基于PLC的四层电梯控制设计毕业设计.docx
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基于PLC的四层电梯控制设计毕业设计
毕业设计报告（论文）
系别：
电气与电子工程系
专业：
楼宇智能化工程技术
班级：
09楼宇1班
学生姓名：
学生学号：
设计（论文）题目：
基于PLC的四层电梯控制设计
指导教师：
起讫日期：
2011.9.5—2011.11.11
\
毕业设计（论文）任务书
专业
楼宇智能化工程技术
班级
09楼宇1班
姓名
课题名称：
基于PLC的四层电梯控制设计
主要技术指标：
1.电梯由安装在各楼层电梯口的上升下降呼叫按钮（U1、U2、U3、D2、D3、D4），电梯轿厢内楼层选择按钮（S1、S2、S3、S4），上升下降指示（UP、DOWN），各楼层到位行程开关（SQ1、SQ2、SQ3、SQ4）组成。
电梯自动执行呼叫。
2.电梯在上升的过程中只响应向上的呼叫，在下降的过程中只响应向下的呼叫，电梯向上或向下的呼叫执行完成后再执行反向呼叫。
3.电梯等待呼叫时，同时有不同呼叫时，谁先呼叫执行谁。
4.具有呼叫记忆、内选呼叫指示功能。
5.具有楼层显示、方向指示、到站提示功能。
6.完成四层电梯控制模拟装置的接线、调试、操作，实现四层电梯的上升、下降控制。
工作内容和要求：
1、查阅相关资料熟悉电梯控制的相关知识，了解四层电梯控制的设计流程
2、写出开题报告
3、利用西门子S7-200的可编程控制器编写程序
4、进行程序的分析与调试,实现四层电梯的系统控制设计
5、根据设计，完成毕业论文
主要参考文献：
1.廖常初.PLC基础及应用.北京:
机械工业出版社,2004
2.吴丽.电气控制与PLC应用技术.北京:
机械工业出版社,2008
3.田淑珍.S7-200PLC原理及应用.北京:
机械工业出版社,2009
4.周万珍,高鸿斌.PLC分析与设计及应用.北京:
电子工业出版社,2004
5.西门子公司.SIMATICS7-200可编程序控制器系统手册,2008
6.何衍庆.可编程序控制器原理及运用技巧.北京:
化学工业出版社,2000
7.王永华.现代控制技术及PLC应用技术.北京:
北京航空航天大学出版社,2003.
学生（签名）年月日
指导教师（签名）年月日
教研室主任（签名）年月日
系主任（签名）年月日
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文）题目
基于PLC的四层电梯控制设计
一、选题的背景和意义：
以前，我国住宅电梯大部分是采用继电器控制的，由于控制线路复杂、体积大、故障率高，而且难于维护，使电梯难以达到安全、稳定、可靠的基本要求，事故时有发生。
鉴于继电器控制存在着上述的种种弊端，将PLC应用于电梯控制，受到了良好的效果。
可编程控制器应用于电梯控制，用软件编程替代原有继电器硬件布线控制，使控制系统具有了极大的柔韧性和通用性。
同时，由于PLC功能齐全、应用灵活，能够满足电梯控制的要求而且具有抗干扰性能强、操作方便、维护简单等特点，使得系统可靠性大大提高。
因此，本系统采用西门子公司的小型PLC系列S7-200中的STEP7-Micro/WIN4.0编程软件。
随着计算机技术、控制技术和网络技术的发展，现在的电梯系统都倾向于采用先进、实用、可靠的PLC来进行控制，这样能提高电梯系统的经济性、可靠性及可维护性。
二、课题研究的主要内容：
本课题研究的主要内容是四层电梯的自动控制。
根据技术方案：
该控制系统由西门子PLC控制器、四层电梯控制模型、控制软件等组成。
通过对行程开关，传感器等设备的数据采集，控制电梯按规定的运行程序，以实现电梯安全可靠的运行。
三、主要研究（设计）方法论述：
本次设计主要是利用西门子S7-200的可编程序控制器编写程序设计，实现对四层电梯的系统控制。
首先进行硬件设计，包括CPU处理模块、系统的I/O端口分配表、以及外部接线图，然后，在硬件设计的基础上，对软件进行设计，设计出系统的程序流程图及梯形图程序。
在接线时，运用实验室现有的实验桌，根据设计好的系统I/O端口分配表和外部接线图，使用导线将PLC与电梯模块做相应的连接。
在调试的过程中，把系统编写好的程序进行编译，编译无误后下载到PLC中，开始程序监控。
最后，进行程序的分析和调试，按照要求规范操作，从而实现电梯的自动控制。
四、设计（论文）进度安排：
时间（迄止）日期
工作内容
2011.9.5~2011.9.10
收集资料、确定方案的设计思路，为毕业设计做准备
2011.9.11~2011.9.13
完成开题报告
2011.9.14~2011.10.23
完成梯形图程序的编写与调试
2011.10.23~2011.11.11
完成毕业答辩，以及论文的整理和修改
五、指导教师意见：
指导教师签名：
年月日
六、系部意见
系主任签名：
年月日
毕业设计报告（论文）摘要
基于PLC的四层电梯控制设计
摘要：
本文介绍的是利用西门子S7-200的可编程控制器编写程序设计，实现对四层电梯的系统控制。
首先进行硬件设计，包括CPU处理模块、系统的I/O端口分配表、以及外部接线图，然后，在硬件设计的基础上，对软件进行设计，设计出系统的程序流程图及梯形图程序。
在接线时，运用实验室现有的实验桌，根据设计好的系统I/O端口分配表和外部接线图，使用导线将PLC与电梯模块做相应的连接。
在调试的过程中，把系统编写好的程序进行编译，编译无误后下载到PLC中，开始程序监控。
最后，进行程序的分析和调试，按照要求规范操作，从而实现电梯的自动控制。
关键词：
电梯PLC程序设计
1绪论
电梯进入人们的生活已经150年了。
1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯第一次向世人展示了他的发明。
从此，人类历史上第一部安全升降梯诞生。
奥的斯先生的发明彻底改写了人类使用升降工具的历史。
从那以后，升降梯在世界范围内得到广泛应用。
1889年12月，美国奥的斯电梯公司制造出了名副其实的电梯，它采用直流电动机为动力，通过蜗轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索，悬挂并升降轿厢。
1892年，美国奥的斯公司开始采用按钮操纵装置，取代传统的轿厢内拉动绳索的操纵方式，为操纵方式现代化开了先河。
生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。
150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新——手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形——扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。
如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。
调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用、复合钢带环保等一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉，人们的生活因此变得更加美好。
直到1901年，由美国奥的斯公司安装的电梯出现在上海，也是中国历史以来最早的一部电梯。
如今，在中国的任何一个城市，电梯都在被广泛的应用，电梯给人们的生活带来极大的便利。
同时，也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。
时至今日，电梯已进入了全面发展的新时期。
1.1电梯的基本分类
电梯的种类很多，按用途分类，可以分为乘客电梯、载货电梯、医用电梯、住宅电梯、杂物电梯、观光电梯、车辆电梯、船舶电梯和建筑施工电梯等；按驱动方式分类，可以分为交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯、螺杆式电梯和直线电机驱动电梯等；按速度分类，可以分为低速梯（常指低于1.00m/s速度的电梯）、中速梯（常指速度在1.00～2.00m/s的电梯）、高速梯（常指速度大于2.00m/s的电梯）和超高速梯（速度超过5.00m/s的电梯），但随着电梯技术的不断发展，电梯速度也越来越高，区别高、中、低速电梯的速度限值也在相应地提高；按操纵控制方式分类，可以分为按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯和群控电梯等；除了上述电梯的分类方式外，还有按电梯有无司机分类、特殊电梯分类等。
1.2可编程控制器（PLC）的产生和发展历程
第一台可编程控制器的设计规范是美国通用汽车公司（GM）提出的。
当时的目的是要求设计出一种新的控制装置来取代继电器，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序、可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。
1969年美国通用汽车公司（GM）公开招标，要求控制装置取代继电器控制装置，并提出了研制“新型逻辑控制装置”的十项招标指标，即：
1.编程方便，现场可修改程序；2．维修方便，采用模块化结构；3.可靠性高于继电器控制装置；4.体积小于继电器控制装置；5.数据可直接送入管理计算机；6.成本可与继电器控制装置竞争；7.输入可以是交流115V；8.输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9.在扩展时，原系统只要很小变更；10.用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。
PLC的发展分四个阶段。
第一阶段：
初级阶段（1969至70年代中期），PLC主要是逻辑运算、定时和计数功能，没有形成系列。
但与继电器控制相比，可靠性有一定提高。
CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。
第二阶段：
扩展阶段（70年代中期至末期），PLC产品的控制功能得到了很大的扩展，包括数据传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。
增加了数字运算功能，能完成模拟量的控制。
开始具备自诊断功能，存储器采用EPROM.第三阶段:
通信阶段（70年代中末期至80年代中期），PLC随着计算机通信的发展，形成了分布式网络。
PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。
第四阶段：
开放阶段（80年代中期至今），通信系统开放，使各制造商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户得益。
PLC开始采用标准化软件系统，并完成了编程语言标准化工作。
1.3PLC的组成及特点
PLC的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部分及外部设备组成。
除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，它们相辅相成，缺一不可，共同构成PLC。
PLC的软件系由系统程序和用户程序两大部分组成。
PLC能如此迅速发展，除了工业自动化的客观需求外，还因为他具有许多独特的优点。
它较好到解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
以下是其主要特点：
（1）编程方法简单易学
（2）功能强，性能价格比高（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强（4）可靠性高、抗干扰能力强（5）系统的设计、安装、调试工作量少（6）维修工作量小，维修方便（7）体积小、耗能低。
1.4PLC的应用
开关量的开环控制是PLC的最基本控制功能。
所控制的逻辑功能可以是各种各样的。
PLC控制的输入输出点数可以不受限制，少则十点、几十点，多则成千上万点，并可以通过互联网来实现控制。
用PLC进行开关量控制的实例很多，几乎所有的工业都会运用到它。
人们选用PLC的主要目的就是将其用于开关量的控制。
1.模拟量的闭环控制
对于模拟量的闭环控制系统，除了要有开关量的输入、输出点以实现某种顺序或逻辑控制外，还要有模拟量的输入、输出点，以便采样输入和调节输出，实现过程控制的PID调节或模糊控制调节，形成闭环系统。
这类PLC系统能实现对温度、流量、压力、位移、速度等参量的连续调节与控制。
2.数字量的智能控制
利用PLC能实现接收和输出高脉冲的功能，而这功能实际中用途很大。
在配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环型分配器、动放、步进电机）后，PLC控制系统也能实现数字量的智能控制。
3.数据采集与监控
PLC作为现场数据采集监控系统，普遍采用的方法是PLC加触摸屏，这样既可随时观察采集下来的数据，又能及时进行系统分析。
有的PLC本身就具有数据记录单元。
此时可利用一般的便携计算机的存储卡，插入到该单元中保存采集到的数据。
其另一个特点是自监信号多，可以实现自诊断式的监控，同时还可以减少故障修复时间，提高系统可靠性。
4.联网、通信及集散控制
PLC的联网、通信能力很强，可实现PLC与PLC之间的联网通信，也可实现与上位计算机的联网与通信，也能与智能仪表装置进行联网和通信。
利用PLC强大的联网通信功能，把PLC分布到控制现场，实现各PLC控制站间的通信以及上下层间的通信，从而实现分散控制集中管理。
这样的系统实际上就是PCS（过程控制系统）系统，有的企业把全厂的自动化系统组成通信网络，从而组成计算机集成制造系统。
2电梯总体方案的设计
2.1电梯整体设计方案
本次设计的主要目的是结合实际的控制装置，综合所掌握的理论知识，完成一套完整的PLC控制系统的设计任务，包括PLC模块的选用，I/O端口的分配、PLC外部接线图的设计及梯形图程序的设计与调试，以提高学生的综合设计能力。
电梯的整体设计方案如下图2.1所示。
图2.1整体设计方案图
2.2电梯的外部结构
电梯的外部结构如下图2.2所示。
图2.2电梯的外部结构
S1、S2、S3、S4分别为轿厢内一层、二层、三层、四层电梯的内选按钮；D2、D3、D4分别为二层、三层、四层电梯外下呼按钮；U1、U2、U3分别为一层、二层、三层、四层电梯外上呼按钮；SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别为一层、二层、三层、四层行程开关。
L1、L2、L3、L4分别为一层、二层、三层、四层电梯位置指示灯；DOWN为电梯下行状态指示灯；UP为电梯上行状态指示灯；DN2、DN3、DN4分别为二层、三层、四层电梯外下降指示灯；UP1、UP2、UP3分别为一层、二层、三层电梯外上升指示灯。
2.3硬件的选择以及I/O端口的分配
首先确定PLC的基本单元选用的是CPU224，它是由14个输入点和10个输出点。
由于CPU224的输入和输出点不能满足设计的要求，而CPU224自身可带7个拓展模块，所以增加一个拓展模块EM223（8点输入、8点输出）。
电梯控制的逻辑关系，各输入、输出端口分配见表2.1。
表2.1端口分配及功能表
输入
输出
序号
PLC地址
功能说明
序号
PLC地址
功能说明
1
I0.0
四层内选按钮S4
1
Q0.0
四层指示L4
2
I0.1
三层内选按钮S3
2
Q0.1
三层指示L3
3
I0.2
二层内选按钮S2
3
Q0.2
二层指示L2
4
I0.3
一层内选按钮S1
4
Q0.3
一层指示L1
5
I0.4
四层下呼按钮D4
5
Q0.4
轿厢下降指示DOWN
6
I0.5
三层下呼按钮D3
6
Q0.5
轿厢上升指示UP
7
I0.6
二层下呼按钮D2
7
Q0.6
四层内选指示灯SL4
8
I0.7
三层上呼按钮U3
8
Q0.7
三层内选指示灯SL3
9
I1.0
二层上呼按钮U2
9
Q1.0
二层内选指示灯SL2
10
I1.1
一层上呼按钮U1
10
Q1.1
一层内选指示灯SL1
11
I1.2
四层行程开关SQ4
11
Q2.0
数码管显示控制端A
12
I1.3
三层行程开关SQ3
12
Q2.1
数码管显示控制端B
13
I1.4
二层行程开关SQ2
13
Q2.2
数码管显示控制端C
14
I1.5
一层行程开关SQ1
14
Q2.3
数码管显示控制端D
2.4电梯的控制要求
本系统设计的电梯达到如下要求:
1.电梯由安装在各楼层电梯口的上升下降呼叫按钮（U1、U2、U3、D2、D3、D4），电梯轿厢内楼层选择按钮（S1、S2、S3、S4），上升下降指示（UP、DOWN），各楼层到位行程开关（SQ1、SQ2、SQ3、SQ4）组成。
电梯自动执行呼叫。
2.电梯在上升的过程中只响应向上的呼叫，在下降的过程中只响应向下的呼叫，电梯向上或向下的呼叫执行完成后再执行反向呼叫。
3.电梯等待呼叫时，同时有不同呼叫时，谁先呼叫执行谁。
4.具有呼叫记忆、内选呼叫指示功能。
5.具有楼层显示、方向指示、到站提示功能。
6.完成四层电梯控制模拟装置的接线、调试、操作，实现四层电梯的上升、下降控制。
2.5PLC外部接线图
下图2.3是西门子S7-200PLC的外部接线图。
主机1M、2M和面板V+接电源+24V，主机1L、2L、3L、4L和面板COM接电源GND。
图2.3PLC外部接线
3电梯系统的软件设计
3.1西门子PLC编程软件简介
STEP7-Micro/WIN是专门为S7-200设计的，在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学。
用户可以通过语句表、梯形图和功能模块图编程，不同的编程语言编制的程序可以相互转换，可以用符号表来定义程序中使用的变量地址对应的符号。
STEP7-Micro/WIN4.0的编程界面中的程序编辑器窗口内包含为当前项目使用的编辑器的局部变量表和程序视图。
其编程软件具有以下一些功能：
硬件配置、参数设置、通信设置、程序编辑、测试、运行和诊断等功能。
3.2程序及过程分析
1.初始化：
初始脉冲SM0.1，将Q0.0－Q1.1清零，将M0.0开始的200个存储位清零。
2.电梯上升：
电梯上升的情况有：
一层到二层、一层到三层、一层到四层、二层到三层、二层到四层、三层到四层，6种情况。
上升特征：
SQ1*（U1+U2+U3+S2+S3+S4+D2+D3+D4）+SQ2*（U2+U3+S3+S4+D3+D4）
+SQ3*（U3+S3+D4）
上式是罗列了:
电梯停在一楼，上升到二层、三层和四层;电梯停在二楼，上升到三层和四层；电梯停在三楼，上升到四层的情况；
（1）一层到二层：
电梯在一楼，厢内按二楼：
S2（或二楼厢外按下呼叫：
D2）。
1）电梯停靠在一层。
SQ1开关ON，SQ2\SQ3\SQ4开关OFF。
观察：
数码器显示“1”。
SET-A=SQ1↑,RST-B\C\D=SQ1↑.
2）电梯一层向二层上升。
厢内按二楼：
S2（或二楼厢外按下呼：
D2），SQ1开关由“ON”变“OFF”。
观察：
楼层指示灯L1由亮变暗，楼层指示灯L2由暗变亮，层选指示灯SL2亮，电梯上升指示灯UP亮。
数码器显示“1”。
SET-L1=SQ1*（S2+D2）;SET-SL2=SQ1*S2;
SET-UP=SQ1*（S2+D2）;SET-L2=RST-L1=（SQ1↓）;
3）电梯到达二层。
SQ2开关ON，SQ1\SQ3\SQ4开关OFF。
观察：
楼层指示灯L2、层选指示灯SL2和电梯上升指示灯UP全部熄灭，数码器显示“2”。
SET-B=SQ2↑,RST-A\C\D=SQ2↑.
RST-SL2=RST-UP=RST-L2=（SQ2↑）;
（2）一层到三层。
电梯在一楼，厢内按三楼：
S3（或三楼厢外按下呼：
D3）。
1）电梯停靠在一层。
SQ1开关ON，SQ2\SQ3\SQ4开关OFF。
观察：
数码器显示“1”。
SET-A=SQ1↑,RST-B\C\D=SQ1↑.
2）电梯一层向三层上升。
厢内按三楼：
S3（或三楼厢外按下呼：
D3），SQ1开关由“ON”变“OFF”。
观察：
楼层指示灯L1由亮变暗，楼层指示灯L2由暗变亮，层选指示灯SL3亮，电梯上升指示灯UP亮，数码器显示“1”。
SET-L1=SQ1*（S3+D3）;SET-SL3=SQ1*S3;
SET-UP=SQ1*（S3+D3）;SET-L2=RST-L1=（SQ1↓）;
3）电梯途经二层。
SQ2开关ON，电梯到二层；SQ2开关OFF，电梯离开二层。
电梯到达二层观察：
楼层指示灯L2变暗，层选指示灯SL3保持亮，楼层上升指示灯UP保持亮，数码器显示“2”。
电梯离开二层观察：
楼层指示灯L3变亮，层选指示灯SL3保持亮，楼层上升指示灯UP保持亮，数码器显示“2”。
SET-B=SQ2↑,RST-A\C\D=SQ2↑.
RST-L2=（SQ2↑）;SET-L3=（SQ2↓）;
4）电梯到达三层。
SQ3开关ON，SQ1\SQ2\SQ4开关OFF。
观察：
楼层指示灯L3、层选指示灯SL3和电梯上升指示灯UP全部熄灭，数码器显示“3”。
SET-A\B=SQ3↑,RST-C\D=SQ3↑.
RST-SL3=RST-UP=RST-L3=（SQ3↑）;
（3）一层到四层。
电梯在一楼，厢内按四楼：
S4（或四楼厢外按下呼：
D4）。
1）电梯停靠在一层。
SQ1开关ON，SQ2\Q3\SQ4开关OFF。
观察：
数码器显示“1”。
SET-A=SQ1↑,RST-B\C\D=SQ1↑.
2）电梯一层向四层上升。
厢内按四楼：
S4（或四楼厢外按下呼：
D4），SQ1开关由“ON”变“OFF”。
观察：
楼层指示灯L1由亮变暗，楼层指示灯L2由暗变亮，层选指示灯SL4亮，电梯上升指示灯UP亮，数码器显示“1”。
SET-L1=SQ1*（S4+D4）;SET-SL4=SQ1*S4;
SET-UP=SQ1*（S4+D4）;SET-L2=RST-L1=（SQ1↓）;
3）电梯途经二层。
SQ2开关ON，电梯到二层；SQ2开关OFF，电梯离开二层。
电梯到达二层观察：
楼层指示灯L2变暗，层选指示灯SL4保持亮，楼层上升指示灯UP保持亮，数码器显示“2”。
电梯离开二层观察：
楼层指示灯L3变亮，层选指示灯SL4保持亮，楼层上升指示灯UP保持亮，数码器显示“2”。
SET-B=SQ2↑,RST-A\C\D=SQ2↑.
RST-L2=（SQ2↑）;SET-L3=（SQ2↓）;
4）电梯途经三层。
SQ3开关ON，电梯到三层；SQ3开关OFF，电梯离开三层。
电梯到达三层观察：
楼层指示灯L3变暗，层选指示灯SL4保持亮，楼层上升指示灯UP保持亮，数码器显示“3”。
电梯离开三层观察：
楼层指示灯L4变亮，层选指示灯SL4保持亮，楼层上升指示灯UP保持亮，数码器显示“3”。
SET-A\B=SQ3↑,RST-C\D=SQ3↑.
RST-L3=（SQ3↑）;SET-L4=（SQ3↓）;
5）电梯到达四层。
SQ4开关ON，SQ1\SQ2\SQ3开关OFF。
观察：
楼层指示灯L4、层选指示灯SL4和电梯上升指示灯UP全部熄灭，数码器显示“4”。
SET-C=SQ4↑,RST-A\B\D=SQ4↑.
RST-SL4=RST-UP=RST-L4=（SQ4↑）;
（4）二层到三层。
电梯在二楼，厢内按三楼：
S3（或三楼厢外按下呼：
D3）。
1）电梯停靠在二层。
SQ2开关ON，SQ1\SQ3\SQ4开关OFF。
观察：
数码器显示“2”。
SET-B=SQ2↑,RST-A\C\D=SQ2↑.
2）电梯二层向三层上升。
厢内按三楼：
S3（或三楼厢外按下呼：
D3）,
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