Thales500kW 主控系統(tǒng)控制體系分析與應(yīng)用

楊 凱

（國家新聞出版廣電總局 五九四臺，陜西 咸陽 712000）

0 引言

我臺在近幾年的自動化改造過程中全套引進(jìn)了瑞士Thales 公司較為先進(jìn)的500kW 發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)——StationMaster plusⅡ。該系統(tǒng)運(yùn)用了先進(jìn)的控制技術(shù)，實現(xiàn)了在強(qiáng)電磁干擾情況下對大功率發(fā)射機(jī)集中遠(yuǎn)程控制，滿足了現(xiàn)代化電臺的自動化需要。整個系統(tǒng)通過以太網(wǎng)技術(shù)，將全臺技術(shù)設(shè)備連接在一起，并通過經(jīng)典的三層控制體系使中央控制室的主控計算機(jī)監(jiān)控所有的技術(shù)設(shè)備，主控計算機(jī)本身也采用了主、備機(jī)互為熱備的可靠性設(shè)計模式，保證了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 Thales 控制體系

發(fā)射機(jī)主控系統(tǒng)從控制體系上劃分主要分為遠(yuǎn)程控制結(jié)構(gòu)和中控機(jī)房的主備機(jī)控制結(jié)構(gòu)。Thales 遠(yuǎn)程控制結(jié)構(gòu)主要涉及主控計算機(jī)與各發(fā)射機(jī)房發(fā)射機(jī)、天線矩陣控制系統(tǒng)、電力監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞、分發(fā)及響應(yīng)，該結(jié)構(gòu)用于實現(xiàn)用戶與設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的交互，完成對發(fā)射機(jī)的一系列操控和對各技術(shù)設(shè)備實時狀態(tài)信息的回傳任務(wù)；而中控機(jī)房的主備機(jī)控制結(jié)構(gòu)主要是基于對整個控制的可靠性要求而設(shè)計的，用于加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。

1.1 遠(yuǎn)程控制結(jié)構(gòu)

圖1 控制結(jié)構(gòu)

如圖1 所示為經(jīng)典控制系統(tǒng)的原形，Thales 遠(yuǎn)程控制結(jié)構(gòu)也是基于此三層控制原理模式設(shè)計的，它主要分為控制與顯示層、通訊層、處理層。

1.1.1 各種單獨(dú)的設(shè)備接口：傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（“Process”）

在Process 層，遠(yuǎn)程終端設(shè)備（Remote Terminal Units）實現(xiàn)翻譯各種設(shè)備數(shù)據(jù)的任務(wù)，能夠通過通訊層與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

一個遠(yuǎn)程終端設(shè)備一般包括一個帶有輸入/輸出的PLC 系統(tǒng)和完整的處理器，具備以下三條功能：

1）翻譯與通訊協(xié)議有關(guān)的傳感器信號；

2）對照網(wǎng)絡(luò)信息地址，翻譯收到的信息，轉(zhuǎn)換成簡單的控制命令；

3）對輸入／輸出信號進(jìn)行預(yù)處理，降低主控計算機(jī)的負(fù)擔(dān)。

這種方式允許整合不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備到Process 層，例如：不同型號的發(fā)射機(jī)，天線系統(tǒng)，消防系統(tǒng)，監(jiān)視系統(tǒng)，電力管理系統(tǒng)等，都可以整合到控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的靈活性。控制系統(tǒng)因此能夠具有一個清晰的和標(biāo)準(zhǔn)模塊化的架構(gòu)，便于進(jìn)行維護(hù)和升級。

1.1.2 數(shù)據(jù)通信：任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和子系統(tǒng)或者點對點連接單獨(dú)設(shè)備的傳感器（Communication）之間數(shù)據(jù)流

根據(jù)設(shè)備型號和廠商提供的通訊架構(gòu)和通訊協(xié)議，可以實現(xiàn)分別直接連接多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，各種設(shè)備的驅(qū)動可以使控制系統(tǒng)了解到詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這表示，對于控制軟件，各種通訊協(xié)議的種類是不重要的；可以看作是所有的數(shù)據(jù)通訊都是在和同一個設(shè)備進(jìn)行，也就是說各種設(shè)備通過各自的驅(qū)動程序的加載，能夠采用相同的協(xié)議進(jìn)行通訊。這樣就為系統(tǒng)的整合和第三方設(shè)備的加入提供了非常有利的條件。

1.1.3 計算機(jī)控制整個發(fā)射臺設(shè)備并顯示所有重要設(shè)備的數(shù)據(jù)，并以各種方式應(yīng)用這些數(shù)據(jù)。（Control and Visualization)依據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)范，這種控制系統(tǒng)可以整合各種自動控制系統(tǒng)或智能系統(tǒng)的功能。

1.2 中控機(jī)房主控計算機(jī)控制結(jié)構(gòu)

中控機(jī)房主控計算機(jī)既是整個發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)指令的發(fā)起者同時又是全臺發(fā)射機(jī)狀態(tài)，各機(jī)房電力，天線矩陣回傳數(shù)據(jù)的監(jiān)測者，是整個控制系統(tǒng)的核心，他的安全性對整個控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。因此，該主控計算機(jī)設(shè)計上最終采取了在線式主備機(jī)互為熱備設(shè)計結(jié)構(gòu)，確保了主控系統(tǒng)核心計算機(jī)的安全性。

1.2.1 主控計算機(jī)熱備份

中控機(jī)房的主控制系統(tǒng)主要由兩臺相同的互為熱備份的工業(yè)計算機(jī)（SCADA1 和SCADA2）、輸入設(shè)備切換器（KVM Switch）、顯示和控制板及PLC 可編成控制器構(gòu)成。

圖2 熱備份原理框圖

如圖2 所示，正常工作時兩臺計算機(jī)同時運(yùn)行，當(dāng)主計算機(jī)出現(xiàn)錯誤時，PLC 會發(fā)出切換鍵盤，鼠標(biāo)，顯示器和網(wǎng)絡(luò)命令，將設(shè)備切換到備份計算機(jī)。熱備份系統(tǒng)具有以下主要功能：

1）持續(xù)升級備份計算機(jī)的日志文件和系統(tǒng)文件，目的是確保平滑切換；

2）持續(xù)監(jiān)視主運(yùn)行圖，一旦系統(tǒng)崩潰會重新啟動程序；

3）持續(xù)監(jiān)視數(shù)據(jù)通信進(jìn)程DB Center 是否正常，一旦出現(xiàn)錯誤會切換到另一臺計算機(jī)上；

4）持續(xù)監(jiān)視計算機(jī)工作是否正常，出現(xiàn)錯誤會切換到另一臺計算機(jī)上；

5）重新啟動系統(tǒng)會重新啟動所有控制模塊；

6）如果從主計算機(jī)發(fā)出的心跳信號沒有通過交換機(jī)發(fā)出，PLC 會切換到備份計算機(jī)上。

當(dāng)主計算機(jī)出現(xiàn)故障，熱備份切換同時，蜂鳴器會報警，直到系統(tǒng)正常后聲音才停止，給值班人員提供一個實時聲音和圖像同步指示。

圖3 主控系統(tǒng)子程序間關(guān)系

1.2.2 主控系統(tǒng)的運(yùn)行方式

主控系統(tǒng)構(gòu)成中雖然有兩臺工業(yè)計算機(jī)（SCADA1 和SCADA2），并且他們是互為熱備份的，但整個系統(tǒng)在任何時刻只有一臺計算機(jī)控制整個系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對整個主控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，實際上互為熱備份，只是保證了兩臺可作為主控計算機(jī)的數(shù)據(jù)是時刻同步并且完整的，只有兩臺計算機(jī)在PLC 的監(jiān)測下，使其中的一臺獲得了控制權(quán)之后，這臺計算機(jī)才是整個系統(tǒng)的主控制機(jī)器，而獲得控制權(quán)的主控計算機(jī)對發(fā)射機(jī)遠(yuǎn)程控制工作實際是由該臺計算機(jī)上運(yùn)行的若干個程序組成。各個程序間的聯(lián)系如圖3 所示。

從圖中可以看出當(dāng)一臺計算機(jī)獲得控制權(quán)后，首先會運(yùn)行WDogHot.exe，即看門狗程序，它功能是監(jiān)控系統(tǒng)所有動態(tài)程序，實時地傳送給PLC 設(shè)備控制，在它的引導(dǎo)下會相應(yīng)的啟動Bcs.exe、AutoMaster.exe 和Evelistgen.exe 三個程序。

Bcs.exe 是廣播控制系統(tǒng)的主控程序，提供給用戶一個圖形化的控制界面。

AutoMaster.exe 是針對處理遠(yuǎn)端發(fā)射機(jī)房數(shù)據(jù)而獨(dú)立運(yùn)行的進(jìn)程，每個機(jī)房都對應(yīng)一個相應(yīng)的AutoMaster.exe。

Evelistgen.exe 是為了記錄發(fā)射機(jī)各種狀態(tài)信息而設(shè)計的進(jìn)程。

這三個程序所采集到的數(shù)據(jù)和將要發(fā)出的指令最終都將會匯總到主控計算機(jī)通訊軟件DBCENTE（SCADA 程序在控制系統(tǒng)中指DBCenter 程序）中同步數(shù)據(jù)。DBCENTE 這一程序在系統(tǒng)后臺運(yùn)行。程序的功能是管理所有設(shè)備通訊，程序名是dbcentre.exe。DBCenter 的配置文件含有所有設(shè)備的信息。通過對DBCenter 的配置，DBCenter.exe 程序通過調(diào)用Windows XP 底層驅(qū)動與遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行通訊，實時處理整個系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，從而完成主控計算機(jī)對整個系統(tǒng)的控制流程。

2 Thales 控制體系的應(yīng)用

StationMaster plusⅡ控制系統(tǒng)是在Thales 公司多年從事控制系統(tǒng)研發(fā)的基礎(chǔ)上，推出的一個比較新的控制系統(tǒng)，在實際運(yùn)行過程中具有如下特點：

1）發(fā)射機(jī)本地控制系統(tǒng)從ECAM 升級到ECOS2，而且在硬件上也進(jìn)行了很大的升級，發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)和天線控制系統(tǒng)都是目前世界上最先進(jìn)的系統(tǒng)之一。

2）遠(yuǎn)程控制協(xié)議采用TCP/IP，可以使用網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控發(fā)射機(jī)和各系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

3）通訊的穩(wěn)定性和可靠性是保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。整個控制系統(tǒng)采用光纜、工業(yè)級計算機(jī)等設(shè)備，能夠大大降低短波發(fā)射帶來的強(qiáng)電磁干擾。

4）控制系統(tǒng)的設(shè)計理念是從工業(yè)控制的角度出發(fā)，采用先進(jìn)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)備，達(dá)到系統(tǒng)簡化和可靠性提高的雙重效果。全臺的技術(shù)設(shè)備都可以通過中央控制室的兩部主控計算機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)控，而且對發(fā)射臺多個控制子系統(tǒng)，例如電力監(jiān)視，150kW 發(fā)射機(jī)控制和天線控制等自動化子系統(tǒng)也可以通過SNMP 協(xié)議，全部納入到主控制系統(tǒng)中來，具有較高的整合度。

5）程序設(shè)計中采用模塊化設(shè)計，多進(jìn)程多任務(wù)處理模式，提高了系統(tǒng)工作效率。

6）本系統(tǒng)還增加了對DRM 發(fā)射機(jī)節(jié)目源進(jìn)行處理和傳輸?shù)脑O(shè)備，為今后實現(xiàn)數(shù)字廣播打下了很好的基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

經(jīng)過對Thales 500kW 主控系統(tǒng)控制體系的分析，我們可以看出該系統(tǒng)在控制體系上設(shè)計合理，各層次劃分明確，各功能模塊在整個系統(tǒng)中既能實現(xiàn)自身單一功能又可與其它功能模塊協(xié)調(diào)處理公共數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性。整個系統(tǒng)在我臺實際應(yīng)用過程中，所有控制的發(fā)射機(jī)及相關(guān)技術(shù)設(shè)備各項功能正常，設(shè)備運(yùn)行良好，進(jìn)一步提高了安全傳輸發(fā)射工作可靠性、安全性。