Từ CAN đến CANopen Lift: Hành trình hình thành một chuẩn truyền thông cho thang máy

Lịch sử thang máy bắt đầu từ những thiết bị nâng vận hành bằng sức người hoặc sức động vật. Một số thiết bị nâng sơ khai thậm chí còn sử dụng năng lượng nước. Bước ngoặt quan trọng của thang máy hiện đại xuất hiện vào thế kỷ XIX: năm 1852, Elisha Graves Otis giới thiệu cơ cấu phanh an toàn cho thang máy; đến năm 1880, Werner von Siemens chế tạo thang máy chạy điện đầu tiên, mở ra kỷ nguyên vận chuyển thẳng đứng bằng điện năng.

Ngày nay, trên toàn thế giới có hàng triệu thang máy đang được vận hành, sử dụng công nghệ truyền động cáp kéo hoặc thủy lực. Mỗi năm có hàng triệu thang máy mới được lắp đặt, cùng với nhiều hệ thống khác được cải tạo và hiện đại hóa. Vận chuyển con người theo phương thẳng đứng được đánh giá là một trong những hình thức vận tải an toàn và hiệu quả về tài nguyên nhất so với các hình thức vận chuyển theo phương ngang.

CAN bước vào ngành thang máy

Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền động, các hệ thống điều khiển điện cho thang máy đã được sử dụng từ rất sớm. Từ đầu những năm 1990, nhiều doanh nghiệp thang máy đã tiên phong ứng dụng mạng CAN (Controller Area Network) vào điều khiển thang máy. Kể từ đó, giao thức truyền thông CAN dần trở thành nền tảng phổ biến các hệ thống điều khiển thang máy.

Được công bố và ứng dụng lần đầu vào năm 1986, giao thức truyền thông CAN ban đầu được phát triển cho ngành công nghiệp ô tô nhằm đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu tin cậy trong môi trường có nhiều nhiễu điện từ (EMI*). Những đặc tính như truyền thông vi sai, cơ chế phân xử ưu tiên và xử lý lỗi mạnh mẽ khiến CAN đặc biệt phù hợp với môi trường kỹ thuật khắc nghiệt - trong đó có thang máy.

*Nhiễu điện từ (EMI) là bất kỳ tín hiệu điện từ không mong muốn nào gây ra sự suy giảm, cản trở hoặc làm gián đoạn hoạt động bình thường của thiết bị điện tử.

Hạn chế của CAN khi ứng dụng trong ngành thang máy

Giao thức truyền thông CAN về bản chất chỉ là một chuẩn truyền thông ở tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu. CAN bus quy định cách dữ liệu được truyền đi, nhưng không định nghĩa ý nghĩa của dữ liệu, cũng không xác định thiết bị nào chịu trách nhiệm điều khiển thiết bị nào trong hệ thống. Nó giống như việc có một con đường cao tốc nhưng chưa có luật giao thông để các phương tiện phối hợp,.

Trong giai đoạn đầu, các hệ thống thang máy sử dụng CAN thường triển khai các giao thức giao tiếp do từng nhà sản xuất tự phát triển. Điều này dẫn đến một hạn chế lớn: các linh kiện và thiết bị đến từ những nhà cung cấp khác nhau khó có thể giao tiếp và làm việc cùng nhau trong cùng một hệ thống.

Nhìn chung, vào thời điểm trước năm 2002, ngành thang máy thiếu một tiêu chuẩn truyền thông chung cho phép các thiết bị như biến tần, bộ điều khiển cabin, bộ điều khiển cửa, bảng gọi tầng hay thiết bị hiển thị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau có thể tích hợp và vận hành như một hệ thống hoàn chỉnh, đồng bộ.

Trong khi đó, yêu cầu an toàn và độ tin cậy của thang máy lại đòi hỏi sự tương thích chặt chẽ giữa tất cả các thiết bị kết nối mạng. Chỉ cần một thiết bị giao tiếp không đúng cách hoặc gặp sự cố, toàn bộ hệ thống có thể bị ảnh hưởng.

Sự ra đời của CANopen – chuẩn hóa tầng ứng dụng

Trong hơn ba thập kỷ qua, CANopen - hay còn gọi là giao thức truyền thông mở được chuẩn hóa, đã trở thành một trong những chuẩn mạng truyền thông phổ biến nhất cho các thiết bị điện tử trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

Cụ thể, vào năm 1992, tổ chức CiA (CAN in Automation) được thành lập để nghiên cứu và chuẩn hóa công nghệ CAN. Đến năm 1994, giao thức CANopen chính thức ra đời, chuẩn hóa tầng ứng dụng với các khái niệm cốt lõi như từ điển đối tượng (Object Dictionary) và các đối tượng dữ liệu, tạo nền tảng cho sự tương thích giữa các thiết bị.

Điểm cốt lõi của giao thức mở CANopen là chuẩn hóa tầng ứng dụng: quy định cách thiết bị mô tả dữ liệu nội bộ, trao đổi dữ liệu, quản lý trạng thái và xử lý lỗi. Thông qua các bộ tài liệu hồ sơ ứng dụng (application profiles) riêng biệt, CANopen nhanh chóng được chuẩn hóa cho nhiều nhóm thiết bị và lĩnh vực khác nhau như robot, máy móc công nghiệp, y tế và tự động hóa.

CANopen Lift - Tiêu chuẩn CiA 417 của ngành thang máy

Trong khi CANopen đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều ngành công nghiệp, ngành thang máy vẫn thiếu một bộ tài liệu hồ sơ ứng dụng chuyên biệt, chuẩn hóa. Nhận thức được điều này, trong giai đoạn 2001 - 2002, các nhà sản xuất và chuyên gia thang máy đã tổ chức những cuộc họp đầu tiên nhằm xây dựng một tiêu chuẩn truyền thông dựa trên CANopen dành riêng cho thang máy.

Trên cơ sở đó, Nhóm quan tâm đặc biệt CANopen cho thang máy – CANopen Special Interest Group Lift (SIG Lift), trực thuộc tổ chức CiA, đã được thành lập. Nhiệm vụ của SIG Lift là xây dựng một giao thức truyền thông tiêu chuẩn, dùng chung cho toàn bộ các thiết bị kết nối mạng trong hệ thống điều khiển thang máy.

Các giải pháp linh kiện, thiết bị từ nhiều nhà cung ứng khác nhau có thể lắp ráp thành hệ thống thang máy hoàn chỉnh nhờ chuẩn CANopen Lift – CiA 417

Kết quả là vào tháng 6/2003, tiêu chuẩn CiA 417, còn được gọi là CANopen Lift, chính thức được công bố. Bộ CiA 417 đã định nghĩa hồ sơ ứng dụng CANopen cho hệ thống điều khiển thang máy, tiêu chuẩn hóa giao tiếp giữa tất cả các thiết bị trong hệ thống dựa trên nền CANopen đã được kiểm chứng rộng rãi trong công nghiệp.

Mục tiêu cốt lõi của CiA 417 là tạo ra một hệ thống thang máy trung lập về nhà sản xuất, cho phép các thiết bị có khả năng “cắm là chạy” (plug-and-play). Nhờ đó, chủ đầu tư và đơn vị vận hành có thể linh hoạt kết hợp các linh kiện đến từ nhiều nhà cung cấp khác nhau mà vẫn đảm bảo khả năng tương thích và vận hành an toàn.

Cách tiếp cận này giúp giảm chi phí, rút ngắn thời gian thiết kế - lắp đặt - bảo trì, đồng thời hạn chế sự phụ thuộc vào một nhà cung cấp duy nhất trong suốt vòng đời thang máy.

Ngày nay, CANopen Lift (CiA 417) đã trở thành một tiêu chuẩn mở được công nhận rộng rãi trong ngành thang máy và đang được ứng dụng tại hơn 50 quốc gia trên thế giới. Song song với các hệ thống áp dụng giao thức mở CANopen Lift, nhiều nhà sản xuất thang máy và linh kiện vẫn sử dụng giao thức truyền thông riêng, tự phát triển.