王彩霞

WANG Cai-xia

（廣西工業(yè)職業(yè)技術學院，南寧 530001）

0 引言

傳統(tǒng)的自動扶梯都是定速運行的，在節(jié)省增效的大背景下，新型扶梯在出廠時有些己經(jīng)設置有變頻器，而現(xiàn)有扶梯也有一部份進行了節(jié)能改造，根據(jù)使用的控制器和能量回饋方式的不同產(chǎn)生了不同的方案，本文討論的是使用PLR做控制器、變頻器旁路的回饋方案。

1 扶梯節(jié)能原理

變頻扶梯在載客時全速運行，空載時減速運行，扶梯的功率需求P=FV，F(xiàn)是運行阻力，V是扶梯的運行速度，因為運行速度降低，空載時的功率將會減少，這就是變頻扶梯能夠節(jié)能的基本原理。

2 節(jié)能改造方案

2.1 扶梯的電氣原理

扶梯由主電機的鏈輪帶動鏈條運行，扶梯的一個臺階稱為一個梯級，梯級由鏈條帶動，扶梯的運行速度一般為0.5m/s，扶梯主回路可以抽像為互鎖的正反轉(zhuǎn)電路，通過上行接觸器和下行接觸器來控制扶梯的運行方向。

2.2 工作時序

變頻扶梯的工作時序采用“快慢”方案。基本的原則是，有人時高速，高速狀態(tài)下一段時間內(nèi)無人時轉(zhuǎn)入低速，低速狀態(tài)下有人進入時轉(zhuǎn)高速運行。

“快慢停”。有人時高速，高速狀態(tài)下一段時間內(nèi)無人時轉(zhuǎn)入低速，低速狀態(tài)下一段時間內(nèi)還是無人則停機，低速或停機狀態(tài)下有人進入時轉(zhuǎn)高速運行。

圖1 工作時序示意圖

2.3 方案介紹

自動扶梯節(jié)能方案大致如下。在電梯的兩端安裝紅外傳感器用于感知乘客，扶梯在無人乘坐時低速運行，乘客進入扶梯時開始全速運行，乘客離開扶梯后延時一段時間，扶梯轉(zhuǎn)為低速運行。低速15～20Hz，全速為工頻的50Hz。

圖2 節(jié)能方案示意圖

改造的基本要求：保留原來的工頻方式，增加變頻方式，兩種方式的切換用一個轉(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)，目的是在變頻器檢修時能減少停機時間。

主回路增加兩個接觸器用于工頻/變頻方式的切換，變頻器的正反轉(zhuǎn)從原來的正反轉(zhuǎn)接觸器取信號，設高速和低速兩檔，由端子給定。扶梯電控箱一般放在扶梯桁架上平行段的下部。

3 設計和實施

3.1 人員檢測開關的選擇

系統(tǒng)設計的關鍵是人員檢測開關的選擇，一般來說可選擇的開關有觸點踏板、微波開關和紅外光電開關，觸點踏板施工時不方便，而微波開關成本較高，現(xiàn)在使用較多的是漫反射型紅外光電開關。

漫反射式光電開關工作原理：它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經(jīng)過時，物體將光電開關發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關就產(chǎn)生了開關信號。

漫反射式光電開關的特點：

非接觸式檢測：檢測是無接觸式的，所以不會損傷檢測物體，也不受檢測物體的影響。

不受材質(zhì)的影響：由于是采用對檢測對象的表面進行反射及光透過方式，可以對金屬、玻璃、塑料、木制物體、液體等各種物質(zhì)進行檢測。

響應速度快：由于無機械運動，所以能對高速運動的物體進行檢測，響應時間為毫秒級，作為檢測開關使用時可以達到很小的延時。

3.2 回饋能量的處理

電梯下行時電機處于發(fā)電狀態(tài)，電機發(fā)出的電能聚集在變頻器直流回路中，引起直流母線電壓升高，如果不釋放這些能量，變頻器的保護回路會起動跳閘，使變頻器停機。

處理電機回饋至直流母線的電能有三種方法。

全變頻方案：在直流母線加裝制動電阻，采用能耗制動的方法消耗回饋能量。

旁路變頻方案：將電機直接與電網(wǎng)連接，能量直接回饋至電網(wǎng)，同時切除變頻器。

逆變回饋方案：用回饋單元把直流母線中的電能逆變成交流電后送回電網(wǎng)。由于需要加裝逆變單元，成本比較高。

三種方案中旁路變頻成本最低，節(jié)能效果與逆變回饋相當，是目前應用最多的方案。旁路變頻方案在扶梯上行時全變頻運行，扶梯下行且全速運行時工頻運行，扶梯下行的其它時段變頻低速運行。

綜合比較后，旁路變頻的經(jīng)濟效益最好，我們決定采用旁路變頻方案。

3.3 控制器的選擇

在以往的改造方案中使用最多的控制器是PLC，Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器。早期的PLC主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制，隨著技術的發(fā)展，這種采用微型計算機技術的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，隨著功能的增加，價格也相應的提高。

現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了一種比PLC更簡單的控制器PLR，Programmable Logic Relay，可編程邏輯繼電器，在國內(nèi)俗稱萬控器，PLR又回歸到早期PLC的道路上來，功能有所縮減，運算速度也降低了，價格比PLC更便宜，相當于簡化版的PLC。PLR保留了PLC與邏輯控制有關的大部份功能，正如其名稱所說，是一臺智能的繼電器。PLR在代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器系統(tǒng)時功能與PLC相當，但性價比更好。市場上比較有名的PLR有西門子的LOGO系列，羅克韋爾的PICO系列。

本次設計采用臺灣東元電機的SG2系列PLR，產(chǎn)品主要特點如下。

1）機種齊全：10/12/20點交、直流主機，模擬量輸入、繼電器或晶體管輸出皆可選擇。

2）I/O 點數(shù)最大可擴充達44點。繼電器輸出電流容量最高可達8A，晶體管輸出電流達0.5A。

3）中文液晶顯示屏和操作按鍵，方便調(diào)試和檢修。

4）可選擇梯形圖命令(Ladder)或功能塊(FBD)編輯模式。

5）主機內(nèi)建MODBUS（RTU格式）通訊接口。便于設備聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

選擇SG2微型控制器在保證功能和可靠性的前提下可以進一步降低成本，具體型號選擇如下。

型號：SG2-12HR-D，DI：6，DO：4（relay），POWER：DC24V

3.4 變頻器的選擇

變頻器選用深圳英威騰電氣的CHE100系列開環(huán)矢量型變頻器，可以使用開環(huán)矢量控制方式，開環(huán)矢量控制可以提供比傳統(tǒng)的V/F方式更好的靜態(tài)調(diào)速精度、更大的低頻出力，相比閉環(huán)矢量來說，開環(huán)矢量不需要給電機加裝測速編碼器，因而使用起來更方便。CHE100還內(nèi)置MODBUSRTU通信接口，為將來系統(tǒng)升級，實現(xiàn)遠程監(jiān)控提供了基礎。

3.5 系統(tǒng)設計

3.5.1 主電路

采用旁路變頻方案，用兩個接觸器KM1和KM2在變頻和工頻兩種方式間切換。因為變頻器的輸出不能直接連接到電網(wǎng)，否則會引起變頻器保護電路動作而停機，所以KM1和KM2之間要求嚴格互鎖，設計時應有電氣、機械和軟件互鎖。

圖3 主電路

3.5.2 控制電路

光電開關SQ1和SQ2是一對，分別裝在扶梯的上下平行段的入口處，扶梯上行時，下部光電開關有效，扶梯下行時，上部光電開關有效，就是說PLR的程序只檢測乘客進入扶梯的信號，并不檢測乘客走出扶梯的信號。

工頻/變頻的切換用一個轉(zhuǎn)換開關來進行，開關安裝在電梯運行開關附近，為了防止誤動作，轉(zhuǎn)換開關帶有鑰匙鎖。

控制電路的原理圖如圖4所示，光電開關輸出類型為PNP型。

圖4 控制電路原理圖

3.6 程序設計

扶梯有變頻和工頻兩種運行模式，工頻/變頻狀態(tài)用一個轉(zhuǎn)換開關來切換，變頻方式下扶梯有上行和下行兩個運行方向，扶梯下行時工頻運行，扶梯上行時變頻運行。

3.6.1 IO表

控制器的IO表如表1所示。

表1 IO表

3.6.2 梯形圖程序

梯形圖程序如圖5所示。

圖5 梯形圖程序

定時器工作在模式3，延時時間15秒，定時器工作時序如圖6所示。

圖6 工作時序圖

3.7 變頻器調(diào)試

因為采用開環(huán)矢量控制方式，在開始調(diào)試時要進行電機參數(shù)識別，參數(shù)識別由變頻器自動完成。變頻器的主要參數(shù)取值和含義如表2所示。

表2 變頻器主要參數(shù)

4 結(jié)束語

自動扶梯節(jié)能改造后的優(yōu)點：

1）采用PLR與變頻器控制組合，功能強，改造成本小。

2）節(jié)能明顯，自動扶梯節(jié)能改造后，使得原來扶梯運行時“有人沒人一個樣”變成“有人沒人不一樣”，同時采用旁路變頻方案，將電機直接與電網(wǎng)連接，能量直接回饋至電網(wǎng)，實現(xiàn)了節(jié)能，具有顯著的經(jīng)濟效益。

3）減少機械磨損，由于轉(zhuǎn)速下降，機械部件磨損明顯減少，降低了易損件的維護費用，相對延長了的扶梯使用壽命。

[1]何喬治.自動扶梯與自動人行道基本結(jié)構及安裝維修[M].北京:中國電力出版社,2004.

[2]英威騰電氣股份有限公司.CHE型變頻器說明書[M].深圳:英威騰電氣股份有限公司,2010.

[3]臺灣東元電機.SG2微型控制器說明書[M].臺灣:臺灣東元電機集團,2007.