基于PLC天线控制系统的设计与应用

杨忠钰 胡志华

13507577886

国家新闻出版广电总局七六一台

【摘要】本文论述了基于OMRON PLC的天线控制系统的设计。文中介绍了PLC的工作原理，阐述了上位机与OMRON PLC进行通信的方法，论述了天线系统的组成和设计，实现了发射机与天线的互联互通，提高了发射机房的自动化水平。【关键词】可编程控制器PLC 工控机IPC RS-232C CXP软件1 引言我台丙机房原来两部发射机互代和使用假负载时需人工倒换操作，即不安全，操控又不准确，给安全播出带来很大的安全隐患，因而设计一款安全、稳定、可靠的自动天线通路倒换控制系统十分的必要。可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是基于计算机且适用于工业现场工作的电控制器。它源于继电控制装置，它主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。PLC可靠性高，抗干扰强，实时性好，适用于高温、振动、温差大、高粉尘工作环境。所以PLC适用于电台强电磁环境下作为天线控制系统使用。2 PLC工作原理简介2.1 PLC简介PLC组成：①CPU运算和控制中心。从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。它由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接；② 存储器。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序；③ 输入/输出接口。通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号，通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作；④编程器。通过相应的软件向PLC内部输入程序。2.2 PLC的基本工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。①PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段；②PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变；③输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。输入刷新--运行用户程序--输出刷新--再输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新永不停止地循环反复地进行着。流程图如图1所示。可编程控制器用这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。此外，用于控制还有中断方式。在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。

图1 PLC工作流程图

3 天线控制系统的需求分析根据天馈线的实际运行要求，天线控制系统应具备了以下功能：①具备手动和自动控制功能，手动运行时根据人为指定路线路倒换射频交换开关，自动运行时系统能自动按运行图进行射频交换开关的切换；②监视器实时显示射频交换开关运行状态；③人机界面友好，具备运行图、用户权限、时间校正、临时播音管理功能；④出现以下情况时PLC、射频交换开关、发射机联锁保护：a、发射机加上高压后射频所经开关不能倒换；b、天线不到位时发射机无法加高压；c、天线与发射机一对一使用。⑤发射机无天线、射频交换开关倒换故障、系统控制电源故障、倒换射频交换开关时发射机高压未落、通路与临时播音所用开关冲突、手动操作时开关上有高压等非正常状态时系统报警。4 天线控制的硬件系统设计4.1 天线控制系统的硬件组成如图2所示，天线控制系统包括：IPC、显示器、打印机、OMRON PLC、开关控制单元、动力控制单元、手动控制电路、高压证实电路、高压联锁电路、天线开关（K1、K2、K3）和报警电路组成。OMRON PLC作为下位机完成现场包括高压证实、动力确认信号、开关到位确认信号开关量采集运算，上位机IPC则提供良好的人机交互界面实现数据的存储打印，以及现场数据的实时显示等监视功。OMRON PLC与IPC通过RS-232C通信提供了动态数据画面，通过上位机对OMRON PLC数据的读写监控，实现现场数据的采集、传送，按运行图控制“动力控制单元”驱动马达，使天线开关到达目的位置，实现天线开关调度的自动化。

图2 天线控制系统框图

4.2 开关控制单元图3是“开关控制单元”其中一路控制电原理图。主要功能是手动以及来自PLC的自动倒换信号，去控制“动力控制单元”，驱动马达使天线开关到达设定位置。天线开关位置有两个状态(A&B)，现以初始态位于A手动操作倒换到B为例进行分析。手动操作时，加手动启动信号使“动力控制单元”启动，“手动控制电路”的继电器送来KJ2吸合信号，旋转SK3C置于B位，此时+24DC电源经SK3C、KD3B、KJ2使KM3B得电，信号经“动力控制单元”驱动马达M3，使K3转动，当到达B位时，KD3B的9?1继开，9接入5，同时KD3A的9?5继开，9接入1，M3失电停转，天线开关到达指定位置B。KD3B的5信号通过PLC经由RS-232C回馈IPC，在显示器上进行位置显示。从B位倒到A位时类推，自动状态时控制信号由PLC控制KA3和KB3进行的。

图3 开关控制单元

5 天线控制系统的软件设计天线自动交换控制系统上位机采用Visual Basic编写的人机界面，主要监测发射机的运行状态和天线的播音情况、开关状态、系统是否运行正常以及发射机运行图的下载，使PLC按照运行图自动完成发射机的天线交换等；下位机采用OMRON公司的PLC作为执行系统，用CXP软件对执行系统进行控制；并利用RS-232C实现上下位机之间的串行通讯，其传输距离远，可靠性高。本系统具有良好的交互性和实用性，操作简单方便，易于管理。5.1 上位机IPC与OMRON PLC的串行通信OMRON可编程控制器是一款高速一体化紧凑型PLC，它与上位机之间可进行RS-232C通讯，硬件连接如图4所示。

图4 OMRON PLC与IPC的连接示意图

上位机链接通信使用OMRON host link协议，在一次交换中传输的命今或应答的数据被称为一帧，一帧最多含131个数据字符。上位机有传送优先权，发出命今并启动通信，host link单元收到命今交由OMRON PLC执行，然后将执行结果返回上位机，二者以通信帧为单位轮流交换数据。每个数据块都以设备号及标题开始，以校验码（FCS）及结构符号结束。响应块中还包括反应执行结果的响应码，数据传送程序流程图如图5所示。

图5 RS-232C数据传送程序流程图

上位机到PLC链接的基本命令格式如表一所示，其中：起始符为@；节点号为指定与上位机通信的PLC；命令码为两个字节；正文设置命令参数；校验码为设置两个字符的帧检查顺序码，用于校码。它是从“@”开始到正文结束的所有字符的ASII码按位异或运算的结果；终止符是设置“*”和“ENTER”个字符表明命令结束。

当PLC收到上位机的命令后，会以表二格式应答，其中：起始符为@；节点号为指定与上位机通信的PLC；命令码和上位机所发命令相同；结束码表示命令结束；正文公在有读数据时生成；校验码用于校验，由PLC给出，同时上位机的FCS计算方法相同，可用来判断PLC传来的应答是否可靠；终止符是设置“*”和“ENTER”两个字符表明命令结束。

表一 上位机到PLC链接的基本命令格式

起始符

节点号

命令码

正文

校验码

终止符

表二 PLC到上位机链接的基本命令格式

起始符

节点号

命令码

结束码

正文

校验码

终止符

5.2 天线控制系统的控制界面

主窗口使用VB编写，界面如图6所示。运行天线自动交换控制系统后首先进入主窗口界面。①菜单栏包括“登录”、“操作日志”、“退出”等菜单项。每个菜单项又有一个下拉菜单；②PLC时间位于界面左侧；③发射机图标及发射机号位于界面的下端。发射机背景色会根据发射机的不同状态而改变颜色。蓝色时表示该发射机上有天线但无高压；为红色时表示该发射机有高压且正在播音；④开关状态位于界面中间。鼠标停留在开关号上时将提示开关处于直通或转向状态。如果有手形图标出现鼠标停留其上提示开关处于手动状态，否则开关处于自动状态。如果有红色警告图标出现，鼠标停留其上提示开关发生故障。当开关处于在使用状态时，有线条经过，蓝色线条表示开关处于通路状态，红色线条表示使用该开关的发射机正在播音；⑤天线位于界面的上端。共有三种状态：黑色表示天线未被使用，蓝色表示天线和发射机已连接，红色表示在播音；⑥信息栏位于界面最下端。在系统有故障或天线不能正确交换时，将有信息栏出现，并显示出错信息。

图6 主窗口界面

5.3 天线控制系统的界面菜单5.3.1 登录启动本系统后，若没有注册，则只能监测系统的运行状态，而不能进行操作。单击“注册”命令，弹出“注册”对话框，如图7所示。注册后菜单栏增加了“运行图”、“校时”、“临时播音”、“管理”、“操作日志”、五个菜单项。也可以进行注消操作。

图7 登录界面

5.3.2 运行图进入“运行图”界面，如图8所示。添加运行图时，单击“添加”按钮，出现“运行图添加”界面，根据需要选择发射机、天线以及时间，包括星期选择。还可以对已有的运行图进行修改，下载或删除操作。

图8 运行图界面 图9 临时播音界面

5.3.3 校时由于下位机是按PLC时间执行操作的，而用户一般以系统时间为标准调整运行图，当运行界面上的PLC时间与实际时间不同时需要校时，否则开关动作会与希望倒换天线的时间不同，有可能导致误操作。进入“校时”窗口，单击“修改”按钮时间停止，点击各个时间的数值框来设置时间。一般情况下，由于程序执行和上下位机传送数据需要时间，因此调整时间时比要求的时要提前一秒，按“确定”按钮，调整后的时间才不会有偏差。校正时间的操作严禁在运行图动作过程中进行。5.3.4 临时播音如果有发射机发生故障或其它原因，可以不按照运行图运行，直接选择固定的发射机和天线，临时播音界面如图9所示。打开“临时播音”窗口，选择发射机和天线，按“确定”后，（如果需要选择代播机器号将会有相应的提示，同时代播机器号选项有效，进行选择然后按“确定”），即把临时播音的信息传送给下位机。如果临时播音取消要把临时播音记录删除，否则程序将一直按照临时播音运行而不理会实际的运行图。临时播音的操作严禁在运行图动作过程中进行。5.3.5 操作日志操作日志界面如图10所示，“察看日志”是把用户的登录信息、操作时间、操作内容以及操作过程中出错信息进行记录，以备用户检查。

图10 操作日志界面

5.3.6 管理用户管理界面如图11所示，只有超级用户才有权力进行用户管理，可以添加、删除用户，也可以直接察看用户的密码。用户更密的界面如图12所示。

图11 用户管理界面 图12 用户更密界面

6 小结本系统手动和自动操作都很简单方便，投入运行以来运行稳定，开关倒换准确无误，又可以防止线路有高压时的误操作，提高了安全播出的可靠性，有一定的推广运用价值。

参考文献

[1]黄永红《电气控制与PLC应用技术》机械工业出版社2011-9-1[2]台湾欧姆龙股份有限公司FA PLAZA 编著小组《OMRON PLC网络通信与NS人机界面》科学出版社2011-01-01[3]台湾欧姆龙股份有限公司FA PLAZA编著小组《OMRON PLC开发入门与应用实务》科学出版社2011-01-01[4]卢巧《欧姆龙PLC编程指令与梯形图快速入门》电子工业出版社2013-07-01[5]公利滨《欧姆龙PLC培训教程》中国电力出版社2012-08-01[6]郑凤翼《欧姆龙PLC应用100例》电子工业出版社2012-09-01 编辑：中国新闻技术工作者联合会