基于SHCAN總線的電梯控制系統的設計

劉振濤 唐明新

摘要：電梯是應用于高層建筑的大型運輸設備，傳統的電梯控制系統中采用PLC和繼電器來實現電梯的控制。這種控制方式屬于集中式控制，主控器承載的任務量較為繁重，這種通訊的點對點連接對于高層樓宇而言是十分不方便的，即使是基于485的總線控制系統，其主從的工作方式，也令主站的任務量巨大，對其依賴性很強，容易導致系統癱瘓。文采用CAN總線，利用串行通訊方式來實現電梯各個部分的通訊，結合三合自動化公司生產的智能控件，對各個模塊做出了設計。電梯主控器、轎廂控制器和外呼控制器通過解析CAN總線的數據來實現電梯的通訊和控制。同時這種控制方式屬于分布式控制，大大較少了主控器的任務量，同時也極大的提高了電梯系統的執行效率。

關鍵詞：CAN總線；主控器；電梯控制系統；節點

隨著現代社會的發展，高層建筑數目與日俱增。電梯系統作為一種重要的室內運輸工具，其必須具有很高的安全性和實時性。電梯控制系統主要由門廳外呼系統、轎廂內呼系統、門機系統和主控系統組成，同時也涉及大量的數據傳輸工作，包括呼叫樓層信號、轎內召喚樓層信號、電梯位置信號、電梯狀態信號和電梯速度信號等等。這些信號的數量和樓層數成一定的正比關系。如果采用傳統的PLC點對點控制，對于高層樓宇來說，使用的線路數量會相當多，因此主控器的I/O點也要求和線路數量相當，顯然這種要求十分苛刻，并且電梯的后期維護麻煩、成本過高，也不利于電梯的安裝。

國內一般采用RS485標準較多，這種通訊協議都是一種基于主從式的網絡結構，該結構只允許一個節點作為主站[1]，該主站節點一旦出現故障，系統將處于癱瘓狀態，因此很依賴主節點，并且這種通訊方式是“問答式”的，命令的發出和相應使得數據傳輸次數增多，影響系統的傳輸效率，沒有較好的實時性，并且錯誤校驗的能力也不強。而CAN總線則具有很好的實時性和校驗能力，是一種多主模式的總線[2]，其連接方式也很簡單，采用一對雙絞線，通過串行通訊的方式將電梯的主控部分、轎廂部分、外呼部分和門機部分進行連接即可。由于CAN總線任意節點可以在任何時刻進行信息的發送和接收，同時由于其具有良好的總線仲裁技術，可使得總線的沖突時間減少，大大提高了通訊網絡的實時性。 從它的信息幀發送方式來說，其擁有良好的信息幀檢測方式，傳輸距離可達10KM，信息傳輸速度也很可觀，因此CAN總線比較適合應用于電梯控制系統中。這種布局也使得系統各個模塊的作用更為明顯，這種模塊化十分明顯的設計也在各個領域內得到了廣泛的認可和應用。本論文以CAN總線為通訊前提，以兼容CAN總線的大連三合自動化研究的智能控件為核心，設計電梯控制系統。

1 基于SHCAN總線的電梯系統的設計

電梯控制系統如圖1所示，其主要分為兩部分，即電氣控制系統和電力拖動系統。其中電力拖動系統由變頻器、永磁同步電機、減速裝置和光電編碼器組成。變頻器通過主控器的控制來對電機的轉速進行控制，同時電機的轉速通過光電編碼器來進行記錄，并將電梯轎廂位置的信息反饋給主控器6202，從而實現電梯轎廂位置的判斷。[5]而電氣控制主要由主控器控制、轎廂控制器控制和外呼控制器控制組成。

2 電梯主控節點的設計

當門廳呼叫信號或者轎廂內召信號產生時，該信號通過總線傳輸被主控器6202接收，主控器6102結合轎廂節點發送的樓層信息以及光電編碼器產生的速度信息來執行相應的上行或下行動作控制。同時可以對各個樓層的呼叫信號進行記憶或消號，主控器也會將上下行信息發送至總線，門廳節點和轎廂節點則對其進行接收和顯示。SH6202智能控件擁有AI、AO、DI、DO四種接口，并且可以進行端口擴展，同時其具有頻率計數功能，可以實現對光電編碼器的計數操作。主控器可以實現位置數據的記錄、相關參數設置和變量的測量[6]，主控器的通信原理圖如圖2所示。

同時主控器也會采集電梯系統的一些監控信息，比如平層開關信號、限位信號以及電梯門開關狀態等信息。同時和轎廂節點、門機節點以及外呼節點進行實時通信。主控制器采集電梯井道內的一些安全信號、平層開關信號、門系統信號以及一些開關的反饋信號。[7]主控器的具體設計圖下圖3所示。其中變頻器的反饋信號有電梯停止信號、運行信號、減速信號、欲開門信號以及故障信號，將這些信號的輸出端由繼電器來進行控制，通過繼電器的動作來實現6202的輸入，從而保證主控器對變頻器的及時控制。

三合智能控件6202具有16路DI，9路DO，可以實現通過I/O口與變頻器進行通信來達到控制效果，同時為了減少電梯移動電纜的連接數量，我們采用光電編碼器來檢測電梯的位置[8]，將這種編碼信號反饋給主控器，由于6202中沒有能進行頻率計數的功能，這里需要用到三合另一個智能控件6102。6102具有8路AI，2路AO，5路DI和5路DO，同時也有頻率計數FI端子。在上圖的擴展模塊中，我們引用6102的頻率計數功能的FI電子和DO功能，一方面實現主控器6202（6102）對光電編碼脈沖的檢測，從而達到電梯轎廂位置的跟蹤，另一方面，也是為了擴展6102的DO端口，實現與變頻器的通訊。同時主控節點為了與轎廂節點和外呼節點進行通訊，通過CAN總線連接在一個局域網中即可，而6202和6102具有CAN總線端口，可以實現電梯系統高效的串行通訊。

3 轎廂節點設計

電梯轎廂控制器承擔內召任務，同時它也要對電梯的運行信息進行顯示，包括轎廂的位置、運行的方向。通過CAN通訊來實現信號傳輸，向主控器發出樓層呼叫信息。除了呼叫信息，電梯轎廂還可能出現運行模式信號，比如司機模式、直駛模式等等，這些信號都是從轎廂節點發出的。主控器接收到信息諸如選層、電梯狀態信息，在通過CAN總線進行進行信息的反饋，例如轎廂超載報警就是通過主控器的反饋信號來執行的，在此期間，轎廂門不關閉，電梯系統抱閘，電梯平常并且電動機不動作，警鈴報警和顯示超載，從而確保乘客的人身安全。轎廂的系統結構圖如下4所示

4 外呼控制器設計

外呼控制器的作用和轎廂控制器類似，都需要采集電梯的呼叫信號，以及電梯運行方向和樓層數的顯示，值得一提的時在電梯系統的基站需要設置鎖梯開關、消防開關。利用CAN總線通訊的特點，不同樓層對外呼信息的ID編碼不同[9]，從而使主控器可以判斷呼叫的樓層數目，從而更準確的傳達給變頻器。在電梯正常運行期間，外呼節點將上呼下呼請求通過CAN總線傳給主控器，主控器通過脈沖數判斷電梯的運行樓層，將該樓層信息傳送至總線，從而使外呼節點和轎廂節點內部顯示電梯的運行樓層。[10]外呼節點的原理圖如下圖5所示。

5 總結

基于SHCAN總線的電梯系統的運行原理為：電梯的變頻器先啟動自學習模式，即通過6202的DO8+這個端口通知變頻器進行自學習，在自學習模式下，電梯從建筑的底層開始向上緩慢運行，在上升過程中，每個平層都有光電感應器，電梯經過平層時，電梯轎廂的擋板部分會產生隔離信號，隔離信號從轎廂節點出發，通過CAN總線傳輸給主控器，主控器向變頻器的上平層和下平層端子輸入信號，提示電梯此時此刻的位置，當電梯到達轎廂的頂層時，自學習結束。在這個自學習過程中，變頻器記錄了轎廂各個平層時刻的脈沖數，同時根據脈沖的分布，自行的產生電梯的加速和減速的位置。這種情況下，變頻器需要設定為距離控制方式。當外呼節點發出呼梯請求時，請求信號通過CAN總線傳輸達到主控器端，主控器根據CAN通訊中的編碼信息來識別樓層，并激活FLE端子，提示變頻器需要記錄呼叫的樓層，呼叫的樓層通過擴展的I/O端子從變頻器的X1、X2、X3和X4端輸入，通過四個端子的排列組合的輸入方式，進行呼梯層數的記錄。因此這種基于SHCAN總線的控制方式，可以減少很多線纜的連接，，同時應用三合智能控件6102和6202來完成主控設計，現場各部分職能分工明確，對于主控器的依賴性減少，同時也方便電梯現場的安裝和使用。

參考文獻：

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[9]周義江，黃劍禮.一種基于CAN現場總線的電梯群控系統的設計和實現.福建電腦，2007（8）：163164.

[10]朱德文.電梯交通系統的智能控制與應用.長春：吉林大學出版社，2002.

作者簡介：劉振濤（1990），男，漢族，遼寧大連人，研究生在讀，研究方向：工業綜合自動化與先進控制技術。

〖HTH〗*通訊作者：〖HTK〗唐明新，男，漢族，遼寧大連人，教授，研究方向：工業綜合自動化與先進控制技術。