（测试计量技术及仪器专业论文）基于canlin混合网络的电梯通信系统.pdf

摘要 电梯作为高层建筑垂直运行的交通工具 在日常生活中的作用越来越不可 忽视 而随着高层建筑 超高层建筑的不断涌现 传统点对点通信的电梯控制系 统已经不能适应工程的要求 采用新的通信方式和控制方式来实现电梯系统的功 能势在必行 随着现场总线技术及计算机技术的发展 新近少数电梯公司设计了采用c a n 总线技术的分布式电梯微机控制系统 相较于传统的电梯系统 大大减少了线束 其可靠性和实时性也都大大提高 充分体现了现场总线的技术特点 具有明显的 发展优势 但也存在着成本问题 本文在保证电梯系统可靠实时运行的基础上 采用c a n 总线 l i n 总线技术相结合构建电梯通信网络 实现电梯系统的微机控 制 从生产 安装维护 系统耗材等各个方面进一步降低了系统的成本 本文的主要工作是 通过对比各种电梯控制系统的发展 特点 功能及主要 的结构形式 根据电梯系统的自身情况 采用新的开发手段及硬件设备 从芯片 级出发设计控制 对c a n 总线和l i n 总线的原理和特性做详细的理论研究 首次 将c a n l i n 混合通信网络应用于电梯领域 确定了一种基于c a n l i n 混合网络的 分布式电梯控制系统的总体方案 给出该系统的设计目标 功能和总体结构 进 行了电梯控制系统中的主控 呼梯 轿厢 网关各控制器模块的硬件和软件的开 发 并对整个通信网络的关键性能进行测试分析 在此基础上 对系统的软硬件 进行改善优化 现场总线分布式系统既是新兴的工业控制系统 又是低带宽的底层控制网 络 它位于生产控制和网络结构的底层 将在各个工业领域发挥更大的作用 c a n 总线和l i n 总线技术又是新兴于汽车工业的通信网络 国外已有广泛的应用 其 前景广阔 而国内对它们的研究尚属起步阶段 因此 本课题对c a n 总线和l i n 总线的研究 有助于推动其在社会生产的应用和发展 关键词g 分布控制 c a n 总线 l i n 总线 a b s t r a c t a sb et h ev e r t i c a l l ym o v e dv e h i c l eo fp i l e s t h ee l e v a t o rh a sm o r eu n n e g l e c t a b l e e f f e c ti nd a i l yl i f e a n da st h ep i l e sa n ds k y s c r a p e r sh a v ec e a s e l e s s l ys p r u n gu p t h e c o n v e n t i o n a lp o i n t t o p o i n tc o m m u n i c a t i o nm o d eo fe l e v a t o rc o n t r o ls y s t e mh a s b e e nu n f i tf o rt h ep r o je c tr e q u i r e m e n t an e wc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lm e t h o do f e l e v a t o rs y s t e mi si m p e r a t i v eu n d e rt h es i t u a t i o n a st h ed e v e l o p m e n to ff i e l db u sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y af e we l e v a t o rc o m p a n i e sr e c e n t l yh a v ed e s i g n e dd i s t r i b u t e de l e v a t o r c o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a nb u s t h es y s t e mc u td o w nt h eu s eo f w i r ea n de n h a n c e t h er e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m ep e r f o r m a n c ew h i c hc h a r a c t e r i s t i c si sp o s s e s s e db y f i e l d b u s i th a sd i s t i n c td e v e l o p m e n ta d v a n t a g e b u ta l s oh a sp r o b l e mi nc o s t t h i s p a p e ra d o p tc a n b u s a n dl i n b u st oc o n s t r u c tm i x e dn e t w o r ko fe l e v a t o r c o m m u n i c a t i o n b a s eo nr e l i a b l ea n dr e a l t i m ef u n c t i o nt or e d u c et h ec o s ti nm a n y f a c e t ss u c ha sm a n u f a c t u r e i n s t a l l a t i o n m a i n t e n a n c ea n dm a t e r i a lc o n s u m e t h i sp a p e r a d o p tn e wm e t h o d sa n de q u i p m e n t st od e s i g nc o n t r o ls y s t e mf r o m t h ec h i pl e v e lv i ac o m p a r et h ec h a r a c t e r i s t i c s f u n c t i o n sa n dp r i m a r ys t r u c t u r ef o r m o fv a r i o u se l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m t h et h e o r y sa n ds p e c i a l i 哆so fc a n b u sa n d l 1 n b u st e c h n o l o g ya r ed e t a i l e d l yr e s e a r c h e d a n dt h em i x e dc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kt h a tb a s e do nc a n b u sa n dl i n b u si sp u ti n t op r a c t i c eo ne l e v a t o rf o rt h e f i r s tt i m e t h i sp a p e rp u tf o r w a r dag e n e r a lp r o je c tt h a ti sc o m p r i s e do ft h ed e s i g n o b j e c t i v e r u c t i o na n dg e n e r a ls t r u c t u r eo fd i s t r i b u t e de l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m t h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fe a c hm o d u l eo ft h ee l e v a t o rc o n t r o ls y s t e ma r e r e a l i z e d a n dt h ep i v o t a lp e r f o r m a n c e so ft h ew h o l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka r e t e s t e da n da n a l y s e dt h r o u g ht h a tt oi m p r o v ea n do p t i m i z et h es y s t e m t h ef i e l d b u sd i s t r i b u t e ds y s t e mi sar i s i n gi n d u s t r yc o n t r o ls y s t e ma n dl o w b a n d w i d t hb o t t o mc o n t r o ln e t w o r dw h i c hl i ei nt h eu n d e r s t r a t u mo fm a n u f a c t u r ea n d n e t w o r ks t r u c t u r e w i l lh a v em o r ee f f e c to ne a c hi n d u s t r ya r e a s t h ec a n b u sa n d l i n b u st e c h n o l o g yc o m eo fa u t o m o b i l ei n d u s t r yh a v ew i d e l ya p p l i e do v e r s e a sa n d h a v eg r e a tf u t u r e b u tt h e ya r ea b e c e d a r i a na th o m e s o t h er e s e a r c ho nc a n b u s a n dl i n b u st e c h n o l o g yw i l lh e l pt oi m p u l s et h e i ra p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t k e yw o r d s d i s t r i b u t e dc o n t r o l c a n b u s l i n b u s l i i 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文 是本人在导师指导下独立完成的研究成果 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果 均在文中以明 确方式标明 本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任 声明人 签名 衫乱瓴务 一年莎月弓日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留 使用学位论文的规定 厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅 有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版 保密的学位论文在解密后适 用本规定 本学位论文属于 l 保密 在年解密后适用本授权书 2 不保密 请在以上相应括号内打 4 一 r j 2 年 年 一夕 弘 沙 期 期 日目 n 柙 瓴 韫张 辄杉 签 签 者 师 基于c a n 僵i n 混合网络的电梯通信系统 第一章绪论 1 1 引言 随着城市高层建筑乃至超高层建筑的不断涌现 电梯在日常生活中的应用越 来越广泛 在高层建筑中 电梯是不可缺少的垂直运输设备 没有电梯的高楼就 像没有汽车的公路一样让人难以想象 电梯系统能否提供快速 高效 平稳的垂 直服务倍受人们的重视 电梯系统是机电一体化的 运用于高层建筑的复杂运输设备 它涉及到包 括 机械工程 电子技术 电力电子技术 电机与拖动理论 自动控制理论 电 力拖动自动控制系统 微机技术 微控制器技术和土建工程等多个科学领域 电 梯已不仅是代步的工具 也是人类文明的标志 其技术的发展体现了社会的进步 与文明 1 2 国内外电梯的发展状况 1 2 1 起源与发展口1 很久之前 人们就使用一些原始的升降工具运送人和货物 公元前1 0 0 年左 右 我国古人发明了轱辘 它采用卷筒的回转运动完成升降动作 因而增加了提 升物品的高度 公元前2 3 6 年 希腊数学家a r c h i m e d e s 设计制作了由绞车和滑 轮组构成的起重装置 这些升降工具的驱动力一般是人力或畜力 1 9 世纪初 在欧美开始用蒸汽机作为升降工具的动力 1 8 4 5 年 威廉汤姆逊研制出l 台液 压驱动的升降机 其液压驱动的介质是水 尽管升降工具被一代代富有革新精神 的工程师们进行不断改进 然而被工业界普遍认可的升降机仍未出现 直到1 8 5 2 年世界第1 台安全升降机诞生 1 8 8 9 年 升降机开始采用电力驱动 真正出现了电梯 电梯在驱动控制技 术方面的发展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 直流有无齿轮 无齿轮调速驱动控制 交流调压调速驱动控制 交流 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等阶段 1 9 世纪末 采用沃德 伦纳德系统驱动控制的直流电梯出现 使电梯的运行性 能明显改善 2 0 世纪初 开始出现交流感应电动机驱动的电梯 后来槽轮式 即 第一章绪论 曳引式 驱动的电梯代替了鼓轮卷筒式驱动的电梯 为长行程和具有高度安全性 的现代电梯奠定了基础 1 9 6 7 年 晶闸管用于电梯驱动 交流调压调速驱动控制的电梯出现 在1 9 8 3 年 变压变频控制的电梯出现 由于其良好的调速性能 舒适感和节能等特点迅 速成为电梯的主流产品 1 9 9 6 年 交流永磁同步无齿轮曳引机驱动的无机房电梯出现 电梯技术又 一次革新 由于曳引机和控制柜置于井道中 省去了独立机房 节约了建筑成本 增加了大楼的有效面积 提高了大楼建筑美学的设计自由度 这种电梯还具有节 能 无油污染 免维护和安全性高等特点 电梯在操纵控制方式方面的发展经历 了手柄开关操纵 按钮控制 信号控制 集选控制等过程 对于多台电梯出现了 并联控制 智能群控 如今 世界各国的电梯公司还在不断地进行电梯新品的研发 维修保养服 务系统的完善 力求满足人们的对现代建筑交通日益增长的需求 1 2 2 国内外电梯的使用情况n 1 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 据估计 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 电梯已成为人类现代生活中广泛使用的人员运输工具 当今世界 电梯的生产情况和使用数量已经成为衡量一个国家或地区建筑业及现 代化程度的标志之一 世界上有名的几家电梯公司 包括 美国奥的斯公司 瑞士迅达公司 日 本三菱公司和日立公司 芬兰科恩公司 其电梯产量已经占世界市场的5 l 其中美国奥的斯公司和日本三菱公司是世界上年产量最大的电梯生产企业 在亚 洲 日本对电梯市场占有绝对优势 占有率约6 7 远远超过我国 电梯服务中国已经有1 0 0 多年的历史了 而我国在使用电梯数量的快速增 长却是发生在改革开放以后 目前 我国有5 0 多万台电梯正在使用 而2 0 0 5 年电梯的采购比2 0 0 4 年的1 0 8 万台又增加了1 4 多 达到1 2 5 万台 随着我 国经济的快速增长 电梯市场一直保持旺盛 因此对电梯系统的研究前景广阔 2 基于c a n l i n 混合网络的电梯通信系统 1 2 3 电梯系统的技术现状0 4 1 1 5 1 1 6 1 1 7 1 1 8 l 电梯系统主要包括控制和通信两个部分 电梯控制系统是整个电梯的核心部 分 它是一个相当复杂的逻辑控制系统 系统要在首要保证乘客安全的基础上 在极短的时问内对几百个信号进行检测和处理 电梯通信系统的主要功能是将各 楼层呼叫器与主控制器连接起来 进行信号传输 传统的电梯系统多采用继电器逻辑控制系统或p l c 集中控制系统 这些系 统均由一个主控制器实施整个电梯的控制 各楼层与控制器之闻采用点对点的 i o 口并行连接方式 每个楼层呼叫器都有一套数据线与主控器相连 采用继电器逻辑控制系统的电梯系统 由于继电器的不稳定性 系统易出故 障且运行寿命短 系统的连接线路复杂且占用空间大 造成系统安装 维护和升 级不方便 现在己基本不使用 目前 市面上在用的电梯控制系统主要采用p l c 集中控制器实现电梯控制功 能 电梯系统各楼层呼叫器与控制器之间采用以p l c 为控制核心的点对点的连接 方式 其存在着如下缺点 1 每个呼叫器都有一套数据线与主控器相连 当电梯楼层数比较多时 系 统就会有大量的数据线需要连接 2 而整个电梯系统还包括一系列电梯运行机械装置和安全保护装置传感 器 与主控制器之间都是通过点对点的i o 口连接 造成了电梯系统的 通信线缆 随行电缆大大加粗 且连接不稳定 3 不同楼层数的控制系统需要有相应输入输出点数的主控制器相匹配 使 得系统的通用性差 给生产带来许多不便 图i 1 是p l c 集中控制系统的系统结构框图 如图所示的p l c 电梯控制系统 由一个p l c 主控制器完成整个系统的控制 主控制器的负荷重 灵活性和实时性 不够 而且一个p l c 控制器定价一般需要数万元 价格比较昂贵 而采用点对点 的i on 并行连接方式 增加了线缆的使用 系统的通用性和可靠性都不高 且 不便于安装和维护 系统的成本高 3 第一章绪论 曳引机k 一变频器 门机 警铃 传感器 轿厢控制器 p l c 主控制器 电梯群控与 监控系统 楼层呼叫器2 楼层呼叫器l 图1 1p l c 集中控制系统结构框图 1 9 7 9 年 美国奥的斯公司开发了第1 台基于微处理器的电梯控制系统 e l e v o n i c l 0 1 从而使电梯电气控制进入一个崭新的发展时期 而随着计算机硬 件和软件技术的发展 c p u 价格不断下降 采用合理的c p u 控制 充分利用 c p u 众多的扩展外设 将电梯系统作为一个嵌入式控制系统 采用目前流行的 嵌入式开发技术 通过高级语言设计开发控制核心 可以进一步降低了产品的硬 件成本以及软件开发成本 提高产品市场竞争力 同时 采用现场总线技术 应 用于生产现场在各种微机测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信 也被 称为开放式 数字化 多点通信的底层控制网络 为自动化系统的最终用户带来 方便 目前 对电梯系统的研究主要集中于现场总线分布式微机控制系统 在控制 系统硬件上采用嵌入式系统作为控制核心 而以现场总线作为通讯总线来实现信 号的通信 整个系统的控制由主控制器和分布控制器共同完成 其灵活性和实时 性高 而采用现场总线技术 电梯系统各控制器之间只需一对双绞线作为网络拓 扑结构连接即可 安装极为方便 对于不同楼层数的控制系统只需在现场总线中 4 器一 一器 叫 一叫呼一 一呼 层一 一层 楼一 一楼 基于c a n i i n 混合网络的电梯通信系统 加入相应数目的呼梯控制器即可 主控制器硬件软件不需做任何改动 使得电梯 控制系统的安装更加灵活方便 也方便于系统的维护 系统的抗干扰能力也大大 增强 自2 0 世纪8 0 年代末以来 有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些 特定的应用领域显示了自己的优势 它们具有各自的优点 也显示了较强的生命 力 对现场总线技术的发展已经发挥并将会发挥巨大的作用 9 1 1 基金会现场总线 基金会现场总线 f o u n d a t i o nf i e l d b u s f f 是在过程自动化领域得到广 泛支持和具有良好发展前景的技术 它以i s o o s i 开放系统互联模型为基础 取 其物理层 数据链路层 应用层为f f 通信模型的相应层次 并在应用层上加了 用户层 用户层主要针对自动化测控应用的需要 定义了信息存取的统一规则 采用社别描述语言规定了通用的功能块集 o 基金会现场总线分为低速和高速两种传输速率 低速的传输速率为 3 1 2 5 k b s 传输距离可达1 9 0 0 m 高速的传输速率可为l o o k b s 和2 5 m b s 它 们的通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 基金会总线物理媒介的传输信号采用曼彻斯 特编码 段数目最多可达6 5 0 0 0 个 最大允许报文可达1 2 8 个比特组 基金会现 场总线的主要技术内容包括f f 通信协议 用于完成开放式互联模型中第2 飞7 层通信协议的通信栈 c o m m u n i c a t i o ns t a c k 用于描述设备特征 参数 属性 及操作接口的d d l 设备描述语言 设备描述字典 用于实现测量 控制 工程量 转换等应用功能的功能模块 实现系统组态 调度 管理等功能的系统软件以及 构筑集成自动化系统 网络系统的系统集成技术 2 p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 是一种国际化 开放式 不依赖于设备生产商的现场总线标准 广泛适用于制造业自动化 流程工业自动化和楼宇 交通电力等其他领域自动化 它由3 个兼容部分组成 即p r o f i b u s d p d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y p r o f i b u s p a p r o c e s sa u t o m a t i o n 和p r o f i b u s f m s f i e l d b u s m e s s a g e s p e c i f i c a t i o n p r o f i b u s d p 是一种高速低成本通信 用于设备级控制系统与 分散式i o 的通信 采用p r o f i b u s p a 作为工程自动化设计 可使传感器和执行 5 第一章绪论 机构连在一根总线上 并有本质的安全规范 p r o f i b u s f m s 用于车间级监控网 络 是一个令牌结构的实时多主网络 p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制 的现场总线技术 可实现现场设备层到车问级监控的分散式数字控制和现场通信 网络 从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案 与 其他现场总线相比 p r o f i b u s 的最大优点在于具有稳定的国际标准e n 5 0 1 7 0 作 保证 并经实际应用验证具有普遍性 3 l o n w o r k s 现场总线 l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉 东芝公司共同倡 导 于1 9 9 0 年正式公布而形成 它采用了i s o o s i 模型的全部7 层通信协议 采用了面向对象的设计方法 通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置 其 通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等 直接通信距离可达2 7 0 0 m 7 8 k b p s 双绞线 支持双绞线 同轴电缆 光纤 射频 红外线 电力线等多种通信介质 并开发 了相应本质的安全防爆产品 被誉为通用控制网络 4 c a n 现场总线 c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 即控制器局域网 由于具有高性能 高可 靠性以及独特的设计 c a n 总线越来越受到人们的重视 德国的b o s h 公司最初 为了汽车监控和控制系统设计了c a n 总线 现在世界上许多著名的汽车制造厂商 都已经开始采用c a n 总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数 据通信 c a n 总线是一种多主总线 通信介质可以是双绞线 同轴电缆或光纤 通信速率可达i m b i t s 通信距离可达l o k m 由于c a n 总线本身的特点 其应用 范围已经不再局限于汽车工业 而向过程工业 机械工业 纺织工业 农用机械 机器人 数控机床 医疗器械及传感器等领域发展 c a n 总线已经形成国际标准 并已经被认为几种最有前途的现场总线之一 5 l i n 现场总线 局部互连网络l i n l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k 是一种建立在通用的s c i 或u a r t 硬件接口上 将开关 显示器 传感器及执行器等简单控制设备连接起来 的串行通信网络 l i n 的目标是为现有c a n 总线提供辅助功能 通过与c a n 总线组 6 基于c a n l i n 混合网络的电梯通信系统 网以降低成本 l i n 总线采用低成本单线1 2 v 进行数据传输 线的驱动和接收特性 符合改进的i s 0 9 1 4 1 中单线标准 其传输速率可达2 0 k b i t s 最大传输距离不超 过4 0 m 采用单主 多从结构 由主节点来控制总线的访问 不需要总线仲裁 基 于通用u a r t s c i 的硬件接口 可使用低成本的半导体工艺实现 几乎所有的微控 制器都有l i n 必需的硬件 在2 0 0 3 年 l i n 协会发布了新的l i n 规范2 o 这个新的 l i n 规范对前一版本的规范作了进一步的改良 l i n 正逐渐发展成为低成本的串行 通信的行业标准 新近少数电梯公司设计了采用c a n 总线的分布式电梯微机控制系统 如图 1 2 所示 相较于传统的电梯系统 各楼层呼叫器及轿厢控制器等c a n 节点只 需通过一对双绞线就近连接到c a n 总线上 即可实现数据 信号的通信 大大 减少了线束 其可靠性和实时性也都大大提高 系统的安装和维护也更为方便 曳引机卜 一变频器 微机控制器 电梯群控与 监控系统 警铃及传感器i 0 卜 十一r 二一 控制模块节点h 仁二二 楼层呼叫器3 轿厢控制器节点 楼层呼叫器2 楼层呼叫器l 图1 2 采用c a n 总线的分布式电梯微机控制系统 采用单一c a n 总线技术的分布式电梯系统 具有明显的发展优势 但也存 在着成本问题 并且c a n 总线网络的节点数有限 其典型应用是3 2 个节点 7 第一章绪论 随着高层建筑乃至超高层建筑的涌现 节点的数量在多个电梯的群控系统中已出 现不足 而且采用现场总线技术的分布式电梯系统还处于发展阶段 仍有完善的 空间 对此 本课题对现场总线技术进行研究和分析 提出了一种新的总线网络 来实现电梯系统的通信 1 3 课题来源和课题主要研究内容及创新点 本课题来源于厦门某公司的项目 基于c a n l i n 混合网络的电梯通信系统 项目的目标是采用c a n 总线 l i n 总线技术构建电梯通信网络 实现电梯系统 的微机控制 本文作者在课题中担任主要开发人员 负责项目的实现方案的设计 通信网络的构建 电梯控制系统模型的开发以及系统的总体测试工作 本课题的主要研究内容包括 1 研究c a n 总线协议 设计c a n 节点的硬件实现及软件实现 构建一个 c a n 总线子网络 2 研究l i n 总线协议规范 设计l i n 网络主节点及从节点的硬件实现和软 件实现 构建一个l i n 总线子网络 3 分析c a n 总线和l i n 总线的互操作问题 设计一个面向信息共享的 c a n l i n 网关 构建c a n l i n 混合网络 4 构建了一个电梯实验系统来调试通信网络 实现电梯系统功能 设计了 呼梯控制器 轿厢控制器 网关和电梯主控制器各个功能模块的硬件实 现和软件实现 5 利用开发测试工具 对构建的电梯系统模型通信网络进行误码率及稳定 性等关键性能测试 本电梯系统研究课题的主要创新特点 1 改变过去惯用的点对点连线并行通信方式 引入现场总线技术 采用c a n 总线与l i n 总线构建混合网络进行串行通信 提高了控制反应速度 并 且进一步减少大量通信布线 降低了成本 2 根据电梯控制系统的特性 在设计电梯系统模型时 把电梯控制系统看 作是一个包括内嵌控制内核 外围扩展电路 外围设备等集成的嵌入式 基于c a n l i n 混合网络的电梯通信系统 系统 采用嵌入式设计 控制的方案进行开发 代替传统的p l c 控制 方式 从而极大降低产品成本 对比国内外目前电梯控制系统发展 本电梯系统采用新的开发手段及硬件设 备 从芯片级出发设计控制 进一步提高控制的先进性和专用性 引入现场总线 技术 使电梯控制形成了网络集成式分布控制系统 适应了工业控制系统向分散 化 网络化 智能化发展的方向 而相较于新近绝大多数电梯公司采用的单一 c a n 总线通信网络 c a n l i n 混合网络在保证可靠性 实时性等关键性能前提 下 从底端研究起 迸一步降低系统成本 且使呼梯节点数可达4 5 0 个 理论上 完全不受楼层数的限制 1 4 论文章节安排 本论文主要分成七章 第一章为绪论 主要介绍了国内外电梯的发展状况 课题来源和课题主要研 究内容及其创新特点 第二章 进行电梯系统的总体结构介绍 包括电梯系统的组成功能模块和通 信模块 提出系统的构成及设计方案 第三章 介绍了系统的通信网络选择 着重介绍了c a n l i n 总线的分层结 构和通信协议 并分别详细介绍了这两种总线的报文数据帧格式和通信机制 为 实现两种总线的互操作 提出了通过c a n l i n 网关构建c a n l i n 混合网络 第四章 主要介绍了系统的硬件组成及各个模块设计 对各个模块的硬件电 路进行了详细分析 第五章 主要介绍了系统的软件设计和通信协议设计 分析了系统的软件流 程 各个功能模块的软件流程及通信网络的软件设计 并介绍了主控制器的控制 算法实现及通信协议 第六章 为系统测试与评估分析 介绍了测试的方法及工具 分析测试的结 果并进行评估 第七章 为结论与展望 总结课题的研究成果 并进行展望深化 以便迸一 步提高 9 第二章 过梯系统的总体结构 第二章电梯系统的总体结构 2 1 电梯系统简介 电梯系统主要包括控制和通信两个部分 电梯控制系统是整个电梯的核心 是一个相当复杂的逻辑控制系统 系统要在首要保证乘客安全的基础上 在极短 的时间内对几百个信号进行检测和处理 电梯通信系统的主要功能是将各楼层呼 叫器与主控制器连接起来 实现信号传输 电梯系统总体结构图如图2 1 所示 1 图2 1 电梯控制系统总体结构 1 0 基于c a n u n 混合网络的电梯通信系统 本课题研究开发的电梯系统对电梯的控制部分划分为若干控制模块 由不同 控制器完成各部分特定的功能 各控制器之间通信采用现场总线技术 用c a n 总 线和l i n 总线构建通信网络实现各个模块控制器之间的通信 本课题电梯控制系 统根据功能要求分为四个组成部分 1 主控部分 即电梯控制器 它是电梯控制系统的主要部分 负责整个电 梯的运行控制 一般主控板和位于楼房的顶部电梯机房内的电梯动力系 统构成了整个电梯控制系统的核心 2 内选 即电梯轿厢控制器 轿厢是电梯系统中乘客乘载装置 轿厢控制 器通过c p u 以及扩展的键盘 外部存储器 显示屏集成板卡化 使乘客 与电梯建立了相互联系 在轿厢顶部还有一个门机控制器 用于控制开 关门动作 顶部还有一个称重装置 用以判断电梯承重负荷 3 外召 即是外部呼梯控制器 它是每一层呼叫选择信息 同时通过显示 屏显示电梯运行状态 并且可以提供紧急情况消防锁梯功能以及控制人 员外部控制锁梯功能 4 c a n l i n 网关 主要是实现c a n 总线和l i n 总线之间信息的透明交流 进行两种协议的自由转换 由独立的微控制器控制 此外 电梯整个系统还包括上 下限位开关 上 下限速开关 限速器 强制 安全抱闸 平层检测开关 缓冲器 道轨 通信线缆 随行电缆等一系列电梯运 行机械装置和安全保护装置n 钉 2 2 模块功能描述 本课题设计通过对底层i o 接口进行级联驱动开发 然后通过应用层用高级 语言设计的控制系统对底层信息进行控制处理 面向控制体系的只是底层i o 控制 而与实际的控制实体无关 这样使电梯现场工程和控制体系实现软硬件相 对分离 可以使得电梯实验系统的软件仍然适用于实际的技术系统 而通过硬件 仿真器弱化控制体系对硬件的依赖 大大提高开发效率降低成本 同时对电梯的 控制部分划分为若干控制模块 由不同控制器完成各部分特定的功能 各控制器 之间通信采用现场总线技术 用c a n 总线和l i n 总线构建通信网络实现各个模 第二章电梯系统的总体结构 块控制器之间的通信 这样 一方面可以大大减少井道中电缆数量 减少布线工作量和降低成本 同时可以提高通信效率和任务处理速度 增强电梯控制安全性 减少主控制体系 工作负载 使系统各个控制器有更高的效率处理自身功能 完善电梯性能 2 2 1 电梯主控制器 主控制器是整个电梯控制系统的核心 其主要功能是接收整个电梯系统各个 方面的输入信号 根据系统的状态进行处理 输出相应的处理信号 完成整个系 统的控制 主控制器作为c a n 总线网络中的主节点 接收的c a n 信息主要包括内选 外呼 到站信号及故障检修等一些特殊信号 这些信号的采集主要由通信系统中 的其他控制器完成 再通过c a n 总线传送给主控制器 主控制器根据事先建立的 电梯控制算法分析 作出相应控制 主控制器在工作中 还要对电梯系统的一些状态信号进行直接的检测和控 制 要处理的z o 口信号包括 上 下限位开关 上 下限速开关 限速器 强制 安全抱闸 平层检测开关 曳引机等 主控制器还得显示电梯系统的运行状态 并且将即时呼叫请求及运行状态 进行存储 以便在系统掉电或复位重启后具有记忆恢复的功能 2 2 2 轿厢控制器 轿厢是电梯中运送乘客的装置 轿厢控制器位于轿厢内电梯门右侧 是乘客 与电梯控制系统人机交流的一部分 轿厢控制器除了包括呼梯按钮 楼层数码显 示和通信部分外 还控制电梯门的开关 检测电梯过载信号 楼层数码显示与呼 梯控制器一致 负责指示电梯当前所在楼层和电梯的运行方向 内选按钮数目与 电梯层楼数对应 每个楼层对应一个内选按钮 按下内选按钮表示需要到达相应 的楼层 同时按钮上的背光灯被轿厢控制器点亮 表明轿厢控制器已经登记了该 内选信号 轿厢控制器是c a n 总线网络中的一个节点 它将通过c a n 总线将登记 的内选信息传送给主控制器 由主控制器做出相应处理 电梯到达目标楼层后 轿厢控制器响应同方向目标楼层信号 该楼层内选按钮上的背光灯熄灭 表示该 楼层信号己经被响应 1 2 基于c a n l i n 混合网络的电梯通信系统 轿厢控制器通过c a n 总线接收来自主控制器的系统信息 通过对系统各种 信号进行分析判断 控制开关门电机动作 实现电梯的开关门控制 其实现原理 如下 轿厢控制器接收到主控制器响应楼层同方向呼梯信号 同时电梯处于平层 区时 轿厢控制器驱动开门电机开门 并保持一段时间的开门时间 电梯关门前 轿厢控制器检测电梯过载传感器 如发生超载现象 系统自动保持开门状态 并 进行语音超载提示 直到超载现象消失后 轿厢控制器才驱动关门电机关门 i s l 2 2 3 呼梯控制器 呼梯控制器是电梯的呼叫部分 也是乘客与电梯之间人机交流的部分 位 于每一层楼电梯门外 包括呼梯按钮 楼层数码显示和通信部分 呼梯控制器一 般采用两个带有上下箭头的发光按钮作为呼梯信号输入 按下上呼 下呼 按钮表 示需要到达当前楼层以上 以下 的地方的呼叫 同时按钮上的背光灯将被呼梯控 制器点亮 表明厅外呼梯控制器已经登记了该呼梯信号 在相应电梯到达该楼层 响应上呼 下呼 信号时 相应的上呼 下呼 按钮上的背光灯熄灭 表示该信号己 经被响应 同时等待下一个呼梯信号 呼梯控制器同时也显示电梯的运行状态 包括电梯当前所在楼层和电梯的运行方向 本系统采用两位8 段l e d 指示当前电 梯所在楼层 采用两个带有上下箭头的发光二极管指示电梯上下运行方向n 朝 呼梯控制器是作为l i n 总线网络中的从节点 l i n 总线上的通信是由l i n 主节点网关来控制的 呼梯控制器采集登记楼层的召唤信息 但并不主动发给网 关 而是等待网关的l i n 主机任务 根据要求对其响应 实现l i n 网络通信 2 2 4 网关 c a n l i n 网关实现c a n 总线 l i n 总线网络之间的通信 在网关中包含两种 总线协议的各一个虚拟设备 允许将c a n 数据帧透明传输到l i n 网络 也允许 l i n 数据帧透明传输到c a n 网络 网关相对于c a n 网络而言是一个c a n 从节点设 备 相对于l i n 网络而言是l i n 主节点设备 l i n 网络的通信是由网关的l i n 主 机任务发起 相应的楼层控制器根据要求对其响应 网关将楼层控制器的外呼召唤信号由l i n 数据帧格式转换成c a n 数据帧格 式 然后通过c a n 网络发送给c a n 主节点 主控制器 网关也接收c a n 网络中 的c a n 信息 将其转换成l i n 数据帧格式后传送到l i n 网络的l i n 从节点 楼层 1 3 第二章电梯系统的总体结构 控制器 网关作为c a n l i n 混合网络中的一个桥梁 实现不同总线协议数据的 自由转换 从而实现系统的通信 2 4 本章小结 本章主要介绍了电梯系统的总体结构 根据功能要求将本课题电梯系统分 成四个组成部分 并分别介绍了各个部分的功能要求 通过本章介绍 将对电梯 系统及其各个主要组成部分有较系统的了解 而在第四章将详细介绍各个组成部 分的硬件实现和性能分析 1 4 基于c n ii n 混合网络的电梯通信系统 第三章电梯通信网络 3 1 通信网络的选择 3 1 1 传统的电梯通信方式 传统的电梯系统多采用继电器逻辑控制系统或p l c 集中控制系统 这些系统 均由一个主控制器实施整个电梯的控制 各楼层与控制器之间的通信是采用点对 点的i o 口并行连接方式 每个楼层呼叫器都有一套数据线与主控器相连 采用继电器逻辑控制系统的电梯系统 由于继电器的不稳定性 系统易出故 障且运行寿命短 系统的连接线路复杂且占用空间大 造成系统安装 维护和升 级不方便 现在已基本不使用 目前 市面上在用的电梯控制系统主要采用p l c 集中控制器实现电梯控制功 能 电梯系统各楼层呼叫器与控制器之间采用以p l c 为控制核心的点对点的连接 方式 每个呼叫器都有一套数据线与主控器相连 而且整个电梯系统还包括一系 列电梯运行机械装置和安全保护装置传感器 它们与主控制器之间都是通过点对 点的i o 口连接 采用点对点的通信方式 从布线角度分析 各个模块采用点对点的单一通信 方式 相互之间少有联系 这样必然造成庞大的布线系统 整个电梯系统的布线 将十分复杂 显得很凌乱 尤其是在高层电梯中 每增加一楼层 不仅增加了布 线的复杂程度 布线所需的铜线也成倍增加 从而加剧了粗大的线束与电梯井道 有限的可用空间之间的矛盾 从生产和维护的角度分析 不同楼层数的电梯控制系统需要有相应输入输出 点数的主控制器相匹配 使得系统的通用性差 给生产带来许多不便 而线柬都 安装在井道内等看不到的地方 一旦线束中出了问题 不仅查找相当麻烦 而且 维修也很困难 增加了系统的维护成本 3 1 2 新近的电梯通信方式 随着计算机技术和网络技术的发展 电梯系统的分布控制成为可能 现场 总线技术在工业领域的成功应用和其显著的技术特点 使得越来越多的电梯开发 商 趋向于采用现场总线技术进行电梯分布控制系统的通信n 钉 第三章电梯通信网络 新近少数电梯公司设计了采用c a n 总线技术的分布式电梯微机控制系统 相 较于传统的电梯系统 各楼层呼叫器及轿厢控制器等c a n 节点只需通过一对双绞 线就近连接到c a n 总线上 即可实现数据 信号的通信 大大减少了电梯通信电 缆和随行电缆的线束 降低了系统的成本 其可靠性和实时性也都大大提高 系 统的安装和维护也更为方便 采用单一c a n 总线技术的分布式电梯系统 在低层建筑中的应用具有明显 的发展优势 然而随着高层建筑乃至超高层建筑的涌现 每增加一个楼层 就得 增加一个c a n 节点 对于楼层控制器而言 其实时性要求不高 但节点数目多且 布置分散 对成本比较敏感 并且c a n 总线网络的节点数有限 其典型应用是 3 2 个节点 节点的数量在多个电梯的群控系统中已出现不足 采用c a n 进行低速通信所面临的最大困难是成本高 这将限制c a n 总线在 底层网络的广泛应用 对此 各大应用商都希望有一个统一的 低成本的底端通 信总线 来弥补c a n 底端通讯成本高的不足 l i n 总线就是在这种环境下产生的 l i n 的目标是为现有c a n 总线提供辅助功能 通过与c a n 总线组网以降低成本 3 1 3e a k ln 混合网络 本课题对c a n l i n 总线技术进行研究和分析 提出了一种新的总线网络来 实现电梯系统的通信 主控制器与轿厢控制器的通信对实时性要求较高 可以采 用高速的c a n 总线来完成通信 对于楼层控制器 采用较为低速的l i n 总线辅助 c a n 总线来实现其通信 从而弥补低速c a n 总线应用成本高的不足 c a n l i n 混 合网络模型如图3 1 所示 1 6 基于c a n i i n 混合网络的电梯通信系统 图3 1c a n l i n 混合网络模型 c a n l i n 混合网络是由c a n 总线和l i n 总线共同构建 网络主体采用c a n 总 线实现高速传输 局部采用l i n 总线辅助进行低速传输在保证系统通信的可靠性 和实时性基础上 进一步降低成本 在本章后面的几节 将对c a n l i n 混合网络的构建进行介绍 3 2o a n 现场总线 3 2 1c a n 总线概要 c a n 2 0 规范分为c a n 2 o a 和c a n 2 o b 两种规范n 钉 c a n 总线与一般的通信总线相比 它的数据通信具有突出的可靠性 实时性 和灵活性 其特点可概括如下n 通信方式灵活 c a n 为多主方式工作 网络上任一节点均可在任意时刻 主动的向网络上其他节点发送信息 而不分主从 且无需站地址等节点 信息 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级 可满足不同的实时要求 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术 当多个节点同时向总线发送信息时 优先级较低的节点会主动的退出发送 而最高优先级的节点可不受影响 的继续传输数据 从而大大节省了总线冲突仲裁时间 尤其是在网络负 1 7 第三章电梯通信网络 载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点 一点对多点及全局广播等几种 方式传送接收数据 不需要专门的 调度 c a n 的直接通信距离最远可达l o k m 传输速率5 k b p s 以下 通信速率最 高可达i m b p s 此时通信距离最长为4 0 m c a n 上的节点数主要取决于