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

朱建芳

摘 要： 傳統(tǒng)車(chē)載通信控制系統(tǒng)的抗干擾能力較差，控制準(zhǔn)確率低下，限制了車(chē)載通信系統(tǒng)的應(yīng)用。為此，文中開(kāi)發(fā)基于PLC的車(chē)載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)，其主要由自動(dòng)化控制模塊、PLC控制模塊以及車(chē)載通信系統(tǒng)組成。PLC控制模塊采用西門(mén)子公司的通用閉環(huán)控制模塊，其可應(yīng)用于快速閉環(huán)控制系統(tǒng)中，當(dāng)插入不同的軟件功能模塊便可形成不同的控制結(jié)構(gòu)；采用5層結(jié)構(gòu)的DSRC進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，提高了數(shù)據(jù)收發(fā)的穩(wěn)定性。對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠性和抗干擾試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。

關(guān)鍵詞： 車(chē)載通信設(shè)備； PLC控制模塊； 自動(dòng)化控制； DSRC協(xié)議； 閉環(huán)控制； 抗干擾； 可靠性

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915.05?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）14?0034?03

Design of PLC?based automation control system for vehicle?mounted

communication equipment

ZHU Jianfang

（Guangzhou Maritime University， Guangzhou 510725， China）

Abstract： The traditional vehicle?mounted communication control system has poor anti?interference capability and low control accuracy， which limits the application of the vehicle?mounted communication system. Therefore， a PLC?based automation control system for vehicle?mounted communication equipment is developed in this paper. The system is mainly composed of the automation control module， PLC control module， and vehicle?mounted communication system. In the PLC control module， the general closed?loop control module of Siemens is adopted， which can be applied in the fast closed?loop control system. When a different software functional module is inserted， a different control structure is formed. A 5?layer structured DSRC is adopted to receive and send data， so as to improve the stability of data transmission and reception. A reliability and anti?interference test of the control system was performed， and the test results verified the stability and reliability of the system.

Keywords： vehicle?mounted communication equipment； PLC control module； automation control； DSRC protocol； closed?loop control； anti?interference； reliability

0 引 言

車(chē)載通信系統(tǒng)是汽車(chē)的核心模塊，其擔(dān)負(fù)著在高速行駛的汽車(chē)中實(shí)現(xiàn)交通高度信息化、智能化。車(chē)載通信系統(tǒng)通過(guò)車(chē)車(chē)、車(chē)路通信將交通參與者、交通工具及其環(huán)境有機(jī)結(jié)合，提高了交通系統(tǒng)的安全和效率[1?4]。為了發(fā)揮車(chē)載通信系統(tǒng)的作用，必須對(duì)其進(jìn)行控制。傳統(tǒng)車(chē)載通信控制系統(tǒng)的抗干擾能力較差，控制準(zhǔn)確率低下，限制了車(chē)載通信系統(tǒng)的應(yīng)用。為此，本文開(kāi)發(fā)了基于PLC的車(chē)載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了可靠性與抗干擾試驗(yàn)，證明了設(shè)計(jì)的可行性和正確性。

1 車(chē)載通信自動(dòng)化控制系統(tǒng)

本文所設(shè)計(jì)的車(chē)載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分，即PLC自動(dòng)化模塊、PLC控制模塊以及車(chē)載通信系統(tǒng)[5?6]。

1.1 自動(dòng)化模塊

PLC自動(dòng)化模塊主要由4個(gè)部分組成：中央處理單元（CPU）、輸入接口部件、輸出接口部件以及電源部。中央處理單元用于對(duì)整個(gè)PLC自動(dòng)化模塊進(jìn)行控制；電源部件為PLC內(nèi)部電路提供電源；輸入接口部件用于連接進(jìn)行指令輸入的設(shè)備，其包括觸控屏、按鍵等指令輸入設(shè)備；輸出接口部件用于連接接收自動(dòng)化模塊指令的設(shè)備，本文主要指車(chē)載通信設(shè)備。

1.2 PLC控制模塊

本文PLC控制模塊采用的是西門(mén)子公司的通用閉環(huán)控制模塊，其可應(yīng)用于快速閉環(huán)控制系統(tǒng)中，當(dāng)插入不同的軟件功能模塊便可形成不同的控制結(jié)構(gòu)。通常安裝于PLC的I/O框架上，通過(guò)其自身的接口一方面與PLC的系統(tǒng)總線(xiàn)相連，另一方面與被控對(duì)象相連。在不占用PLC的CPU資源情況下，可并行管理8個(gè)閉環(huán)回路。通用閉環(huán)控制模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。整個(gè)模塊可分為兩大部分，上部為處理器部分，下部為模擬與脈沖輸入部分，兩部分通過(guò)電纜相連。

1） 處理器部分。本模塊是智能模塊處理器部分，采用80186作微處理器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制算法的計(jì)算及各個(gè)控制功能的實(shí)現(xiàn)。圖中的總線(xiàn)接口用于與PLC的系統(tǒng)總線(xiàn)相連，并通過(guò)其與PLC的CPU進(jìn)行信息交換。編程器接口與編程器相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的編程與監(jiān)控。系統(tǒng)內(nèi)尚有存儲(chǔ)器子模塊接口，存儲(chǔ)子模塊中包括16 kB EPROM和4 kB E2PROM。EPROM中存放與控制結(jié)構(gòu)相應(yīng)的系統(tǒng)軟件，E2PROM中存放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。不同的控制結(jié)構(gòu)需要不同的系統(tǒng)軟件，由插入模塊內(nèi)不同的存儲(chǔ)子模塊內(nèi)容來(lái)確定。

2） 模擬與脈沖輸入部分。模擬部分包括：模擬量輸入通道（A/D），輸入通道數(shù)為8路、12位、輸入信號(hào)范圍為±10 V；模量輸出通道（D/A），輸出通道數(shù)亦為8路、12位，輸出信號(hào)范圍為±10 V，且有短路保護(hù)。另外，還有脈沖輸入部分，計(jì)數(shù)范圍為0～32 767，碼盤(pán)電源電壓5 V，最大輸入頻率為500 kHz。通過(guò)上述3個(gè)接口可與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程相連。

1.3 車(chē)載通信系統(tǒng)

車(chē)載通信系統(tǒng)包括車(chē)與路的通信以及車(chē)與車(chē)之間的通信，其由路側(cè)單元（Road Said Unit，RSU）以及車(chē)載單元（On Board Unit，OBU）組成[7?8]。車(chē)載單元OBU負(fù)責(zé)采集車(chē)輛的信息，包括GPS定位信息、汽車(chē)油量、車(chē)輛狀態(tài)信息等以及司機(jī)遇到緊急事件時(shí)所進(jìn)行的操作記錄的信息。再通過(guò)DSRC通信協(xié)議將采集的信息發(fā)送至路側(cè)單元RSU，路側(cè)單元RSU再將信息通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送至PLC控制中心進(jìn)行車(chē)載通信控制。車(chē)載單元OBU的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本文車(chē)載通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)采用DSRC通信協(xié)議，其協(xié)議層次如圖4所示。主要分為5層，分別為L(zhǎng)1物理層、L2數(shù)據(jù)鏈層、L3網(wǎng)絡(luò)層、L4傳輸層以及L7應(yīng)用層[9]。其中，數(shù)據(jù)鏈層由LLC子層以及MAC子層構(gòu)成。物理層與MAC子層下部分采用IEEE 802.11p協(xié)議，MAC子層上部分采用IEEE 1609.4 WAVE多信道運(yùn)行協(xié)議，其定義了一種MAC增強(qiáng)機(jī)制，為系統(tǒng)提供了多信道協(xié)作功能。LLC子層及傳輸層采用IEEE 1609.3 WAVE網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議，其確定了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸形式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與目前網(wǎng)絡(luò)的融合。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試本文所設(shè)計(jì)的車(chē)載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，文中對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。首先對(duì)其控制運(yùn)行可靠性進(jìn)行了測(cè)試，分別采用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行，得到傳統(tǒng)控制系統(tǒng)以及PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠度。運(yùn)行可靠度能夠衡量控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性能。當(dāng)其值在75%～100%之間時(shí)，證明該控制系統(tǒng)可以安全運(yùn)行。當(dāng)其值在50%～75%之間時(shí)，說(shuō)明該控制系統(tǒng)能夠運(yùn)行，但存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)其值在50%以下時(shí)，說(shuō)明該控制系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，可靠性差。

由圖5可以看到，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在運(yùn)行超過(guò)75 h后，其運(yùn)行可靠度大幅度下降；在超過(guò)100 000 h后，其系統(tǒng)運(yùn)行可靠性已下降至50%以下，控制系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。而對(duì)于PLC控制系統(tǒng)，其運(yùn)行可靠性隨著運(yùn)行時(shí)間增大而增大，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間大于10 h時(shí)，其運(yùn)行可靠度上升至75%，并隨運(yùn)行時(shí)間的增大持續(xù)增長(zhǎng)，最終穩(wěn)定在70%～100%之間?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，說(shuō)明PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

隨后對(duì)輸入、輸入執(zhí)行的一致性進(jìn)行測(cè)試。從圖6可以看出，PLC控制系統(tǒng)的輸入/執(zhí)行始終穩(wěn)定在5以下，而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的輸入/執(zhí)行隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)而持續(xù)增大。輸出/執(zhí)行小于10時(shí)，代表輸出與執(zhí)行能夠保持一定的一致性；而在10～15之間時(shí)，則代表系統(tǒng)輸出與執(zhí)行有一定的指令丟失；大于15則表示輸入/執(zhí)行無(wú)法保持一致性。因此，PLC控制系統(tǒng)具有較好的指令執(zhí)行正確性。從實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可得，本文所設(shè)計(jì)的基于PLC的車(chē)載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性和控制正確性，能滿(mǎn)足車(chē)載通信設(shè)備控制的需求。

3 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)車(chē)載通信控制系統(tǒng)的抗干擾能力較差、控制準(zhǔn)確率低下，限制了車(chē)載通信系統(tǒng)的應(yīng)用。為此，本文開(kāi)發(fā)了基于PLC的車(chē)載通信設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)，其主要分為自動(dòng)化控制模塊、PLC控制模塊以及車(chē)載通信系統(tǒng)。PLC控制模塊采用西門(mén)子公司的通用閉環(huán)控制模塊，其可應(yīng)用于快速閉環(huán)控制系統(tǒng)中。當(dāng)插入不同的軟件功能模塊便可形成不同的控制結(jié)構(gòu)；采用5層結(jié)構(gòu)的DSRC進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，從而提高了數(shù)據(jù)收發(fā)的穩(wěn)定性。此外，還對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性及抗干擾試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 裴亮，李曄，馮耀寧，等.基于PLC的噴桿噴霧機(jī)變量噴霧自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2018，40（4）：129?132.

PEI Liang， LI Ye， FENG Yaoning， et al. Design of variable spray automatic control system for boom sprayer based on PLC [J]. Journal of agricultural mechanization research， 2018， 40（4）： 129?132.

[2] 毛梨華.車(chē)載通信設(shè)備動(dòng)態(tài)運(yùn)用管理系統(tǒng)方案研究[J].鐵道通信信號(hào)，2014，50（12）：66?69.

MAO Lihua. Research on dynamic application management system of vehicle communication equipment [J]. Railway signalling & communication， 2014， 50（12）： 66?69.

[3] 關(guān)曉菡，馬曉.基于STM32的雙向交互式車(chē)載通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，16（12）：36?39.

GUAN Xiaohan， MA Xiao. Two?way interactive vehicle communication system based on STM32 [J]. Microcontrollers & embedded systems， 2016， 16（12）： 36?39.

[4] 郭一凡，宋宇飛，林羽晨.基于太陽(yáng)能的車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（6）：58?59.

GUO Yifan， SONG Yufei， LIN Yuchen. Design of vehicle?mounted wireless communication system based on solar energy [J]. Internet of Things technologies， 2016， 6（6）： 58?59.

[5] 周鵬飛，喬佳，李良.一種車(chē)載設(shè)備通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2018（3）：67?69.

ZHOU Pengfei， QIAO Jia， LI Liang. Design and implementation of a communication system in vehicles [J]. Computer applications and software， 2018（3）： 67?69.

[6] 潘玲云，王慶林，張磊.車(chē)載“動(dòng)中通”伺服控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（15）：38?41.

PAN Lingyun， WANG Qinglin， ZHANG Lei. Research and application of servo control system for "communication in moving" on vehicle SATCOM [J]. Microcomputer & its applications， 2016， 35（15）： 38?41.

[7] 李丹.車(chē)載信息安全控制系統(tǒng)的研究[D].長(zhǎng)春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

LI Dan. Research on vehicle information security control system [D]. Changchun： Jilin Agricultural University， 2016.

[8] 邢紅霞.城市軌道交通基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)后備模式方案[J].城市軌道交通研究，2012，15（5）：42?45.

XING Hongxia. Urban mass transit scheme of CBTC system backup mode [J]. Urban mass transit， 2012， 15（5）： 42?45.

[9] 張友兵，王建敏，孫可.基于MVB總線(xiàn)的DMI與車(chē)載設(shè)備通信方法[J].鐵道通信信號(hào)，2014，50（11）：77?81.

ZHANG Youbing， WANG Jianmin， SUN Ke. Communication method between DMI and vehicle?mounted equipment based on MVB bus [J]. Railway signalling & communication，2014， 50（11）： 77?81.