基于PLC的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程報(bào)告摘要本報(bào)告旨在闡述基于可編程邏輯控制器（PLC）的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程與實(shí)現(xiàn)方法。電梯作為現(xiàn)代建筑不可或缺的垂直運(yùn)輸工具，其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性與高效性至關(guān)重要。PLC以其高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、靈活的編程方式及易于維護(hù)等特點(diǎn)，已成為電梯控制領(lǐng)域的主流控制核心。本設(shè)計(jì)圍繞電梯的基本控制需求，從系統(tǒng)總體方案規(guī)劃、硬件選型與電路設(shè)計(jì)、軟件邏輯編制到系統(tǒng)調(diào)試等環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)論述，最終實(shí)現(xiàn)了電梯的自動(dòng)呼梯響應(yīng)、轎廂選層、定向運(yùn)行、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)及基本安全保護(hù)等功能。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，不僅加深了對(duì)PLC工作原理及應(yīng)用技術(shù)的理解，也為實(shí)際工程應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值。目錄1.引言2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1控制需求分析2.2總體設(shè)計(jì)思路3.硬件選型與設(shè)計(jì)3.1PLC型號(hào)選擇3.2輸入/輸出設(shè)備選型3.3I/O地址分配3.4主電路與控制電路設(shè)計(jì)4.軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)思路4.2主程序流程圖4.3各功能模塊設(shè)計(jì)4.3.1呼梯信號(hào)處理模塊4.3.2轎廂內(nèi)選信號(hào)處理模塊4.3.3定向與選層邏輯模塊4.3.4運(yùn)行控制模塊4.3.5開(kāi)關(guān)門(mén)控制模塊4.3.6安全保護(hù)模塊5.系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析5.1調(diào)試步驟5.2調(diào)試結(jié)果與分析6.結(jié)論與展望7.參考文獻(xiàn)1.引言隨著城市化進(jìn)程的加速和高層建筑的普及，電梯已成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦胁豢苫蛉钡慕煌üぞ?。電梯控制系統(tǒng)作為電梯的“大腦”，其性能直接關(guān)系到電梯的運(yùn)行效率、乘坐舒適性以及最重要的安全性。傳統(tǒng)的電梯控制方式如繼電器控制，存在著觸點(diǎn)多、可靠性差、故障率高、維護(hù)困難、能耗大等固有缺點(diǎn)，已難以滿(mǎn)足現(xiàn)代電梯的控制要求?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）是一種專(zhuān)門(mén)為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。將PLC應(yīng)用于電梯控制，能夠有效克服傳統(tǒng)繼電器控制的諸多弊端，顯著提升電梯系統(tǒng)的可靠性、靈活性和智能化水平，同時(shí)降低維護(hù)成本。本課程報(bào)告基于某教學(xué)用或小型辦公樓的模擬電梯模型，深入探討了以PLC為控制核心的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。報(bào)告將系統(tǒng)地介紹從需求分析、方案設(shè)計(jì)、硬件選型、軟件編程到系統(tǒng)調(diào)試的完整過(guò)程，力求為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和實(shí)踐提供有益的參考。2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1控制需求分析本次設(shè)計(jì)的電梯系統(tǒng)為模擬某三層或四層建筑的電梯（具體層數(shù)可根據(jù)教學(xué)或設(shè)計(jì)要求設(shè)定，此處以四層為例進(jìn)行闡述），其基本控制需求如下：1.呼梯與選層功能：各樓層候梯廳設(shè)有上行和下行呼梯按鈕（頂層僅設(shè)下行，底層僅設(shè)上行），轎廂內(nèi)設(shè)有各樓層選層按鈕。當(dāng)乘客按下呼梯或選層按鈕時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈應(yīng)點(diǎn)亮，表示信號(hào)已被登記；當(dāng)電梯響應(yīng)該信號(hào)后，指示燈熄滅。2.定向功能：電梯應(yīng)能根據(jù)當(dāng)前轎廂位置、運(yùn)行方向以及已登記的呼梯和選層信號(hào)，自動(dòng)確定其下一步的運(yùn)行方向（上行、下行或停止）。3.自動(dòng)運(yùn)行與?？抗δ埽弘娞菰诮邮盏接行盘?hào)后，應(yīng)能自動(dòng)按最優(yōu)路徑（通常為順向優(yōu)先）運(yùn)行至目標(biāo)樓層，并準(zhǔn)確停靠。?？繒r(shí)，轎廂地坎應(yīng)與樓層地坎對(duì)齊。4.自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)功能：電梯到達(dá)目標(biāo)樓層并停穩(wěn)后，應(yīng)能自動(dòng)打開(kāi)轎廂門(mén)和層門(mén)（模擬）；開(kāi)門(mén)一段時(shí)間后（可設(shè)定，如3秒），自動(dòng)關(guān)閉轎廂門(mén)和層門(mén)。若在門(mén)關(guān)閉過(guò)程中檢測(cè)到障礙物（或通過(guò)開(kāi)門(mén)按鈕），門(mén)應(yīng)能重新打開(kāi)。5.指層功能：轎廂內(nèi)及各樓層候梯廳應(yīng)設(shè)有樓層指示燈，指示當(dāng)前轎廂所在樓層位置。6.安全保護(hù)功能：*電梯運(yùn)行過(guò)程中，若門(mén)未關(guān)好，電梯不能啟動(dòng)或立即停止。*設(shè)有極限開(kāi)關(guān)保護(hù)，防止電梯沖頂或蹲底。*（可選）設(shè)有超載保護(hù)，超載時(shí)電梯不啟動(dòng)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。7.手動(dòng)/自動(dòng)切換功能：（可選）系統(tǒng)可設(shè)置手動(dòng)模式，用于檢修或特殊情況。2.2總體設(shè)計(jì)思路基于上述控制需求，本電梯控制系統(tǒng)采用以PLC為核心的控制方案。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要由以下幾個(gè)部分組成：1.信號(hào)輸入部分：包括各樓層呼梯按鈕、轎廂內(nèi)選層按鈕、開(kāi)門(mén)按鈕、關(guān)門(mén)按鈕、門(mén)區(qū)傳感器（平層開(kāi)關(guān)）、上/下限位開(kāi)關(guān)、門(mén)聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)等。這些裝置將外部操作指令和狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC可識(shí)別的數(shù)字量輸入信號(hào)。2.控制核心部分：即PLC。它接收來(lái)自輸入部分的各種信號(hào)，根據(jù)預(yù)先編制的控制程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算和判斷，然后向輸出部分發(fā)出相應(yīng)的控制指令。3.驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行部分：包括用于控制轎廂升降的曳引電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置（模擬或?qū)嶋H）、用于控制開(kāi)關(guān)門(mén)的門(mén)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置（模擬或?qū)嶋H）。PLC通過(guò)控制繼電器或直接驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)。4.信號(hào)輸出與指示部分：包括轎廂內(nèi)及各樓層的呼梯、選層指示燈，樓層位置指示燈，運(yùn)行方向指示燈，以及蜂鳴器（用于報(bào)警或提示）等。PLC通過(guò)輸出模塊控制這些裝置的狀態(tài)。系統(tǒng)工作流程簡(jiǎn)述：當(dāng)某一樓層的呼梯按鈕或轎廂內(nèi)的選層按鈕被按下，對(duì)應(yīng)的信號(hào)被送入PLC。PLC根據(jù)內(nèi)部程序?qū)@些信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)合當(dāng)前轎廂位置和運(yùn)行狀態(tài)，確定運(yùn)行方向和目標(biāo)樓層。隨后，PLC發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)曳引電機(jī)帶動(dòng)轎廂向目標(biāo)樓層運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)位置傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)轎廂位置，并更新樓層指示。當(dāng)轎廂接近目標(biāo)樓層時(shí)，PLC控制電梯減速，到達(dá)目標(biāo)樓層后停穩(wěn)，然后控制門(mén)電機(jī)執(zhí)行開(kāi)門(mén)動(dòng)作。延時(shí)一段時(shí)間后，再執(zhí)行關(guān)門(mén)動(dòng)作，準(zhǔn)備響應(yīng)下一個(gè)信號(hào)。3.硬件選型與設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)是電梯控制的物理基礎(chǔ)，其選型是否恰當(dāng)直接影響系統(tǒng)的性能、成本和可靠性。3.1PLC型號(hào)選擇PLC的選型主要考慮I/O點(diǎn)數(shù)需求、存儲(chǔ)容量、指令系統(tǒng)、工作環(huán)境以及性?xún)r(jià)比等因素。對(duì)于本設(shè)計(jì)的四層電梯模型，其I/O信號(hào)數(shù)量估算如下：*輸入信號(hào)：*層站呼梯按鈕：4層，每層2個(gè)（上、下），但頂層無(wú)上，底層無(wú)下，共3+3=6個(gè)。*轎廂內(nèi)選層按鈕：4個(gè)。*轎廂開(kāi)門(mén)按鈕：1個(gè)。*轎廂關(guān)門(mén)按鈕：1個(gè)。*樓層位置檢測(cè)（平層）開(kāi)關(guān)：4個(gè)（每層一個(gè)）。*上限位開(kāi)關(guān)：1個(gè)。*下限位開(kāi)關(guān)：1個(gè)。*門(mén)聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)（模擬門(mén)是否關(guān)好）：1個(gè)。*（可選）安全觸板/光幕信號(hào)：1個(gè)。*（可選）超載信號(hào)：1個(gè)。*（可選）手動(dòng)/自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)：1個(gè)?？傆?jì)輸入點(diǎn)數(shù)約為6+4+1+1+4+1+1+1=19個(gè)（未包含可選部分）。*輸出信號(hào)：*層站呼梯指示燈：與呼梯按鈕對(duì)應(yīng)，6個(gè)。*轎廂內(nèi)選層指示燈：4個(gè)。*樓層位置指示燈：4個(gè)（或每層2個(gè)方向+樓層數(shù)，此處簡(jiǎn)化為轎廂內(nèi)1個(gè)七段數(shù)碼管或4個(gè)樓層燈，層站各1個(gè)樓層燈）。若轎廂內(nèi)和各層站均有樓層指示（假設(shè)每層站1個(gè)樓層燈，共4個(gè)；轎廂內(nèi)1個(gè)七段數(shù)碼管需7個(gè)輸出或4個(gè)樓層燈），此項(xiàng)按4（層站）+4（轎廂內(nèi)樓層燈）=8個(gè)估算。*運(yùn)行方向指示燈（上、下）：轎廂內(nèi)及各層站，此處簡(jiǎn)化為轎廂內(nèi)2個(gè)，層站各2個(gè)共8個(gè)，總計(jì)約10個(gè)。（實(shí)際設(shè)計(jì)中可簡(jiǎn)化，如僅在轎廂內(nèi)和各層站顯示當(dāng)前運(yùn)行方向）。*曳引電機(jī)上行控制：1個(gè)。*曳引電機(jī)下行控制：1個(gè)。*門(mén)電機(jī)開(kāi)門(mén)控制：1個(gè)。*門(mén)電機(jī)關(guān)門(mén)控制：1個(gè)。*（可選）蜂鳴器報(bào)警：1個(gè)?？傆?jì)輸出點(diǎn)數(shù)約為6+4+8+2+1+1+1+1=24個(gè)（簡(jiǎn)化估算，實(shí)際可根據(jù)指示方式優(yōu)化）?？紤]到預(yù)留一定的I/O余量（通常為10%-20%）以及PLC的經(jīng)濟(jì)性和教學(xué)通用性，選用某主流品牌的小型一體化PLC即可滿(mǎn)足需求。例如，選用具有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)的基本單元，并根據(jù)需要擴(kuò)展一個(gè)I/O模塊，或直接選用一款具有24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出（或相近點(diǎn)數(shù)）的PLC主機(jī)。具體型號(hào)選擇上，應(yīng)優(yōu)先考慮學(xué)校實(shí)驗(yàn)室或市場(chǎng)上較為常見(jiàn)、資料豐富、編程軟件易用的型號(hào)。本設(shè)計(jì)中，假設(shè)選用了某品牌的FX系列PLC（具體型號(hào)因涉及數(shù)字，此處從略，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需明確），其晶體管輸出類(lèi)型適用于控制小型繼電器或指示燈。3.2外圍設(shè)備選型1.按鈕：呼梯按鈕、選層按鈕、開(kāi)門(mén)按鈕、關(guān)門(mén)按鈕均選用帶指示燈的自復(fù)位式按鈕。指示燈顏色通常為綠色或黃色。2.傳感器/開(kāi)關(guān)：*平層傳感器：用于檢測(cè)轎廂是否到達(dá)某樓層平層位置?？蛇x用光電傳感器（對(duì)射式或反射式）配合安裝在井道或轎廂上的擋光板，或選用磁性開(kāi)關(guān)配合隔磁板。*限位開(kāi)關(guān)：上/下極限保護(hù)開(kāi)關(guān)，選用非自復(fù)位式的行程開(kāi)關(guān)。*門(mén)聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)：模擬門(mén)是否關(guān)閉到位，可選用微動(dòng)開(kāi)關(guān)或磁性接近開(kāi)關(guān)。3.指示燈：樓層指示燈、運(yùn)行方向指示燈，選用LED指示燈，顏色清晰醒目（如紅色表示上行，綠色表示下行，黃色指示樓層）。4.電機(jī)及驅(qū)動(dòng)：*曳引電機(jī)：對(duì)于模擬電梯模型，可選用小型直流減速電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。若為實(shí)物模型且載重較小，也可考慮使用帶減速器的單相異步電機(jī)配合電磁制動(dòng)。*門(mén)電機(jī)：選用小型直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)門(mén)的平滑開(kāi)關(guān)。*驅(qū)動(dòng)模塊：根據(jù)所選電機(jī)類(lèi)型，配置相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（如L298N、ULN2003等用于直流電機(jī)，或?qū)Ｓ貌竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）。PLC輸出信號(hào)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)向。5.電源：為PLC、傳感器、指示燈、控制電路等提供穩(wěn)定的直流電源（如DC24V），為電機(jī)提供相應(yīng)的工作電源。6.繼電器：當(dāng)PLC輸出點(diǎn)容量不足以直接驅(qū)動(dòng)某些執(zhí)行元件（如電機(jī)的接觸器線圈）時(shí)，需通過(guò)中間繼電器進(jìn)行功率放大。7.轎廂與導(dǎo)軌：（針對(duì)實(shí)物模型）用于模擬轎廂的升降運(yùn)動(dòng)。3.3I/O地址分配根據(jù)選定的PLC型號(hào)和估算的I/O點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行詳細(xì)的I/O地址分配是軟件編程的基礎(chǔ)。以下為一個(gè)典型的I/O地址分配表（具體地址需根據(jù)所選PLC型號(hào)的實(shí)際地址編排規(guī)則確定）：輸入信號(hào)（X）地址分配表：序號(hào)信號(hào)名稱(chēng)PLC輸入地址備注:---:---------------:----------:---------------------------------1一層上行呼梯按鈕X0底層無(wú)上，此處為二層上行2二層上行呼梯按鈕X13二層下行呼梯按鈕X24三層上行呼梯按鈕X35三層下行呼梯按鈕X46四層下行呼梯按鈕X5頂層無(wú)上行7轎廂內(nèi)一層選層按鈕X108轎廂內(nèi)二層選層按鈕X119轎廂內(nèi)三層選層按鈕X1210轎廂內(nèi)四層選層按鈕X1311轎廂開(kāi)門(mén)按鈕X1412轎廂關(guān)門(mén)按鈕X1513一層平層開(kāi)關(guān)X2014二層平層開(kāi)關(guān)X2115三層平層開(kāi)關(guān)X2216四層平層開(kāi)關(guān)X2317上限位開(kāi)關(guān)X2418下限位開(kāi)關(guān)X2519門(mén)聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)X26門(mén)關(guān)閉時(shí)接通輸出信號(hào)（Y）地址分配表：序號(hào)信號(hào)名稱(chēng)PLC輸出地址備注:---:-----------------:----------:---------------------------------1二層上行呼梯指示燈Y0對(duì)應(yīng)X12二層下行呼梯指示燈Y1對(duì)應(yīng)X23三層上行呼梯指示燈Y2對(duì)應(yīng)X34三層下行呼梯指示燈Y3對(duì)應(yīng)X45四層下行呼梯指示燈Y4對(duì)應(yīng)X56一層呼梯指示燈Y5對(duì)應(yīng)X0（一層下行呼梯，即二層上行）7轎廂內(nèi)一層選層指示燈Y10對(duì)應(yīng)X108轎廂內(nèi)二層選層指示燈Y11對(duì)應(yīng)X119轎廂內(nèi)三層選層指示燈Y12對(duì)應(yīng)X1210轎廂內(nèi)四層選層指示燈Y13對(duì)應(yīng)X1311一層樓層指示燈Y1412二層樓層指示燈Y1513三層樓層指示燈Y1614四層樓層指示燈Y1715上行方向指示燈Y2016下行方向指示燈Y2117曳引電機(jī)上行控制Y22控制電機(jī)正轉(zhuǎn)18曳引電機(jī)下行控制Y23控制電機(jī)反轉(zhuǎn)19門(mén)電機(jī)開(kāi)門(mén)控制Y2420門(mén)電機(jī)關(guān)門(mén)控制Y2521蜂鳴器報(bào)警Y26（可選）*(注：以上地址