摘要：該設(shè)計(jì)采用MM440變頻器和西門子PLC的控制組合，構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)扶梯進(jìn)行改造，使扶梯具備平穩(wěn)啟動(dòng)、節(jié)能運(yùn)行和檢修運(yùn)行功能。扶梯啟動(dòng)時(shí)，避免產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流；無(wú)人乘梯時(shí)，扶梯由額定運(yùn)行速度轉(zhuǎn)為低速運(yùn)行，即節(jié)約了能源，減小了機(jī)械損耗，也為乘客明確了扶梯運(yùn)行方向；扶梯檢修時(shí)，檢修運(yùn)行功能保證了扶梯檢修精度。

引言

消費(fèi)者是當(dāng)今社會(huì)的主流群體，目前他們對(duì)購(gòu)物環(huán)境、購(gòu)物氣氛、購(gòu)物功能的要求越來(lái)越高，且普遍期望“大型”、“規(guī)?；?rdquo;的商業(yè)場(chǎng)所出現(xiàn)。在帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的百貨公司，機(jī)場(chǎng)、地鐵、火車站等場(chǎng)所自動(dòng)扶梯應(yīng)運(yùn)而生。

在過去扶梯拖動(dòng)的控制普遍采用傳統(tǒng)繼電器控制方式，至今很多扶梯仍然使用這種控制方式，這種電器控制原理比較簡(jiǎn)單、直觀。但繼電器控制回路觸點(diǎn)較多，造成接線比較復(fù)雜，運(yùn)行故障比較多，排除故障比較困難；還受到線路控制的局限性，繼電器控制方式難以實(shí)現(xiàn)許多附加的先進(jìn)功能；扶梯工作時(shí)，無(wú)論有無(wú)乘客都處于額定的運(yùn)行狀態(tài)，具有能耗大、機(jī)械磨損嚴(yán)重、使用壽命低等缺點(diǎn)。隨著扶梯的自動(dòng)化及安全性能要求的逐漸提高，而自動(dòng)扶梯控制系統(tǒng)還采用傳統(tǒng)的繼電器控制已不能滿足高性能的要求。因此，采用PLC與變頻器相合的穩(wěn)定、方便、節(jié)能控制系統(tǒng)，已成為自動(dòng)扶梯控制技術(shù)的發(fā)展方向。

1設(shè)計(jì)要求

在扶梯上下兩端各裝一對(duì)立桿，此桿用來(lái)安裝固定紅外感應(yīng)開關(guān)和扶梯上下行指示標(biāo)識(shí)。另外在扶梯上端對(duì)桿上還要安裝一對(duì)鑰匙開關(guān)，一個(gè)是節(jié)電和市電模式切換開關(guān)，另一個(gè)是上行、停止、下行模式選擇開關(guān)(曳引機(jī)安裝在扶梯上端電井內(nèi)，故開關(guān)就近選擇安裝)。當(dāng)節(jié)電/市電切換開關(guān)選擇市電時(shí)，自動(dòng)扶梯開、停、上下行方式與未改造前一致。當(dāng)節(jié)電/市電開關(guān)選擇節(jié)電時(shí)，扶梯自帶啟動(dòng)開關(guān)、上下行開關(guān)無(wú)效，此時(shí)扶梯運(yùn)行方向由安裝在立桿上的上行/停止/下行開關(guān)來(lái)選擇控制。扶梯由紅處感應(yīng)開關(guān)啟動(dòng)。當(dāng)有人走上扶梯時(shí)，首先會(huì)觸發(fā)紅外傳感器開關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到紅外傳感器開關(guān)信號(hào)時(shí)，電梯就會(huì)被啟動(dòng)，并開始計(jì)時(shí)。在計(jì)時(shí)期間，如果有第二個(gè)人走上扶梯，系統(tǒng)會(huì)重新計(jì)時(shí)，直到設(shè)定時(shí)間結(jié)束，電梯便會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低速運(yùn)行

1.1外觀改造和工作流程

自動(dòng)扶梯外觀改造如圖1：

扶梯工作流程如圖2：

1.1.2如何實(shí)現(xiàn)：

該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：電源、PLC、變頻器等。PLC是控制系統(tǒng)的核心，PLC根據(jù)輸入的光電信號(hào)是否有效確定高速運(yùn)行指令的輸出，變頻器根據(jù)PLC的高速運(yùn)行指令控制扶梯的運(yùn)行速度，完成扶梯的快慢及快慢停循環(huán)運(yùn)行。

自動(dòng)扶梯主控制流程圖如下圖3所示：

2硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1硬件配置

硬件主要采用西門子s7-200CPU226可編程控制器和西門子MM440變頻器、LHI878型號(hào)的人體熱釋電紅外傳感器，電機(jī)選用常用的4極Y225S-4型的三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等控制組合，具有功能強(qiáng)、改造工作量小等優(yōu)點(diǎn)。硬件配置如圖四：

圖4

2.2軟件配置

PLC是工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)的三大支柱之一，自從它誕生以來(lái)得到了廣泛的使用。在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，速度調(diào)節(jié)和控制是經(jīng)常用到的環(huán)節(jié)。變頻器具有高效的驅(qū)動(dòng)性能和良好的控制特性，在提高控制質(zhì)量、減少維護(hù)費(fèi)用和節(jié)能方面都取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。在這些場(chǎng)合，變頻器所發(fā)揮的作用是其他任何控制設(shè)備和裝置都不能取代的。

作為主控制器的PLC和作為執(zhí)行及檢測(cè)器件（設(shè)備或裝置）的變頻器之間須相互配合，共同完成控制任務(wù)。PLC可以控制變頻器的頻率給定信號(hào)，以使變頻器輸出相應(yīng)的速度控制曲線，控制工藝指標(biāo)；變頻器上的檢測(cè)信號(hào)和其他智能控制信號(hào)也可以接入PLC，完成系統(tǒng)的報(bào)警和速度控制，比如通過變頻器控制電機(jī)的啟動(dòng)、停止及正、反轉(zhuǎn)。

電氣系統(tǒng)組成以后，為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，還需精心編制PLC的控制程序。在PLC的控制程序中，需要進(jìn)行處理的邏輯信號(hào)首先是安全回路檢測(cè)信號(hào)，該信號(hào)用來(lái)判斷扶梯安全回路是否存在故障，以及故障存在的位置，它是自動(dòng)扶梯安全運(yùn)行的重要保證。其次還要檢測(cè)扶梯的停止、上行、下行、檢修、潤(rùn)滑等信號(hào)。然后通過對(duì)這些輸入信號(hào)的處理，給出相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)顯示和報(bào)警等信號(hào)，所有這些控制信號(hào)的給出，都是PLC根據(jù)各種輸入信號(hào)通過控制程序處理實(shí)現(xiàn)的。這些程序之間必須協(xié)調(diào)一致、判斷合理，才能完成自動(dòng)扶梯的整體控制。

2..2.1

PLC的I/O分配如下：

2.2.2利用西門子STEP7軟件編寫PLC梯形圖程序進(jìn)行速度控制，梯形圖如圖5所示：

啟動(dòng)扶梯后，PLC不斷檢測(cè)光電傳感器的電脈沖信號(hào)的輸入。以判斷是否有人需要乘座扶梯來(lái)控制變頻器進(jìn)行正常速度運(yùn)行或低速運(yùn)行。在扶梯正常速度運(yùn)行期間，如再無(wú)光電脈沖信號(hào)則系統(tǒng)延時(shí)120秒(乘客自一端至另一端)自動(dòng)轉(zhuǎn)入低速運(yùn)行。如安裝在扶梯出入口處的傳感器檢測(cè)到有乘客乘梯，則扶梯速度馬上平緩地升至額定速度．如乘客繼續(xù)進(jìn)入扶梯．扶梯將一直以額定速度正常運(yùn)行。當(dāng)電梯在額定速度運(yùn)行時(shí)，如無(wú)乘客乘梯，扶梯由額定速度自動(dòng)降為約五分之一額定速度爬。

自傳感器有輸出，開始計(jì)時(shí)，若不到2分鐘，又下次輸出，重新計(jì)時(shí)，直到計(jì)時(shí)完成。

圖5

2.2.3

檢修運(yùn)行狀態(tài)，按上/下檢按鈕，扶梯以1/2額定速度運(yùn)行如圖六。

圖6

2.3節(jié)能分析

目前常規(guī)的自動(dòng)扶梯空載時(shí)仍是額定速度運(yùn)行,具有耗能大,機(jī)械磨損大,使用壽命低等缺點(diǎn)。例如吉林國(guó)貿(mào)購(gòu)物中心有16部扶梯,每部扶梯電功率8kW,每部扶梯日耗電70KWh左右,每部扶梯每天無(wú)人空載時(shí)間累計(jì)約5小時(shí)。如果扶梯在無(wú)人空載時(shí)停運(yùn)或緩行,將大大減少用電量。如果將扶梯運(yùn)行方式由每天連續(xù)恒速運(yùn)行改為有人乘梯時(shí)正常恒速運(yùn)行,無(wú)人乘梯時(shí)慢速行駛或停止,就能實(shí)現(xiàn)節(jié)電的目的。參考了大量資料,覺得這種方式完全可以實(shí)現(xiàn)。

經(jīng)過研究試驗(yàn),在扶梯電氣控制線路加裝變頻器。采用變頻調(diào)速方式控制自動(dòng)扶梯運(yùn)行,使扶梯具備平穩(wěn)啟動(dòng)、節(jié)能運(yùn)行。無(wú)人乘梯時(shí),扶梯由額定運(yùn)行速度轉(zhuǎn)為低速運(yùn)行,既節(jié)約了能源,又減小了機(jī)械磨損。當(dāng)乘客走近時(shí),扶梯啟動(dòng)以正常速度運(yùn)行;乘客離開后,扶梯減速變?yōu)槁龠\(yùn)行或停止,等待下一位乘客。如果乘客連續(xù)不斷,扶梯便連續(xù)以正常速度運(yùn)行,直到最后一位乘客離開扶梯。

現(xiàn)在生產(chǎn)的自動(dòng)扶梯絕大部分沒有調(diào)速功能,而且扶梯都是由三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)變速箱帶動(dòng)機(jī)械部件運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論,交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：(5.1)

式中：f為定子的電源|穩(wěn)壓器頻率;p為極對(duì)數(shù);n為轉(zhuǎn)速;s為轉(zhuǎn)差率。

①改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)p可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,這是交流雙速電動(dòng)機(jī)采用的調(diào)速方法。

②通過調(diào)整定子繞組電壓大小來(lái)改變轉(zhuǎn)差率s達(dá)到調(diào)速目的,這是交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)采用的調(diào)速方法。

③改變定子電源頻率f也可達(dá)到調(diào)速目的,但f最大不能超過電動(dòng)機(jī)額定頻率,電梯作為恒轉(zhuǎn)距負(fù)載,調(diào)速時(shí)為保持最大轉(zhuǎn)距不變,根據(jù)轉(zhuǎn)距公式：(5.2)

式中：Cm為電機(jī)常數(shù);I為轉(zhuǎn)子電流;φ為電機(jī)氣隙磁通;cosφ為轉(zhuǎn)子功率因數(shù),必須保持φ恒定。又根據(jù)電壓公式：

(5.3)

式中：U為定子電壓;f為定子電壓頻率;W為定子繞組匝數(shù);k為電機(jī)常數(shù),必須保持U/f為常數(shù),又根據(jù)電機(jī)拖動(dòng)原理,轉(zhuǎn)速之比等于頻率之比,等于電壓之比,等于功率之比。

即

(5.4)

即變頻器必須兼?zhèn)渥儔骸⒆冾l兩種功能,這就是變頻電梯的基本控制原理。

2.4經(jīng)濟(jì)效益分析：

將已有的恒速扶梯改成變頻調(diào)速扶梯,考慮到電機(jī)不加改動(dòng),對(duì)于原有的電機(jī),經(jīng)過驗(yàn)證,最有效的節(jié)能辦法就是加裝變頻器。通過變頻器來(lái)改變電源頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。

例如：自動(dòng)扶梯電機(jī)為2對(duì)極單速電機(jī),根據(jù)公式(4.1)，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí),n基本上正比于f。扶梯恒速時(shí)f=50Hz,電機(jī)轉(zhuǎn)速：

n=60×50/2=1500,即每分鐘1500轉(zhuǎn)。

扶梯慢行時(shí)f=20Hz,電機(jī)轉(zhuǎn)速:

n=60×20/2=600,即每分鐘600轉(zhuǎn)。

當(dāng)電機(jī)的額定電壓為380V,頻率為50Hz時(shí),經(jīng)過變頻器改變頻率后,頻率為原頻率的40%,即20Hz時(shí),送到電機(jī)的電壓則變成：

U1=(380V×20Hz)/50Hz=152V

根據(jù)公式(3.4)得出P1=0.4P0

因而電機(jī)所耗費(fèi)的電功率也為原功率的40%。

根據(jù)上面的推算,一臺(tái)8kW的電動(dòng)機(jī),每天運(yùn)行11小時(shí),每度電費(fèi)為1元,那么它每天的電費(fèi)為：

1×11×8×0.8=70.4元。

安裝變頻器后,如果每天慢速運(yùn)行的時(shí)間為全天的50%的話,那么每天慢行所耗費(fèi)的電費(fèi)為：

1×5.5×8×0.4×0.8=14.08元。

安裝變頻器后每天耗電為：70.4/2+14.08=49.28元。

安裝變頻器后每天節(jié)電為：70.4-49.28=21.12元。

通過電能表計(jì)量實(shí)際節(jié)電平均每天20kWh左右。

可見，自動(dòng)扶梯節(jié)能改造的設(shè)備費(fèi)用與電能節(jié)約和機(jī)械磨損的費(fèi)用相比，投入不大，投資回報(bào)率可觀。

3結(jié)論

自動(dòng)扶梯在酒店、地鐵、火車站、寫字樓等場(chǎng)所應(yīng)用較多，但因其使用場(chǎng)合的特殊，部分扶梯常處于空轉(zhuǎn)，當(dāng)今社會(huì)能源匱乏，自動(dòng)扶梯空載狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)是一種巨大的浪費(fèi)，并且會(huì)使扶梯部件(如電機(jī)、減速箱、扶手帶等)產(chǎn)生不必要的磨損及疲勞損傷。因此，自動(dòng)扶梯進(jìn)行節(jié)能改造，硬件方面系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器、可編程序控制器（PLC）與變頻器的控制組合，具有功能強(qiáng)、改造工作量小等優(yōu)點(diǎn)。

該自動(dòng)扶梯節(jié)能控制系統(tǒng)具有可移植性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、功耗低、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，節(jié)省電能達(dá)30%～50%左右，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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