基于CAN總線技術(shù)的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究*

魏立明 常 闖

(1:吉林建筑工程學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，長春 130118;2:吉林省智能建筑系統(tǒng)集成與節(jié)能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130118)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑產(chǎn)業(yè)正日益成為國民經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)，我國各個(gè)城市開始大量興建高層建筑，并且規(guī)模越來越大.高層建筑中電梯的用量已相當(dāng)可觀，目前我國在用電梯達(dá)100萬臺(tái)，扶梯15萬臺(tái).由于電梯運(yùn)行中關(guān)人、夾人、撞底、沖頂?shù)认嚓P(guān)事故時(shí)有發(fā)生，電梯的運(yùn)行可靠性成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)之一［1］.電梯運(yùn)行可靠性的提高可以通過兩個(gè)方面來解決:一方面通過原始設(shè)計(jì)改進(jìn)、提高制造和安裝質(zhì)量;另一方面需要依靠先進(jìn)的監(jiān)控手段和完備的維修保養(yǎng)體系.本文采用第二種解決方法以解決上述問題.現(xiàn)在電梯的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)大都采用RS 232或者RS 485總線構(gòu)成主從式多機(jī)網(wǎng)絡(luò).但是，在監(jiān)控范圍比較廣，傳輸距離比較遠(yuǎn)的情況下，這種監(jiān)控系統(tǒng)存在著抗干擾能力較差，響應(yīng)速度較慢，傳輸效率低等不足.本文針對(duì)上述不足，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng).

1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛.現(xiàn)場(chǎng)總線就是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)以及智能化控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為數(shù)字化、開放式、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò).現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)就是將專用處理器置入測(cè)量控制儀表中，使其具有相應(yīng)的數(shù)字化計(jì)算和數(shù)字化通信能力，采用可進(jìn)行連接的傳輸媒體(例如雙絞線、同軸電纜或光纖)等作為總線傳輸介質(zhì)，把分散測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，將它們連接成可以相互信息溝通、共同完成控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)［2］.

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的集成，具有以下5個(gè)技術(shù)特征:①現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備成為以微處理器為核心的數(shù)字化設(shè)備，相互之間通過傳輸媒體以總線拓?fù)湫问较噙B接;②網(wǎng)絡(luò)通信采用基帶傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率高，實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng);③具有分散功能模塊，便于整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)、管理與擴(kuò)展，提高相應(yīng)的可靠性;④具有開放式的互連結(jié)構(gòu)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)相連接，也可以通過網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備與控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)或管理信息級(jí)網(wǎng)絡(luò)相連接;⑤具有互操作性.也就是在遵守同一通信協(xié)議的前提下，可以將不同廠家的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成用戶所需要的網(wǎng)絡(luò).

CAN(Controller Area Network)總線技術(shù)又稱控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)，CAN總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線中的一種，是總線式串行通信網(wǎng)絡(luò).由于采用許多新技術(shù)與獨(dú)特設(shè)計(jì)，CAN總線與一般通信總線相比，在數(shù)據(jù)通信上具有可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性等突出特點(diǎn).正是由于CAN總線具有可靠性高，傳輸速率快，通信距離較遠(yuǎn)，易于使用、維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，目前已廣泛應(yīng)用于電氣電子、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人技術(shù)等諸多領(lǐng)域.

2 基于CAN總線的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

本文所提出的基于CAN總線的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在組成結(jié)構(gòu)上主要由數(shù)據(jù)采集模塊、監(jiān)控工作站、監(jiān)控服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心組成.電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案結(jié)構(gòu)如圖1所示.

實(shí)際工程中，可以根據(jù)所監(jiān)控電梯數(shù)量的大小情況靈活地改變圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).圖1中工作站最多可以監(jiān)控40部電梯，如果某現(xiàn)場(chǎng)電梯數(shù)量不足40臺(tái)，可以采用1臺(tái)PC機(jī)充當(dāng)服務(wù)器，安裝服務(wù)器軟件進(jìn)行監(jiān)控;如果電梯數(shù)量大于40臺(tái)而小于80臺(tái)時(shí)，可以采用2臺(tái)PC機(jī)，其中一臺(tái)充當(dāng)工作站，安裝工作站軟件，另一臺(tái)充當(dāng)服務(wù)器，安裝服務(wù)器軟件，2臺(tái)PC機(jī)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控;當(dāng)電梯規(guī)模較大時(shí)，應(yīng)考慮采用工作站—服務(wù)器模式.網(wǎng)絡(luò)中的任何一臺(tái)服務(wù)器，既可以接受監(jiān)控中心的管理，也可以獨(dú)立運(yùn)作.

在圖1所示的系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)中的控制器(PLC)控制電梯運(yùn)行并負(fù)責(zé)向工作站提供信息，數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)向工作站提供各類信號(hào)和數(shù)據(jù)，這些信號(hào)與數(shù)據(jù)來自于電梯PLC控制系統(tǒng)、安全開關(guān)、呼梯信號(hào)、電機(jī)、變頻器等處，通過特定電路輸入到數(shù)據(jù)采集模塊，由數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行處理后，通過轉(zhuǎn)換接口傳送給工作站的計(jì)算機(jī)接口，完成電梯現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)控系統(tǒng)的連接.數(shù)據(jù)采集模塊可以采取多種形式以適應(yīng)不同種類的電梯及多種形式的接口.工作站主要對(duì)下位機(jī)(電梯)發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示，為用戶提供一個(gè)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，用戶能夠通過工作站掌握電梯的狀態(tài)信息，還可以查詢電梯的檔案信息和電梯運(yùn)行的歷史資料，獲得電梯在過去時(shí)間段內(nèi)的性能分析結(jié)果.其中最重要的是該系統(tǒng)能在電梯發(fā)生故障時(shí)提供多種報(bào)警方式.

圖1 基于CAN總線的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

因此，工作站對(duì)電梯的監(jiān)控主要體現(xiàn)在3個(gè)方面:①狀態(tài)監(jiān)視.該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的監(jiān)視電梯運(yùn)行狀態(tài)，包括到達(dá)樓層、電梯開關(guān)門、上下行、廳門召喚信號(hào)等;②故障報(bào)警.工作站在監(jiān)控對(duì)象發(fā)生故障或緊急情況時(shí)及時(shí)通知用戶采取相應(yīng)的措施.電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上可以考慮多種報(bào)警方式，以適用于不同的場(chǎng)合;③統(tǒng)計(jì)功能.工作站可以顯示電梯的運(yùn)行次數(shù)及運(yùn)行時(shí)間，并進(jìn)行累計(jì).建立故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫，對(duì)故障類型、故障的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、查詢;建立維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)庫，對(duì)包括維修次數(shù)、維修時(shí)間、維修人員直接到現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、查詢.電梯運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)，如各層站召喚時(shí)間分布、召喚次數(shù)、最大侯梯時(shí)間等，并制成報(bào)表或圖表顯示.在工作站中建立用戶數(shù)據(jù)庫，包括用戶電梯的各類信息，以方便維修人員可以調(diào)用.服務(wù)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的維護(hù)并且響應(yīng)各工作站的查詢命令.遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心用于監(jiān)管各電梯的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)相應(yīng)的單個(gè)電梯進(jìn)行控制.其中上位機(jī)中所用軟件采用通用接口，具有良好兼容性，能夠?qū)Σ煌ㄓ崊f(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一，以克服其它電梯監(jiān)控系統(tǒng)只能監(jiān)控一種型號(hào)設(shè)備的不足.工作站與服務(wù)器之間可以通過Windows系列進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，也可以利用Modem通過電話線傳輸.服務(wù)器與管理中心采用網(wǎng)絡(luò)連接或公共電話網(wǎng)連接.CAN總線和工作站之間通訊需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)適配器，通過它能夠把所采集到的數(shù)據(jù)從CAN總線傳輸?shù)焦ぷ髡?，本文建議采用USB充當(dāng)數(shù)據(jù)適配器.基于USB總線的CAN適配器是通過USB總線把CAN總線與工作站相連接，將工作站內(nèi)的數(shù)據(jù)和控制參數(shù)迅速傳送給指定的CAN網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn).同時(shí)將各CAN網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送給工作站做進(jìn)一步的處理.

3 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖2 監(jiān)控管理中心軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于CAN總線的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到電梯用戶的要求和使用習(xí)慣，具有中文圖形操作界面，通用性強(qiáng)，運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，故障顯示等特點(diǎn).監(jiān)控軟件可以采用現(xiàn)成的工業(yè)控制軟件(例如組態(tài)王軟件)等來進(jìn)行設(shè)計(jì).對(duì)應(yīng)于圖1中系統(tǒng)的四層結(jié)構(gòu)，電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件相應(yīng)的也分為4層，即數(shù)據(jù)采集軟件，工作站軟件、服務(wù)器軟件、監(jiān)控管理中心軟件.數(shù)據(jù)采集模塊的軟件是電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的最底層，其主要負(fù)責(zé)與控制器進(jìn)行通訊，采集控制器的數(shù)據(jù).同時(shí)，將采集來的數(shù)據(jù)處理后按照指定的格式存放.工作站軟件按照指定協(xié)議與數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行通訊，為用戶提供一個(gè)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)、操作平臺(tái).另一方面，通過數(shù)據(jù)訪問接口將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，按照一定的格式存儲(chǔ)在服務(wù)器所維護(hù)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，通過編程實(shí)現(xiàn)配置、監(jiān)控、查詢、報(bào)警、打印等功能.服務(wù)器軟件為用戶提供可以從遠(yuǎn)程主機(jī)下載服務(wù)器的文件、數(shù)據(jù)庫傳輸服務(wù)，將監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心、事件文件傳輸服務(wù).監(jiān)控中心軟件能通過Internet網(wǎng)絡(luò)或者公用電話網(wǎng)與服務(wù)器軟件進(jìn)行通訊，從而掌握電梯運(yùn)行情況，通過數(shù)據(jù)訪問接口與各服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，隨時(shí)訪問服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控電梯的運(yùn)行情況.監(jiān)控軟件在功能上采用模塊化的設(shè)計(jì)，主要分為登陸權(quán)限模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊，數(shù)據(jù)維護(hù)模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

4 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于預(yù)防電梯事故的發(fā)生起著十分重要的作用，必須長期安全可靠的運(yùn)行.因此，該系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)就顯得尤為重要.在本文所提系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)硬件和軟件方面都采取了相應(yīng)的抗干擾措施.電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾措施如表1所示.

表1 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾措施匯總

在本文所研究的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的CAN模塊加入高速光耦進(jìn)行電氣隔離，從而隔離現(xiàn)場(chǎng)可能的干擾.當(dāng)傳輸距離超過200 m時(shí)，在CAN總線總線終端應(yīng)加上120Ω的終端電阻和0.1μF電容，以消除長距離傳輸造成的反射波干擾.USB與CAN總線的傳輸線都采用屏蔽雙絞線，屏蔽技術(shù)與雙絞線傳輸方式都可以起到抑制外部電磁感應(yīng)干擾的作用.本設(shè)計(jì)中所采用的芯片大都采用CMOS電路，其輸入電阻極大，對(duì)干擾信號(hào)十分敏感，因此在設(shè)計(jì)中，為防止端口浮空所積累的電荷而導(dǎo)致電路誤觸發(fā)，將不用的端口通過一個(gè)電阻接地或接電源.采集模塊輸入電源采用交流低電壓，通過直流穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)化為采集模塊芯片、器件所需的直流電.直流穩(wěn)壓電路不僅能提供可靠的電流，還能進(jìn)一步抑制來自交流電網(wǎng)的干擾，在整流之后，采取了大容量的電解電容濾掉低頻干擾，并且接小容量的非電解電容濾掉高頻干擾.低頻去耦電容用鋁電解電容，高頻電容采用云母或陶瓷電容.在每個(gè)芯片的電源與地線之間接一個(gè)0.1μF的陶瓷電容來濾波，USB接口的外屏蔽罩通過并聯(lián)多個(gè)高頻大電容與電路板的底線相連，同時(shí)不浮空CMOS器件的無用管腳.在采集模塊低電或主程序跑飛或死機(jī)的情況下進(jìn)行復(fù)位.

為體現(xiàn)系統(tǒng)良好的抗干擾性能，除了要求硬件的高性能和高抗干擾能力外，還需與軟件系統(tǒng)進(jìn)行密切配合.當(dāng)MCU因干擾而出現(xiàn)錯(cuò)誤，程序便脫離正常運(yùn)行軌道，出現(xiàn)“亂飛”.為了使“亂飛”程序在程序區(qū)迅速納入正軌，因此，在設(shè)計(jì)中，盡量使用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵地方插入一些單字節(jié)指令NOP，或者將有效單字節(jié)指令重寫.在本設(shè)計(jì)中采用軟件陷阱技術(shù)(軟件陷阱是指用引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲到的亂飛程序引向復(fù)位入口地址，在此處將程序轉(zhuǎn)向?qū)ｉT對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序，使程序納入正軌.)，本次設(shè)計(jì)將軟件陷阱安排在未使用的大片ROM空間、未使用的中斷向量區(qū)以及程序區(qū)中.硬件看門狗雖然可以有效地克服主程序或中斷服務(wù)程序由于陷入死循環(huán)而帶來的不良后果，但是，嚴(yán)重干擾有時(shí)會(huì)破壞中斷方式控制字，導(dǎo)致中斷關(guān)閉，硬件看門狗的功能將不能實(shí)現(xiàn).此時(shí)，依靠軟件進(jìn)行雙重監(jiān)視可以彌補(bǔ)這些不足.同時(shí)，軟件監(jiān)視還可以使當(dāng)該采集模塊出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤而退出CAN總線之后，重新初始化從而重新進(jìn)入CAN總線.

本文將CAN總線技術(shù)與電梯監(jiān)控系統(tǒng)有效地結(jié)合起來，提出的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案為智能樓宇及智能小區(qū)中的電梯的可靠運(yùn)行、減少電梯的故障率提供了技術(shù)支持，同時(shí)為維護(hù)人員提供了技術(shù)指南和參考.

5 結(jié)論

本文將CAN總線技術(shù)與電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控相結(jié)合，提出了一套基于CAN總線的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案.該方案重點(diǎn)針對(duì)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、軟件系統(tǒng)以及抗干擾系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)在智能樓宇和智能小區(qū)有著廣泛的應(yīng)用前景，為電梯可靠安全運(yùn)行提供支持與保障.

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