广播电视发射台集成监控管理系统设计

韩荣华

（山西广播电视无线管理中心，山西 太原 030001）

1 引言

由中国传媒大学广播电视数字化工程中心与山西广播电视无线管理中心共同研发的广播电视发射台集成监控管理系统（Transmitter-station Integrated Monitor and Management System，TIMMS），是针对现行发射台发射机固态化后对多部发射机实现集成监管的需求，将实时监控与远程监控、网管等技术相结合，并针对以往各种发射机自动监控系统存在的缺点和不足，在优化系统功能、增强可靠性等方面进行了科研攻关，经过在山西省4个直属调频电视发射台进行反复试验、不断改进和完善的基础上完成的[1]。实践证明，该系统性能先进，功能完善，抗干扰能力强，运行稳定可靠。

2 TIMMS系统结构

TIMMS的结构如图1所示。系统可分为3层，即实时控制层、监控管理层和远程监管层。

2.1 实时控制层

实时控制层负责对发射机进行数据采集和实时控制。这一层由实时控制单元PLC[2]、发射机信号采集板以及RS-485通信单元组成。发射机数据采集与控制板结构如图2所示。

1）PLC控制单元

实时控制层的核心为PLC（可编程逻辑控制器）。PLC是以微处理器为核心，集计算机技术、自动化控制技术及通信技术于一体的工业控制装置，又称工业控制计算机。其主要特点有：（1）可靠性高，抗干扰能力强，适应高温、振动冲击、强电子干扰等恶劣的工业环境；（2）丰富的I/O接口模块，易于和现场设备连接；（3）采用类似继电器控制线路的梯形图编程，编程简单灵活，便于现场修改；（4）指令丰富，运算能力强；（5）CPU具有自诊断功能，不会有病毒和死机现象；（6）具有停电记忆与来电自动重启功能。

2）数据采集

数据采集分模拟量和开关量。模拟量最多可采集128个，包括输出功率、反射功率、调制度、驻波比、各级电压、电流等。开关量包括门连锁、通信状态、运行状态等。

下面以本省10 kW全固态电视发射机（北广电子集团生产）为例，共计采集125个模拟量，包括有整机发射功率、反射功率、驻波比，功放柜A和B的发射功率、反射功率、驻波比，交流380 V三相电压和激励器功率。每个功放模块取5个电流、2个温度值，16个功放模块共采集80个电流值、32个温度值。取样值通过发射机的外部接口板提取，该接口电路板上的二极管、暂态吸收稳压管和光电隔离器能隔离和吸收外部电缆瞬态电压或干扰信号，以确保采样值准确可靠。

开关量包括门开关、天线位置、激励器A/B状态、中放A/B状态、调制推动A/B状态等。从信号采集点将开关量接入信号采集板，再通过光电隔离后送进PLC的开关量输入模块进行检测。

PLC微处理器采用循环扫描方式，在一个扫描周期内，由16个160 ms宽度的选通脉冲相应选通第1到第16个模块的顺序，采集每个功放模块的5个电流量、2个温度量、整机输出功率和反射功率、A柜输出功率和反射功率、B柜输出功率和反射功率、ABC三相电压以及激励器输出功率。

3）实时控制功能

发射机的实时控制功能通过PLC及控制程序实现。用于SIMATIC可编程控制器组态和编程的标准软件包STEP7 支持 3 种语言，即语句表（STL）、梯形图（LAD）和功能块图（FBD）。本系统主要采用梯形图编程语言，在计算机或笔记本电脑上编写PLC控制程序，然后下载到PLC中。

PLC实时控制单元可实现功能为：（1）定时开关机。每天可设置3次开关机时间，每周7天可分别设置。（2）自动功率控制功能（APC）。开机时步进增功率，关机时步进降功率，播出过程中自动调整功率至满功率或设定功率。（3）发射机各参数越限报警及保护功能。驻波比超过1.25时自动降功率，无音视频或驻波比超过1.5时封锁激励等。（4）3次过荷自动保护。针对电流、驻波比等参数，在20 s内连续发生3次过荷时强制关机保护。（5）发射机停电记忆与来电自动重启功能。（6）主备机自动倒换功能。

4）实时控制层的抗干扰措施

尽管PLC本身具有很强的抗干扰能力，但考虑到发射机房各种干扰因素比较多，如电源波动、强电磁干扰、动力强电冲击等，均可能影响控制系统的正常工作。为进一步确保实时控制层的可靠性，针对发射机房干扰源类型，采取了相应的电磁兼容抗干扰措施，即PLC内部和外部电路分别接地，内部CPU、存储器等电路共接数字地，外部A/D、D/A等共接模拟地。PLC系统接地线和其他电器的机体接地线各自单独接地，对于开关量的输入，则先经由延迟滤波器 （延迟时间从0.2 ms到12.8 ms可选，默认值为6.4 ms）对噪声脉冲进行过滤，当输入状态改变时，必须在延迟时间期限内保持在新状态，方为有效；对于模拟量的输入，PLC有模拟输入滤波器，可对不同的模拟输入选择软件滤波器，其滤波值为模拟量输入设定个数采样值的平均值。

采用以上综合抗干扰措施后，系统的抗干扰性能得到进一步增强。

2.2 监控管理层

监控管理层由工控机、监控管理软件、数据服务器和数据库组成。

1）现场数据通信

现场数据通信采用RS-485总线，可连接32个下位机，加中继器后最多可连接255个设备。

为确保串行通信安全可靠，数据帧采用具有起始、结束字段的完整数据包格式。由地址标示符识别系统中的每个PLC，以避免通信冲突。数据帧号能确定发送数据的内容，有利于数据通信的可靠性。并采用高效检错的CRC（循环冗余校验码）进行差错控制。

此外，针对上、下位机之间通信意外中断的情况，采用了数据恢复机制。当PLC检测到通信意外中断时，将采集到的数据暂存到自身的缓存区，同时记录采集数据的时间，并等待上位机发出数据恢复命令；当上位机检测到通信意外中断时，会一直检测通信状况，直到通信恢复正常后向下位机发送数据恢复命令，下位机收到命令后按照通信中断恢复帧的格式传送缓存区的数据。

2）数据库

采用Microsoft SQL Server作为监控管理系统的数据库平台。

数据库包括设备实时数据、值班员信息以及相关的各种辅助信息。实时数据由软件通过通信端口与设备控制器通信采集回来经加工处理而得到，利用这些数据可实现各种监控功能，如报警、数据显示、数据记录、数据查询等。管理数据以值班员为核心建立值班员账号，通过账号实现对远程操作、值班日志、维修日志和值班考勤等各项功能和数据的管理。

3）监控管理软件

监控管理软件主要有两大功能，一是实时监控功能，包括开关机操作、功率调整、模式切换、主备机倒换等，并能正确判断、处理发射机运行故障并及时报警[3]。另一个是管理功能，包括发射机属性设置、播出时间表设置、发射机数据存储、历史数据统计、数据组合条件查询、格式报表打印和值班管理等。

监控软件提供全图形化的分区导航按钮操作界面，可直观地显示发射机所有参数和工作状态，显示方式包括数码显示、模拟指针表头显示、模拟温度计和状态灯显示等多种方式。图3为图形化数据显示界面截图。

4）故障诊断专家系统

故障诊断专家系统由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分构成。在专家系统的知识库中收集了本系统众多专家和一线工程技术人员的专业知识和维护经验，通过知识获取机制可以不断地对专家系统知识库进行更新和新知识的补充。当发射机出现故障时，故障诊断专家系统根据专家提供的知识和经验进行推理和判断，并将相应的处理措施通过界面提供给用户，同时监控管理系统发出声、光信号报警，以提醒值班员对故障进行及时处理。对于值班员未能在规定时间范围内处理的报警信息，系统会自动通过手机短信将报警信息发送到预先设置好的手机号码上。

2.3 远程监管层

2.3.1 远程监控管理系统结构

远程监管系统采用了B/S架构[4]，即浏览器/服务器模式，其结构如图4所示。

Web浏览器在客户端通过统一资源定位器（URL）指向的Web服务器提出服务申请；Web服务器对用户进行身份验证后，通过HTTP把所需要的文件资料传送给用户，并显示在用户的Web浏览器上。

Web服务器负责向用户提供实时数据显示、历史数据查询、用户登录验证等服务。该层的任务是接受用户请求，通过SQL等方式向数据库服务器提出数据处理申请，而后等数据库服务器将数据处理结果提交给Web服务器，再传送回客户端。

数据库服务器的任务是接受Web服务器对数据库操纵的请求，实现对数据库查询、修改、更新等功能，把运行结果提交给Web服务器。

Web服务器是一种交互式图形界面的Internet服务，通过HTML语言把信息组织成为图文并茂的超文本。而Web浏览器则是为用户提供基于HTTP超文本传输协议的用户界面，创建有多个Web窗体，如首页、管理员登录页、报警信息页、单个发射台监控页面、单个模块监控页面、运行数据查询、模块参数查询、故障记录查询、运行统计查询、考勤记录查询、值班日志查询和权限管理等。

远程监管层通过以太网与监控管理层连接，通过网络通信技术与数据库技术获取发射台现场数据[5]。由于在本省高山台未通光缆，但参与试验的这4个高山台均开通了数字微波，因此可利用协议转换器将局域网的以太信号与数字微波的E1信号相互转换，通过数字微波构建起通信网络，采用无线传输方式实现远程监测数据的回传。这4个发射台的发射机数据通过数字微波通道回传到省局监测中心的服务器，该服务器在互联网上设有固定IP地址，无线管理中心各相关业务部室可登陆该IP地址页面，通过授权认证后，实时监看各台站发射机运行的各项数据，了解远程发射机的运行状态，从而指导对发射机进行维护管理。

2.3.2 远程监管系统主要功能

远程监控管理系统的主要功能如下：1）显示多个发射台简要概况及发射机重要参数；2）准实时显示发射机运行状态及参数；3）条件查询发射机历史数据，生成格式报表；4）发射机故障报警及故障辅助诊断；5）修改发射机运行时间表及相关参数；6）查询发射台值班信息，生成格式报表；7）远程打印数据报表；8）其他管理功能。基于安全性考虑，在远程监管层未开放发射机控制功能。

3 小结

TIMMS具有完备的实时控制功能和完整的发射机管理功能，实现了对发射机运行状态、技术指标、值班情况的现场监控和远程管理。由于其实时控制层采用了高可靠性和抗干扰能力强的PLC控制器，与采用单板机进行实时控制的系统相比，该系统现场抗干扰和抗雷击的性能大大提高，特别适用于高山台强电磁干扰和多雷的恶劣环境。此外，由于采集的模拟量多达128个，能够全面监控发射机的运行状态，并可准确定位故障，借助专家智能分析系统还可实现故障诊断。该系统的应用，使发射台的技术维护管理工作得到全面升级，实现了由传统的依赖于值班员的现场和单机监管向自动化、网络化、集中监管和远程遥控的现代化管理模式的跨越，有力促进广播电视节目的安全优质播出。

[1]李建军，周剑，王金华.山西省广播电视发射台集成监控管理系统[J].广播与电视技术，2009（1）：55-56.

[2]柴瑞娟，陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]叶建红，杨朝赟，周剑.广播电视发射机故障诊断专家系统研究[J].广播与电视技术，2008（8）：48-51.

[4]宋培义，刘丽华，梁郑丽.计算机网络技术及应用[M].北京：中国广播电视出版社，2003.

[5]刘行兵，牟占生，孙斌.电视发射台远程监控系统的实现[J].电视技术，2008，32（11）：70-71.