基于CAN总线技术的电梯远程监控系统的研究*

魏立明 常 闯

(1:吉林建筑工程学院电气与电子信息工程学院，长春 130118;2:吉林省智能建筑系统集成与节能控制重点实验室，长春 130118)

近年来，随着我国经济的快速发展，建筑产业正日益成为国民经济新的增长点，我国各个城市开始大量兴建高层建筑，并且规模越来越大.高层建筑中电梯的用量已相当可观，目前我国在用电梯达100万台，扶梯15万台.由于电梯运行中关人、夹人、撞底、冲顶等相关事故时有发生，电梯的运行可靠性成为人们日益关注的焦点之一［1］.电梯运行可靠性的提高可以通过两个方面来解决:一方面通过原始设计改进、提高制造和安装质量;另一方面需要依靠先进的监控手段和完备的维修保养体系.本文采用第二种解决方法以解决上述问题.现在电梯的远程监控系统大都采用RS 232或者RS 485总线构成主从式多机网络.但是，在监控范围比较广，传输距离比较远的情况下，这种监控系统存在着抗干扰能力较差，响应速度较慢，传输效率低等不足.本文针对上述不足，设计了基于CAN总线的电梯远程监控系统.

1 现场总线技术

随着计算机技术的发展，现场总线技术在工业自动化领域中的应用越来越广泛.现场总线就是应用在生产现场以及智能化控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为数字化、开放式、多点通信的底层控制网络.现场总线技术就是将专用处理器置入测量控制仪表中，使其具有相应的数字化计算和数字化通信能力，采用可进行连接的传输媒体(例如双绞线、同轴电缆或光纤)等作为总线传输介质，把分散测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，将它们连接成可以相互信息沟通、共同完成控制任务的网络与控制系统［2］.

现场总线技术实现了计算机技术、控制技术、通信技术等相关技术的集成，具有以下5个技术特征:①现场设备成为以微处理器为核心的数字化设备，相互之间通过传输媒体以总线拓扑形式相连接;②网络通信采用基带传输，数据传输速率高，实时性好，抗干扰能力强;③具有分散功能模块，便于整个系统的维护、管理与扩展，提高相应的可靠性;④具有开放式的互连结构，既可与同层网络相连接，也可以通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连接;⑤具有互操作性.也就是在遵守同一通信协议的前提下，可以将不同厂家的现场设备统一组态，构成用户所需要的网络.

CAN(Controller Area Network)总线技术又称控制器局域网总线技术，CAN总线属于现场总线中的一种，是总线式串行通信网络.由于采用许多新技术与独特设计，CAN总线与一般通信总线相比，在数据通信上具有可靠性、实时性和灵活性等突出特点.正是由于CAN总线具有可靠性高，传输速率快，通信距离较远，易于使用、维护和网络扩展，目前已广泛应用于电气电子、数控机床、机器人技术等诸多领域.

2 基于CAN总线的电梯远程监控系统总体方案

本文所提出的基于CAN总线的电梯远程监控系统在组成结构上主要由数据采集模块、监控工作站、监控服务器、远程监控管理中心组成.电梯远程监控系统的总体方案结构如图1所示.

实际工程中，可以根据所监控电梯数量的大小情况灵活地改变图1的系统结构.图1中工作站最多可以监控40部电梯，如果某现场电梯数量不足40台，可以采用1台PC机充当服务器，安装服务器软件进行监控;如果电梯数量大于40台而小于80台时，可以采用2台PC机，其中一台充当工作站，安装工作站软件，另一台充当服务器，安装服务器软件，2台PC机同时进行监控;当电梯规模较大时，应考虑采用工作站—服务器模式.网络中的任何一台服务器，既可以接受监控中心的管理，也可以独立运作.

在图1所示的系统中，现场中的控制器(PLC)控制电梯运行并负责向工作站提供信息，数据采集模块负责向工作站提供各类信号和数据，这些信号与数据来自于电梯PLC控制系统、安全开关、呼梯信号、电机、变频器等处，通过特定电路输入到数据采集模块，由数据采集模块进行处理后，通过转换接口传送给工作站的计算机接口，完成电梯现场与监控系统的连接.数据采集模块可以采取多种形式以适应不同种类的电梯及多种形式的接口.工作站主要对下位机(电梯)发送来的数据进行处理并显示，为用户提供一个监控现场，用户能够通过工作站掌握电梯的状态信息，还可以查询电梯的档案信息和电梯运行的历史资料，获得电梯在过去时间段内的性能分析结果.其中最重要的是该系统能在电梯发生故障时提供多种报警方式.

图1 基于CAN总线的电梯远程监控系统总体方案

因此，工作站对电梯的监控主要体现在3个方面:①状态监视.该系统可以实时的、动态的监视电梯运行状态，包括到达楼层、电梯开关门、上下行、厅门召唤信号等;②故障报警.工作站在监控对象发生故障或紧急情况时及时通知用户采取相应的措施.电梯远程监控系统在设计上可以考虑多种报警方式，以适用于不同的场合;③统计功能.工作站可以显示电梯的运行次数及运行时间，并进行累计.建立故障统计数据库，对故障类型、故障的次数进行统计、查询;建立维修保养数据库，对包括维修次数、维修时间、维修人员直接到现场的时间等进行统计、查询.电梯运行参数统计，如各层站召唤时间分布、召唤次数、最大侯梯时间等，并制成报表或图表显示.在工作站中建立用户数据库，包括用户电梯的各类信息，以方便维修人员可以调用.服务器主要负责数据库的维护并且响应各工作站的查询命令.远程监控管理中心用于监管各电梯的运行状态，并对相应的单个电梯进行控制.其中上位机中所用软件采用通用接口，具有良好兼容性，能够对不同通讯协议进行统一，以克服其它电梯监控系统只能监控一种型号设备的不足.工作站与服务器之间可以通过Windows系列进行网络连接，也可以利用Modem通过电话线传输.服务器与管理中心采用网络连接或公共电话网连接.CAN总线和工作站之间通讯需要相应的数据适配器，通过它能够把所采集到的数据从CAN总线传输到工作站，本文建议采用USB充当数据适配器.基于USB总线的CAN适配器是通过USB总线把CAN总线与工作站相连接，将工作站内的数据和控制参数迅速传送给指定的CAN网络控制节点.同时将各CAN网络控制节点的数据传送给工作站做进一步的处理.

3 电梯远程监控系统软件设计

图2 监控管理中心软件结构设计

基于CAN总线的电梯远程监控系统软件的设计应充分考虑到电梯用户的要求和使用习惯，具有中文图形操作界面，通用性强，运行状态实时显示，故障显示等特点.监控软件可以采用现成的工业控制软件(例如组态王软件)等来进行设计.对应于图1中系统的四层结构，电梯远程监控系统的软件相应的也分为4层，即数据采集软件，工作站软件、服务器软件、监控管理中心软件.数据采集模块的软件是电梯远程监控系统的最底层，其主要负责与控制器进行通讯，采集控制器的数据.同时，将采集来的数据处理后按照指定的格式存放.工作站软件按照指定协议与数据采集程序进行通讯，为用户提供一个监控现场、操作平台.另一方面，通过数据访问接口将采集来的数据进行处理后，按照一定的格式存储在服务器所维护的数据库内，通过编程实现配置、监控、查询、报警、打印等功能.服务器软件为用户提供可以从远程主机下载服务器的文件、数据库传输服务，将监控现场服务器上的数据传输到监控中心、事件文件传输服务.监控中心软件能通过Internet网络或者公用电话网与服务器软件进行通讯，从而掌握电梯运行情况，通过数据访问接口与各服务器的数据库进行连接，随时访问服务器端的数据库，监控电梯的运行情况.监控软件在功能上采用模块化的设计，主要分为登陆权限模块，实时监控模块，数据维护模块和数据分析模块，具体结构如图2所示.

4 电梯远程监控系统抗干扰设计

电梯远程监控系统对于预防电梯事故的发生起着十分重要的作用，必须长期安全可靠的运行.因此，该系统的抗干扰设计就显得尤为重要.在本文所提系统的设计中，对硬件和软件方面都采取了相应的抗干扰措施.电梯远程监控系统抗干扰措施如表1所示.

表1 电梯远程监控系统抗干扰措施汇总

在本文所研究的电梯远程监控系统中的CAN模块加入高速光耦进行电气隔离，从而隔离现场可能的干扰.当传输距离超过200 m时，在CAN总线总线终端应加上120Ω的终端电阻和0.1μF电容，以消除长距离传输造成的反射波干扰.USB与CAN总线的传输线都采用屏蔽双绞线，屏蔽技术与双绞线传输方式都可以起到抑制外部电磁感应干扰的作用.本设计中所采用的芯片大都采用CMOS电路，其输入电阻极大，对干扰信号十分敏感，因此在设计中，为防止端口浮空所积累的电荷而导致电路误触发，将不用的端口通过一个电阻接地或接电源.采集模块输入电源采用交流低电压，通过直流稳压电路转化为采集模块芯片、器件所需的直流电.直流稳压电路不仅能提供可靠的电流，还能进一步抑制来自交流电网的干扰，在整流之后，采取了大容量的电解电容滤掉低频干扰，并且接小容量的非电解电容滤掉高频干扰.低频去耦电容用铝电解电容，高频电容采用云母或陶瓷电容.在每个芯片的电源与地线之间接一个0.1μF的陶瓷电容来滤波，USB接口的外屏蔽罩通过并联多个高频大电容与电路板的底线相连，同时不浮空CMOS器件的无用管脚.在采集模块低电或主程序跑飞或死机的情况下进行复位.

为体现系统良好的抗干扰性能，除了要求硬件的高性能和高抗干扰能力外，还需与软件系统进行密切配合.当MCU因干扰而出现错误，程序便脱离正常运行轨道，出现“乱飞”.为了使“乱飞”程序在程序区迅速纳入正轨，因此，在设计中，尽量使用单字节指令，并在关键地方插入一些单字节指令NOP，或者将有效单字节指令重写.在本设计中采用软件陷阱技术(软件陷阱是指用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址，在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正轨.)，本次设计将软件陷阱安排在未使用的大片ROM空间、未使用的中断向量区以及程序区中.硬件看门狗虽然可以有效地克服主程序或中断服务程序由于陷入死循环而带来的不良后果，但是，严重干扰有时会破坏中断方式控制字，导致中断关闭，硬件看门狗的功能将不能实现.此时，依靠软件进行双重监视可以弥补这些不足.同时，软件监视还可以使当该采集模块出现严重错误而退出CAN总线之后，重新初始化从而重新进入CAN总线.

本文将CAN总线技术与电梯监控系统有效地结合起来，提出的电梯远程监控系统方案为智能楼宇及智能小区中的电梯的可靠运行、减少电梯的故障率提供了技术支持，同时为维护人员提供了技术指南和参考.

5 结论

本文将CAN总线技术与电梯远程监控相结合，提出了一套基于CAN总线的电梯远程监控系统实现方案.该方案重点针对系统组成结构、软件系统以及抗干扰系统进行了相应的设计，该系统在智能楼宇和智能小区有着广泛的应用前景，为电梯可靠安全运行提供支持与保障.

［1］鲁华宾.电梯运行安全可靠性的探讨［J］.装备制造技术，2011，16(12):161－163.

［2］饶运涛，邹季军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008:15－28.

［3］王 坚.基于MCGS组态软件的电梯监控系统设计［J］.电气应用，2011，30(4):81－83.

［4］Achim Dreher，Norbert Nildash，Frank Klefenz.Antenna and Receiver System with DBF for Satellite Navigation and Communications［J］.IEEE Trans.on Microwave Theory ＆ Techniques.2003，51(7):1815 －1821.

［5］叶 萍.组态监控PLC控制的电梯系统［J］.自动化应用，2011，15(10):29－32.

［6］王金奇.对电梯远程监控系统的研究［J］.中国质量监督，2010，11(5):50－51.