基于紅外感應(yīng)和S7-200 SMART的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭鶯 郭軒 吳海瑩 李鳳琪

摘 ?要：針對(duì)電梯在使用過程中廂外按鍵無法取消，造成電梯運(yùn)行效率低、乘客平均搭乘時(shí)間增加以及能耗增加等問題，該文通過將紅外感應(yīng)與S7-200 SMART控制器相結(jié)合，將HC-SR50p5人體感應(yīng)模塊置于電梯廂外按鍵面板，利用紅外感應(yīng)聯(lián)動(dòng)電梯按鍵，通過PLC電梯控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電梯呼叫的有效性判斷。通過控制紅外感應(yīng)的安裝高度及感應(yīng)區(qū)域，降低低齡兒童獨(dú)自搭乘電梯風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：紅外感應(yīng) ? S7-200 SMART ? PLC自動(dòng)控制 ? 電梯控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU976.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(jīng)成為了現(xiàn)代化建筑中人們出行非常重要的工具之一，廣泛應(yīng)用于住宅區(qū)、商務(wù)寫字樓以及購物商場(chǎng)。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(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的大部分來自無效按鍵。人們一般使用時(shí)通過電梯上下按鍵來預(yù)約電梯，但是多數(shù)電梯存在不能取消已經(jīng)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(huì)在按鍵所預(yù)約的樓層停下，從而會(huì)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(shí)，卻按了相反方向的按鍵，此時(shí)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(huì)按照上下規(guī)則來運(yùn)行，這樣既耗費(fèi)了能源，又耽誤了乘客的時(shí)間[1]。

現(xiàn)有技術(shù)中的節(jié)能電梯只能滿足乘客在電梯內(nèi)的按鍵操作，并不能操控電梯外的按鍵預(yù)約。乘客在電梯外預(yù)約電梯，但是有事不乘坐電梯，又不能取消預(yù)約，便會(huì)影響到電梯內(nèi)有乘客，不僅耽誤時(shí)間，還增大能耗[2]，造成諸多不便。

為解決這一生活難點(diǎn)，該文將結(jié)合紅外感應(yīng)和西門子S7-200 SMART對(duì)電梯進(jìn)行聯(lián)合控制[2]，一方面可以滿足各種場(chǎng)景對(duì)于電梯的運(yùn)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(yùn)行效率。

目前常見的電梯控制系統(tǒng)主要包括繼電器控制、微電腦控制和PLC控制系統(tǒng)[3]。各控制系統(tǒng)在使用過程中主要依靠使用者對(duì)室內(nèi)和室外的按鍵進(jìn)行操作產(chǎn)生信號(hào)從而控制電梯的運(yùn)行。該系統(tǒng)主要針對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有極高穩(wěn)定性和可靠性。

1 ?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要包括PLC控制模塊、紅外感應(yīng)模塊、電梯廂外按鍵模塊、廂體內(nèi)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(yīng)模塊，如圖1所示。

該電梯控制系統(tǒng)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(hào)選擇功能。PLC控制器主要實(shí)現(xiàn)電梯廂內(nèi)外呼叫信號(hào)的檢測(cè)、電梯上下行以及紅外信號(hào)感應(yīng)等的顯示輸出。廂內(nèi)信號(hào)來自于電梯內(nèi)部的樓層按鍵，依據(jù)樓層的數(shù)量對(duì)應(yīng)按鈕數(shù)量，該系統(tǒng)以4層電梯為設(shè)計(jì)藍(lán)本，故其廂體內(nèi)按鍵信號(hào)為4位。

2 ?裝置主體結(jié)構(gòu)

2.1 PLC控制模塊

S7- 200SMART機(jī)型是西門子公司S7-200的加強(qiáng)版，具有集成強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信、100 kHz三軸高速脈沖輸出、編程效率高、設(shè)計(jì)人性化、內(nèi)置小型的自動(dòng)化解決方案等特點(diǎn)。其主要由CPU模塊、信號(hào)板、網(wǎng)絡(luò)通信、運(yùn)動(dòng)控制、軟件編程等部分構(gòu)成。

2.2 紅外感應(yīng)模塊

該設(shè)計(jì)中人體感應(yīng)模塊主要功能為判斷是否有使用電梯者在感應(yīng)范圍內(nèi)。人體感應(yīng)模塊與廂外信號(hào)模塊聯(lián)動(dòng)。當(dāng)按下廂外上下行按鍵后，同時(shí)感應(yīng)模塊過檢測(cè)到行人在感應(yīng)范圍內(nèi)，PLC才能接收到控制信號(hào)，才可以進(jìn)行電梯在該樓層的開停動(dòng)作。如果按下廂外上下行信號(hào)按鍵，行人離開感應(yīng)區(qū)域，則PLC不接收該上下行控制信號(hào)，電梯在該樓層不進(jìn)行停靠。

該系統(tǒng)中直接選用HC-SR50p5迷你小型人體感應(yīng)模塊，該設(shè)備是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制產(chǎn)品，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，體積較小，可以使用低電壓工作模式，性能可靠，符合該設(shè)計(jì)的要求[4]。該模塊根據(jù)紅外線輻射原理，采用感應(yīng)器自動(dòng)感應(yīng)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(dú)自搭乘電梯的風(fēng)險(xiǎn)），感應(yīng)人體自身的特定熱量來發(fā)射信號(hào)。據(jù)現(xiàn)有研究表面人體普遍的體溫在36.5 ℃，發(fā)射的紅外線波長(zhǎng)約為9.4 μm。HC-SR50p5 迷你小型人體感應(yīng)模塊前置的紅外探頭可以根據(jù)此原理來判斷此時(shí)電梯廂外狀態(tài)。當(dāng)行人處于紅外線感應(yīng)的測(cè)定范圍之內(nèi)，傳感器中的發(fā)射管發(fā)射紅外線放射到接收管內(nèi)部，經(jīng)過信號(hào)處理反饋到PLC，從而進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制[5]。

3 ?系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

電梯的群控的基礎(chǔ)就是先實(shí)現(xiàn)電梯的單控，該文主要著重點(diǎn)在于電梯單控的設(shè)計(jì)及其所實(shí)現(xiàn)的功能。

3.1 設(shè)計(jì)思路

（1）開啟電梯電源，上電復(fù)位程序運(yùn)行。開總開關(guān)，進(jìn)入行人按鍵程序。乘客通過按上下行鍵已經(jīng)站立在紅外感應(yīng)區(qū)域內(nèi)進(jìn)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(zhí)行上行程序，電梯在下方則執(zhí)行下行程序，如果電梯就在此樓層，則執(zhí)行開門子程序（此時(shí)自動(dòng)開門程序高于手動(dòng)開門）。

（3）開門子程序后，電梯進(jìn)入關(guān)門子程序（手動(dòng)關(guān)門高于自動(dòng)關(guān)門程序）。自動(dòng)進(jìn)去電梯上行或下行子程序，電梯將乘客帶往指定的樓層進(jìn)行?？俊?/p>

3.2 子程序列表

上電復(fù)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(guān)門子程序、電機(jī)控制子程序、安全應(yīng)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(jù)該課題設(shè)計(jì)功能的意圖，為其設(shè)計(jì)流程圖并編寫程序。此流程僅為增加紅外模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的改造，不涉及整個(gè)電梯復(fù)雜運(yùn)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(jìn)行主控PLC的程序設(shè)計(jì)，該編程軟件為西門子公司為S7-200 SMART系列單獨(dú)設(shè)計(jì)的梯形圖編程軟件，可以很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信和在線監(jiān)測(cè)等功能。PLC在收到各模塊發(fā)送來的信號(hào)后，要控制電梯電機(jī)的運(yùn)行來控制電梯的上下行以及開門關(guān)門等動(dòng)作。控制模塊需要實(shí)現(xiàn)的功能包括初始化電梯參數(shù)、PLC與硬件設(shè)備的通信以及控制電梯運(yùn)行等功能。

該文以廂外呼叫模塊為例，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單紅外控制模塊的程序。當(dāng)搭乘者在二層按下廂外電梯上行按鍵時(shí)，3 s后紅外信號(hào)感應(yīng)搭乘人是否還在廂外等候，若此時(shí)搭乘人離開等候位置，則上行按鍵自動(dòng)取消，則該上行信號(hào)將無法傳送到PLC控制模塊，此時(shí)電梯不會(huì)根據(jù)該按鍵信號(hào)達(dá)到二樓。此系統(tǒng)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(shí)電梯才會(huì)執(zhí)行運(yùn)行或者開門的指令。如果是幼童按下按鈕，紅外感應(yīng)高度≥110 cm，故無法感應(yīng)到該幼童發(fā)出的紅外信號(hào)，同樣PLC將不會(huì)接受信號(hào)進(jìn)行電梯控制。

4 ?結(jié)語

該電梯控制系統(tǒng)基于紅外感應(yīng)和S7-200 SMART聯(lián)合，將紅外感應(yīng)器置于電梯廂外按鍵面板，利用接受人體紅外信號(hào)感受是否有行人需要使用電梯，如果行人離開電梯等候區(qū)域，電梯將不會(huì)進(jìn)行無效的?？?，可以有效提高電梯的使用效率，同時(shí)大大降低電梯無效運(yùn)行產(chǎn)生的能耗。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育項(xiàng)目2020年課題《節(jié)能電梯用按鍵及其控制方法的研究》（項(xiàng)目編號(hào)： ? ? ? ? ? ? ? ? pdjh2020a362）。

作者簡(jiǎn)介：彭鶯（1984—），女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檫^程系統(tǒng)工程。