（机械电子工程专业论文）基于canopen协议的电梯控制系统.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于c a n o p e n 协议的电梯控制系统 摘要 论文首先探讨了国内外电梯控制系统的发展现状和趋势，然后在对当 前电梯控制系统常用总线结构分析基础之上，提出了开发一种双c a n o p e n 总线结构的电梯控制系统。并且通讯协议采用了电梯专用高层协议基 于c a n o p e n 协议的d s p 4 1 7 设备子协议，以使国内各厂家生产的遵从相同 协议的电梯各控制器能相互通用，从而提高国产电梯的整体竞争实力。 课题主要研究内容如下： 在分析电梯控制系统各功能模块的作用及联系基础上，提出基于双 c a n o p e n 总线的电梯控制系统总线结构：c a n o p e n 总线l 用于厅外召唤控 制器、轿厢控制器和各电梯的群控信号的通讯；c a n o p e n 总线2 用于绝对 值编码器和变频器的控制信号的通讯。 结合c a n o p e n 协议框架详细讲述了电梯控制系统专用设备子协议 d s p 4 1 7 的具体内容。 硬件方面，根据双c a n o p e n 总线结构和电梯控制系统的基本功能，设 计了主控制器与厅外召唤控制器的硬件。主控制器以a r m 7 核微处理器 l p c 2 2 9 2 为核心，主要包括c a n o p e n 总线接口，以太网远程监控接c i ，电 梯专用u s b 调试接口，键盘与汉字液晶显示等；厅外召唤控制器以 a t m e g a 8 微处理器为核心，通过m c p 2 5 1 5 与m c p 2 5 51 扩展c a n o p e n 总线 接口，通过数码管显示当前楼层。 主控制器软件方面，在a d s l 2 集成开发环境下，设计了中断处理模 块及电梯控制系统菜单系统、c a n 通讯、输入输出等任务模块。使用了 i i 浙江工业大学硕士学位论文 i t c o s i i 实时操作系统对各任务进行管理。厅外召唤控制器软件采用i c c a v r 集成开发环境进行编程，为了验证整个系统是否能协调运行及通讯协 议是否符合d s p 4 1 7 设备子协议规定，进行了电梯的仿真运行实验。 关键词：电梯，c a n o p e n ，c a n 总线，d s p 4 1 7 i 浙江工业大学硕士学位论文 an e we l e 、厂a t o rc o n t r o ls y s t e m b a s e do n c a n o p e n h i g h l e v e lp r o t o c o l a b s t r a c t t h er e c e n t d e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt e n d e n c yo fe l e v a t o rc o n t r o l s y s t e mh a sb e e nd i s c u s s e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n ts i t u a t i o no f d o m e s t i ce l e v a t o ri n d u s t r y , an e we l e v a t o rc o n t r o ls y s t e mh a sb e e np u t f o r w a r d , w h i c hi sb a s e do nas t a n d a r d i z e de l e v a t o r - u s e dp r o t o c o l ：d e v i c e p r o f i l ed s p 417b a s e do nc a n o p e np r o f i l e t h ea d o p t i o no ft h es t a n d a r d i z e d p r o t o c o lc a nm a k et h ep r o d u c t sm a d eb yt h ed o m e s t i cf a c t o r i e su s e db y e a c h o t h e rw i t h o u ta n yc h a n g e ，w h i c hm a ys t r e n g t h e nt h e i ro v e r a l lc o m p e t i t i v e p o w e r f o rt h i s ，t h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e nd o n e ： b a s e do nt h ed e s c r i p t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c hf u n c t i o n m o d u l e so fe l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m ，ad o u b l ec a n o p e n b u ss t r u c t u r eh a sb e e n a d o p t e d ，i nw h i c hc a n o p e nb u sn o 1i su s e dt ot r a n s m i ts i g n a l sf r o mo u t d o o r c a l lc o n t r o l l e r , i n d o o rc o n t r o l l e ra n ds i g n a l so fg r o u pc o n t r o l ，c a n o p e nb u s n o 2i su s e dt oc o n n e c tt h ea b s o l u t e - v a l u ee n c o d e ra n df r e q u e n c yc o n v e r t e r a c c o r d i n gt ot h ed o u b l ec a n o p e n - b u ss t r u c t u r ea n dt h eb a s i cf u n c t i o n o fe l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m ，t h eh a r d w a r eo fm a i nc o n t r o l l e ra n do u t d o o rc a l l c o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e d t h em a i nc o n t r o l l e ru s e st h el p c 2 2 9 2a st h e c p u t h i sc o n t r o l l e rm a i n l yi n c l u d e sc a n o p e nb u si n t e r f a c e ，e t h e m e t i n t e r f a c e ，u s bi n t e r f a c e ，c h i n e s ec h a r a c t e rl c dm o d u l e si n t e r f a c e ，e t c t h e o u t d o o rc a l lc o n t r o l l e ru s e st h ea t m e g a 8a st h ec p u 1 1 1 i sc o n t r o l l e rm a i n l y i n c l u d e sl e dd i s p l a ya n dc a ni n t e r f a c ee x t e n d e db yu s i n gm c p 2 515a n d i v 浙江工业大学硕士学位论文 m c p 2 5 5 1 u n d e rt h eg u i d a n c eo fc a n o p e np r o t o c o l ，t h es p e c i f i c a t i o no fd e v i c e p r o f i l ed s p 417h a sb e e nd e t a i l e d u n d e rt h ea d s1 2i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t , t h ei s rt h e m e n u d i s p l a yt a s k , c a n o p e nc o m m u n i c a t i o nt a s ka n di n p u t - o u t p u tt a s k h a v eb e e nd e s i g n e d n eg c o s i ir e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mh a sb e e n u s e dt om a n a g et h et a s k s t h es o f t w a r eo fo u t d o o rc a l lc o n t r o l l e ri sd e v e l o p e d u n d e rt h ei c ca v r i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 1 1 1 es i m u l a t i o no f t h ee l e v a t o rr u n n i n gp r o c e s sh a sb e e nt e s t e di no r d e rt ov e r i f yw h e t h e rt h e s y s t e mc a nr u nh a r m o n i o u s l y i nt h es i m u l a t i o ns y s t e m ，t h ed a t ae x c h a n g e b e t w e e nt h em a i nc o n t r o l l e ra n do u t d o o rc a l lc o n t r o l l e ri sr e a l i z e d b y t r a n s m i t t i n gp d op r e d e f m e db yd e v i c ep r o f i l ed s p 4 17 k e yw o r d s ：e l e v a t o r , c a n o p e n , c a n b u s ，d s p 4 17 v 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 电梯控制系统的发展现状及趋势 电梯是垂直运行的电梯( 通常也简称为电梯) 、倾斜方向运行的自动扶梯、倾斜或 水平方向运行的自动人行道的总称。有了电梯，摩天大楼才得以崛起。在现代社会， 电梯已成为城市居民生活不可缺少的交通工具。 1 1 1 电梯控制系统的发展现状 电梯的主要功能是根据一定的逻辑或策略驱动轿厢至指定位置，所以电梯控制主 要包括逻辑控制与电力驱动两大部分。 逻辑控制方面，当前电梯控制系统的控制方式主要有p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) 集中控制和分布式微机控制。在p l c 集中控制系统中，整个系统的控制 仅由一个主控制器完成，因此，主控制器负荷重，灵活性和实时性不高，同时配线需 要大量电缆，安装、维护成本高。然而，在分布式微机控制系统中，整个系统的控制 由主控制器和各分布控制器共同完成。主控制器主要完成总体上的逻辑控制，具体的 细节控制由各分布控制器完成。所以，此类系统的灵活性和实时性高，便于维护，配 线简单，系统抗干扰能力强。 驱动控制方面，电梯驱动主要包括电机驱动与液压驱动。电梯在驱动控制技术方 面的发展主要经历了直流电机驱动控制，交流单速电机驱动控制，交流双速电机驱动 控制，直流有齿轮、无齿轮调速驱动控制，交流调压调速驱动控制，交流v v v f ( v a r i a b l e v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ，变压变频) 调速驱动控制，交流永磁同步电机变频调速驱 动控制阶段。目前，除液压梯、货梯以外大多数电梯采用的是v v v f 调速系统驱动交 流异步电动机或交流同步电动机的驱动方式。 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 2 当前电梯行业状况 国际市场 据估计，截至2 0 0 2 年，全球在用电梯约6 3 5 万台，其中垂直电梯约6 1 0 万台， 自动扶梯和自动人行道约2 5 万台。电梯行业几大巨头叫t i s ，三菱，东芝，通力， 日立，迅达凭借它们各具特色的先进技术及服务，在世界各地通过独资或合资的方式， 占领了行业内大多数市场。电梯鼻祖o t i s 凭借其全面的技术、良好的现场安装管理 及售后维护赢得了市场最大份额；日本学者对电梯运行速度曲线与人体舒适度的关系 进行了深入研究，对人体生理、心理特点掌握很好，所生产的电梯舒适性特别好；欧 洲品牌电梯是国际上应用最广的电梯，在全球范围内欧洲电梯以耐用而著称【1 1 ，一般 电梯寿命为二十几年。 同时，上述几大公司也是电梯技术创新的主导力量，近年来的技术创新可以说是 层出不穷：2 0 0 0 年5 月，迅达电梯公司发布了e u r o l i f t 无机房电梯。同年，o t i s 发 布了采用扁平的钢丝绳加固胶带牵引轿厢技术的g e n 2 无机房电梯。钢丝绳加固胶带 柔性好，无齿轮曳引机呈细长形，体积小，很容易安装在井道顶部侧面的钢梁上。2 0 0 2 年，三菱电机公司在第5 届中国国际电梯展览会上展出了倾斜段高速运行的自动扶梯 模型。所采用的可铰接伸缩的驱动齿条结构，在运行时可使梯级的间隔发生变化，从 而使速度也产生变化。其倾斜段的速度是出入口水平段速度的1 5 倍，这样既缩短了 乘客的乘梯时间，也提高了乘客上下扶梯的安全性与平稳性。同年日本东芝电梯公司 开发了速度为1 6 8 m s 的超高速电梯，提升高度为3 8 8 m 1 2 。最近，日本东芝电梯和建 ： 筑系统公司于2 0 0 6 年1 月1 7 日发表声明说，他们正在研制一种使用“磁悬浮 技术 的电梯，这种电梯有望于2 0 0 8 年研制成功并推向市场。这种“磁悬浮 电梯运行起 来比常规电梯平稳舒适，而且噪音较小。但这种电梯的运行速度并不快，每分钟能够 运行约3 0 0 米，而东芝公司研制的常规电梯每分钟至多能运行1 0 1 0 米【3 】。 国内市场 进入2 0 0 5 年后，中国3 0 0 亿元的电梯大市场正式形成。在过去的1 0 年中，中国 电梯需求增长了2 倍，兴旺的电梯市场吸引了全世界几乎所有的知名电梯公司。过去 l o 年里国外品牌是最大赢家，美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、日本三 浙江工业大学硕士学位论文 菱、日立、东芝、富士达等1 3 家大型外商投资公司占据了中国市场8 0 的份额，销 售额占到了8 5 t 4 。我国电梯事业起步较晚，技术上起码要比国外落后十年，所以国 内电梯厂家纷纷通过与国外品牌合作以提高市场竞争力。然而，国内电梯厂家只是充 当了国外电梯公司的中低档产品的生产基地，国外公司只将一些过时的、即将淘汰的 技术提供给中国企业，而最先进的技术通常都不最先提供给中国。因此，苏州江南、 山东百斯特、浙江巨人、上海华立、昌华、东莞飞鹏、宁波宏大、苏州申龙和东南液 压电梯等一批优秀的民族电梯品牌有被外资企业挤出市场的可能。 国内品牌在为生存而奋斗的同时技术水平和产品质量也在稳步提高。自1 9 8 5 年 加入国际标准化组织i s o 厂r c l 7 8 以来，我国先后等同或等效地采用了一批国际标准和 先进国家的标准。标准的高起点使我国电梯行业在技术上居于有利地位。许多新技术 和新产品，如无机房电梯、无齿轮曳引机、永磁同步拖动技术、远程监控技术等，国 际上也是刚刚出现，我国就有许多企业可以生产了。国产电梯以其较高质量、低成本 的优势赢得了越来越多的国内外客户，为逐步进入国际市场创造了有利条件。然而电 梯新技术层出不穷，国内品牌总体来说仍处于模仿和跟踪n # i - 先进技术的阶段【5 】。 1 1 3 电梯控制系统的发展趋势嘲 如今，世界各国的电梯公司还在不断地进行电梯新产品的研发及维修保养服务系 统的完善，力求在以下方面满足人们日益增长的物质需求： 1 ) 电梯群控系统将更加智能化 现在的群控算法已不是单一地以“乘客等候时间最短 为目标，而是采用模糊理 论、神经网络、专家系统等方法，将要综合考虑的因素( 即专家知识) 吸收到群控系 统中去。在这些因素中既有影响乘客心理的因素，也有对即将要发生的情况作评价决 策，是专家系统和电梯当前运行状态组合在一起的多元目标控制。电梯的语音通告和 信息显示就可实施周到的服务。利用遗传算法对客流交通模式及派梯规则进行优化、 自学习，实现电梯调度规则的进化，以适应环境的变化。根据“以人为本 原则设计 的电梯控制系统，将会使电梯的服务质量越来越好。 2 ) 超高速电梯速度越来越高 3 浙江工业大学硕士学位论文 2 l 世纪将会发展多用途、全功能的塔式建筑，超高速电梯继续成为研究方向。曳 引式超高速电梯的研究继续在超大容量电动机、高性能的微处理器、减振技术、新式 滚轮、导靴和安全钳、永磁同步电动机、轿厢气压缓解和噪声抑制系统等方面推进。 采用直线电机驱动的电梯也有较大研究空间。未来超高速电梯舒适感会有明显提高。 3 ) 蓝牙技术在电梯上广泛应用 蓝牙技术是一种全球开放的、短距无线通讯技术规范，它可通过短距离无线通讯， 把电梯各种电子设备连接起来，无需纵横交错的电缆线，可实现无线组网。这种技术 将减少电梯的安装周期和费用，提高电梯的可靠性和控制精度，更好地解决电气设备 的兼容性，有利于把电梯归纳到大楼管理系统或智能化小区管理系统中。 4 ) 绿色电梯将普及 要求电梯节能、减少油污染、电磁兼容性强、噪声低、长寿命、采用绿色装潢材 料、与建筑物协调等。甚至有人设想在大楼顶部的机房利用太阳能作为电梯补充能源。 5 ) 电梯产业将网络化、信息化 电梯控制系统将与网络技术相结合，用网络把各地的电梯监管起来进行维保；通 过电梯网站进行网上交易，包括电梯配置、招投标等，也可以在网上申请电梯定期检 验。 1 2 基于c a n o p e n 协议的电梯控制系统的研究背景及意义 1 2 1 研究背景 电梯控制系统是一种典型的分布嵌入式系统，解决好电梯控制系统各模块间可 靠、有效的通讯关系到电梯的可靠性和安全性。解决这一问题有多种方案，如 r s 2 3 2 4 8 5 串行总线，c a n 、p r o f i t b u s 、f f 、w o r l d f i p 、l o n w o r k s 等各类现场总线及 嵌入式以太网等。目前国内大部分企业仍然沿用r s 4 8 5 串行通讯，其系统总线结构如 图1 1 所示，随着嵌入式系统应用的发展，人们对电梯的可靠性和安全性提出了更高 的要求，r s 4 8 5 性能上的不足逐渐显露出来，已经不能很好地满足一个高性能、高实 时性系统的要求。使用r s 4 8 5 通讯方式的电梯控制系统大多都没有统一的标准，只能 实现单一的功能，适用于单一的设备，系统开放性不强。 4 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2 研究意义 图1 1 使用r s 4 8 5 通讯方式的电梯控制系统总线结构 c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 组织子2 0 0 3 年制定并发布了一种新型的电梯专用的基 于c a n o p e n 协议的设备子协议d s p 4 1 7 。此协议的发布旨在统一电梯控制系统总线的 协议规范。使得各个电梯零部件厂商的产品可以达到即插即用。电梯专用设备子协议 d s p 4 1 7 的发布，也必将对我国的电梯控制技术产生巨大影响。因此，本课题拟开发 一种基于c a n o p e n 协议的d s p 4 1 7 设备子协议的先进电梯控制系统。新型电梯控制 系统能使国内各电梯生产厂家的产品相互通用，从而形成一股整体竞争力量与国外品 牌竞争，提高市场占有率。 1 3 本课题的任务及创新点 本课题的任务是开发基于c a n o p e n 高层协议的能协调工作的电梯控制系统的硬 件与软件。目前设计并制作了基于c a n o p e n 协议的电梯主控制器及厅外召唤控制器， 完成电梯控制系统及相关模块软件，进行了电梯的仿真运行实验。 浙江工业大学硕士学位论文 创新点主要在于该电梯控制系统采用了一种如图1 2 所示的双c a n o p e n 总线结 构。这种总线的最大优点是电梯控制系统通过c a n 0 p e n 总线2 共享所有电梯的外呼 和轿厢输入输出信息。因此可以减轻群控数据通讯的负担，提高效率。而在常规的控 制系统总线里，呼梯信息由单梯分别采集外部呼叫信息再通过群控系统总线将各系统 采集的信息传输给其他电梯控制系统，效率较低。而且，每个控制系统可以通过 c a n o p e n 总线1 很方便地采集到其它电梯的轿厢位置信息及当前运行的速度。这就将 控制系统和变频器有机地结合在一起，成为一种成套的电梯控制技术。 1 4 本章小结 图1 2 使用双c a n o p e n 总线通讯方式的电梯控制系统总线结构 本章首先阐述了电梯控制系统的发展现状及未来发展趋势，然后在分析当前电梯 控制系统的总线结构基础上，提出了一种新型的基于双c a n o p e n 总线的电梯控制系 统总线结构，并且通讯协议符合基于c a n o p e n 协议中的d s p 4 1 7 设备子协议，以使 国内各厂商生产的电梯零部件能相互通用，最终提高国产电梯的整体竞争实力，提高 国产电梯的市场占有率。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第二章传统电梯控制系统构成 2 1 电梯的物理结构 图2 - 1 曳引式电梯结构示意图忉 1 一蜗轮蜗杆减速箱2 一曳引轮3 一机器底盘4 一导向轮5 限速器 6 一承重梁7 一导轨支架8 一曳引钢丝绳9 一限位开关终端挡板 1 0 - - 轿厢导靴1 1 - - 限位开关1 2 一轿厢框架1 3 一轿厢门1 4 - - 对重导靴 浙江工业大学硕士学位论文 1 5 一导轨1 6 一对重导靴1 7 一对重1 8 一补差链条1 9 一链条导向轮 2 0 一限速器张紧装置2 1 一液压缓冲器2 2 一层站地板2 3 一厅门2 4 一呼梯按钮 2 5 一楼层显示器2 6 一悬挂电缆2 7 一轿厢门2 8 - - 轿内操作钮2 9 一开门机 3 0 一井道传感器3 1 一电源开关3 2 一控制柜3 3 一电机3 4 一减速机 如图2 1 所示为曳引式电梯的一般物理结构，主要由机房、井道、轿厢、层站四 大部分组成。 2 2 电梯控制系统的功能模块 从各组成在电梯控制系统中发挥的作用看，电梯控制系统主要包括主控制器、位 置检测模块、变频驱动模块、远程监控模块、内外召唤模块，当要实现多台电梯群控 时，还需添加群控模块。在单梯控制系统中，各模块间的关系如图2 - 2 所示。在远程 监控模块的监控下，主控制器根据内外召唤模块的指示，驱动变频驱动模块带动轿厢 至指定位置。通过对轿厢位置的检测可实现闭环控制，最终实现轿厢的精确平层。 2 2 1 主控制器 图2 - 2 各模块间的关系 在电梯控制系统里，主控制器担当总指挥的角色。主要功能是在各功能模块的配 合下，通过各种算法、策略最终对轿厢的位置、速度进行准确控制，从而将乘客或货 物安全、高效、准确地送达目的地。其具体任务包括： 浙江工业大学硕士学位论文 1 ) 收集电梯各方面状态信息，并对这些信息进行逻辑分析处理，确定电梯的运行状 态和安全性： 2 ) 实施对电梯驱动部分的控制，包括抱闸的松放、门的开关、变频器速度指令的给 出等； 3 ) 接收轿厢位置信号、接收内外召唤信号并登记显示； 4 ) 向远程监控上位机发送当前电梯状态信息及从上位机接收控制信息。 2 2 2 位置检测模块【8 】 位置检测模块的主要功能是对轿厢的位置进行检测，从而为主控制器提供控制依 据。从某种程度上讲，位置检测的精度决定了主控制器的控制策略、轿厢位置和速度 的控制精度。当前，轿厢位置检测装置主要有双稳态磁开关、旋转编码器和绝对值编 码器等。 双稳态磁开关 磁开关元件主要部分是干簧管开关和维持状态磁体。在受到外界磁场的作用时， 干簧管触点会改变其机械化方向，触点视极性的不同打开或闭合。由于扫描是无接触 的，所以磨损很小，而且没有任何开关噪声。采用磁开关作为信号装置，需在轿厢上 安装三个双稳态开关，分别扫描上换速，下换速和门区信号。当轿厢运动时，磁开关 与磁体的相对运动产生反映轿厢位置的信号：电梯上行时，每当遇到下换速信号时， 楼层数加l ；电梯下行时，每当遇到上换速信号时，楼层数减1 。 旋转编码器 旋转编码器又叫增量式编码器，它实际上是一个脉冲发生装置。图2 3 是旋转编 码器码盘结构图，在其码盘的边缘上开有相同间距的缝隙，在码盘孔的一侧( 页面内 侧) 有一光源，码盘孔的另一侧( 页面外侧) 的a ，b 两点分别装有光敏元件。当圆盘 随曳引机轴转动时，每转过一个缝隙就在a ，b 位置上的光敏元件上发生一次光线明 暗的变化，经光敏元件转换，就产生一个电脉冲，整形放大就得到具有一定幅值的脉 冲信号，再经过分频等电路处理后反馈给控制系统，将这些脉冲送入微处理器的计数 器捕捉端，由微处理器对其脉冲进行计数。假如两窄缝的节距为三，当两光敏元件间 9 浙江工业大学硕士学位论文 的节距为( 行+ l 4 ) l 时( 刀为整数) ，则a ，b 两点处的光敏元器件产生的a ，b 脉冲 的相位相差9 0 。，两信号经过逻辑电路处理、计数后就可以辨别转动方向，得到转角 和转速，再根据机械传动比，就可间接得到轿厢的位置、速度及运动方向。 码盘的分辨能力主要取决于码盘转一周时产生的脉冲数。圆盘上分割的窄缝越多， 产生的脉冲数越多，分辨率也就越高。此测量装置的优点是无磨损测量，信号便于计 算机处理。缺点是当转速较高时，微处理器易丢失脉冲，且误差会累积。 图2 - 3 旋转编码器码盘结构图 绝对值编码器 绝对值编码器由旋转的码盘、光源和光电敏感元件三大部分组成。码盘上有按一 定规律分布的由透明和不透明区构成的光学码道图案，它们是由涂有感光乳剂的玻璃 质圆盘利用光刻技术制成的，光源是小型的钨丝灯泡或者是一个固定光源。检测光的 元件是光敏二极管或光敏三极管等光敏元件。光源发出的光通过光学系统，穿过码盘 的透光区，最后与窄缝后面的一排的光敏元件耦合，使输出为逻辑“o ”；若被不透明 区遮挡，则光敏元件输出低电平，代表逻辑“l ”。对于码盘的不同位置，每个码道都 有自己的逻辑输出，各个码道的输出编码组合就表示码盘的这个转角位置。对于各码 道的输出信号，常用的编码有二进制码、格雷码。采用二进制编码和格雷码的码盘结 构如图2 - 4 所示，旁边的数字表示该扇区被检测时得到的编码。采用格雷码是为了避 免采用二进制码在各扇区过渡时产生的非单值性误差，格雷码是无权码，其特点是相 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 邻两个代码间只有一位数变化，即二进制数有一个最小倍数的增量时，只有一位改变 状态，因此产生的误差不超过最小的“l 个单位。但是，将格雷码转换成自然二进 制需要一个附加的逻辑处理转换装置。 与旋转编码器相比，绝对值编码器的主要特点是它不会产生累积误差，即使当前 的扇区没有检测到，只代表它暂时不能反映当前的准确位置。当转到下一个扇区时， 光敏元件重新检测，又得到更新的准确位置，即之前的误差不会累积起来。如果将绝 对值编码器通过同步带与轿厢相连，就能得到轿厢的绝对位置，再结合先进的控制策 略，就能实现轿厢的直接平层，提高效率及乘坐舒适度。 】1 o lo o 0 1 2 2 3 变频驱动模块 0 1 1 1o o 1 0 1 1 o 1 1 0 0 们 b ) 罄薯碍碍童 图2 _ 4 二进制编码和格雷码编码的码盘结构 0 0 1 0 0 1 l o l 电力拖动部分为电梯运行提供动力，并对电梯的起动加速、稳速运行、制动减速 等起控制作用。主要包括曳引电动机、供电系统、速度反馈装置、电动机调速装置等。 考虑到电梯设备的特殊性。电梯的电力拖动系统应具有如下性i i p 9 1 ： 1 ) 有足够的驱动力和制动力，能够驱动轿厢、轿门及厅门完成必要的运动和可靠的 静止； 浙江工业大学硕士学位论文 2 ) 在运动中有正确的速度控制，有良好的舒适性和平层准确度； 3 ) 动作灵活，反应迅速，在特殊情况下能够迅速制停； 4 ) 系统工作效率高，节省能量； 5 ) 运行平衡、安静，噪声小于国际标准； 6 ) 对周围电磁环境无超标的污染； 7 ) 动作可靠，维修量小，寿命长。 由于变频调速不涉及异步电机的转子电路且鼠笼型交流异步电动机具有结构简 单，价格低廉，坚固耐用的优点。因此，目前电梯控制系统广泛采用变频器驱动交流 异步电机的拖动方式，其基本原理如下： 根据电机学原理，交流异步电机的转速公式为： 力：6 0 f ( 1 - s ) ( 2 - 1 ) p 式中， 刀电动机转速，r m i n5 p 定子绕组的磁极对数； s 电动机的转差率； 电源频率，h z 。 由转速公式2 1 可知，转速，z 和电源频率成正比，连续均匀地改变供电电源的 频率，就可平滑地改变电动机的转速n ，但同时也改变了电动机的转矩，而电梯为 恒转矩负载，要求调速时保持最大转矩不变。因此，改变频率的同时必须改变电压， 具体分析见文献 1 0 - 1 4 ，可见，这种调速实际上是v v v f 调速。变频器的采用，使得 电梯主控制器把大部分时间主要花在逻辑控制上，驱动方面，主控制器只要将速度指 令发送给变频器，变频器根据指令自动完成对电动机的调速。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 4 远程监控模块 。#，*，。i 前，t 矗一 电梯事粹东辫 一 i 图2 5 常见远程监控方案图 心 在现代电梯控制系统中，为了保证电梯安全、高效运行，对电梯的实时监控是十 分必要和重要的。电梯远程监控的主要功能是将电梯的信息进行采集处理，然后发送 到工作站直观地显示出来，同时将处理后的电梯信息存入相应的服务器端数据库。当 电梯出现故障时，电梯远程监控系统会通过多种形式报警，遇到难以解决的问题时， 通过现有的电话线路或专用线路，将电梯的故障信息传输到电梯维修中心，维修中心 也能通过电话线主动地跟踪现场电梯的运行状况。实现电梯的实时监控与报警，做到 现场无人值守；通过对电梯的历史运行产生的数据进行统计，可提醒工作人员对电梯 进行维护，变被动为主动保养，使产品性能达到最佳状态，停梯时间最短【1 5 】。 在电梯监控系统中，监控的对象不同，数据传输量也不相同。如果仅仅是监控当 前电梯的状态信息，则数据传输量较小；当要监控视频等信息时，数据传输量将非常 大。而且，在不同需求下，数据传输的距离也各不相同，居住小区里，数据传输距离 只有几千米。数据的传输量与传输距离决定了电梯监控系统所采用的通讯方式，在短 距离传输中，常用的有r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 、c a n 总线等。常见的电梯远程监控系统采 用的方案如图2 5 所示，其中，当传输数据量较小时，前端p c 可以不采用；当传输 数据量大时，可以采用。在涉及到远程传输数据时，系统主要通过m o d e m 连接公 共电话网或直接访问宽带网的方式传送。监控中心在接到数据时，经过处理在终端显 示上加以显示。同时，监控中心也可以对现场进行控制，提高电梯运行的安全性。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 5 内外召唤模块 内外召唤模块主要包括轿内召唤控制器与厅外召唤控制器。其功能是接收乘客 ( 轿内或厅外) 对电梯的召唤请求信号，并及时把电梯当前部分状态信息反馈给乘客， 据此，此模块主要包括两大部分，通讯部分和显示部分。通讯部分接收乘客的按键信 息并发送至主控制器登记，同时，接收主控制器的部分电梯状态信息。显示部分则是 把所接收到的电梯状态信息通过显示反馈给乘客，通常只显示轿厢当前所在的楼层及 其运行方向。 2 2 6 电梯群控模块 当建筑物楼层较高或人流量较大时，往往需要配备多台电梯。电梯的配备数量是 根据大楼内人员的流量及缩短乘客等候电梯的时间等多方面因素决定的。如果让各电 梯单独运行，可想而知，对能源是极大的浪费，效率将非常低。这样在电梯的逻辑控 制中就必须考虑如何提高电梯群的运行效率，即如何合理调配电梯的问题。电梯的群 控模块就是用来解决这个问题的。 要实现电梯群控，首先应该使各电梯当前所在楼层及外召唤信息得到集中，然后 根据一定的调度算法决定如何调配。根据当前所在楼层及外召唤信息集中方式的不 同，主要有两种群控总线结构：环形群控总线结构和集中群控总线结构。如图2 - 6 所 示为现有两种群控总线结构图。 环形群控一般采用r s 4 2 2 或r s 4 8 5 总线( 例如o t i s 群控系统) 。各主控制器在 收到前一台电梯发送过来的各电梯当前所在楼层及外召唤信息时，自己决定自己的调 度，然后，快速采集本梯厅外召唤信息和当前所在楼层信息并发送至下一台电梯。由 于是环形结构，所以能达到资源共享。在高楼层和多台群控电梯时，传输数据量非常 大通讯容易被阻塞，优点是群控不解体。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 集中群控总线方式( 例如三菱、日立的群控系统) 采用了专门的群控分配系统， 该系统采集各电梯当前所在楼层及外召唤信息，然后根据一定的群控算法决定对各梯 的调度。其特点是：一旦群控分配系统发生故障将导致群控解体，最终导致整个大楼 交通瘫痪。 图2 - 6 现有群控总线结构图 2 3 主控制器与各功能模块的通讯 2 3 1 通讯方式现状 电梯控制系统通讯的主要特点是节点多、距离长、以及对抗干扰能力的要求高。 在电梯控制系统中，常见的通讯方式有：r s 2 3 2 r s - 4 8 5 串行通讯和现状总线： r s 4 8 5 串行通讯方式 目前，大多数电梯公司的通讯方式是以r s 4 8 5 为主，r s 4 8 5 t 1 6 】采用差分传输，将 一条信号线分为两个差分信号，消除了共模干扰，提高了可传输的距离，但r s 4 8 5 采用主从式的通讯方式，由主机发起呼叫，对应的终端应答。因此只能采取轮询的通 讯方式，实时性差，而且一旦主机通讯出现故障，整个系统将会瘫痪，对于实时性和 浙江工业大学硕士学位论文 安全性要求都很高的电梯控制系统来说，这是不允许的，因此，很难满足当前电梯高 安全性的要求。 现场总线技术【1 7 】 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数 字通讯的系统，也被称为开放式、数字化、多点通讯的底层控制网络。它在制造业、 工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表使它们各自都具有了数 字计算和数字通讯能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制 仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通讯协议，在位于现场的多个微机化测量控 制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各 种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络 节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务 的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网络 连接在一起，使计算机的功能、作用发生的变化。现场总线使自控系统与设备具有了 通讯能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。因此把现场总线技术说 成是一个控制技术新时代的开端并不过分。常见的现场总线有：f o u n d a t i o n 、l o n w o r k s 、 p r o f i t b u s 、c a n 、h a r t 等。 无线通讯【1 8 】 除常规通讯方式外，无线通讯也日益成为人们关注的目标。一般地，无线通讯被 使用在特定的场合用来提供通话服务，如用在农场、森林、矿场、石油开采等场合。 但是，随着计算机与通讯技术的发展，无线通讯技术得到飞速发展，无线技术将很有 可能成为工业发展的楷模。无线通讯技术为我们提供低价网络并为某些新的应用提供 可能。无线通讯明显的优点有： 1 ) 不管使用者还是机器部件都可以移动； 2 ) 借助于层的应用，为有线网络开发的应用层软件可以直接用于无线通讯环境； 3 ) 对多点通讯和广播方式的本地支持： 4 ) 安装简易，在安装上的费用和时间的节约通常能补偿因为使用无线技术带来的额 外费用。 浙江工业大学硕士学位论文 当然，无线通讯也有很多不足和缺陷： 1 ) 更加昂贵的基站建设； 2 ) 功耗问题( 对于移动用户来说，问题更加严重) ： 3 ) 不同标准因使用相同的未授权频段所带来的不兼容问题： 4 ) 在同等条件下，通讯速度不如有线方式快； 5 ) 安全问题； 6 ) 确保覆盖率比较复杂； 7 ) 有线与无线并存时的问题； 8 ) 隐藏节点问题； 9 ) 无线电通讯问题，比如噪声和干扰问题； l o ) 辐射所带来的健康问题。 在无线通讯领域里，蓝牙技术是一种最有发展潜力的通讯方式。蓝牙技术是一种 全球开放的、短距离无线通讯技术规范，它可通过短距离无线通讯，把电梯各种电子 设备连接起来，无需纵横交错的电缆线，可实现无线组网。这种技术将减少电梯的安 装周期和费用，提高电梯的可靠性和控制精度，更好地解决电气设备的兼容性，有利 于把电梯归纳到大楼管理系统或智能化管理小区系统中。 2 3 2 通讯方式选择 以上是对r s 4 8 5 、现场总线及无线通讯技术的比较，无线通讯技术还不成熟，尚 处于发展阶段；最常用的是r s 4 8 5 通讯，被广泛用于电梯控制系统中的轿厢控制器通 讯、厅外召唤控制器通讯、绝对值编码器通讯等；前景最好的是现场总线技术，现场 总线与r s 2 3 2 、r s 4 8 5 有着本质区别【1 9 1 ： r s 2 3 2 r s 4 8 5 只代表通讯的物理层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必 须自己编写通讯应用程序，但这种程序多数都不能符合i s o o s i ( t h ei n t e r n a t i o n a l s t a n d a r do r g a n i z a t i o n so p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t ，开放系统互联参考模型) 的规范， 只能实现较单一的功能，适用于单一设备类型，程序不具备通用性。在r s 2 3 2 或r s 4 8 5 联成的设备网中，如果设备数量超过2 台，就必须使用r s 4 8 5 做通讯介质，r s 4 8 5 网 浙江工业大学硕士学位论文 络的设备间要想通信只有通过主设备中转才能实现，在这种设备网中只允许存在一个 主设备，其余全部是从设备。而现场总线技术是以i s o o s i 模型为基础的，具有完整 的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。现场总线设备自 动成网，无主从设备之分或允许多主存在。在同一个层次上不同厂家的产品可以互换， 设备之间具有互操作性。 可见，现场总线有着r s 2 3 2 与r s 4 8 5 等串口通讯方式无法比拟的优势。因此， 本系统选择现场总线作为电梯控制系统中各模块的主要通讯方式。又由于c i a 组织于 2 0 0 3 年制定并发布了一种新型的电梯专用的基于c a n o p e n 协议的d s p 4 1 7 设备子协 议。这种新型的电梯控制总线旨在统一电梯控制技术总线的技术标准。使得各个电梯 厂家有一个统一的总线协议规范，各个零部件厂家的产品可以达到即插即用。由于此 高层协议是基于c a n 总线的，所以本系统采用c a n 总线作为主要通讯方式，并且通 讯协议遵从c a n o p e n 协议的d s p 4 1 7 设备子协议。 2 4 电梯控制系统的总线结构 电梯控制系统是一个相当复杂的逻辑与拖动控制系统，系统要在极短的时间内对 几百个信号进行检测、处理，加上系统对安全性能要求极高，使得电梯的控制和管理 相当复杂。合理的系统总线结构不但使系统在数据传输上所花的时间大大减少，从而 提高整个系统的实时性，而且使稳定性与可扩展性得到增强。 2 4 1 传统电梯控制系统总线结构 传统电梯控制系统的总线结构如图2 7 所示，通讯方式以r s 4 8 5 为主。基于此通 讯方式的程序多数都不能符合i s o o s i 的规范，只能实现较单一的功能，适用于单一 设备类型，不具备通用性。也就是说，各生产商对各自的同类产品都必须开发相应的 软件，所开发出来的产品局限性很大，只能适用于特定的系统。 而且，在传统的电梯控制系统里，为了实现群控，必须使用专用的群控总线共享 各控制系统的输入输出信息( 如厅外召唤信息) ，群控电梯数越多，通讯负担越重。 由于采用的是r s 4 8 5 通讯，仲裁机制较弱，通讯流量过大时将使整个群控系统瘫痪。 1 8 并且，当群控电梯数增加时，必须添加硬件，相应软件也必须修改。 图2 7 传统电梯控制系统总线结构 2 4 2 双c a n o p e n 总线结构 图2 - 8 基于c a n o p e n 总线的电梯控制系统总线结构 基于c a n o p e n 总线的电梯控制系统总线结构如图2 8 所示，各模块间的通讯都 是基于c a n o p e n 总线。c a n o p e n 总线1 用于厅外召唤控制器、轿厢控制器和各电梯 1 9 浙江工业大学硕士学位论文 的群控信号的通讯；c a n o p e n 总线2 用作c a n o p e n 绝对值编码器和c a n o p e n 变频 器专用总线；宽带接口用于远程监控。 c a n o p e n 总线1 用于外部信息的输入输出；这种总线的最大优点是电梯控制系统 共享所有电梯的外呼和轿厢输入输出信息。因此可以减轻群控数据通讯的负担，提高 效率。而在常规的控制系统总线里，呼梯信息由单梯分别采集外部信息再通过群控