基于I/O交互技术的天气雷达电源远程控制系统设计与实现

祝海扬，向亚飞，徐泽东，代永光，李彦平

(青海省大气探测技术保障中心，西宁 810001)

0 引言

天气雷达在暴雨、台风、冰雹、龙卷风等强对流灾害性天气监测和预警中发挥了重要作用。截至2020年初，纳入中国气象局考核的新一代天气雷达216部。随着新一代天气雷达组网运行的重要性不断提高，对雷达运行稳定性与雷达故障维修保障能力提出了更高要求。

根据雷达系统安装、净空环境及探空环境等要求，雷达机房越来越多地建设在远离办公区的地点，这对供电的持续性和供电质量提出了更高的要求。据统计，SA型新一代天气雷达部分停机故障是由一些小故障引起的，主要表现在RDA计算机与伺服系统通信连接失败、RDA计算机与DAU(数据采集单元)系统的通信接口连接失败以及天线动态错误故障等。这些故障通常可以通过手动重启RDA计算机或RDASC新一代天气雷达运行软件，重新通电复位DCU、DAU等分机系统，或者是重新通电复位发射机主控板等使雷达系统恢复正常运行。因此，设计一种稳定可靠、方便快捷的天气雷达远程控制系统是非常有必要的。一方面，值班人员可以根据业务要求开启或者关闭雷达系统，从而减轻雷达的运行压力，减缓元器件的老化速度，减少经费投入；另一方面在雷达系统发生故障需重启时可远程进行操作。

国内在天气雷达技术保障方面已经积累了大量的研究成果[1-3]，国外也做了很多相关的研究工作[4-6]。张初江[7]等设计了针对SA型、SB型天气雷达的远程控制方案，虽然可远程控制雷达电源、高压、伺服工控机等设备，但灵活性和可靠性不高，不便于移植。荀家宝[8]等详细介绍了雷达供电的远程控制与软件设计，但是仍然采用了继电器作为中间输出，无形中增加了雷达开关机的响应时间与故障节点。鉴于此，文章设计了一种基于I/O交互控制技术的天气雷达电源远程控制系统，以实现对无人值守天气雷达电源的远程控制，提高雷达技术保障人员维护故障处理的效率。

1 系统需求分析

天气雷达电源远程控制系统主要实现对雷达总电源、发射机分系统电源、伺服分系统电源、接收分系统电源和RDA分系统电源的远程控制功能。系统具体功能要求如下：

1)信息采集。远程控制系统能实时采集雷达各系统电源状态与机房温湿度信息；

2)远程控制。远程控制系统能准确控制雷达各系统电源开/关状态；

3)信息反馈。硬件控制器能将雷达各系统电源状态反馈至终端设备，终端设备控制雷达电源后，硬件控制器能反馈雷达各系统电源状态是否控制成功；

4)旁路设计。当电源远程控制系统出现故障无法正常工作时，可以通过应急电路控制雷达各系统电源开/关状态；

5)天气雷达电源远程控制系统电路必须具有非常高的信号隔离度与抗干扰能力，以免影响雷达的正常运行；

6)控制软件能广泛适用于Windows 7及以上系统。

2 系统总体设计

系统主要包含两个部分：硬件分系统与软件分系统。硬件分系统与软件分系统之间通过局域网建立通信。硬件部分由I/O交互控制器、交流接触器、温湿度传感器、旁路开关等组成。硬件设备实时采集雷达各系统电源状态与机房温湿度信息，根据上位机软件命令控制雷达各分系统电源，并向上位机软件反馈控制结果信息。软件部分实现雷达系统电源控制、状态监控、系统运行日志管理等功能。上位机软件向I/O交互控制器发送控制命令，实时监控雷达电源状态与温湿度信息，对于超过阈值的温湿度进行报警，同时可以通过日志管理对雷达运行状态进行统计与查询。

2.1 硬件系统设计与实现

天气雷达电源远程控制系统硬件部分采用I/O交互控制器作为整个电源控制系统的核心，通过其输出端开关量变化控制交流接触器的通断，从而达到电源远程控制的目的；Socket通讯接口外接温湿度传感器，可以精确测量雷达机房温湿度数据。

硬件系统电路主要包含2部分：第1部分是上位机控制雷达各系统的电源状态；第2部分是雷达各系统电源状态反馈给上位机。雷达电源状态控制电路主要完成值班人员对雷达电源状态的控制功能。雷达电源状态反馈电路由I/O交互控制器采集雷达电源状态，并将其发送至终端设备，帮助值班人员了解雷达当前的电源状态以及控制命令是否正常。

2.1.1 控制电路设计

控制电路主要通过I/O交互控制器与交流接触器实现。I/O交互控制器的输出端连接交流接触器的控制线圈，交流接触器主触点与雷达各分系统电源输入端相连接。

控制电源以雷达系统总电源、发射分系统电源和接收分系统电源控制为例，I/O交互控制器的输出端output1、output4和output7分别与3个交流接触器连接，控制器各输出口一端接火线，一端接交流接触器(B1节点)；1号交流接触器输入端接交流380 V供电电源，输出端接总电源开关，其他各分系统输入电源均从总电源开关后引入，以达到总电源与各分系统电源相关联的目的；另外，各个交流接触器控制线圈的另一端接零线(B2节点)。在控制电路设计时，保证总电源及各分系统电源开关一直处于吸合状态，通过控制器控制交流接触器的吸合与断开达到电源通断控制的目的。

控制电路工作原理：I/O交互控制器在收到上位机软件的开关命令后，控制输入输出模块的输出端开关闭合，使交流接触器线圈通电，交流接触器的静铁芯产生电磁吸力，将交流接触器内的动铁芯吸附，从而接通对应的电源；反之，输出端口开关断开，交流接触器的线圈断电，交流接触器的静铁芯电磁吸力消失，交流接触器的动铁芯在弹簧作用力下与静铁芯分离，主触头断开，切断电源。

2.1.2 反馈电路设计

反馈电路设计的目的是获取雷达系统总电源和各分系统电源实时的通断状态，并且在各个开关有相应控制操作时能及时获取操作成功与否的反馈信息。设计原则：通过I/O交互控制器将交流接触器的动作信息反馈给上位机软件，交流接触器有两个常开辅助触点，交流接触器的任一辅助触点并接在I/O交互控制器输入端的COM口，另一辅助触点连接I/O交互控制器的输入端Input1-Input8口。

反馈电路工作原理：交流接触器的辅助触点在交流接触器未吸合时处于常开状态，吸合后处于闭合状态。I/O交互控制器为COM端提供1个开关量检测信号，当此检测信号与开关量输入端(Input1-8)中的任意一个接通时，对应的开关量输入端为接通状态，从而发生字节位的变化。在字节位发生变化后，交流接触器将此开关量上传至I/O交互控制器，后者生成报文数据保存在数据存储模块内，通过通讯模块反馈报文信息，从而读取到各设备的电源通断状态。

2.2 软件系统开发与实现

软件系统为雷达设备提供远程服务功能，通过I/O交互控制器控制雷达总电源、发射机分系统、伺服分系统、接收分系统、RDA分系统等多路信号，并实时监控温湿度信息。

系统流程如下：首先初始化各个页面信息、数据库信息等，登录系统后，配置IP地址连接I/O交互控制器；连接成功后会读取当前雷达电源状态，用户可以根据实际使用情况远程控制雷达系统。

2.2.1 系统功能模块设计

电源远程控制系统有3个主要的功能模块：

1)系统菜单模块。系统菜单模块有3个子模块，分别是主页面子模块、监控页面子模块、运行日志子模块。

2)通信配置模块。其下的网络参数子模块可以配置IP地址与网络端口。

3)控制命令模块。控制命令模块有打开电源与一键控制两个子模块，为用户提供了手动与自动两种操作模式。

2.2.2 监控界面设计

监控主界面包括4个部分：功能模块区、雷达控制区、温湿度监控区和状态信息反馈区。功能模块区为用户提供功能使用快捷转换窗口；雷达控制区为监控界面核心区域，为用户提供控制雷达的操作界面，包括雷达总电源和各分系统电源控制，当电源接通后界面下方按钮由红色变为蓝色，且相应拨码开关闭合；温湿度监控区实时监测温度、湿度数据，同时当温度或湿度超过设定阈值时报警，报警信息为背景变红闪烁，且在面板上显示“报警”二字；状态信息反馈区包括两部分内容：一是通信连接状态显示，二是软件操作状态提示(包括操作提示信息和反馈状态提示信息)。

3 结束语

基于I/O交互控制技术设计的天气雷达远程控制系统实现了雷达总电源、接收机、发射机、伺服系统、RDA监控设备等系统供电的远程状态监测、远程一键开关机自动控制与现场手动控制。控制系统在海南新一代雷达站试运行期间稳定可靠、控制精确、系统控制响应时间短；在短时快速连续改变雷达电源状态的情况下，系统能准确控制雷达电源状态；在软件长时间离线再次登录或者在线情况下能正常控制雷达开关机。软硬件功能均能满足用户对雷达远程控制的需求。控制系统的远程控制功能缩短了普通故障维修时间，提高了雷达维护维修的时效性，减轻了雷达运行压力，有效地提升了雷达运行效率；且控制系统采用模块化设计，便于在其他雷达站进行推广使用。