2.1 模型总体描述
根据设计要求，一个三层电梯控制系统的控制要求如下：
1．电梯停在一层，数码管显示“1”，一层指示灯亮。
（1）当二层内指令按钮、二层向上召唤按钮和二层向下召唤按钮至少一个被按下时，相应的指令指示灯亮，轿厢上升，上升指示灯亮，到达二层轿厢停，上升指示灯灭，二层指示灯亮，数码管显示“2”。
（3）当三层内指令按钮和三层向下召唤按钮至少一个被按下时，相应的指令指示灯亮，轿厢上升，上升指示灯亮，到达三层轿厢停，上升指示灯灭，三层指示灯亮，数码管显示“3”。
（4）当二层内指令按钮、二层向上召唤按钮和二层向下召唤按钮至少一个被按下，同时三层内指令按钮和三层向下召唤按钮也有至少一个被按下时，轿厢在二层停下，上升指示灯灭，二层指示灯亮，数码管显示“2”，然后继续上升到三层停，上升指示灯灭，三层指示灯亮，数码管显示“3”。
2．电梯停在二层，二层显示灯亮，数码管显示“2”。
（1）当一层内指令按钮和一层向上召唤按钮至少一个被按下时，轿厢下降到一层停。
（2）当三层内指令按钮和三层向上召唤按钮至少一个被按下时，轿厢上升到三层停。
（3）当三层内指令按钮和三层向上召唤按钮至少一个被按下，后又有一层内指令按钮和一层向上召唤至少一个被按下时，轿厢先上升到三层停，后下降到一层停。
（4）当一层内指令按钮和一层向上召唤按钮至少一个被按下，后又有三层内指令按钮和三层向上召唤按钮至少一个被按下时，轿厢先下降到一层停，后上升到三层停。
3．电梯停在三层，数码管显示“3”，三层显示灯亮。
（1）当一层内指令按钮和一层向上召唤按钮至少一个被按下时，轿厢下降到一层停。
（2）当二层内指令按钮、二层向上召唤按钮和二层向下召唤至少一个被按下时，轿厢下降到二层停。
（3）当二层内指令按钮、二层向下召唤和二层向上召唤按钮至少一个被按下，又有一层内指令按钮和一层向上召唤按钮至少一个被按下时，轿厢先下降到二层停，后下降到一层停。
2.2 模型总体要求
系统应具备下列几项功能：
（1）自动响应楼层召唤信号(含上召唤和下召唤)。
（2）自动响应轿厢指令信号。
（3）自动完成轿厢层楼位置数码显示。
（4）自动显示电梯运行方向。
（5）楼层召唤信号灯以及轿厢指令信号灯显示楼层召唤信号。
2.3 模型控制系统总体框图
图 2-1电梯模型控制框图
图2-1所示模型系统总体框图。呼叫指令系统包括一层向上召唤按钮、二层向上召唤按钮、二层向下召唤按钮、三层向下召唤按钮、一层内指令按钮、二层内指令按钮和三层内指令按钮。轿厢运行驱动系统包括控制电机正反转H桥电路。显示系统包括一层向上召唤指示灯、二层向上召唤指示灯、二层向下召唤指示灯、三层向下召唤指示灯、一层内指令指示灯、二层内指令指示灯、三层内指令指示灯、一层指示灯、二层指示灯、三层指示灯和用于楼层显示的七段数码管以及其附属的相关译码电路。电梯模型控制的核心是PLC控制系统，在其输入部分接入呼叫指令系统，输出要控制轿厢运行以及显示系统。当有呼叫指令发出时，PLC响应，控制相应的指令指示灯亮，电机正反转，轿厢启停和上升下降显示，楼层显示。每当呼叫指令信号一发出，PLC都响应并动作于轿厢运行驱动系统和显示系统，从而达到自动控制的目的。
电梯模型的呼叫控制按键如图2-2。
图 2-2 电梯控制按键图
3 电梯模型硬件设计
课题要求设计一个完整的电梯模型，其中包括支架，轿厢，电机控制部分以及显示部分，控制按键部分。
3.1 控制直流电机正反转
要实现电梯的上升和下降，控制电机正反转是核心，本模型拟使用一个减速直流电机，因此提出了下面两种方案：
（1）直接利用继电器通断来控制直流电机正转和反转。
（2）使用H桥来控制。
使用（1）的方案，电路简单，但是操作复杂，极不容易控制。而H桥正好可以避免了这种情况，结合PLC的特性以及编程思路，设计H桥电路如图3-1所示。
图 3-1 H桥电机控制的电路
如图3-1所示，因使用的PLC电源电压为24V，故PL1和PL2使用24V的继电器，用PLC输出口Y0和Y1分别来控制两个继电器的线圈，编程Y0和Y1的通断来实现电机的正转和反转。值得注意的是，H桥中的继电器使用常闭触点是基于所使用的PLC是负逻辑。
3.2 利用霍尔传感器作限位开关
要想实现电梯的自动控制，每层的限位开关是及其重要的一环。霍尔传感器可以对磁场进行简单的测定，而且操作简单，应用广泛。在一定范围内，当霍尔传感器周围的磁场变化时，其输出端（3角）由高电平变为低电平。其控制电路如图3-2所示。
图 3-2 传感器控制电路
注意：霍尔传感器输出电平信号为12V，而PLC对于小于13V的信号都认为是低电平，故需要对输出信号进行电平转换，拟使用74LS07转换并上拉后分别接到PLC输入口X0，X1和X2，分别表示一层，二层和三层的限位开关。
3.3 模型显示部分
利用4511译码，并用PLC控制（Y7和Y17通断）显示楼层。
图3-3 数码管显示电路
一层指示灯、二层指示灯和三层指示灯以及上升，下降都用发光二极管模拟，特别要注意的是：PLC输出要使用上拉电阻，并且适合限流电阻的使用对二极管的保护具有重要意义。
3.4 总体模型
将控制电机正反转部分、用霍尔传感器作限位开关部分、数码管显示部分、指令和楼层显示部分都和支架相连接，完成电梯模型的硬件部分设计。总体模型图见附录A，按键控制部分见附录B。
4 电梯模型软件设计
模型的控制基于PLC编程，故软件设计是本模型设计的重点，并应特别PLC的负逻辑特性。
4.1 可编程控制器（PLC）工作原理
PLC以循环扫描的方式工作。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段， PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段， PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
（3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后， PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
4.2 PLC选型及输入、输出地址分配
三层电梯模型有10个输入信号，16个输出信号，使用三菱FX1N-40MR PLC。输入信号及地址分配参见表4.1。
表 4.1 输入信号及地址分配
名称 符号 输入点
一层限位开关 SQ1 X000
二层限位开关 SQ2 X001
三层限位开关 SQ3 X002
一层向上召唤按钮 SB1 X003
二层向上召唤按钮 SB2 X004
二层向下召唤按钮 SB3 X005
三层向下召唤按钮 SB4 X006
一层内指令按钮 SB5 X010
二层内指令按钮 SB6 X011
三层内指令按钮 SB7 X012
输出信号及地址分配参见表4.2。
表4.2输出信号及地址分配
名称 符号 输出点
电机上升继电器 KM1 Y000
电机下降继电器 KM2 Y001
上行方向灯 E1 Y002
下行方向灯 E2 Y003
一层指示灯 E3 Y004
二层指示灯 E4 Y005
三层指示灯 E5 Y006
七段译码A0 A0 Y007
一层向上召唤灯 E6 Y010
二层向上召唤灯 E7 Y011
二层向下召唤灯 E8 Y012
三层向下召唤灯 E9 Y013
一层内指令指示灯 E10 Y014
二层内指令指示灯 E11 Y015
三层内指令指示灯 E12 Y016
七段译码A1 A1 Y017