电梯控制系统中的CAN总线通讯设计

电梯控制系统中的CAN总线通讯设计
1 前言
电梯，作为一种楼宇运输设备使人类加快了进人文明时代的步伐。

它必须具有高度的安全性和科学性，因此它的控制系统受到广泛的关注。

电梯控制系统需要与电梯外围设备的各种信号进行大量的通讯，如电梯的位置信号、轿厢内的选层信号、应答选层的指示灯信号、显示电梯当前楼层数的显示信号和厅外呼梯信号等，这些信号随着楼层的增多而迅速增多。

因此，电梯中各个子系统之间的通讯有以下4个主要特点：①节点多；②距离长；③信号1变化慢；④对抗干扰能力的要求高。

目前电梯通讯主要有并行和串行两种方式。

一般而言，并行通讯方式速度快，无需额外的控制器，实现简单，但使用的线路多，对电梯控制器的I/O节点数量和性能要求高，电梯安装和维护麻烦。

典型的使用并行通讯的电梯为PLC控制电梯，其采用PLC上的I/O口进行通讯。

当楼层数增加时，要求PLC的I/O口数相应增加，导致成本的大幅提高，也提高了安装和维护的难度，并且电梯产品通用性不强。

串行通讯方式则只需要-对信号线，可将系统的控制功能进行分化，其成本低，通讯距离远，易实现模块化的设计，通用性强，但系统结构较复杂，并且牵涉到总线冲突问题。

RS485作为微机系统中常用的串行通讯方式之一，通过差分信号通讯，消除了共模干扰，可采用中继器延长通讯距离，在电梯控制系统中也得到了一定的应用。

但RS485采用主从式的通讯方式，只能采取轮询的通讯方式，当主机通讯出现故障时，通讯无法进行下去，因此并不适用于对安全性能要求较高的电梯控制系统。

近年来现场总线成为自动化技术中的一个热点。

现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，亦称“通用现场通信系统”。

由于它在减少系统线缆、简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，其发展和应用日渐成熟。

目前在国际上应用的总线类型约有40多种，而CAN总线则被公认为是最有前途的现场总线之一。

2 CAN总线
CAN（Controller AreaNetwork）总线是德国BOSCH公司从1980年代初为解决汽车中控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。

CAN可实现分布式多机系统，且无主、从机之分；可以用点对点、一点对多点及全局广播几种方式传送和接收数据；直接通信距离最远可达l0km（传输率为5kbps），通信速率最高可达1 Mbps（传输距离为40m）；网络内的节点个数在理论上不受限制。

CAN总线能在极端恶劣的环境下运作，具有抗瞬间干扰的能力，其控制器接口有降低射频干扰的刹率控制；有较强的纠错能力，通过监视、循环冗余校验、位填充和报文格式检查，使得未检测出的出错概率小于417×10-11；有自动识别永久性故障和短暂扰动的能力，在处于连续干扰时，CAN节点处于关闭状态；CAN节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下被接于CAN网络中。

3 CAN总线在电梯控制系统中的应用
3.1 系统构成与工作原理
图1给出了基于CAN总线的电梯分布式控制系统构成图，它分为变频器、主控制器、轿厢控制器、门机控制器、轿厢显示器和外呼控制器。

各个模块均为独立的微机控制，增设CAN控制器及接口。

图中深色粗线即为CAN总线。

在本系统中CAN总线有CANO和CAN1两路。

CANO连接轿厢控制器、门机控制器、轿厢显示器和外呼控制器形成多主站电梯外围设备CAN局域网。

随着通讯距离的增大，CAN总线的有效通讯速率相应地降低。

考虑到使用本电梯系统的大厦高度，选用CANO的通讯速率为9600bps。

CANT和变频器中的CAN接口相连，通过此总线接口，主控制器可以直接和变频器进行通讯，通讯速率为1Mbps。

合作厂家的变频器上带有液晶操作面板，整个电梯的调试工作可通过其液晶操作面板完成。

3.2 各控制器的功能及实现方法
3.2.1 主控制器
主控制器安装在变频器内，由变频奢导提供电源，通过CANT端口和变频器进行通讯。

主要是根据对召唤指令，以及采集到的安全信号、速度信号、轿厢位置信号、门系统信号加以处理，控制轿厢的运行和门机的动作。

主控制器原理如图2所示。

图2中，W77C32是华邦公司改进的51系列单片机，每个机器周期只需4个时钟周期，其最高时钟频率可达40MHz，处理能力比89C52提高10倍以上。

故以其为主控制器的核心，完成控制功能。

变频器的操作面板有液晶显示屏和轻触式操作键盘，通过主控制器和变频器之间的CAN总线，可实现楼层自学习生成曲线、参数设置、变量监测、设定楼层以及修改楼层显示数等。

除与其他控制器进行CAN通讯外，主控制器采集电梯井道内的一些安全信号、轿厢上的平层开关、门系统信号以及操作开关的返回信号。

主控制器对变频器的控制主要通过CAN总线协议完成。

变频器上有一块编码器卡，读出编码器的数据后通过CAN总线发送给主控制器。

在自学习阶段，主控制器通过平层信号和编码器的数据，生成最优的电梯运行曲线，并将其保存到主控制器的FLASH存储器中。

在调试过程中可根据最佳的轿厢舒适度来任意生成合适的曲线。

在电梯运行阶段，主控制器通过编码器的数据、轿厢位置的信号、安全信号以及门的位置、开关信号，来决定变频器的运行。

主控制器通过 CAN总线将停止、正向运行、反向运行以及速度给定等信号、发送给变频器，由变频器来对曳引机进行速度矢量控
制；同时主控制器通过继电器输出控制抱闸等开关的通断，以此来保证电梯系统的安全运行。

主控制器还可通过RS232接口将、曲线上传至计算机中，对其直接进行修改，修改后的曲线可重新下载至主控制器中，也可通过此接口实现电梯监控和调试。

3.2.2 外呼控制器
外呼控制器采集楼层呼梯信号，控制呼梯灯的显示。

基站的外呼控制器增设锁梯开关、消防运行开关等输人功能。

它通过CAN端口与总线连接。

外呼控制器的原理如图3所示。

为使主控制器能正确识别各外呼控制器的通信地址，外呼控制器设置了跳线开关。

短接跳线后，再按上呼或下呼按钮则可分别进入3个子菜单：实际楼层、显示楼层和显示方式。

选定子菜单后，等待6秒，控制器将自动进人本子菜单的初始值。

再按上呼或下呼按钮即可分别设置实际所在楼层、显示楼层字符（特殊符号可由客户指定后实现具体的编码）以及显示方式等。

设置完毕后，拔去跳线，设置值可存人此控制器中的看门狗芯片X2504.5内的EEPROM内。

在下次开机重启后，控制器将从X25045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CANO接口发送给主控制器。

在到达某一楼层时，主控制器通过CANO接口将显示楼层数发送给外呼控制器显示。

此数值将保持到下一显示数据到达时。

3.2.3 门机控制器
门机控制器采集门系统信号及称重传感器信号，并将这些信号通过CANO接口传输到主控制器，主控制器通过CANO传送命令控制门机等周边设备，控制电梯门的开、关和速度如图4所示。

3.2.4 轿厢控制器
采集轿厢内的呼梯按钮，司机、直驶、自动等操作开关信号，通过CAN总线发送给主控制器。

而主控制器通过CAN总线传送按钮状态返回、超载、报警信号如图5所示。

3.2.5 轿厢显示器
主控制器通过CAN总线发送楼层显示信号给轿厢显示器。

轿厢显示器的显示方式可通过跳线开关来实现其设置。

3.3 系统工作原理
在电梯安装调试阶段，在变频器的操作面板上执行电梯自学习命令。

通过井道自学习过程，系统将在主控制器中生成电梯最佳运行曲线，执行存储命令后，曲线数据会存入FLASH存储器内，直到下次自学习为止。

电梯运行时，轿顶、轿厢及各楼层的控制器将采集信号发送到CANO总线，主控制器根据这些信号以及专用线路上的安全信号、定向、平层等指令，通过CAN1接口，按照生成的电梯运行曲线发送频率数据给变频器，直接控制变频器进行速度矢量控制。

将轿厢位置信号发送到CANO总线上，轿厢和外呼等控制器据此控制按钮灯输出，并进行数码管显示。

在电梯的调试和运行过程中，通过变频器上的液晶操作面板，可在变频器的电梯参数组中设置相关的电梯运行参数，然后通过CAN I 总线发送给主控制器。

主控制器会根据修改的参数控制电梯。

3.4 控制系统的特点
（1）5R CAN总线技术一路连成多主站电梯外围设备CAN局域网，另一路和变频器的CAN总线相连，实现不同的功能。

（2）集成化将主控制器集成到变频器中，集驱动控制与逻辑控制于一体，减轻了系统安装的负担，避免了资源的浪费。

（3）模块化将系统划分为主控制器、轿厢控制器、门机控制器、轿厢显示器和外呼控制器等模块，一方面将控制功能分散化，减轻了
主控制器的负担，提高了系统的安全性；另一方面，有利于系统的扩展。

（4）智能化提供电动机静态自学习、楼层自学习、设置楼层显示等功能。

通过操作面板可实现整个电梯系统的调试，包括面板呼梯功能。

4 结论
在电梯控制系统中采用CAN总线技术，将电梯系统进行集成化、模块化设计，顺应了现代工控系统的发展趋势。

一方面，通过和国外变频器厂商的合作，将主控制器集成到变频器内，避免资源的浪费。

另一方面，将控制功能合理地分散到各地的控制模块中，由各控制器完成基本的数据处理和控制功能，再通过可靠、实时的CAN总线技术实现系统的串行通讯，减轻了主控制器的负担，提高了电梯控制系统的安全性、实时性。

最后，总线化、模块化的设计提高了电梯系统的通用性。