大功率发信设备控制系统的实时监测及抗干扰设计

王磊

（海装驻北京地区第八军事代表室 北京市 100015）

1 引言

随着发射设备功率等级的提升，对设备的可靠性也提出了更高的要求，为了使得发信设备稳定可靠地工作，需要增加监控量，提升监控级别，保证数据实时可靠的传输，这些都是相辅相成的，实时性由可靠性来保障，加强控制系统的抗干扰能力并实现了模块级监控，才可以更好地监视发信设备状态，提高控制系统的自动化水平。

2 功能需求

（1）对发信设备进行全程实时监测，保证控制系统在大功率环境下的可靠工作。

（2）当系统出现过流、过压、过热等故障时，根据故障等级采取相应措施，保障设备及人身安全，并对故障位置给出相应指示。

（3）完成对电压、电流、功率等的测量，使工作状态直观化、数字化，便于操作员掌握；具有模块级自检能力，主要节点工作状态显示直观；具有对单元级、关键部件级的器件进行监测和控制功能。

3 系统设计与实现

3.1 总体设计

3.1.1 需求分析

原有控制系统方案中采用总线型拓扑结构，控制中心以及远程站内的各控制装置通过CAN 总线连接在一起，连接方式为星形，控制中心内的工控机通过RS485 串行通信与数据处理装置进行数据交换，通过RS422 遥控激励器工作，利用预留网口实现与监控管理分系统的通信，其通信协议除CAN 通信外，均为自由协议，控制装置内部的数据交换也为自由协议。总线型拓扑结构如图1 所示。

随着技术的发展发信设备功率等级大幅提高，为保证发信系统更可靠地工作，系统中增加了大量的监控点，同时为提高台站信息化水平，保证实现发信设备可视、可管、可控的要求，这些均需要新型的控制体制来保障。

增加的监控点多为模拟量，如上百个单元的电流、温度，数十个机柜的电压，低压进电的相关参数，增加大量数据的同时还要保障系统工作的实时性，原有系统的通信速率实现起来就略显困难，若用现有台站的控制方式会导致控制中心或远程站控制装置的增加，这些装置间通过CAN 通信联系，而CAN 通信报文帧长度有限使数据只能分时传输，这样又导致数据的实时性有所降低，而利用PLC 作为主控器的控制方式正好可以解决这个问题，因为PLC 系统构成灵活，扩展方便，本身很适合这种大量开关量和模拟量的控制场合，利用其成熟的工业技术只需在同一个控制中心或远程站分别安装一个CPU，其他功能只需要扩展模块即可，CPU 间及扩展模块间使用PROFINET 通信，实时性强。

对于大功率发信设备而言，控制系统的可靠性和抗干扰性是也急需解决的问题，从器件型号的选定到安装、走线，信号传输方式以及软件的处理，都需要进行设计。

3.1.2 系统布设结构

图1：总线型拓扑结构示意图

本控制系统设计彻底改变了以往设备与远程站之间星形网络的连接方式，利用网管型工业交换机将各控制点组成多环光纤网络，而网络也采用了PROFINET 工业以太网，保证了系统的高速数据传输的同时也保证了数据的高可靠性。控制设计主要分为现场控制级、过程控制级和过程管理级三层结构，现场控制级设备的任务主要完成过程数据的采集与处理，直接完成操作命令，实现分散控制，完成与上级设备的数据通信；过程控制级的主要功能是采集过程数据，进行数据转换与处理，对发信过程进监测和控制，输出控制信号，实现反馈控制、逻辑控制和顺序控制功能，与过程管理级进行数据通信；过程管理级的主要设备是操作站，操作站是操作人员与集散控制系统相互交换信息的人机接口设备，是集散控制系统的核心显示、操作和管理装置。

3.2 系统实时性设计

3.2.1 网络架构

PROFINET 是开放的标准的实时的工业以太网标准，基于工业以太网。PROFINET 最突出的特点是它的实时性，从过程自动化到工厂自动化再到运动控制，其实时性可以满足各种各样的应用，在实时性较高的场合特别是在运动控制中，PROFINET 的性能是最为突出的。PROFINET 另外一个突出的特点是以太网，借用以太网可以同时传输TCP或者数据、语音、图像等数据，而且由于在以太网中，诊断更加灵活，SNMP 协议，HTTP 协议都可以诊断PN 设备，来获取诊断信息。从网络的任何一点，随时随地访问你所需要连接的设备。另外，对于网络的扩展，PROFINET 使用以太网的连接方式，加入交换机，插入网线连接即可。这与我们办公的局域网相似，需要增加设备的时候，只需要连接到交换机的端口即可。

台站网络设计为冗余环网，保证在高可靠的大型系统数据交换装置出现问题时不影响设备的正常工作，本控制系统使用的交换机支持高速冗余环网，一方面确保从监控中心到各控制站设备造成累计时延不超过毫秒级，另一方面端到端通信自愈时间均小于300ms，其数值远低于系统轮询周期，并且此环网等时同步实时通讯，确保了网络通讯忙时，享有更高优先级的数据将确保实时传输。此种解决方案确保了监控数据业务的传输；其另外一个突出的特点就是以太网，借用以太网，可以同时传输图像数据，并支持VLAN划分，切实做到管控分离。

3.2.2 内部接口

各个站内部的通信协议除了已定型的设备采用了TCP/IP 自由协议，其余均采用工业标准协议，物理接口为网络接口，发信设备控制中心内监控设备较多，以此来详细介绍各设备间的接口设计，远程站可以完全套用。

PROFINET I/O 协议传输内容均为对实时性要求高的监控数据；电源子系统、冷却子系统都有其自身的独立控制系统，监控数据对实时性要求不高，故采用了MODBUS TCP 协议，方便设备对接，但是当有故障信号产生时，这两个子系统都留有开关量信号输出，以便控制系统及时采取保护措施；UPS 为商用产品，接口协议固化，为MODBUS TCP 协议；激励器和阶梯波发生器为已定型产品，协议固化，为TCP/IP 自由协议。

3.2.3 设计实现

实时监测是发信设备运行的基础，也是保证控制系统可靠运行的必要条件。通过对关键设备、系统运行状态的实时监测，实现对大功率发信装备与发信状态的实时感知、集中呈现。

3.2.3.1 关键设备监测

根据采集的关键设备工作状态、参数，经整理分析后以图形化方式进行实时呈现，并将采集的工作状态、参数与故障信息保存到数据库，为系统运维与故障诊断分析提供数据支撑。

3.2.3.2 发信进程监视

综合台站各分系统、设备的工作状态，对发信进程进行全程动态监测，以图形化方式向值班人员呈现发信工作流程及状态变化（如开/关冷却、开/关低压、开/关高压、激励信号状态等信息）。

3.2.3.3 过程信号监测

整个发信系统不仅测量点多，而且每个测量点的电压和电流都相对较大，为使得测量安全准确，系统中采用取样后单独测量的方式。当测量值超过设定的安全范围时，采取相应的保护措施。模拟量采样模块选用高速模块，保证单通道采样速度在几十微秒。远程站数据采用PROFINET 工业以太网传输，数据更新时间为几毫秒，完全能保证数据的实时性。

3.2.3.4 故障信息监测

PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。同时各模块级监控设备根据其故障的等级，采用通信或硬件接点的方式上报故障信息，对操作人员进行警示，严重时直接切断工作电源，保护设备及人身安全。

3.3 系统抗干扰设计

控制系统的检测信号一般比较微弱，干扰信号不能有效解决，则会严重影响系统的正常工作，控制系统在如此功率等级所形成的电磁环境中，会受到来自空间的辐射、引线干扰等，在此通过工程实践总结出了一些干扰的解决方法。

3.3.1 器件选择

3.3.1.1 PLC 输入模块

数字量输入模块具备可组态的输入延时：0.05 ms 到 20 ms可调，可有效抑制信号中断，防止信号的电平的波动对逻辑处理造成影响；模拟量输入模块可通过滤波功能对各个测量值进行滤波，滤波可设为4 个级别。

3.3.1.2 摄像头及供电电源

摄像头采用铝制外壳，防止在高频电磁场环境下产生干扰影响其正常工作，而供电电源选取交流24V，因为摄像头使用的直流开关电源绝大多数开关频率都落在发信设备的工作频率内，为防止加载高压时对开关频率有影响；同时摄像头供电处加装电源进电滤波器。

3.3.1.3 隔离变送器

使用隔离变送器，可降低传输线干扰以及接地干扰对测量值的影响。使用模拟信号隔离器后，可以有效的消除产生在两条信号间的共模噪声。隔离器采用三端隔离的信号隔离形式，外部电源由一个电气隔离的DC/DC 转换器向输入和输出回路供电，由于输入与输出回路隔离，因此即使在短路、浪涌或是极性颠倒的情况下，隔离器后端的电子设备也不会被损坏。

由于控制系统的电源负端通常会接地，而传感器本身也会就近接地，瞬态电流将流过沿接地导体之间产生的地电位差所形成的回路，从而干扰正常信号，模拟信号隔离放大器可以消除接地回路对测量信号的干扰。

3.3.1.4 过压抑制器

感性电路的接通和断开会引起过电压，这种情况尤其会在接触器控制回路断开时出现。断开接触器线圈时，会导致线圈闭合时储存在磁流回路中的电磁能量的释放，以一阵过电压波为特征恢复，产生陡坡和极高的振幅，这种情况严重干扰了电子设备，毁坏敏感器件。为了减少这种危害，接触器均加装了专用的过压抑制器，可以抑制过电压的瞬间干扰。

3.3.1.5 驱动设备电源

驱动设备的供电电源选用ALM 和AIM 的组合，ALM 是可调节性电源模块，可向电网回馈，母线电压是闭环控制，所以即使电网电压有波动母线电压仍然比较稳定，它可以动态地调整网侧的功率因数，向电网侧提供感性或容性电流。ALM 对电网的反作用很小，可以有效地抑制谐波，回馈电能通过AIM 的整形，近似正弦波。

3.3.2 软件滤波处理

3.3.2.1 消抖滤波法

设置一个滤波计数器将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值与当前有效值之差的绝对值＜经验值，则将本次值替换当前有效值，采样值与当前有效值之差的绝对值＞经验值，判断计数器是否＞=上限N(溢出)，如果计数器溢出，则将本次值替换当前有效值，并清计数器。

采用这种方法判断数据变化趋势，可利用滤波后的数据组成新的数据进行数据处理，可避免在临界值附近的数据波动对后续数据处理产生误判。

3.3.2.2 递推平均滤波法

把连续取N 个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据（先进先出原则），把队列中的N 个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。

采用这种方法对AD 采样结果进行滤波，对采样值的周期性干扰有较好的抑制作用。

4 结束语

大功率发信设备控制系统将发信设备各分系统有机融合为一个整体，通过各种抗干扰技术将控制系统的稳定性提升，通过模块级状态信息采集和实时的数据传输实现精确控制，实现数据在各个控制环节的可靠融合，在此基础上才能实现大功率发信设备控制过程的完全自动化，减少发信过程中的人工环节。