自動扶梯踏板故障的改造

楊義偉，林葉春，楊柳青，翟寧潔（.上海海事大學，上海 0306；.安徽工業(yè)大學，安徽 馬鞍山 4303）

自動扶梯踏板故障的改造

楊義偉1，林葉春1，楊柳青2，翟寧潔1
（1.上海海事大學，上海 201306；2.安徽工業(yè)大學，安徽 馬鞍山 243032）

受到前一段時間自動扶梯踏板“吞人”事故頻發(fā)的啟發(fā)，文章設計了一套新型的自動扶梯控制系統(tǒng)，主要針對扶梯的非操縱逆轉(zhuǎn)及扶梯出入口處踏板“吞人”故障進行控制系統(tǒng)的優(yōu)化，同時考慮到節(jié)能環(huán)保，故在新系統(tǒng)中運用MM440變頻器實現(xiàn)扶梯調(diào)速運行以實現(xiàn)節(jié)能目標。

自動扶梯；系統(tǒng)優(yōu)化；可編程邏輯控制器；變頻調(diào)速

0　引言

2010年12月14日，深圳地鐵1號線國貿(mào)站一臺正在上行自動扶梯逆轉(zhuǎn)倒溜，導致23名乘客受傷；2011年5月13日，上海“百盛”商場一臺正在上行的電梯出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，導致4名乘客輕傷；2011年7月5日，北京地鐵4號線動物園站一臺正在上行的扶梯突然出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)倒溜，導致1人死亡、3人重傷、27人輕傷[1]；2015年7月26日，湖北荊州市發(fā)生自動扶梯“卷人”事件，導致一人死亡；7月27日，廣西一名一歲多的小朋友手臂被自動扶梯卡住導致重傷[2]。根據(jù)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局特種設備安全監(jiān)管局的相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截止至2015年6月底，全國共發(fā)生電梯事故23起，23人死亡，5人受傷[3]。本該方便人們生活的自動扶梯現(xiàn)在卻成了危害人們生命安全的殺人機器，這給全社會敲響了警鐘。

以上事故中，主要有兩種因素導致自動扶梯故障：一是扶梯的非操縱逆轉(zhuǎn)，另一個是自動扶梯的安保方面的控制有漏洞，同時因大多數(shù)自動扶梯不管客流量是多是少，都已額定速度運行，造成電能的浪費，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，降低使用壽命[4]。因此文章根據(jù)以上兩種電氣故障，結合自動扶梯的節(jié)能及延長使用壽命方面考慮，對原有的自動扶梯控制系統(tǒng)進行改造，設計了一種新型的自動扶梯控制系統(tǒng)[5，6]。

1　新型自動扶梯的運行原理

1.1非操縱逆轉(zhuǎn)保護

非操縱逆轉(zhuǎn)發(fā)生時，驅(qū)動主機從運行速度降速到零，然后反向運轉(zhuǎn)。故利用增量式編碼器來檢測電梯驅(qū)動主機的旋轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)速。正常運行時，A相比B相提前90°；若發(fā)生非操縱逆轉(zhuǎn)，則編碼器先檢測到驅(qū)動主機速度下降隨后B相比A相提前90°，據(jù)此則可以檢測到是否發(fā)生非操縱逆轉(zhuǎn)[7，8]。

圖1　自動扶梯結構圖Fig.1 The structure chart of escalator

1.2自動扶梯控制系統(tǒng)的改造

在此采用人工預先設定運行方向的扶梯[9]，結構如圖1所示。扶梯的上下兩個入出口處利用光電傳感器（S1、S2）檢測乘客，為防止上行（下行）的乘客誤入下行（上行）電梯，在采集S1、S2的輸入信號時，下行電梯啟動的條件是S1先采集到信號；相反上行電梯啟動條件是S2先采集到信號。同時，在入出口處的踏板（B1、B2）下方分別加裝2個電磁鐵M1、M2及限位開關X1、X2。當入口S1檢測到有乘客時，S1啟動入口計數(shù)器C1，入口、出口處的M1、M2同時通電t1秒（時間值可根據(jù)實際情況在程序中設置）以檢測兩踏板B1、B2是否緊固，若B1、B2松動，X1/X2動作，電梯發(fā)出聲光報警，并切斷電梯電源，強制電梯停止運行，若B1、B2正常則繼續(xù)運行；出口S2檢測到有乘客離開時啟動出口計數(shù)器C2；當C2與C1計數(shù)值相同時，說明扶梯上已沒有乘客，則C1、C2清零，至此為一個循環(huán)。

1.3自動扶梯運行流程

1）為防止非操縱逆轉(zhuǎn)，在驅(qū)動主機上添加光電編碼器，對電梯上行和下行，在電路中采用開關互鎖，保證系統(tǒng)的正常運行。在變頻器上加制動電阻以消耗多余能量。

2）S1檢測到第一個乘客時，電梯開始加速，在t2秒（可在程序中設置）內(nèi)有少于N位（可在程序中設置）乘客時，電梯加速到V2（變頻器中設置）并保持此速度運行；在t2秒內(nèi)多于N位乘客時，電梯加速到額定速度V0運行。

3）當C1、C2相同時，說明電梯已經(jīng)沒有乘客，計時器T0開始計時，若t3秒之內(nèi)檢測到乘客時，重新檢測客流量，即重復第3步，若t3秒（程序中設置）之內(nèi)沒有乘客，電梯速度降到V1；速度降到V1后計時器T1開始計時t4秒，t4秒之內(nèi)有乘客則重復第三步；若t4秒之后沒有檢測到乘客，在客流量較大的情況下，例如地鐵、火車站等，沒有乘客時，電梯保持極低的速度V1（變頻器中設置）運行；在客流量相對較小的情況下延時t4秒后電梯停機，以節(jié)省電能及減少器件機械摩擦損耗。

2　系統(tǒng)設計

2.1PLC的選擇

根據(jù)自動扶梯控制系統(tǒng)的實際情況，PLC的輸入信號有：1）上行光電傳感器Sl；2）下行光電傳感器Xl；3）上行限位開關X1；4）下行限位開關X2；5）緊急停止信號；6）變頻器故障信號；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）上行輸入信號；11）下行輸入信號；12）光電編碼器A相信號；13）光電編碼器B相信號；14）復位信號。PLC輸出信號：1）上行電磁鐵M1；2）下行電磁鐵M2；3）上行輸出信號；4）下行輸出信號；5）低速輸出信號；6）中速輸出信號；7）全速輸出信號；8）變頻器輸出信號；9）抱閘輸出信號；10）上行工頻輸出信號；11）下行工頻輸出信號；12）檢修輸出信號；13）警鈴信號；14）報警燈信號；15）工頻輸出信號。由上可知，PLC一共需要的I/O點數(shù)為29個，在為PLC預留一些I/O口，綜合考慮，選用S7-200系列CPU224XP，其輸入輸出點數(shù)為24個，因此在擴展一個EM223模塊，一共40個I/O口，完全滿足設計需要。

2.2變頻器選擇

變頻器選用西門子MM440系列變頻器，它是用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列。具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。脈寬調(diào)制頻率高，因此電動機運行的噪聲低。且易于安裝、調(diào)試，模塊化設計具有多個繼電器輸出和模擬量輸出。具有過壓/欠壓保護，變頻器/電動機過熱保護，接地故障保護及電動機保護等特性。因此，采用這款變頻器用于控制自動扶梯的驅(qū)動電機是十分理想的。

2.3自動扶梯主電路設計

結合自動扶梯變頻調(diào)速的實際情況及特點，設計以下電路結構[10]，如圖2所示。為了防止接觸器KM0、KM1、KM2同時閉合導致驅(qū)動主機M燒壞，故圖中QS為雙向開關，QS撥到QS0時為“變頻模式”，此時若KM0閉合，變頻器接入電路，電梯在變頻器控制下自動切換速度；QS撥到QS1時為“市電模式”，電梯以額定速度運行。若電梯運行時變頻器故障，緊急情況下電梯切換到此模式以維持電梯繼續(xù)運行，其中KM1閉合時為上行，KM2閉合時為下行[11]。

圖2　自動扶梯主電路Fig.2 The main circuit diagram of escalator

2.4自動扶梯控制電路的設計

控制電路如圖3所示，其中輸入部分：SL為上行光電傳感器，XL為下行光電傳感器，X1/X2為限位開關，F(xiàn)F為變頻器故障信號，SG、XG分別為上下行工頻，BK為抱閘輸入信號，X、S分別為上行、下行輸入信號。輸出部分：Q0.0-Q0.5分別為低速、中速、全速輸出、檢修輸出、上行、下行，Q0.6-Q1.4分別為上行工頻、下行工頻、電磁鐵M1/M2、抱閘輸出、變頻輸出、工頻輸出。Q1.5為報警燈、Q1.6為警鈴輸出。

3　改造后的效果

在實驗室模擬電梯運行的情況下，光電傳感器SL/XL有信號輸入時，電磁鐵M1/M2通電，B1/B2松動導致限位開關X1/X2動作，此時系統(tǒng)自動斷電并抱閘鎖死，電動機固定在原位；當強制電動機反向時，系統(tǒng)自動斷電保持；電動機能夠根據(jù)傳感器檢測信號自動調(diào)速；系統(tǒng)能夠在變頻器故障時自動切換到工頻模式。

4　結論

圖3　控制電路圖Fig.3 Diagram of control circuit

本文設計的新型自動扶梯控制系統(tǒng)基本完成了預計目標，實現(xiàn)了在故障發(fā)生時自動停機并保持，自動完成調(diào)速等功能。但因條件有限，本系統(tǒng)并未真正用于自動扶梯，同時本系統(tǒng)還有不甚完善的地方，在以后的研究學習中有待改進。本系統(tǒng)僅供電梯行業(yè)參考以減少電梯事故的發(fā)生。

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Improvement of Escalator Pedal Fault

YANG Yi-wei1, LIN Ye-chun1, YANG Liu-qing2, ZHAI Ning-jie1
(1.Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2.Anhui University of Technology, Anhui 243032, China)

Recently, the traditional escalator failures frequent. In response to this, a new escalator control system has been designed based on the S7-200, which used for retrofitting the antiquated system that may result in the unintentional reversal of direction and devouring people on the escalatorpedal. In addition to this, the MM440 has been applied to saving energy and steplessspeed control.

Escalator; System Optimize; PLC(Programmable Logical Controller); Stepless Speed Control

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.10.007

YANG Yi-wei, LIN Ye-chun, YANG Liu-qing, et al. Improvement of Escalator Pedal Fault[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（10）: 38-41.

楊義偉（1991-），男，漢，上海海事大學在讀碩士研究生，主要研究方向：電氣及自動化、機器人及其應用；林葉春（1967-），男，漢，上海海事大學，副教授，主要研究方向：電力電子及其電力傳動；楊柳青（1996-），男，漢，安徽工業(yè)大學，主要研究方向：材料工程；翟寧潔（1990-），女，漢，上海海事大學，碩士研究生，主要研究方向：英語筆譯。

本文引用格式：楊義偉，林葉春，楊柳青，等.自動扶梯踏板故障的改造[J]. 新型工業(yè)化，2015，5（10）：38-41.