廣播電視發(fā)射臺集成監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計

韓榮華

（山西廣播電視無線管理中心，山西 太原 030001）

1 引言

由中國傳媒大學(xué)廣播電視數(shù)字化工程中心與山西廣播電視無線管理中心共同研發(fā)的廣播電視發(fā)射臺集成監(jiān)控管理系統(tǒng)（Transmitter-station Integrated Monitor and Management System，TIMMS），是針對現(xiàn)行發(fā)射臺發(fā)射機固態(tài)化后對多部發(fā)射機實現(xiàn)集成監(jiān)管的需求，將實時監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控、網(wǎng)管等技術(shù)相結(jié)合，并針對以往各種發(fā)射機自動監(jiān)控系統(tǒng)存在的缺點和不足，在優(yōu)化系統(tǒng)功能、增強可靠性等方面進(jìn)行了科研攻關(guān)，經(jīng)過在山西省4個直屬調(diào)頻電視發(fā)射臺進(jìn)行反復(fù)試驗、不斷改進(jìn)和完善的基礎(chǔ)上完成的[1]。實踐證明，該系統(tǒng)性能先進(jìn)，功能完善，抗干擾能力強，運行穩(wěn)定可靠。

2 TIMMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

TIMMS的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)可分為3層，即實時控制層、監(jiān)控管理層和遠(yuǎn)程監(jiān)管層。

2.1 實時控制層

實時控制層負(fù)責(zé)對發(fā)射機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實時控制。這一層由實時控制單元PLC[2]、發(fā)射機信號采集板以及RS-485通信單元組成。發(fā)射機數(shù)據(jù)采集與控制板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1）PLC控制單元

實時控制層的核心為PLC（可編程邏輯控制器）。PLC是以微處理器為核心，集計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)及通信技術(shù)于一體的工業(yè)控制裝置，又稱工業(yè)控制計算機。其主要特點有：（1）可靠性高，抗干擾能力強，適應(yīng)高溫、振動沖擊、強電子干擾等惡劣的工業(yè)環(huán)境；（2）豐富的I/O接口模塊，易于和現(xiàn)場設(shè)備連接；（3）采用類似繼電器控制線路的梯形圖編程，編程簡單靈活，便于現(xiàn)場修改；（4）指令豐富，運算能力強；（5）CPU具有自診斷功能，不會有病毒和死機現(xiàn)象；（6）具有停電記憶與來電自動重啟功能。

2）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集分模擬量和開關(guān)量。模擬量最多可采集128個，包括輸出功率、反射功率、調(diào)制度、駐波比、各級電壓、電流等。開關(guān)量包括門連鎖、通信狀態(tài)、運行狀態(tài)等。

下面以本省10 kW全固態(tài)電視發(fā)射機（北廣電子集團生產(chǎn)）為例，共計采集125個模擬量，包括有整機發(fā)射功率、反射功率、駐波比，功放柜A和B的發(fā)射功率、反射功率、駐波比，交流380 V三相電壓和激勵器功率。每個功放模塊取5個電流、2個溫度值，16個功放模塊共采集80個電流值、32個溫度值。取樣值通過發(fā)射機的外部接口板提取，該接口電路板上的二極管、暫態(tài)吸收穩(wěn)壓管和光電隔離器能隔離和吸收外部電纜瞬態(tài)電壓或干擾信號，以確保采樣值準(zhǔn)確可靠。

開關(guān)量包括門開關(guān)、天線位置、激勵器A/B狀態(tài)、中放A/B狀態(tài)、調(diào)制推動A/B狀態(tài)等。從信號采集點將開關(guān)量接入信號采集板，再通過光電隔離后送進(jìn)PLC的開關(guān)量輸入模塊進(jìn)行檢測。

PLC微處理器采用循環(huán)掃描方式，在一個掃描周期內(nèi)，由16個160 ms寬度的選通脈沖相應(yīng)選通第1到第16個模塊的順序，采集每個功放模塊的5個電流量、2個溫度量、整機輸出功率和反射功率、A柜輸出功率和反射功率、B柜輸出功率和反射功率、ABC三相電壓以及激勵器輸出功率。

3）實時控制功能

發(fā)射機的實時控制功能通過PLC及控制程序?qū)崿F(xiàn)。用于SIMATIC可編程控制器組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包STEP7 支持 3 種語言，即語句表（STL）、梯形圖（LAD）和功能塊圖（FBD）。本系統(tǒng)主要采用梯形圖編程語言，在計算機或筆記本電腦上編寫PLC控制程序，然后下載到PLC中。

PLC實時控制單元可實現(xiàn)功能為：（1）定時開關(guān)機。每天可設(shè)置3次開關(guān)機時間，每周7天可分別設(shè)置。（2）自動功率控制功能（APC）。開機時步進(jìn)增功率，關(guān)機時步進(jìn)降功率，播出過程中自動調(diào)整功率至滿功率或設(shè)定功率。（3）發(fā)射機各參數(shù)越限報警及保護(hù)功能。駐波比超過1.25時自動降功率，無音視頻或駐波比超過1.5時封鎖激勵等。（4）3次過荷自動保護(hù)。針對電流、駐波比等參數(shù)，在20 s內(nèi)連續(xù)發(fā)生3次過荷時強制關(guān)機保護(hù)。（5）發(fā)射機停電記憶與來電自動重啟功能。（6）主備機自動倒換功能。

4）實時控制層的抗干擾措施

盡管PLC本身具有很強的抗干擾能力，但考慮到發(fā)射機房各種干擾因素比較多，如電源波動、強電磁干擾、動力強電沖擊等，均可能影響控制系統(tǒng)的正常工作。為進(jìn)一步確保實時控制層的可靠性，針對發(fā)射機房干擾源類型，采取了相應(yīng)的電磁兼容抗干擾措施，即PLC內(nèi)部和外部電路分別接地，內(nèi)部CPU、存儲器等電路共接數(shù)字地，外部A/D、D/A等共接模擬地。PLC系統(tǒng)接地線和其他電器的機體接地線各自單獨接地，對于開關(guān)量的輸入，則先經(jīng)由延遲濾波器 （延遲時間從0.2 ms到12.8 ms可選，默認(rèn)值為6.4 ms）對噪聲脈沖進(jìn)行過濾，當(dāng)輸入狀態(tài)改變時，必須在延遲時間期限內(nèi)保持在新狀態(tài)，方為有效；對于模擬量的輸入，PLC有模擬輸入濾波器，可對不同的模擬輸入選擇軟件濾波器，其濾波值為模擬量輸入設(shè)定個數(shù)采樣值的平均值。

采用以上綜合抗干擾措施后，系統(tǒng)的抗干擾性能得到進(jìn)一步增強。

2.2 監(jiān)控管理層

監(jiān)控管理層由工控機、監(jiān)控管理軟件、數(shù)據(jù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫組成。

1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信

現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信采用RS-485總線，可連接32個下位機，加中繼器后最多可連接255個設(shè)備。

為確保串行通信安全可靠，數(shù)據(jù)幀采用具有起始、結(jié)束字段的完整數(shù)據(jù)包格式。由地址標(biāo)示符識別系統(tǒng)中的每個PLC，以避免通信沖突。數(shù)據(jù)幀號能確定發(fā)送數(shù)據(jù)的內(nèi)容，有利于數(shù)據(jù)通信的可靠性。并采用高效檢錯的CRC（循環(huán)冗余校驗碼）進(jìn)行差錯控制。

此外，針對上、下位機之間通信意外中斷的情況，采用了數(shù)據(jù)恢復(fù)機制。當(dāng)PLC檢測到通信意外中斷時，將采集到的數(shù)據(jù)暫存到自身的緩存區(qū)，同時記錄采集數(shù)據(jù)的時間，并等待上位機發(fā)出數(shù)據(jù)恢復(fù)命令；當(dāng)上位機檢測到通信意外中斷時，會一直檢測通信狀況，直到通信恢復(fù)正常后向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)恢復(fù)命令，下位機收到命令后按照通信中斷恢復(fù)幀的格式傳送緩存區(qū)的數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)庫

采用Microsoft SQL Server作為監(jiān)控管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫平臺。

數(shù)據(jù)庫包括設(shè)備實時數(shù)據(jù)、值班員信息以及相關(guān)的各種輔助信息。實時數(shù)據(jù)由軟件通過通信端口與設(shè)備控制器通信采集回來經(jīng)加工處理而得到，利用這些數(shù)據(jù)可實現(xiàn)各種監(jiān)控功能，如報警、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)查詢等。管理數(shù)據(jù)以值班員為核心建立值班員賬號，通過賬號實現(xiàn)對遠(yuǎn)程操作、值班日志、維修日志和值班考勤等各項功能和數(shù)據(jù)的管理。

3）監(jiān)控管理軟件

監(jiān)控管理軟件主要有兩大功能，一是實時監(jiān)控功能，包括開關(guān)機操作、功率調(diào)整、模式切換、主備機倒換等，并能正確判斷、處理發(fā)射機運行故障并及時報警[3]。另一個是管理功能，包括發(fā)射機屬性設(shè)置、播出時間表設(shè)置、發(fā)射機數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)組合條件查詢、格式報表打印和值班管理等。

監(jiān)控軟件提供全圖形化的分區(qū)導(dǎo)航按鈕操作界面，可直觀地顯示發(fā)射機所有參數(shù)和工作狀態(tài)，顯示方式包括數(shù)碼顯示、模擬指針表頭顯示、模擬溫度計和狀態(tài)燈顯示等多種方式。圖3為圖形化數(shù)據(jù)顯示界面截圖。

4）故障診斷專家系統(tǒng)

故障診斷專家系統(tǒng)由人機交互界面、知識庫、推理機、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取等6個部分構(gòu)成。在專家系統(tǒng)的知識庫中收集了本系統(tǒng)眾多專家和一線工程技術(shù)人員的專業(yè)知識和維護(hù)經(jīng)驗，通過知識獲取機制可以不斷地對專家系統(tǒng)知識庫進(jìn)行更新和新知識的補充。當(dāng)發(fā)射機出現(xiàn)故障時，故障診斷專家系統(tǒng)根據(jù)專家提供的知識和經(jīng)驗進(jìn)行推理和判斷，并將相應(yīng)的處理措施通過界面提供給用戶，同時監(jiān)控管理系統(tǒng)發(fā)出聲、光信號報警，以提醒值班員對故障進(jìn)行及時處理。對于值班員未能在規(guī)定時間范圍內(nèi)處理的報警信息，系統(tǒng)會自動通過手機短信將報警信息發(fā)送到預(yù)先設(shè)置好的手機號碼上。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)管層

2.3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)采用了B/S架構(gòu)[4]，即瀏覽器/服務(wù)器模式，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

Web瀏覽器在客戶端通過統(tǒng)一資源定位器（URL）指向的Web服務(wù)器提出服務(wù)申請；Web服務(wù)器對用戶進(jìn)行身份驗證后，通過HTTP把所需要的文件資料傳送給用戶，并顯示在用戶的Web瀏覽器上。

Web服務(wù)器負(fù)責(zé)向用戶提供實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、用戶登錄驗證等服務(wù)。該層的任務(wù)是接受用戶請求，通過SQL等方式向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提出數(shù)據(jù)處理申請，而后等數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將數(shù)據(jù)處理結(jié)果提交給Web服務(wù)器，再傳送回客戶端。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的任務(wù)是接受Web服務(wù)器對數(shù)據(jù)庫操縱的請求，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫查詢、修改、更新等功能，把運行結(jié)果提交給Web服務(wù)器。

Web服務(wù)器是一種交互式圖形界面的Internet服務(wù)，通過HTML語言把信息組織成為圖文并茂的超文本。而Web瀏覽器則是為用戶提供基于HTTP超文本傳輸協(xié)議的用戶界面，創(chuàng)建有多個Web窗體，如首頁、管理員登錄頁、報警信息頁、單個發(fā)射臺監(jiān)控頁面、單個模塊監(jiān)控頁面、運行數(shù)據(jù)查詢、模塊參數(shù)查詢、故障記錄查詢、運行統(tǒng)計查詢、考勤記錄查詢、值班日志查詢和權(quán)限管理等。

遠(yuǎn)程監(jiān)管層通過以太網(wǎng)與監(jiān)控管理層連接，通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)獲取發(fā)射臺現(xiàn)場數(shù)據(jù)[5]。由于在本省高山臺未通光纜，但參與試驗的這4個高山臺均開通了數(shù)字微波，因此可利用協(xié)議轉(zhuǎn)換器將局域網(wǎng)的以太信號與數(shù)字微波的E1信號相互轉(zhuǎn)換，通過數(shù)字微波構(gòu)建起通信網(wǎng)絡(luò)，采用無線傳輸方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)的回傳。這4個發(fā)射臺的發(fā)射機數(shù)據(jù)通過數(shù)字微波通道回傳到省局監(jiān)測中心的服務(wù)器，該服務(wù)器在互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)有固定IP地址，無線管理中心各相關(guān)業(yè)務(wù)部室可登陸該IP地址頁面，通過授權(quán)認(rèn)證后，實時監(jiān)看各臺站發(fā)射機運行的各項數(shù)據(jù)，了解遠(yuǎn)程發(fā)射機的運行狀態(tài)，從而指導(dǎo)對發(fā)射機進(jìn)行維護(hù)管理。

2.3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)主要功能

遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)的主要功能如下：1）顯示多個發(fā)射臺簡要概況及發(fā)射機重要參數(shù)；2）準(zhǔn)實時顯示發(fā)射機運行狀態(tài)及參數(shù)；3）條件查詢發(fā)射機歷史數(shù)據(jù)，生成格式報表；4）發(fā)射機故障報警及故障輔助診斷；5）修改發(fā)射機運行時間表及相關(guān)參數(shù)；6）查詢發(fā)射臺值班信息，生成格式報表；7）遠(yuǎn)程打印數(shù)據(jù)報表；8）其他管理功能?；诎踩钥紤]，在遠(yuǎn)程監(jiān)管層未開放發(fā)射機控制功能。

3 小結(jié)

TIMMS具有完備的實時控制功能和完整的發(fā)射機管理功能，實現(xiàn)了對發(fā)射機運行狀態(tài)、技術(shù)指標(biāo)、值班情況的現(xiàn)場監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理。由于其實時控制層采用了高可靠性和抗干擾能力強的PLC控制器，與采用單板機進(jìn)行實時控制的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)現(xiàn)場抗干擾和抗雷擊的性能大大提高，特別適用于高山臺強電磁干擾和多雷的惡劣環(huán)境。此外，由于采集的模擬量多達(dá)128個，能夠全面監(jiān)控發(fā)射機的運行狀態(tài)，并可準(zhǔn)確定位故障，借助專家智能分析系統(tǒng)還可實現(xiàn)故障診斷。該系統(tǒng)的應(yīng)用，使發(fā)射臺的技術(shù)維護(hù)管理工作得到全面升級，實現(xiàn)了由傳統(tǒng)的依賴于值班員的現(xiàn)場和單機監(jiān)管向自動化、網(wǎng)絡(luò)化、集中監(jiān)管和遠(yuǎn)程遙控的現(xiàn)代化管理模式的跨越，有力促進(jìn)廣播電視節(jié)目的安全優(yōu)質(zhì)播出。

[1]李建軍，周劍，王金華.山西省廣播電視發(fā)射臺集成監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].廣播與電視技術(shù)，2009（1）：55-56.

[2]柴瑞娟，陳海霞.西門子PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3]葉建紅，楊朝赟，周劍.廣播電視發(fā)射機故障診斷專家系統(tǒng)研究[J].廣播與電視技術(shù)，2008（8）：48-51.

[4]宋培義，劉麗華，梁鄭麗.計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國廣播電視出版社，2003.

[5]劉行兵，牟占生，孫斌.電視發(fā)射臺遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2008，32（11）：70-71.