CAN总线通信在电梯控制系统中的应用

1、现代社会随着楼宇建设的越来越高,电梯作为垂直方向必需的运输工具,它的技术发展也是日新月异,尤其是在微机控制系统方面。整个电梯系统是由微观来说是由主机房、轿厢、外呼、井道各个部分组成的一个单一电梯控制系统,宏观来说由外部多台电梯组成的群控系统、远程监控系统共同组成了一个电梯的控制系统。要使电梯在这种复杂的环境中能正常工作,必然是要寻找一种可靠、快速的通讯方式来实现这几个系统之间的信号传递,只有这样才能使整个电梯系统安全运行得到可靠的保证。现从单台电梯来讨论,最早电梯通信采用的并行通信(即每个控制信号都需要单独占用一根线向电梯主控制器传输,这样的计算一台十层的电梯,外呼控制电缆如果用七段码显示最少

2、要13芯左右(根据显示方式不同而已,随行电缆(传输主控制器到轿厢的信号线,随着轿厢运动而运动最少要50芯左右,并且随着楼层数的增加,随行电缆芯数也要跟着增加,这样就很难做到标准化设计,现场布线也异常麻烦,只能是点对点一根一根地接线。后来又发展采用RS-485总线通信, 把它作为主控制器和操纵箱信号、外呼信号之间建立联系的工具。它的通讯方式为命令、响应方式。电梯主控制器定时向各个位置控制器发出查询信号,再由各子控制器回发各自状态。由于RS485采用3根线来实现通信,所以减少很多现场布线,而且使用的电缆芯数也不会随着楼层数而增加,可以用标准的接插件代替现场一根根地接线,但它还是存在以下不足:数据传

3、输效率低, 而且主控制器异常繁忙;灵活性差,因为当子控制器出现异常时,数据将不能立即上传,必须等待主控制器下发命令;一旦主机出现故障,整个系统将瘫痪。这些不足对于实时性和安全性要求都很高的电梯控制系统来说是足以致命的。基于上述一些原因,我们采用了现在的基于CAN总线的电梯通信控制系统。在这里我讨论一下CAN总线通讯在电梯控制中的运用。CAN现场总线具备以下特点: (1多主总线,各节点控制器均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息;(2采用独特的非破坏性总线仲裁技术,优先级高的节点优先传送数据,能满足实时性要求;(3具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能;(4CAN 总线上每帧有效字

4、节数最多为8个,并有其它校验措施,数据出错率极低,万一某一节点出现严重错误,可自动脱离总线,总线上的其它操作不受影响;(5通信距离远达10km(5kbs/s,通信速率最高可达到1MB/s(40m,节点数目实际可达110个;(6CAN总线只有两根导线,直接将新节点挂接在总线上即可。在工控领域,能够适应比较苛刻的工作环境。正因为CAN总线这么多优点,所以CAN总线正逐渐成为电梯控制通信方面的理想的总线。具体的来说,CAN总线在电梯控制系统的运用主要体现在三个方面:即宏观上的单台电梯通信控制系统、群控电梯通信控制系统和电梯远程监控通信系统。首先来研究单台电梯的通信系统,如下图1.0所示:124 图1

5、.0主控板和外围轿厢和外呼控制器之间的通讯连线只有两根,再加上每块外围板子的两根电源线也总共只要布置四根线就可以实现轿厢信号、外呼信号的可靠通信。但是对于上面的CAN构成原理图,构成上比较复杂,必须有两个高速隔离光耦6N137,和一个B0505来实现5V电源的隔离,还需要计算中间电阻大小来构建CAN 收发电路,实现起来还是比较复杂的。这样做起来主控制板存在体积偏大,成本偏高,采购元件也不方便的问题,所以必须还是要简化结构。于是现在采用PHILIPS 生产的高速隔离CAN 收发器CTM1050,此器件可以很好实现电气、电源之间的完全隔离和独立,提高节点的稳定性和安全性,并且在内部集成了双TVS

6、总线保护单元,可以较好的避免由于浪涌、干扰引起的总线错误和元件故障。这样原理图简化到以下形式:图1.1图中虽然比以前的传统设计减少了高速隔离光耦 和隔离电源,但是CAN 总线的头和尾的两个120欧姆的终端电阻还是和以前一样是必不可少的。对于电梯上来说一般采用是轿厢那边的节点要加一个终端电阻,还有最底层的外呼节点要加一个终端电阻,这两个电阻对匹配总线阻抗起着相当重要的作用。忽略掉它们,可能会使数据通信的抗干扰性和可靠性大大降低,甚至无法通信,这一点在现场调试中已经得到了充分验证。所以在调试此类CAN 系统是在断电时候要确认CANH 、 120轿内登记CANL之间电阻为60欧姆左右。此外注意CAN

7、总线的配线最好是使用屏蔽双绞线,可能有些工地没有配备屏蔽线,那样把总线通讯波特率降低也能获得比较好的效果。在图1.1这个小型CAN网络中外呼控制器采集楼层上下按钮呼梯、控制呼梯按钮灯的显示、基站的锁梯开关、消防开关等信号。外呼控制器应该有设地址(实际层楼功能,用来区分总线中的位置,千万注意不要重复设置,设置好后将设置值存入此控制器中的EEPROM内。在重新上电后,控制器将从EEPROM中将设置值读出并初始化为设置值。在电梯工作时,外呼控制器查询上、下呼按钮的开关状态,将其通过CAN总线发送给电梯主控制器。主控制器根据电梯状态来回发指令控制此层外呼指令灯亮或灭,并且将电梯楼层数据通过CAN总线发

8、送给所有外呼控制器由外呼控制器来显示,此数值显示一直保持到接收到下一数值后才更新。轿厢内控制器负责采集的内呼梯按钮、司机、自动、直驶、超、满载、开关门等信号,通过CAN总线发送给主控制器,由主控制器判断当前电梯状态来执行如开、关门、运行、停止或者使电梯进入某种状态如司机、直驶等。如果按以上方法用CAN总线通信来控制电梯,那样轿厢和主控制器通信只需32根左右的随行电缆,外呼控制器和电梯主板通信只需用四根双绞线(包括两根电源线就可以完成。这样就可以和RS485总线一样做到电梯的配的线标准化,现场布线也是插完插件就可以完成,提快了现场安装进度,并且可以大大减少采购电缆的采购成本。而且电梯层数越高,比

9、并行通信省下的电缆越多。目前,RS485通信系统由于其本身长距离传输在电梯的工况下很不稳定,现在已经基本上不被采用,完全被CAN总线系统所替代了。而并行通信系统在一些低层站货梯上还会有所使用。CAN总线通信系统在电梯中的第二个方面应用是在电梯群控系统中的应用,由于现在好多高楼中为了增加运送能力、减少客户的等待时间安装了3部以上的电梯,这些电梯需要在一个统一的调度来管理。于是电梯群控系统这个概念就产生了,一个电梯群控系统需要进行大量的数据交换, 如各电梯轿厢内的选层信号、应答选层的指示灯信号、显示电梯当前位置的指示灯信号和厅外召唤信号,到站提醒、方向预报等,这些信号随着电梯的数量和楼层的增多而迅

10、速增加。由于传统的RS485通信实时响应能力差,两个故障节点同时使用总线,可能总线出现错误信息,导致系统误操作,主节点出现故障后,很可能造成群控系统的整体瘫痪,所以RS485通信系统在现在群控中也不再采用。针对群控系统节点多、距离长、信号多、变化快以及对抗干扰能力的要求高等的要求,所以采用更可靠,实时能力更强的CAN总线通信方式。系统构成图如图1.2所示 CAN连线图1.2这个群控系统也是采用主从结构,但是它可以做到智能切换主群控板的功能,群控主板定义后,其余都为群控从板,假设当前1#群控主板,由于硬件原因或没通电,群控系统会自动找出当前群控组号为2#的那台作为主板,其余3#、4#、5#仍旧为

11、从板功能,不会因为主群控板故障而引起整个群控系统瘫痪。并且群控系统可以智能登记从板,假设某一群控从板发生硬件故障或没上电,群控主板会自动判断这台电梯梯的在线状态,可以把这台电梯从群控系统中切除除去,这样一台梯的故障不会影响到整个系统的群控运行。工作时,首先要定义分群控系统的群控主板和群控从板,采用集中控制的群控技术,即由每台梯的群控板收集电梯主板数据,然后各群控从板把数据通过另外一条CAN总线发给群控主板,再由群控主板根据当前的电梯状态,按照时间最小原则,对电梯指令进行登记和分配。充分考虑了每台梯的登记状态、楼层状态、反向情况、超满载等因素,实时调配具有最快响应时间可能性的电梯来相应每一个召唤

12、,充分发挥了电梯的运输能力,大大提高了电梯的运行效率。第三个方面应用是电梯的远程监控方面,随着人们生活质量的提高,一幢大楼或者一个小区有好多部电梯已经成为一种趋势。而在大楼或者一个小区里面,要保障用户安全可靠的上下到达是至关重要的， 所以电梯安全就成为一个重中之 重。但是又不可能对每台电梯安排专人值守，所以必须在监控处能做到一起监控 到整幢大楼或者整个小区电梯运行状态和出现故障能准时报出故障代码以便能 更快地诊断故障维修。但目前许多地方的电梯服务水平还是不能做到这点，还停 留在电梯出现了问题后由用户通知维修中心,由维修中心派专人到现场勘查并排 除故障。该情况存在的缺点是反应故障不及时，用户有时

13、关在电梯里面电话打不 出去的情况下没法及时反应故障。 维修人员不能得到准确而及时地得到电梯运行 信号和状态的数据，也不知电梯出了什么故障，就是立刻赶去现场维修业比较盲 目，准备不够充分，所以电梯不能得到快速的维修。而电梯远程监控系统为提高 电梯维保质量并及时做出快速反应提供可靠的保障。 一般的电梯监控系统结构如 下图 1.3 所示： 1#电 主 梯 板 专 监 CAN口 用 控 2#电 主 梯 板 专 监 CAN口 用 控 3#电 主 梯 板 专 监 CAN口 用 控 4#电 主 梯 板 专 监 CAN口 用 控 5#电 主 梯 板 专 监 CAN口 用 控 CANH CANL CANH CA

14、NL CANH CANL CANH CANL CANH CANL 120 本 小 CAN连 地 区 线 远 监 电 程 控 脑 232串 口 232串 口 本 小 监 电 地 区 控 脑 232串 口 120 CANH CANL 232串 口 232串 口 modem 串 连 口 线 电 脑 普 电 网 通 话 络 图 1.3 电 脑 串 连 口 线 CAN转 232 转 板 换 modem 这种方式是典型的电梯监控模式： CAN 转 232 转换板功能主要是这部分完 成是数据采集、协议转换等功能，它里面的 CAN 控制器的构成电路和以上电梯主 板的构成模式相同。它接收电梯主板发出的符合 CA

15、N 协议格式的电梯信号、状态 数据帧,然后将其转换成标准的 RS232 格式的数据流传送给电脑上位机软件。从 而使监控软件可以监控到电梯的各种需要的信号和状态。 如果加上协议转换功能 （为了适应不同种类的电梯），甚至可以做到远程电梯控制（这个功能技术上可 以做到，但是存在安全隐患，要慎用）。下面具体介绍 232 转换板与电梯主板以 及上位机软件的通信。电脑上位机的工作原理是：监控软件每隔 40ms 采集一部 电梯的数据,它首先发送该电梯的编号发给 232 转换板,然后等待接收数据。232 转换板接收到上位机发送来的编号,就将该编号填充到 CAN 帧的第一字节,并把 这个只有一个数据字节的 CA

16、N 帧发送到总线上去,然后等待接收该编号的电梯主 板发送的数据。 232 转换板相连接电梯主板,在初始化时,将地址接收码与屏蔽 与 码设置为只接收 232 转换板发送的数据。 当电梯主板接收到 232 转换板发来的编 号后,与自己的编号相比较,如相同则发送电梯信号、状态等数据到总线上，如果 不同则不予理睬。而 232 转换板在初始化时设置为接收所有电梯主板的数据,当 它接收总线上的数据,确认是否是所需要的电梯主板发送来的数据,如果正确,则 进行协议转换,将从电梯主板接收过来的数据转化为符合上位机要求的格式;然 后发给上位机，电脑上位机根据这些状态信息,把电梯各类信号和状态显示出来 并对电梯进行

17、故障诊断,如果出现故障 ,然后再做进一步处理（如报警并发出故 障代码和针对该故障代码的建议解决方案）。在这个监控系统中,CAN 总线初始 化模块比较重要,是一个重点。如下流程图 1.4 所示：在初始化时,首先进入复位 模式,：然后对 CAN 控制器的寄存器配置。初始化最好硬件复位和软件复位结合 使用比较好。在硬件电路中还设计了看门狗,它可以有效防止单片机死机或者程 序出现“跑飞”现象发生。 否 关中断 否 进入工作 模式 回到工作模式 请求 设置输出 控制寄存器 设置地址接器 与屏蔽码 初始化 开始 复位请求 进入复位 模式 是 设置时钟分频 设置总线寄存器 开中断 结束 图 1.4 232 转换板与电脑上位机软件之间通过 RS-232 总线进行通讯,串口波特率设 为 19200bps。上位机监控软件采用可以采用 VisualBasic 和 SQL,注意将其 MSComm 控件的 Settings 属性相应地设置为“19200，E,8,1”。使用串口连线与 232 转换板连接,速度完全可以满足远程监控系统的要求,而且性价比高。如果要 想把本地的电梯信号和状态向更远处的用户或维保人员传输。比如另外一个城 市，那么也只要在转换板后面再设计一个和 modem 连接的环节，如 1.4 图所示， 通过本地 MODEM 拨号向远程 MODEM 传输电梯信号和状态， 再通过远程 MO