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1、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)
?34；TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004?373X〔2021〕14?0034?03DesignofPLC?basedautomationcontrolsystemforvehicle?mountedcommunicationequipmentZHUJianfang〔GuangzhouMaritimeUniversity，Guangzhou510725，China〕Abstract：Thetraditionalvehicle?mountedcommunicationcontrolsystemhaspooranti?interference
2、capabilityandlowcontrolaccuracy，whichlimitstheapplicationofthevehicle?mountedcommunicationsystem.Therefore，aPLC?basedautomationcontrolsystemforvehicle?mountedcommunicationequipmentisdevelopedinthispaper.Thesystemismainlycomposedoftheautomationcontrolmodule，PLCcontrolmodule，andvehicle?mountedcommunic
3、ationsystem.InthePLCcontrolmodule，thegeneralclosed?loopcontrolmoduleofSiemensisadopted，whichcanbeappliedinthefastclosed???interferencetestofthecontrolsystemwasperformed，andthetestresultsverifiedthestabilityandreliabilityofthesystem.Keywords：vehicle?mountedcommunicationequipment；PLCcontrolmodule；auto
4、mationcontrol；DSRCprotocol；closed?loopcontrol；anti?interference；reliability0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)的平安和效率[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
5、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)局部，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)局部組成：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。1.2PLC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
6、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)模塊可分為兩大局部，上部為處理器局部，下部為模擬與脈沖輸入局部，兩局部通過(guò)電纜相連。1〕處理器局部。本模塊是智能模塊處理器局部，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)。圖中的總線接口用于與PLC的系統(tǒng)總線相連，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
7、中包括16kBEPROM和4kBE2PROM。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〕模擬與脈沖輸入局部。模擬局部包括：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10V；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10V，且有短路保護(hù)。另外，還有脈沖輸入局部，計(jì)數(shù)范圍為0～32767，碼盤(pán)電源電壓5V，最大輸入頻率為500kHz。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
8、由路側(cè)單元〔RoadSaidUnit，RSU〕以及車(chē)載單元〔OnBoardUnit，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。
9、物理層與MAC子層下局部采用IEEE802.11p協(xié)議，MAC子層上局部采用IEEE1609.4WAVE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IEEE1609.3WAVE網(wǎng)絡(luò)效勞協(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
10、統(tǒng)可以平安運(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)75h后，其運(yùn)行可靠度大幅度下降；在超過(guò)100000h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10h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
11、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)，那么代表系統(tǒng)輸出與執(zhí)行有一定的指令喪失；大于15那么表示輸入/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
12、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，2021，40〔4〕：129?132.PEILiang，LIYe，F(xiàn)ENGYaoning，etal.Designofvariablesprayautomaticcontrolsystemforbooms
13、prayerbasedonPLC[J].Journalofagriculturalmechanizationresearch，2021，40〔4〕：129?方案研究[J].鐵道通信信號(hào)，2021，50〔12〕：66?69.MAOLihua.Researchondynamicapplicationmanagementsystemofvehiclecommunicationequipment[J].Railwaysignalling&communication，2021，50〔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，2021，16〔12〕：36??wayinteractivevehiclecommunicationsystembasedonSTM32[J].Microcontrollers&embeddedsystems，2021，16〔12〕：36?39.
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)
