電梯串行通訊系統(tǒng)可靠性設計方案 - 全文

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　　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，很可能釀成嚴重的后果。因此，在電梯串行通訊系統(tǒng)的設計中，如何增強系統(tǒng)的抗干擾能力、提高系統(tǒng)工作的可靠性是一個不容忽視的重要內(nèi)容。

　　1 可靠性的基本概念

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

　　在電梯串行通訊系統(tǒng)中，故障應當都是可以修復的，因此其平均壽命的確切含義應當是平均故障間隔時間MTBF(Mean Time Between Failure)。另一個重要指標則是故障平均修復時間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)可靠性設計的有關理論，單元越簡單，可靠性就越高。因此，電梯串行通訊系統(tǒng)最好設計成集散控制系統(tǒng)，即將整個系統(tǒng)分解為多個自律性極強的獨立單元，每一單元都比較簡單，可靠性大為提高。而且當某一單元發(fā)生故障時不會影響整個系統(tǒng)。此外，結構上的分散也就意味著控制的分散、供電的分散、負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)能夠達到很高的MTBF。

　　目前在電梯串行通訊技術中占主導地位的是主從結構的BITBUS網(wǎng)絡系統(tǒng)，它采用RS-485總線，通訊結構為命令、響應式。其潛在的危險就是采用了集中控制方式，一旦主節(jié)點出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將癱瘓，而具有多主結構的CANBUS總線卻可以克服上述缺點。它可以多主方式工作，網(wǎng)絡上任一節(jié)點可以在任一時刻向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，因此可以很方便地構成冗余(容錯)系統(tǒng)。CAN的每幀信息都有CRC校驗及檢錯措施，而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重時具有自動關閉總線的功能，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總線很容易構成“集中管理、分散控制”的集散控制系統(tǒng)?？梢灶A見在不遠的將來，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，對所用元器件應嚴格篩選，選用具有低失效率的器件，對某些重要的元器件進行降級使用，元件在使用前進行老化處理使之進行偶然失效期等，從而在元件級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)由于采用了模塊結構設計，各個模塊功能簡單，易于維護，在發(fā)生故障時便于及時發(fā)現(xiàn)故障位置，迅速更換，有利于縮短系統(tǒng)的平均維修時間MTTR，從而提高系統(tǒng)的利用率。此外，還應開發(fā)使用在線快速排除故障的設計方法，使用硬件自診斷和故障部件的自動隔離、自動恢復和熱機插撥技術。當系統(tǒng)出現(xiàn)異常，通過硬件自診斷機能和測度機能檢出后，迅速進行自我故障排除，若不能排除，則迅速報警，并將故障信息顯示于控制柜操作面板。

　　2.3 冗余與容錯設計

　　容錯設計的出發(fā)點是承認各單元發(fā)生故障的可能，進而設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)具有容錯能力，必須在系統(tǒng)中增加適當?shù)娜哂鄦卧?，保證當某個單元發(fā)生故障時能由冗余單元接替其工作，原單元修復后再恢復出錯前的狀態(tài)。所以容錯與冗余是同時使用的技術。

　　對于采用主從結構的BITBUS總線的電梯串行通訊系統(tǒng)，如果進行冗余容錯就必須對整個系統(tǒng)進行冗余，這顯然很復雜且很不經(jīng)濟。而對于采用多主結構的 CANBUS網(wǎng)絡的電梯串行通訊系統(tǒng)，由于各單元的相對獨立和相對簡化，使得冗余容錯比較容易實現(xiàn)，同時還便于在冗余時突出重點(如電梯***箱)，減少不必要的冗余，從而使系統(tǒng)更加經(jīng)濟實用。

　　在采用CANBUS網(wǎng)絡的電梯串行通訊系統(tǒng)中，為提高控制系統(tǒng)的可靠性，還可以設計2臺控制柜主電腦，互為備用地執(zhí)行監(jiān)控任務，好構成雙機冗余系統(tǒng)。其中1臺作為主機投入系統(tǒng)運行，另一臺作為備份機也處于通電狀態(tài)。當主機出現(xiàn)故障時，專用程序切換裝置便自動地把備份機切入系統(tǒng)運行，承擔起主機的任務。而故障排除后，原主機則轉為備份機，處于待命狀態(tài)。這種設計方式對于單梯運行可能要增加些成本，而對于并聯(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

　　診斷技術實質上是一種檢測技術。所謂診斷，就是將測試取得的診斷信號與設定的標準相比較，或利用事先確定的征兆與故障之間的對應關系，來確定故障的種類和部位，進而達到排除故障甚至預防故障的目的。

　　例如，對于電梯串行通訊系統(tǒng)中的單片機，受外界干擾時可能會產(chǎn)生程序彈飛這一問題，可以設置監(jiān)視跟蹤定時器來監(jiān)視程序運行狀態(tài)。定時器的定時時間稍大于主程序正常運行1個循環(huán)的時間，而在主程序正常運行過程中執(zhí)行1次定時器時間常數(shù)刷新操作，這樣，只要程序正常運行，定時器就不會出現(xiàn)定時中斷，而當程序彈飛或失常時，則因無法按時刷新定時器時間常數(shù)而導致定時中斷，利用定時中斷服務程序將系統(tǒng)復位。

　　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入控制系統(tǒng)的干擾信號。電梯工作現(xiàn)場的干擾一般都是以脈沖的形式進入微處理器，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)對環(huán)境的適應能力。

　　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)幕ジ校臻g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絞線環(huán)繞向的互反特征，從而使各個小環(huán)路的電磁感應互相抵消。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，對于采用差動輸入結構的接收單元而言，共模干擾不起作用;但是在不平衡傳輸結構***模干擾將會轉為差模干擾而對接收單元造成影響，而且不平衡程度越大，影響就越嚴重[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電路與數(shù)字信號電路隔離開來。光電隔離是利用光電耦合器來實現(xiàn)兩個電路系統(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,實現(xiàn)比較容易,應用廣泛。例如，在采用CANBUS網(wǎng)絡的電梯串行通訊系統(tǒng)中，CAN控制器PCA82C200與CAN驅動器PCA82C250之間加接了高速光耦芯片 6N137來實現(xiàn)光電隔離，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力.

　　信號從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)光照后導通，經(jīng)電流—電壓轉換后送到與門的有關輸入端，與門的另一個輸入端為使能端。當使能端為高電平時，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。當輸出信號電源小于觸發(fā)閥值且使能端為低時，輸出高電平，但這個邏輯高是極電集開路的，可針對接收電路加上拉電阻或電壓調整電路。這樣就實現(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

　　信號在長線傳輸中會遇到3個問題：一是長線傳輸易受到外界干擾，二是具有信號延時，三是高速變化的信號在長線中傳輸時會出現(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線可以部分抑制外界信號干擾。

　　3.2 接地技術

　　接地是抗干擾措施中的關鍵步驟，因此對接地必須慎重處理。下面針對電梯串行通訊系統(tǒng)的特點并結合筆者的個人體會，給出一些接地方法。

　　3.2.1 電路板內(nèi)的信號地

　　電路板內(nèi)的信號地分為如下兩種情況：

　　(1)對于采用了諸如模擬放大器、模擬開關、D/A轉換器等高精度模擬器件的電路板，接地必須嚴格要求。主要有：所有模擬器件(包括可能的輸入/輸出)的接地端必須單點并聯(lián)接地，各地線應盡量放寬，絕對避免串聯(lián)接地形成的環(huán)路。

　　(2)對于純數(shù)字電路的電路板，各器件可以允許多點接地，但地線應盡可能粗，并盡量減少串聯(lián)接地的情況。尤其對于高頻信號器件，電路中應采用大面積直接接地，以減少電路間的相互影響。

　　3.2.2 模擬量輸入信號與屏蔽的接地

　　(1)如果信號源不接地，差分放大電路端接地，則屏蔽體應在放大器端接地，且接地應保證從放大器到大地的電阻小于1W。(2)如果信號源端須接地，差分放大器端不接地，則屏蔽體應在信號源接地。(3)如果信號源端與差分放大電路端都必須接地，則對信號必須采用變壓器或光電隔離等措施，且屏蔽體在信號源端接地。(4)如果可以選擇在信號源端或放大電路端接地，則可將信號線與屏蔽層在信號源處接地。

　　4 串行通訊系統(tǒng)軟件的可靠性設計

　　4.1 利用軟件提高系統(tǒng)可靠性

　　電梯串行通訊系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的，因此系統(tǒng)的可靠性也分硬件可靠性和軟件可靠性兩個方面。通過提高元器件的質量，采用冗余設計，進行預防性維護，增設抗干擾裝置等措施，能夠提高硬件的可靠性。但是，要讓整個系統(tǒng)得到理想的可靠性上述措施還顯不夠，還要利用軟件來進一步提高系統(tǒng)的可靠性。利用軟件提高系統(tǒng)可靠性的措施主要有下面幾種。

　　4.1.1 設置自檢程序

　　系統(tǒng)開機后先對硬件進行自檢，如硬件有故障，系統(tǒng)則停止運行并報警。另外，各節(jié)點微處理器內(nèi)部設置狀態(tài)標志，程序運行時不斷查詢這些狀態(tài)標志，及時發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤，以保證系統(tǒng)運行的高可靠性。

　　4.1.2 指令冗余法

　　微處理器受干擾后，往往會把操作數(shù)當操作碼來執(zhí)行，使程序的正確執(zhí)行順序被打亂且亂飛，即程序彈飛。若程序彈飛到某條單字指令上，則可自動納入正軌;當程序彈飛到某條雙字節(jié)指令上時，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯;當程序彈飛到3字節(jié)指令上時，因它有2個操作數(shù)，出錯的幾率更大。

　　因此編程時應盡量多采用單字節(jié)指令，并在關鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)指令(NOP)，或將有效單字節(jié)指令重復書寫，這便是指令冗余。指令冗余無疑會降低微處理器的工作效率，但在絕大多數(shù)情況下，微處理器還不至于忙到不能多執(zhí)行幾條指令的程度。

　　4.1.3 設置軟件陷阱

　　在非程序區(qū)設置一些陷阱程序。正常運行時不會進入非程序區(qū)，當程序彈飛時就可能遇到這些陷阱，在陷阱處強令程序進入初始狀態(tài)，避免出現(xiàn)“死機”現(xiàn)象。例如對于MC5-51系列單片機，可利用“LJMP #0000H”和“JB bit,aa”指令，在非程序區(qū)反復用 0200000002000000……H填滿。這樣不論程序計數(shù)器PC失控后指向哪一字節(jié)，最后都能讓程序回到復位狀態(tài)。

　　4.1.4 看門狗定時復位技術(WATCHDOG)

　　WATCHDOG可這樣設置：本身獨立工作，基本不依賴于CPU，CPU在1個固定的時間間隔內(nèi)和該系統(tǒng)打1次交道，以表明系統(tǒng)工作正常并封鎖復位信號。當CPU陷入死循環(huán)后，則因超過規(guī)定的時間間隔而啟動復位信號使系統(tǒng)復位。此外，前面介紹的監(jiān)視跟蹤定時器也屬于一種WATCHDOG。

　　4.1.5 輸入輸出信號的抗干擾技術

　　電梯串行通訊系統(tǒng)的輸入干擾主要來自于各層呼梯按鈕和轎內(nèi)***按鈕，由于干擾信號一般為持續(xù)時間很短的尖脈沖，因此在滿足采樣要求的前提下，將采樣延時一定時間(一般50ms以上)，等輸入信號穩(wěn)定后再進行取樣并輸入微處理器，即可消除輸入干擾。因為干擾是隨機的，所以對于輸出干擾，編程時可以采取重復輸出的辦法加以克服。即在數(shù)據(jù)或控制信號輸出后，以最短的周期重復輸出原來的信息，這樣當電梯控制系統(tǒng)接受到一個被干擾錯誤信息后，還未來得及作出有效的反應，錯誤信息就已被糾正。當然，如果對電梯控制系統(tǒng)的所有輸出信號都進行重復輸出的話，難免會降低電梯控制系統(tǒng)的效率，但是，對于一些關鍵的輸出，如起動、開閘、減速、平層、下閘、停車、開關門等命令，采用重復輸出將可大大提高電梯控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。

　　4.2 提高軟件的可靠性

　　雖然利用軟件可提高系統(tǒng)的可靠性，但是由于種種原因，軟件本身也會發(fā)生故障，因此應采取措施，提高軟件的可靠性。

　　4.2.1 程序分段和層次結構

　　在進行程序結構設計時，將程序分成若干具有獨立功能的子程序塊。各子程序可單獨也可和其它程序一起使用，各子程序之間通過一個固定的通訊區(qū)和一些指定的單元進行通訊。每個程序塊能分別進行調整而不影響其它程序塊。這些各自獨立的程序塊在連接時，盡量減少程序之間的依賴關系，按層次排列，而各程序塊具有獨立功能，結構簡單，易于修改和擴充，故障少。

　　例如，對于CANBUS通訊程序，就可分成下面3個模塊進行設計和調試。①PCA82C200發(fā)送接收數(shù)據(jù)時能否產(chǎn)生中斷。調試時通過仿真器讀取 PCA82C200中斷寄存器的中斷字即可。②通訊程序能否正常執(zhí)行設定的命令。這牽涉到設定命令的具體情況，需分情況作出相應的判斷。③通訊程序錯誤處理能力和解決總線沖突能力的測試。這可以通過故意設置通訊錯誤和頻繁通訊來檢驗。

　　4.2.2 提高程序的可測試性設計

　　軟件故障具有和硬件不同的特點，軟件故障往往是在設計階段，由人為錯誤或者在運行初期輸入程序時的操作錯誤而引起。這種存在程序中的錯誤，必須通過反復測試才能發(fā)現(xiàn)。因此，必須進行提高軟件可測試性設計，使軟件便于測試。

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