Giao thức mở chuẩn CANopen hoạt động thế nào trong hệ thống thang máy?

Giao thức mở CANopen tiêu chuẩn cho ngành thang máy

Như đã đề cập ở Phần 1 (Lịch sử phát triển ứng dụng CANopen trong ngành thang máy), CiA 417 – CANopen Lift là hồ sơ ứng dụng CANopen chuyên biệt cho hệ thống điều khiển thang máy, do Tổ chức CAN in Automation (CiA) khởi xướng và phát triển từ đầu những năm 2000, với các phiên bản đầu tiên được công bố vào khoảng năm 2003 và tiếp tục được hoàn thiện trong các năm sau đó.

Mục tiêu cốt lõi của CiA 417 là tiêu chuẩn hóa các chức năng thiết bị và cách thức truyền thông giữa các thành phần trong hệ thống thang máy. Thay vì mỗi nhà sản xuất xây dựng một giao thức riêng, CiA 417 tạo ra một “ngôn ngữ chung”, giúp các thiết bị có thể hiểu và phối hợp với nhau một cách rõ ràng, nhất quán.

Nhờ đó, bất kể nhà sản xuất thiết bị cửa, biến tần hay cảm biến là ai, bộ điều khiển trung tâm vẫn có thể trao đổi các tín hiệu chức năng theo các giao diện và đối tượng dữ liệu đã được chuẩn hóa. Điều này giúp việc lựa chọn và kết hợp linh kiện trở nên linh hoạt hơn.

Về tổng thể, CiA 417 quy định toàn bộ các tham số cấu hình, lệnh điều khiển, trạng thái vận hành, mã lỗi và các dịch vụ truyền thông trong hệ thống thang máy. Nhờ sử dụng các giao diện tiêu chuẩn hóa, việc thiết kế, tích hợp và bảo trì hệ thống có thể được thực hiện theo hướng mở, đồng thời cho phép sử dụng nhiều công cụ phần mềm triển khai và chẩn đoán đến từ các nhà cung cấp khác nhau.

Cấu trúc hồ sơ ứng dụng CiA 417 - CANopen Lift

Khác với các giao thức truyền thông chung chỉ quy định cách thức truyền dữ liệu, CiA 417 đi xa hơn bằng việc chuẩn hóa nội dung và ý nghĩa của dữ liệu trong hệ thống thang máy. Hồ sơ ứng dụng CiA 417 bao gồm 4 phần:

Phần 1: Các định nghĩa chung (bao gồm các mã lỗi)

Phần 2: Quy định về các thiết bị ảo (virtual terminal)

Phần 3: Quy định các đối tượng truyền dữ liệu thời gian thực (Process Data Objects - PDOs)

Phần 4: Quy định các đối tượng ứng dụng (Application Objects)

Nền tảng của toàn bộ tiêu chuẩn này là Object Dictionary – từ điển dữ liệu chuẩn hóa của CANopen. Trong Object Dictionary, các thiết lập đầu vào/đầu ra, tham số cấu hình, trạng thái vận hành, mã định danh thiết bị và nhiều thông tin khác đều được định nghĩa rõ ràng.

Nhờ sử dụng “ngôn ngữ chung” (Object Dictionary) này, mỗi thiết bị trên bus truyền thông đều có thể hiểu chính xác các lệnh điều khiển và thông điệp trạng thái được gửi và nhận.

Cơ chế trao đổi dữ liệu và xử lý sự cố trên bus CANopen

Trong hệ thống thang máy, tất cả các thành phần được điều khiển bằng vi xử lý đều cung cấp thông tin lên một mạng CAN chung. Do đó, mỗi thành phần mô-đun (bo mạch phụ) sẽ luôn nhận được thông tin cần thiết theo thời gian thực, không có độ trễ do không cần chờ đợi phản hồi, chu kỳ xử lý của bo mạch chủ (master). Thông tin này sẽ được thu thập, xử lý và chia sẻ khi cần thiết. Mỗi thiết bị sẽ tự đánh giá mức độ quan trọng của từng thông tin và quyết định cách phản ứng phù hợp.

Ví dụ, khi bộ truyền động cabin thang máy phát sinh lỗi, thiết bị này có thể gửi thông tin cập nhật trạng thái lỗi thông qua các PDO trạng thái. Ngay lập tức, các thiết bị liên quan trong hệ thống – như bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển cửa hoặc thiết bị an toàn – đều có thể nhận biết tình trạng bất thường và phối hợp đưa hệ thống về trạng thái an toàn đã được cấu hình trước.

Luồng thông tin trực tiếp này rất quan trọng đối với các vòng lặp điều khiển chuyển động thời gian thực, ví dụ, cho phép bộ biến tần truy cập trực tiếp dữ liệu từ bộ định vị vị trí để thực hiện việc giảm tốc và định vị chính xác tại tầng, mang lại trải nghiệm di chuyển mượt mà hơn.

Nhờ khả năng theo dõi trạng thái của toàn bộ thiết bị trên cùng một mạng truyền thông, công tác chẩn đoán và khắc phục sự cố trở nên nhanh chóng và chính xác hơn, đồng thời giảm đáng kể thời gian dừng thang và chi phí bảo trì.

Heartbeat - Cơ chế giám sát tình trạng thiết bị

Để bảo đảm truyền thông ổn định và phát hiện lỗi kịp thời, CANopen sử dụng một cơ chế bổ sung gọi là giao thức heartbeat. Theo chu kỳ đã được thiết lập, mỗi thiết bị sẽ gửi một thông điệp ngắn lên bus để thông báo rằng nó vẫn đang được kết nối và hoạt động bình thường. Thông điệp này được gọi là heartbeat.

Các thiết bị khác trong hệ thống - điển hình là bộ điều khiển trung tâm - sẽ giám sát heartbeat của những node quan trọng. Nếu trong một khoảng thời gian xác định không nhận được heartbeat từ một thiết bị, hệ thống có thể kích hoạt các hành động đã được cấu hình sẵn, chẳng hạn như ghi nhận lỗi, chuyển sang chế độ an toàn hoặc khởi động lại thiết bị liên quan.

Cơ chế này cho phép phát hiện sớm tình trạng mất liên lạc hoặc lỗi thiết bị, góp phần nâng cao độ an toàn và độ tin cậy của hệ thống thang máy.

Thiết bị đầu cuối ảo (virtual terminal) trong CANopen Lift

Một điểm đáng chú ý của CANopen Lift là khả năng truy cập và điều chỉnh tham số của thiết bị không phụ thuộc vào vị trí lắp đặt vật lý, thông qua khái niệm thiết bị đầu cuối ảo (virtual terminal).

Trong các thang máy không phòng máy (MRL), biến tần hoặc các thiết bị quan trọng thường được lắp đặt trong giếng thang, gây khó khăn cho việc thao tác trực tiếp. Với thiết bị đầu cuối ảo, kỹ thuật viên có thể cấu hình và giám sát thiết bị từ bộ điều khiển cabin hoặc từ một giao diện người – máy (HMI) khác trong hệ thống.

Thiết bị đầu cuối ảo sử dụng mã bàn phím ảo và ký tự hiển thị theo mã ASCII, tuân theo tiêu chuẩn ISO 88915, để thực hiện việc cấu hình và cài đặt tham số cho thiết bị. Bất kỳ HMI nào sử dụng cùng bộ mã và chuỗi lệnh đều có thể đóng vai trò như màn hình điều khiển của một thiết bị ở xa. Trong trường hợp hệ thống được kết nối với thiết bị không dây, việc truy cập và điều chỉnh từ xa thậm chí có thể thực hiện thông qua điện thoại thông minh, biến thiết bị di động thành một công cụ hiệu chỉnh linh hoạt cho kỹ thuật viên.

Thiết bị ảo là các khối chức năng logic cấu thành nên một hệ thống thang máy hoàn chỉnh, bao gồm: đơn vị điều khiển cabin, đơn vị điều khiển cửa, đơn vị truyền động, đơn vị định vị cabin, đơn vị đo tải, các khối cảm biến và các mô-đun vào/ra,...

Hồ sơ ứng dụng CiA 417 hay CANopen Lift cũng xác định rõ các giao diện giao tiếp cho từng thiết bị ảo, bao gồm nội dung và hành vi (các tham số, lệnh và dịch vụ) của các PDO - đối tượng truyền dữ liệu thời gian thực. Nhờ đó, các giải pháp phần cứng khác nhau - từ encoder quay truyền thống đến các công nghệ cảm biến khác như siêu âm hay băng từ - đều có thể được tích hợp vào cùng một hệ thống CANopen Lift mà không làm thay đổi cấu trúc truyền thông tổng thể.

Plugfest – Đánh giá khả năng tích hợp thực tế giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất

CANopen là giao thức mở được tiêu chuẩn hóa, phát triển và duy trì bởi tổ chức CAN in Automation (CiA) với hơn 740 thành viên tính tới hết năm 2025, không thuộc quyền kiểm soát của một đơn vị cụ thể. Điều này mang lại cho các nhà sản xuất, đơn vị lắp ráp, vận hành và chủ đầu tư quyền tự do lựa chọn thiết bị, tránh phụ thuộc vào một nhà cung cấp duy nhất.

Tiêu chuẩn CANopen Lift – hay CiA 417 không phải là một đặc tả tĩnh. Nó được duy trì, phát triển và mở rộng liên tục bởi Nhóm Quan tâm Đặc biệt (Special Interest Group - SIG) của CiA. Nhóm này thường xuyên bổ sung, cập nhật các đơn vị chức năng mới để đáp ứng các yêu cầu hiện đại, chẳng hạn như "đơn vị đo lường điện năng" (power-measuring unit) và "đơn vị truyền dữ liệu từ xa" (remote data transmission unit)...

Để đảm bảo khả năng tương tác trong thực tế, CiA thường xuyên tổ chức các sự kiện "Plugfest". Tại đây, các nhà sản xuất mang sản phẩm của mình đến để kiểm tra và chứng minh khả năng tương thích và "plug-and-play" với các thiết bị từ những nhà cung cấp khác.

Có thể thấy, việc sử dụng các giao diện được tiêu chuẩn hóa cho phép đơn vị vận hành thang máy thực hiện bảo trì, nâng cấp hệ thống theo hướng mở. Đồng thời, các công cụ phần mềm phục vụ triển khai và chẩn đoán cũng được cung cấp bởi nhiều nhà cung cấp khác nhau.