自動(dòng)扶梯的節(jié)能改造設(shè)計(jì)

1、自 動(dòng) 扶 梯 節(jié) 能 改 造 設(shè) 計(jì)張德全（河北康達(dá)有限公司，保定）摘要：該文系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用MM440變頻器的控制組合，構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)扶梯進(jìn)行改造后，紅外傳感器、PLC可編程序控制器與西門使扶梯具備平穩(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，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。關(guān)鍵詞：扶梯系統(tǒng)； PLC；MM440變頻器 3Abstract： The speed control system is a combination of infrared sen

2、sors, PLC and Siemens MM440 Inverter. After the transformation ,the traditional escalator provided with the functions ,such as a smooth start , energy-efficient operation and maintenance operation . When escalator starts, it avoids a lot of starting current; when there is no one taking an escalator,

3、 escalator slow from the rated speed to the low speed operation, that is to save energy, to reduces the mechanical wear, to instruct the direction of the escalator to passengers; when escalator is maintened, the maintenance operation ensure of the maintenance accuracy.Key words: Escalator ；PLC ;MM44

4、0引言 消費(fèi)者是當(dāng)今和會(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)?；钡纳虡I(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)化及按全能的逐漸提高，而自動(dòng)扶

5、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

6、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

7、主要采用西門子s7-200 CPU226 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42.2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)

8、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

9、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。2.2.1PLC的I/O分配如下：序號(hào)信號(hào)類型描 述數(shù)量備 注1AII0.0：驅(qū)動(dòng)鏈斷I0.1：曳引鏈斷I0.2：扶手帶斷I0.3：梯級(jí)異常I0.4：梯級(jí)下沉I0.5：上行按鈕I0.6：下行按鈕I0.7：松閘開關(guān)I1.0：變頻器故障I1.1：上檢按鈕I1.2：下檢按鈕I1.3：安全回路I1.4：自動(dòng)檔I1.5：檢修檔I1.6：紅外傳感器1I1.7：紅外傳感器216點(diǎn)2DOQ0.0:驅(qū)動(dòng)鏈斷指示Q0.1：曳引鏈斷指示Q0.2：扶手帶斷指示Q0.3：梯級(jí)

10、異常指示Q0.4：梯級(jí)下沉指示Q0.5：松閘Q0.6：松閘指示Q0.7：報(bào)警鈴Q1.0：運(yùn)行Q1.1：低速運(yùn)行Q1.2：上行Q1.3：下行12點(diǎn)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：?jiǎn)?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)

11、，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，有下次輸出，重新計(jì)時(shí)，直到計(jì)時(shí)完成。圖 5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 62.3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

12、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?，F(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

13、轉(zhuǎn)差率。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。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。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; 為電機(jī)氣隙磁通; cos為轉(zhuǎn)子功率因數(shù), 必須保持恒定。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

14、之比。即 (5.4)即變頻器必須兼?zhèn)渥儔?、變頻兩種功能,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

15、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=

16、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?？梢?，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。參考文獻(xiàn)1陳伯時(shí)，陳敏遜，交流調(diào)速系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社.2005.2劉美俊，變頻器應(yīng)用與維護(hù)技術(shù).中國(guó)電力出版社.2008.3周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華，變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與維護(hù).中國(guó)電力出版社.2007.4毛懷新，電梯與自動(dòng)扶梯技術(shù)檢驗(yàn).學(xué)苑出版社