基于PLC的車載通信設備自動化控制系統設計

朱亞峰 陳志堅

摘 要： 針對傳統車載通信設備控制系統一直存在易受復雜環境干擾和控制準確性差等問題。提出并設計基于PLC的車載通信設備自動化控制系統。該系統主要包括自動化模塊、控制模塊、通信模塊，通過PLC技術構建自動化模塊，對數據屬性進行優化配置，完成數據信息的交互；根據信息反饋技術對通信信號載波進行調試，采用多渠道輸送模式提高信號交換性能，實現車載通信設備自動化控制系統的設計。實驗結果表明，采用改進設計的控制系統，相比傳統控制系統，其控制精度增加、效率較高，同時具有較強的抗干擾能力。

關鍵詞： 車載通信設備； 復雜環境； 多渠道輸送； 信號載波； 信息反饋； 控制系統

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的不斷發展，PLC技術得到了廣泛應用。傳統車載通信設備控制系統在通信控制過程中，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的車載通信設備自動化控制系統設計。該控制系統利用PLC技術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的核心[1]，利用調制解調單元，對命令信號進行調制調解，利用通信協議、通信端口設置實現通信設計。為了驗證設計系統的可靠性、抗干擾能力及準確性[2]，分別對傳統控制系統和PLC控制系統進行可靠性實驗、抗干擾性實驗和準確性實驗?；趯嶒灲Y果表明，PLC控制系統改善了傳統控制系統抗干擾能力差和控制準確性低的不足，同時提高了傳輸穩定性，保障了車載通信設備自動化控制系統安全運行。

1 車載通信設備自動化控制系統設計

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

1.1 自動化模塊設計

硬件系統主要包括：電源、中央數據處理器（CPU）、儲存器、通信端口、輸入和輸出接口。電源主要為PLC提供穩定的安全電壓[3]；CPU主要進行邏輯運算以及數據處理和發出操作指令等；儲存器主要為PLC提供數據儲存；通信端口作用是連接通信裝置進行數據通信；輸入與輸出接口主要進行信號輸入與輸出。

軟件模塊包括執行程序和用戶程序。通過軟件設計，從而實現邏輯控制[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備信息采集與處理；程序執行階段是執行設計程序對車載通信設備進行控制；更新與輸出階段主要是對執行程序進行更新與輸出。PLC自動化模塊圖如圖1所示。

導入的PLC技術主要采用循環掃描的工作方式。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，實現數據的采集。在程序執行階段，PLC按照用戶程序進行邏輯運算與算術運算。按照編定的程序，進行逐條執行與控制。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，驅動車載通信設備[6?7]。以上描述的三個階段的過程稱為一個掃描周期，PLC通過重復執行掃描周期，從而完成預計任務。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計。

1.2 控制模塊設計

本文以PLC控制模塊為車載通信設備控制系統的核心，主體包括接受觸摸屏傳送的數據和邏輯點[8]。車載通信自動控制系統使用兩個控件進行數據交換，以及數據控制信號設定。

控制模塊的設定中，首先完成數據屬性的配置，其主要包括數據長度、優先級、標識屏蔽碼以及標識碼等；其次進行解調命令，將數據按照PLC固定格式寫入，并進行邏輯點控制等待發送；最后完成命令信息的發送[7]。其中具體關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設計。

1.3 車載通信系統設計

車載通信系統主要包括車載通信收發模塊和車載收發天線。車載收發天線是利用輻射功能，接收和發出無線電波[9]。車載通信收發器作為車載通信收發模塊的主體部分，主要利用反饋技術進行自動控制，其主要任務是進行車輛總線之間的通信和完成載波信號的調制解調[10]。按照功能組成，車載通信收發器可劃分為PLC控制單元、控制接口、串口通信、調制解調單元、撥碼開關、發送電路、總線接口、接收電路以及系統電源等。車載通信設備自動控制系統結構圖如圖2所示。

通信單元是利用反饋系統程序、用戶程序進行設定的，采用高速單片機完成與上位機和調制解調單元之間的通信；調制解調單元主要作用是完成反饋控制單元發出信號的調制解調；控制接口是對控制單元發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定；串口通信是將傳輸指令進行多端口的通信；發送電路作用是發送傳輸信號電路，對調制調解后的載波信號進行處理，將信號發送到固定端，進行信號的交互傳輸。

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

在通信程序的設計上，用兩個反饋系統進行數據交換，使用PLC1通信端口與PLC2通信端口作為PLC的通信通道，進行多字節數據傳輸。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通信端口的數據進行通信，并寫入2通信端口數據中，實現通信程序的設計。其通信端口設置參數如表1所示。

通信程序是利用調制解調單元的軟件設計功能進行PLC通信協議、通信端口的設置。狀態字節代表通信系統傳輸能力；傳輸地址代表數據傳輸目標；通過字節配置通信端口，實現端口通信操作。從而完成車載通信設備的信息傳遞。

2 測試與仿真實驗

2.1 測試準備與目的

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

2.2 可靠性實驗

可靠性是驗證控制系統進行自動化控制時的運行可靠度，以保證控制系統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OLR值與傳統控制系統OLR值的差。

通過圖3分析得出，傳統控制系統運行時間超過50 h，其系統可靠性明顯降低，達到1 000 h后保持OLR50平衡，系統可以運行但存在安全風險。當超過10 000 h后傳統系統無法可靠運行?；赑LC改善的控制系統運行1 h具有明顯的不確定性，當系統預熱超過1 h，其OLR值隨運行時間單調提升。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的車載通信設備自動化控制系統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的輸出與執行是否能夠準確控制，保證輸入與執行的一致性。量化標準采用輸出/執行代表。輸出/執行達到10時，代表輸出與執行能夠保持一定一致性。輸出/執行達到15時，代表輸出與執行不能保持一致性，系統不能準確運行。輸出/執行介于10～15時，代表系統指令與執行存在一定丟失，系統運行不安全。通過對傳統控制系統與PLC控制系統進行對比準確性實驗，得出系統輸出/執行準確性曲線。如圖4所示，縱坐標代表輸出/執行，橫坐標代表測試時間。根據圖4分析得出，傳統控制系統運行5 000 h時具有良好的準確性，運行區間在5 000～15 000 h內，準確性下降，輸出/執行值達到風險值。運行時間超過15 000 h時系統運行不可靠。PLC控制系統明顯改善了傳統控制系統的運行不可靠性，運行區間在5 000～30 000 h其輸出/執行均穩定顯示，系統可以可靠運行，保證高準確性。

3 結 語

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

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