朱亞峰 陳志堅

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)境干擾和控制準確性差等問題。提出并設(shè)計基于PLC的車載通信設(shè)備自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括自動化模塊、控制模塊、通信模塊，通過PLC技術(shù)構(gòu)建自動化模塊，對數(shù)據(jù)屬性進行優(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)對通信信號載波進行調(diào)試，采用多渠道輸送模式提高信號交換性能，實現(xiàn)車載通信設(shè)備自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果表明，采用改進設(shè)計的控制系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，其控制精度增加、效率較高，同時具有較強的抗干擾能力。

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

中圖分類號： TN964?34； TN913 文獻標識碼： A 文章編號： 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確性低的不足。本文提出基于PLC的車載通信設(shè)備自動化控制系統(tǒng)設(shè)計。該控制系統(tǒng)利用PLC技術(shù)的傳輸性能和可編程性，進行通信邏輯控制，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，對命令信號進行調(diào)制調(diào)解，利用通信協(xié)議、通信端口設(shè)置實現(xiàn)通信設(shè)計。為了驗證設(shè)計系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力及準確性[2]，分別對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)進行可靠性實驗、抗干擾性實驗和準確性實驗?；趯嶒灲Y(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確性低的不足，同時提高了傳輸穩(wěn)定性，保障了車載通信設(shè)備自動化控制系統(tǒng)安全運行。

1 車載通信設(shè)備自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

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

1.1 自動化模塊設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要包括：電源、中央數(shù)據(jù)處理器（CPU）、儲存器、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主要進行邏輯運算以及數(shù)據(jù)處理和發(fā)出操作指令等；儲存器主要為PLC提供數(shù)據(jù)儲存；通信端口作用是連接通信裝置進行數(shù)據(jù)通信；輸入與輸出接口主要進行信號輸入與輸出。

軟件模塊包括執(zhí)行程序和用戶程序。通過軟件設(shè)計，從而實現(xiàn)邏輯控制[4?5]。PLC自動化模塊可分為三個階段：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)計程序?qū)囕d通信設(shè)備進行控制；更新與輸出階段主要是對執(zhí)行程序進行更新與輸出。PLC自動化模塊圖如圖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按照用戶程序進行邏輯運算與算術(shù)運算。按照編定的程序，進行逐條執(zhí)行與控制。在更新與輸出階段，PLC進行輸出控制信號以及對信號進行更新，驅(qū)動車載通信設(shè)備[6?7]。以上描述的三個階段的過程稱為一個掃描周期，PLC通過重復(fù)執(zhí)行掃描周期，從而完成預(yù)計任務(wù)。一般一個掃描周期為幾毫秒到十幾毫秒。至此，完成自動化模塊的設(shè)計。

1.2 控制模塊設(shè)計

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[8]。車載通信自動控制系統(tǒng)使用兩個控件進行數(shù)據(jù)交換，以及數(shù)據(jù)控制信號設(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、標識屏蔽碼以及標識碼等；其次進行解調(diào)命令，將數(shù)據(jù)按照PLC固定格式寫入，并進行邏輯點控制等待發(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，完成自動化控制部分的系統(tǒng)設(shè)計。

1.3 車載通信系統(tǒng)設(shè)計

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)進行自動控制，其主要任務(wù)是進行車輛總線之間的通信和完成載波信號的調(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、用戶程序進行設(shè)定的，采用高速單片機完成與上位機和調(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，使接收到的信號更加準確穩(wěn)定；串口通信是將傳輸指令進行多端口的通信；發(fā)送電路作用是發(fā)送傳輸信號電路，對調(diào)制調(diào)解后的載波信號進行處理，將信號發(fā)送到固定端，進行信號的交互傳輸。

設(shè)計的PLC的控制單元能夠支持多通信協(xié)議進行通信。其通信協(xié)議主要包括：點對點接口協(xié)議、多點接口協(xié)議、自由通信接口協(xié)議等。

在通信程序的設(shè)計上，用兩個反饋系統(tǒng)進行數(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)進行通信，并寫入2通信端口數(shù)據(jù)中，實現(xiàn)通信程序的設(shè)計。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)計功能進行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；通過字節(jié)配置通信端口，實現(xiàn)端口通信操作。從而完成車載通信設(shè)備的信息傳遞。

2 測試與仿真實驗

2.1 測試準備與目的

為了測試本文設(shè)計的車載通信設(shè)備自動控制系統(tǒng)的可靠性和準確性，分別使用傳統(tǒng)車載通信自動控制系統(tǒng)和基于PLC的控制系統(tǒng)，進行可靠性實驗和準確性實驗。本次實驗采用可視數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對可靠性實驗和準確性實驗進行數(shù)據(jù)采集與分析。

2.2 可靠性實驗

可靠性是驗證控制系統(tǒng)進行自動化控制時的運行可靠度，以保證控制系統(tǒng)在極限條件下可靠運行。運行可靠度（Operational reliability）用OLR表示，OLR低于50表示運行不可靠，OLR高于75表示可以安全運行，OLR介于50～75之間表示可以運行但存在安全風險。

通過不同控制系統(tǒng)進行對比實驗得出自動控制可靠性曲線，如圖3所示。自動控制可靠性曲線橫坐標采用指數(shù)坐標，代表實驗時間從1～100 000 h。主要縱坐標代表OLR值，副縱坐標代表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)運行時間超過50 h，其系統(tǒng)可靠性明顯降低，達到1 000 h后保持OLR50平衡，系統(tǒng)可以運行但存在安全風險。當超過10 000 h后傳統(tǒng)系統(tǒng)無法可靠運行。基于PLC改善的控制系統(tǒng)運行1 h具有明顯的不確定性，當系統(tǒng)預(yù)熱超過1 h，其OLR值隨運行時間單調(diào)提升。超過10 000 h后，仍能保持ORL85以上的高可靠性運行。通過可靠性實驗，說明了基于PLC的車載通信設(shè)備自動化控制系統(tǒng)可以安全可靠的運行。

2.3 準確性實驗

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

3 結(jié) 語

基于PLC的車載通信設(shè)備自動化控制系統(tǒng)，改善了通信設(shè)備控制系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)通信方案。通過可靠性實驗和準確性實驗驗證，得出PLC控制系統(tǒng)具有良好的可靠性，較強的抗干擾能力和穩(wěn)定的傳輸性能。

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