基于紅外感應和S7-200 SMART的電梯控制系統設計

彭鶯 郭軒 吳海瑩 李鳳琪

摘 ?要：針對電梯在使用過程中廂外按鍵無法取消，造成電梯運行效率低、乘客平均搭乘時間增加以及能耗增加等問題，該文通過將紅外感應與S7-200 SMART控制器相結合，將HC-SR50p5人體感應模塊置于電梯廂外按鍵面板，利用紅外感應聯動電梯按鍵，通過PLC電梯控制系統，實現了對電梯呼叫的有效性判斷。通過控制紅外感應的安裝高度及感應區域，降低低齡兒童獨自搭乘電梯風險。

關鍵詞：紅外感應 ? S7-200 SMART ? PLC自動控制 ? 電梯控制系統

中圖分類號：TU976.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）08（c）-0042-04

Design of Elevator Control System Based on Infrared Induction and S7-200 SMART

PENG Ying ? GUO Xuan ? WU Haiying ? LI Fengqi

（Shunde Polytechnic， Foshan， Guangdong Province， 528333 ?China）

Abstract： In view of the problems such as low elevator operation efficiency， increase of passengers' average ride time and increase of energy consumption caused by the fact that the buttons outside cannot be cancelled during the use of the elevator， this paper combines infrared induction with S7-200 SMART controller， places HC-SR50p5 human body induction module on the key panel outside the car， uses infrared induction to link the elevator keys， and uses PLC elevator control system， the validity judgment of elevator call is realized. By controlling the installation height and sensing area of infrared sensing， the risk of young children taking the elevator alone is reduced.

Key Words： Infrared induction; S7-200 SMART; PLC automatic control; Elevator control system

電梯目前已經成為了現代化建筑中人們出行非常重要的工具之一，廣泛應用于住宅區、商務寫字樓以及購物商場。然而，隨著使用人群的增加，電梯逐漸失去了其原有的便捷、快速和高效，導致這種情況出現的大部分來自無效按鍵。人們一般使用時通過電梯上下按鍵來預約電梯，但是多數電梯存在不能取消已經按下的按鍵的問題，若乘客按下按鍵后，有事要離開或者不想乘電梯，電梯仍會在按鍵所預約的樓層停下，從而會造成其他樓層乘客的不便。另外，中間樓層的乘客想要上行或下行時，卻按了相反方向的按鍵，此時若有其他樓層的乘客按了按鍵卻不乘坐電梯，而電梯依舊會按照上下規則來運行，這樣既耗費了能源，又耽誤了乘客的時間[1]。

現有技術中的節能電梯只能滿足乘客在電梯內的按鍵操作，并不能操控電梯外的按鍵預約。乘客在電梯外預約電梯，但是有事不乘坐電梯，又不能取消預約，便會影響到電梯內有乘客，不僅耽誤時間，還增大能耗[2]，造成諸多不便。

為解決這一生活難點，該文將結合紅外感應和西門子S7-200 SMART對電梯進行聯合控制[2]，一方面可以滿足各種場景對于電梯的運行情況的需求，另一方面可以減少電梯的無效按鍵情況，提升電梯的運行效率。

目前常見的電梯控制系統主要包括繼電器控制、微電腦控制和PLC控制系統[3]。各控制系統在使用過程中主要依靠使用者對室內和室外的按鍵進行操作產生信號從而控制電梯的運行。該系統主要針對PLC控制系統進行改進，PLC是微機技術與傳統的繼電接觸控制技術相結合的產物，具有極高穩定性和可靠性。

1 ?系統整體結構

該系統主要包括PLC控制模塊、紅外感應模塊、電梯廂外按鍵模塊、廂體內部按鍵模塊和顯示燈模塊。選用西門子公司S-7200 SMART為主要的控制元件，增加人體紅外感應模塊，如圖1所示。

該電梯控制系統采用集選控制，包括選取樓層、樓層指示、電梯廂外呼叫及上下行信號選擇功能。PLC控制器主要實現電梯廂內外呼叫信號的檢測、電梯上下行以及紅外信號感應等的顯示輸出。廂內信號來自于電梯內部的樓層按鍵，依據樓層的數量對應按鈕數量，該系統以4層電梯為設計藍本，故其廂體內按鍵信號為4位。

2 ?裝置主體結構

2.1 PLC控制模塊

S7- 200SMART機型是西門子公司S7-200的加強版，具有集成強大的以太網通信、100 kHz三軸高速脈沖輸出、編程效率高、設計人性化、內置小型的自動化解決方案等特點。其主要由CPU模塊、信號板、網絡通信、運動控制、軟件編程等部分構成。

2.2 紅外感應模塊

該設計中人體感應模塊主要功能為判斷是否有使用電梯者在感應范圍內。人體感應模塊與廂外信號模塊聯動。當按下廂外上下行按鍵后，同時感應模塊過檢測到行人在感應范圍內，PLC才能接收到控制信號，才可以進行電梯在該樓層的開停動作。如果按下廂外上下行信號按鍵，行人離開感應區域，則PLC不接收該上下行控制信號，電梯在該樓層不進行?？俊?/p>

該系統中直接選用HC-SR50p5迷你小型人體感應模塊，該設備是基于紅外線技術的自動控制產品，靈敏度高，可靠性強，體積較小，可以使用低電壓工作模式，性能可靠，符合該設計的要求[4]。該模塊根據紅外線輻射原理，采用感應器自動感應的方式，通過安裝在電梯廂外按鍵面板的特殊高度位置（≥110 cm，降低幼童獨自搭乘電梯的風險），感應人體自身的特定熱量來發射信號。據現有研究表面人體普遍的體溫在36.5 ℃，發射的紅外線波長約為9.4 μm。HC-SR50p5 迷你小型人體感應模塊前置的紅外探頭可以根據此原理來判斷此時電梯廂外狀態。當行人處于紅外線感應的測定范圍之內，傳感器中的發射管發射紅外線放射到接收管內部，經過信號處理反饋到PLC，從而進一步對系統進行控制[5]。

3 ?系統程序設計

電梯的群控的基礎就是先實現電梯的單控，該文主要著重點在于電梯單控的設計及其所實現的功能。

3.1 設計思路

（1）開啟電梯電源，上電復位程序運行。開總開關，進入行人按鍵程序。乘客通過按上下行鍵已經站立在紅外感應區域內進入電梯距離判斷子程序[6]。

（2）電梯距離判斷子程序：判斷電梯目前所在樓層與行人樓層之間的距離，電梯在上方就執行上行程序，電梯在下方則執行下行程序，如果電梯就在此樓層，則執行開門子程序（此時自動開門程序高于手動開門）。

（3）開門子程序后，電梯進入關門子程序（手動關門高于自動關門程序）。自動進去電梯上行或下行子程序，電梯將乘客帶往指定的樓層進行停靠。

3.2 子程序列表

上電復位程序、電梯距離判斷子程序、上行程序、下行程序、開門子程序、關門子程序、電機控制子程序、安全應急子程序。

3.3 單控電梯PLC I/O口分配

單控電梯PLC I/O口分配見表1。

3.4 控制軟件流程

根據該課題設計功能的意圖，為其設計流程圖并編寫程序。此流程僅為增加紅外模塊進行簡單的改造，不涉及整個電梯復雜運行的過程，包括緊急停車和互鎖等的修改。具體流程見圖2。

控制模塊采用西門子公司配套編程軟件 STEP7-Micro/win SMART進行主控PLC的程序設計，該編程軟件為西門子公司為S7-200 SMART系列單獨設計的梯形圖編程軟件，可以很好地實現實時通信和在線監測等功能。PLC在收到各模塊發送來的信號后，要控制電梯電機的運行來控制電梯的上下行以及開門關門等動作?？刂颇K需要實現的功能包括初始化電梯參數、PLC與硬件設備的通信以及控制電梯運行等功能。

該文以廂外呼叫模塊為例，設計了簡單紅外控制模塊的程序。當搭乘者在二層按下廂外電梯上行按鍵時，3 s后紅外信號感應搭乘人是否還在廂外等候，若此時搭乘人離開等候位置，則上行按鍵自動取消，則該上行信號將無法傳送到PLC控制模塊，此時電梯不會根據該按鍵信號達到二樓。此系統要求搭乘電梯的乘客在按下電梯廂外按鍵后3 s后保持在按鍵面板位置，此時電梯才會執行運行或者開門的指令。如果是幼童按下按鈕，紅外感應高度≥110 cm，故無法感應到該幼童發出的紅外信號，同樣PLC將不會接受信號進行電梯控制。

4 ?結語

該電梯控制系統基于紅外感應和S7-200 SMART聯合，將紅外感應器置于電梯廂外按鍵面板，利用接受人體紅外信號感受是否有行人需要使用電梯，如果行人離開電梯等候區域，電梯將不會進行無效的?？?，可以有效提高電梯的使用效率，同時大大降低電梯無效運行產生的能耗。

參考文獻

[1] 彭鶯，吳治將，李東洺，等.一種節能電梯用按鍵：ZL202021637247.4[P].2019-05-14.

[2] 劉琳.基于智能調節的路燈系統節能應用[J].電子技術，2021，50（8）：84-85.

[3] 黃志強，謝軍.基于西門子S7-1200系列電梯集群仿真設計方案[J].科技創新與應用，2021（8）：121-123.

[4] 林峰.基于紅外感應的稻縱卷葉螟智能監測裝置的設計與實現[J].浙江農業科學，2021，62（7）：1451-1454，1460.

[5] 王厚沂，鞏舜妹.基于紅外傳感器感應下的動態綠波預警設計[J].科技創新導報，2019，16（21）：88，90.

[6] 強鋒.移動機器人室內地圖構建及定位方法的相關分析[J].文化創新比較研究，2018，2（35）：161-162.

基金項目：廣東省大學生科技創新培育項目2020年課題《節能電梯用按鍵及其控制方法的研究》（項目編號： ? ? ? ? ? ? ? ? pdjh2020a362）。

作者簡介：彭鶯（1984—），女，碩士，高級工程師，研究方向為過程系統工程。