基于PLC的車載通信設備自動化控制系統設計

朱建芳

摘 要： 傳統車載通信控制系統的抗干擾能力較差，控制準確率低下，限制了車載通信系統的應用。為此，文中開發基于PLC的車載通信設備自動化控制系統，其主要由自動化控制模塊、PLC控制模塊以及車載通信系統組成。PLC控制模塊采用西門子公司的通用閉環控制模塊，其可應用于快速閉環控制系統中，當插入不同的軟件功能模塊便可形成不同的控制結構；采用5層結構的DSRC進行數據接收與發送，提高了數據收發的穩定性。對控制系統進行可靠性和抗干擾試驗，測試結果驗證了系統的穩定性及可靠性。

關鍵詞： 車載通信設備； PLC控制模塊； 自動化控制； DSRC協議； 閉環控制； 抗干擾； 可靠性

中圖分類號： TN915.05?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 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

車載通信系統是汽車的核心模塊，其擔負著在高速行駛的汽車中實現交通高度信息化、智能化。車載通信系統通過車車、車路通信將交通參與者、交通工具及其環境有機結合，提高了交通系統的安全和效率[1?4]。為了發揮車載通信系統的作用，必須對其進行控制。傳統車載通信控制系統的抗干擾能力較差，控制準確率低下，限制了車載通信系統的應用。為此，本文開發了基于PLC的車載通信設備自動化控制系統，并對其進行了可靠性與抗干擾試驗，證明了設計的可行性和正確性。

1 車載通信自動化控制系統

本文所設計的車載通信設備自動化控制系統主要分為3個部分，即PLC自動化模塊、PLC控制模塊以及車載通信系統[5?6]。

1.1 自動化模塊

PLC自動化模塊主要由4個部分組成：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整個PLC自動化模塊進行控制；電源部件為PLC內部電路提供電源；輸入接口部件用于連接進行指令輸入的設備，其包括觸控屏、按鍵等指令輸入設備；輸出接口部件用于連接接收自動化模塊指令的設備，本文主要指車載通信設備。

1.2 PLC控制模塊

本文PLC控制模塊采用的是西門子公司的通用閉環控制模塊，其可應用于快速閉環控制系統中，當插入不同的軟件功能模塊便可形成不同的控制結構。通常安裝于PLC的I/O框架上，通過其自身的接口一方面與PLC的系統總線相連，另一方面與被控對象相連。在不占用PLC的CPU資源情況下，可并行管理8個閉環回路。通用閉環控制模塊的硬件結構框圖如圖2所示。整個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，用來實現各種控制算法的計算及各個控制功能的實現。圖中的總線接口用于與PLC的系統總線相連，并通過其與PLC的CPU進行信息交換。編程器接口與編程器相連，實現對模塊的編程與監控。系統內尚有存儲器子模塊接口，存儲子模塊中包括16 kB EPROM和4 kB E2PROM。EPROM中存放與控制結構相應的系統軟件，E2PROM中存放系統的結構數據。不同的控制結構需要不同的系統軟件，由插入模塊內不同的存儲子模塊內容來確定。

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），輸入通道數為8路、12位、輸入信號范圍為±10 V；模量輸出通道（D/A），輸出通道數亦為8路、12位，輸出信號范圍為±10 V，且有短路保護。另外，還有脈沖輸入部分，計數范圍為0～32 767，碼盤電源電壓5 V，最大輸入頻率為500 kHz。通過上述3個接口可與實際生產過程相連。

1.3 車載通信系統

車載通信系統包括車與路的通信以及車與車之間的通信，其由路側單元（Road Said Unit，RSU）以及車載單元（On Board Unit，OBU）組成[7?8]。車載單元OBU負責采集車輛的信息，包括GPS定位信息、汽車油量、車輛狀態信息等以及司機遇到緊急事件時所進行的操作記錄的信息。再通過DSRC通信協議將采集的信息發送至路側單元RSU，路側單元RSU再將信息通過以太網發送至PLC控制中心進行車載通信控制。車載單元OBU的電路結構如圖3所示。

本文車載通信系統的數據收發采用DSRC通信協議，其協議層次如圖4所示。主要分為5層，分別為L1物理層、L2數據鏈層、L3網絡層、L4傳輸層以及L7應用層[9]。其中，數據鏈層由LLC子層以及MAC子層構成。物理層與MAC子層下部分采用IEEE 802.11p協議，MAC子層上部分采用IEEE 1609.4 WAVE多信道運行協議，其定義了一種MAC增強機制，為系統提供了多信道協作功能。LLC子層及傳輸層采用IEEE 1609.3 WAVE網絡服務協議，其確定了系統網絡傳輸形式，實現系統與目前網絡的融合。

2 實驗測試

為了測試本文所設計的車載通信設備自動化控制系統的穩定性及可靠性，文中對其進行了實驗測試。首先對其控制運行可靠性進行了測試，分別采用傳統控制系統和PLC控制系統進行，得到傳統控制系統以及PLC控制系統的運行可靠度。運行可靠度能夠衡量控制系統的運行可靠性能。當其值在75%～100%之間時，證明該控制系統可以安全運行。當其值在50%～75%之間時，說明該控制系統能夠運行，但存在一定的風險。當其值在50%以下時，說明該控制系統無法正常運行，可靠性差。

由圖5可以看到，傳統控制系統在運行超過75 h后，其運行可靠度大幅度下降；在超過100 000 h后，其系統運行可靠性已下降至50%以下，控制系統無法正常運行。而對于PLC控制系統，其運行可靠性隨著運行時間增大而增大，當運行時間大于10 h時，其運行可靠度上升至75%，并隨運行時間的增大持續增長，最終穩定在70%～100%之間?？刂葡到y運行穩定，說明PLC控制系統穩定性良好。

隨后對輸入、輸入執行的一致性進行測試。從圖6可以看出，PLC控制系統的輸入/執行始終穩定在5以下，而傳統控制系統的輸入/執行隨著運行時間的增長而持續增大。輸出/執行小于10時，代表輸出與執行能夠保持一定的一致性；而在10～15之間時，則代表系統輸出與執行有一定的指令丟失；大于15則表示輸入/執行無法保持一致性。因此，PLC控制系統具有較好的指令執行正確性。從實驗測試結果可得，本文所設計的基于PLC的車載通信設備自動化控制系統具有較好的運行穩定性和控制正確性，能滿足車載通信設備控制的需求。

3 結 語

傳統車載通信控制系統的抗干擾能力較差、控制準確率低下，限制了車載通信系統的應用。為此，本文開發了基于PLC的車載通信設備自動化控制系統，其主要分為自動化控制模塊、PLC控制模塊以及車載通信系統。PLC控制模塊采用西門子公司的通用閉環控制模塊，其可應用于快速閉環控制系統中。當插入不同的軟件功能模塊便可形成不同的控制結構；采用5層結構的DSRC進行數據的接收與發送，從而提高了數據收發的穩定性。此外，還對控制系統進行了可靠性及抗干擾試驗，測試結果驗證了該系統的穩定性與可靠性。

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