自動扶梯電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

郭艷君，王大一

（1.山東英才學(xué)院，山東 濟南 250000；2.大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠，黑龍江 大慶 163000）

自動扶梯電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

郭艷君1，王大一2

（1.山東英才學(xué)院，山東 濟南 250000；2.大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠，黑龍江 大慶 163000）

摘 要：傳統(tǒng)自動扶梯耗能大、壽命短、節(jié)能效果不理想。為此本文針對自動扶梯設(shè)計了一套基于西門子S7-200PLC和MM440變頻器的節(jié)能控制系統(tǒng)，并采用組態(tài)王遠程監(jiān)控控制自動扶梯方案，及對自動扶梯節(jié)能效果進行分析。經(jīng)運行測試，該系統(tǒng)運行可靠，達到預(yù)期節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：自動扶梯；PLC；變頻器；節(jié)能；組態(tài)王

本文引用格式：郭艷君，王大一.自動扶梯電氣控制系統(tǒng)設(shè)計[J].新型工業(yè)化，2015，5(4)：61-66

0　引言

目前，在大型商場、火車站、機場、賓館、地鐵等場所，自動扶梯已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，而且，自動扶梯還將普遍應(yīng)用于樓層較少、空間較大、客流量較多的公共場合，自動扶梯在當(dāng)今社會上已是必不可少的公共運輸設(shè)施。但經(jīng)隨訪調(diào)查，商場營業(yè)時間，自動扶梯的使用率一般在60%左右，商務(wù)樓宇則更低，一般在30%左右[1]，而大多數(shù)自動扶梯不管客流量是多還是少，都以額定速度運行，這就造成了電能的浪費，遠遠達不到節(jié)能的效果，而且還會加劇自動扶梯機械部分的磨損程度，降低使用壽命。所以，針對自動扶梯的這些缺點，本文設(shè)計出一套基于PLC和變頻器的節(jié)能控制系統(tǒng)，并采用組態(tài)王來遠程控制和監(jiān)控自動扶梯的運行。

1　自動扶梯節(jié)能運行原理

本系統(tǒng)節(jié)能自動扶梯運行特點如下：

（1）剛啟動自動扶梯時，扶梯以額定速度（全速）運行，運行一段時間后，若無人乘坐扶梯，扶梯自動切換到節(jié)能運行（為額定速度的1/5，節(jié)能速度可在變頻器參數(shù)中設(shè)置）。

（2）在扶梯運行期間，扶梯入口處的光電裝置檢測到有乘客使用扶梯，則此時PLC定時器自動清零并重新計時。當(dāng)扶梯以高速運行時，如果在20秒內(nèi)（時間長短可在PLC程序中修改）少于8人（人數(shù)可在PLC程序中修改）使用扶梯，說明客流量不是很大，則自動扶梯自動降到中速運行（為額定速度的4/5，該速度可在變頻器參數(shù)中設(shè)置）。若在20秒內(nèi)至少有8人乘坐扶梯，則扶梯繼續(xù)以額定速度運行。

（3）在扶梯以中速運行期間，若光電裝置檢測到在20秒內(nèi)有至少8人乘坐扶梯，則扶梯自動切換到高速運行狀態(tài)；若在20秒內(nèi)少于8人乘坐扶梯，則扶梯繼續(xù)以中速運行；若運行一段時間，無人使用扶梯，扶梯自動切換到節(jié)能運行。

（4）當(dāng)扶梯處于節(jié)能運行時，若在20秒內(nèi)有少于8人使用扶梯，則扶梯自動切換到中速運行，若在20秒內(nèi)有多于8人使用扶梯，則扶梯自動切換到額定速度運行。之后若無乘客，扶梯又自動切換到節(jié)能運行，如此循環(huán)。

因為該系統(tǒng)使自動扶梯的節(jié)能運行速度很慢，從而可大大降低扶梯機械部分的磨損程度，提高扶梯使用壽命。當(dāng)無人時扶梯自動切換到節(jié)能運行，既不耽誤乘客的寶貴時間又節(jié)省了電能。而且該系統(tǒng)采用變頻器驅(qū)動電動機，不僅提高了乘坐扶梯時的舒適程度還大大減少了電動機剛啟動時對電網(wǎng)的沖擊，減少無功損耗[3]。

2　自動扶梯系統(tǒng)設(shè)計

2.1PLC的選擇

根據(jù)該自動扶梯系統(tǒng)設(shè)計的實際情況，PLC的輸入信號有：（1）上行輸入信號；（2）下行輸入信號；（3）急停輸入信號；（4）上行光電開關(guān)輸入信號；（5）下行光電開關(guān)輸入信號；（6）變頻輸入信號；（7）上行工頻輸入信號；（8）下行工頻輸入信號；（9）抱閘輸入信號；（10）上行檢修輸入信號；（11）下行檢修輸入信號。PLC的輸出信號有：（1）低速輸出信號；（2）中速輸出信號；（3）高速輸出信號；（4）檢修輸出信號；（5）上行輸出信號；（6）下行輸出信號；（7）抱閘輸出信號；（8）變頻輸出輸出信號；（9）上行工頻輸出信號；（10）下行輸出信號。如上所列，共需PLC的I/O點數(shù)為21個，再為PLC的I/O點數(shù)留些余量，可選擇西門子S7-200CPU224，其輸入輸出點總數(shù)為24個，其中輸入點數(shù)14個，輸出點數(shù)10個，完全符合設(shè)計要求。

2.2變頻器的選擇

由圖2(a)的響應(yīng)面圖可以看出：固液比對纖維素酶活力的影響較顯著，曲面較陡，隨著固液比的增大，纖維素酶活力呈現(xiàn)先快速增加后緩慢降低的趨勢；冬凌草與麩皮比對纖維素酶活力的影響不太顯著，曲面較緩和，隨著冬凌草與麩皮比的增大，纖維素酶活力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。由圖2(a)的等高線圖可以看出，沿固液比軸向等高線密集，而冬凌草與麩皮比軸向等高線相對稀疏，說明固液比對纖維素酶活力的影響比冬凌草與麩皮比大，等高線呈橢圓形，說明兩因素的交互作用較顯著。

變頻器可選MM440系列變頻器，該款變頻器易于安裝和調(diào)試，模塊化設(shè)計，配置靈活。其脈寬調(diào)制的頻率高，因而電動機運行的噪音低[4]。它有快速電流限制功能，能夠避免運行中不應(yīng)有的跳閘，而且具有過電壓/欠電壓保護、變頻器過熱保護、接地故障保護、短路保護等保護措施，用其驅(qū)動控制自動扶梯中的三相交流異步電動機是非常理想的。

2.3自動扶梯主電路設(shè)計

根據(jù)自動扶梯變頻調(diào)速的特點及實際情況，設(shè)計出其主電路圖如圖1所示。圖1中，刀開關(guān)QS控制整個電路的通斷，電抗器L抑制變頻器輸入電流重高次諧波成分帶來的不良影響，熔斷器FU保護變頻器過電流[5]。為了防止接觸器KM1和KM2或KM3同時閉合導(dǎo)致過高電壓擊壞變頻器以及KM2和KM3同時閉合導(dǎo)致燒壞電動機，在PLC的輸入端采用三向開關(guān)CIS來避免這種事故發(fā)生。設(shè)定好扶梯運行方向（比如上行），合上刀開關(guān)QS和把三向開關(guān)CIS撥向變頻輸出后，線圈KM1得電，接觸器主觸點KM1閉合，扶梯以自動切換速度方式運行。若運行過程中變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，為了保證扶梯能繼續(xù)運行，此時把三向開關(guān)CIS撥向上行工頻輸出，則線圈KM1失電，線圈KM2得電，接觸器主觸點KM1斷開，主觸點KM2閉合，市電直接輸入到電動機，扶梯以額定速度運行[6]。此期間，工作人員應(yīng)盡早排除故障，恢復(fù)變頻系統(tǒng)正常工作。

圖1　主電路圖Fig.1 The main circuit diagram

2.4自動扶梯控制電路設(shè)計

根據(jù)自動扶梯運行的控制要求，設(shè)計出控制電路如圖2所示：

圖2　控制電路圖Fig.2 Diagram of control circuit

2.5變頻器參數(shù)設(shè)置

為了實現(xiàn)自動扶梯節(jié)能的功能，除了編寫PLC程序外，還要在MM440變頻器中進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，其部分參數(shù)如表1所示：

表1　變頻器部分參數(shù)表Table.1 The inverter part parameter table

從表1中參數(shù)P1001、P1002、P1003、P1004的設(shè)置值可知，自動扶梯節(jié)能運行速度為額定速度的1/5，運行速度很慢，可更節(jié)能；檢修速度為額定速度的1/2，便于檢修和觀察扶梯機構(gòu)的運行情況[7]；中速為額定速度的4/5，因為中速和額定速度相差不大，而且變頻器是無級平滑升速，所以即使扶梯上有人，也不會讓人感到任何的不適和有危險。

3　控制及監(jiān)控平臺

組態(tài)軟件充分利用Windows的圖形功能完善、界面美觀的特點，可視化的IE風(fēng)格界面、豐富的工具欄，操作人員可以直接進入開發(fā)狀態(tài)，節(jié)省時間。在該系統(tǒng)中，采用組態(tài)王作為自動扶梯的上位機平臺。組態(tài)王提供了資源管理式的操作主界面，界面操作靈活易用，利用組態(tài)王不僅能夠直觀方便地控制和監(jiān)控自動扶梯，還具有遠程操作的特點[8]。本系統(tǒng)開發(fā)組態(tài)王上位機平臺的第一步是建立好組態(tài)王和PLC的通信，在此用PPI協(xié)議即可；接著設(shè)置端口號、波特率（9600Kb/s）、數(shù)據(jù)位等，其必須和PLC的實際情況一致。第二步是制作自動扶梯的控制監(jiān)控畫面，可根據(jù)要求自行設(shè)計。第三步是建立變量及動畫連接，這是開發(fā)組態(tài)王最重要的一步，應(yīng)該根據(jù)PLC輸入的控制量及輸出的監(jiān)控量的實際情況來建立變量，此次通過監(jiān)控PLC輸出寄存器的通斷電狀態(tài)來監(jiān)控自動扶梯的運行情況[9]。本系統(tǒng)組態(tài)王的控制監(jiān)控畫面如圖3所示。

圖3　控制監(jiān)控畫面Fig.3 Control of monitoring

在該系統(tǒng)中，假設(shè)讓扶梯正常上行，則只需在控制平臺開啟“啟動”開關(guān)，再點擊“變頻”及“上行”按鈕即可。自動扶梯即按照所定功能運行，其根據(jù)乘客人數(shù)自動在“節(jié)能運行”、“中速運行”和“全速運行”之間切換，在正常情況下，操作人員無需再進行任何操作。

4　節(jié)能效果分析

某大型商場自動扶梯的功率為7.5KW，營業(yè)時間為10:00~22:00，通過本系統(tǒng)監(jiān)控平臺的“歷史速度曲線”可了解到該商場營業(yè)一天自動扶梯的客流量情況?！皻v史速度曲線”如圖4所示：

圖4　歷史速度曲線圖Fig.4 The history of velocity curve

圖4中，白線表示傳統(tǒng)扶梯的運行速度，其從商場開始營業(yè)至營業(yè)結(jié)束一直以高速運行。紅線表示節(jié)能自動扶梯一天根據(jù)客流量大小自動切換速度的情況，從該圖可測出節(jié)能自動扶梯一天內(nèi)高速運行時間為1.8h，中速運行時間為4.3h，低速運行時間為5.9h。該扶梯高速運行輸出功率為7.5KW，中速運行輸出功率為6.1KW,低速運行輸出功率為1.8KW。則傳統(tǒng)扶梯一天消耗的電能為：

7.5KW×12h=90KWh(度)

一年消耗的電能為：

90KWh×365=32850KWh(度)

節(jié)能自動扶梯一天消耗的電能為：

7.5KW×1.8h＋6.1KW×4.3h＋1.8KW×5.9h=50.35KWh(度)

一年消耗的電能為：

50.35KWh×365=18377.75KWh(度)

通過比較分析可知節(jié)能自動扶梯一年可節(jié)省14400多度電。假設(shè)按每度電0.5元算，則一年可節(jié)省7200多元，可以預(yù)見節(jié)能自動扶梯的廣泛應(yīng)用將會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

5　結(jié)論

該扶梯根據(jù)客流量的多少自動在低、中、高三段速之間切換，在不耽誤乘客寶貴時間的前提下，能夠更加的節(jié)能。而且該系統(tǒng)的控制及監(jiān)控平臺采用組態(tài)王軟件，不僅能夠遠程操作，還具有操作界面簡便直觀的特點。該系統(tǒng)經(jīng)過運行測試，運行安全可靠，達到節(jié)能目的。

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Escalator Electrical Control System Design

Guo Yanjun1, Wang Dayi2
(1.Shandong Yingcai University, Ji’nan 250000, China; 2.Fourth oil production plant of Daqing oilfield Limited Liability Company, Daqing 163000, China)

Abstract:The traditional escalator which having short life consumes huge amount of energy and the effect of energy saving is not ideal.In response to this an energy saving control system has been designed based on Siemens S7-200PLC and MM440 inverter.The Kingview is taken to remote view and control the escalator and the effect of energy saving has been analyzed.The test has proved that the system is running reliably and can achieve the desired effect of energy saving.

Keywords:escalator; PLC; inverter; energy saving; Kingview

DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.04.09

作者簡介：郭艷君(1986-)，女，講師，研究生，主要研究方向：先進制造技術(shù)、機器人技術(shù)與應(yīng)用的研究；王大一(1990-)，男，助理政工師，本科，主要研究方向：石油工程。

*基金項目：國家自然科學(xué)基金61305119；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家獎勵基金B(yǎng)S2013ZZ006。

Citation: GUO Yanjun, WANG Dayi.Escalator Electrical Control System Design [J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(4): 61?66.