狀態(tài)顯示

顯示系統(tǒng)的尋星模式或自動跟蹤狀態(tài)；顯示目標衛(wèi)星名稱、定點經(jīng)度、方位、俯仰、極化角的計算角度；顯示天線方位、俯仰、極化角的實時角度，并模擬天線的轉(zhuǎn)動方位和俯仰；顯示實時的接收電平。

（2）故障報警

顯示天線方位、俯仰、極化三軸位置軟件限位與硬件限位，并且有告警聲音提示，提醒操作人員及時處理；顯示系統(tǒng)故障，例如：與下位機通訊故障、下位機PLC故障，跟故障有關(guān)的設(shè)備出現(xiàn)告警的紅色，而且顯示一個“系統(tǒng)工作不正常！”的信息框，提示出錯信息。

（3）用戶功能

首先，用戶注冊。如果用戶想進入操作界面，需要先進行注冊，并按不同的權(quán)限進入不同的操作界面。其次，用戶管理?？梢孕薷拿艽a和對用戶權(quán)限進行設(shè)置。包括操作界面1：有手動尋星（通過窗體上的按鈕控制天線轉(zhuǎn)動）；自動尋星；偏移尋星；自動跟蹤等天線操作模式選擇。操作界面2：可進行星位預(yù)置，把一批可能要接收的衛(wèi)星的代號、名稱、定位經(jīng)度先行輸入，系統(tǒng)自行計算出方位角、俯仰角、極化角等參數(shù)并顯示，同時存儲備用。

（4）數(shù)據(jù)資料管理

上位機系統(tǒng)有天線控制所有的資料，以及天線轉(zhuǎn)換接收目標記錄、檢修周期表、檢修資料、故障應(yīng)急預(yù)案等。登錄后可隨時查看。

（5）工程菜單

設(shè)置天線的基本參數(shù)：天線的方位、俯仰、極化三軸零位值標定；三軸軟件限位設(shè)定；接收點經(jīng)緯度：三軸角度傳感器角度標定等等。

（四）上位機PC與下位機PLC的串行通訊

PC與PLC兩者之間連接使用的是FX-232CAB-1電纜線，PLC一端接入通訊模塊FX2N-232-BD，PC一端接入RS232C端口。兩者間采用無協(xié)議通訊（RS指令），事前需對通訊格式進行設(shè)定，三菱FX PLC的通訊格式在特殊寄存器D8120中設(shè)定，其中包含有波特率、數(shù)據(jù)長度、奇偶校驗、停止位和協(xié)議格式等。在這里對D8120設(shè)置成H48F即數(shù)據(jù)長度為8位，偶校驗，2位停止位，波特率為9600bps，無標題符和終結(jié)符，沒有添加和校驗碼，采用無協(xié)議（參見《FX通訊用戶手冊》）。無協(xié)議通訊就是通過執(zhí)行RS指令，配以M8122發(fā)請求標志；M8123數(shù)據(jù)接收完成標志：M8129通訊超時標志等軟元件來建立通訊。

上位機的通訊程序，使用Visual Basic支持的通信控件MSCOMM.OCX實現(xiàn)。由于篇幅所限程序部分在此不作展開。

小結(jié)

使用PLC改造天線控制系統(tǒng)，可以做到省時、省錢、省力，成功率高。本系統(tǒng)只需要一個基本單元加一個模擬輸入模塊和一個通訊模塊，一共三個組件外加一臺個人電腦，組裝簡單方便工作量少，省去單片機系統(tǒng)開發(fā)的繁瑣和易受干擾的不確定性。PLC程序用梯形圖、SFC（順序功能圖）編寫，PC程序用Visual Basic語言編寫，都是簡單易學的語言，不需要專業(yè)的計算機知識。程序可以針對具體系統(tǒng)編寫，還可以在現(xiàn)場作進一步調(diào)整、修改、完善，以達到最佳效果。本設(shè)計還引入了上位機——PC，利用PC機的強大功能，使界面顯示更加清晰直觀，操作更加簡單方便。利用PC機還可以建立一些記錄文檔、表格，例如操作日志、維修記錄、故障記錄等方便日后查找。本設(shè)計沒有針對ADU——天線驅(qū)動單元進行改造，下一步可以使用變頻調(diào)速器代替ADU驅(qū)動天線電機，變頻調(diào)速器由PLC控制，從而控制電機的速度，使天線的轉(zhuǎn)動速度可變，在離目標遠的時候速度快，接近目標時慢下來，這樣天線對星更加快捷、準確。

1.黃永紅.電氣控制與PLC 應(yīng)用技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社.2011

2.劉洪濤，黃海.PLC 應(yīng)用開發(fā)從基礎(chǔ)到實踐.北京：電子工業(yè)出版社.2007：12-65

3.三菱機電《FX2N用戶手冊》

4. 三菱機電《FX通訊用戶手冊》

5.楊克玉.VB6.0程序設(shè)計實訓教程.北京：機械工業(yè)出版社 .2013

（作者單位：廣東廣播電視臺）