采用PLC與變頻控制技術相結合實現自動扶梯節(jié)能控制系統(tǒng)的設計

1 、引言

自動扶梯廣泛應用于大型商場、超市、機場、地鐵、賓館等場合。大多數扶梯在客流量大的時候，工作于額定的運行狀態(tài)，在沒有乘客時仍以額定速度運行，具有耗能大、機械磨損嚴重、使用壽命低等缺點。采用PLC與變頻控制相結合的節(jié)能控制系統(tǒng)，已成為自動扶梯控制技術的發(fā)展方向。

帶有節(jié)能效果的自動扶梯具有以下特點：

（1）無人乘梯時，扶梯自動平穩(wěn)過渡到節(jié)能運行，以1/5額定速度運行（可以選擇當無人乘梯時，扶梯自動停止的功能）;

（2）有人乘梯時，扶梯立即自動平穩(wěn)過渡到額定速度運行;

（3）由于節(jié)能運行時速度很低，機械部分的磨損大大降低，相對延長了扶梯的使用壽命;

（4）變頻技術的采用大大降低了扶梯啟動時對電網的沖擊。

目前節(jié)能扶梯大多形式和功能單一，僅能實現簡單的快慢循環(huán)或快停循環(huán)。本系統(tǒng)設計的亮點是快慢循環(huán)和快慢停循環(huán)是可以通過程序進行自由選擇的，系統(tǒng)同時集成了上下梯級遺失、防驅動鏈斷鏈、防逆轉及故障保護輸出等功能，并可通過程序內部輔助繼電器的狀態(tài)監(jiān)控扶梯運行狀態(tài)，現場調試十分方便。

2 、自動扶梯變頻節(jié)能控制方式

2.1 變頻非自啟動（快慢循環(huán)）

2.1.1 功能描述

通過增加變頻器來控制扶梯運行的速度，當梯上有乘客時，扶梯以高速運行（例如額定速度），提高客流量，當乘客檢測裝置在一段時間內沒有檢測到乘客通過時，扶梯開始減速轉為低速運行（例如0.2m/s，參數可設置），此時一直處于待機運行中，即為非自啟動節(jié)能。

2.1.2 運行狀態(tài)描述

變頻控制，無人時低速，有人時高速。高速運行時間記為TQ，可通過PLC程序進行設置，具體時間根據梯的提升高度和速度而定。

2.1.3 運行步驟

（1） 當扶梯上電停止等待，有方向（比如上行）開始運行時，此時扶梯以低速開始節(jié)能運行進入待機等待。

（2） 下機房乘客檢測裝置檢測是否有人通過，當有人通過時，控制器內部的高速運行時間計數器（記為TC）清零，此時扶梯開始緩慢加速至高速運行。

（3）高速運行時間計數器（記為TC）開始計數，當TC

（4） 當有一段時間沒人乘梯即TC≥TQ時，扶梯又開始減速進入低速運行待機等待狀態(tài)，如此循環(huán)往復運行。

圖1為自動扶梯快慢循環(huán)控制時序圖。

圖1 自動扶梯快慢循環(huán)控制時序圖

2.1.4 功能實現

安裝在扶梯入口處的乘客檢測裝置檢測是否有人乘梯。

2.2 變頻自啟動（快慢停循環(huán)）

2.2.1 功能描述

通過增加變頻器來控制扶梯運行的速度，當梯上有乘客時，扶梯以高速運行（例如額定速度），提高客流量，當乘客檢測裝置在一段時間內沒有檢測到乘客通過時，扶梯開始減速轉為低速運行（例如0.2m/s，參數可設置），當乘客檢測裝置在一段時間內又沒檢測到乘客乘梯時，扶梯開始進入停止運行等待狀態(tài)，即為自啟動節(jié)能。

2.2.2 運行狀態(tài)描述

變頻控制，長時間無人乘梯時停止，有人乘梯時高速運行。高速運行時間記為TQ，低速運行時間TS，兩個參數可通過PLC程序進行設置，具體時間根據梯的提升高度和速度而定。

2.2.3 運行步驟

（1） 當扶梯上電停止等待，有方向（比如上行）開始運行時，此時扶梯進入上行停止等待運行中。

（2） 下機房光電檢測裝置檢測是否有人通過，當有人通過時，控制器內部的高速運行時間計數器（記為TC）清零，此時扶梯開始緩慢加速至高速運行。

（3） 高速運行時間計數器（記為TC）開始計時，當TC

（4）當有一段時間沒人乘梯即TC≥TQ時，扶梯開始減速進入低速運行狀態(tài)中。

（5） 低速運行時間計數器（記為TSC）開始計時，當TSC《 TS時，若此時有人進入，TC清零重新開始計時，扶梯加速至高速運行狀態(tài)，又進入高速運行狀態(tài)中。

（6） 當一段時間內沒人乘梯即TSC≥TS時，扶梯停止運行進入等待中，如此循環(huán)往復運行。

圖2為自動扶梯快慢停循環(huán)控制時序圖。

圖2 自動扶梯快慢停循環(huán)控制時序圖

2.2.4 功能實現

安裝在扶梯入口處的乘客檢測裝置檢測是否有人乘梯。但是為了確保乘客的安全，按照GB16899-1997《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》的要求：自啟動的扶梯，應在該使用者走到梳齒相交線之前啟動運行，故乘客檢測裝置應滿足以下要求：

（1） 檢測裝置應滿足的要求

·光束，應設置在梳齒相交線之前至少1.3m外;

·觸點踏墊，其外緣應設置在梳齒相交線之前至少1.8m處，沿運行方向的觸點踏墊長度至少為0.85m。施加在其表面為25mm2的任何點上的載荷達到150N之前就應作出響應。

（1） 在實際設計時可選擇

· 安裝在扶手進出口處的光電漫發(fā)射裝置;

·安裝在蓋板進口處的光柱;

·安裝在蓋板下的踏墊自啟動裝置來實現。

本系統(tǒng)設計時選擇光電漫反射裝置，能夠確保每一個從不同方向走過來的乘客都能被有效的探測到，從而實現自啟動的功能。

3 、系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)組成

圖3 控制系統(tǒng)框圖

由圖3可知，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根據輸入的光電信號是否有效確定高速運行指令的輸出，變頻器根據PLC的高速運行指令控制扶梯的運行速度，完成扶梯的快慢及快慢停循環(huán)運行。

3.2 硬件選型

以自動扶梯變頻非自啟動（快慢循環(huán)）為例，其扶梯控制系統(tǒng)實際需要輸入11點，輸出7點，PLC主控制器采用歐姆龍CPM1A-20CDR-A-V1型PLC。這種機型的PLC配有相應的編程軟件CX-Programmer進行編程及監(jiān)視，不僅可以通過手持編程器對PLC編程，也可在個人PC機上進行編程。在扶梯運行過程中，可通過程序內部輔助繼電器的狀態(tài)監(jiān)控電梯運行狀態(tài)，現場調試十分方便。

變頻器采用匯川公司的MD320變頻器。MD系列變頻器具備完善的輸入輸出接口，全系列獨立風道和散熱器柜內柜外安裝可選，可以提供接近IP54防護要求的解決方案，其系統(tǒng)設計尤其適合恒轉矩負載使用。

4 、系統(tǒng)設計

4.1 變頻控制主電路

圖4 變頻控制主回路

圖4示出主回路主要由主空開ZK、相序保護繼電器JXW、安全接觸器JAQ、運行接觸器JYX、主電機MT等組成。

4.2 PLC輸入輸出口分配

輸入輸出口分配如附表所示。

附表 輸入輸出口分配表

4.3 運行控制回路

圖5為運行控制回路。

圖5 運行控制回路

扶梯的運行控制由PLC與變頻器一起完成。下面以變頻非自啟動（快慢循環(huán)）為例介紹扶梯節(jié)能運行工作原理。

變頻器實時監(jiān)測PLC的輸出信號，從而決定扶梯的下一步運行。例如（1）扶梯的方向控制：當變頻器的端子DI1接收到PLC的信號時，輸出正轉，扶梯實現上行運行;反之，端子DI2有效時，輸出反轉，扶梯實現下行運行。（2）高速運行的控制：變頻器內預先設定好多段速控制的速度頻率，扶梯以節(jié)能低速待機運行時，只有運行接觸器（JYX）吸合，當PLC檢測到光電信號時，輸出高速運行指令信號，此時高速運行接觸器（VN）吸合，變頻器端子DI3有效，扶梯立即平穩(wěn)的加速到設定頻率高速運行。

4.4 典型控制程序設計

下面針對程序中的運行方式、節(jié)能時間控制兩個子程序作重點介紹。

4.4.1 變頻非自啟動（快慢循環(huán)）和自啟動（快慢停循環(huán)）方式的選擇

方式的選擇見圖6。

圖6 快慢循環(huán)和快慢停循環(huán)子程序

只需修改程序中的SET和RSET 的組合，即可實現兩種不同運行方式的切換。

快慢循環(huán)，設置為SET 212.00和RSET 212.01。

快慢停循環(huán)，設置為SET 212.00和SET 212.01。

4.4.2 節(jié)能時間的控制

圖7 節(jié)能時間的子程序

快車運行保持時間，可由上述計數器設定，從而能夠滿足不同提升高度和速度的扶梯使用（見圖7）。

4.5 試驗數據

為了驗證本系統(tǒng)的節(jié)能效果，我們選擇某現場進行測試?，F場曳引電機功率為7.5kW，對比變頻節(jié)能控制與普通Y-△控制的扶梯電量消耗。扶梯有乘客使用與空載運行時，各測試4個小時。實際測試下來采用節(jié)能的扶梯，滿載運行時，耗電25.3kWh，而使用普通Y-△控制扶梯耗電26kWh;空載運行時，耗電1.8kWh，而使用普通Y-△控制扶梯耗電8.4kWh。從這個實例可以看出，變頻節(jié)能控制的扶梯比普通Y-△控制的扶梯節(jié)能22%。

而如果采用無人乘梯時讓扶梯停下來，與改造之前相比可節(jié)能約30%。實際使用中，如果扶梯慢下來或者停下來的時間越長，節(jié)能效果越明顯。

5 、結束語

該設計已經廣泛應用于扶梯的節(jié)能改造，目前已在武漢、上海等大城市有三百多臺被安裝使用。實踐證明，采用基于PLC及變頻器控制的扶梯節(jié)能系統(tǒng)可靠、運行穩(wěn)定，很有效的節(jié)約了用戶的使用成本。

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