基于PLC的自動(dòng)扶梯多功能變頻節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

　　自動(dòng)扶梯廣泛應(yīng)用于大型商場、超市、機(jī)場、地鐵、賓館等場合。大多數(shù)扶梯在客流量大的時(shí)候，工作于額定的運(yùn)行狀態(tài)，在沒有乘客時(shí)仍以額定速度運(yùn)行，具有耗能大、機(jī)械磨損嚴(yán)重、使用壽命低等缺點(diǎn)。采用PLC與變頻控制相結(jié)合的節(jié)能控制系統(tǒng)，已成為自動(dòng)扶梯控制技術(shù)的發(fā)展方向。

　　帶有節(jié)能效果的自動(dòng)扶梯具有以下特點(diǎn)：

　?。?）無人乘梯時(shí)，扶梯自動(dòng)平穩(wěn)過渡到節(jié)能運(yùn)行，以1/5額定速度運(yùn)行（可以選擇當(dāng)無人乘梯時(shí)，扶梯自動(dòng)停止的功能）;

　?。?）有人乘梯時(shí)，扶梯立即自動(dòng)平穩(wěn)過渡到額定速度運(yùn)行;

　?。?）由于節(jié)能運(yùn)行時(shí)速度很低，機(jī)械部分的磨損大大降低，相對延長了扶梯的使用壽命;

　?。?）變頻技術(shù)的采用大大降低了扶梯啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊。

　　目前節(jié)能扶梯大多形式和功能單一，僅能實(shí)現(xiàn)簡單的快慢循環(huán)或快停循環(huán)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)是快慢循環(huán)和快慢停循環(huán)是可以通過程序進(jìn)行自由選擇的，系統(tǒng)同時(shí)集成了上下梯級遺失、防驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈、防逆轉(zhuǎn)及故障保護(hù)輸出等功能，并可通過程序內(nèi)部輔助繼電器的狀態(tài)監(jiān)控扶梯運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)場調(diào)試十分方便。

2 自動(dòng)扶梯變頻節(jié)能控制方式

　　2.1 變頻非自啟動(dòng)（快慢循環(huán)）

　　2.1.1 功能描述

　　通過增加變頻器來控制扶梯運(yùn)行的速度，當(dāng)梯上有乘客時(shí)，扶梯以高速運(yùn)行（例如額定速度），提高客流量，當(dāng)乘客檢測裝置在一段時(shí)間內(nèi)沒有檢測到乘客通過時(shí)，扶梯開始減速轉(zhuǎn)為低速運(yùn)行（例如0.2m/s，參數(shù)可設(shè)置），此時(shí)一直處于待機(jī)運(yùn)行中，即為非自啟動(dòng)節(jié)能。

　　2.1.2 運(yùn)行狀態(tài)描述

　　變頻控制，無人時(shí)低速，有人時(shí)高速。高速運(yùn)行時(shí)間記為TQ，可通過PLC程序進(jìn)行設(shè)置，具體時(shí)間根據(jù)梯的提升高度和速度而定。

　　2.1.3 運(yùn)行步驟

　?。?） 當(dāng)扶梯上電停止等待，有方向（比如上行）開始運(yùn)行時(shí)，此時(shí)扶梯以低速開始節(jié)能運(yùn)行進(jìn)入待機(jī)等待。

　?。?） 下機(jī)房乘客檢測裝置檢測是否有人通過，當(dāng)有人通過時(shí)，控制器內(nèi)部的高速運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器（記為TC）清零，此時(shí)扶梯開始緩慢加速至高速運(yùn)行。

　?。?）高速運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器（記為TC）開始計(jì)數(shù)，當(dāng)TC

　?。?） 當(dāng)有一段時(shí)間沒人乘梯即TC≥TQ時(shí)，扶梯又開始減速進(jìn)入低速運(yùn)行待機(jī)等待狀態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)行。

　　圖1為自動(dòng)扶梯快慢循環(huán)控制時(shí)序圖。

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圖1 自動(dòng)扶梯快慢循環(huán)控制時(shí)序圖

　　2.1.4 功能實(shí)現(xiàn)

　　安裝在扶梯入口處的乘客檢測裝置檢測是否有人乘梯。

　　2.2 變頻自啟動(dòng)（快慢停循環(huán)）

　　2.2.1 功能描述

　　通過增加變頻器來控制扶梯運(yùn)行的速度，當(dāng)梯上有乘客時(shí)，扶梯以高速運(yùn)行（例如額定速度），提高客流量，當(dāng)乘客檢測裝置在一段時(shí)間內(nèi)沒有檢測到乘客通過時(shí)，扶梯開始減速轉(zhuǎn)為低速運(yùn)行（例如0.2m/s，參數(shù)可設(shè)置），當(dāng)乘客檢測裝置在一段時(shí)間內(nèi)又沒檢測到乘客乘梯時(shí)，扶梯開始進(jìn)入停止運(yùn)行等待狀態(tài)，即為自啟動(dòng)節(jié)能。

　　2.2.2 運(yùn)行狀態(tài)描述

　　變頻控制，長時(shí)間無人乘梯時(shí)停止，有人乘梯時(shí)高速運(yùn)行。高速運(yùn)行時(shí)間記為TQ，低速運(yùn)行時(shí)間TS，兩個(gè)參數(shù)可通過PLC程序進(jìn)行設(shè)置，具體時(shí)間根據(jù)梯的提升高度和速度而定。

　　2.2.3 運(yùn)行步驟

　?。?） 當(dāng)扶梯上電停止等待，有方向（比如上行）開始運(yùn)行時(shí)，此時(shí)扶梯進(jìn)入上行停止等待運(yùn)行中。

　?。?） 下機(jī)房光電檢測裝置檢測是否有人通過，當(dāng)有人通過時(shí)，控制器內(nèi)部的高速運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器（記為TC）清零，此時(shí)扶梯開始緩慢加速至高速運(yùn)行。

　?。?） 高速運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器（記為TC）開始計(jì)時(shí)，當(dāng)TC

　?。?）當(dāng)有一段時(shí)間沒人乘梯即TC≥TQ時(shí)，扶梯開始減速進(jìn)入低速運(yùn)行狀態(tài)中。

　?。?） 低速運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器（記為TSC）開始計(jì)時(shí)，當(dāng)TSC< TS時(shí)，若此時(shí)有人進(jìn)入，TC清零重新開始計(jì)時(shí)，扶梯加速至高速運(yùn)行狀態(tài)，又進(jìn)入高速運(yùn)行狀態(tài)中。

　?。?） 當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)沒人乘梯即TSC≥TS時(shí)，扶梯停止運(yùn)行進(jìn)入等待中，如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)行。

　　圖2為自動(dòng)扶梯快慢停循環(huán)控制時(shí)序圖。

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圖2 自動(dòng)扶梯快慢停循環(huán)控制時(shí)序圖

　　2.2.4 功能實(shí)現(xiàn)

　　安裝在扶梯入口處的乘客檢測裝置檢測是否有人乘梯。但是為了確保乘客的安全，按照GB16899-1997《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》的要求：自啟動(dòng)的扶梯，應(yīng)在該使用者走到梳齒相交線之前啟動(dòng)運(yùn)行，故乘客檢測裝置應(yīng)滿足以下要求：

　　（1） 檢測裝置應(yīng)滿足的要求

　　·光束，應(yīng)設(shè)置在梳齒相交線之前至少1.3m外;

　　·觸點(diǎn)踏墊，其外緣應(yīng)設(shè)置在梳齒相交線之前至少1.8m處，沿運(yùn)行方向的觸點(diǎn)踏墊長度至少為0.85m。施加在其表面為25mm2的任何點(diǎn)上的載荷達(dá)到150N之前就應(yīng)作出響應(yīng)。

　?。?） 在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可選擇

　　· 安裝在扶手進(jìn)出口處的光電漫發(fā)射裝置;

　　·安裝在蓋板進(jìn)口處的光柱;

　　·安裝在蓋板下的踏墊自啟動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)。

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選擇光電漫反射裝置，能夠確保每一個(gè)從不同方向走過來的乘客都能被有效的探測到，從而實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)的功能。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 控制系統(tǒng)組成

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圖3 控制系統(tǒng)框圖

　　由圖3可知，該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：電源、PLC、變頻器等。PLC是控制系統(tǒng)的核心，PLC根據(jù)輸入的光電信號是否有效確定高速運(yùn)行指令的輸出，變頻器根據(jù)PLC的高速運(yùn)行指令控制扶梯的運(yùn)行速度，完成扶梯的快慢及快慢停循環(huán)運(yùn)行。

　　3.2 硬件選型

　　以自動(dòng)扶梯變頻非自啟動(dòng)（快慢循環(huán)）為例，其扶梯控制系統(tǒng)實(shí)際需要輸入11點(diǎn)，輸出7點(diǎn)，PLC主控制器采用歐姆龍CPM1A-20CDR-A-V1型PLC。這種機(jī)型的PLC配有相應(yīng)的編程軟件CX-Programmer進(jìn)行編程及監(jiān)視，不僅可以通過手持編程器對PLC編程，也可在個(gè)人PC機(jī)上進(jìn)行編程。在扶梯運(yùn)行過程中，可通過程序內(nèi)部輔助繼電器的狀態(tài)監(jiān)控電梯運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)場調(diào)試十分方便。[1]

　　變頻器采用匯川公司的MD320變頻器。MD系列變頻器具備完善的輸入輸出接口，全系列獨(dú)立風(fēng)道和散熱器柜內(nèi)柜外安裝可選，可以提供接近IP54防護(hù)要求的解決方案，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤其適合恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載使用。[2]

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　4.1 變頻控制主電路

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圖4 變頻控制主回路

　　圖4示出主回路主要由主空開ZK、相序保護(hù)繼電器JXW、安全接觸器JAQ、運(yùn)行接觸器JYX、主電機(jī)MT等組成。

　　4.2 PLC輸入輸出口分配

　　輸入輸出口分配如附表所示。

　　附表 輸入輸出口分配表

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　　4.3 運(yùn)行控制回路

　　圖5為運(yùn)行控制回路。

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圖5 運(yùn)行控制回路

　　扶梯的運(yùn)行控制由PLC與變頻器一起完成。下面以變頻非自啟動(dòng)（快慢循環(huán)）為例介紹扶梯節(jié)能運(yùn)行工作原理。

　　變頻器實(shí)時(shí)監(jiān)測PLC的輸出信號，從而決定扶梯的下一步運(yùn)行。例如（1）扶梯的方向控制：當(dāng)變頻器的端子DI1接收到PLC的信號時(shí)，輸出正轉(zhuǎn)，扶梯實(shí)現(xiàn)上行運(yùn)行;反之，端子DI2有效時(shí)，輸出反轉(zhuǎn)，扶梯實(shí)現(xiàn)下行運(yùn)行。（2）高速運(yùn)行的控制：變頻器內(nèi)預(yù)先設(shè)定好多段速控制的速度頻率，扶梯以節(jié)能低速待機(jī)運(yùn)行時(shí)，只有運(yùn)行接觸器（JYX）吸合，當(dāng)PLC檢測到光電信號時(shí)，輸出高速運(yùn)行指令信號，此時(shí)高速運(yùn)行接觸器（VN）吸合，變頻器端子DI3有效，扶梯立即平穩(wěn)的加速到設(shè)定頻率高速運(yùn)行。

　　4.4 典型控制程序設(shè)計(jì)

　　下面針對程序中的運(yùn)行方式、節(jié)能時(shí)間控制兩個(gè)子程序作重點(diǎn)介紹。

　　4.4.1 變頻非自啟動(dòng)（快慢循環(huán)）和自啟動(dòng)（快慢停循環(huán)）方式的選擇

　　方式的選擇見圖6。

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圖6 快慢循環(huán)和快慢停循環(huán)子程序

　　只需修改程序中的SET和RSET 的組合，即可實(shí)現(xiàn)兩種不同運(yùn)行方式的切換。

　　快慢循環(huán)，設(shè)置為SET 212.00和RSET 212.01。

　　快慢停循環(huán)，設(shè)置為SET 212.00和SET 212.01。

　　4.4.2 節(jié)能時(shí)間的控制

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圖7 節(jié)能時(shí)間的子程序

　　快車運(yùn)行保持時(shí)間，可由上述計(jì)數(shù)器設(shè)定，從而能夠滿足不同提升高度和速度的扶梯使用（見圖7）。

　　4.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的節(jié)能效果，我們選擇某現(xiàn)場進(jìn)行測試?，F(xiàn)場曳引電機(jī)功率為7.5kW，對比變頻節(jié)能控制與普通Y-△控制的扶梯電量消耗。扶梯有乘客使用與空載運(yùn)行時(shí)，各測試4個(gè)小時(shí)。實(shí)際測試下來采用節(jié)能的扶梯，滿載運(yùn)行時(shí)，耗電25.3kWh，而使用普通Y-△控制扶梯耗電26kWh;空載運(yùn)行時(shí)，耗電1.8kWh，而使用普通Y-△控制扶梯耗電8.4kWh。從這個(gè)實(shí)例可以看出，變頻節(jié)能控制的扶梯比普通Y-△控制的扶梯節(jié)能22%。

　　而如果采用無人乘梯時(shí)讓扶梯停下來，與改造之前相比可節(jié)能約30%。實(shí)際使用中，如果扶梯慢下來或者停下來的時(shí)間越長，節(jié)能效果越明顯。

5 結(jié)束語

　　該設(shè)計(jì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于扶梯的節(jié)能改造，目前已在武漢、上海等大城市有三百多臺被安裝使用。實(shí)踐證明，采用基于PLC及變頻器控制的扶梯節(jié)能系統(tǒng)可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，很有效的節(jié)約了用戶的使用成本。