摘要：該設計采用MM440變頻器和西門子PLC的控制組合，構成的調速系統對傳統扶梯進行改造，使扶梯具備平穩啟動、節能運行和檢修運行功能。扶梯啟動時，避免產生很大的啟動電流；無人乘梯時，扶梯由額定運行速度轉為低速運行，即節約了能源，減小了機械損耗，也為乘客明確了扶梯運行方向；扶梯檢修時，檢修運行功能保證了扶梯檢修精度。

引言

消費者是當今社會的主流群體，目前他們對購物環境、購物氣氛、購物功能的要求越來越高，且普遍期望“大型”、“規模化”的商業場所出現。在帶動經濟不斷發展的百貨公司，機場、地鐵、火車站等場所自動扶梯應運而生。

在過去扶梯拖動的控制普遍采用傳統繼電器控制方式，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單、直觀。但繼電器控制回路觸點較多，造成接線比較復雜，運行故障比較多，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現許多附加的先進功能；扶梯工作時，無論有無乘客都處于額定的運行狀態，具有能耗大、機械磨損嚴重、使用壽命低等缺點。隨著扶梯的自動化及安全性能要求的逐漸提高，而自動扶梯控制系統還采用傳統的繼電器控制已不能滿足高性能的要求。因此，采用PLC與變頻器相合的穩定、方便、節能控制系統，已成為自動扶梯控制技術的發展方向。

1設計要求

在扶梯上下兩端各裝一對立桿，此桿用來安裝固定紅外感應開關和扶梯上下行指示標識。另外在扶梯上端對桿上還要安裝一對鑰匙開關，一個是節電和市電模式切換開關，另一個是上行、停止、下行模式選擇開關(曳引機安裝在扶梯上端電井內，故開關就近選擇安裝)。當節電/市電切換開關選擇市電時，自動扶梯開、停、上下行方式與未改造前一致。當節電/市電開關選擇節電時，扶梯自帶啟動開關、上下行開關無效，此時扶梯運行方向由安裝在立桿上的上行/停止/下行開關來選擇控制。扶梯由紅處感應開關啟動。當有人走上扶梯時，首先會觸發紅外傳感器開關。當系統檢測到紅外傳感器開關信號時，電梯就會被啟動，并開始計時。在計時期間，如果有第二個人走上扶梯，系統會重新計時，直到設定時間結束，電梯便會自動進入低速運行

1.1外觀改造和工作流程

自動扶梯外觀改造如圖1：

扶梯工作流程如圖2：

1.1.2如何實現：

該系統主要由以下幾部分組成：電源、PLC、變頻器等。PLC是控制系統的核心，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運行。

自動扶梯主控制流程圖如下圖3所示：

2硬件和軟件設計

2.1硬件配置

硬件主要采用西門子s7-200CPU226可編程控制器和西門子MM440變頻器、LHI878型號的人體熱釋電紅外傳感器，電機選用常用的4極Y225S-4型的三相交流感應電動機等控制組合，具有功能強、改造工作量小等優點。硬件配置如圖四：

圖4

2.2軟件配置

PLC是工業自動化應用技術的三大支柱之一，自從它誕生以來得到了廣泛的使用。在工業自動化應用技術領域，速度調節和控制是經常用到的環節。變頻器具有高效的驅動性能和良好的控制特性，在提高控制質量、減少維護費用和節能方面都取得了明顯的經濟效益。在這些場合，變頻器所發揮的作用是其他任何控制設備和裝置都不能取代的。

作為主控制器的PLC和作為執行及檢測器件（設備或裝置）的變頻器之間須相互配合，共同完成控制任務。PLC可以控制變頻器的頻率給定信號，以使變頻器輸出相應的速度控制曲線，控制工藝指標；變頻器上的檢測信號和其他智能控制信號也可以接入PLC，完成系統的報警和速度控制，比如通過變頻器控制電機的啟動、停止及正、反轉。

電氣系統組成以后，為了實現最優控制，還需精心編制PLC的控制程序。在PLC的控制程序中，需要進行處理的邏輯信號首先是安全回路檢測信號，該信號用來判斷扶梯安全回路是否存在故障，以及故障存在的位置，它是自動扶梯安全運行的重要保證。其次還要檢測扶梯的停止、上行、下行、檢修、潤滑等信號。然后通過對這些輸入信號的處理，給出相應的運行狀態顯示和報警等信號，所有這些控制信號的給出，都是PLC根據各種輸入信號通過控制程序處理實現的。這些程序之間必須協調一致、判斷合理，才能完成自動扶梯的整體控制。

2..2.1

PLC的I/O分配如下：

2.2.2利用西門子STEP7軟件編寫PLC梯形圖程序進行速度控制，梯形圖如圖5所示：

啟動扶梯后，PLC不斷檢測光電傳感器的電脈沖信號的輸入。以判斷是否有人需要乘座扶梯來控制變頻器進行正常速度運行或低速運行。在扶梯正常速度運行期間，如再無光電脈沖信號則系統延時120秒(乘客自一端至另一端)自動轉入低速運行。如安裝在扶梯出入口處的傳感器檢測到有乘客乘梯，則扶梯速度馬上平緩地升至額定速度．如乘客繼續進入扶梯．扶梯將一直以額定速度正常運行。當電梯在額定速度運行時，如無乘客乘梯，扶梯由額定速度自動降為約五分之一額定速度爬。

自傳感器有輸出，開始計時，若不到2分鐘，又下次輸出，重新計時，直到計時完成。

圖5

2.2.3

檢修運行狀態，按上/下檢按鈕，扶梯以1/2額定速度運行如圖六。

圖6

2.3節能分析

目前常規的自動扶梯空載時仍是額定速度運行,具有耗能大,機械磨損大,使用壽命低等缺點。例如吉林國貿購物中心有16部扶梯,每部扶梯電功率8kW,每部扶梯日耗電70KWh左右,每部扶梯每天無人空載時間累計約5小時。如果扶梯在無人空載時停運或緩行,將大大減少用電量。如果將扶梯運行方式由每天連續恒速運行改為有人乘梯時正常恒速運行,無人乘梯時慢速行駛或停止,就能實現節電的目的。參考了大量資料,覺得這種方式完全可以實現。

經過研究試驗,在扶梯電氣控制線路加裝變頻器。采用變頻調速方式控制自動扶梯運行,使扶梯具備平穩啟動、節能運行。無人乘梯時,扶梯由額定運行速度轉為低速運行,既節約了能源,又減小了機械磨損。當乘客走近時,扶梯啟動以正常速度運行;乘客離開后,扶梯減速變為慢速運行或停止,等待下一位乘客。如果乘客連續不斷,扶梯便連續以正常速度運行,直到最后一位乘客離開扶梯。

現在生產的自動扶梯絕大部分沒有調速功能,而且扶梯都是由三相異步電動機經變速箱帶動機械部件運轉。根據電機學理論,交流電動機的轉速公式為：(5.1)

式中：f為定子的電源|穩壓器頻率;p為極對數;n為轉速;s為轉差率。

①改變電動機極對數p可以改變電機轉速,這是交流雙速電動機采用的調速方法。

②通過調整定子繞組電壓大小來改變轉差率s達到調速目的,這是交流調速電動機采用的調速方法。

③改變定子電源頻率f也可達到調速目的,但f最大不能超過電動機額定頻率,電梯作為恒轉距負載,調速時為保持最大轉距不變,根據轉距公式：(5.2)

式中：Cm為電機常數;I為轉子電流;φ為電機氣隙磁通;cosφ為轉子功率因數,必須保持φ恒定。又根據電壓公式：

(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;k為電機常數,必須保持U/f為常數,又根據電機拖動原理,轉速之比等于頻率之比,等于電壓之比,等于功率之比。

即

(5.4)

即變頻器必須兼備變壓、變頻兩種功能,這就是變頻電梯的基本控制原理。

2.4經濟效益分析：

將已有的恒速扶梯改成變頻調速扶梯,考慮到電機不加改動,對于原有的電機,經過驗證,最有效的節能辦法就是加裝變頻器。通過變頻器來改變電源頻率實現調速的目的。

例如：自動扶梯電機為2對極單速電機,根據公式(4.1)，當轉差率變化不大時,n基本上正比于f。扶梯恒速時f=50Hz,電機轉速：

n=60×50/2=1500,即每分鐘1500轉。

扶梯慢行時f=20Hz,電機轉速:

n=60×20/2=600,即每分鐘600轉。

當電機的額定電壓為380V,頻率為50Hz時,經過變頻器改變頻率后,頻率為原頻率的40%,即20Hz時,送到電機的電壓則變成：

U1=(380V×20Hz)/50Hz=152V

根據公式(3.4)得出P1=0.4P0

因而電機所耗費的電功率也為原功率的40%。

根據上面的推算,一臺8kW的電動機,每天運行11小時,每度電費為1元,那么它每天的電費為：

1×11×8×0.8=70.4元。

安裝變頻器后,如果每天慢速運行的時間為全天的50%的話,那么每天慢行所耗費的電費為：

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=49.28元。

安裝變頻器后每天節電為：70.4-49.28=21.12元。

通過電能表計量實際節電平均每天20kWh左右。

可見，自動扶梯節能改造的設備費用與電能節約和機械磨損的費用相比，投入不大，投資回報率可觀。

3結論

自動扶梯在酒店、地鐵、火車站、寫字樓等場所應用較多，但因其使用場合的特殊，部分扶梯常處于空轉，當今社會能源匱乏，自動扶梯空載狀態運轉是一種巨大的浪費，并且會使扶梯部件(如電機、減速箱、扶手帶等)產生不必要的磨損及疲勞損傷。因此，自動扶梯進行節能改造，硬件方面系統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、改造工作量小等優點。

該自動扶梯節能控制系統具有可移植性高、結構簡單、使用方便、功耗低、可靠性強等特點，節省電能達30%～50%左右，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]陳伯時，陳敏遜，交流調速系統.機械工業出版社.2005.

[2]劉美俊，變頻器應用與維護技術.中國電力出版社.2008.

[3]周志敏，周紀海，紀愛華，變頻調速系統設計與維護.中國電力出版社.2007.

[4]毛懷新，電梯與自動扶梯技術檢驗.學苑出版社.2007.

[5]王冬青，常見電梯電路和注解圖集，北京:人民郵電出版社發行，2004

[6]顧繩谷.電機及拖動基礎.機械工業出版社.2004.

[7]周志敏，周紀海，紀愛華.變頻調速系統設計與維護.中國電力出版社.2007.

[8]王旭光.開放性實驗指導書.

[9]西門子PLC通用變頻器MM440使用手冊

[10]西門子PLC系列微型可編程控制器使用手冊

[11]王永華等.現代電氣控制及PLC應用技術.北京航空航天大學出版社.2003.

[12]張洪潤.傳感器應用設計300例.北京航空航天出版社.2007.

[13]楊公源.常用變頻器應用實例.電子工業出版社.2006.