採用DeviceNet現場總線和PLC解決電梯運行可靠性和安全性問題

採用DeviceNet現場總線和PLC解決電梯運行可靠性和安全性問題

凌空,蔣式勤 發表於 2020-05-09 09:20:05

一。引言

智能建築是資訊時代的必然產物，建築物智能化程度隨科學技術的發展而逐步提高。將4C技術（即Computer計算機技術、Control控制技術、Communication通信技術、CRT圖形顯示技術）綜合應用於建築物之中，在建築物內建立一個計算機綜合網絡，使建築物的設備智能化，結合現代化的服務與管理方式，給人們提供一個安全、 舒適的生活、學習與工作環境空間，是智能建築追求的目標。

電梯、供水、供電、防盜、防火、家庭水煤電用量監測等設施是小區智能化的重要組成部分。採用計算機監控管理系統，對商務或居住小區分散的設備進行監控和管理，是提高小區設備運行可靠性的有效途徑。DeviceNet（設備網）是低成本、高可靠性、基於連接的數據網絡，具有強大的通信功能，提供在多種應用之間交換信息的路徑，可以在網絡中的設備之間傳送I/O數據。

本文討論了採用DeviceNet主單元和PLC共同實現電梯控制，完成與上位機通信和信號傳輸（簡稱方案1）和小區建築設施的控制與檢測都採用DeviceNet現場總線的解決方案（簡稱方案2）。這兩種系統結構和目前通用的小區監控方案相比，不僅可以節省遠程控制器的I/O接點和大量電纜，而且，便於軟體設計和硬體的備用。文中討論了通過遠程通信的冗餘方式解決電梯運行可靠性和安全性的問題。

二。小區監控管理系統現狀

目前，小區建築群的電梯和供水系統主要是用傳統的集中式可編程控制器。與其配套的小區計算機監控管理系統大多是採用分布式監控的方案，例如，利用LonWorks、 ProfiBus、DeviceNet等現場總線技術，採集小區建築群的電梯和供水系統、供電系統以及防盜、防火、家庭水煤電用量等信號。也就是說，小區建築設施的控制與檢測是基於兩套相互完全獨立的系統。雖然這種方案不影響小區建築設施的控制和檢測，但是，顯然它需要重複的I/O接點和接線，缺乏統一的規劃。電梯是小區智能建築的重要組成部分，電梯的運行正常與否，直接影響到小區居民的日常生活。在小區建設中，為了確保居民生活的安全、高效、舒適便利，一般都採用雙梯或多梯運行。同時，在線監測電梯設備的運行狀況，對突發情況做出實時處理。這種控制和監測都利用PLC的方案，使得PLC在小區監控系統中扮演了重要的角色。它的特點是系統運行安全可靠，系統各個檢測信號直接輸入PLC，便於PLC及時做出判斷和處理。但是，在這種情況下，系統的連線很多，佔用較多的I/O點，安裝成本高，施工不便，工程量大，容易出錯，而且一旦出現故障，也難以排除。同時，PLC還要和上位機通信，進行信息交換，以使監控系統獲得控制系統的運行信息，這樣對CPU的要求較高。而且，在同一個控制系統中，需要採用同一個廠商的相關產品，缺少多供貨商同類產品之間的兼容性和互換性。基於上述的問題，本文首先討論採用DeviceNet主單元和PLC共同實現電梯控制，完成和上位機的通信和信號傳輸。

三、DeviceNet單元和PLC的通信

DeviceNet是一種低成本的通訊總線連結，具有開放現場網絡標準，規範和協議都是開放的。DeviceNet將控制和數據融合在一起，信息具有數據標識區，網絡利用標識區進行優先級仲裁，可以高效傳送I/O數據。DeviceNet有兩種不同類型的消息：I/O消息和顯式消息（Explicit Message）。顯式消息用於兩個設備間點對點消息傳遞，是典型的請求/響應方式，常用於設備主參數、節點的配置、故障診斷數據等。顯式消息可以在不同公司的設備間進行通信，I/O消息適用於實時性要求較高和面向控制的數據。遠程I/O通信功能使得在從單元和安裝主單元的CPU之間能自動地傳送I/O數據，對於需要位數據又需要信息數據交換的應用，非常適合採用DeviceNet網絡。其典型的應用如圖1所示：

圖1 DeviceNet典型應用圖示

主DeviceNet單元作為特殊I/O單元，和CPU的通信非常方便，比如，OMRON公司的C200HG和CJ系列的CPU和OMRON公司的DeviceNet的主單元C200HW-DRM21-V1間的通信，只需利用PLC本身具有的豐富的數據傳送指令，即可對數據進行讀寫，而不需編寫特別的程序。本文以C200HW-DRM21-V1主單元與傳感器終端模塊DRT1-ND16S間的通信為例說明。

在組網時，首先通過主單元上的旋轉開關設置主單元的單元號（即MACHINE NO.），通過DIP開關設置節點號（即NODE NO.），以及通信的波特率。波特率不同的單元間不能通信，否則系統會出錯，並給出提示。主單元的單元號可以設置為十六進位的0～F。主單元和從單元的節點可以設置為0～63。主單元的DIP開關除了設置波特率外，還需設置通信出錯時通信是否停止。各單元設置好以後，在PLC的內存區中有對應的字（見表1和2）來實現對它的控制，不需要編程，在系統上電後各個單元會自動地被寫入掃描表，從而完成網絡連接。比如，設置主單元的單元號為1，則其對應的軟體開關和狀態區分配的字為IR110～IR119和DM6034～6035。如果把主單元C200HW-DRM21-V1的節點號設置為8，則在CPU單元的I/O存儲區中為從單元分配字地址：輸出區為IR58，輸入區為IR358。不同的節點，對應於不同的字地址。這樣，CPU對各個單元的讀寫操作就是讀寫存儲區，可以直接利用PLC本身的指令系統。C200HG系列PLC的每個主單元可以有多個從單元，能控制相當多的現場設備，可以方便地在PLC和從單元之間的遠程I/O進行通信，也可以在OMRON PLC之間、OMRON PLC和從單元及其兼容產品之間進行通信。在小區的監控中，水煤電等儀表的信號也可以接入DeviceNet網絡，實現遠程的數據讀取和工況監測。相應地，要求它們具有DeviceNet接口。

表1 從單元節點號和字地址的對應關係

表2 主單元的軟體開關字、狀態區和單元號的對應關係

四.DeviceNet在電梯控制上的應用

採用DeviceNet控制電梯的優點很多。首先，網絡接線簡單，僅五根線，包括兩根電源線，兩根信號線和一根屏蔽線。而且電源分接頭可加在網絡的任何一點，可以實現多電源的冗餘供電。網絡可有T型、菊花鏈型等多種拓撲結構，網絡上的設備可以直接由總線供電，並通過同一根電纜進行相互通信。主幹電纜的最大距離為500米，分支電纜的最大長度為6米， 可以實現相距較遠的設備互連。它可以將工業設備（比如：限位開關、變頻驅動器、操作員接口等）連接到網絡，節省大量的設備連線，減少敷線的開銷，比傳統的I/O布線經濟，可大大降低硬接線成本。DeviceNet使設備之間以一根電纜互相連接和通訊，其直接互連性簡化了設備間的通訊，並提供了非常重要的設備級診斷功能，可以通過主單元的指示燈和數碼管對常見的設備故障給出提示，線路的故障和通信電源的故障，也可以由主單元自動的進行檢測，並且會給出提示或報警，從而可以判斷故障，進行及時處理。通過傳統的I/O硬接線是難以實現這種功能的。在電梯運行的井道內，可以把各層的轎廂選層信號，廳外召喚信號、停層位置信號、消防按鈕等信號，通過DeviceNet從單元的I/O口連接到PLC的主單元，這樣，可以節省多條從樓層到PLC機房的硬接線;PLC和小區監控中心的通信，只需通過一根通訊電纜，採用總線方式來實現。接線的減少，大大降低的安裝施工的難度和成本。

其次，它提供了多個複雜設備間的互連性及不同供貨商的同類部件間的可互換性：來自不同的廠家設備，只要按照DeviceNet的標準，即可進行互換，使用戶不必局限於同一個供貨商的產品，給用戶帶來了更多的靈活性，同時減少了配線和安裝自動化設備的成本和時間。一般系統用到的I/O單元有限，所以採用DeviceNet單元，有很大的擴展空間，新增加的單元只需和網絡電纜連接，通過系統的重新上電即可加入網絡，對程序稍做擴展就可實現控制。同時，DeviceNet支持設備的熱插拔，可在線修改網絡配置， DeviceNet作為開放的設備網絡標準，將全面地提高效率，用戶只需做一些選擇設置即可實現控制。通信時它傳輸0～8個字節的短幀信息，提高了數據傳輸的抗幹擾性能。

在小區監控系統中，電梯的監控部分信號量雖然很多，但是，由於電梯的各個控制信號有一定的規律性，不同樓層的信號之間有時間差，採用DeviceNet能夠滿足實時性要求。在必要時，可以根據電梯運行的要求，選擇具有較高速度的PLC和DeviceNet單元，以滿足控制需要。當然，採用DeviceNet也存在不足。 DeviceNet不是把檢測信號直接送到PLC的I/O口，而是轉換為串行總線信號來傳輸。這樣就可能出現關鍵信號的丟失，由於電梯控制安全可靠性要求高，需要系統對各個信號實時反應，特別是系統的監測信號（即反饋信號）有更為嚴格的要求。PLC有一定的掃描循環周期，例如，對梯速為2m/s的電梯來說，如果循環周期為250ms，這樣將有0.5m距離可能是失控的，即某層廳外召喚信號若要令電梯順向停車，則這個召喚信號必須在預置減速距離前0.5m處發出並自保持。否則，會造成運行不可靠。

另外，限位信號，在電梯的運行中是至關重要的，如果丟失，導致電梯衝頂或撞地，這可能造成極具破壞性的嚴重後果。對這類關鍵信號，需要設置兩個檢測點，以產生冗餘信號，確保檢測信號的產生。在程序實現時，可利用「或」指令OR對兩個檢測點的檢測信號進行或處理，只要一個有效，即可產生控制信號。對於模擬量可以做類似的處理，從而提高電梯運行的安全可靠性。對於更複雜的情況，在程序中還要做具體的考慮。

五。結論

在現場總線這個領域，OMRON和Rockwell等二百多家廠商支持的DeviceNet，已於2002年10月8日被國家標準化管理委員會批准為首個國家標準。雖然DeviceNet在小區監控方面的應用尚不成熟，但是這是一個有益的嘗試。

通信技術的成本近幾年已經明顯降低，將簡單設備直接連接到網絡上的成本變得更經濟。DeviceNet在允許多個複雜設備互連的同時，具有同類設備的兼容性。除了讀取設備的開關狀態外，DeviceNet還可以讀取或者輸出模擬信息，它的廣泛應用可以大大降低系統的複雜性和成本。隨著DeviceNet技術的日益成熟和推廣，有可能完全採用DeviceNet來實現小區監控（即上述方案2）。鑑於DeviceNet的特點，它的應用會更加普遍，將具有廣闊的應用前景。

責任編輯：gt

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