基于西門子PLC的三層電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告摘要本報(bào)告旨在詳細(xì)闡述一套基于西門子PLC控制器的三層電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，分析了電梯的基本控制要求，完成了系統(tǒng)的硬件選型與配置、軟件邏輯設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試過程和關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了說明。設(shè)計(jì)過程中，充分考慮了系統(tǒng)的安全性、可靠性及運(yùn)行效率，力求為小型建筑內(nèi)的垂直運(yùn)輸提供一套經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的控制解決方案。通過本設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)電梯的自動(dòng)呼梯響應(yīng)、選層運(yùn)行、開關(guān)門控制以及基本的安全保護(hù)功能。一、引言1.1項(xiàng)目背景與意義隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展，電梯作為高層建筑不可或缺的垂直運(yùn)輸工具，其性能直接關(guān)系到人們的出行效率與安全。在中低層建筑中，采用PLC（可編程邏輯控制器）作為控制核心的電梯系統(tǒng)，因其編程靈活、可靠性高、維護(hù)方便以及成本相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用。本項(xiàng)目針對(duì)一棟三層建筑的需求，設(shè)計(jì)一套以西門子PLC為核心的電梯控制系統(tǒng)，旨在通過實(shí)踐，深入理解電梯控制原理，并掌握PLC在工業(yè)控制中的應(yīng)用方法。1.2設(shè)計(jì)目標(biāo)本三層電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)以下主要目標(biāo)：1.實(shí)現(xiàn)轎廂內(nèi)選層與各樓層外呼梯信號(hào)的有效響應(yīng)。2.電梯能夠根據(jù)呼梯信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行選向、運(yùn)行、減速、平層。3.實(shí)現(xiàn)電梯門的自動(dòng)開啟與關(guān)閉控制，并具備安全保護(hù)功能。4.具備基本的運(yùn)行狀態(tài)指示（如當(dāng)前樓層、運(yùn)行方向）。5.系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，響應(yīng)及時(shí)，并具有必要的安全保護(hù)措施，如超速保護(hù)、限位保護(hù)、急停功能等。二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1控制要求分析三層電梯系統(tǒng)應(yīng)滿足以下基本控制要求：*呼梯信號(hào)處理：能夠響應(yīng)各樓層的外呼信號(hào)（上呼、下呼）及轎廂內(nèi)的選層信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)登記與保持。*選層與定向：根據(jù)已登記的呼梯信號(hào)，按照一定的調(diào)度原則（如集選控制方式）確定電梯的運(yùn)行方向和停靠樓層。*運(yùn)行控制：控制電梯按選定方向啟動(dòng)、加速、勻速運(yùn)行，并在接近目標(biāo)樓層時(shí)減速，最終準(zhǔn)確平層。*開關(guān)門控制：電梯到達(dá)目標(biāo)樓層并平層后，自動(dòng)開門；延時(shí)一定時(shí)間后自動(dòng)關(guān)門，或在滿足關(guān)門條件時(shí)響應(yīng)關(guān)門指令關(guān)門。同時(shí)，應(yīng)具備門區(qū)外不能開門、關(guān)門受阻自動(dòng)重開等安全功能。*樓層指示與方向指示：轎廂內(nèi)及各樓層外應(yīng)能清晰指示電梯當(dāng)前所在樓層及運(yùn)行方向。*安全保護(hù)：設(shè)置必要的安全保護(hù)裝置，如極限限位開關(guān)、急停按鈕、安全觸板或光幕等，確保電梯運(yùn)行及乘客安全。2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本三層電梯控制系統(tǒng)采用典型的PLC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.控制核心：西門子PLC，負(fù)責(zé)接收外部輸入信號(hào)（呼梯按鈕、限位開關(guān)、傳感器等），執(zhí)行預(yù)設(shè)的控制邏輯，并輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電機(jī)、繼電器等）。2.人機(jī)交互層：包括各樓層的外呼按鈕及指示燈、轎廂內(nèi)的選層按鈕及指示燈、樓層位置指示燈、運(yùn)行方向指示燈等，用于實(shí)現(xiàn)用戶呼梯操作及電梯狀態(tài)顯示。3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)層：包括驅(qū)動(dòng)電梯轎廂升降的曳引電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置（如變頻器）、控制轎廂門和層門開關(guān)的門機(jī)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路。4.檢測(cè)與傳感層：包括用于檢測(cè)轎廂位置的平層傳感器（如光電傳感器或磁開關(guān)）、用于檢測(cè)電梯運(yùn)行極限位置的上/下限位開關(guān)、用于檢測(cè)門狀態(tài)的門到位開關(guān)、以及安全觸板或光幕等安全檢測(cè)裝置。5.電源與保護(hù)電路：為PLC、各控制電路及執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定的工作電源，并包含過載、短路等保護(hù)環(huán)節(jié)。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1PLC選型根據(jù)三層電梯系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)數(shù)量和控制要求，綜合考慮性能、成本及西門子產(chǎn)品的市場普及度，本設(shè)計(jì)選用西門子SIMATICS____系列PLC作為控制核心。該系列PLC結(jié)構(gòu)緊湊，指令豐富，運(yùn)算速度快，具備良好的擴(kuò)展性和通信能力，能夠滿足小型自動(dòng)化系統(tǒng)的控制需求。具體型號(hào)選擇需根據(jù)實(shí)際I/O點(diǎn)數(shù)確定，確保留有一定余量。例如，若輸入點(diǎn)數(shù)約為二十點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)約為十幾點(diǎn)，選擇帶有足夠數(shù)字量I/O模塊的CPU單元即可。3.2I/O地址分配在進(jìn)行PLC編程之前，需對(duì)系統(tǒng)所有的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行I/O地址分配。以下為典型的I/O地址分配表（具體地址需根據(jù)所選PLC型號(hào)及模塊實(shí)際配置確定）：輸入信號(hào)（I）：信號(hào)名稱功能描述輸入地址(示例):---------------:-----------------------:--------------一層外呼上按鈕一層向上呼梯請(qǐng)求I0.0二層外呼上按鈕二層向上呼梯請(qǐng)求I0.1二層外呼下按鈕二層向下呼梯請(qǐng)求I0.2三層外呼下按鈕三層向下呼梯請(qǐng)求I0.3轎廂內(nèi)一層選層按鈕轎廂內(nèi)選擇一層I0.4轎廂內(nèi)二層選層按鈕轎廂內(nèi)選擇二層I0.5轎廂內(nèi)三層選層按鈕轎廂內(nèi)選擇三層I0.6轎廂內(nèi)開門按鈕手動(dòng)開門I1.0轎廂內(nèi)關(guān)門按鈕手動(dòng)關(guān)門I1.1一層平層傳感器檢測(cè)轎廂是否平層于一層I1.2二層平層傳感器檢測(cè)轎廂是否平層于二層I1.3三層平層傳感器檢測(cè)轎廂是否平層于三層I1.4上限位開關(guān)轎廂運(yùn)行至上極限位置保護(hù)I1.5下限位開關(guān)轎廂運(yùn)行至下極限位置保護(hù)I1.6安全觸板/光幕信號(hào)門安全裝置動(dòng)作信號(hào)I1.7急停按鈕緊急停止I2.0轎廂門到位開關(guān)檢測(cè)轎廂門是否關(guān)閉到位I2.1層門聯(lián)鎖信號(hào)檢測(cè)各層門是否關(guān)閉到位I2.2輸出信號(hào)（Q）：信號(hào)名稱功能描述輸出地址(示例):---------------:-----------------------:--------------一層外呼上指示燈指示一層上呼請(qǐng)求已登記Q0.0二層外呼上指示燈指示二層上呼請(qǐng)求已登記Q0.1二層外呼下指示燈指示二層下呼請(qǐng)求已登記Q0.2三層外呼下指示燈指示三層下呼請(qǐng)求已登記Q0.3轎廂內(nèi)一層指示燈指示轎廂內(nèi)一層選層已登記Q0.4轎廂內(nèi)二層指示燈指示轎廂內(nèi)二層選層已登記Q0.5轎廂內(nèi)三層指示燈指示轎廂內(nèi)三層選層已登記Q0.6轎廂上行指示燈指示轎廂當(dāng)前運(yùn)行方向?yàn)樯闲蠶0.7轎廂下行指示燈指示轎廂當(dāng)前運(yùn)行方向?yàn)橄滦蠶1.0開門控制驅(qū)動(dòng)門機(jī)執(zhí)行開門動(dòng)作Q1.1關(guān)門控制驅(qū)動(dòng)門機(jī)執(zhí)行關(guān)門動(dòng)作Q1.2電機(jī)上行控制控制曳引電機(jī)上行Q1.3電機(jī)下行控制控制曳引電機(jī)下行Q1.4一層樓層指示燈指示轎廂當(dāng)前位于一層Q1.5二層樓層指示燈指示轎廂當(dāng)前位于二層Q1.6三層樓層指示燈指示轎廂當(dāng)前位于三層Q1.7報(bào)警輸出故障或緊急狀態(tài)報(bào)警Q2.03.3主要外圍硬件選型與電路設(shè)計(jì)1.呼梯按鈕與指示燈：選用帶指示燈的自復(fù)位式按鈕，安裝于各樓層候梯廳及轎廂內(nèi)。按鈕按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，表示呼梯信號(hào)已被登記。2.位置檢測(cè)裝置：*平層傳感器：采用光電傳感器或霍爾傳感器配合安裝在井道內(nèi)的隔磁板（或磁鋼）實(shí)現(xiàn)轎廂平層位置的精確檢測(cè)。當(dāng)轎廂運(yùn)行至平層區(qū)域時(shí)，傳感器動(dòng)作，向PLC發(fā)出平層信號(hào)。*限位開關(guān)：選用非自動(dòng)復(fù)位的行程開關(guān)，安裝在井道頂部和底部，當(dāng)轎廂運(yùn)行至極限位置時(shí)觸發(fā)，切斷電機(jī)電源，實(shí)現(xiàn)超速或失控保護(hù)。3.門機(jī)系統(tǒng)：包括轎廂門和層門。門機(jī)電機(jī)可選用直流伺服電機(jī)或變頻調(diào)速電機(jī)，配合門機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的開關(guān)門動(dòng)作。門到位檢測(cè)采用微動(dòng)開關(guān)。安全觸板或光幕用于檢測(cè)門關(guān)閉過程中的障礙物，一旦檢測(cè)到障礙物，門機(jī)立即停止關(guān)門并反向開門。4.曳引系統(tǒng)：曳引電機(jī)通常選用三相異步電動(dòng)機(jī)，配合變頻器實(shí)現(xiàn)平滑的速度調(diào)節(jié)（起動(dòng)、加速、勻速、減速、停止）。PLC通過控制變頻器的正反轉(zhuǎn)信號(hào)和速度給定信號(hào)來控制轎廂的運(yùn)行。5.電源電路：為PLC及控制電路提供DC24V電源，為按鈕指示燈等提供合適的工作電壓。主電路需配置斷路器、接觸器、熱繼電器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)曳引電機(jī)的過載、短路保護(hù)。3.4電氣原理圖設(shè)計(jì)要點(diǎn)電氣原理圖設(shè)計(jì)應(yīng)遵循電氣設(shè)計(jì)規(guī)范，主要包括：*主電路：曳引電機(jī)的供電回路，包含斷路器、變頻器主回路、電機(jī)等。*控制回路：PLC供電回路、I/O信號(hào)回路、繼電器驅(qū)動(dòng)回路、指示燈回路等。*安全回路：急停按鈕、限位開關(guān)、門聯(lián)鎖、安全觸板等安全裝置的串聯(lián)回路，該回路的通斷直接控制電梯的安全運(yùn)行。當(dāng)安全回路斷開時(shí)，電梯應(yīng)立即停止運(yùn)行。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序流程圖電梯控制系統(tǒng)的主程序采用循環(huán)掃描的工作方式。上電初始化后，系統(tǒng)首先進(jìn)行安全檢查（如急停是否復(fù)位、門是否關(guān)好等）。若安全條件滿足，則進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，不斷掃描輸入信號(hào)，處理呼梯請(qǐng)求，進(jìn)行選層邏輯判斷，控制電梯的運(yùn)行、開關(guān)門等動(dòng)作。其簡化的主程序流程圖如下：1.初始化：PLC上電，初始化各內(nèi)部標(biāo)志位、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器，清除所有呼梯信號(hào)。2.安全檢查：檢測(cè)急停信號(hào)、安全回路是否正常。若異常，電梯禁止運(yùn)行并報(bào)警。3.呼梯信號(hào)處理：掃描各外呼按鈕和內(nèi)選按鈕信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)的登記（置位相應(yīng)的內(nèi)部輔助繼電器）并點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)指示燈。4.選層與定向：根據(jù)當(dāng)前轎廂位置、運(yùn)行方向及已登記的呼梯信號(hào)，按照集選控制原則確定電梯的目標(biāo)樓層和運(yùn)行方向。5.運(yùn)行控制：根據(jù)定向結(jié)果，控制曳引電機(jī)驅(qū)動(dòng)轎廂向目標(biāo)樓層運(yùn)行（通過控制變頻器實(shí)現(xiàn)）。6.平層判斷：當(dāng)轎廂接近目標(biāo)樓層時(shí)，根據(jù)平層傳感器信號(hào)，控制電梯減速并準(zhǔn)確停靠在目標(biāo)樓層。7.開關(guān)門控制：電梯平層后，自動(dòng)發(fā)出開門信號(hào)，延時(shí)一定時(shí)間后自動(dòng)發(fā)出關(guān)門信號(hào)。同時(shí)響應(yīng)手動(dòng)開門、關(guān)門信號(hào)及安全觸板/光幕信號(hào)。8.信號(hào)消除：當(dāng)電梯在目標(biāo)樓層?？坎⑼瓿砷_關(guān)門動(dòng)作后，清除該樓層的內(nèi)選信號(hào)和相應(yīng)的外呼信號(hào)，并熄滅對(duì)應(yīng)指示燈。9.循環(huán)運(yùn)行：返回步驟3，繼續(xù)掃描處理新的呼梯信號(hào)。4.2各功能模塊設(shè)計(jì)4.2.1呼梯信號(hào)登記與消除模塊*信號(hào)登記：當(dāng)某一呼梯按鈕（外呼或內(nèi)選）被按下時(shí)，PLC檢測(cè)到相應(yīng)的輸入信號(hào)為ON，此時(shí)應(yīng)將對(duì)應(yīng)的呼梯請(qǐng)求信號(hào)（通常用內(nèi)部輔助繼電器M表示）置位，并保持該信號(hào)，直至滿足消除條件。例如，一層內(nèi)選按鈕被按下，I0.4為ON，則置位M0.4（一層內(nèi)選登記），并輸出Q0.4（一層內(nèi)選指示燈亮）。*信號(hào)消除：當(dāng)電梯到達(dá)該呼梯信號(hào)對(duì)應(yīng)的樓層，并且轎廂門完全打開后，方可消除該呼梯信號(hào)。對(duì)于外呼信號(hào)，還需考慮電梯的運(yùn)行方向。例如，二層外呼上信號(hào)，只有當(dāng)電梯上行到達(dá)二層并停靠后才消除；二層外呼下信號(hào)，只有當(dāng)電梯下行到達(dá)二層并?？亢蟛畔?nèi)選信號(hào)則無論上下行，到達(dá)對(duì)應(yīng)樓層即消除。4.2.2選層與定向模塊選層邏輯是電梯控制的核心。本設(shè)計(jì)采用集選控制方式，其基本原則是：*當(dāng)電梯處于空閑狀態(tài)（無呼梯信號(hào)）時(shí)，若有新的呼梯信號(hào)，電梯將直接駛向該樓層。*當(dāng)電梯正在某一方向運(yùn)行時(shí)，優(yōu)先響應(yīng)同方向上的所有呼梯信號(hào)，直至該方向上最遠(yuǎn)的目標(biāo)樓層被服務(wù)完畢，然后才響應(yīng)反方向的呼梯信號(hào)。*例如，轎廂當(dāng)前在一層，此時(shí)登記了三層內(nèi)選信號(hào)和二層外呼上信號(hào)。電梯將定向?yàn)樯闲?，先停靠二層響?yīng)外呼上請(qǐng)求，再繼續(xù)上行至三層響應(yīng)內(nèi)選請(qǐng)求。實(shí)現(xiàn)選層定向通常需要以下幾個(gè)內(nèi)部變量：*當(dāng)前樓層（通過平層傳感器信號(hào)組合判斷）。*目標(biāo)樓層（根據(jù)呼梯信號(hào)和選層邏輯計(jì)算得出）。*運(yùn)行方向（上行、下行、停止）。定向邏輯可通過比較當(dāng)前樓層與目標(biāo)樓層的大小來實(shí)現(xiàn)：若目標(biāo)樓層>當(dāng)前樓層，則定向?yàn)樯闲?；若目?biāo)樓層<當(dāng)前樓層，則定向?yàn)橄滦小?.2.3開關(guān)門控制模塊*開門控制：當(dāng)電梯準(zhǔn)確平層于目標(biāo)樓層，且無安全故障時(shí)，PLC輸出開門信號(hào)（Q1.1為ON），驅(qū)動(dòng)門機(jī)開門。開門到位后，門到位開關(guān)動(dòng)作，PLC檢測(cè)到信號(hào)后，停止開門輸出。此外，在轎廂內(nèi)按下開門按鈕（I1.0），若電梯處于靜止平層狀態(tài)，也應(yīng)執(zhí)行開門動(dòng)作。*關(guān)門控制：開門動(dòng)作完成后，PLC啟動(dòng)關(guān)門延時(shí)定時(shí)器（如T37）。延時(shí)時(shí)間到（例如3秒），若門區(qū)無障礙物（安全觸板/光幕信號(hào)I1.7為OFF），則輸出關(guān)門信號(hào)（Q1.2為ON），驅(qū)動(dòng)門機(jī)關(guān)門。關(guān)門到位后，門到位開關(guān)動(dòng)作，PLC停止關(guān)門輸出。在轎廂內(nèi)按下關(guān)門按鈕（I1.1），可提前結(jié)束開門延時(shí)，執(zhí)行關(guān)門動(dòng)作。若關(guān)門過程中安全觸板/光幕被觸發(fā)（I1.7為ON），則立即停止關(guān)門，并重新執(zhí)行開門動(dòng)作。4.2.4運(yùn)行控制模塊*啟動(dòng)與運(yùn)行：當(dāng)確定目標(biāo)樓層和運(yùn)行方向后，PLC向變頻器發(fā)出相應(yīng)方向的運(yùn)行指令（如Q1.3為ON控制上行，Q1.4為ON控制下行），并給出速度給定信號(hào)（可通過模擬量輸出或多段速數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)）。變頻器根據(jù)指令控制曳引電機(jī)按預(yù)設(shè)的速度曲線運(yùn)行。*減速與平層：當(dāng)轎廂接近目標(biāo)樓層時(shí)（可通過樓層位置信號(hào)或距離計(jì)算判斷），PLC控制變頻器降低輸出頻率，使電梯減速。當(dāng)平層傳感器檢測(cè)到平層信號(hào)時(shí)，PLC發(fā)出停車指令，電機(jī)停止，轎廂準(zhǔn)確?？?。*樓層指示：根據(jù)平層傳感器的信號(hào)組合，在轎廂內(nèi)和各樓層顯示當(dāng)前轎廂所在樓層。例如，當(dāng)一層平層傳感器I1.2為ON時(shí)，Q1.5（一層樓層指示燈）亮。4.2.5安全保護(hù)模塊安全保護(hù)是電梯系統(tǒng)至關(guān)重要的部分，主要包括：*急停保護(hù)：當(dāng)急停按鈕被按下（I2.0為ON），立