摘要：电梯教学模型是一种模拟电梯操作的体验装置，主要用于电梯相关专业的教学和培训。它是采用虚拟现实或者物理模型等方式，模拟真实电梯的结构和运行情况，提供实验测试平台以便进行实际演示和操作。最大化激发学生的学习兴趣和实践动手能力。模型使用PLC为主控，通过外加输入及输出设备实现教师发布控制问题要求，学生可根据本模型进行后续开发。
0引言
随着城市化进程的加速，电梯的应用范围越来越广泛，对电梯操作和管理人员的需求也越来越大。电梯教学模型可以解决电梯操作和管理人员实操的难点问题，可以有效提高电梯操作和管理人员的安全操作意识、应急响应能力和处理技能，同时减少了真实电梯操作中的风险。这对于保障人员的安全更有保障。电梯教学模型可以更好的融入虚拟现实技术，提供更加真实的操作体验。这将为电梯操作和管理人员的培训提供更高效、更安全、更真实的学习环境和平台。因此，PLC课程的实践教学是一个必不可少的重要内容，为满足实验教学的需求，研制了一种PLC控制的电梯实验模型。
1模型总体方案设计
本文设计的电梯教具模型设计包括电梯模型、控制系统、数据传输等内容。具体方案如下：
（1）电梯轿厢设计
电梯轿厢是模型最核心的部分，它的设计需要考虑承重、尺寸等因素，以适应电梯模型的设计需求。同时，轿厢需要有清晰的面板，用于显示位置、温度、亮度等实时信息。还需要设置控制开关和按钮，给学生进行交互式学习和控制提供基本保障。
（2）电梯门设计
电梯门的设计需求包括门体设计和门的开关机构。门体应该是坚固耐用、轻盈美观且不碍事的。门的开关机构应该类似真实的电梯门，有门闩和门体互锁等控制，具有安全可靠性。
（3）控制器设计
选用可编程控制器（PLC）或其他控制器进行设计。控制器的作用是监测电梯状态并控制它的行动。控制器具备实时监测电梯状态、检查故障，同时还会进行相关处理，例如打开和关闭电梯门、启动和停止电梯等。
（4）数据传输
电梯教学模型需要对系统进行数据采集，以便进行数据分析、监控和评估。在此过程中，可以使用传感器来进行数据采集，并通过网络或电缆进行数据的传输与存储。
综合上述内容，可以建立一套系统完整、功能齐全、操作简便的电梯教学模型。在实际应用中，还可以根据实际情况进行必要的定制操作。该模型可以用于学生实际操作演练、旁观者的操作教学和电梯管理的应急演练等方面。
2硬件电路设计
主控部分由PLC控制、接入PLC电路有：电源、轿厢操控、楼层检查、轿厢开关门、楼层显示、和报警电路，PLC控制器负责控制电梯的上下运行、门的开关等动作，同时对电梯的各种状态进行监测和保护。人机界面用于操作和监控电梯的运行情况，传感器则用于感知电梯的运行状态和周围环境的变化。系统总体框架如图1所示。
图1系统总体框架图2.1控制器设计
电梯教学模型控制器是电梯教学模型的核心部件，用于控制电梯的运行、监测、维护和管理等重要功能。在选择适合的控制器时，需要考虑多个因素。因此选择一款可靠的控制器至关重要，因为电梯是人们日常生活中不可或缺的交通工具和公共设施，很关键的一点就是要确保电梯的安全。因此，控制器必须具有较高的安全性，同时也需要有纠错和备份机制，以确保在故障和紧急情况下的安全性。还要考虑电梯教学模型需要对实时数据进行监测和分析，因此需要选择一款具有强大的数据处理和传输能力的控制器。控制器需要能够灵活处理高速数据流，并且具有数据传输和转换能力，以便更好满足电梯教学模型在应用上的需求。因此采用三菱FX3U-48MPLC作为电梯的控制器。该PLC采用高性能的RISC处理器，计算速度更快，改进了原有PLC的运行速度，支持更多的I/O点和更复杂的控制系统。控制器如图2所示。
图2三菱FX3U-48MPLC图2.2传感器设计
要利用传感器对电梯模型的状态进行监测和处理，以便在教学软件平台上实时显示电梯的状态。例如，当前电梯门是否打开、电梯在第几层等，就要用到传感器进行检测，本设计采用BUP-30SU接近开关传感器作为电梯门和楼层检测传感器，如图3所示，采用E3F-20L激光对射光电传感器作为电梯门关闭传感器，如图4所示。从而实时获取电梯状态的数据，反馈给控制器，并将数据传输给教学平台。
图3BUP-30SU接近开关传感器图图4E3F-20L激光对射光电传感器2.3楼层显示电路设计
楼层显示电路是一种将电梯当前所在楼层（也就是电梯在模型中的实际高度）显示在电梯门口的数字显示器上的电路。这种电路可以从教学的角度更好地保护电梯操作员的安全，同时帮助他们实时了解电梯的位置，进一步提高电梯的实用性。楼层显示电路由显示模块和控制模块两部分组成。显示模块包括数码管和LED灯，可以显示当前电梯所在的楼层；控制模块包括驱动芯片、显示寄存器、按键和端口等组件，用于驱动和控制数码管或LED灯的显隐。
PLC需要对物理信号进行处理，才能将楼层信息转换为数字信号。在电梯模型上，采用光电传感器，将电梯位于模型中的位置转换成数字信号，以便传输到电路板中。但是PLC输出的是24V的电压信号，所以楼层显示电路需要进行降压处理，以确保正常的操作。同时为了保护显示器、驱动芯片、控制模块等核心部件，必须为电路设计合适的过载保护装置。楼层显示电路原理如图5所示。
图5楼层显示电路原理图2.4控制器电源设计
一个稳定可靠的电源模块是PLC和传感器能够顺利运行的前提。如果供电电源波动大不稳定，可能会导致PLC、传感器等硬件无法正常运行，甚至出现损坏，导致电梯模型出现异常。电源模块，需要考虑到电压、电流、稳定性、过载保护、过压保护、短路保护等功能，以保证系统的稳定性和可靠性。因此采用24V20AS--24电源模块，有模块内置SMI滤波短路保护，过载保护等功能，抗干扰性能好，功率足，转换效率高等优点，能够很好的满足PLC和各传感器的供电需求。
2.5电机驱动设计
电机驱动电路负责驱动轿厢门的电机运动和开合操作，它应该是一个稳定、可靠和安全的电路系统，能够精准控制门的开闭和速度等参数。还需要考虑电机应该选择具有足够扭矩和速度的电机，以满足电梯门开闭所需的需求和可安装限高信号和限制急停开关，以保证电梯轿厢运行的安全性和可靠性。
电机驱动设计需要将模型教具、电路控制和电机驱动统一起来。应充分考虑混合运动情况下的稳定性、地基承载能力等要求，以确保电机的正常使用。
2.6电梯门电路设计
电梯门开关电路用于检测门的开闭状态，即门的位置反馈信号。它应该是一个稳定、可靠和安全的电路系统，能够精准控制门的开闭和位置。
门锁电路：门锁电路应该保证门的安全性和可靠性。门锁电路可以实现在门关闭后自动锁定，避免人员误操作导致事故的发生。
门闩电路：门闩电路是一个关键的部分，它将受到电梯门的运行控制，必须实现门闩的位置检测和门闩电流控制，以确保门闩的安全性能。
电梯开关门最大（极限）位置限位电路：电梯平层时开关门由直流电机拖动，正转对应开门，反正对应关门，为防止程序控制开关门到达指定位置未能停止，运行至设置在电梯门极限位置限位开关就会动作使外部电机停止运行。左（右）侧门均设置最大位置限位开关，当程序未能及时停止开关门，到达最大位置限位开关，通过外部电路设计自动停止开关门动作，从而达到保护设备的作用，还有简化正反转功能，两个继电器应用实现正反设计以减少PLC输出口的占用问题。电梯开关门电路原理图如图6所示。
电梯上下最大（极限）限位电路：电路与图6一致，上下均设置最大限位开关，电梯上下运行到达最底层或最上层平层检测传感器还未及时停止冲出到上行最大限位开关通过外部电路立即停止运行，即不能再向下运行，向下也是同理，该用于保护设备。
图6电梯开关门电路原理图3软件设计
3.1控制器编程语言
PLC是一种专门用于工业自动化的可编程逻辑控制器，主要用于控制机器和自动化系统中的运行。PLC编程语言主要有以下几种梯形图语言、指令表语言、功能模块图语言、顺序功能流程图语言及结构化文本语言，其中梯形图语言和功能模块图语言用的比较多。梯形图具有直观性、形象性及实用性，与电气操作原理图相对应；梯形图程序与继电器控制系统相相似，电气从业人员易于掌握；梯形图使用的继电器是由软元件来完成的，使用和修改较为灵敏方便，对于学生先学习用梯形图语言进行编程。但是梯形图在复杂程序中相对更难使用。
3.2控制器工作方式
PLC在进入RUN状态之后，PLC采用循环扫描方式工作，PLC主要通过输入处理、程序执行、输出处理、错误诊断和通讯接口等方法，单元和设备控制和通讯，以实现复杂的控制任务。如下所示：
（1）输入处理阶段
PLC首先从外部传感器和触发器获取输入信号，并将其转换成数字信号供PLC处理。然后，PLC将这些信号分类和分组，形成逻辑输入信号，即时刻检测输入状态，随时准备对这些数据进行处理。
（2）程序执行阶段
PLC的程序会根据输入数据，执行预先编写好的程序逻辑，判断输入信号的状态，执行开关等电气动作，调整外部控制器的工作状态等操作。程序执行中会依次处理输入信号的状态，进行逻辑处理和控制输出信号状态。
（3）输出处理阶段
当PLC以逻辑方式执行完程序后，内部将根据处理结果控制输出信号，以控制外部设备，例如电机、灯光和其他设备的状态。
（4）错误诊断与处理
PLC工作时，如果有任何一个组件出现故障，系统就会自动诊断这种故障并报警。诊断系统会对具体的故障信息进行分类和分析，并提供相关原因诊断和处理策略，以便及时修复故障。
（5）通讯接口
PLC的通讯接口用于实现与外部设备或其他PLC单元之间的数据传输。它通常可以支持不同的通讯协议和接口，如ModbusTCP等。
3.3软件设计思路
电梯教学模型软件设计需要考虑多个要素，包括模拟电梯运行、楼层选择、运行状态监测、故障检测与处理、实时数据显示、交互式操作和多媒体显示等方面。电梯教学模型软件设计应以真实生动的电梯运行为蓝本，通过虚拟仿真的方式实现模拟电梯的所有操作和运行状态，并使用教学平台来实现教学和管理。其中操作设计最关键，包括电梯运行的模拟、楼层选择的实现、运行状态监测、故障检测与处理等，同时在人机交互、模型控制、特殊算法、性能分析和可拓展性等方面需要考虑周全，为此集成不同专业领域的知识和技术，以确保实际应用效果的最大化。
3.4程序编写
电梯教学程序编写需要定制不同特性的方案和程序，流程图如图7所示，程序流程如下所示：
（1）初始化阶段
启动电梯控制系统，包括电梯控制器、电梯门、电梯轿厢，进行初始化参数设置和数据存储。
（2）位置控制阶段
通过编程设置，控制电梯轿厢的上升和下降运动，并且位置的控制和读取处理。可以使用计数器实现位置计算，并用开关控制单层停靠操作。注意，能够满足安全要求的位置控制是电梯教学模型优秀的运作之一。
（3）状态监控阶段
通过编程读取和监控电梯的状态，例如轿厢的位置，电梯的运行状态，开关的位置、门的状态及控制。如果发现运行异常，应进行故障检测，并且及时报警，以确保电梯教学模型的安全。
（4）故障处理和调试
电梯教学模型中故障发生必定会出现，要进行实时响应和处理，以尽可能减少故障的影响。在编程中要设置相应的故障处理程序，如提供具体的故障信息，进行自救恢复等。
（5）用户交互和控制
通过编程实现用户交互和控制，例如通过按钮来控制轿厢停靠、门的开关等，以及通过交互控件来显示电梯的当前位置、状态和故障信息等。需要注意在交互设计中考虑学生和教师的需求，以使教学和操作更加高效。
（6）数据存储和日志记录
存储当前和历史的数据，并进行日志记录，方便教师或者管理员进行后续分析和教学管理。可以使用数据库和文件的形式保存数据和记录，并设置权限以确保数据安全。
图7程序流程图4设计总结
电梯教学模型为学生提供了安全、高效、真实模拟的电梯控制和操作教学平台，电梯教学模型设计应该在细致入微、注重实践和经验积累的前提下，着眼于教学目标，注重安全和可靠性，充分考虑繁琐的细节问题。最终的设计的好与否将直接影响到学生在实际电梯设计和运行中的水平和实际效果。教具实物如图8所示。
教具实物图
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