自动扶梯节能改造设计

引言 

消费者是当今和会的主流群体，目前他们对购物环境、购物气氛、购物功能的要求越来越高，且普遍期望“大型”、“规模化”的商业场所出现。在带动经济不断发展的百货公司，机场、地铁、火车站等场所自动扶梯应运而生。

在过去扶梯拖动的控制普遍采用传统继电器控制方式，至今很多扶梯仍然使用这种控制方式，这种电器控制原理比较简单、直观。但继电器控制回路触点较多，造成接线比较复杂，运行故障比较多，排除故障比较困难；还受到线路控制的局限性，继电器控制方式难以实现许多附加的先进功能；扶梯工作时，无论有无乘客都处于额定的运行状态，具有能耗大、机械磨损严重、使用寿命低等缺点。随着扶梯的自动化及按全能的逐渐提高，而自动扶梯控制系统还采用传统的继电器控制已不能满足高性能的要求。因此，采用PLC与变频器相合的稳定、方便、节能控制系统，已成为自动扶梯控制技术的发展方向。

1、设计要求

在扶梯上下两端各装一对立杆，此杆用来安装固定红外感应开关和扶梯上下行指示标识。另外在扶梯上端对杆上还要安装一对钥匙开关，一个是节电和市电模式切换开关，另一个是上行、停止、下行模式选择开关(曳引机安装在扶梯上端电井内，故开关就近选择安装)。当节电/市电切换开关选择市电时，自动扶梯开、停、上下行方式与未改造前一致。当节电/市电开关选择节电时，扶梯自带启动开关、上下行开关无效，此时扶梯运行方向由安装在立杆上的上行/停止/下行 开关来选择控制。扶梯由红处感应开关启动。当有人走上扶梯时，首先会触发红外传感器开关。当系统检测到红外传感器开关信号时，电梯就会被启动，并开始计 时。在计时期间，如果有第二个人走上扶梯，系统会重新计时，直到设定时间结束，电梯便会自动进入低速运行 

1.1  外观改造和工作流程

自动扶梯外观改造如图1：

扶梯工作流程如图2：

1.1.2如何实现：

该系统主要由以下几部分组成：电源、PLC、变频器等。PLC是控制系统的核心，PLC根据输入的光电信号是否有效确定高速运行指令的输出，变频器根据PLC的高速运行指令控制扶梯的运行速度，完成扶梯的快慢及快慢停循环运行。 

自动扶梯主控制流程图如下图3 所示：

2 硬件和软件设计

2.1硬件配置

 硬件主要采用西门子s7-200 CPU226 可编程控制器和西门子MM440变频器、LHI878型号的人体热释电红外传感器，电机选用常用的4极Y225S-4型的三相交流感应电动机等控制组合，具有功能强、改造工作量小等优点。硬件配置如图四：

2.2软件配置

PLC是工业自动化应用技术的三大支柱之一，自从它诞生以来得到了广泛的使用。在工业自动化应用技术领域，速度调节和控制是经常用到的环节。变频器具有高效的驱动性能和良好的控制特性，在提高控制质量、减少维护费用和节能方面都取得了明显的经济效益。在这些场合，变频器所发挥的作用是其他任何控制设备和装置都不能取代的。

作为主控制器的PLC和作为执行及检测器件（设备或装置）的变频器之间须相互配合，共同完成控制任务。PLC可以控制变频器的频率给定信号，以使变频器输出相应的速度控制曲线，控制工艺指标；变频器上的检测信号和其他智能控制信号也可以接入PLC，完成系统的报警和速度控制，比如通过变频器控制电机的启动、停止及正、反转。

电气系统组成以后，为了实现最优控制，还需精心编制PLC的控制程序。在PLC的控制程序中，需要进行处理的逻辑信号首先是安全回路检测信号，该信号用来判断扶梯安全回路是否存在故障，以及故障存在的位置，它是自动扶梯安全运行的重要保证。其次还要检测扶梯的停止、上行、下行、检修、润滑等信号。然后通过对这些输入信号的处理，给出相应的运行状态显示和报警等信号，所有这些控制信号的给出，都是PLC根据各种输入信号通过控制程序处理实现的。这些程序之间必须协调一致、判断合理，才能完成自动扶梯的整体控制。

2..2.1

PLC的I/O分配如下：

2.2.2利用西门子STEP7软件编写PLC梯形图程序进行速度控制，梯形图如图5所示：

启动扶梯后，PLC不断检测光电传感器的电脉冲信号的输入。以判断是否有人需要乘座扶梯来控制变频器进行正常速度运行或低速运行。在扶梯正常速度运行期间，如再无光电脉冲信号则系统延时120秒(乘客自一端至另一端)自动转入低速运行。如安装在扶梯出入口处的传感器检测到有乘客乘梯，则扶梯速度马上平缓地升至额定速度．如乘客继续进入扶梯．扶梯将一直以额定速度正常运行。当电梯在额定速度运行时，如无乘客乘梯，扶梯由额定速度自动降为约五分之一额定速度爬。

自传感器有输出，开始计时，若不到2分钟，有下次输出，重新计时，直到计时完成。

2.2.3

检修运行状态，按上/下检按钮，扶梯以1/2额定速度运行如图六。

2.3节能分析

目前常规的自动扶梯空载时仍是额定速度运行,具有耗能大,机械磨损大,使用寿命低等缺点。例如吉林国贸购物中心有16 部扶梯,每部扶梯电功率8kW,每部扶梯日耗电70KWh左右,每部扶梯每天无人空载时间累计约5 小时。如果扶梯在无人空载时停运或缓行,将大大减少用电量。如果将扶梯运行方式由每天连续恒速运行改为有人乘梯时正常恒速运行,无人乘梯时慢速行驶或停止,就能实现节电的目的。参考了大量资料,觉得这种方式完全可以实现。

经过研究试验,在扶梯电气控制线路加装变频器。采用变频调速方式控制自动扶梯运行,使扶梯具备平稳启动、节能运行。无人乘梯时,扶梯由额定运行速度转为低速运行,既节约了能源,又减小了机械磨损。当乘客走近时,扶梯启动以正常速度运行;乘客离开后,扶梯减速变为慢速运行或停止,等待下一位乘客。如果乘客连续不断,扶梯便连续以正常速度运行,直到最后一位乘客离开扶梯。

现在生产的自动扶梯绝大部分没有调速功能,而且扶梯都是由三相异步电动机经变速箱带动机械部件运转。根据电机学理论,交流电动机的转速公式为：

                  (5.1)

式中：f 为定子的电源|稳压器频率;p 为极对数;n 为转速;s 为转差率。

①改变电动机极对数p 可以改变电机转速,这是交流双速电动机采用的调速方法。

②通过调整定子绕组电压大小来改变转差率s 达到调速目的,这是交流调速电动机采用的调速方法。

③改变定子电源频率f 也可达到调速目的,但f 最大不能超过电动机额定频率,电梯作为恒转距负载,调速时为保持最大转距不变,根据转距公式：

                    (5.2)

式中：Cm 为电机常数;I 为转子电流; φ为电机气隙磁通; cosφ为转子功率因数, 必须保持φ恒定。又根据电压公式：

(5.3)

式中：U 为定子电压;f 为定子电压频率;W为定子绕组匝数;k为电机常数,必须保持U/f 为常数,又根据电机拖动原理,转速之比等于频率之比,等于电压之比, 等于功率之比。

即

                (5.4)

即变频器必须兼备变压、变频两种功能,这就是变频电梯的基本控制原理。

2.4经济效益分析：

将已有的恒速扶梯改成变频调速扶梯,考虑到电机不加改动,对于原有的电机,经过验证,最有效的节能办法就是加装变频器。通过变频器来改变电源频率实现调速的目的。

例如：自动扶梯电机为2 对极单速电机,根据公式 (4.1)，当转差率变化不大时,n 基本上正比于f。扶梯恒速时f=50Hz,电机转速：

n=60×50/2=1500,即每分钟1500 转。

扶梯慢行时f=20Hz,电机转速:

n=60×20/2=600,即每分钟600 转。

当电机的额定电压为380V,频率为50Hz 时,经过变频器改变频率后,频率为原频率的40%,即20Hz 时,送到电机的电压则变成：

U1=( 380V×20Hz) /50Hz=152V

根据公式(3.4)得出P1=0.4P0

因而电机所耗费的电功率也为原功率的40%。

根据上面的推算,一台8kW的电动机,每天运行11 小时,每度电费为1 元,那么它每天的电费为：

1×11×8×0.8=70.4 元。

安装变频器后,如果每天慢速运行的时间为全天的50%的话,那么每天慢行所耗费的电费为：

1×5.5×8×0.4×0.8=14.08 元。

安装变频器后每天耗电为：70.4/2+14.08=49.28 元。

安装变频器后每天节电为：70.4- 49.28=21.12 元。

通过电能表计量实际节电平均每天20kWh 左右。

可见，自动扶梯节能改造的设备费用与电能节约和机械磨损的费用相比，投入不大，投资回报率可观。

3  结论

自动扶梯在酒店、地铁、火车站、写字楼等场所应用较多，但因其使用场合的特殊，部分扶梯常处于空转，当今社会能源匮乏，自动扶梯空载状态运转是一种巨大的浪费，并且会使扶梯部件(如电机、减速箱、扶手带等)产生不必要的磨损及疲劳损伤。因此，自动扶梯进行节能改造，硬件方面系统采用热释电红外传感器、 可编程序控制器（PLC）与变频器的控制组合，具有功能强、改造工作量小等优点。

该自动扶梯节能控制系统具有可移植性高、结构简单、使用方便、功耗低、可靠性强等特点，节省电能达30%～50%左右，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]刘美俊，变频器应用与维护技术.中国电力出版社.2008.

[2]陈伯时，陈敏逊，交流调速系统，机械工业出版社。2005.

[3]周志敏，周纪海，纪爱华，变频调速系统设计与维护.中国电力出版社.2007.

[4]毛怀新，电梯与自动扶梯技术检验.学苑出版社.2007.

[5]王冬青，常见电梯电路和注解图集，北京:人民邮电出版社发行，2004

[6]顾绳谷.电机及拖动基础.机械工业出版社.2004.

[7]周志敏，周纪海，纪爱华.变频调速系统设计与维护.中国电力出版社.2007.

[8]王旭光.开放性实验指导书.

[9]西门子PLC通用变频器MM440使用手册

[10]西门子PLC系列微型可编程控制器使用手册

[11]王永华等.现代电气控制及PLC应用技术.北京航空航天大学出版社.2003.

[12]张洪润.传感器应用设计300例.北京航空航天出版社.2007.

[13]杨公源.常用变频器应用实例.电子工业出版社.2006.