目录
实践项目：四层电梯模型PLC控制
一．实践设备
| 序号 | 名 称 | 型号与规格 | 数量 |
| 1 | 现代电子设计创新实验实训系统实验台 | EL-NC2100 | 1 |
| 2 | 中央主控挂箱 | 西门子S7-300 | 1 |
| 3 | 控制对象一挂箱 | 1 | |
| 4 | 电平转换模块 | 1 | |
| 5 | 四层电梯模型 | 1 | |
| 6 | 计算机 | 安装西门子可编程控制器编程软件TIA PORTAL v19 | 1 |
| 7 | 连接导线 | 若干 |
二．控制要求
- 接到外呼请求信号，电梯轿厢自动运行到呼叫楼层，自动开门，延时5秒，自动关门，此时，可以人为手动开关门，关门后才允许轿厢运行。
- 人在轿厢内按下内呼请求信号，轿厢关门后自动运行到请求楼层，相应楼层的指示灯亮起，自动开门，延时5秒，自动关门。
- 接到外呼请求信号，顺向截梯，反向记忆。
- 实践总结
1. PLC的硬件配置
1.1 电梯上行主要设计要求
(1)当电梯停于一楼或二楼、三楼时，四楼呼叫，则上行，到四楼碰行程开关后停止;
(2)电梯停于一楼或二楼，三楼呼叫时，则上行，到三楼行程开关控制停止;
(3)电梯停于一楼，二楼呼叫，则上行，到二楼行程开关控制停止;
(4)电梯停于一楼，二楼向上、三楼向上(外呼)或者二楼、三楼同时内呼时，电梯上行到二楼，自动开门，停5秒，自动关门，继续上行到三楼停止;
(5)电梯停于一楼，三楼向上、四楼向下(外呼)或者三楼、四楼同时内呼时，电梯上行到三楼，自动开门，停5秒，自动关门，继续上行到四楼停止;
(6)电梯停于一楼，二楼向上、四楼向下(外呼)或者二楼、四楼同时内呼时，电梯上行到二楼，自动开门，停5秒，自动关门，继续上行到三楼停止;
(7)电梯停于二楼，三楼向上、四楼向下(外呼)或者三楼、四楼同时内呼时电梯上行到三楼，自动开门，停5秒，自动关门，继续上行到四楼停止;
(8)电梯停于一楼，二楼向上、三楼向上、四楼向下(外呼)或者二楼、三楼、四楼同时内呼时，电梯上行到二楼，自动开门，停5秒，自动关门，继续上行到三楼，自动开门，自动开门，停5秒，自动关门，自动关门，继续上行到四当电梯上升辅助继电器(M4.4)得电时，电梯上行线圈DX1得电，电梯上行，到达相应的程序指定层时，电梯不在上升。这里电梯设计最高到达四层，也就是当平层限位开关得电时，失电不能在继续上升
1.2 电梯下行主要设计要求
(1) 当电梯停于四楼或一楼、二楼时,三楼呼叫,则下行,到一楼碰行程开关后
(2)电梯停于四楼或三楼,二楼呼叫时,则下行,到二楼行程开关控制停止;
(3)电梯停于四楼,三楼呼叫,则下行,到三楼行程开关控制停止;
(4)电梯停于四楼,二楼向下、三楼向下(外呼)或者二楼、三楼同时内呼时,电梯上行到三楼,自动开门，停5秒，自动关门,继续下行到二楼停止;
(5)电梯停于四楼,一楼向上、二楼向下(外呼)或者一楼、二楼同时内呼时,电梯下行到二楼,自动开门，停5秒，自动关门,继续下行到一楼停止;
(6)电梯停于四楼,一楼向上、三楼向下(外呼)或者一楼、三楼同时内呼时,电梯下行到三楼,自动开门，停5秒，自动关门,继续下行到一楼停止;
(7)电梯停于三楼,一楼向上、二楼向下(外呼)或者一楼、二楼同时内呼时,电梯下行到二楼,自动开门，停5秒，自动关门,继续下行到一楼停止;
(8)电梯停于四楼,一楼向上、二楼向下、三楼向下(外呼)或者一楼、二楼、三楼同时内呼时,电梯下行到三楼,自动开门，停5秒，自动关门,继续下行到二楼,自动开门，停5秒，自动关门,继续下行到当电梯下行辅助继电器M4.1得电时,电梯下行线圈DX2得电,电梯下行,到达相应的程序指定层时,电梯不在下降。这里电梯的设计与上行设计是一致的,即电梯下行最终只能到达一层,当无内外呼到其它层时,电梯直达一层,使一层限位开关得电时,失电不在下行。
1.3系统电梯升降设计流程图
图 1.1电梯升降流程图
1.4 I/O地址分配
模型机选用西门子S7-300作为电梯的控制单元。模型机具有楼层传感器、外呼按键、内呼按键等15个输入信号；运行指示、楼层显示等14个输出信号。输入点分配详情见表1.1，输出点分配详情见表1.2。
表1.1 输入点分配
| 输入信号 | 输入点 | 输入信号 | 输入点 |
| 轿厢到达一层传感器 | I0.2 | 三层外呼请求上按键 | I1.0 |
| 轿厢到达二层传感器 | I0.3 | 三层外呼请求下按键 | I0.7 |
| 轿厢到达三层传感器 | I0.4 | 四层外呼请求下按键 | I0.6 |
| 轿厢到达四层传感器 | I0.5 | 内呼请求到四层按键 | I1.4 |
| 一层外呼请求上按键 | I1.3 | 内呼请求到三层按键 | I1.5 |
| 二层外呼请求上按键 | I1.2 | 内呼请求到二层按键 | I1.6 |
| 二层外呼请求下按键 | I1.1 | 内呼请求到一层按键 | I1.7 |
| 复位按键 | I0.1 |
表1.2 输出点分配
| 输出信号 | 输出点 | 输出信号 | 输出点 |
| 轿厢到达一层指示灯 | Q4.0 | 三层请求下信号灯 | Q4.7 |
| 轿厢到达二层指示灯 | Q4.1 | 三层请求上信号灯 | Q5.0 |
| 轿厢到达三层指示灯 | Q4.2 | 二层请求下信号灯 | Q5.1 |
| 轿厢到达四层指示灯 | Q4.3 | 二层请求上信号灯 | Q5.2 |
| 控制轿厢开门 | Q4.4 | 一层请求上信号灯 | Q5.3 |
| 控制轿厢关门 | Q4.5 | 轿厢上行控制 | Q5.4 |
| 四层请求下信号灯 | Q4.6 | 轿厢下行控制 | Q5.5 |
2. 1 S7-300 电梯控制系统的总体介绍
本文选用四层电梯模型为被控对象。 此模型根据升降式电梯结构， 采用 WINCC 组态画面， 具有实际电梯的仿真结构。 选用此模型能够很好的模拟实际电梯运行， 较适宜实验操作。 控制器 CPU 选用西门子 CPU312， 另加电源模块 PS 307（5A）， DI 模块 SM321 32(24V) ，DO 模 SM322。电梯模型层数为四层， 面板上提供电梯控制的各种功能的检测信号、 执行机构和显示器件。检测信号分为外呼信号、 内选信号、 平层信号、 位置检测信号、 轿厢门开闭位置信号等。电梯轿厢可上下运行， 轿厢门具有开关和限位等保护功能。 每个楼层显示当前轿厢所处的楼层位置、 运行方向。 当有检测信号输入时 PLC 的 CPU 根据程序进行处理， 并将处理结果经过输出模块最终送到电梯中驱动执行机构进行相应动作。电梯电路图如图2.1，S7-300硬件结构图如图2.2所示
图 2.1电梯电路图
图 2.2 S7-300硬件结构图
2.2模拟输入模块接线图
输入模块讲解：
1. 楼层传感器：每层楼都装有传感器，用于检测电梯是否到达该楼层并准确停止。这些传感器的信号被传送到PLC（可编程逻辑控制器）的输入模块，PLC根据这些信号判断电梯的运行状态和方向。
2. 内外呼按钮：乘客在进入电梯前或在电梯内部时，通过按下相应的上行或下行按钮来呼叫电梯或选择目的楼层。这些按钮的信号也被传送到PLC的输入模块，PLC会根据这些信号控制电梯的运行。
3. 复位按键：用于在系统出现故障或需要重新初始化时，将电梯控制系统恢复到初始状态。输入模块如图如图2.3所示
图 2.3模拟输入模块接线图
2.3模拟输出模块接线图
输出模块讲解
1. 电机控制：PLC通过输出模块控制曳引机的正转和反转，实现电梯的上升和下降。同时，PLC还可以根据电梯的负载情况调整电机的运行速度，以确保电梯的平稳运行。
2. 门机控制：PLC通过输出模块控制电梯门的开关。在电梯到达指定楼层并平稳停靠后，PLC会发出开门信号，使电梯门自动打开；在乘客进出完毕后，PLC会发出关门信号，使电梯门自动关闭[^1^]。
3. 楼层显示：PLC通过输出模块在电梯的led显示屏上显示当前楼层和运行方向，方便乘客了解电梯的运行状态。输出模块如图2.4
图 2.4模拟输出模块接线图
2.4电平转化模块
电平转化模块如图2.5，高低电平转换模块电路图如图2.6所示
1.基本原理：信号接收与处理：输入信号首先被电平转换器接收，根据输入信号的高低电平，转换器内部的电路结构（如晶体管、MOSFET等）会相应改变其导通状态，以控制输出端的电流流动和电压水平。驱动与负载配置：通过适当的驱动和负载配置，确保输出信号满足目标系统的逻辑高和逻辑低电平要求。
逻辑门电平转换：使用缓冲器、施密特触发器等逻辑门电路也能实现一定程度的电平转换，但这类方法一般只适用于特定情况，对速度和功耗有一定限制。
图 2.5
图 2.6
3.1 系统流程图
图3.1 程序段设计图图
3.2 控制系统软件设计
PLC 电梯控制系统的关键环节软件设计部分。在进行软件设计时，要本着功能完善、程序设计简单、易读、易改的原则[3][4][5]。利用PLC 的各种指令进一步优化编写的程序，尽可能缩短控制系统程序扫描时间，进而保证电梯运行精度。控制系统设计流程图详情见图3.2。根据电梯的控制指标要求，依次设计出起保停控制的梯形图。
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3.3 电梯系统设计
3.3 电梯上行系统设计
电梯上行系统设计以较难的“电梯上行设计要求⑦”为例（当电梯停于1F时，2F、3F、4F同时呼叫，则上行到2F后，自动开门，延时5秒，自动关门，继续上行到3F后，自动开门，延时5秒，自动关门，继续上行到4F后停止），其他上行设计同理。本文明确使用起保停来控制电梯。
如图4.3所示，启：以电梯在第一层楼同时满足2、3、4楼层同时呼叫，若此时电梯没到4楼并且电梯不在下降，则电梯开始上升；保：通过输出中间寄存器M4.4来保持；停：当电梯到达4楼时自动断开M4.4。
而若要满足在二楼和三楼停靠时的5秒延时，则需要接入两个向上计数的定时器，两个定时器分别有2、3楼的楼层传感器控制通断。如：当电梯停靠在2楼时，定时器开始计数，同时拖动电梯的电机停止工作，等待定时器计满预置值时，电机继续向上运动，而脱离二楼的楼层传感器后，二楼定时器断开，此时停止计数。在三楼的工作原理同二楼。
图3.3 电梯上行要求⑦设计图
3.4 电梯下行系统设计
电梯下行系统设计以较难的“电梯上行设计要求⑦”为例（当电梯停于4F时，3F、2F、1F同时呼叫，则下行到3F后，自动开门，延时5秒，自动关门，继续下行到2F后，自动开门，延时5秒，自动关门，继续下行到1F后停止），其他下行设计同理。
如图3.4所示，启：以电梯在第四层楼同时满足1、2、3楼层同时呼叫，若此时电梯没到1楼并且电梯不在上升状态，则电梯开始下降；保：通过输出中间寄存器外呼按键来保持；停：当电梯到达1楼时自动断开外呼按键。
该设计思路类似于电梯上行系统设计，整个系统都是按照指标，运用起保停来设计的。
图3.4 电梯下行要求⑦设计图
3.5 电梯楼层呼叫上下行显示设计
电梯的上下行显示设计较简单，电梯的电机拖动一共就只有三种运动状况：正转、反转和停止；三种显示状况：上升、下降、无显示。三种运动状况和三种显示状况相对应，只需要将轿厢到达各楼层传感器与轿厢到达各楼层指示灯连接在一起即可，可显示电梯到达各个楼层。设计如图3.5所示。
图3.5 电梯上下行显示设计图
3.6 电梯楼层显示设计
电梯的楼层内呼共有四种显示状况，分别为1、2、3或4。电梯的外呼有6种情况四层外呼请求下按键，三层外呼请求下按键，三层外呼请求上按键，二层外呼请求下按键，二层外呼请求上按键，一层外呼请求上按键，而各楼层中间寄存器和各个楼层的楼层传感器相呼应。如图3.6所示，在设计楼层呼叫按键时，要注意：按键之间不能发生触发冲突。所以在开始阶段必须要严格判定哪一层楼的楼层传感器被触发，必须保证一次只有一个楼层传感器触发。然后将触发所对应的楼层显示出来，同时需要用该中间寄存器的输出来保持，使其能持续输出，一直到触发了下一层楼的楼层传感器才改变状况。
图3.6 电梯楼层内外呼按键设计图
3.7 电梯复位设计
由于电梯在启动时，可能会出现桥箱未压在楼层传感器上，或者因为重力等因素导致桥箱轻微滑落，使楼层传感器断开。所以我们务必要设计一个复位停靠系统来保证电梯的运行安全。复位按键S1按下时，电梯一层指示灯亮起，其他楼层指示灯电路断开，电梯下降到一层，方便人员安全撤离，设计如图3.7所示。
图3.7 电梯复位设计图
3.8 电梯开关门设计
通常电梯在各个楼层的正常停靠时间为5s，加上电梯开关门或者其他的外来因素，电梯在一层的停靠时间也在8s左右。设置两个计数器设置开门设计为1秒，关门时间为0.5秒，设置M4.5作为开门中间寄存器，当开门Q4.4接通，T2计数器开始计数，计数值满预设值Q4.5接通，开始计数，0.5秒后置零，为了保证电梯的正常运行，如图3.8所示，由于四个楼层传感器在同一时刻只能有触发一个，且一旦电梯发生移动，则对应闭合的楼层传感器瞬间断开。
图3.8 电梯开关门设计图
4.调试与运行
4.1 上行系统测试
在系统测试中，我们基于TIA Portal V19软件对电梯的上下行系统进行了全面而细致的检验。为了确保测试结果的准确性与可靠性，对于不同的功能模块采用了不同的抽样策略：针对电梯的上行和下行运行机制，我们选择了随机触发的方式进行测试，并从中抽取了4组数据作为样本进行深入分析；而对于显示、停靠以及故障处理等关键性能指标，则采取了更为谨慎的态度，仅选取了2组案例来进行专门研究。所有测试过程中收集到的信息都被详细记录在表格之中，以便于后续分析使用。
具体来说，在对电梯上行功能的测试环节里，根据事先设定好的方案，我们从实际应用场景出发，挑选了几组具有代表性的楼层组合来进行模拟操作。这些组合包括：第一组是从一楼直接前往二楼；第二组同样从一楼出发但目的地设为三楼；第三组则是先从一楼上升到四楼再下降至二楼；最后一组是从一楼直达四楼。通过这样的设置，可以全面覆盖到电梯在不同负载条件下的表现情况。
经过一系列严格的测试后发现，无论是从速度控制还是稳定性角度来看，所选样本均达到了预期标准，表明当前配置下的抽样检测模块工作正常，能够准确反映整个系统的实际运作状况。因此可以得出结论，该电梯系统的上行功能处于良好状态，能够满足日常使用需求。同时，这也为后续可能遇到的问题排查提供了宝贵的参考依据。电梯从一楼开始上行的状态如图5.1所示，电梯上行到达四楼的状态如图5.1，5.2所示
图 4.1上行开始状态 图 4.2上行到达四楼状态
4.2 下行系统测试
上行测试抽取分别为电梯停靠四楼（两组）、三楼和二楼，呼叫楼层分别是三楼二楼、三楼二楼一楼、二楼、一楼；电梯运行顺序如表5.2所示，从系统效果上来看，抽样检测模块合格，下行功能正常运行。在对电梯下行功能的测试环节里，根据事先设定好的方案，我们从实际应用场景出发，挑选了几组具有代表性的楼层组合来进行模拟操作。这些组合包括：第一组是从四楼直接前往三楼（两组）；第二组是从四楼下降到二楼；第三组则是从四楼下降到一楼；最后一组是从三楼下降到一楼。通过这样的设置，可以全面覆盖到电梯在不同负载条件下的表现情况。经过一系列严格的测试后发现，无论是从速度控制还是稳定性角度来看，所选样本均达到了预期标准，表明当前配置下的抽样检测模块工作正常，能够准确反映整个系统的实际运作状况。电梯在四楼状态图如图4.3所示，电梯下降至3层，2层，1层的状态图分别如图4.4，图4.5，图4.6所示
4.3 上下行显示系统测试
电梯上下行系统验证较简单，一共两个显示状态，对电梯的运行状况分别置位和复位即可。测试结果。可看出模块合格，上下行显示功能正常运行。电梯上行图如图4.7，电梯下行图如图4.8所示
4.4 系统复位测试
在本次系统测试中，我们特别设计了一项简便而高效的验证方法，旨在确保电梯复位功能的可靠性与便捷性。具体操作步骤如下：当电梯处于运行状态，无论其当前位于哪一层，只需轻按位于控制面板上的复位按键S1，电梯便应立即响应，自动启动下降程序，直至平稳抵达一楼并完成开门动作。这一过程不仅简化了测试流程，也模拟了实际使用场景中可能出现的紧急复位需求，从而全面评估电梯系统的应急处理能力。
测试实施过程中，我们多次重复该操作，覆盖了电梯在不同楼层、不同运行状态下的复位响应情况，以确保结果的准确性和一致性。通过仔细观察电梯的下降过程、速度控制、以及最终在一楼的停靠与开关门动作，我们综合评判其性能表现。
测试结果表明，每当复位按键S1被按下后，电梯均能迅速且平稳地下降至一楼，并在到达后准确执行开关门操作，无异常停顿或错误行为发生。这充分证明了电梯的复位功能设计合理，执行高效，能够在需要时迅速将电梯引导至初始位置，为乘客提供安全便捷的使用体验。同时，该测试也进一步验证了电梯控制系统的稳定性和可靠性，为电梯的日常运行和维护提供了有力的保障。如图4.9所示
图 4.9复位状态图
4.5调试中的问题与解决
本系统测试时遇到信号传输有误，导致电梯无法正常上升，经过检查发现是电平转换器出现故障，更换另外的转化模块即可解决问题。例如一楼指示灯DD1,表示轿厢原停楼层一,按S11,即I1.5接通一下,则DD3接通,三层指示灯亮,DX1接通,表示电梯上升。
1、电梯在一、二、三、四层分别设置一个中间状态寄存器,在轿厢内设置四个楼层内选按钮。在行程开关M4.1、M4.2、M4.3、M4.4都断开的情况下,呼叫不起作用。
为了增强系统的稳定性和可靠性，我们还对电梯的控制系统进行了进一步的优化。例如，在一至四层各设置了一个中间状态寄存器，用于记录轿厢的原停楼层信息，并在轿厢内配置了四个楼层内选按钮，以便乘客直接选择目的楼层。通过及时发现并解决电平转换器的故障，不仅恢复了电梯的正常功能，还借此机会对系统进行了升级和完善，提高了整个电梯控制系统的安全性和响应效率。
四层教学电梯系统实现的功能：楼层选择与显示：1.乘客在轿厢内或厅外选择目的楼层后，系统能够准确登记并显示目标楼层，误差在允许范围内。2. 开关门控制：电梯到达指定楼层后，门控系统能够迅速响应并完成开关门动作，开关门时间符合设计要求。3. 运行方向控制：系统根据乘客选择自动判断电梯上行或下行方向，并按最优路径运行，减少了能耗和时间。四层教学电梯系统在各类院校的实践教学中得到广泛的利用，它可以作为电气及楼宇自动化等专业的PLC、变频器相关课程的实践教学平台。利用工控组态软件实现PLC与上位计算机通信的方法简单易行，尽管本次设计的四层电梯控制系统已经取得了预期效果，但仍有一些领域可以进一步优化和改进：扩展功能：目前系统主要实现了基本的楼层选择、开关门控制和运行方向判断等功能。未来可以引入更多智能控制算法，如模糊控制和神经网络，以进一步提高系统的响应速度和决策精度。此外，可以考虑增加语音提示和远程监控功能，为用户提供更加人性化的服务。
PLC课程设计结束了,从中受益颇多。很感激老师的辛勤指导,我们要充分利用身边的资源熟悉基本电路,了解设计的原理及其设计步骤,熟悉PLC的类型及其编程软件。设计程序是一个漫长的过程,需要我们静下心来坚持下去。结合所学的课程,配合各种控制手段的应用,力求实现题目的控制要求,经历了一个从课题的理解,构思,程序的编辑,硬件连接到调试成功。在本次课程设计中,感谢老师对我们的严格要求,使我们学到了很多实用的知识。
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