主控系统设计（精选7篇）
主控系统设计 篇1
摘要：本文以南海某气田开发工程为背景, 介绍水下生产控制系统的主控站系统软件, 主要是为水下控制系统提供动力、控制逻辑和数据通讯, 并包含用于液压动力单元、供电单元等监控所需的应用软件。该应用软件提供了灵活的人机接口, 是保证水下生产系统协调运行的中枢, 因此主控站系统软件的设计是保证系统稳定运行的关键。该项目主控站软件设计具有典型性, 为今后同类工程提供一定实践参考。
关键词：水下生产控制系统,主控站,模块化,人机界面
0 引言
南海某水下开发工程项目由气田A区 (包含4棵水下采油树) 和气田B区 (包含7棵水下采油树) 两块组成, 分别通过水下脐带缆和海底管线回接到附近中心平台。控制系统可以满足生产人员操作和监控这两个气田。水下生产控制系统采用电液复合控制系统, 气田A和气田B共用一套上部控制设备, 但操作完全独立, 不相互影响, 上部控制设备设置于中心平台。控制信号、电源、液压液以及化学药剂均通过脐带缆从中心平台传输至水下, 经水下脐带缆终端 (SUTU) 分配到各个水下采油树, 采用电力线载波通信方式实现上部控制系统与水下控制模块间的通信。
1 控制系统组成及设计
1.1 控制系统组成
控制系统主要包括水上和水下两个部分, 水上部分有:主控制站 (MCS) 、电力单元 (EPU) 、液压动力单元 (HPU) 、脐带缆上部终端 (TUTA) 等;水下部分有:水下脐带缆终端 (SUTU) 、水下脐带缆终端接头 (UTH) 以及安装在水下采油树上的水下控制模块 (SCM) 等。
主控站是整个水下控制系统的核心部件[1], 它提供维护接口、控制逻辑、监控和显示电力单元以及液压动力单元等上部系统的数据。主控站的硬件构成主要包括:工控机 (IPC) 、控制柜、人机界面、电力载波及光纤通信模块、数据服务器以及不间断电源。作为主控站的一部分, 在海上平台生活楼也配置了远程操作工作站 (OWS) 和工程师操作站 (EWS) , 用于监控水下生产系统[3]。
主控站的通讯功能由两台IPC进行控制, IPC支持容错网络接口, 并独立控制冗余水下通信链路。主控站的两台操作终端将通过冗余以太网卡进行网络连接, 传输协议采用TCP/IP和Modbus RTU协议。
主控站核心部件采用西门子的S7 PLC。它的扩展性好, 架构设计紧凑, 特别适合中小型的控制系统。该PLC主要包括基本单元、扩展单元、特殊功能模块及相应设备。支持西门子S7 PLC的通讯协议主要有:点对点接口PPI、多点接口MPI、AS-I、USS、PROFIBUS-DP、MODBUS、自由口通讯以及以太网。而SCM是按照冗余配置进行设计, 把可能的错误风险降低到最小, SCM有两个冗余电子模块, 而通讯线路也是独立的。主控站物理构架图如图一所示。
1.2 设计原则
主控站是整个水下生产系统的控制中心, 主控站为水下控制系统提供动力、控制逻辑和通讯的主控台[2], 包含用于液压动力单元、供电单元等监控所需的应用软件, 并通过主控站的人机界面给用户提供对水下采油树监控和操作的功能, 且基于PLC的主控站可按照IEC61508和61511要求实现高可靠性的安全关断 (如:PLC的SIL等级为1或2) 。主控站设计时应该考虑如下要求:
(1) 多用户命令输入的控制方法;
(2) 运行控制逻辑, 避免控制信号和反馈信号的冲突;
(3) 运行逻辑, 确保所有控制系统时间同步;
(4) 硬件失效情况下的数据存储方法。
为了确保整个控制系统的硬件连接安全, 主控站采用了冗余设计方案。每台IPC均单独连接外部硬件, 其中一台IPC将作为主操作计算机, 另一台作为从操作计算机, 从操作计算机处于热备份状态, 一旦主计算机出现问题, 从计算机将接替主计算机继续对系统进行控制。同时主控站将提供启动特征, 操作者选择数据最新的IPC作为主操作站。备用操作站必须在主操作站完成启动后才能更新数据, 且数据须与主操作站保持同步。而主控站和生产过程控制系统通过局域网时间协议 (NTP) 来保持时间同步, 所有的信息和事件都可以通过系统的时间信息进行追踪。
2 主控站系统软件
2.1 软件组成及设计
系统软件由服务器端的数据仓库和用户端的组态监控两大部分构成。主控站组态监控软件包括组态变量设计 (包含阀门的开关、压力传感器、温度传感器、位置变送器上节流阀的开度等设计) 及水下电液监控系统典型组态界面的设计 (包括水下电液监控系统主界面、报警记录界面、报警显示界面、变量归档界面、在线趋势曲线/表格界面、用户管理界面等设计) 。水下电液监控系统主界面为软件核心界面, 它显示了水下电控系统的生产过程, 可以清晰、方便的监测到水下电液生产控制系统的状况, 以便及时做出报警处理及参数的设置或改变。上位机界面如图二所示。
水下生产控制系统主控站的软件是基于数据采集和监视控制系统 (SCADA) 而开发的一个软件包Vis Pro。Vis Pro是运用于复杂自动化过程控制的软件包, 基于Linux操作平台, 也是在自动化领域最为稳定的一个软件平台。Vis Pro平台的所有数据来源于TCP/IP网络框架的服务器, 基于该种数据设置, Vis Pro可以提供非常高的数据传输机制, 并不需要服务器运行在同一个计算机系统内。此外, 软件系统需要兼顾油气生产的功能特征。整个软件架构采用了模块化设计理念, 由第三方开发的软件将以模块化形式嵌入Vis Pro软件系统中。按照实际油气控制需要开发软件功能模块具体如下:
(1) 冗余模块 (RED)
冗余模块用于连接远端MCS的IPC, 用于更新远端MCS工控机的冗余数据。系统运行的时候, 每个IPC通过一个独立的程序实时监控所有的修改。通过网络连接, 程序发送数据更新给其他IPC。在两个IPC间建立一个特殊的数据层, 用于传输所有的冗余交换数据。
(2) 水下模块 (SUB)
水下模块连接到数据库, 用于读写SCM相关的信息。水下模块通过SCM列表项获取所需要的全部信息, 并把信息发送到串行模块。
(3) 串行模块 (SER)
串行模块用于运行接口调制解调器, 并在SEM和MCS接口调制解调器间形成通信通道, 串行模块通过TCP/IP连接到MCS。串行模块产生一个CCP信息, 并传送至对应的SCM, 然后把该信息写入其中一个命令列表或三个扫描/登记列表。串行模块提供重发功能, 用以避免水下链路的通信故障。串行模块将传输结果反馈到水下模块, 结果信息为“Error”或者“OK”。
每个SEM, 当被SER写入地址后, 将做出回应。如果在设定时间内没有收到SEM的响应, 时间设定通常为1000毫秒, SER将重发信息。水下设备对要求做出响应的最大时间为400毫秒。如果SEM没有响应SER模块时间超过1000毫秒, 那么系统将进入暂停状态。因此, 阀门命令执行的最大延时为400毫秒, 如果超过1000毫秒, 命令将暂停。
(4) 计算模块 (CLC)
计算模块的主要作用是对数据进行转换, 其中包括第三方设备原始数据、PLC原始数据、PLC内核监视和连续传送的I/O信息。第三方设备原始数据, 计算模块将按照一定的数据转换运算规则计算DHPT的原始数据, 而原始数据的转换规则将由第三方设备方提供;PLC原始数据转换, 计算模块将PLC原始数据转换成工程数据并上传至PCS;PLC内核监视, 计算模块将提供分辨PLC内核停止工作的功能;传输I/O信息, 计算模块将来自串口I/O端口二进制数据变成ASCII代码, 以便把该数据传输至水下SCM, 如果接到应答, 计算模块也将ASCII代码转成二进制数据。
(5) 顺序模块 (SEQ)
顺序模块用于执行程序的次序。顺序模块设计成为一个独立的服务器, 顺序配置只有启动顺序服务器才能进行配置。在事故中, MCS发出一个关断顺序信号, 那么“shutdown initiated”信号将被发送至PCS。当确认最后一个阀门按照顺序要求关闭后, MCS将发送一个“shutdown complete”信号到PCS。
(6) 互锁模块 (ITL)
互锁模块通常作为操作设备的许可要求, 互锁逻辑的配置是作为避免对控制系统的误操作和潜在危险状态。
2.2 主控站Vis Pro核心服务器配置
数据服务器与主机共同组成客户机/服务器模式, 两者均采用TCP/IP协议和Windows Sockets技术处理网间数据通信。主机上运行客户程序, 数据服务器上运行服务器程序。每当启动数据服务器上的应用程序时, 请求与主机建立连接, 通过该连接主机将所接受的实时数据转发给数据服务器。除了时间、日志、注册表、Io Base和信息服务器外, 还包括趋势服务器、打印机服务器和I/O驱动器。
(1) 时间服务器 (RUN)
时间服务器在服务器架构中处于一个中心位置, 主要负责启动和监控其他服务器。当时间服务器启动的时候, 它将同时启动Vis Pro相关联的服务器;当时间服务器关闭时, 也将自动关闭相应服务器。
(2) 日志服务器
日志服务器由时间服务器启动, 日志服务器用于把记录服务器中的日志信息和程序存储在特定的日志文档中。日志文件存储的路径为/tmp, 文件的名称为messages.nr。NR文件将按照顺序生成, 最大的数字将是当前的日志文档。每个文档可以存储2000个信息。最新的10个文档将被保持, 旧的文件将被系统自动删除。所有最新的软件模块都与日志服务器有数据接口。
(3) 注册表服务器 (REG)
注册表服务器也是通过时间服务器启动。注册表服务器是Vis Pro软件系统最重要的服务器。在Vis Pro中, 注册表服务器负责整个系统数据配置, 对所有程序进行读和写均需要连接该服务器。
(4) Io Base服务器
Io Base服务器给Vis Pro软件系统提供调整和支持数据点服务。同时, 负责整个SCADA的配置, 也是通过注册表服务器 (REG) 进行配置。
(5) 信息服务器
信息服务器主要是用于存储报警和事件到信息数据库中。该服务器支持通过人机界面对报警和事件进行查询。
3 结束语
水下生产系统是应用于深水油田、边际油田和区块分散的大型油田的开发方式, 水下生产开发系统也将获得越来越多的运用。水下生产控制技术是集成水下生产系统进行海上油气开发的关键技术[4], 而主控站软件系统在水下生产控制系统的运用中起到了至关重要的作用。随着气田的投产, 实践证明该软件系统完全适用于该气田的生产管理, 并对同类水下项目有一定参考意义。
参考文献
[1]薛叙.水下电控系统主控站的设计与研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2012.
[2]杨洪庆, 周斌, 邵奎志, 等.水下控制系统设计研究[J].中国造船, 2012, 53 (01) :97-100.
[3]郝亚冲, 程武山, 张鹏举, 等.深海油气田水下控制器的设计开发[J].化工自动化及仪表, 2015, (02) :139-143.
[4]刘太元, 霍成索, 李清平, 等.水下生产系统在我国南海深水油气田开发的应用与挑战[J].中国工程科学, 2015, 17 (01) :51-55.
海洋石油水下电控系统主控站设计 篇2
1 水下电控系统总体构成
水下电控系统是水下生产系统的核心，其主要功能是通过控制水下采油设备的阀门来实现整个系统的基本功能，如开采、运输、油水液三相分离及系统的启停等。另外，该系统还可以通过收集水下采油设备的信号来了解目前设备的运行状况，实现实时监控及报警等功能。
水下电控系统总体分布如图1所示，该系统由水上和水下两部分组成，其中水上部分包括主控站、液压动力源和供电单元;水下部分是水下控制模块(SCM)[3]。
主控站是水下电控系统的中枢，所有的控制指令均由主控站下达，一方面，通过下指令给水下采油控制模块，实现对水下各设备的控制，完成基本生产功能;另一方面，通过采集水下采油控制模块反馈上来的信号，监视系统的运行情况，实现监控和报警。
液压动力单元为水下采油设备提供动力支持。通过主控站的指令，液压动力单元提供高、低压的液压油，保证各设备正常工作。
供电单元为整个系统提供电源，也是非常重要的一个组成部分。
水下采油控制模块是连接主控站与水下各采油设备之间的桥梁;一方面，水下采油控制模块接收主控站的指令，控制各采油设备正常工作;另一方面，还收集各采油设备的信号并反馈给主控站，主控站通过分析实现监控与报警功能。
2 主控站的总体方案
主控站主要依托“十二五”海洋深水工程重大装备和配套工程技术项目，具体针对珠海测试基地水下生产试验系统设计并完成了测试用水下生产系统主控站，其具体要求为:主控站对水下安装设备、水上液压动力源和电力电源提供完整的控制与监测。主控站可以通过电-液混合脐带缆对水下控制模块进行动力供给、控制、监测一体化作业，控制柜集成了工业计算机、平板显示器、鼠标、键盘和电力供给单元[4]。
笔者设计的主控站包括工业网络交换机、TP700触摸屏、S7-1200PLC、模拟量输入模块、工控机、电力载波模块，其结构如图2所示。
网络交换机把水下传输来的光纤信号转换为以太网信号，然后传输给PLC,PLC对数据进行处理后发送给工控机，传输过来的数据通过触摸屏显示出来，同时触摸屏还可以进行紧急操作。PLC不但采集水下传输过来的数据，同时还监测主控站内的温度、湿度、电压和电流，并把数据传输给工控机。工控机对整个系统进行监测和控制。为了增加控制系统的可靠性，在水上与水下控制系统的通信中，增加了电力载波模块，电力载波可以在光纤信号出现问题时，及时把水下传输来的数据通过电力信号传输到水上来，同时把电力信号转换为以太网信号并传输给工控机。
主控站还可以通过网络交换机把以太网信号转换为光纤信号，或者通过电力载波机把以太网信号转换为电信号，从而把控制数据传送给水下控制模块，进而控制水下设备。
3 主控站的软件部分
3.1 水下分离器的工作过程
图3所示为所要控制的水下分离器工艺简图[5]。
水下井口出来的原油经过水下分离器的入口进入到分离器内，在分离器入口处有一个液控关断阀，用于控制原油进入分离器。此处还有两个压力传感器和两个温度传感器(互为冗余)，用于检测入口原油的压力和温度。
原油在进入分离器之前先对气体进行预分离，然后通过水下分离器上部的旋流器进入到分离器内部，依靠重力进行油水分离，而未完全分离的气体此时也会进行分离，从分离器上部的气相出口出去。密度相对较大的水沉淀在下层，密度相对较小的油漂在水面上，当高度达到分离器堰板后流入右侧舱室。分离器上部有两个液位传感器，实时监测油相液位和油水界位，上部还有两个压力传感器和温度传感器，用于实时监测分离器内的温度和压力。
分离器下部有两个出口分别对应水和油，出口管道上泵的前方有两个液控关断阀，泵的后方也有两个液控关断阀，此关断阀的作用是控制分离器内部水和油的排出。在泵的前方和后方共有4个压力传感器，用于实时监测出口液体的压力。
出口管道的两个变频泵用于抽出分离器内部的水和油，根据两个液位传感器的数据，利用PID算法控制变频泵的转速，从而控制分离器内部两个液位的高度。
气相出口管道上有两个液控关断阀，用于控制气的进出。在管道上还有一个调节阀，通过气相压力反馈回来的数据，利用PID算法对调节阀进行控制，从而调节分离器的内部压力。
3.2 软件流程
主控站控制程序设计。根据主控站组态流程，制定了如图4所示的控制程序。主控站采集水上传感器和水下控制模块的数据，首先分析是否报警，如不报警则进入分析数据程序，通过PID控制程序对其进行分析，并发送数据到水下控制模块中，进而对水下设备进行控制。如果采集的数据触发报警系统，则分析是一般报警还是关断报警，如是一般报警，则只在监控界面上显示报警信息，不进行关断;如是关断报警，则按照关断程序对设备进行关断，并在监控界面上显示报警信息。
主控站变量归档系统设计。主控站变量归档系统由3部分构成:原始数据库、报警记录数据库和数据分析数据库(图5)。原始数据库是存储传感器直接发送过来的信号，主控站变量归档系统依据课题实际需求，原始数据库主要存储的变量有阀门的开关量、水下泵的转速、压力变送器的压力、液位变送器的液位、温度变送器的温度、油嘴的开度、数显电压表的电压、湿度变送器的湿度;报警记录数据库用来存储报警系统发送来的信号(报警位置的编号、报警名称、实际测量值、报警时间及人工处理报警时间等);数据分析数据库用来存储数据分析流程所产生的信号。按照用户的需求可以在3个数据库内进行调取和显示数据。
主控站数据分析程序设计。主控站数据分析程序把发送来的信号按照预定的程序或算法进行分析，并以曲线形式显示，分析数据趋势并与正常工作范围进行比较，以确认设备是否正常工作或预计设备未来的工作趋势。主控站数据分析的数据来源于变量归档系统，可以分析原始数据库的原始数据，以分析生产设施的工作状态。
数据分析程序通过对一些模拟量的变化趋势进行分析，当达到报警位置时，及时进入报警系统进行报警;当没有达到报警位置时，通过对数据的变化趋势进行分析，确认是否有异常的可能性，如果有，则进入报警系统，在监控界面上提示用户。数据分析的具体流程如图6所示。
主控站报警系统设计。主控站报警系统在整个主控站控制系统中非常重要。主控站报警系统依据报警条件对数据进行比较、逻辑处理或算法运算，判断是否发出报警通知。它会在第一时间把异常工况通知给系统并引导操作员进行报警处理。笔者设计了4类报警形式:趋势报警、偏差报警、一般报警和关断报警，具体的报警系统流程如图7所示。
4 主控站的界面设计
根据课题要求，基于WinCC，笔者设计了生产工艺工作界面、控制参数界面、趋势变化界面和报警界面。
根据水下分离器的工艺流程，设计如图8所示的工艺工作界面，在此界面中，所有需要监测和控制的重要参数都可以显示和控制。
由于生产工艺工作界面显示的参数不够全面，故另设计了一个控制界面，如图9所示，此界面可以显示和控制所有参数，非常清晰直观。
分离器中最重要的3个参数为油相液面、油水界位和分离器罐体压力，水下控制系统通过PID算法来控制变频泵的转速，从而控制此三相稳定在合适的范围内。
图10所示为趋势界面，从图中可以直观地看出控制系统的稳定性。
根据水下分离器的实际工况，设计报警界面(图11)，当系统报警时，可在此界面看到报警内容。
5 结束语
依据水下电液复合控制系统的需要，完成了对主控站的设计，设计的主控站可发送信号给水下控制模块控制水下设备，同时还能接收水下控制模块反馈上来的水下设备的信号，实现了监控与报警，达到了预期的功能。
摘要：对水下电控系统的主控站进行了设计,介绍了主控站的总体设计、软件设计和控制界面设计。
关键词：水下电控系统,主控站,水下分离器,软件设计,操作界面
参考文献
[1]任克忍,王定亚,周天明,等.海洋石油水下装备现状及发展趋势[J].石油机械,2008,36(9):151~153.
[2]范亚民.水下生产控制系统的发展[J].石油机械,2012,40(7):45~49.
[3]《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程设计指南[M].北京:石油工业出版社,2007.
[4]刘太元,郭宏,闫嘉钰.基于光纤的开放式架构水下生产控制系统研究及应用[J].化工自动化及仪表,2012,39(2):209~211,235.
主控系统设计 篇3
传统的智能家居控制系统一般采用有线方式布线,系统安装、调试和维护的工作量非常大,成本高,成为制约智能家居行业发展的瓶颈。参考文献[1]中提出的基于Zig-bee无线通信技术的智能家居系统,不仅解决了传统有线布线方式的缺点,而且具有良好的可扩展性、可靠性和健壮性。本文将介绍智能控制系统主控制器设计。
1 主控制器硬件设计
主控制器由嵌入式网关、Zigbee模块和GPRS模块组成[2],是系统的核心部分,是连接家庭内部控制网络和外部通信网络的物理接口,并负责家庭设备的管理和控制。嵌入式网关以Intel PXA 270为微控制器[3],包括外扩展存储器、LCD显示模块、触摸屏模块和键盘模块。Zigbee模块选用TI公司的CC2530为控制芯片。CC2530与嵌入式网关的串口1相连,在Zigbee网络中用作协调器,负责Zigbee网络的建立与管理。GPRS模块选用西门子公司的MC55I,MC55I与嵌入式网关的串口0相连接,负责嵌入式网关和户主手机的远程通信。主控器结构如图1所示。
1.1 电源管理模块
ARM处理器和Zigbee模块的供电电压为DC 3.3V,GPRS模块供电电压是DC3.3~4.8V。为满足各部分的供电要求,用DC 5V电源为电路板供电,然后通过降压电路降压,为不同模块供电。一个降压电路用两个二极管串联的方法降压,每个二极管的电压大约降0.2V,DC 5V电压经过2个二极管后降到4.6V,为GPRS模块供电。另一个降压电路采用三端线性稳压芯片LM1117-3.3,实现5.0V到3.3V的电压变换,对ARM处理器和Zigbee模块供电。为了减少干扰,需要加滤波电容滤波。电源管理模块电路如图2所示。
1.2 存储器模块设计
Intel XSclae PXA270外部存储器基于统一存储器架构(UMA)。在这种架构下,各类存储器器件共享一个通用地址和数据总线,但有各自独立控制引脚。通过这些控制引脚分为12个分区:4个分区的SDRAM,6个分区的静态存储器,2个分区的PC卡。PXA 270x只支持从Nor Flash接口启动,不支持直接从Nand Flash接口启动。考虑到简单实现和Nor flash的高可靠性,在本设计中,采用2片16MB的Flash芯片E28F128J3A并联构成一个32位32MB存储空间,地址范围0x0000 0000-0x02000000。采用2片32MB的SDRAM芯片HY57v561620并联成32位数据宽度的SDRAM存储系统,在PXA270中映射的地址范围0xa000 0000-0xa400 0000。Flash存储器用来存放程序启动代码(Bootloader)、Linux内核映像、RAMDISK压缩映像和应用程序。SDRAM用来对操作系统和各类数据进行缓存。当系统启动时,CPU首先从0x00000000地址处读取Bootloader代码,在完成系统初始化后,程序代码调入SDRAM中运行,以提高系统的运行速度。同时,系统及用户堆栈、运行数据也都存放在SDMAM中,为系统的高速运行提供足够的存储空间。
1.3 LCD液晶显示及触摸屏模块
Intel XSclae PXA270内部集成了一个LCD控制器,不需要外接控制器就可以直接与LCD液晶屏连接。LCD控制信号有:LCD片选信号CS、LCD数据信号LDD[17:0]、像素同步信号PCLK、行同步信号LCLK、场同步信号FCLK和行有效信号LBIAS。触摸屏采用四线制电压式触摸屏,由于触摸屏采集的是模拟信号,而PXA270内部没有集成ADC,所以本设计采用Philps公司的UCB1400音频编码解码器,该控制器内部集成了触摸屏控制电路。
2 主控制器软件设计
网关硬件平台搭建好以后,大部分的工作就是网关的软件设计。软件设计内容主要包含以下工作:
(1)搭建开发平台。为了避免在开发过程中出现兼容性问题,使用WUBI安装Ubuntu 10.10,并安装Ubuntu NFS服务器,同时安装ARM-Linux-GCC编译器。交叉编译环境搭建好后,就可以将Linux源码包和Blob源码包拷贝到工作目录进行裁剪编译,生成Blob.bin和zImage。
(2)引导程序。Bootloader是嵌入式系统运行的第一个环节,加电后运行第一段代码,通过初始化硬件设备,建立内存空间映射表,为最终调用操作系统内核准备好环境。为此,采用遵循GPL、源代码开放的Blob(Boot Load-el Object)进行移植:(1) 在configure.in文件中添加PXA270硬件声明;(2)在src/blob/acconfig.h文件中添加硬件定义;(3)在include/blob/arch.h中添加硬件定义;(4)在include/blob/arch/目录下添加mainstone.h文件;(5)将硬件名称添加到utils/build/build_all和utils/build/build_Makefile的变量archs中;(6) 将硬件相关的源代码文件名添加到EXTRA_blob_rest_elf32_SOURCES宏变量中;(7)通过交叉编译环境运行configure配置Blob,再运行make生成Blob.bin。
Blob从/src/Blob/start.S开始执行,随后跳转到/src/blob/xlli/mainstone/start.s,并调用xlli_Lowlev_Init.s初始化,运行过程如图3所示。
(3)GPRS数据传输控制。设计采用MC55IGPRS模块,内嵌了完整的TCP/IP协议栈,包括TCP、UDP、FTP、SOCKET、Telnet、POP3、SMTP、HTTP等多种传输方式,主控制器通过发送相应的AT指令来完成MC55I模块的初始化、网络登录设置以及数据的发送接收等。MC55I采用以下AT指令进行连接:(1)用AT^SICS指令建立连接规范;(2)用AT^SISS指令建立服务规范;(3)用AT^SISO指令建立Internet连接;(4)用AT^SISR和AT^SISW指令接收和发送数据;(5)用AT^SISC指令关闭连接。
(4)主控制器内核定制。为了提供稳定的程序环境,采用Linux-2.6.32.2及编译器arm-linux-gcc-4.3.2进行移植[4]。Linux 2.6.32.2内核支持Intel PXA270处理器,因此根据OURS-270RP开发板硬件资源对Linux内核进行裁剪与配置。编辑修改Makefile中的ARCH及CROSS_COMPILE,执行make menuconfig选择PXA270处理器及相关支持,执行make zImage交叉编译链接生成zImage内核映像。
(5)嵌入式Web服务器实现。为了查看和调整Zig-Bee节点状态,将开源的嵌入式Web服务器Boa 0.94.13进行改动和配置,使其运行在PXA270系统平台上,便于实现用户浏览器的远程访问和Http协议的解析。(1)修改Makefile文件,找到CC=gcc,将其改成CC = arm-linux-gcc;(2)找到CPP = gcc– E,将其改成CPP = arm-linux-gcc– E;(3)修改Boa的主要配置文件boa.conf,使其支持CGI。
(6)本地图形界面设计。为方便用户直观了解节点信息,采用HTML编写主界面,此界面包含各个功能窗体。在主界面中以表单(From)形式显示各节点信息,用户以From形式实现CGI程序执行。CGI程序负责接收并处理表单数据,最后将处理结果通过标准输出流传递给服务器,再由服务器返回给客户端。
(7)ZigBee节点拓扑结构。ZigBee网络支持3种节点类型:协调器、路由器和终端节点[5]。考虑智能家居的应用范围较小,且各节点之间的作用相对独立,所以选用星型网络。主控制器和若干个ZigBee传感器节点模块组成星形结构网络。其中主控制器是全功能设备,充当网络协调器,主导网络的建立,监督节点的工作状态,同时完成网络初始化、数据采集、远程控制等功能。ZigBee传感器节点模块只与主控制器通讯,以节约电能。
3结语
本文对智能家居主控制器进行了研究,设计了一种基于PXA270的智能家居主控制器。针对PXA270的特点,定制了Linux内核。基于Blob的Bootloader,采用西门子公司的MC55I作为GPRS传输模块,通过HTML程序实现家庭内部网络与外网和用户手机的无缝连接。实验结果表明,该控制器具有功耗低、成本低、可靠性高、可扩展性好等优点。
参考文献
[1]李新春,赵双华.基于ARM与GPRS的家庭智能控制系统的设计与实现[J].计算机系统应用,2010,19(5):227-229.
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主控系统设计 篇4
关键词：监控,可入群数控系统,自定义指令,数据流,工况
工业设备集群监控即如图1将工业自动化设备“组织”起来。这样做的好处是可以由一个操作者监控一个“群”，提高了劳动生产率。同时，“群”可连入网络，易于实施远程控制。
实施图1障碍在于，原有的自动化设备不具备入群的功能。而仅给自动化设备增加入群功能来构建图1，势必造成图1系统功能的冗余而增加成本。较好的开发方法是将图1看作一个系统，下位机(自动化设备)不过是系统的“元素”;首先考虑的是系统应有的功能和功能如何在系统中分布，然后再考虑“元素”功能的实现。
设“自动化设备”为两坐标数控系统。一个独立的数控系统的功能有编辑、空运行(含离线插补)、零件加工(含在线插补)、手动、回零、对刀和显示。而图1系统的功能在上位机与下位机之间的分布是：1)上位机(集群监控机)的功能：编辑、虚拟加工(含离线插补)、零件加工、手动、回零、图形显示、网络通信(连接下位机)、网关功能(连接Internet)等;2)下位机(可入群数控系统)的功能有：零件加工、手动、回零、对刀、数字显示、网络通信(连接上位机)等[1]。其中“零件加工”是依离线插补的结果(自定义指令和机加工数据流)进行的[2]。显然，图1中数控系统与独立的数控系统相比，功能有较大不同。
1 总体设计
1.1 工况与设定工况的操作
设置五种工况以分别完成下位机除网络通信外的所有功能：零件加工(AUTO)、回零(ZRT)、手动1(H1)、手动2(H2)、手动3(H3)。三种手动工况对应不同的刀架驱动速度。任何手动工况下都可以完成对刀功能。
图1系统要求既能在下位机设定自身工况，也能在上位机设定该下位机的工况，这就意味着下位机上常见的波段开关设置工况的方法不可取。笔者在下位机设立一个“工况键”和一个“工况标识”变量，“工况标识”既可由“工况键”修改，也可以由上位机直接修改。“工况标识”为0到4的取值，分别对应5种工况。
1.2 输入、输出与显示
输入信号主要来自数控系统操作键，主要有4个手动键：X+、X-、Z+、Z-、启动键、急停键、单步/连续选择开关，以及行程限位开关和控制螺纹加工的光电编码器。
输出信号除对驱动电路的输出(以驱动刀架)之外，主要由M,S,T指令产生，有控制主轴转速、控制刀架自动转位等输出。
显示器采用1个米字管和7个8段LED，用一个键切换即时显示内容。
1.3 驱动电路与网络通信
驱动电路与数控系统是否入群无关，本文不作讨论。网络通信功能涉及到的技术较多，另有讨论的专文，本文仅介绍与之相关的硬件。
2 硬件方案
采用8031单片机，程序存储器ROM容量用32KB(基于笔者的开发经验确定)。数据存储器主要保存上位机传来的机加工数据流，其容量大小决定加工工件的大小。一个字节数据流对应加工轨迹长度为4*10-2mm[2]，若选择32KBRAM作为数据存储器，其对应的加工轨迹长度为32K*4*10-2mm，近1300mm，可以满足绝大多数情况下的加工要求。
“工况键”接入8031的外部中断0，在相应中断服务程序中修改“工况标识”，并用一个输出接口控制5个LED对应指示5种工况。
用一个输入接口接入键X+、X-、Z+、Z-，光电编码器接到8031的T1和T0脚，其他输入键接到P1口。
用一个输出接口控制驱动电路驱动刀架、一个输出接口输出与M,S,T指令对应的“编码”，由此产生相应控制信号。另外用九个输出接口控制显示器。
为构建图1系统，为8031串行口新增了以RS-232电平标准的半双工通信接口电路。
限于篇幅，电路图从略。
3 主控软件
图2为系统软件总框图，其中“工况标识”由外部中断0服务程序设定或由上位机传来。所谓主控软件指图2中标号WORKST到标号WORKEND部分。
图3为主控软件框图。图3考虑了多指令共段和共段指令执行顺序：TST分支实现除T00指令外全部T指令的功能;M1S分支实现了M03、M04、M06、M97、M98、M99、M21、M22、M23、M24、M25、M26、M27、M28等指令的功能;M2S分支实现了M00,M02,M05,M30M20等指令的功能。也考虑了模态指令的处理。
可入群数控系统的独特部分在图3以标号GST开始，WK4结束的分支。这一分支的详细框图见图5。
图5各分支对应相应的G指令。其中的G00、G01、G32、G33对应无须插补的加工指令，需要插补的G01指令和曲线插补都由上位机离线插补成机加工数据流，并传递到下位机，由G02指令(自定义指令中，G02已经不是圆弧插补指令)标识之。G02指令格式为G02xx yy,xx和yy都为两字节，分别指示数据流存放地起始地址和终止地址。
图6为图5的G02分支框图，图中的标识sdkzh由图4置位，sdkzh为1表示刀架已进给一步(10-2mm)。图4为定时器0中断服务程序，它控制加工速度、刀架进给和即时坐标显示。
其它程序或复用原程序或另文介绍，故此处不赘述
4 结束语
这是一个应用项目的技术方案，它实现了文献[1]、[2]的内容。限于篇幅，本文没有给出具体硬件电路和全部软件框图，但给出了硬件的详细方案和介绍了有自身特色的主控软件。由于本数控系统是图1的“元素”，在图1系统功能不变的前提下，“元素”的功能得到简化甚至部分功能取消，这使系统成本下降且便于集群监控。这样的系统也易于构建工业自动线或接入互联网实现远程监控，有较好实际意义。
参考文献
[1]冯介一,宋文.关于数控系统群控的几点讨论[J].科学时代,2008(3).
主控系统设计 篇5
1 基于CAN/LIN网络的车门控制系统概述
在车身网络中,车门控制系统是其中的一部分。利用CAN总线,就能够完成系统主体网络的构建。而利用LIN总线,则能够实现模块的通信和控制。所以在车门控制系统中,LIN总线是CAN总线的辅助网络,可与CAN总线一起为车门控制系统通信提供支持。而主控单元位于驾驶室内,可以利用CAN总线与其他模块通信,并且利用LAN总线与车镜、车窗和车灯受控部件通信。根据各个控制开关的状态,主控单元将制定相应的控制策略,并且通过串口发送控制命令,从而使各模块得到控制。
2 系统主控单元的硬件设计
2.1 主控芯片选取
主控芯片是系统主控单元的核心组成部分,只有得到合理的选择才能够确保整个系统设计功能的顺利实现。考虑到车门控制系统的功能需要,还要选用8位单片机。而M68HC08系列单片机不仅是8位单片机,还具有性能高和成本低的特点,并且能够为系统提供多种集成模块。分析车门控制系统的功能需求可以发现,系统需要利用LIN总线与下位机通信,并且需要通过CAN总线与其他模块通信,所以需要同时拥有LAN接口功能和CAN接口功能。通过综合考虑功能、成本和IO口数量等问题,则需要选择M68HC08中的GZ系列8位控制器。而为使主控单元能够与PC界面和CAN/LAN总线通信,并且进行LCD显示,还要使其能够容纳较多的系统代码。所以,还要选用具有较大存储量的单片机。而单片机MC68HC908GZ60具有60K的Flash存储空间和2K的RAM,能够满足这一要求。
2.2 LIN接口通信设计
在设计LIN接口通信模块时,可以利用MC33689芯片与模块通信。该芯片本身自带电压转化功能,是为汽车辅助总线LIN专门设计的基础芯片,能够满足LIN总线通信规范要求。而该芯片将受到SPI控制,对LIN收发器进行了集成,并且包含MCU系统的常用功能。由于该芯片对5V、50m A的电压调整单元进行了集成,所以可以为车镜和车窗的控制提供电源。同时,利用该芯片进行接口通信设计,能够使LIN收发整形电路在高数据速率时保持原有状态。此外,由于带有具有保护功能的高边开关,因此利用该芯片能够驱动阻性负载和感性负载。
2.3 组合开关检测设计
在设计系统主控单元时,将会遭遇节点开关器件数量过多的问题。所以,还要设计组合开关检测模块,以便对汽车的开关器件进行检测。为节省大量微处理器I/O接口,可以使用由多路开关检测接口集成的芯片MC33972。利用该芯片,可以利用四个CPU口线对22路开关量进行检测,并且能够实现多级连接。利用高速串行链路SPI,该芯片能够将检测得到的信号传输至MCU。在输入端增加静电放电电容,则能够保护电路不受瞬间干扰。此外,利用该芯片的模拟量输出和恒流源,将能够实现线性检测。值得注意的是,由于该芯片内部能够进行恒流源的提供,所以能够为开关的可靠闭合提供保护,并且能够使金属触点的氧化物得到去除,继而使系统部件数量得到减少。
2.4 故障报警显示设计
在系统故障报警显示模块设计上,可以使用负责进行汽车负载驱动的芯片MC33888。利用该芯片能够对4个高端负载和小电流低端负载进行直接控制,并且能够使12个继电器、线圈或灯等感性负载得到驱动。所以,利用该芯片进行白炽灯泡的驱动,就可以亮灭指示系统进行车门工作状态的显示。如果发现系统发生故障,则会驱动蜂鸣器报警指示。在该芯片内部,还拥有看门狗定时器。在芯片与MCU通信中断的情况下,其将利用高速串行接口关闭器件,从而为系统提供保护。
2.5 CAN接口通信设计
在设计CAN接口通信模块时,考虑到主控芯片输出信号无法与CAN总线直接连接的问题,还要进行CAN总线收发器的使用。作为CAN控制器与总线间的物理接口,收发器能够对CAN总线信号进行差动发送和接收。针对不同的总线输出状态,接收端将呈现出隐性或显性两种状态。而利用收发器实现总线通信,则能够使通信距离得到增长,并且使系统的瞬间抗干扰能力得到提高。此外,为使CAN驱动器适应强干扰环境,还要使用光耦合器技术对CAN总线的各通信节点进行电气隔离。
3 系统主控单元的软件设计
在对系统主控单元的软件进行设计时,可以使用C语言和Code Warrior开发工具。完成软件安装后,可以选择HC08系列的单片机模板,然后进行工程的建立。将建立的模板保存到相应文件夹后,可以选择模板中使用的芯片类型,然后进行使用的编程语言的选择。完成所有编程工作后,可以利用C程序代码进行初始代码的替代,然后对应用程序进行编译和调试。通过将程序下载到单片机,则能够对单片机的功能进行利用。值得注意的是,在设计通讯软件时,需要完成软件驱动程序和用户应用程序的编写。其中,软件驱动程序负责进行信息的接收、发送和过滤,能够实现总线通信连接和监测。在实现通信之前,需要对完成节点类型、寄存器、端口等内容的设置,从而实现总线的初始化设置。
4 结论
总之,在对基于CAN/LIN网络的车门控制系统进行开发和设计时,还要做好系统主控单元的软硬件设计,以确保系统通信和控制功能能够实现。因此,相信本文对车门控制系统主控单元设计问题展开的分析,可以为相关工作的开展提供指导。
参考文献
[1]张昱,鲁睿婷,唐厚君等.基于CAN/LIN混合网络的车门控制系统[J].电气自动化,2013(03):36-38.
[2]郭峰,赵璇,汪颖.基于CAN/LIN总线的智能车身控制系统设计[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2011(05):705-707+720.
主控系统设计 篇6
关键词：S3C2440,Linux,MiniGUI,送丝机
0 引言
送丝机是用于传送电弧焊丝的传动机构,是气体保护焊机系统的重要组成部分,其送丝的稳定性和可靠性直接关系到焊接的质量[1]。而随着焊接工作者对劳动条件改善的愿望、公司对生产率的追求,直接推动着焊接技术向自动化、网络化、人机界面友善化方向发展。而实现这一目标,对送丝机控制系统进行数字化、智能化的设计是必不可少的。显而易见,通过选择阻容值来设定送丝机的控制参数的模拟控制方式[2],是无法完成这一目标的。目前逆变技术、电子技术和计算机技术的发展为为这一目标的实现提供了十分有利的技术支持。本文以嵌入式芯片S3C2440为数字控制系统硬件核心,以Linux作为嵌入式操作系统,利用MiniGUI作为操作系统与界面应用软件的中间件,实现电弧焊机焊接送丝主控系统设计。
1 系统总体结构设计
气体保护焊机送丝机主要由送丝电动机、焊枪、送丝软管和调速控制电路四部分组成[3],其中调速控制部分是整个送丝机机构的核心,系统采用ARM芯片S3C2440作为硬件核心,利用Linux嵌入式操作系统作为软件开发平台,实现送丝机控制系统以下功能:
1)利用S3C2440片内10位A/D转换器、快速的CPU执行指令速度及其通用口,实现对焊接电流、电压数据的采集、处理和控制信号的输出。
2)利用S3C2440片内LCD控制器、触摸屏接口等,实现各种参数的输入和显示。
3)利用Linux完善和强大的网络功能,实现用户远程管理控制。
4)利用MiniGUI作为操作系统与应用软件的中间件,实现交互界面的软件设计。
2 系统硬件设计
送丝控制系统硬件部分主要由两部分组成:主控电路和驱动电路。其硬件框图如图1所示。
硬件框图虚线部分内部控制系统的核心电路,由于电焊机在工作时,会对电力线产生很强的电磁干扰,所以电力线必须通过外接电源模块进行降压滤波后,再产生芯片所需要的三种电压:3.3V、1.8V、1.25V,以供S3C2440使用,同时虚线内部核心电路必须罩在金属屏蔽罩内,以防工作环境中无线电磁干扰。
图1中触摸屏用于输入焊接电流、电压、焊丝直径、材质、保护气体等焊接参数;LCD用于实时显示焊接电流、电压、送丝速度值或波形;Nand Flash和SDRAM用于存储和运行程序;DM9000为网卡芯片,它可以自适应10/100M网络,通过它可实现电焊机的远程网络管理。系统通过电流和电压传感器,获得焊接电流和电压值,然后进行放大滤波,再送入S3C2440的A/D接口进行模数转换,实现数据采集,然后使用合理的算法对数据进行处理,分别得出控制送丝机电机和弧焊电源的有效PWM占空比,最后通过S3C2440口送出,一路经过光电隔离器和PWM驱动模块实现送丝机速度的自动控制,另一路将PWM信号叠加在直流电源线上送入弧焊电源控制模块,这样通过一条电线,弧焊电源控制模即可获得电源又可获得控制信号。S3C2440通过来自送丝机上的霍尔开关计数脉冲,实现送丝速度的运算。
3 系统软件设计
系统软件是建立在Linux操作系统软件平台上的,Linux内核是采用模块化设计的开源软件,因而易于裁剪,设备独立性强,更为可贵的是,Linux从一开始就为用户提供了强大网络功能。本系统所要设计的软件有两个方面,其一是基于Linux操作系统的设备驱动程序,如送丝控制驱动程序等,另一个是基于图形用户界面支持系统MinGUI用户界面程序,如输入参数界面、采集数值显示界面等。它们的关系可用图2表示。
3.1 驱动程序设计
设备驱动程序属于Linux内核的一部分,是一种用于处理和操作硬件控制器的软件[4],由于Linux操作系统的开源性,很多嵌入式开发板商提供了板级开源驱动代码,甚至正式加入Linux官方内核,如国内的友善之臂公司生产的2440开发板BSP,从Linux-2.6.31开始被加入官方内核,只要你所用处理器和硬件控制器与其相同或相似,就可以直接或通过适当修改就可使用其驱动程序,这样就大大提高了开发效率,减轻了开发难度。本系统所用网卡、LCD、触摸屏、Flash均采用与友善公司2440开发板相同型号的设备,所以直接使用其开源的驱动程序,它们在Linux2.6.32.2的位置如下:
1)DM9000网卡驱动
2)LCD驱动
3)触摸屏驱动
4)Nand Flash驱动
由于S3C2410和S3C2440的很多寄存器地址等地址和设置是完全相同的,所以LCD和触摸屏驱动可以使用标注为S3C2410的文件。
图(2)中报警驱动、焊枪开关及弧焊电源及送丝机控制驱动,是本控制系统特定的功能,必须自行设计。完成这些驱动程序的设计,实质是对file_operations(文件操作)结构体进行必要的成员函数填充,以及添加必要的中断。
报警驱动程序结构体file_operations比较简单,只用三个成员函数,可表示如下:
当温度、气体流量超限时,S3C2440将产生中断,激活中断服务程序对相应开关进行关启操作。
弧焊电源及送丝控制驱动程序的结构体定义如下:
成员函数adc_open用于设置S3C2440D A/D、PWM等相关寄存器、设置PID参数、系统时钟全局变量、并向操作系统注册A/D转换结束的中断服务程序adc_irqs()。时钟时钟全局变量用于向adc_read发信号,表示可以读取采集到的电压、电流数据,保证CPU没必要在每次采集中断时读取数据,以节约CPU时间资源的开销。
中断服务程序adc_irqs()任务主要是:如果焊枪开关没有闭合,则分别将控制送丝机电枢直流电机和弧焊电源的PWM输出占空比置为0,否则,分别采集电弧电压、电流以及直流电机的电压,然后调用相应的PID处理函数,得到当前的控制送丝机和弧焊电源PWM占空比,从而达到控制PWM输出的目的。
在本文设计中,将所有的信号处理都在中断处理程序中完成,也即在中断服务程序的上半部完成。为了进一步提高中断处理速度,达到实时性性目的,PID是用基于APCS标准的汇编语言编写的。
3.2 用户应用程序设计
人机交互界面直接或间接地展示了控制系统要完成的各种功能,从用户角度来讲,人机交互界面应当是一个易于理解的、有语义境的、不需要用更多的精力和时间就可掌握了的操作流程说明,所以界面程序的设计是系统设计的重要组成部分。
图形界面开发系统很多,根据本系统要求实时性高,存储资源有限特点,本系统采用了小巧的、基于Linux版本的Mini GUI作为图形交互界面程序的开发平台,其编程方法与VC++的API编程方法类似的。图(3)为送丝控制系统主界面布局效果图。
另一个重要的用户应用程序设计是对触摸屏的IAL输入引擎编写,MiniGUI自带的输入引擎是针对S3C2410的SMDK2410,由于S3C2440处理器与S3C2410处理器触摸屏接口结构一样,所以本设计根据本系统的要求,对SMDK2410稍作改写即可。为了实现触摸屏校准以及去除点击触摸屏时的抖动,改写中引用了tslib函数库。最后就是对MiniGUI.cfg配置文件的修改,使ial_engine=SMDK2410[5]。
4 结束语
经过测试,该嵌入式数字控制系统的设计比较合理,对电弧电压、电流以及送丝机的控制精度、稳定性、可靠性均可以满足实际需求,同时具有一定的网络通讯功能。此外,由于采用了界面支持系统MiniGUI,易于维护用户界面,可随时按照用户的要求对交互界面进行修改。当然系统在抗强干扰方面还需要进一步的改进和完善。
参考文献
[1]柯利涛,黄石生,彭海燕.基于ARM和uC/OSΠ数字控制送丝系统的研究[J].焊接设备与材料,2007,2.
[2]李峰,李亮玉,李香.国内全数字化焊机的研究现状[J].焊接技术,2006,8.
[3]潘年明.基于8051单片机的送丝机控制系统[J].电焊机,2008,3.
[4]丁明,范书瑞.ARM9嵌入式系统设计与开发教程[M].电子工业出版社,2006,4.
电台主控系统升级改造方案 篇7
青海人民广播电台在2003年由老台搬至新台址, 整个主控设备由安恒利广播技术有限公司安装。经过多年的运行工作, 原有的总控系统的不足也渐渐显露出来了:设备的性能有所改变, 特别是数字矩阵, 在节目的切换过中经常有故障出现;现有的设备很难做到自动检测和智能切换, 只能靠人工干预;现在节目互相调用的时段大增, 值机员手动对信号进行调度的次数增多, 且劳动强度很高, 精神压力也较重, 稍不小心就有可能出现误操作。这些给电台安全播出带来不可避免的影响。随着广播技术的发展, 新的交换、监测技术层出不穷。因此, 根据杭州联汇公司提供的音频网络路由器和智能化总控系统监测系统, 我们准备在现有的数字矩阵的基础并联上网络矩阵设备以及对监看、监测设备的部分更换。
2 主控系统增添功能的设计理念
考虑我台原有主控的工作方式及实际工作要求, 充分发挥利用网络化的智能矩阵的先进功能, 采用网络化的智能矩阵设备作为网络矩阵, 以传统的模拟或数字矩阵作为主传输路由矩阵, 可便利地实现双备份结构和智能切换, 以保证信号传输的绝对安全。网络化的智能矩阵系统对所有输入输出信号进行监控监听, 对系统进行优化设计, 以求并行和增添的设备接入达到系统整体性能最佳化及安全性、稳定性的最大化的目标。
主控系统是整个音频网络的中心, 调配所有节目的进出, 所以在主控系统新增新添设备要建立设备兼容互补, 播出安全可靠, 监控直观明确, 处理方便快捷的概念, 充分考虑各技术平台相互转换时可能存在的问题, 为整个系统提供匹配的切换点和监测点。网络矩阵又是整个系统的核心, 主要用于节目的交换和传输任务, 考虑到今后的发展和整体设备转换及电台实际要求, 我们在设备的选型上都留有扩展空间。
3 现有的广播主控系统
青海人民广播电台主控机房对各套节目采用总控方式。总控中心系统采用数字、模拟音频信号方式, 负责对播控中心所有节目信号进行处理和监测, 对各类共用信号进行调度和分配;提供垫播信号;向各直播室提供返送信号和外来信号, 可以实现多个直播室之间的节目互转调度;向各直播室提供同步信号和标准时钟信号;总控主要由Studer公司的36×40数字音频矩阵、周边系统、同步系统、时钟校时系统、技术监测和监控系统等组成。节目播出采用数字和模拟两种方式。直播间采用Studer On Air2000数字调音台, 它可以同时输出数字和模拟两种音频信号, 即能保证传输和发射设备数字化对数字信号的需要, 又满足现在使用的传输和发射是模拟设备的要求。
4 总控监控系统设计技术要求
实现全台播出节目的交换、控制、分配并以电缆和网线的方式向传输机房传输各频率的主、备播出信号, 同时向网上广播、慢录工作站提供数字音频信号源。将广播电台的多套信号、需要的电视伴音信号、以及所需的外转现场信号、大录制机房信号等接收并送入网络矩阵进行管理分配。为全台各直播机房外转工作, 并为机房提供所需节目信号的线路调度, 向直播间返送与之相关的播出节目信号。全台录、编、播以及信号传输的网络化实时监测、监录、监听和报警工作。能够对待播节目文件和节目单进行质量监测和报警, 对各机房环境进行监控, 实现全台各套节目的应急自动播出, 系统能实现全天24小时播出和在线维护。
4.1 网络化矩阵系统的技术要求
矩阵系统全面使用网络化数字设备, 设备全部按照国家制定的标准与相关国际标准与规范执行。系统能不间断运行, 实现全天24小时4套节目高质量的音频节目播出和在线维护。系统采用网络化路由控制以及监视监测功能, 能够通过以太网络对所有的音频信号进行监测、监听, 并具有停播告警和智能应急播出功能, 还具有跟踪、监测、记录主要设备的工作状态。系统的智能化监测系统在对系统进行监视监测的同时, 还能够作为辅助的信号传输通道, 其传输通道对数字音频应无压缩损伤, 并能和数字音频矩阵互为备份、智能切换, 以保证信号传输的绝对安全。通过网络, 实现机房和机房之间的信号、各种转播信号、节目输出信号的灵活自如地调入、调出和分配切换。系统具备扩展和升级性能, 具有完善的矩阵切换工作界面, 矩阵切换可以是手工切换, 也可以根据预先既定的切换时间表, 自动切换。对到切换器的输出信号, 还可以根据应急分析系统的命令, 进行应急切换。手工控制切换可考虑使用触摸屏。
4.2 网络化智能化系统功能要求
智能化总控系统通过网络音频矩阵, 能够对自动播出系统、主要音频设备、关键节点的音频信号、电源、环境温度、湿度等进行全面的监测, 以图形方式, 直观形象地显示各个广播频道的工艺流程中每个设备的工作状况, 并对所有音频信号进行全自动监测监听, 对停播、过载、反相、电平过低等, 及时报警, 使值班人员对全台音频系统了如指掌。能够实现故障的预警、报警以及对故障点的智能分析, 并智能选择合适的应急音源, 给出应急操作提示, 便于在节目播出的过程中, 值班人员能及时发现问题并处理问题。
因此系统应具有如下功能:网络矩阵和音频信号监控子系统, 播出系统的状态监测和节目质量监测子系统, 环境和设备状态监测子系统, 流程显示和故障分析子系统, 屏幕显示子系统。
4.3 网络化智能化系统方案
音频信号监测工作站主要实现对整个音频系统关键节点的音频信号进行实时参数监测显示, 包括延时器输出、音频处理器输出、Prolink 1播4输出、后级音分输出、各路转播信号、直播间信号、直播台每一路推子的信号和高周接收信号等。取样点的多少, 决定监测的量。
音频信号监测工作站提供多种显示模式, 各种模式的显示窗口可以自由组合。音频监测工作站可以根据实际需要, 进行界面定制。根据布局设计, 总控系统需要六种类型的信号监视工作站。分别为:分频显示工作站、总输出和空中回收信号监测工作站、显示所有输入信号的监测工作站、EQM-100系统状态监测和故障分析工作站、应急处理控制工作站、系统管理和查询工作站。见图1。
(1) 分频显示工作站
按频道组合显示各个频道的主要信息。包括该频道主要音频信号, 全面显示该频道的所有主要信息。
其主要功能包括:
实时显示该频道的主要音频信号, 包括电平、相位。
音量彩条显示窗口监视的音频信号可以任意定义, 通常可以设置为延时输出、处理器输出、主控总输出、空中回收信号、Prolink 1播4输出等, 通过这几个信号, 可以总体反映该频道的信号运行状况。
对音频信号进行故障判断, 当出现故障时, 用不同的颜色进行报警。
实时显示直播间以及导播间的电源、温湿度, 设备安装机架的内部温度等。
用醒目的状态灯方式显示调音台主要推子的状态。
直观地显示主延时器的工作状态, 如直通、延时和关闭。
显示当前和下一个节目的类型, 如直播、转播、录播。
在状态显示窗口显示该频道当前工作状态, 一切正常时, 显示正常, 并用绿色表示;当系统处于应急播出状态时, 显示应急状态, 如垫乐播出、转播播出等, 并用醒目的红色显示。
(2) 总输出和空中回收信号监测工作站
专门设立输出和空中回收信号监视工作站。主要显示各个频率的主输出以及各个监测点的输出信号和空中回收信号的参数。
(3) 监听工作站
监听工作站主要实现对全部音频信号的智能化监听。为了操作方便, 监听工作站选用大触摸屏方式, 实现即点即听。
监听工作站在音量彩条界面上, 用触摸屏方式进行智能化监听。监听界面可以进行任意的组屏, 并在界面上实时显示各路信号的音量彩条。值班人员可以非常直观地看到各组信号的状况, 并任意选择监听。
(4) EQM-100系统状态监测和故障分析工作站
本系统全面监测了整个音频系统的工作状态, 包括音频信号、设备状态和环境状态、播出系统状态。本工作站通过简洁的界面, 全面显示整个系统的各个频率的设备和信号的当前运行状态。
通过本工作站, 可以图形化的方式显示整个系统的工艺流程、各个机房的设备联线情况、主要设备和音频信号的工作状态, 设备的安装信息以及设备的维护信息等, 并且还可完成对部分外转信号的预调。
当系统出现故障时, 它能够自动触发分析故障原因, 并以图形化的方式显示故障在整个工艺流程中的位置, 用于显示音频系统的工艺流程图。
该工作站主界面主要具有以下功能:
当音频信号或者设备状况出现故障或者异态时, 相应的状况栏的颜色会变化闪烁, 同时故障持续时间栏即开始计时, 值班人员通过颜色就可以很快地了解整个系统当前运行是否正常;
当系统出现任何的故障隐患时, 能够及时进行故障预警, 并在大屏幕上用图形和文字的方式, 通知值班员可能的故障隐患;
音频系统出现故障时, 能够用语音、声光、短消息等方式进行报警;
对进入网络音频矩阵的信号进行DSP处理。
通过按“详细状况”按键, 可以以图形化的方式显示所选频道的工艺流程、设备运行状况、设备安装情况、系统连线情况、设备维护情况等。
主要功能包括:显示各个频道的播出流程状态、各个机架的设备安装情况、设备连接情况、机架温湿度数据、机架供电电压等。
按频率工艺流程、直播间分布状况、设备分类、设备在各楼层的分布、各机房分布、以及机架分布等, 查看各个音频设备的当前工作状态以及各个节点的音频信号状况, 实时显示各个频道的信号。可实现从整体到局部再到具体设备及监测点的查看, 点击具体的音频信号监测点可选择监听。
根据不同的情况由用户自行定义音频传输的流程, 从而为系统进行故障分析时提供故障分析依据, 并以图形化的方式显示。
该功能主要是采用虚拟调音台对转播信号进行信号的预调整, 包括电平调整、压限处理、相位处理、参数均衡、LL、RR等。使得信号满足转播需要。
对各种可能发生的故障进行预警。故障类型和报警主要包括:对主输出信号出现异常、音频设备过热、转播信号故障等异常及时报警。
当出现故障时, 能够自动以图形化的方式, 直观地提示故障的原因和故障点;对非设备原因故障, 以文字的方式给出可能的原因;对设备原因的故障, 则显示故障设备在整个音频信号通路中的位置。
能够快速显示、查询故障设备的具体安装位置。
能够快速查询故障设备和其他设备的详细音频连线情况, 包括连线端子、连线编号等。
(5) 应急处理控制工作站
当发生故障或者信号劣播时, 实时地显示故障状态, 并根据应急预案, 自动给出处理各种故障的最佳解决方案或参考的解决方案, 实现故障的应急处理自动判断和自动执行。
应急处理采用“桌面化和按钮化”形式, 用触摸屏进行快速简单的操作, 提高处理的时效性。对音频系统的故障和异态进行自动紧急处理。
在自动处理模式下, 可以根据当前栏目的性质和内容, 智能化地确定应急播出音源, 在转播栏目时, 自动选择相应的外转信号, 在直播和录播栏目时, 自动选择Prolink1播4音源, 在任何时段, 必须保证广告的正常播出。倒换备播室时, 代播的音源应该来自备播室等。
系统可以根据故障发生的原因, 自动选择执行机构, 通过控制数字矩阵的输出信号, 或者通过网络音频矩阵的输出以及Prolink 1播4输出等, 从而在任何设备故障的情况下, 都能实现自动应急代播。
自动应急处理时, 有显著的提示, 包括故障内容、拟执行的操作等, 要求值班员进行确认。当在规定的时间内没有得到确认, 系统自动执行。
如果值班人员认为需要进行人工处理, 可以在自动应急处理生效前, 终止自动处理控制, 转为人工处理。
在人工处理模式下, 系统提供多个快捷按键, 包括一播四垫播、自动切转播等。快捷按键的意义可以事先定义。还应提供一键转换按键, 将调音台出现故障的频道直接切换到备播间。
在电平过高、过低、缺声道、反相等二级故障时, 可以通过人工操作进行信号的调整, 包括反相、LL、RR、L+R、左右电平调整等。
可以调出网络矩阵路由切换控制界面, 进行手动路由切换。
(6) 系统管理和查询工作站
本工作站主要实现对系统的设置、设备和系统信息的输入、通知的编发以及故障状况的分析和查询。完善的系统维护管理和值班任务管理全面的系统故障查询和统计。
对全台的安全播出情况, 可以按各个频率、并且可以按照栏目等详细分类, 统计广播播出质量分析报表, 可以进行月度、季度、年度产生质量分析报表, 结合在线设备的工作情况的纪录以及日常设备维护的纪录, 给每个设备建立档案, 给每次维护纪录建立档案。直观的显示节目播出、制作、编排、传输、发射等环节的异态出现概率, 为以后如何改善播出质量提供依据。
5 结束语
主控系统数字化建设集数字音频技术、计算机技术于一体, 能实现四套直播节目交换、调度和传输工作的数字化、自动化;实现联播、转播、彩条指示、无音频告警、自动补乐、应急播出、自动切换等功能;实现与现有的主控设备互为备份, 并为下一步设备的更新换代奠定基础。可以提高我台节目传输的技术质量, 能减轻值机员的劳动强度和减少因人为操作引起的播出事故, 同时, 为工作人员创造轻松的工作环境, 对于提升电台的从业人员整体的综合素质, 进一步推进我电台的数字化进程具有实际意义。
摘要：随着广播科技的不断变化, 广播电台主控系统也在不断地发展, 本文就我台主控系统的自动化、网络化、智能化的升级改造的方案进行了介绍。