电梯串行通讯系统可靠性设计.docx

电梯串行通讯系统可靠性设计wangsl导语：电梯工作现场往往存在大量的干扰源，电梯控制系统一旦因干扰而产生故障电梯工作现场往往存在大量的干扰源，电梯控制系统一旦因干扰而产生故障，很可能酿成严重的后果。因此，在电梯串行通讯系统的设计中，怎样增强系统的抗干扰才能、进步系统工作的可靠性是一个不容无视的重要内容。1可靠性的根本概念可靠性是产品的质量指标。其定义为：产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的才能。其中规定条件是指产品工作时所处的环境条件、维护条件、使用条件等；规定时间是指产品可以正常工作的起止时间；规定功能那么是指产品应当实现的功能。衡量产品可靠性的常用量化指标主要有：可靠度、失效率、平均寿命、平均维修时间和利用率等。在电梯串行通讯系统中，故障应当都是可以修复的，因此其平均寿命确实切含义应当是平均故障间隔时间MTBFMeanTimeBetweenFailure。另一个重要指标那么是故障平均修复时间MTTRMeanTimeToRepair。2保证电梯串行通讯系统可靠性的方法2.1进步系统各单元的MTBF根据可靠性设计的有关理论，单元越简单，可靠性就越高。因此，电梯串行通讯系统最好设计成集散控制系统，即将整个系统分解为多个自律性极强的独立单元，每一单元都比拟简单，可靠性大为进步。而且当某一单元发生故障时不会影响整个系统。此外，构造上的分散也就意味着控制的分散、供电的分散、负荷的分散和干扰的分散，因此从根本上分散了影响系统可靠性的外部因素，进而保证系统可以到达很高的MTBF。目前在电梯串行通讯技术中占主导地位的是主从构造的BITBUS网络系统，它采用RS-485总线，通讯构造为命令、响应式。其潜伏的危险就是采用了集中控制方式，一旦主节点出现故障，整个系统将瘫痪，而具有多主构造的CANBUS总线却可以克制上述缺点。它可以多主方式工作，网络上任一节点可以在任一时刻向网络上其它节点发送信息，不分主从，因此可以很方便地构成冗余容错系统。CAN的每帧信息都有CRC校验及检错措施，而且CAN节点在错误严重时具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联络，使总线上其它操纵不受影响，具有很高的可靠性。因此，采用CANBUS总线很轻易构成“集中治理、分散控制的集散控制系统。可以预见在不远的将来，CANBUS将逐渐取代BITBUS，成为电梯串行通讯系统中的主流产品。另外，在硬件电路板制作时，对所用元器件应严格挑选，选用具有低失效率的器件，对某些重要的元器件进展降级使用，元件在使用前进展老化处理使之进展偶尔失效期等，进而在元件级很大程序地保证系统高可靠性。2.2降低系统各单元的MTTR采用CANBUS总线的电梯串行通讯系统由于采用了模块构造设计，各个模块功能简单，易于维护，在发生故障时便于及时发现故障位置，迅速更换，有利于缩短系统的平均维修时间MTTR，进而进步系统的利用率。此外，还应开发使用在线快速排除故障的设计方法，使用硬件自诊断和故障部件的自动隔离、自动恢复和热机插拨技术。当系统出现异常，通过硬件自诊断机能和测度机能检出后，迅速进展自己故障排除，假设不能排除，那么迅速报警，并将故障信息显示于控制柜操纵面板。2.3冗余与容错设计容错设计的出发点是成认各单元发生故障的可能，进而设法保证即使某单元发生故障，系统仍能正常工作。为使系统具有容错才能，必须在系统中增加适当的冗余单元，保证当某个单元发生故障时能由冗余单元接替其工作，原单元修复后再恢复出错前的状态。所以容错与冗余是同时使用的技术。对于采用主从构造的BITBUS总线的电梯串行通讯系统，假如进展冗余容错就必须对整个系统进展冗余，这显然很复杂且很不经济。而对于采用多主构造的CANBUS网络的电梯串行通讯系统，由于各单元的相对独立和相对简化，使得冗余容错比拟轻易实现，同时还便于在冗余时突出重点如电梯操纵箱，减少不必要的冗余，进而使系统更加经济实用。在采用CANBUS网络的电梯串行通讯系统中，为进步控制系统的可靠性，还可以设计2台控制柜主电脑，互为备用地执行监控任务，好构成双机冗余系统。其中1台作为主机投入系统运行，另一台作为备份机也处于通电状态。当主机出现故障时，专用程序切换装置便自动地把备份机切入系统运行，承当起主机的任务。而故障排除后，原主机那么转为备份机，处于待命状态。这种设计方式对于单梯运行可能要增加些本钱，而对于并联或者群控梯，那么在不增加任何硬件本钱的前提下，使系统的可靠性大大进步。2.4诊断技术诊断技术本质上是一种检测技术。所谓诊断，就是将测试获得的诊断信号与设定的标准相比拟，或者利用事先确定的征兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类和部位，进而到达排除故障甚至预防故障的目的。例如，对于电梯串行通讯系统中的单片机，受外界干扰时可能会产生程序弹飞这一问题，可以设置监视跟踪定时器来监视程序运行状态。定时器的定时时间稍大于主程序正常运行1个循环的时间，而在主程序正常运行经过中执行1次定时器时间常数刷新操纵，这样，只要程序正常运行，定时器就不会出现定时中断，而当程序弹飞或者失常时，那么因无法按时刷新定时器时间常数而导致定时中断，利用定时中断效劳程序将系统复位。3串行通讯系统硬件抗干扰措施电梯串行通讯系统中的元器件由于经过挑选和老化处理，因此可靠性很高，平均无故障间隔时间MTBF很长，因此引起控制系统故障的原因多半不在于其本身，而在于从各种渠道进入控制系统的干扰信号。电梯工作现场的干扰一般都是以脉冲的形式进入微处理器，干扰窜入系统的渠道有3条：空间干扰、经过通道干扰和供电系统干扰。为减少系统的错误和故障，进步系统的可靠性，就必须采用抗干扰措施，进步系统对环境的适应才能。3.13种常见的干扰及其抑制3.1.1串模干扰串模干扰是串联于信号源回路中的干扰，也称横向干扰或者正态干扰。产生串模干扰的原因有分布电容的静电耦合，长线传输的互感，空间电磁场引起的磁场耦合以及50Hz工频的高次谐频干扰等。用双绞线作为电梯串行通讯系统中的信号引线，不但可以降低本钱，而且可以有效地抑制串模干扰。这是由于双绞线中每个绞线环绕向的互反特征，进而使各个小环路的电磁感应相互抵消。另外，采用低通滤波器可以有效地抑制电源高次谐波。3.1.2共模干扰共模干扰是由于微处理器、放大器地和信号源地之间的电位差而产生的干扰，也称为纵向干扰或者共态干扰。在平衡传输中，对于采用差动输入构造的接收单元而言，共模干扰不起作用；但是在不平衡传输构造中，共模干扰将会转为差模干扰而对接收单元造成影响，而且不平衡程度越大，影响就越严重1。共模干扰的抑制措檀越要有如下3种：变压器隔离、光电隔离和浮地屏蔽。变压器隔离就是利用变压器将模拟信号电路与数字信号电路隔分开来。光电隔离是利用光电耦合器来实现两个电路系统间的隔离。浮地屏蔽是采用浮地隔离式放大器来抑制共模干扰电压。相比拟而言,光电隔离体积小,本钱低,实现比拟轻易,应用广泛。例如，在采用CANBUS网络的电梯串行通讯系统中，CAN控制器PCA82C200与CAN驱动器PCA82C250之间加接了高速光耦芯片6N137来实现光电隔离，以进步系统的抗干扰才能.信号从6N137的输入端引脚输入，发光二极管发光，经片内光通道传送到光敏二极管，反向偏置的光敏管经光照后导通，经电流电压转换后送到与门的有关输入端，与门的另一个输入端为使能端。当使能端为高电平时，与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。当输出信号电源小于触发阀值且使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是极电集开路的，可针对接收电路加上拉电阻或者电压调整电路。这样就实现了CAN总线和CAN控制器之间的隔离，防止了CAN总线上的通讯干扰影响CAN控制器的工作。3.1.3长线传输干扰信号在长线传输中会碰到3个问题：一是长线传输易受到外界干扰，二是具有信号延时，三是高速变化的信号在长线中传输时会出现波反射现象。采用终端或者始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度，采用双绞线作为信号线可以局部抑制外界信号干扰。3.2接地技术接地是抗干扰措施中的关键步骤，因此对接地必须慎重处理。下面针对电梯串行通讯系统的特点并结合笔者的个人体会，给出一些接地方法。3.2.1电路板内的信号地电路板内的信号地分为如下两种情况：1对于采用了诸如模拟放大器、模拟开关、D/A转换器等高精度模拟器件的电路板，接地必须严格要求。主要有：所有模拟器件包括可能的输入/输出的接地端必须单点并联接地，各地线应尽量放宽，绝对防止串联接地形成的环路。2对于纯数字电路的电路板，各器件可以允很多点接地，但地线应尽可能粗，并尽量减少串联接地的情况。尤其对于高频信号器件，电路中应采用大面积直接接地，以减少电路间的互相影响。3.2.2模拟量输入信号与屏蔽的接地1假如信号源不接地，差分放大电路端接地，那么屏蔽体应在放大器端接地，且接地应保证从放大器到大地的电阻小于1W。2假如信号源端须接地，差分放大器端不接地，那么屏蔽体应在信号源接地。3假如信号源端与差分放大电路端都必须接地，那么对信号必须采用变压器或者光电隔离等措施，且屏蔽体在信号源端接地。4假如可以选择在信号源端或者放大电路端接地，那么可将信号线与屏蔽层在信号源处接地。4串行通讯系统软件的可靠性设计4.1利用软件进步系统可靠性电梯串行通讯系统是由硬件和软件组成的，因此系统的可靠性也分硬件可靠性和软件可靠性两个方面。通过进步元器件的质量，采用冗余设计，进展预防性维护，增设抗干扰装置等措施，可以进步硬件的可靠性。但是，要让整个系统得到理想的可靠性上述措施还显不够，还要利用软件来进一步进步系统的可靠性。利用软件进步系统可靠性的措檀越要有下面几种。4.1.1设置自检程序系统开机后先对硬件进展自检，如硬件有故障，系统那么停顿运行并报警。另外，各节点微处理器内部设置状态标志，程序运行时不断查询这些状态标志，及时发现并纠正错误，以保证系统运行的高可靠性。4.1.2指令冗余法微处理器受干扰后，往往会把操纵数当操纵码来执行，使程序的正确执行顺序被打乱且乱飞，即程序弹飞。假设程序弹飞到某条单字指令上，那么可自动纳入正轨；当程序弹飞到某条双字节指令上时，有可能落到其操纵数上，进而继续出错；当程序弹飞到3字节指令上时，因它有2个操纵数，出错的几率更大。因此编程时应尽量多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单字节指令NOP，或者将有效单字节指令重复书写，这便是指令冗余。指令冗余无疑会降卑微处理器的工作效率，但在绝大多数情况下，微处理器还不至于忙到不能多执行几条指令的程度。4.1.3设置软件陷阱在非程序区设置一些陷阱程序。正常运行时不会进入非程序区，当程序弹飞时就可能碰到这些陷阱，在陷阱处强令程序进入初始状态，防止出现“死机现象。例如对于MC5-51系列单片机，可利用“LJMP#0000H和“JBbit,aa指令，在非程序区反复用0200000002000000H填满。这样不管程序计数器PC失控后指向哪一字节，最后都能让程序回到复位状态。4.1.4看门狗定时复位技术WATCHDOGWATCHDOG可这样设置：本身独立工作，根本不依靠于CPU，CPU在1个固定的时间间隔内和该系统打1次交道，以说明系统工作正常并封闭复位信号。当CPU陷入死循环后，那么因超过规定的时间间隔而启动复位信号使系统复位。此外，前面介绍的监视跟踪定时器也属于一种WATCHDOG。4.1.5输入输出信号的抗干扰技术电梯串行通讯系统的输入干扰主要来自于各层呼梯按钮和轿内操纵按钮，由于干扰信号一般为持续时间很短的尖脉冲，因此在知足采样要求的前提下，将采样延时一定时间一般50ms以上，等输入信号稳定后再进展取样并输入微处理器，即可消除输入干扰。由于干扰是随机的，所以对于输出干扰，编程时可以采取重复输出的方法加以克制。即在数据或者控制信号输出后，以最短的周期重复输出原来的信息，这样当电梯控制系统承受到一个被干扰错误信息后，还将来得及作出有效的反响，错误信息就已被纠正。当然，假如对电梯控制系统的所有输出信号都进展重复输出的话，难免会降低电梯控制系统的效率，但是，对于一些关键的输出，如起动、开闸、减速、平层、下闸、停车、开关门等命令，采用重复输出将可大大进步电梯控制系统的可靠性和平安性。4.2进步软件的可靠性固然利用软件可进步系统的可靠性，但是由于种种原因，软件本身也会发生故障，因此应采取措施，进步软件的可靠性。4.2.1程序分段和层次构造在进展程序构造设计时，将程序分成假设干具有独立功能的子程序块。各子程序可单独也可和其它程序一起使用，各子程序之间通过一个固定的通讯区和一些指定的单元进展通讯。每个程序块能分别进展调整而不影响其它程序块。这些各自独立的程序块在连接时，尽量减少程序之间的依靠关系，按层次排列，而各程序块具有独立功能，构造简单，易于修改和扩大，故障少。例如，对于CANBUS通讯程序，就可分成下面3个模块进展设计和调试。PCA82C200发送接收数据时能否产生中断。调试时通过仿真器读取PCA82C200中断存放器的中断字即可。通讯程序能否正常执行设定的命令。这牵涉到设定命令的详细情况，需分情况作出相应的判定。通讯程序错误处理才能和解决总线冲突才能的测试。这可以通过成心设置通讯错误和频繁通讯来检验。4.2.2进步程序的可测试性设计软件故障具有和硬件不同的特点，软件故障往往是在设计阶段，由人为错误或在运行初期输入程序时的操纵错误而引起。这种存在程序中的错误，必须通过反复测试才能发现。因此，必须进展进步软件可测试性设计，使软件便于测试。