PLC在大功率低频发射机控制系统中的应用

曹诚

（海参信息通信局 北京市 100841）

1 引言

PLC 控制系统作为整个发射机系统的“神经中枢”，通过与低频发射机的接口电路相接，实现对发射机的监控。主要完成对发射机各分系统的控制和实时的状态监测，具体为对各设备的信息进行采集、存储、显示、传输并使得各受控设备按照一定的逻辑指令完成相应动作。PLC 控制系统操作简便、可靠性高，经实际使用效果良好。

2 低频发射机控制系统要求

PLC 控制系统作为低频发射机的监控装置必须满足发射机的控制要求，具体内容如下：

2.1 数据采集和显示

实现对电源电压，功放电流、中槽电流、天线电压等8 路模拟量和电源分系统、功率放大分系统、冷却分系统、调谐及匹配滤波分系统等7 大分系统中200 多路开关量的采集，模拟量要求精确到小数点后两位，所有开关量均为高电平有效。

2.2 逻辑控制

实现对发射机自检、开/关机、开/关冷却、开/关低压、开/关高压、升/降高压等一系列操作控制，包括手动和自动开关机两种方式，开关机过程要显示发射机各部分状态是否正常。

2.3 系统自动预置

发射机控制系统需要将每个频率点所在调谐状态下的电感、电容等数据进行采集并存储，以便激励器频率再次调至此点时，发射机系统中控制电感、电容的相应开关按照调谐点的数据正确动作，使发射机自动预置到上次的调谐状态。

2.4 故障告警及处理

根据发射机故障的严重程度对发射机故障进行分级，对于影响发射机正常工作的故障，设定为一级故障，如功放电流或中槽电流过大，一旦监测到此类故障，直接切断高压，以保护人员及发射机免受损伤；对于某些不影响发射机正常完成发射任务的设备故障，仅指示并记录。

3 PLC控制在低频发射机中的应用

3.1 对各分系统的控制

3.1.1 对信号生成处理分系统的控制

控制系统仅对信号生成与处理分系统中的低频信号激励器进行监控。其中载波输出为正弦信号，通过电路对其进行波形转换，输出方波信号后送至PLC 的计数模块进行处理，利用采样的频率值对设备进行预置。通过工业以太网对低频信号激励器进行监控。如图1所示。

封锁激励由PLC 的数字输出模块给出，激励状态由PLC 的数字输入模块采样。控制系统与低频信号激励器通过工业以太网交互数据，实现对激励器工作状态的采样及操控，采样内容主要有激励器的工作频率、工作方式、工作状态等，并且可远程更改激励的工作频率、工作状态、调机电平等数据。

图1：与低频信号激励器的硬件连接图

3.1.2 对功率放大分系统的控制

对功放的控制选用小型PLC S7-1200 实现，其自身带有I/O 模块，安装于每个功放柜的功放监控单元内，通过数字输入模块、热电偶信号模块、模拟输入模块等对功放单元过压、过流、温度、输入电流、电压等信号进行采集，并通过S7 通信将采集数据传送至PLC 主控制器，主控制器根据采集数据采取相应操作。如监测到功放单元内部水冷板温度过高时主控制器将其激励输入信号封锁；监测到某个功放柜的出水参量在设定时间段内持续异常，则认为冷却异常，系统会自动关断高压；功放柜内15V 低压电源运行过程中若某个功放柜低压故障，主控制器会对相应输入电源柜发出指令，关断其高压输出。

3.1.3 对调谐及匹配滤波分系统的控制

调谐及匹配滤波分系统的控制对象主要为各可调线圈和高频开关，PLC 控制系统通过对步进电机的控制驱动可调线圈，通过交流接触器控制三相异步电机正反转实现高频开关动作。

OLED显示采用4线串行SPI，使用4线制串行模式的接口信号线。RST引脚用来硬件复位OLED，让其恢复默认状态；DC引脚是命令/数据标志，用于读与写；SDIN引脚是数据线，不同模式下对应的信号线不同，SCLK引脚是时钟线，只有在串行模式下，D0时钟线为信号线，D1为数据线。

3.1.4 对可调线圈的控制

PLC 控制系统一方面采用源入型数字输入模块对线圈的位置码盘信息进行采集，通过在主控制器CPU 317 中的软件程序将采集到的格雷码进行转换，最终输出为BLP2B—39 型数码管需要的SDA和SCK 数据信号，从而实现对线圈位置的实时显示；另一方面主控制器接收线圈增/减按键指令后，根据指令通过ET200S 1STEP模块驱动线圈步进电机正反转，同时将不同线圈不同频率（调谐状态下）的线圈位置以多维数组形式的DB 块进行记录，激励器再次调至该频率时，控制器比较线圈现有位置数据与存储数据大小，并根据比较结果向1STEP 模块分配方向参数，直至线圈自动转动到预存调谐位置。

3.1.5 对高频开关的控制

PLC 控制系统将不同的高频开关在不同频率（调谐状态下）的位置状态（上、中、下三个限位点）做成多维数组形式的DB 块，当激励器频率调至某点时，主控制器CPU 通过各开关预存的位置信息通过数字输出信号向相应的交流接触器发出正反转指令，直至高频开关到达指定位置。

3.1.6 对测量分系统的控制

低频发射机中，电源输出电流电压、功放输出电流、中槽电流、电压、发射机输出功率，及天线电流、电压，都是判断发射机的工作是否正常的重要参数。为使得测量安全准确，系统中采用隔离变送器对测量信号隔离后取样再送至模拟量模块统一处理的方式。

系统中使用魏德米勒的隔离变送器对传感器输出的电压信号进行隔离，变换为不易受到干扰的0mA ～20mA 电流信号传输至PLC 高速的模拟量输入模块，主控制器通过SCALE 缩放函数对采集数据进行处理，并根据系统要求设置保护阈值，当测量值超过设定的安全范围时，启动硬件中断OB40，利用OB40 中的置位程序对相应硬件中断标志位进行置位，从而在人机交互界面中显示故障告警信息同时采取相应的保护措施。

电源、冷却、假负载三个分系统通过工业以太网实现与发射机PLC 控制系统互通。其中与电源控制器之间采用MODBUS TCP 协议，与假负载控制器采用PROFINET 协议，与冷却控制间采用西门子PLC 之间的S7 通信协议。

3.2 各控制柜设计及设备选型

3.2.1 各控制柜设计

PLC 控制系统包括机房内的两个控制柜（主机监控和天线监控各一个）、一个执行柜和一个设备柜；以及调谐亭内的亭内控制柜和执行柜。控制柜中放置控制器及各功能模块，人机界面采用操控显示屏；执行柜内主要安装驱动各开关和线圈动作的步进电机驱动装置及交流接触器；设备柜用以安装供主机房内全部控制用电的UPS 电源以及网络交换机。如图2所示。

3.2.2 PLC 控制系统选型

PLC 控制系统采用CPU 317 作为主控制器，天线监控柜和调谐亭控制柜采用接口模块IM151-3 作为主控制器的分布式I/O 使用，功放监控单元采用CPU 1215，通过PROFINET 与主控制器通信，PLC 模块电源采用PS307 5A 电源、CPU 下设数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块等，人机界面采用19 英寸触摸屏。

4 PLC应用于低频发射机控制中的优势

早期在发射机中的计算机控制系统常用的处理器是微控制器（单片机），其设计灵活，硬件成本低，但开发周期较长，通信速度和可靠性受限，而PLC 控制系统抗电磁干扰能力强，可靠性高，采用模块化设计，维修方便，且其应用的PROFINET 不但实时性好，且基于以太网可以同时传输TCP、语音、图像等数据。

4.1 PLC抗干扰能力强，可靠性高

PLC 采用微电子技术，大量的开关动作是由无触点的半导体电路完成的，使得因接触不良等原因造成的故障大为减少。所有的I/O 接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC 内部电路之间电气上隔离；各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰；采用性能优良的开关电源；对采用的器件进行严格的筛选。PLC 具有良好的自诊断功能，一旦电源或其他软硬件发生异常情况，CPU 立即采用有效措施以防止故障扩大，从实际使用情况来看，PLC 控制系统的平均无故障时间一般可达4 ～5 万小时。

图2：单机单亭控制设备布局示意图

4.2 灵活的模块化设计

PLC的各个部件包括CPU、电源、I/O接口等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，可维护性好。且PLC 针对不同的现场信号如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流，不同的现场器件或设备如按钮、行程开关、传感器及变送器等有相应的I/O 模块直接连接，另外为了提高操作性能它还有多种人机对话的接口模块，系统的规模和功能可根据需要自行组合，操作简单灵活。

4.3 PROFINET通信开放、高速、高效

PROFINET I/O 支持分布式现场设备直接接入以太网，从而使所有使用的设备都连入一致的网络结构中，为整个控制系统提供一致的通信，PROFINET 凭其优秀的开放性，可实现统一的设备自动化网络，连接自动化设备和标准以太网设备。PROFINET 数据传输速率远高于传统现场总线，可在不影响I/O 数据传输的情况下实现大数据量的无故障传输。

5 结束语

PLC 控制系统在低频发射机的应用打开了低频发射机控制领域的新局面，其在实际使用中代替原有的以微控制器组成的发射机控制系统后，使得发射机在实时性和可靠性上都得到了提高，获得了用户的好评，有很大的推广和使用价值。