基于PLC的卫星天线控制系统改造方案

□ 张杰超

基于PLC的卫星天线控制系统改造方案

□ 张杰超

广东广播电视台有多台卫星天线配备了天线控制系统，其中有接收站，也有上行站。原来的系统都是基于单片机结构，抗干扰能力弱，系统稳定性差，加上装机时间久远，系统故障不断，常常出现重启等现象，或者显示的方位、俯仰等参数大幅跳动不准确，给天线的操作带来很大的不方便。

PLC（Programmable Logic Controller）可编程逻辑控制器，是专门为工业控制设计，其硬件结构基本上与微型计算机相同。制造商在设计和制造过程中采取了多层次的抗干扰措施, 使系统能在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作。笔者认为，可使用PLC改造卫星天线控制系统，具有投入少、改造工作量少、系统容易实现等优势，改造后的系统在功能和可靠性等方面可以有不少提升。本文以广东广播电视台6.2米上行站天线控制系统为例，阐述使用PLC对天线控制系统进行改造的方案

一、原系统分析

（一）原系统结构

图一 原系统结构

如图一所示系统由ACU（天线控制单元），ADU（天线驱动单元）、跟踪接收机、天线角度传感器、交流电机及限位保护装置等组成。

ACU是整个系统的核心。它是基于MCS-51单片机的结构，面板的液晶显示屏和操控键盘组成人机界面。输入接口通过光耦合器隔离输入，输出接口使用继电器输出。ACU的输入有开关量与模拟量。开关量有6个，包括来自方位顺时针、方位逆时针、俯仰上抬、俯仰下俯、极化顺时针、极化逆时针等6个限位开关。模拟量有4个，它们分别来自方位、俯仰、极化等三个角度传感器，以及作为接收电平监测的跟踪接收机的AGC输出，经A/D转换后送入MCS-51单片机，以检测天线的实时指向和接收电平的高低。输出有6个开关量，输出通过ADU分别驱动方位、俯仰、极化三轴的电机，每轴正反两个方向的转动。

ADU单元主要由中间继电器和交流接触器组成。ADU接受ACU指令驱动天线的方位电机、俯仰电机、极化电机。并对天线方位、俯仰、极化三轴的正反共六个方向作硬件限位保护。

ACU根据天线的方位、俯仰、极化轴传感器的位置，显示天线实时的方位角、俯仰角和极化角，根据跟踪接收机的信号电平显示接收信号电平；根据面板操控键盘的状态，跟踪接收机的信号电平及天线状态产生到ADU的控制命令，以控制天线方位角、俯仰角和极化角。同时把ADU送来的状态（限位、系统故障等）显示出来。

ACU主要功能：（1）天线实时位置显示。（2）手动控制——通过ACU面板上转向键的控制，可使天线在顺时针、逆时针、上抬、下俯四个方向上转动。（3）位置指定——根据所指定的卫星代号（预先设定）使天线自动转向目标。也可在当前指向的基础上，根据输入的角度偏移量，使天线偏移一定的角度后自动停止。（4）步进跟踪——根据跟踪接收机提供信号电平的大小，使天线自动跟踪目标。（5）手动调整极化——根据菜单提示，通过面板的按钮，控制馈源顺时针或逆时针转动，达到极化校准的目的。（6）参数设置、参数显示——用户通过面板上的按键，按照菜单，可输入和修改各种工作参数，如天线角度零值标定、接收点经纬度设置、软件限位设定、接收卫星参数预置等等。参数显示模式中，以十六进制的方式显示已预设好的参数。

（二）系统存在的问题与缺陷

该系统于2000年安装至今装，已有十多年时间，在使用过程中发现系统容易受干扰,系统经常自动重启，显示的天线参数大幅度变化。目前由于设备已经老化，故障不断，主要是由ACU引起。现在只能甩开ACU，直接使用ADU上的开关控制电机调整天线。在使用过程中还发现ACU的菜单不够友好，菜单结构简单，不直观，操作不方便。例如，操作错误没有提示；不管在什么方式下，极化都要手动调整；查看参数是用十六进制的代码显示，非常不直观。

二、新系统构成

本方案主要是针对ACU（天线控制单元）进行改造，使用PLC（可编程序控制器）替代原系统ACU。ADU-（天线驱动单元）等其他部件不作改动。要求改造后系统满足原系统的所有功能，消除系统不稳定、可靠性低、操作不方便等不足，并改善菜单结构，使操作更直观方便。

（一）系统硬件组成

图二为新系统结构，系统采用上下位机结构，上位机采用PC机，下位机采用PLC。上位机PC 提供良好的

人机交互界面实现参数的输入、查看、计算、存储打印等，以及天线参数的实时显示等监视功能。下位机PLC完成天线的实时控制，天线实时参数采集、上传和控制保护。PLC 与PC 通过RS-232C 实现通讯。

图二 新系统结构

PLC选用三菱公司的FX2N系列，FX2N系列由基本单元和各种可选的扩展模块、特殊功能模块等通过积木式的搭接构成系统。根据上面对旧系统的分析，系统有6个输入开关量、4个输入模拟量、6个输出开关量。确定PLC控制系统的硬件配置如下：

采用FX2N-16MR基本单元，它是控制核心，用来执行程序，同时它还有输入输出I/O口，其中开关量输入8点、输出8点，输入X0-X5作为限位输入，输出Y0-Y5为电机驱动输出（具体接法如图示）。输入输出各多出两点，可作备用，MR代表继电器输出。

FX2N-4AD是模拟量输入模块,可以输入4路模拟信号，分别接入方位、俯仰、极化三个角度传感器的输出信号，经FX2N-4AD模数转换后送FX2N-16MR进行角度编码。另一路接跟踪接收机AGC输出（经缓冲放大器），作接收电平监测用。

FX2N-232-BD是通讯模块，适合RS-232C通讯用，作PC与PLC通讯用。

PLC控制功能：（1）通过上位机对PLC 数据的读写监控，实现对天线数据的采集、上传，为上位机提供动态画面数据。（2）按上位机指令要求的工作方式和天线目标位置参数控制ADU天线驱动单元驱动电机，使天线到达目的位置，实现天线的寻星和自动跟踪功能。（3）实现天线的软件限位保护功能。

（二）PLC软件设计

PLC程序，由主程序和三个子程序组成，三个子程序分别负责天线的方位、俯仰、极化角的调整，主程序负责与上位机PC的通讯数据交换、数据采集、调整方式设置等。具体程序采用SFC（顺序功能图）进行编写。程序限于文章的篇幅不作详细介绍。

（三）上位机软件设计

上位机PC采用Visual Basic 编写人机界面。主要功能有：

（1）状态显示

显示系统的寻星模式或自动跟踪状态；显示目标卫星名称、定点经度、方位、俯仰、极化角的计算角度；显示天线方位、俯仰、极化角的实时角度，并模拟天线的转动方位和俯仰；显示实时的接收电平。

（2）故障报警

显示天线方位、俯仰、极化三轴位置软件限位与硬件限位，并且有告警声音提示，提醒操作人员及时处理；显示系统故障，例如：与下位机通讯故障、下位机PLC故障，跟故障有关的设备出现告警的红色，而且显示一个“系统工作不正常！”的信息框，提示出错信息。

（3）用户功能

首先，用户注册。如果用户想进入操作界面，需要先进行注册，并按不同的权限进入不同的操作界面。其次，用户管理。可以修改密码和对用户权限进行设置。包括操作界面1：有手动寻星（通过窗体上的按钮控制天线转动）；自动寻星；偏移寻星；自动跟踪等天线操作模式选择。操作界面2：可进行星位预置，把一批可能要接收的卫星的代号、名称、定位经度先行输入，系统自行计算出方位角、俯仰角、极化角等参数并显示，同时存储备用。

（4）数据资料管理

上位机系统有天线控制所有的资料，以及天线转换接收目标记录、检修周期表、检修资料、故障应急预案等。登录后可随时查看。

（5）工程菜单

设置天线的基本参数：天线的方位、俯仰、极化三轴零位值标定；三轴软件限位设定；接收点经纬度：三轴角度传感器角度标定等等。

（四）上位机PC与下位机PLC的串行通讯

PC与PLC两者之间连接使用的是FX-232CAB-1电缆线，PLC一端接入通讯模块FX2N-232-BD，PC一端接入RS232C端口。两者间采用无协议通讯（RS指令），事前需对通讯格式进行设定，三菱FX PLC的通讯格式在特殊寄存器D8120中设定，其中包含有波特率、数据长度、奇偶校验、停止位和协议格式等。在这里对D8120设置成H48F即数据长度为8位，偶校验，2位停止位，波特率为9600bps，无标题符和终结符，没有添加和校验码，采用无协议（参见《FX通讯用户手册》）。无协议通讯就是通过执行RS指令，配以M8122发请求标志；M8123数据接收完成标志：M8129通讯超时标志等软元件来建立通讯。

上位机的通讯程序，使用Visual Basic支持的通信控件MSCOMM.OCX实现。由于篇幅所限程序部分在此不作展开。

小结

使用PLC改造天线控制系统，可以做到省时、省钱、省力，成功率高。本系统只需要一个基本单元加一个模拟输入模块和一个通讯模块，一共三个组件外加一台个人电脑，组装简单方便工作量少，省去单片机系统开发的繁琐和易受干扰的不确定性。PLC程序用梯形图、SFC（顺序功能图）编写，PC程序用Visual Basic语言编写，都是简单易学的语言，不需要专业的计算机知识。程序可以针对具体系统编写，还可以在现场作进一步调整、修改、完善，以达到最佳效果。本设计还引入了上位机——PC，利用PC机的强大功能，使界面显示更加清晰直观，操作更加简单方便。利用PC机还可以建立一些记录文档、表格，例如操作日志、维修记录、故障记录等方便日后查找。本设计没有针对ADU——天线驱动单元进行改造，下一步可以使用变频调速器代替ADU驱动天线电机，变频调速器由PLC控制，从而控制电机的速度，使天线的转动速度可变，在离目标远的时候速度快，接近目标时慢下来，这样天线对星更加快捷、准确。

1.黄永红.电气控制与PLC 应用技术.北京：机械工业出版社.2011

2.刘洪涛，黄海.PLC 应用开发从基础到实践.北京：电子工业出版社.2007：12-65

3.三菱机电《FX2N用户手册》

4. 三菱机电《FX通讯用户手册》

5.杨克玉.VB6.0程序设计实训教程.北京：机械工业出版社 .2013

（作者单位：广东广播电视台）