多普勒天气雷达配电控制升级改造

摘 要：本文主要介绍多普勒天气雷达遥控配电系统结构，工作原理。并且通过分析配电系统出现的故障现象，以及解决方法，来对系统升级改造进行详细的阐述。

关键词：雷达配电系统 PLC控制单元 令牌环 升级改造

中图分类号：TN959.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（a）-0126-02

民航天津空管分局天气雷达是国内首个全相参双机热备多普勒天气雷达。采用模块化设计，性能优良，具有较高的可靠性，稳定性，可维护性及全天候的连续工作能力。为预报人员提供更多更准确的气象资料，为管制人员提供了更具参考价值的回波产品。它已经成为民航天津空管分局监视机场周围天气环境，保障飞行安全的重要武器。然而再完美的设备也会出现故障。雷达配电系统是整个雷达的电能量来源，通过对它的结构、工作原理以及故障现象进行分析，来修改系统的控制模式，进而完成系统的升级改造。使雷达运行更加稳定可靠，对保障强对流天气下飞行安全具有重大意义。

1 结构及原理

多普勒天气雷达遥控配电系统为整个雷达系统提供电能供应以及状态监控。采用两种控制模式：本控和遥控，为雷达的维护及使用提供了便利。它将雷达各个关键部位的实时电力及环境的监测数据送到主控台监控界面上，为雷达系统可靠运行提供决策服务。

1.1 结构

远程遥控配电系统主要由稳压源、浪涌抑制器、PLC及其配置模块、TeSys U（马达控制器）、温湿度传感器和电力监控仪组成。如图1。

核心部分包括控制分机、配电分机和主控中心，其中控制分机包括PLC及其配置模块，配置有Ethernet网口（支持TCP/IP协议）和RS485（支持Modbus协议）；配电分机包括8路TeSys U和电力监控仪，可以同时控制雷达的8个分系统的配电开关；主控中心包括主控计算机和交换机，主控计算机通过网络控制配电分机采集雷达各分系统配电状态和现场环境的监测数据。

1.2 原理

系统分为本控/遥控两种工作方式，两种方式都是控制TeSys U的A1、A2触点来实现对各个分系统的控制，本控时，直接用按钮接通触点；遥控时，通过外置中间继电器的辅助触点来控制。8路TeSys U的控制和状态信号、1路电量传感器和2路温湿度传感器的采集量都是通过基于Modbus协议的RS485接口送往PLC，再由PLC控制8路TeSys U执行供断电操作。如图2。

主控中心通过局域网对控制分机发出指令，控制分机接收指令后，通过TeSys U控制雷达各分机的配电，同时控制分机采集各分系统检测数据和环境数据，送往主控中心，为雷达系统可靠运行提供决策服务。

在此系统中，我们采用PLC作为远程遥控配电系统的控制核心，它通过TeSys U对雷达各个系统进行控制和状态监测，与TeSys U间采用Modbus通讯协议，温湿度传感器和电力监控仪也采用Modbus协议，RS485接口与PLC进行数据通讯。另外PLC配置有以太网口，采用TCP/IP协议，可以与互联网进行通讯。

2 故障分析处理

2.1 故障现象

将配电机柜空开总闸闭合，给控制分机上电后，无论遥控还是本控都不能正常给各个分系统供电。按下触电开关有时能够点亮（正常供电状态灯，即TeSys U的主极状态实时显示，表示继电器已经吸合），有时候需要等好久才能点亮，有时候不做反应。关闭分机配电也是同样现象。整个控制分机处于一个控制错乱的状态。

2.2 故障分析及维修

基于配电系统结构和工作原理分析，问题可能出在PLC、Modbus总线通信或其他11节点上。首先检查PLC和8个TeSys U，状态正常。再检查总线上每一个节点连接状态是否正常。对于TeSys U可以观察上面通信状态灯，如果为红色即为连接异常。经检查连接状态良好。检查1路电量传感器和2路温湿度传感器连接正常，状态正常。由于PLC控制混乱，考虑有肯能受某个节点影响，最后发现环境温湿度传感器通信速率发生改变，正常情况应为：9600 8N1通信格式。这个故障比较隐蔽。

分析造成故障的原因是由于温湿度传感器通信速率改变，但是工作状态正常，没有报警，造成当PLC读取它的数据时，不能正常读入，影响了对其他节点的访问。因为PLC与节点之间采用总线方式通信，用令牌环的方式实现对每个节点寻址和操作。当令牌交到温湿度传感器的时候，PLC就能与其通信，但是此时通信速率改变，造成读取温湿数据不成功，令牌没有被释放，影响了程序执行，因此不能继续寻址。

将用于测量环境温湿度传感器的通信格式修改正确后，遥控配电分机恢复正常。

3 系统改造升级方法

3.1 发现问题

虽然通过修正温湿度传感器的通信速率解决了配电系统故障问题，但是我们仔细一想如此庞大复杂的系统，作用又如此重要，因为一个温湿度传感器就造成了整个系统的瘫痪，这是让人很难接受的，并且以后可能还会出现同样的故障。因此开始推敲PLC控制程序，发现单令牌环寻址存在缺陷，只有将寻址方式改变才能更好的避免该问题的重复发生。

3.2 解决问题

PLC与其他11个节点以Modbus总线相连接。信息访问是通过在网络结点之间有序地传递token（令牌），来分配各结点对共享总线的访问权利，形成闭合的逻辑环路。物理上是总线网，逻辑上是环型网，如图3。

这种通信方式造成只有获得令牌的节点才能与PLC进行通信。而PLC控制程序实现配电系统的远程遥控开关机、本控开关机以及监测仪表的数据采集。系统需要完成的任务主要包括：8个TeSys U的本遥控开关机控制、状态采集和故障复位功能；1个电力监控仪的数据采集；通过对电压不平衡度的实时监测，实现缺相保护；2个温湿度传感器的数据采集；因此一个循环下来需要21次令牌交接，如果在某个节点上产生问题就会造成系统不能正常工作。

因此现在需要将PLC控制程序进行升级改造，仔细研究一下便能发现所有操作只有两种：读操作和写操作。因此将令牌环分成读令牌环和写令牌环，采用双令牌环的形式如图4。

两个令牌是独立运行不会相互影响，这样就解决了因为读令牌卡死，而不能写的问题，造成PLC控制混乱。从根本上避免了应为温湿度传感器故障，而造成整个雷达的瘫痪的问题。进而完成对整个配电系统的升级改造。

4 结语

远程遥控配电系统是多普勒天气雷达的重要组成部分，它负责整个雷达的电能供应。保证其工作稳定是雷达正常运行的基础。其核心部分就是PLC控制器，因此对其程序进行合理设计是十分必要的。采用双令牌环设计使系统运行更加稳定，避免因小失大故障的产生。通过PLC程序的成功改造，完成了配电系统的升级改造。

参考文献

[1] PLC教程，Frank D.Petruzella， Third Edition，人民邮电出版社，2007.

[2] M340编程手册，Schneider Electric China，2007.

[3] UNITY PRO操作手册，Schneider Electric China，2010.

[4] 开放型Modbus/TCP规范，Andy Swales， Schneider Electric China，1999.