基于PLC的电梯控制系统设计课程报告

基于PLC的电梯控制系统设计课程报告摘要本报告旨在阐述基于可编程逻辑控制器（PLC）的电梯控制系统设计过程与实现方法。电梯作为现代建筑不可或缺的垂直运输工具，其控制系统的稳定性、安全性与高效性至关重要。PLC以其高可靠性、强抗干扰能力、灵活的编程方式及易于维护等特点，已成为电梯控制领域的主流控制核心。本设计围绕电梯的基本控制需求，从系统总体方案规划、硬件选型与电路设计、软件逻辑编制到系统调试等环节进行了详细论述，最终实现了电梯的自动呼梯响应、轿厢选层、定向运行、自动开关门及基本安全保护等功能。通过本次设计，不仅加深了对PLC工作原理及应用技术的理解，也为实际工程应用提供了一定的参考价值。目录1.引言2.系统总体方案设计2.1控制需求分析2.2总体设计思路3.硬件选型与设计3.1PLC型号选择3.2输入/输出设备选型3.3I/O地址分配3.4主电路与控制电路设计4.软件设计4.1软件设计思路4.2主程序流程图4.3各功能模块设计4.3.1呼梯信号处理模块4.3.2轿厢内选信号处理模块4.3.3定向与选层逻辑模块4.3.4运行控制模块4.3.5开关门控制模块4.3.6安全保护模块5.系统调试与结果分析5.1调试步骤5.2调试结果与分析6.结论与展望7.参考文献1.引言随着城市化进程的加速和高层建筑的普及，电梯已成为人们日常生活和工作中不可或缺的交通工具。电梯控制系统作为电梯的“大脑”，其性能直接关系到电梯的运行效率、乘坐舒适性以及最重要的安全性。传统的电梯控制方式如继电器控制，存在着触点多、可靠性差、故障率高、维护困难、能耗大等固有缺点，已难以满足现代电梯的控制要求。可编程逻辑控制器（PLC）是一种专门为工业环境设计的数字运算操作电子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。将PLC应用于电梯控制，能够有效克服传统继电器控制的诸多弊端，显著提升电梯系统的可靠性、灵活性和智能化水平，同时降低维护成本。本课程报告基于某教学用或小型办公楼的模拟电梯模型，深入探讨了以PLC为控制核心的电梯控制系统设计。报告将系统地介绍从需求分析、方案设计、硬件选型、软件编程到系统调试的完整过程，力求为相关领域的学习和实践提供有益的参考。2.系统总体方案设计2.1控制需求分析本次设计的电梯系统为模拟某三层或四层建筑的电梯（具体层数可根据教学或设计要求设定，此处以四层为例进行阐述），其基本控制需求如下：1.呼梯与选层功能：各楼层候梯厅设有上行和下行呼梯按钮（顶层仅设下行，底层仅设上行），轿厢内设有各楼层选层按钮。当乘客按下呼梯或选层按钮时，对应的指示灯应点亮，表示信号已被登记；当电梯响应该信号后，指示灯熄灭。2.定向功能：电梯应能根据当前轿厢位置、运行方向以及已登记的呼梯和选层信号，自动确定其下一步的运行方向（上行、下行或停止）。3.自动运行与停靠功能：电梯在接收到有效信号后，应能自动按最优路径（通常为顺向优先）运行至目标楼层，并准确停靠。停靠时，轿厢地坎应与楼层地坎对齐。4.自动开关门功能：电梯到达目标楼层并停稳后，应能自动打开轿厢门和层门（模拟）；开门一段时间后（可设定，如3秒），自动关闭轿厢门和层门。若在门关闭过程中检测到障碍物（或通过开门按钮），门应能重新打开。5.指层功能：轿厢内及各楼层候梯厅应设有楼层指示灯，指示当前轿厢所在楼层位置。6.安全保护功能：*电梯运行过程中，若门未关好，电梯不能启动或立即停止。*设有极限开关保护，防止电梯冲顶或蹲底。*（可选）设有超载保护，超载时电梯不启动并发出报警信号。7.手动/自动切换功能：（可选）系统可设置手动模式，用于检修或特殊情况。2.2总体设计思路基于上述控制需求，本电梯控制系统采用以PLC为核心的控制方案。系统总体结构主要由以下几个部分组成：1.信号输入部分：包括各楼层呼梯按钮、轿厢内选层按钮、开门按钮、关门按钮、门区传感器（平层开关）、上/下限位开关、门联锁开关等。这些装置将外部操作指令和状态信号转换为PLC可识别的数字量输入信号。2.控制核心部分：即PLC。它接收来自输入部分的各种信号，根据预先编制的控制程序进行逻辑运算和判断，然后向输出部分发出相应的控制指令。3.驱动与执行部分：包括用于控制轿厢升降的曳引电机及其驱动装置（模拟或实际）、用于控制开关门的门电机及其驱动装置（模拟或实际）。PLC通过控制继电器或直接驱动模块来控制这些执行机构。4.信号输出与指示部分：包括轿厢内及各楼层的呼梯、选层指示灯，楼层位置指示灯，运行方向指示灯，以及蜂鸣器（用于报警或提示）等。PLC通过输出模块控制这些装置的状态。系统工作流程简述：当某一楼层的呼梯按钮或轿厢内的选层按钮被按下，对应的信号被送入PLC。PLC根据内部程序对这些信号进行处理，结合当前轿厢位置和运行状态，确定运行方向和目标楼层。随后，PLC发出控制指令，驱动曳引电机带动轿厢向目标楼层运行。在运行过程中，通过位置传感器实时检测轿厢位置，并更新楼层指示。当轿厢接近目标楼层时，PLC控制电梯减速，到达目标楼层后停稳，然后控制门电机执行开门动作。延时一段时间后，再执行关门动作，准备响应下一个信号。3.硬件选型与设计硬件系统是电梯控制的物理基础，其选型是否恰当直接影响系统的性能、成本和可靠性。3.1PLC型号选择PLC的选型主要考虑I/O点数需求、存储容量、指令系统、工作环境以及性价比等因素。对于本设计的四层电梯模型，其I/O信号数量估算如下：*输入信号：*层站呼梯按钮：4层，每层2个（上、下），但顶层无上，底层无下，共3+3=6个。*轿厢内选层按钮：4个。*轿厢开门按钮：1个。*轿厢关门按钮：1个。*楼层位置检测（平层）开关：4个（每层一个）。*上限位开关：1个。*下限位开关：1个。*门联锁开关（模拟门是否关好）：1个。*（可选）安全触板/光幕信号：1个。*（可选）超载信号：1个。*（可选）手动/自动切换开关：1个。总计输入点数约为6+4+1+1+4+1+1+1=19个（未包含可选部分）。*输出信号：*层站呼梯指示灯：与呼梯按钮对应，6个。*轿厢内选层指示灯：4个。*楼层位置指示灯：4个（或每层2个方向+楼层数，此处简化为轿厢内1个七段数码管或4个楼层灯，层站各1个楼层灯）。若轿厢内和各层站均有楼层指示（假设每层站1个楼层灯，共4个；轿厢内1个七段数码管需7个输出或4个楼层灯），此项按4（层站）+4（轿厢内楼层灯）=8个估算。*运行方向指示灯（上、下）：轿厢内及各层站，此处简化为轿厢内2个，层站各2个共8个，总计约10个。（实际设计中可简化，如仅在轿厢内和各层站显示当前运行方向）。*曳引电机上行控制：1个。*曳引电机下行控制：1个。*门电机开门控制：1个。*门电机关门控制：1个。*（可选）蜂鸣器报警：1个。总计输出点数约为6+4+8+2+1+1+1+1=24个（简化估算，实际可根据指示方式优化）。考虑到预留一定的I/O余量（通常为10%-20%）以及PLC的经济性和教学通用性，选用某主流品牌的小型一体化PLC即可满足需求。例如，选用具有14个输入点和10个输出点的基本单元，并根据需要扩展一个I/O模块，或直接选用一款具有24点输入/16点输出（或相近点数）的PLC主机。具体型号选择上，应优先考虑学校实验室或市场上较为常见、资料丰富、编程软件易用的型号。本设计中，假设选用了某品牌的FX系列PLC（具体型号因涉及数字，此处从略，实际设计时需明确），其晶体管输出类型适用于控制小型继电器或指示灯。3.2外围设备选型1.按钮：呼梯按钮、选层按钮、开门按钮、关门按钮均选用带指示灯的自复位式按钮。指示灯颜色通常为绿色或黄色。2.传感器/开关：*平层传感器：用于检测轿厢是否到达某楼层平层位置。可选用光电传感器（对射式或反射式）配合安装在井道或轿厢上的挡光板，或选用磁性开关配合隔磁板。*限位开关：上/下极限保护开关，选用非自复位式的行程开关。*门联锁开关：模拟门是否关闭到位，可选用微动开关或磁性接近开关。3.指示灯：楼层指示灯、运行方向指示灯，选用LED指示灯，颜色清晰醒目（如红色表示上行，绿色表示下行，黄色指示楼层）。4.电机及驱动：*曳引电机：对于模拟电梯模型，可选用小型直流减速电机或步进电机。若为实物模型且载重较小，也可考虑使用带减速器的单相异步电机配合电磁制动。*门电机：选用小型直流电机或步进电机，实现门的平滑开关。*驱动模块：根据所选电机类型，配置相应的电机驱动模块（如L298N、ULN2003等用于直流电机，或专用步进电机驱动器）。PLC输出信号通过控制驱动模块来控制电机的启停和转向。5.电源：为PLC、传感器、指示灯、控制电路等提供稳定的直流电源（如DC24V），为电机提供相应的工作电源。6.继电器：当PLC输出点容量不足以直接驱动某些执行元件（如电机的接触器线圈）时，需通过中间继电器进行功率放大。7.轿厢与导轨：（针对实物模型）用于模拟轿厢的升降运动。3.3I/O地址分配根据选定的PLC型号和估算的I/O点数，进行详细的I/O地址分配是软件编程的基础。以下为一个典型的I/O地址分配表（具体地址需根据所选PLC型号的实际地址编排规则确定）：输入信号（X）地址分配表：序号信号名称PLC输入地址备注:---:---------------:----------:---------------------------------1一层上行呼梯按钮X0底层无上，此处为二层上行2二层上行呼梯按钮X13二层下行呼梯按钮X24三层上行呼梯按钮X35三层下行呼梯按钮X46四层下行呼梯按钮X5顶层无上行7轿厢内一层选层按钮X108轿厢内二层选层按钮X119轿厢内三层选层按钮X1210轿厢内四层选层按钮X1311轿厢开门按钮X1412轿厢关门按钮X1513一层平层开关X2014二层平层开关X2115三层平层开关X2216四层平层开关X2317上限位开关X2418下限位开关X2519门联锁开关X26门关闭时接通输出信号（Y）地址分配表：序号信号名称PLC输出地址备注:---:-----------------:----------:---------------------------------1二层上行呼梯指示灯Y0对应X12二层下行呼梯指示灯Y1对应X23三层上行呼梯指示灯Y2对应X34三层下行呼梯指示灯Y3对应X45四层下行呼梯指示灯Y4对应X56一层呼梯指示灯Y5对应X0（一层下行呼梯，即二层上行）7轿厢内一层选层指示灯Y10对应X108轿厢内二层选层指示灯Y11对应X119轿厢内三层选层指示灯Y12对应X1210轿厢内四层选层指示灯Y13对应X1311一层楼层指示灯Y1412二层楼层指示灯Y1513三层楼层指示灯Y1614四层楼层指示灯Y1715上行方向指示灯Y2016下行方向指示灯Y2117曳引电机上行控制Y22控制电机正转18曳引电机下行控制Y23控制电机反转19门电机开门控制Y2420门电机关门控制Y2521蜂鸣器报警Y26（可选）*(注：以上地址