大功率發(fā)信設(shè)備控制系統(tǒng)的實時監(jiān)測及抗干擾設(shè)計

王磊

（海裝駐北京地區(qū)第八軍事代表室 北京市 100015）

1 引言

隨著發(fā)射設(shè)備功率等級的提升，對設(shè)備的可靠性也提出了更高的要求，為了使得發(fā)信設(shè)備穩(wěn)定可靠地工作，需要增加監(jiān)控量，提升監(jiān)控級別，保證數(shù)據(jù)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(tǒng)的抗干擾能力并實現(xiàn)了模塊級監(jiān)控，才可以更好地監(jiān)視發(fā)信設(shè)備狀態(tài)，提高控制系統(tǒng)的自動化水平。

2 功能需求

（1）對發(fā)信設(shè)備進行全程實時監(jiān)測，保證控制系統(tǒng)在大功率環(huán)境下的可靠工作。

（2）當系統(tǒng)出現(xiàn)過流、過壓、過熱等故障時，根據(jù)故障等級采取相應(yīng)措施，保障設(shè)備及人身安全，并對故障位置給出相應(yīng)指示。

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

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計

3.1.1 需求分析

原有控制系統(tǒng)方案中采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)，控制中心以及遠程站內(nèi)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(nèi)的工控機通過RS485 串行通信與數(shù)據(jù)處理裝置進行數(shù)據(jù)交換，通過RS422 遙控激勵器工作，利用預(yù)留網(wǎng)口實現(xiàn)與監(jiān)控管理分系統(tǒng)的通信，其通信協(xié)議除CAN 通信外，均為自由協(xié)議，控制裝置內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換也為自由協(xié)議?？偩€型拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

隨著技術(shù)的發(fā)展發(fā)信設(shè)備功率等級大幅提高，為保證發(fā)信系統(tǒng)更可靠地工作，系統(tǒng)中增加了大量的監(jiān)控點，同時為提高臺站信息化水平，保證實現(xiàn)發(fā)信設(shè)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(jiān)控點多為模擬量，如上百個單元的電流、溫度，數(shù)十個機柜的電壓，低壓進電的相關(guān)參數(shù)，增加大量數(shù)據(jù)的同時還要保障系統(tǒng)工作的實時性，原有系統(tǒng)的通信速率實現(xiàn)起來就略顯困難，若用現(xiàn)有臺站的控制方式會導(dǎo)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(lián)系，而CAN 通信報文幀長度有限使數(shù)據(jù)只能分時傳輸，這樣又導(dǎo)致數(shù)據(jù)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(tǒng)構(gòu)成靈活，擴展方便，本身很適合這種大量開關(guān)量和模擬量的控制場合，利用其成熟的工業(yè)技術(shù)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(fā)信設(shè)備而言，控制系統(tǒng)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(shè)計。

3.1.2 系統(tǒng)布設(shè)結(jié)構(gòu)

圖1：總線型拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

本控制系統(tǒng)設(shè)計徹底改變了以往設(shè)備與遠程站之間星形網(wǎng)絡(luò)的連接方式，利用網(wǎng)管型工業(yè)交換機將各控制點組成多環(huán)光纖網(wǎng)絡(luò)，而網(wǎng)絡(luò)也采用了PROFINET 工業(yè)以太網(wǎng)，保證了系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r也保證了數(shù)據(jù)的高可靠性?？刂圃O(shè)計主要分為現(xiàn)場控制級、過程控制級和過程管理級三層結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場控制級設(shè)備的任務(wù)主要完成過程數(shù)據(jù)的采集與處理，直接完成操作命令，實現(xiàn)分散控制，完成與上級設(shè)備的數(shù)據(jù)通信；過程控制級的主要功能是采集過程數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理，對發(fā)信過程進監(jiān)測和控制，輸出控制信號，實現(xiàn)反饋控制、邏輯控制和順序控制功能，與過程管理級進行數(shù)據(jù)通信；過程管理級的主要設(shè)備是操作站，操作站是操作人員與集散控制系統(tǒng)相互交換信息的人機接口設(shè)備，是集散控制系統(tǒng)的核心顯示、操作和管理裝置。

3.2 系統(tǒng)實時性設(shè)計

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

PROFINET 是開放的標準的實時的工業(yè)以太網(wǎng)標準，基于工業(yè)以太網(wǎng)。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(yīng)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(wǎng)，借用以太網(wǎng)可以同時傳輸TCP或者數(shù)據(jù)、語音、圖像等數(shù)據(jù)，而且由于在以太網(wǎng)中，診斷更加靈活，SNMP 協(xié)議，HTTP 協(xié)議都可以診斷PN 設(shè)備，來獲取診斷信息。從網(wǎng)絡(luò)的任何一點，隨時隨地訪問你所需要連接的設(shè)備。另外，對于網(wǎng)絡(luò)的擴展，PROFINET 使用以太網(wǎng)的連接方式，加入交換機，插入網(wǎng)線連接即可。這與我們辦公的局域網(wǎng)相似，需要增加設(shè)備的時候，只需要連接到交換機的端口即可。

臺站網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為冗余環(huán)網(wǎng)，保證在高可靠的大型系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換裝置出現(xiàn)問題時不影響設(shè)備的正常工作，本控制系統(tǒng)使用的交換機支持高速冗余環(huán)網(wǎng)，一方面確保從監(jiān)控中心到各控制站設(shè)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(shù)值遠低于系統(tǒng)輪詢周期，并且此環(huán)網(wǎng)等時同步實時通訊，確保了網(wǎng)絡(luò)通訊忙時，享有更高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)將確保實時傳輸。此種解決方案確保了監(jiān)控數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸；其另外一個突出的特點就是以太網(wǎng)，借用以太網(wǎng)，可以同時傳輸圖像數(shù)據(jù)，并支持VLAN劃分，切實做到管控分離。

3.2.2 內(nèi)部接口

各個站內(nèi)部的通信協(xié)議除了已定型的設(shè)備采用了TCP/IP 自由協(xié)議，其余均采用工業(yè)標準協(xié)議，物理接口為網(wǎng)絡(luò)接口，發(fā)信設(shè)備控制中心內(nèi)監(jiān)控設(shè)備較多，以此來詳細介紹各設(shè)備間的接口設(shè)計，遠程站可以完全套用。

PROFINET I/O 協(xié)議傳輸內(nèi)容均為對實時性要求高的監(jiān)控數(shù)據(jù)；電源子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)都有其自身的獨立控制系統(tǒng)，監(jiān)控數(shù)據(jù)對實時性要求不高，故采用了MODBUS TCP 協(xié)議，方便設(shè)備對接，但是當有故障信號產(chǎn)生時，這兩個子系統(tǒng)都留有開關(guān)量信號輸出，以便控制系統(tǒng)及時采取保護措施；UPS 為商用產(chǎn)品，接口協(xié)議固化，為MODBUS TCP 協(xié)議；激勵器和階梯波發(fā)生器為已定型產(chǎn)品，協(xié)議固化，為TCP/IP 自由協(xié)議。

3.2.3 設(shè)計實現(xiàn)

實時監(jiān)測是發(fā)信設(shè)備運行的基礎(chǔ)，也是保證控制系統(tǒng)可靠運行的必要條件。通過對關(guān)鍵設(shè)備、系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，實現(xiàn)對大功率發(fā)信裝備與發(fā)信狀態(tài)的實時感知、集中呈現(xiàn)。

3.2.3.1 關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測

根據(jù)采集的關(guān)鍵設(shè)備工作狀態(tài)、參數(shù)，經(jīng)整理分析后以圖形化方式進行實時呈現(xiàn)，并將采集的工作狀態(tài)、參數(shù)與故障信息保存到數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)運維與故障診斷分析提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2.3.2 發(fā)信進程監(jiān)視

綜合臺站各分系統(tǒng)、設(shè)備的工作狀態(tài)，對發(fā)信進程進行全程動態(tài)監(jiān)測，以圖形化方式向值班人員呈現(xiàn)發(fā)信工作流程及狀態(tài)變化（如開/關(guān)冷卻、開/關(guān)低壓、開/關(guān)高壓、激勵信號狀態(tài)等信息）。

3.2.3.3 過程信號監(jiān)測

整個發(fā)信系統(tǒng)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(tǒng)中采用取樣后單獨測量的方式。當測量值超過設(shè)定的安全范圍時，采取相應(yīng)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(shù)據(jù)采用PROFINET 工業(yè)以太網(wǎng)傳輸，數(shù)據(jù)更新時間為幾毫秒，完全能保證數(shù)據(jù)的實時性。

3.2.3.4 故障信息監(jiān)測

PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。同時各模塊級監(jiān)控設(shè)備根據(jù)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(shè)備及人身安全。

3.3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

控制系統(tǒng)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(tǒng)的正常工作，控制系統(tǒng)在如此功率等級所形成的電磁環(huán)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(jié)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(shù)字量輸入模塊具備可組態(tài)的輸入延時：0.05 ms 到 20 ms可調(diào)，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(shè)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(huán)境下產(chǎn)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(guān)電源絕大多數(shù)開關(guān)頻率都落在發(fā)信設(shè)備的工作頻率內(nèi)，為防止加載高壓時對開關(guān)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(chǎn)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(zhuǎn)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(shè)備也不會被損壞。

由于控制系統(tǒng)的電源負端通常會接地，而傳感器本身也會就近接地，瞬態(tài)電流將流過沿接地導(dǎo)體之間產(chǎn)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(xiàn)。斷開接觸器線圈時，會導(dǎo)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(fù)，產(chǎn)生陡坡和極高的振幅，這種情況嚴重干擾了電子設(shè)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(qū)動設(shè)備電源

驅(qū)動設(shè)備的供電電源選用ALM 和AIM 的組合，ALM 是可調(diào)節(jié)性電源模塊，可向電網(wǎng)回饋，母線電壓是閉環(huán)控制，所以即使電網(wǎng)電壓有波動母線電壓仍然比較穩(wěn)定，它可以動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，向電網(wǎng)側(cè)提供感性或容性電流。ALM 對電網(wǎng)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(shè)置一個濾波計數(shù)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(jīng)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(jīng)驗值，判斷計數(shù)器是否＞=上限N(溢出)，如果計數(shù)器溢出，則將本次值替換當前有效值，并清計數(shù)器。

采用這種方法判斷數(shù)據(jù)變化趨勢，可利用濾波后的數(shù)據(jù)組成新的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，可避免在臨界值附近的數(shù)據(jù)波動對后續(xù)數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生誤判。

3.3.2.2 遞推平均濾波法

把連續(xù)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(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù)（先進先出原則），把隊列中的N 個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算，就可獲得新的濾波結(jié)果。

采用這種方法對AD 采樣結(jié)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(jié)束語

大功率發(fā)信設(shè)備控制系統(tǒng)將發(fā)信設(shè)備各分系統(tǒng)有機融合為一個整體，通過各種抗干擾技術(shù)將控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性提升，通過模塊級狀態(tài)信息采集和實時的數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)精確控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各個控制環(huán)節(jié)的可靠融合，在此基礎(chǔ)上才能實現(xiàn)大功率發(fā)信設(shè)備控制過程的完全自動化，減少發(fā)信過程中的人工環(huán)節(jié)。