郭艷君，王大一

（1.山東英才學(xué)院，山東 濟(jì)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(dòng)扶梯電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭艷君1，王大一2

（1.山東英才學(xué)院，山東 濟(jì)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(dòng)扶梯耗能大、壽命短、節(jié)能效果不理想。為此本文針對(duì)自動(dòng)扶梯設(shè)計(jì)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(yuǎn)程監(jiān)控控制自動(dòng)扶梯方案，及對(duì)自動(dòng)扶梯節(jié)能效果進(jìn)行分析。經(jīng)運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，達(dá)到預(yù)期節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)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(dòng)扶梯電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化，2015，5(4)：61-66

0　引言

目前，在大型商場(chǎng)、火車站、機(jī)場(chǎng)、賓館、地鐵等場(chǎng)所，自動(dòng)扶梯已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，而且，自動(dòng)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(chǎng)合，自動(dòng)扶梯在當(dāng)今社會(huì)上已是必不可少的公共運(yùn)輸設(shè)施。但經(jīng)隨訪調(diào)查，商場(chǎng)營(yíng)業(yè)時(shí)間，自動(dòng)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(dòng)扶梯不管客流量是多還是少，都以額定速度運(yùn)行，這就造成了電能的浪費(fèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到節(jié)能的效果，而且還會(huì)加劇自動(dòng)扶梯機(jī)械部分的磨損程度，降低使用壽命。所以，針對(duì)自動(dòng)扶梯的這些缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)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(lái)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控自動(dòng)扶梯的運(yùn)行。

1　自動(dòng)扶梯節(jié)能運(yùn)行原理

本系統(tǒng)節(jié)能自動(dòng)扶梯運(yùn)行特點(diǎn)如下：

（1）剛啟動(dòng)自動(dòng)扶梯時(shí)，扶梯以額定速度（全速）運(yùn)行，運(yùn)行一段時(shí)間后，若無(wú)人乘坐扶梯，扶梯自動(dòng)切換到節(jié)能運(yùn)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(yùn)行期間，扶梯入口處的光電裝置檢測(cè)到有乘客使用扶梯，則此時(shí)PLC定時(shí)器自動(dòng)清零并重新計(jì)時(shí)。當(dāng)扶梯以高速運(yùn)行時(shí)，如果在20秒內(nèi)（時(shí)間長(zhǎng)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(shuō)明客流量不是很大，則自動(dòng)扶梯自動(dòng)降到中速運(yùn)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(yùn)行。

（3）在扶梯以中速運(yùn)行期間，若光電裝置檢測(cè)到在20秒內(nèi)有至少8人乘坐扶梯，則扶梯自動(dòng)切換到高速運(yùn)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(yùn)行；若運(yùn)行一段時(shí)間，無(wú)人使用扶梯，扶梯自動(dòng)切換到節(jié)能運(yùn)行。

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

因?yàn)樵撓到y(tǒng)使自動(dòng)扶梯的節(jié)能運(yùn)行速度很慢，從而可大大降低扶梯機(jī)械部分的磨損程度，提高扶梯使用壽命。當(dāng)無(wú)人時(shí)扶梯自動(dòng)切換到節(jié)能運(yùn)行，既不耽誤乘客的寶貴時(shí)間又節(jié)省了電能。而且該系統(tǒng)采用變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，不僅提高了乘坐扶梯時(shí)的舒適程度還大大減少了電動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，減少無(wú)功損耗[3]。

2　自動(dòng)扶梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1PLC的選擇

根據(jù)該自動(dòng)扶梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，PLC的輸入信號(hào)有：（1）上行輸入信號(hào)；（2）下行輸入信號(hào)；（3）急停輸入信號(hào)；（4）上行光電開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)；（5）下行光電開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)；（6）變頻輸入信號(hào)；（7）上行工頻輸入信號(hào)；（8）下行工頻輸入信號(hào)；（9）抱閘輸入信號(hào)；（10）上行檢修輸入信號(hào)；（11）下行檢修輸入信號(hào)。PLC的輸出信號(hào)有：（1）低速輸出信號(hào)；（2）中速輸出信號(hào)；（3）高速輸出信號(hào)；（4）檢修輸出信號(hào)；（5）上行輸出信號(hào)；（6）下行輸出信號(hào)；（7）抱閘輸出信號(hào)；（8）變頻輸出輸出信號(hào)；（9）上行工頻輸出信號(hào)；（10）下行輸出信號(hào)。如上所列，共需PLC的I/O點(diǎn)數(shù)為21個(gè)，再為PLC的I/O點(diǎn)數(shù)留些余量，可選擇西門子S7-200CPU224，其輸入輸出點(diǎn)總數(shù)為24個(gè)，其中輸入點(diǎn)數(shù)14個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)10個(gè)，完全符合設(shè)計(jì)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(duì)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(shì)；冬凌草與麩皮比對(duì)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(shì)。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(duì)稀疏，說(shuō)明固液比對(duì)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(shuō)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(jì)，配置靈活。其脈寬調(diào)制的頻率高，因而電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪音低[4]。它有快速電流限制功能，能夠避免運(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘，而且具有過(guò)電壓/欠電壓保護(hù)、變頻器過(guò)熱保護(hù)、接地故障保護(hù)、短路保護(hù)等保護(hù)措施，用其驅(qū)動(dòng)控制自動(dòng)扶梯中的三相交流異步電動(dòng)機(jī)是非常理想的。

2.3自動(dòng)扶梯主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)扶梯變頻調(diào)速的特點(diǎn)及實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出其主電路圖如圖1所示。圖1中，刀開(kāi)關(guān)QS控制整個(gè)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(lái)的不良影響，熔斷器FU保護(hù)變頻器過(guò)電流[5]。為了防止接觸器KM1和KM2或KM3同時(shí)閉合導(dǎo)致過(guò)高電壓擊壞變頻器以及KM2和KM3同時(shí)閉合導(dǎo)致燒壞電動(dòng)機(jī)，在PLC的輸入端采用三向開(kāi)關(guān)CIS來(lái)避免這種事故發(fā)生。設(shè)定好扶梯運(yùn)行方向（比如上行），合上刀開(kāi)關(guān)QS和把三向開(kāi)關(guān)CIS撥向變頻輸出后，線圈KM1得電，接觸器主觸點(diǎn)KM1閉合，扶梯以自動(dòng)切換速度方式運(yùn)行。若運(yùn)行過(guò)程中變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，為了保證扶梯能繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)把三向開(kāi)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(diǎn)KM1斷開(kāi)，主觸點(diǎn)KM2閉合，市電直接輸入到電動(dòng)機(jī)，扶梯以額定速度運(yùn)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(dòng)扶梯控制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)扶梯運(yùn)行的控制要求，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯節(jié)能的功能，除了編寫(xiě)PLC程序外，還要在MM440變頻器中進(jìn)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(dòng)扶梯節(jié)能運(yùn)行速度為額定速度的1/5，運(yùn)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(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況[7]；中速為額定速度的4/5，因?yàn)橹兴俸皖~定速度相差不大，而且變頻器是無(wú)級(jí)平滑升速，所以即使扶梯上有人，也不會(huì)讓人感到任何的不適和有危險(xiǎn)。

3　控制及監(jiān)控平臺(tái)

組態(tài)軟件充分利用Windows的圖形功能完善、界面美觀的特點(diǎn)，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(jìn)入開(kāi)發(fā)狀態(tài)，節(jié)省時(shí)間。在該系統(tǒng)中，采用組態(tài)王作為自動(dòng)扶梯的上位機(jī)平臺(tái)。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(dòng)扶梯，還具有遠(yuǎn)程操作的特點(diǎn)[8]。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)組態(tài)王上位機(jī)平臺(tái)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(hào)、波特率（9600Kb/s）、數(shù)據(jù)位等，其必須和PLC的實(shí)際情況一致。第二步是制作自動(dòng)扶梯的控制監(jiān)控畫(huà)面，可根據(jù)要求自行設(shè)計(jì)。第三步是建立變量及動(dòng)畫(huà)連接，這是開(kāi)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(shí)際情況來(lái)建立變量，此次通過(guò)監(jiān)控PLC輸出寄存器的通斷電狀態(tài)來(lái)監(jiān)控自動(dòng)扶梯的運(yùn)行情況[9]。本系統(tǒng)組態(tài)王的控制監(jiān)控畫(huà)面如圖3所示。

圖3　控制監(jiān)控畫(huà)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(tái)開(kāi)啟“啟動(dòng)”開(kāi)關(guān)，再點(diǎn)擊“變頻”及“上行”按鈕即可。自動(dòng)扶梯即按照所定功能運(yùn)行，其根據(jù)乘客人數(shù)自動(dòng)在“節(jié)能運(yùn)行”、“中速運(yùn)行”和“全速運(yùn)行”之間切換，在正常情況下，操作人員無(wú)需再進(jìn)行任何操作。

4　節(jié)能效果分析

某大型商場(chǎng)自動(dòng)扶梯的功率為7.5KW，營(yíng)業(yè)時(shí)間為10:00~22:00，通過(guò)本系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)的“歷史速度曲線”可了解到該商場(chǎng)營(yíng)業(yè)一天自動(dòng)扶梯的客流量情況。“歷史速度曲線”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(yùn)行速度，其從商場(chǎng)開(kāi)始營(yíng)業(yè)至營(yíng)業(yè)結(jié)束一直以高速運(yùn)行。紅線表示節(jié)能自動(dòng)扶梯一天根據(jù)客流量大小自動(dòng)切換速度的情況，從該圖可測(cè)出節(jié)能自動(dòng)扶梯一天內(nèi)高速運(yùn)行時(shí)間為1.8h，中速運(yùn)行時(shí)間為4.3h，低速運(yùn)行時(shí)間為5.9h。該扶梯高速運(yùn)行輸出功率為7.5KW，中速運(yùn)行輸出功率為6.1KW,低速運(yùn)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(dòng)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(guò)比較分析可知節(jié)能自動(dòng)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(jiàn)節(jié)能自動(dòng)扶梯的廣泛應(yīng)用將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5　結(jié)論

該扶梯根據(jù)客流量的多少自動(dòng)在低、中、高三段速之間切換，在不耽誤乘客寶貴時(shí)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(tái)采用組態(tài)王軟件，不僅能夠遠(yuǎn)程操作，還具有操作界面簡(jiǎn)便直觀的特點(diǎn)。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)行測(cè)試，運(yùn)行安全可靠，達(dá)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(jiǎn)介：郭艷君(1986-)，女，講師，研究生，主要研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)、機(jī)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金61305119；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家獎(jiǎng)勵(lì)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.