基于红外感应和S7-200 SMART的电梯控制系统设计

彭莺 郭轩 吴海莹 李凤琪

摘  要：针对电梯在使用过程中厢外按键无法取消，造成电梯运行效率低、乘客平均搭乘时间增加以及能耗增加等问题，该文通过将红外感应与S7-200 SMART控制器相结合，将HC-SR50p5人体感应模块置于电梯厢外按键面板，利用红外感应联动电梯按键，通过PLC电梯控制系统，实现了对电梯呼叫的有效性判断。通过控制红外感应的安装高度及感应区域，降低低龄儿童独自搭乘电梯风险。

关键词：红外感应   S7-200 SMART   PLC自动控制   电梯控制系统

中图分类号：TU976.3                      文献标识码：A文章编号：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

电梯目前已经成为了现代化建筑中人们出行非常重要的工具之一，广泛应用于住宅区、商务写字楼以及购物商场。然而，随着使用人群的增加，电梯逐漸失去了其原有的便捷、快速和高效，导致这种情况出现的大部分来自无效按键。人们一般使用时通过电梯上下按键来预约电梯，但是多数电梯存在不能取消已经按下的按键的问题，若乘客按下按键后，有事要离开或者不想乘电梯，电梯仍会在按键所预约的楼层停下，从而会造成其他楼层乘客的不便。另外，中间楼层的乘客想要上行或下行时，却按了相反方向的按键，此时若有其他楼层的乘客按了按键却不乘坐电梯，而电梯依旧会按照上下规则来运行，这样既耗费了能源，又耽误了乘客的时间[1]。

现有技术中的节能电梯只能满足乘客在电梯内的按键操作，并不能操控电梯外的按键预约。乘客在电梯外预约电梯，但是有事不乘坐电梯，又不能取消预约，便会影响到电梯内有乘客，不仅耽误时间，还增大能耗[2]，造成诸多不便。

为解决这一生活难点，该文将结合红外感应和西门子S7-200 SMART对电梯进行联合控制[2]，一方面可以满足各种场景对于电梯的运行情况的需求，另一方面可以减少电梯的无效按键情况，提升电梯的运行效率。

目前常见的电梯控制系统主要包括继电器控制、微电脑控制和PLC控制系统[3]。各控制系统在使用过程中主要依靠使用者对室内和室外的按键进行操作产生信号从而控制电梯的运行。该系统主要针对PLC控制系统进行改进，PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，具有极高稳定性和可靠性。

1  系统整体结构

该系统主要包括PLC控制模块、红外感应模块、电梯厢外按键模块、厢体内部按键模块和显示灯模块。选用西门子公司S-7200 SMART为主要的控制元件，增加人体红外感应模块，如图1所示。

该电梯控制系统采用集选控制，包括选取楼层、楼层指示、电梯厢外呼叫及上下行信号选择功能。PLC控制器主要实现电梯厢内外呼叫信号的检测、电梯上下行以及红外信号感应等的显示输出。厢内信号来自于电梯内部的楼层按键，依据楼层的数量对应按钮数量，该系统以4层电梯为设计蓝本，故其厢体内按键信号为4位。

2  装置主体结构

2.1 PLC控制模块

S7- 200SMART机型是西门子公司S7-200的加强版，具有集成强大的以太网通信、100 kHz三轴高速脉冲输出、编程效率高、设计人性化、内置小型的自动化解决方案等特点。其主要由CPU模块、信号板、网络通信、运动控制、软件编程等部分构成。

2.2 红外感应模块

该设计中人体感应模块主要功能为判断是否有使用电梯者在感应范围内。人体感应模块与厢外信号模块联动。当按下厢外上下行按键后，同时感应模块过检测到行人在感应范围内，PLC才能接收到控制信号，才可以进行电梯在该楼层的开停动作。如果按下厢外上下行信号按键，行人离开感应区域，则PLC不接收该上下行控制信号，电梯在该楼层不进行停靠。

该系统中直接选用HC-SR50p5迷你小型人体感应模块，该设备是基于红外线技术的自动控制产品，灵敏度高，可靠性强，体积较小，可以使用低电压工作模式，性能可靠，符合该设计的要求[4]。该模块根据红外线辐射原理，采用感应器自动感应的方式，通过安装在电梯厢外按键面板的特殊高度位置（≥110 cm，降低幼童独自搭乘电梯的风险），感应人体自身的特定热量来发射信号。据现有研究表面人体普遍的体温在36.5 ℃，发射的红外线波长约为9.4 μm。HC-SR50p5 迷你小型人体感应模块前置的红外探头可以根据此原理来判断此时电梯厢外状态。当行人处于红外线感应的测定范围之内，传感器中的发射管发射红外线放射到接收管内部，经过信号处理反馈到PLC，从而进一步对系统进行控制[5]。

3  系统程序设计

电梯的群控的基础就是先实现电梯的单控，该文主要着重点在于电梯单控的设计及其所实现的功能。

3.1 设计思路

（1）开启电梯电源，上电复位程序运行。开总开关，进入行人按键程序。乘客通过按上下行键已经站立在红外感应区域内进入电梯距离判断子程序[6]。

（2）电梯距离判断子程序：判断电梯目前所在楼层与行人楼层之间的距离，电梯在上方就执行上行程序，电梯在下方则执行下行程序，如果电梯就在此楼层，则执行开门子程序（此时自动开门程序高于手动开门）。

（3）开门子程序后，电梯进入关门子程序（手动关门高于自动关门程序）。自动进去电梯上行或下行子程序，电梯将乘客带往指定的楼层进行停靠。

3.2 子程序列表

上电复位程序、电梯距离判断子程序、上行程序、下行程序、开门子程序、关门子程序、电机控制子程序、安全应急子程序。

3.3 单控电梯PLC I/O口分配

单控电梯PLC I/O口分配见表1。

3.4 控制软件流程

根据该课题设计功能的意图，为其设计流程图并编写程序。此流程仅为增加红外模块进行简单的改造，不涉及整个电梯复杂运行的过程，包括紧急停车和互锁等的修改。具体流程见图2。

控制模块采用西门子公司配套编程软件 STEP7-Micro/win SMART进行主控PLC的程序设计，该编程软件为西门子公司为S7-200 SMART系列单独设计的梯形图编程软件，可以很好地实现实时通信和在线监测等功能。PLC在收到各模块发送来的信号后，要控制电梯电机的运行来控制电梯的上下行以及开门关门等动作。控制模块需要实现的功能包括初始化电梯参数、PLC与硬件设备的通信以及控制电梯运行等功能。

该文以厢外呼叫模块为例，设计了简单红外控制模块的程序。当搭乘者在二层按下厢外电梯上行按键时，3 s后红外信号感应搭乘人是否还在厢外等候，若此时搭乘人离开等候位置，则上行按键自动取消，则该上行信号将无法传送到PLC控制模块，此时电梯不会根据该按键信号达到二楼。此系统要求搭乘电梯的乘客在按下电梯厢外按键后3 s后保持在按键面板位置，此时电梯才会执行运行或者开门的指令。如果是幼童按下按钮，红外感应高度≥110 cm，故无法感应到该幼童发出的红外信号，同样PLC将不会接受信号进行电梯控制。

4  结语

该电梯控制系统基于红外感应和S7-200 SMART联合，将红外感应器置于電梯厢外按键面板，利用接受人体红外信号感受是否有行人需要使用电梯，如果行人离开电梯等候区域，电梯将不会进行无效的停靠，可以有效提高电梯的使用效率，同时大大降低电梯无效运行产生的能耗。

参考文献

[1] 彭莺，吴治将，李东洺，等.一种节能电梯用按键：ZL202021637247.4[P].2019-05-14.

[2] 刘琳.基于智能调节的路灯系统节能应用[J].电子技术，2021，50（8）：84-85.

[3] 黄志强，谢军.基于西门子S7-1200系列电梯集群仿真设计方案[J].科技创新与应用，2021（8）：121-123.

[4] 林峰.基于红外感应的稻纵卷叶螟智能监测装置的设计与实现[J].浙江农业科学，2021，62（7）：1451-1454，1460.

[5] 王厚沂，巩舜妹.基于红外传感器感应下的动态绿波预警设计[J].科技创新导报，2019，16（21）：88，90.

[6] 强锋.移动机器人室内地图构建及定位方法的相关分析[J].文化创新比较研究，2018，2（35）：161-162.

基金项目：广东省大学生科技创新培育项目2020年课题《节能电梯用按键及其控制方法的研究》（项目编号：                 pdjh2020a362）。

作者简介：彭莺（1984—），女，硕士，高级工程师，研究方向为过程系统工程。