魏立明 常 闖

(1:吉林建筑工程學院電氣與電子信息工程學院，長春 130118;2:吉林省智能建筑系統(tǒng)集成與節(jié)能控制重點實驗室，長春 130118)

近年來，隨著我國經濟的快速發(fā)展，建筑產業(yè)正日益成為國民經濟新的增長點，我國各個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可觀，目前我國在用電梯達100萬臺，扶梯15萬臺.由于電梯運行中關人、夾人、撞底、沖頂等相關事故時有發(fā)生，電梯的運行可靠性成為人們日益關注的焦點之一［1］.電梯運行可靠性的提高可以通過兩個方面來解決:一方面通過原始設計改進、提高制造和安裝質量;另一方面需要依靠先進的監(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)在電梯的遠程監(jiān)控系統(tǒng)大都采用RS 232或者RS 485總線構成主從式多機網絡.但是，在監(jiān)控范圍比較廣，傳輸距離比較遠的情況下，這種監(jiān)控系統(tǒng)存在著抗干擾能力較差，響應速度較慢，傳輸效率低等不足.本文針對上述不足，設計了基于CAN總線的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng).

1 現(xiàn)場總線技術

隨著計算機技術的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術在工業(yè)自動化領域中的應用越來越廣泛.現(xiàn)場總線就是應用在生產現(xiàn)場以及智能化控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數字通信的系統(tǒng)，也被稱為數字化、開放式、多點通信的底層控制網絡.現(xiàn)場總線技術就是將專用處理器置入測量控制儀表中，使其具有相應的數字化計算和數字化通信能力，采用可進行連接的傳輸媒體(例如雙絞線、同軸電纜或光纖)等作為總線傳輸介質，把分散測量控制設備變成網絡節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，將它們連接成可以相互信息溝通、共同完成控制任務的網絡與控制系統(tǒng)［2］.

現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)了計算機技術、控制技術、通信技術等相關技術的集成，具有以下5個技術特征:①現(xiàn)場設備成為以微處理器為核心的數字化設備，相互之間通過傳輸媒體以總線拓撲形式相連接;②網絡通信采用基帶傳輸，數據傳輸速率高，實時性好，抗干擾能力強;③具有分散功能模塊，便于整個系統(tǒng)的維護、管理與擴展，提高相應的可靠性;④具有開放式的互連結構，既可與同層網絡相連接，也可以通過網絡互連設備與控制級網絡或管理信息級網絡相連接;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)場設備統(tǒng)一組態(tài)，構成用戶所需要的網絡.

CAN(Controller Area Network)總線技術又稱控制器局域網總線技術，CAN總線屬于現(xiàn)場總線中的一種，是總線式串行通信網絡.由于采用許多新技術與獨特設計，CAN總線與一般通信總線相比，在數據通信上具有可靠性、實時性和靈活性等突出特點.正是由于CAN總線具有可靠性高，傳輸速率快，通信距離較遠，易于使用、維護和網絡擴展，目前已廣泛應用于電氣電子、數控機床、機器人技術等諸多領域.

2 基于CAN總線的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

本文所提出的基于CAN總線的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)在組成結構上主要由數據采集模塊、監(jiān)控工作站、監(jiān)控服務器、遠程監(jiān)控管理中心組成.電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案結構如圖1所示.

實際工程中，可以根據所監(jiān)控電梯數量的大小情況靈活地改變圖1的系統(tǒng)結構.圖1中工作站最多可以監(jiān)控40部電梯，如果某現(xiàn)場電梯數量不足40臺，可以采用1臺PC機充當服務器，安裝服務器軟件進行監(jiān)控;如果電梯數量大于40臺而小于80臺時，可以采用2臺PC機，其中一臺充當工作站，安裝工作站軟件，另一臺充當服務器，安裝服務器軟件，2臺PC機同時進行監(jiān)控;當電梯規(guī)模較大時，應考慮采用工作站—服務器模式.網絡中的任何一臺服務器，既可以接受監(jiān)控中心的管理，也可以獨立運作.

在圖1所示的系統(tǒng)中，現(xiàn)場中的控制器(PLC)控制電梯運行并負責向工作站提供信息，數據采集模塊負責向工作站提供各類信號和數據，這些信號與數據來自于電梯PLC控制系統(tǒng)、安全開關、呼梯信號、電機、變頻器等處，通過特定電路輸入到數據采集模塊，由數據采集模塊進行處理后，通過轉換接口傳送給工作站的計算機接口，完成電梯現(xiàn)場與監(jiān)控系統(tǒng)的連接.數據采集模塊可以采取多種形式以適應不同種類的電梯及多種形式的接口.工作站主要對下位機(電梯)發(fā)送來的數據進行處理并顯示，為用戶提供一個監(jiān)控現(xiàn)場，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行的歷史資料，獲得電梯在過去時間段內的性能分析結果.其中最重要的是該系統(tǒng)能在電梯發(fā)生故障時提供多種報警方式.

圖1 基于CAN總線的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

因此，工作站對電梯的監(jiān)控主要體現(xiàn)在3個方面:①狀態(tài)監(jiān)視.該系統(tǒng)可以實時的、動態(tài)的監(jiān)視電梯運行狀態(tài)，包括到達樓層、電梯開關門、上下行、廳門召喚信號等;②故障報警.工作站在監(jiān)控對象發(fā)生故障或緊急情況時及時通知用戶采取相應的措施.電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)在設計上可以考慮多種報警方式，以適用于不同的場合;③統(tǒng)計功能.工作站可以顯示電梯的運行次數及運行時間，并進行累計.建立故障統(tǒng)計數據庫，對故障類型、故障的次數進行統(tǒng)計、查詢;建立維修保養(yǎng)數據庫，對包括維修次數、維修時間、維修人員直接到現(xiàn)場的時間等進行統(tǒng)計、查詢.電梯運行參數統(tǒng)計，如各層站召喚時間分布、召喚次數、最大侯梯時間等，并制成報表或圖表顯示.在工作站中建立用戶數據庫，包括用戶電梯的各類信息，以方便維修人員可以調用.服務器主要負責數據庫的維護并且響應各工作站的查詢命令.遠程監(jiān)控管理中心用于監(jiān)管各電梯的運行狀態(tài)，并對相應的單個電梯進行控制.其中上位機中所用軟件采用通用接口，具有良好兼容性，能夠對不同通訊協(xié)議進行統(tǒng)一，以克服其它電梯監(jiān)控系統(tǒng)只能監(jiān)控一種型號設備的不足.工作站與服務器之間可以通過Windows系列進行網絡連接，也可以利用Modem通過電話線傳輸.服務器與管理中心采用網絡連接或公共電話網連接.CAN總線和工作站之間通訊需要相應的數據適配器，通過它能夠把所采集到的數據從CAN總線傳輸到工作站，本文建議采用USB充當數據適配器.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，將工作站內的數據和控制參數迅速傳送給指定的CAN網絡控制節(jié)點.同時將各CAN網絡控制節(jié)點的數據傳送給工作站做進一步的處理.

3 電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

圖2 監(jiān)控管理中心軟件結構設計

基于CAN總線的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設計應充分考慮到電梯用戶的要求和使用習慣，具有中文圖形操作界面，通用性強，運行狀態(tài)實時顯示，故障顯示等特點.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)等來進行設計.對應于圖1中系統(tǒng)的四層結構，電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件相應的也分為4層，即數據采集軟件，工作站軟件、服務器軟件、監(jiān)控管理中心軟件.數據采集模塊的軟件是電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的最底層，其主要負責與控制器進行通訊，采集控制器的數據.同時，將采集來的數據處理后按照指定的格式存放.工作站軟件按照指定協(xié)議與數據采集程序進行通訊，為用戶提供一個監(jiān)控現(xiàn)場、操作平臺.另一方面，通過數據訪問接口將采集來的數據進行處理后，按照一定的格式存儲在服務器所維護的數據庫內，通過編程實現(xiàn)配置、監(jiān)控、查詢、報警、打印等功能.服務器軟件為用戶提供可以從遠程主機下載服務器的文件、數據庫傳輸服務，將監(jiān)控現(xiàn)場服務器上的數據傳輸到監(jiān)控中心、事件文件傳輸服務.監(jiān)控中心軟件能通過Internet網絡或者公用電話網與服務器軟件進行通訊，從而掌握電梯運行情況，通過數據訪問接口與各服務器的數據庫進行連接，隨時訪問服務器端的數據庫，監(jiān)控電梯的運行情況.監(jiān)控軟件在功能上采用模塊化的設計，主要分為登陸權限模塊，實時監(jiān)控模塊，數據維護模塊和數據分析模塊，具體結構如圖2所示.

4 電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾設計

電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)對于預防電梯事故的發(fā)生起著十分重要的作用，必須長期安全可靠的運行.因此，該系統(tǒng)的抗干擾設計就顯得尤為重要.在本文所提系統(tǒng)的設計中，對硬件和軟件方面都采取了相應的抗干擾措施.電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾措施如表1所示.

表1 電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾措施匯總

在本文所研究的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的CAN模塊加入高速光耦進行電氣隔離，從而隔離現(xiàn)場可能的干擾.當傳輸距離超過200 m時，在CAN總線總線終端應加上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，屏蔽技術與雙絞線傳輸方式都可以起到抑制外部電磁感應干擾的作用.本設計中所采用的芯片大都采用CMOS電路，其輸入電阻極大，對干擾信號十分敏感，因此在設計中，為防止端口浮空所積累的電荷而導致電路誤觸發(fā)，將不用的端口通過一個電阻接地或接電源.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，還能進一步抑制來自交流電網的干擾，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.在每個芯片的電源與地線之間接一個0.1μF的陶瓷電容來濾波，USB接口的外屏蔽罩通過并聯(lián)多個高頻大電容與電路板的底線相連，同時不浮空CMOS器件的無用管腳.在采集模塊低電或主程序跑飛或死機的情況下進行復位.

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)進行密切配合.當MCU因干擾而出現(xiàn)錯誤，程序便脫離正常運行軌道，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，在設計中，盡量使用單字節(jié)指令，并在關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.在本設計中采用軟件陷阱技術(軟件陷阱是指用引導指令強行將捕獲到的亂飛程序引向復位入口地址，在此處將程序轉向專門對程序出錯進行處理的程序，使程序納入正軌.)，本次設計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程序由于陷入死循環(huán)而帶來的不良后果，但是，嚴重干擾有時會破壞中斷方式控制字，導致中斷關閉，硬件看門狗的功能將不能實現(xiàn).此時，依靠軟件進行雙重監(jiān)視可以彌補這些不足.同時，軟件監(jiān)視還可以使當該采集模塊出現(xiàn)嚴重錯誤而退出CAN總線之后，重新初始化從而重新進入CAN總線.

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

5 結論

本文將CAN總線技術與電梯遠程監(jiān)控相結合，提出了一套基于CAN總線的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)方案.該方案重點針對系統(tǒng)組成結構、軟件系統(tǒng)以及抗干擾系統(tǒng)進行了相應的設計，該系統(tǒng)在智能樓宇和智能小區(qū)有著廣泛的應用前景，為電梯可靠安全運行提供支持與保障.

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