電梯串行通訊系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方案

電梯工作現(xiàn)場往往存在大量的干擾源，電梯控制系統(tǒng)一旦因干擾而產(chǎn)生故障，很可能釀成嚴(yán)重的后果。因此，在電梯串行通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，如何增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力、提高系統(tǒng)工作的可靠性是一個(gè)不容忽視的重要內(nèi)容。

　　1 可靠性的基本概念

　　可靠性是產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)。其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。其中規(guī)定條件是指產(chǎn)品工作時(shí)所處的環(huán)境條件、維護(hù)條件、使用條件等;規(guī)定時(shí)間是指產(chǎn)品能夠正常工作的起止時(shí)間;規(guī)定功能則是指產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)的功能。衡量產(chǎn)品可靠性的常用量化指標(biāo)主要有：可靠度、失效率、平均壽命、平均維修時(shí)間和利用率等。

　　在電梯串行通訊系統(tǒng)中，故障應(yīng)當(dāng)都是可以修復(fù)的，因此其平均壽命的確切含義應(yīng)當(dāng)是平均故障間隔時(shí)間MTBF(Mean Time Between Failure)。另一個(gè)重要指標(biāo)則是故障平均修復(fù)時(shí)間MTTR(Mean Time To Repair)。

　　2 保證電梯串行通訊系統(tǒng)可靠性的方法

　　2.1 提高系統(tǒng)各單元的MTBF

　　根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)的有關(guān)理論，單元越簡單，可靠性就越高。因此，電梯串行通訊系統(tǒng)最好設(shè)計(jì)成集散控制系統(tǒng)，即將整個(gè)系統(tǒng)分解為多個(gè)自律性極強(qiáng)的獨(dú)立單元，每一單元都比較簡單，可靠性大為提高。而且當(dāng)某一單元發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。此外，結(jié)構(gòu)上的分散也就意味著控制的分散、供電的分散、負(fù)荷的分散和干擾的分散，因此從根本上分散了影響系統(tǒng)可靠性的外部因素，從而保證系統(tǒng)能夠達(dá)到很高的MTBF。

　　目前在電梯串行通訊技術(shù)中占主導(dǎo)地位的是主從結(jié)構(gòu)的BITBUS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它采用RS-485總線，通訊結(jié)構(gòu)為命令、響應(yīng)式。其潛在的危險(xiǎn)就是采用了集中控制方式，一旦主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)將癱瘓，而具有多主結(jié)構(gòu)的CANBUS總線卻可以克服上述缺點(diǎn)。它可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)可以在任一時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，因此可以很方便地構(gòu)成冗余(容錯(cuò))系統(tǒng)。CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及檢錯(cuò)措施，而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重時(shí)具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，使總線上其它操作不受影響，具有很高的可靠性。因此，采用CANBUS總線很容易構(gòu)成“集中管理、分散控制”的集散控制系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，CANBUS將逐漸取代BITBUS，成為電梯串行通訊系統(tǒng)中的主流產(chǎn)品。

　　另外，在硬件電路板制作時(shí)，對(duì)所用元器件應(yīng)嚴(yán)格篩選，選用具有低失效率的器件，對(duì)某些重要的元器件進(jìn)行降級(jí)使用，元件在使用前進(jìn)行老化處理使之進(jìn)行偶然失效期等，從而在元件級(jí)很大程序地保證系統(tǒng)高可靠性。

2.2 降低系統(tǒng)各單元的MTTR

　　采用CANBUS總線的電梯串行通訊系統(tǒng)由于采用了模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊功能簡單，易于維護(hù)，在發(fā)生故障時(shí)便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障位置，迅速更換，有利于縮短系統(tǒng)的平均維修時(shí)間MTTR，從而提高系統(tǒng)的利用率。此外，還應(yīng)開發(fā)使用在線快速排除故障的設(shè)計(jì)方法，使用硬件自診斷和故障部件的自動(dòng)隔離、自動(dòng)恢復(fù)和熱機(jī)插撥技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，通過硬件自診斷機(jī)能和測度機(jī)能檢出后，迅速進(jìn)行自我故障排除，若不能排除，則迅速報(bào)警，并將故障信息顯示于控制柜操作面板。

　　2.3 冗余與容錯(cuò)設(shè)計(jì)

　　容錯(cuò)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是承認(rèn)各單元發(fā)生故障的可能，進(jìn)而設(shè)法保證即使某單元發(fā)生故障，系統(tǒng)仍能正常工作。為使系統(tǒng)具有容錯(cuò)能力，必須在系統(tǒng)中增加適當(dāng)?shù)娜哂鄦卧?，保證當(dāng)某個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)能由冗余單元接替其工作，原單元修復(fù)后再恢復(fù)出錯(cuò)前的狀態(tài)。所以容錯(cuò)與冗余是同時(shí)使用的技術(shù)。

　　對(duì)于采用主從結(jié)構(gòu)的BITBUS總線的電梯串行通訊系統(tǒng)，如果進(jìn)行冗余容錯(cuò)就必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行冗余，這顯然很復(fù)雜且很不經(jīng)濟(jì)。而對(duì)于采用多主結(jié)構(gòu)的 CANBUS網(wǎng)絡(luò)的電梯串行通訊系統(tǒng)，由于各單元的相對(duì)獨(dú)立和相對(duì)簡化，使得冗余容錯(cuò)比較容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還便于在冗余時(shí)突出重點(diǎn)(如電梯操縱箱)，減少不必要的冗余，從而使系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

　　在采用CANBUS網(wǎng)絡(luò)的電梯串行通訊系統(tǒng)中，為提高控制系統(tǒng)的可靠性，還可以設(shè)計(jì)2臺(tái)控制柜主電腦，互為備用地執(zhí)行監(jiān)控任務(wù)，好構(gòu)成雙機(jī)冗余系統(tǒng)。其中1臺(tái)作為主機(jī)投入系統(tǒng)運(yùn)行，另一臺(tái)作為備份機(jī)也處于通電狀態(tài)。當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，專用程序切換裝置便自動(dòng)地把備份機(jī)切入系統(tǒng)運(yùn)行，承擔(dān)起主機(jī)的任務(wù)。而故障排除后，原主機(jī)則轉(zhuǎn)為備份機(jī)，處于待命狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)方式對(duì)于單梯運(yùn)行可能要增加些成本，而對(duì)于并聯(lián)或群控梯，則在不增加任何硬件成本的前提下，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。

　　2.4 診斷技術(shù)

　　診斷技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種檢測技術(shù)。所謂診斷，就是將測試取得的診斷信號(hào)與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)相比較，或利用事先確定的征兆與故障之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來確定故障的種類和部位，進(jìn)而達(dá)到排除故障甚至預(yù)防故障的目的。

　　例如，對(duì)于電梯串行通訊系統(tǒng)中的單片機(jī)，受外界干擾時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生程序彈飛這一問題，可以設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時(shí)器來監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間稍大于主程序正常運(yùn)行1個(gè)循環(huán)的時(shí)間，而在主程序正常運(yùn)行過程中執(zhí)行1次定時(shí)器時(shí)間常數(shù)刷新操作，這樣，只要程序正常運(yùn)行，定時(shí)器就不會(huì)出現(xiàn)定時(shí)中斷，而當(dāng)程序彈飛或失常時(shí)，則因無法按時(shí)刷新定時(shí)器時(shí)間常數(shù)而導(dǎo)致定時(shí)中斷，利用定時(shí)中斷服務(wù)程序?qū)⑾到y(tǒng)復(fù)位。

　　3 串行通訊系統(tǒng)硬件抗干擾措施

　　電梯串行通訊系統(tǒng)中的元器件由于經(jīng)過篩選和老化處理，因此可靠性很高，平均無故障間隔時(shí)間MTBF很長，因此引起控制系統(tǒng)故障的原因多半不在于其本身，而在于從各種渠道進(jìn)入控制系統(tǒng)的干擾信號(hào)。電梯工作現(xiàn)場的干擾一般都是以脈沖的形式進(jìn)入微處理器，干擾竄入系統(tǒng)的渠道有3條：空間干擾、過程通道干擾和供電系統(tǒng)干擾。為減少系統(tǒng)的錯(cuò)誤和故障，提高系統(tǒng)的可靠性，就必須采用抗干擾措施，提高系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。

　　3.1 3種常見的干擾及其抑制

　　3.1.1 串模干擾

　　串模干擾是串聯(lián)于信號(hào)源回路中的干擾，也稱橫向干擾或正態(tài)干擾。產(chǎn)生串模干擾的原因有分布電容的靜電耦合，長線傳輸?shù)幕ジ?，空間電磁場引起的磁場耦合以及50Hz工頻的高次諧頻干擾等。用雙絞線作為電梯串行通訊系統(tǒng)中的信號(hào)引線，不但可以降低成本，而且可以有效地抑制串模干擾。這是由于雙絞線中每個(gè)絞線環(huán)繞向的互反特征，從而使各個(gè)小環(huán)路的電磁感應(yīng)互相抵消。另外，采用低通濾波器可以有效地抑制電源高次諧波。

　　3.1.2 共模干擾

　　共模干擾是由于微處理器、放大器地和信號(hào)源地之間的電位差而產(chǎn)生的干擾，也稱為縱向干擾或共態(tài)干擾。

　　在平衡傳輸中，對(duì)于采用差動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)的接收單元而言，共模干擾不起作用;但是在不平衡傳輸結(jié)構(gòu)中，共模干擾將會(huì)轉(zhuǎn)為差模干擾而對(duì)接收單元造成影響，而且不平衡程度越大，影響就越嚴(yán)重[1]。

　　共模干擾的抑制措施主要有如下3種：變壓器隔離、光電隔離和浮地屏蔽。變壓器隔離就是利用變壓器將模擬信號(hào)電路與數(shù)字信號(hào)電路隔離開來。光電隔離是利用光電耦合器來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電路系統(tǒng)間的隔離。浮地屏蔽是采用浮地隔離式放大器來抑制共模干擾電壓。相比較而言,光電隔離體積小,成本低,實(shí)現(xiàn)比較容易,應(yīng)用廣泛。例如，在采用CANBUS網(wǎng)絡(luò)的電梯串行通訊系統(tǒng)中，CAN控制器PCA82C200與CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250之間加接了高速光耦芯片 6N137來實(shí)現(xiàn)光電隔離，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力.

　　信號(hào)從6N137的輸入端引腳輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片內(nèi)光通道傳送到光敏二極管，反向偏置的光敏管經(jīng)光照后導(dǎo)通，經(jīng)電流—電壓轉(zhuǎn)換后送到與門的有關(guān)輸入端，與門的另一個(gè)輸入端為使能端。當(dāng)使能端為高電平時(shí)，與門輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當(dāng)輸出信號(hào)電源小于觸發(fā)閥值且使能端為低時(shí)，輸出高電平，但這個(gè)邏輯高是極電集開路的，可針對(duì)接收電路加上拉電阻或電壓調(diào)整電路。這樣就實(shí)現(xiàn)了CAN總線和CAN控制器之間的隔離，避免了CAN總線上的通訊干擾影響CAN控制器的工作。

　　3.1.3 長線傳輸干擾

　　信號(hào)在長線傳輸中會(huì)遇到3個(gè)問題：一是長線傳輸易受到外界干擾，二是具有信號(hào)延時(shí)，三是高速變化的信號(hào)在長線中傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。采用終端或始端阻抗匹配，可以消除長線傳輸中的波反射或把它抑制到最低限度，采用雙絞線作為信號(hào)線可以部分抑制外界信號(hào)干擾。