浅谈电梯轿厢误停非设定楼层时的安全设计

王卫国 王学

摘  要：为了研究在电梯门误开的情况下，如何预防人员误进入电梯而导致伤亡事故的发生，首先从发生的事故中分析了故障发生的原因，提出解决方案，进行了参数设计和方案设计，然后通过设定传感器的采集方式、逻辑电路的处理、报警以及信号的发送途径，对产品进行具体的设计和应用，并针对产品的可靠性和经济性进行分析，最后针对产品的测试效果，进行一些合理的改进，并确定后续的改进研究方向。

关键词：电梯误停;传感器;数据采集;电梯安全

中图分类号：TU857        文献标志码：A

0 引言

近年来，电梯事故多发，尤其是由于电梯故障，导致人员踩空，跌落至井底，导致人员受伤甚至死亡的案例较多，例如：2012年9月6日，成都一名58岁的男性装修工在10层准备下楼时，电梯门打开后轿厢却停在11层，男性装修工没有注意，一脚迈进去，跌落到电梯井底，当场死亡。2013年4月10日，在南京六合北门方州路一家服装厂内，一名搬运工欲从4层乘电梯下到1层，没想到发生意外，电梯门开了，电梯却没有到达4层，搬运工一脚踩空，身受重伤，不治身亡。2014年9月16日，温州鞋都三期一鞋厂突发电梯故障，门开轿厢未至，一名30岁左右运货男子一脚踩空跌落电梯井底，导致手脚多处骨折。上述案例，均為电梯厅门打开，而轿厢没有在指定位置，人员未察觉而进入电梯踩空，导致人员伤害事件的发生。本文所探讨的针对上述事故的安全设计，从硬件设计上的可靠度分析、软件设计的可扩展方向，来确保该类故障发生时，能够保证人员的安全。该设计方案已授权发明专利。

1 原理分析

所谓轿厢就是用于运送乘客和（或）货物的组件，包括轿厢架和轿厢体。厅门也叫层门，在各层楼的停靠站、通向井道轿厢的入口处。设置供司机、乘用人员和货物等出入的门。之所以发生上述事故，是因为轿厢不在指定楼层，而该楼层的厅门是打开的，在没有警示的状态下，人员通过厅门进入，踏空后跌落井底，导致悲剧的发生。因此本文主要对电梯的轿厢和厅门进行安全设计，以避免或减少事故的发生。

事故发生需要具备3个条件，一是轿厢不在该楼层，二是该楼层厅门是打开的，三是没有足够的警示。必须3个条件同时具备，事故才会发生，只要任意一个条件不满足，则该事故就不会发生。因此，只要能够破坏任意一个条件，使得3个条件不能同时存在，进而就能阻止事故的发生，避免事故造成伤害。

针对上述分析，提出解决方案：一是检测轿厢的位置，是否在该楼层，二是检测该楼层的厅门是否打开，三是在上述两条不满足时，及时发出报警，阻止人员进入。并通过产品上的数据传输，将该楼层遇到的信息发送给电梯管理人员和维保人员，及时进行故障排除。该方案的关键就是检测轿厢的位置和厅门的开启状态，一旦检测到不符合的发生，则立即发出报警状态，警告人员不得进入，并提醒维保人员及时查看、修理，以此避免发生事故的3个条件同时存在，确保电梯的安全运行，减少甚至避免伤亡事件的发生。

2 安全方案

为了避免事故的3个条件同时出现，防止事故的发生，需要判断轿厢是否到达该楼层，判断该楼层的厅门是否处于打开或关闭状态，并根据该情况决定是否向厅门外人员发出报警，决定是否向管理人员和维保人员发出相关信息。

第一步是检测轿厢是否在该楼层，如果在该楼层，向控制板发出逻辑量1，不在该楼层，向控制板发出逻辑量0;第二步，检测该楼层厅门是否处于关闭状态，打开状态，向控制板发出逻辑量1，关闭状态，向控制板发出逻辑量0[5];第三步，控制板逻辑分析，若轿厢到达该楼层，厅门打开，则说明电梯正常工作，但如果出现轿厢不在该楼层，而厅门是打开的，则发出声光报警。同时可根据具体的故障，向相关人员发出信息，请求处理。

因而，我们将具体测试轿厢的位置、厅门的关闭，这两个主要参数，并运用逻辑电路判断，来实现预警和发出故障信息。并利用无线发射装置，将相关信息发送出去。

3 方案实施及步骤

3.1 电源选择

在电梯控制中，有220V交流电和24V直流电，使用220V电压，工作电流较小，导线可以选择较细的，节省成本，但是传感器和控制部分，都是弱电，需要进行处理，因此，选择24V电压，不仅使用方便，更主要的是使用比较安全，不会造成高压电的安全隐患。

24V开关电源的主要技术参数：输入电压：220V AC;输出电压：24V DC;负载电流：10A;纹波：≤200mV;工作温度：-40℃～+85℃。

3.2 检测开关选择

判断轿厢的位置和判断厅门的关闭状态，从可靠性和信号处理角度，选择电子式比机械式更具优势，电子式开关具有非接触、无电蚀、无接触电阻、温度特性好等优点，其中光电开关特性稳定但容易受灰尘污染，电感开关由于容易受周边金属的干扰而产生误动作，因此，我们可以选择霍尔式接近开关，保证感应部分的优质的电气特性和良好的可靠性。

霍尔式接近传感器的参数：

工作电压：8～30V DC;

静态功耗：≤15mA;

检测距离：5mm～8mm（Φ8×4磁钢 表面磁场3000GS）;

负载电流：20mA;

工作温度：-40℃～+85℃;

霍尔元件采用3144E，灵敏度为120GS～180GS。

3.3 逻辑判断

逻辑判断部分，可以采用单片机对两处信号进行逻辑分析，并根据收集到的轿厢位置信号和厅门检测信号，对接收到的信号进行逻辑分析，然后做出判断，是否发出相关信号。逻辑判断见表1。

表1 逻辑判断

厅门状态 轿厢是否在该楼层 是否报警

闭合 是 否

打开 是 否

闭合 否 否

打开 否 是

3.4 报警

报警部分，在现场采用声光报警，报警声音，在厅门前高1m处安装，分贝不小于70dB，灯光闪烁，报警取消采用手动模式。

3.5 总线结构

RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。

3.6 无线

我们利用无线通信模块，选择UT-901转换模块，该模块支持MODBUS＼ASCII码协议，支持点对点，一点对多点的无线通信方式，具有收发一体、安全隔离、使用简单、性价比高、稳定可靠的特点。

UT-901转换模块的参数如下：

载波频率：433MHz SIM频段，标准为16个信道可设;

可选的通信接口：RS-232、RS-485、RS-422;

电气接口：RS-232接口DB9针形连接器;

RS-485/422接线端子，SMA接口;

保护等级：RS-485/422接口每线600W雷击浪涌保护;

供电电压9-30V DC;

工作电流：9V@400mA;

标准传输速率：1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps;

工作方式：收发一体、异步半双工;

信号指示：3个信号指示灯电源（PWR）、发送（TXD）、接受（RXD）;

天线阻抗：50Ω（标配为360°旋转可90°折叠SMA接头天线）无线收发芯片采用品牌功放，发射功率可选（40mW、150mW、405mW、520mW）;

工作温度：-40℃～+85℃;

工作湿度：10%～90%RH 无冷凝;

外形尺寸：97mm×65mm×26mm（不含天線6）;

传输距离：无线433MHz载波 300m（最大功率发射空旷距离）。

RS-232 5m（1200bps～38400bps）。

表2为功率与电流对照表。

表2 功率与电流对照表

功率等级 1 2 3 4

功率（mW） 520 405 120 40

功率（dbm） 21.71 26.07 21.76 16.02

3.7 接受灵敏度

接受灵敏度见表3。

表3 空中传输速率与接受灵敏度的关系入表关系

空中速率 1200bps 2400bps 4800bps 9600bps 19200bps 38400bps

接受灵敏度 -122dBm -120dBm -118dBm -116dBm -113dBm -110dBm

4 产品测试及效果

4.1 测试参数

产品完成后，进行测试。产品的主板控制部分和传感器部分是独立设计完成的，开关电源则采用外购。经完成PCB设计和器件组装后，通电进行测试，能够完成在轿厢与厅门不同层时，控制板发出报警，可确保轿厢和厅门不同层时，厅门误开后发出警报，防止了人员误入后引起的事故的发生。

4.2 效果和改进

现在已经能够基本实现轿厢与厅门不同层时，控制板发出报警。如果在多层电梯中，每层进行安装，涉及的布线比较复杂，特别是楼层相对比较多（超过10层），而且布线比较长，也增加成本和信号损耗，容易误报警。因此，在实际安装过程中，建议使用总线方式，减少布线。并可在后面的设计中，尽量采用无线控制和报警，这样对于后期的安装和维护，非常方便。

结论

论述了电梯在实际工作过程中，轿厢与开启的厅门不在同一楼层，人员误入厅门坠入的情况，而设计的一种报警系统，防止人员在不知情的状态下，误入厅门而产生严重后果。

根据测试结果，已经能够实现轿厢与开启的厅门不在同一楼层时，进行声光报警。

在后续的实际操作中，可以针对多楼层设计总线结构的通信方式，减少布线;甚至可以利用无线通信方式，为安装和维护带来方便。

参考文献

[1]王卫国，王学.电梯厅门检测系统：中国，201420667616.X[P].2015-04-22.

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[4]周瑞军，张梅.电梯技术与管理[M].北京：机械工业出版社，2016：136-138.

[5] 张玉凤，李录锋.电路与电子技术[M].南京：南京大学出版社， 2014：189-190.