基于PLC的車載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱亞峰 陳志堅(jiān)

摘 要： 針對傳統(tǒng)車載通信設(shè)備控制系統(tǒng)一直存在易受復(fù)雜環(huán)境干擾和控制準(zhǔn)確性差等問題。提出并設(shè)計(jì)基于PLC的車載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括自動(dòng)化模塊、控制模塊、通信模塊，通過PLC技術(shù)構(gòu)建自動(dòng)化模塊，對數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行優(yōu)化配置，完成數(shù)據(jù)信息的交互；根據(jù)信息反饋技術(shù)對通信信號(hào)載波進(jìn)行調(diào)試，采用多渠道輸送模式提高信號(hào)交換性能，實(shí)現(xiàn)車載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，其控制精度增加、效率較高，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

關(guān)鍵詞： 車載通信設(shè)備； 復(fù)雜環(huán)境； 多渠道輸送； 信號(hào)載波； 信息反饋； 控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN964?34； TN913 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）08?0037?04

Abstract： In allusion to the problems that the traditional vehicle?mounted communication equipment control system is always vulnerable to interference of complex environment， and has poor control accuracy， a PLC?based automatic control system for vehicle?mounted communication equipment is proposed and designed. The system mainly consists of automation module， control module and communication module. The automation module is established by using PLC technology to optimize the configuration of data attributes and complete the interaction of data information. According to the information feedback technology， the communication signal carriers are debugged. The multi?channel transmission mode is adopted to improve the signal exchange performance and realize the design of automation control system for vehicle?mounted communication equipment. The experimental results show that in comparison with the traditional control system， the control system with improved design has better control accuracy， higher efficiency and stronger anti?interference capability.

Keywords： vehicle?mounted communication equipment； complex environment； multi?channel transmission； signal carrier； information feedback； control system

0 引 言

隨著自動(dòng)化控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，PLC技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)車載通信設(shè)備控制系統(tǒng)在通信控制過程中，存在抗干擾能力差和控制準(zhǔn)確性低的不足。本文提出基于PLC的車載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)利用PLC技術(shù)的傳輸性能和可編程性，進(jìn)行通信邏輯控制，以PLC 控制模塊為通信控制系統(tǒng)的核心[1]，利用調(diào)制解調(diào)單元，對命令信號(hào)進(jìn)行調(diào)制調(diào)解，利用通信協(xié)議、通信端口設(shè)置實(shí)現(xiàn)通信設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力及準(zhǔn)確性[2]，分別對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)、抗干擾性實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PLC控制系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)抗干擾能力差和控制準(zhǔn)確性低的不足，同時(shí)提高了傳輸穩(wěn)定性，保障了車載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1 車載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的車載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要包含三大模塊：自動(dòng)化模塊、PLC控制模塊以及通信系統(tǒng)。

1.1 自動(dòng)化模塊設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要包括：電源、中央數(shù)據(jù)處理器（CPU）、儲(chǔ)存器、通信端口、輸入和輸出接口。電源主要為PLC提供穩(wěn)定的安全電壓[3]；CPU主要進(jìn)行邏輯運(yùn)算以及數(shù)據(jù)處理和發(fā)出操作指令等；儲(chǔ)存器主要為PLC提供數(shù)據(jù)儲(chǔ)存；通信端口作用是連接通信裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；輸入與輸出接口主要進(jìn)行信號(hào)輸入與輸出。

軟件模塊包括執(zhí)行程序和用戶程序。通過軟件設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)邏輯控制[4?5]。PLC自動(dòng)化模塊可分為三個(gè)階段：采樣與輸入階段、程序執(zhí)行階段、輸出更新階段。采樣與輸入階段主要是對車載通信設(shè)備信息采集與處理；程序執(zhí)行階段是執(zhí)行設(shè)計(jì)程序?qū)囕d通信設(shè)備進(jìn)行控制；更新與輸出階段主要是對執(zhí)行程序進(jìn)行更新與輸出。PLC自動(dòng)化模塊圖如圖1所示。

導(dǎo)入的PLC技術(shù)主要采用循環(huán)掃描的工作方式。在采樣與輸入階段，PLC以順序掃描方式讀取所有輸入端口通信信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。在程序執(zhí)行階段，PLC按照用戶程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算與算術(shù)運(yùn)算。按照編定的程序，進(jìn)行逐條執(zhí)行與控制。在更新與輸出階段，PLC進(jìn)行輸出控制信號(hào)以及對信號(hào)進(jìn)行更新，驅(qū)動(dòng)車載通信設(shè)備[6?7]。以上描述的三個(gè)階段的過程稱為一個(gè)掃描周期，PLC通過重復(fù)執(zhí)行掃描周期，從而完成預(yù)計(jì)任務(wù)。一般一個(gè)掃描周期為幾毫秒到十幾毫秒。至此，完成自動(dòng)化模塊的設(shè)計(jì)。

1.2 控制模塊設(shè)計(jì)

本文以PLC控制模塊為車載通信設(shè)備控制系統(tǒng)的核心，主體包括接受觸摸屏傳送的數(shù)據(jù)和邏輯點(diǎn)[8]。車載通信自動(dòng)控制系統(tǒng)使用兩個(gè)控件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以及數(shù)據(jù)控制信號(hào)設(shè)定。

控制模塊的設(shè)定中，首先完成數(shù)據(jù)屬性的配置，其主要包括數(shù)據(jù)長度、優(yōu)先級(jí)、標(biāo)識(shí)屏蔽碼以及標(biāo)識(shí)碼等；其次進(jìn)行解調(diào)命令，將數(shù)據(jù)按照PLC固定格式寫入，并進(jìn)行邏輯點(diǎn)控制等待發(fā)送；最后完成命令信息的發(fā)送[7]。其中具體關(guān)鍵命令程序部分如下：

通過對PLC控制模塊的邏輯編輯，完成自動(dòng)化控制部分的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.3 車載通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載通信系統(tǒng)主要包括車載通信收發(fā)模塊和車載收發(fā)天線。車載收發(fā)天線是利用輻射功能，接收和發(fā)出無線電波[9]。車載通信收發(fā)器作為車載通信收發(fā)模塊的主體部分，主要利用反饋技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，其主要任務(wù)是進(jìn)行車輛總線之間的通信和完成載波信號(hào)的調(diào)制解調(diào)[10]。按照功能組成，車載通信收發(fā)器可劃分為PLC控制單元、控制接口、串口通信、調(diào)制解調(diào)單元、撥碼開關(guān)、發(fā)送電路、總線接口、接收電路以及系統(tǒng)電源等。車載通信設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

通信單元是利用反饋系統(tǒng)程序、用戶程序進(jìn)行設(shè)定的，采用高速單片機(jī)完成與上位機(jī)和調(diào)制解調(diào)單元之間的通信；調(diào)制解調(diào)單元主要作用是完成反饋控制單元發(fā)出信號(hào)的調(diào)制解調(diào)；控制接口是對控制單元發(fā)出控制指令進(jìn)行控制傳輸；接收電路的主要作用是濾掉雜波，使接收到的信號(hào)更加準(zhǔn)確穩(wěn)定；串口通信是將傳輸指令進(jìn)行多端口的通信；發(fā)送電路作用是發(fā)送傳輸信號(hào)電路，對調(diào)制調(diào)解后的載波信號(hào)進(jìn)行處理，將信號(hào)發(fā)送到固定端，進(jìn)行信號(hào)的交互傳輸。

設(shè)計(jì)的PLC的控制單元能夠支持多通信協(xié)議進(jìn)行通信。其通信協(xié)議主要包括：點(diǎn)對點(diǎn)接口協(xié)議、多點(diǎn)接口協(xié)議、自由通信接口協(xié)議等。

在通信程序的設(shè)計(jì)上，用兩個(gè)反饋系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使用PLC1通信端口與PLC2通信端口作為PLC的通信通道，進(jìn)行多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸。PLC1通信端口作為PLC通信主站，通信地址為00，PLC2通信端口作為PLC通信從站，通信地址為01。PLC通信程序采用NEFW/NEFV指令分別讀取2通信端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，并寫入2通信端口數(shù)據(jù)中，實(shí)現(xiàn)通信程序的設(shè)計(jì)。其通信端口設(shè)置參數(shù)如表1所示。

通信程序是利用調(diào)制解調(diào)單元的軟件設(shè)計(jì)功能進(jìn)行PLC通信協(xié)議、通信端口的設(shè)置。狀態(tài)字節(jié)代表通信系統(tǒng)傳輸能力；傳輸?shù)刂反頂?shù)據(jù)傳輸目標(biāo)；通過字節(jié)配置通信端口，實(shí)現(xiàn)端口通信操作。從而完成車載通信設(shè)備的信息傳遞。

2 測試與仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 測試準(zhǔn)備與目的

為了測試本文設(shè)計(jì)的車載通信設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，分別使用傳統(tǒng)車載通信自動(dòng)控制系統(tǒng)和基于PLC的控制系統(tǒng)，進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)采用可視數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對可靠性實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。

2.2 可靠性實(shí)驗(yàn)

可靠性是驗(yàn)證控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制時(shí)的運(yùn)行可靠度，以保證控制系統(tǒng)在極限條件下可靠運(yùn)行。運(yùn)行可靠度（Operational reliability）用OLR表示，OLR低于50表示運(yùn)行不可靠，OLR高于75表示可以安全運(yùn)行，OLR介于50～75之間表示可以運(yùn)行但存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

通過不同控制系統(tǒng)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)得出自動(dòng)控制可靠性曲線，如圖3所示。自動(dòng)控制可靠性曲線橫坐標(biāo)采用指數(shù)坐標(biāo)，代表實(shí)驗(yàn)時(shí)間從1～100 000 h。主要縱坐標(biāo)代表OLR值，副縱坐標(biāo)代表OLR差，其意義是PLC控制系統(tǒng)OLR值與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)OLR值的差。

通過圖3分析得出，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間超過50 h，其系統(tǒng)可靠性明顯降低，達(dá)到1 000 h后保持OLR50平衡，系統(tǒng)可以運(yùn)行但存在安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)超過10 000 h后傳統(tǒng)系統(tǒng)無法可靠運(yùn)行?；赑LC改善的控制系統(tǒng)運(yùn)行1 h具有明顯的不確定性，當(dāng)系統(tǒng)預(yù)熱超過1 h，其OLR值隨運(yùn)行時(shí)間單調(diào)提升。超過10 000 h后，仍能保持ORL85以上的高可靠性運(yùn)行。通過可靠性實(shí)驗(yàn)，說明了基于PLC的車載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以安全可靠的運(yùn)行。

2.3 準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確性是驗(yàn)證控制系統(tǒng)的輸出與執(zhí)行是否能夠準(zhǔn)確控制，保證輸入與執(zhí)行的一致性。量化標(biāo)準(zhǔn)采用輸出/執(zhí)行代表。輸出/執(zhí)行達(dá)到10時(shí)，代表輸出與執(zhí)行能夠保持一定一致性。輸出/執(zhí)行達(dá)到15時(shí)，代表輸出與執(zhí)行不能保持一致性，系統(tǒng)不能準(zhǔn)確運(yùn)行。輸出/執(zhí)行介于10～15時(shí)，代表系統(tǒng)指令與執(zhí)行存在一定丟失，系統(tǒng)運(yùn)行不安全。通過對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行對比準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)，得出系統(tǒng)輸出/執(zhí)行準(zhǔn)確性曲線。如圖4所示，縱坐標(biāo)代表輸出/執(zhí)行，橫坐標(biāo)代表測試時(shí)間。根據(jù)圖4分析得出，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)運(yùn)行5 000 h時(shí)具有良好的準(zhǔn)確性，運(yùn)行區(qū)間在5 000～15 000 h內(nèi)，準(zhǔn)確性下降，輸出/執(zhí)行值達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)值。運(yùn)行時(shí)間超過15 000 h時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行不可靠。PLC控制系統(tǒng)明顯改善了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行不可靠性，運(yùn)行區(qū)間在5 000～30 000 h其輸出/執(zhí)行均穩(wěn)定顯示，系統(tǒng)可以可靠運(yùn)行，保證高準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 語

基于PLC的車載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)，改善了通信設(shè)備控制系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)通信方案。通過可靠性實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出PLC控制系統(tǒng)具有良好的可靠性，較強(qiáng)的抗干擾能力和穩(wěn)定的傳輸性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡燦，吳明清，陳曉川.基于PLC技術(shù)的軋花自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015，37（5）：167?172.

HU Can， WU Mingqing， CHEN Xiaochuan. Design and research of the ginning automatic control system based on PLC technology [J]. Journal of agricultural mechanization research， 2015， 37（5）： 167?172.

[2] 吳明永，李菊生，王國偉.基于PLC的硅鐵配料自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)，2016，46（2）：72?76.

WU Mingyong， LI Jusheng， WANG Guowei. Design and application of ferrosilicon batching automatic control system based on PLC [J]. Electric drive， 2016， 46（2）： 72?76.

[3] 尹權(quán)，張鐵中，李軍，等.基于PLC的一種茄科整排自動(dòng)嫁接機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017，39（5）：75?83.

YIN Quan， ZHANG Tiezhong， LI Jun， et al. PLC control system design for a kind of solanaceae whole row of automatic grafting machine [J]. Journal of agricultural mechanization research， 2017， 39（5）： 75?83.

[4] 李曉丹.基于PLC控制的雙頭高效自動(dòng)倒角機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2015，43（16）：19?21.

LI Xiaodan. System design of efficient double?headed automatic chamfering machine based on PLC [J]. Machine tool &； hydraulics， 2015， 43（16）： 19?21.

[5] 董麗梅.基于PLC的鑄造熔爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（17）：138?140.

DONG Limei. Design of PLC?based combustion automatic control system of casting furnace [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（17）： 138?140.

[6] CHEN Haoyang. Design of the automatic control system of retorts based on PLC [J]. Beverage industry， 2015， 18（1）： 75?79.

[7] CHEN Huilian， GU Mingyue， ZHENG Yanbo， et al. Design of automatic control system of temperature and humidity based on PLC [J]. Journal of Chinese agricultural mechanization， 2015， 36（2）： 246?248.

[8] HAN M， QI Z， CHU B， et al. Design of automatic control system of solid?liquid separator based on Mitsubishi Company′s PLC [J]. Journal of agricultural mechanization research， 2018（2）： 175?179.

[9] SI D， LIU C， LIU J. Design and application of pressure fan automatic control system based on PLC [J]. Shandong coal science &； technology， 2016（4）： 11?13.

[10] CAI M. Design of machine automatic control system based on Siemens PLC [J]. Smart factory， 2016（11）： 14?19.