超高层建筑建造过程中, 施工电梯作为重要的垂直运输设备, 对建筑的建造工期有着巨大影响。超高层建筑施工所应用的施工电梯, 梯笼单侧直上直下的运行方式对导轨架的利用效率极低, 为满足垂直运输需求, 常需配置多部施工电梯, 相应的每部电梯均需配备楼层呼叫系统。数量众多的楼层呼叫系统不仅浪费资金, 安装繁琐, 乘梯人为了尽快到达目的楼层, 会将当前楼层的所有呼叫器都按下, 又无法取消呼叫, 这时所有电梯均会响应这个呼叫请求, 造成“一呼多应”, 严重浪费有限资源。当处于上下班高峰时, 短时间之内会有很多人员按下无线呼叫器, 所有呼叫请求都会反馈到无线接收机处, 但由于无线接收机只能保存最近的几条呼叫请求信息, 之前的呼叫请求信息会直接被丢弃, 造成很多人按下呼叫器, 但是始终没有电梯响应呼叫请求的“多呼无应”现象^[1]。

为解决传统施工电梯存在的问题, 自主研发了单导轨架多笼循环运行施工电梯^[2] (以下简称“循环电梯”) , 在单条导轨架两侧划分上行轨道和下行轨道, 每侧轨道上允许多部梯笼同向间隔运行。在导轨架全高范围内, 分布有若干旋转节, 可将附着于上行轨道的梯笼切换到下行轨道, 实现循环运行。为充分发挥循环电梯的多梯笼优势, 设置1个综合控制室, 以便对电梯进行集中调度和管理, 同时, 为更方便直接地与乘梯人员进行信息交流, 设计了交互式楼层呼叫系统。

循环电梯楼层呼叫系统采用电子点阵屏幕和语音播报模块, 实时显示和播报循环电梯的梯笼状态信息, 采用金属按键键盘, 方便乘梯人输入目标楼层信息, 从而解决了传统楼层呼叫器无法和乘梯人进行信息交流的弊端。

循环电梯楼层呼叫系统必须将所有楼层的呼叫信息发送至电梯控制室, 也接收电梯控制室发送出来的电梯状态信息, 涉及多对一交互通信, 为提高整个系统的可靠性和稳定性, 优先采用有线通信方式。另外, 由于楼层呼叫系统带显示屏和语音播报, 功耗较传统楼层呼叫器高很多, 所以不推荐使用电池等供电方式, 应采用交流电源供电。

循环电梯楼层呼叫系统较传统楼层呼叫器, 无论在成本上还是功能上都有较大提高, 为节约成本, 需考虑周转使用, 这就要求楼层呼叫系统方便安装、拆除和存储转运。

循环电梯楼层呼叫节点由电源模块、主控制器 (micro controller unit, MCU) 模块、电梯呼叫请求按键模块、楼层地址设定模块、数据存储模块、LED点阵显示屏模块、语音播报模块、控制器局域网络 (controller area network, CAN网络) 通信模块等组成^[3,4], 如图1所示。

电源模块主要是将楼层呼叫节点的输入电源变换成各个子模块所需的电压, 楼层呼叫节点的输入电源采用安全电压直流36V供电。通过降压型DC/DC变换器LM2596芯片变换成2路电源, 第1路+9V给主控制器、数据存储、CAN网络通信等内部核心模块供电;第2路+5V给楼层地址设定、电梯呼叫请求按键、LED点阵显示屏、语音播报等外围组件模块供电;核心模块和外围模块分开供电, 有利于主控制器控制外围模块的相关功能, 也有利于提高系统的稳定性和可靠性, 增强系统的抗干扰能力^[5], 如图2所示。

主控制器模块是所有子模块的计算处理中心。主控制器模块包括飞思卡尔半导体 (freescale semiconductor) 汽车级16位微控制器MC9S12XDP512芯片、线性稳压器、复位电路、时钟震荡电路、ADC (analog-to-digital converter) 模数转换电路、数字输入输出 (Digital I/O) 电路、BDM (background debugging mode) 在线调试电路等。MC9S12XDP512芯片是一款低成本, 低功耗, 电磁兼容EMC (electro magnetic compatibility) 性能良好的微控制器;芯片集成丰富硬件外设资源, 包括512Kbytes程序闪存 (Flash EEPROM) , 32Kbytes运行内存 (RAM) , 4 Kbytes 非易失存储器 (NonVolatile EEPROM) , 6通道异步串行通信SCI接口 (asynchronous serial communications interfaces) , 3通道同步串行通信SPI接口 (serial peripheral interfaces) , 2通道IIC接口 (Inter-Integrated Circuit) , 16通道10位ADC转换器, 5通道CAN控制器, 兼容CAN2.0A和CAN2.0B, 多达25个硬件中断I/O引脚。

本系统中, 主控制器通过1路SCI异步串口 (SCI0) 控制语音播报模块, 1路SPI接口 (SPI0) 控制LED点阵显示屏模块, 另一路SPI接口 (SPI1) 控制数据存储模块, 1路IIC接口 (IIC0) 控制电梯呼叫请求按键模块和楼层地址设定模块, 1路ADC接口 (ADC0) 识别区分按键模块和楼层地址设定模块, 1路CAN控制器 (MSCAN0) 控制CAN网络通信模块^[4], 如图3所示。

电梯呼叫请求按键模块主要是接收乘梯人的按键动作, 并点亮对应的按键灯。在本系统中, 按键由数字键0～9、上键、下键、确认键、取消键以及对应的灯组成, 共需占用14个输入端口和14个输出端口。本系统采用4片PCF8574芯片扩展出16个输入端口和16个输出端口, 以实现对所有按键的集中控制。PCF8574是基于IIC总线的通用端口扩展芯片, 每片PCF8574可以扩展出8个通用输入输出端口, 单个IIC总线上最多可以挂载8片PCF8574, 不同芯片间通过不同地址进行访问, 如图4所示。

楼层地址设定模块用于设定楼层呼叫节点的实际物理楼层地址。在本系统中, 采用3个8421BCD编码开关设定实际楼层地址, 最大可设置的地址为999楼。采用2片PCF8574读取编码开关的值。楼层地址设定模块与电梯呼叫请求按键模块共用1个IIC总线, 2个模块总共6片PCF8574, 满足单个总线最多挂载8片PCF8574芯片的原则, 如图5所示。

数据存储模块主要存储显示字库和关键系统变量, 具有可编程和掉电保存的特性, 本系统采用MX25L6406E芯片保存所有显示字库和关键系统变量。MX25L6406E芯片是一款64Mbit (8M bytes) 的存储器, 采用SPI接口进行通信。如图6所示。

LED点阵显示屏模块采用36只8×8点阵组成24×96单色显示屏, 全屏同时可以显示8个字符, 多字符可以流动显示, 每个8×8点阵由1片MAX7219芯片独立显示驱动, MAX7219芯片是矩阵显示专用驱动器, 芯片内置扫描驱动电路, 采用1/8扫描方式, 既保证了显示亮度, 又可以降低整体功耗。所有MAX7219芯片通过菊花链形式串联起来, 整个显示屏采用SPI接口与主控制器模块进行通信, 如图7所示。

语音播报模块采用JQ8900-16P嵌入式SOC语音方案, 集成1个16位的MCU及1个专门针对音频解码的ADSP (analog device digital singal processor) , 采用硬解码方式保证了模块的稳定性和音质。JQ8900-16P支持MP3和WAV格式硬件解码, 支持FAT文件系统, 支持串口控制模式, 支持中英文路径文件夹播放, 支持上一曲、下一曲, 播放、暂停、停止、选曲等操作, 支持30级音量调节, 可直接驱动8Ω/2W喇叭。语音播报模块采用SCI接口与主控制器模块进行通信, 如图8所示。

CAN网络通信模块主要负责与电梯控制室进行数据通信, CAN控制器使用主控制芯片MC9S12XDP512的CAN0通道, 为了增强系统的抗干扰能力, CAN网络部分采用了全隔离电路, 使用2片6N137和1片PC817光电耦合器隔离信号电路、金升阳B0505S-1W隔离CAN网络电源TJA1050高速CAN收发器驱动CAN总线, 如图9所示。

为方便楼层呼叫系统的施工布线和周转使用, 从硬件设计角度简化外连接电缆的数量。从电梯控制室出发, 采用1根5芯电缆 (包括2芯36V直流电源线、1组2芯CAN信号双绞线和1个屏蔽接地线) 将所有节点串联, 即将所有楼层呼叫节点的CAN信号线和电源线按信号定义并入5芯电缆。在施工过程中, 随着楼层增高, 需要随时投入新的呼叫节点使用, 且不能影响先前节点。如果破坏原有电缆, 直接并入接线, 然后利用电工绝缘胶布包扎, 既不符合施工规定, 又带电操作, 容易造成线路短路, 无法保证接头质量, 安装拆卸均不方便。因此, 每个呼叫节点都设置2个完全一样的5芯航空插头, 在呼叫节点内部, 将2个5芯航空插头对应引脚一一对接, 2个航空插头只需要任何1个接入信号和电源就可以正常工作。按照楼层标准高度, 将5芯电缆做成标准长度节段, 外部电缆施工时, 只要使用标准长度节段的电缆依次串接所有楼层呼叫节点即可, 如图10所示。

CAN总线循环运行施工电梯楼层呼叫系统解决了传统施工电梯呼叫系统的诸多弊端, 结合循环电梯调度控制室, 有效解决了传统呼叫系统经常出现“一呼多应”或“多呼无应”的现象, 极大地提高了施工电梯的运行效率, 改善了乘梯人等待电梯的使用体验。楼层呼叫节点采用即插即用的航空插头接线设计, 本楼层呼叫系统可以周转至其他施工现场使用, 从而降低设备总体费用。

目前, 武汉绿地中心项目循环电梯安装高度已达75层, 现场根据实际需求, 已经配备62部本楼层呼叫系统, 从项目实际运行情况来看, 各项参数和运行指标正常, 后期根据项目需求, 电梯将继续加高, 同时也会增加投入运行的楼层呼叫系统数量, 为项目的生产建设服务。