自動扶梯的節能研究

常德職業技術學院 楊建中

一、自動扶梯應用市場現狀

(一)扶梯使用廣泛

自動扶梯是公共場所運送乘客的最典型設備，廣泛應用于大型商場、超市、機場、火車站、地鐵站、賓館等場合。具有方便、快捷，運輸量大等優點，給人們的出行帶來了極大的方便。

(二)普遍存在的問題

大多數扶梯在客流量大的時候，工作于額定的運行狀態，在沒有乘客時仍以額定速度運行，具有耗能大、機械磨損嚴重、使用壽命低等缺點。采用PLC與變頻器相結合的節能控制系統，能很好地克服以上缺點，并將成為自動扶梯控制的發展方向。

二、節能系統功能介紹

(一)節能原理分析

智能節能自動扶梯在正常運送乘客的過程中不具備節能的作用，其節能主要發生在無人乘梯階段，而且其效益是相當可觀的。傳統扶梯系統在無人乘梯時任然高速運行，而智能自動扶梯在無人乘梯時自動過度到低速運行，甚至過度到停止運行，很顯然同等情況(空載)下低速運行的扶梯比高速運行的扶梯節能，停止運行的扶梯比高速運行的扶梯更節能。

(二)兩種節能模式介紹

1.快、慢循環非自啟動節能模式

通過增加PLC和變頻器來控制扶梯運行的速度，當扶梯上有乘客時，扶梯以高速（額定速度）運行，提高客流量，當乘客檢測裝置在一定時間內沒有檢測到乘客乘梯時，扶梯開始減速，轉為低速運行(例如0.2m/s，參數可設置)，此時扶梯一直處于待機運行中，直到乘客檢測裝置檢測到有乘客通過時，扶梯自動轉換成高速運行，即為非自啟動節能模式。由PLC和變頻器配合實現控制，無人時低速，有人時高速，實現扶梯運行的無人化、智能化、人性化。該模式適合用于客流量較大的場所，節能效果較差。

2.快、慢、停循環自啟動節能模式

通過增加PLC和變頻器來控制扶梯運行的速度，當梯上有乘客時，扶梯以高速運行，提高客流量，當乘客檢測裝置在一定時間內沒有檢測到乘客乘梯時，扶梯開始減速平穩過度到低速運行，當乘客檢測裝置在一定時間內繼續沒有檢測到乘客乘梯時，扶梯自動停止運行，進入停止等待狀態，當乘客檢測裝置檢測到有乘客通過時，扶梯自動啟動并平穩過度到高速運行，即為自啟動節能模式。由PLC和變頻器配合實現控制，有人乘梯時高速運行，短時間無人乘梯時低速運行，長時間無人乘梯時停止運行。實現扶梯的無人化、智能化、人性化運行。該模式適合用于客流量較小的場所，節能效果非常明顯。

帶有節能控制的智能自動扶梯控制系統有三個核心技術問題：第一是傳感技術；第二是變頻技術；第三是PLC控制技術。如何解決好這三個問題并使這三項技術有機的結合起來是本節能控制系統的關鍵。

圖1 控制系統框圖

圖2 自動扶梯快慢循環控制時序圖

圖3 主要功能控制程序

圖4 自動扶梯快慢停循環控制時序圖

圖5 主要功能控制程序

三、系統采用的主要設備介紹

(一)三相異步電動機調速簡介

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運轉。根據電機學理論，三相異步電動機的轉速公式為：

式中：f為定子的電源頻率；p為極對數；n為轉速；s為轉差率。三相異步電動機的調速方法有：變極調速、變頻調速、變轉差率調速。

(二)變頻器簡介

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率電源的控制裝置。我們現在使用的變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分組成。

(三)PLC簡介

PLC是一種專為工業控制環境設計的控制設備，具有超強的抗干擾性和超強的適應環境的能力，兼備控制器和計算機的功能。

四、控制系統設計

(一)控制系統組成

控制系統的組成如圖1所示，該系統主要由電源、PLC、變頻器以及各種檢測和指示等部分組成。PLC是控制系統的核心，PLC根據輸入的檢測信號確定運行狀態指令的輸出，變頻器根據PLC發出的運行指令控制扶梯的運行速度，自動完成扶梯的快、慢循環運行控制或快、慢、停循環運行控制。

(二)控制功能的實現

智能自動扶梯的運行控制由PLC與變頻器一起完成，變頻器內預先設定好各速度頻率，變頻器實時監測PLC的輸出信號，從而決定扶梯的下一步運行。管理人員開啟扶梯時扶梯首先啟動至高速運行狀態，然后轉換成按照設定的程序自動監控、自動運行狀態。扶梯的運行方向由管理人員操作方向選擇開關事先選定，扶梯的兩端安裝完全相同的兩套檢測系統，選擇上行時接通下端的檢測系統，選擇下行時接通上端的檢測系統。系統設置兩種運行模式：快、慢循環（節能）模式和快、慢、停循環（超級節能）模式，兩種模式的切換由管理人員根據不同時間段的客流量不同，通過操作轉換開關來實現。

1.快、慢循環非自啟動系統

(1)自動扶梯快、慢循環非自啟動控制時序圖如圖2所示。

PLC實時監測現場客流情況，并根據客流情況發出工作狀態信號，變頻器實時監測PLC的輸出信號，從而決定扶梯的下一步運行速度。

(2)高速向低速切換控制：扶梯開啟時定時器(設定為T30)線圈通電計時，乘客進入扶梯信號對其進行復位，當較長時間(可以設定)沒有乘客進入扶梯，T30時間到→動作，接通慢速工作輔助繼電器M101，扶梯開始平穩減速至低速運行。

(3)低速向高速切換控制：扶梯上行/下行時，扶梯入口(下端/上端)乘客檢測裝置檢測到有人通過時，PLC內部的定時器(設定為T30)復位，接通高速工作輔助繼電器M100，此時扶梯開始平穩加速至高速運行。

(4)功能實現控制程序如圖3。(M0：系統開啟輔助繼電器；X010：扶梯上行入口乘客信號；X020：扶梯下行入口乘客信號)。

2.快、慢、停循環自啟動系統

(1)自動扶梯快、慢、停循環自啟動控制時序圖如圖4所示。

PLC實時監測現場客流情況，并根據客流情況發出工作狀態信號，變頻器實時監測PLC的輸出信號，從而決定扶梯的下一步運行速度。

(2)高速向低速切換控制：扶梯開啟時定時器(記為T30)線圈通電計時，乘客進入扶梯信號對其進行復位，當較長時間(可以設定)沒有乘客進入扶梯，T30時間到→動作，接通慢速工作輔助繼電器M101，扶梯開始平穩減速至低速運行。

(3)低速向停止切換控制：扶梯低速運行時，當較長時間(可以設定)沒有乘客進入扶梯，T31時間到→動作，接通停止工作輔助繼電器M102，扶梯開始平穩減速至停止運行。

(4)低速或停止向高速切換控制：扶梯上行/下行時，扶梯入口(下端/上端)乘客檢測裝置檢測到有人通過時，PLC內部的定時器(記為T30、T31)復位，接通高速工作輔助繼電器M100，此時扶梯開始平穩加速至高速運行。

(5)功能實現控制程序如圖5，M0：系統開啟輔助繼電器；X010：扶梯上行入口乘客信號；X020：扶梯下行入口乘客信號。

五、節能計算

普通自動扶梯進行智能化節能改進后，可以節約多少電是用戶最關心的問題，究竟能節約多少電是由自動扶梯的使用情況決定的：使用率高、客流量大的自動扶梯節能效果不明顯，而使用率低、客流量小的自動扶梯節能效果非常明顯。改進后智能自動扶梯節能估算方法如下：

(一)百貨商場、購物中心等客流量大的場所

在每天約10小時的運行中，約有1小時在白白的浪費電能，以一部11KW的自動扶梯為例，每年節約的電能為：365天×1小時/天×11千瓦=4015(度)，以每度電1元的價格計算，一部11KW的自動扶梯每年節約的金錢約為4015元，節電率約為10%。

(二)建材市場、家具市場、賓館等客流量小的場所

整天顧客流量都不及百貨商場、購物中心，自動扶梯使用率是比較低的，在每天約10小時的運行中，約有4小時在白白的浪費電能，以一部11KW的自動扶梯為例，每年節約的電能為：365天×4小時/天×11千瓦=16060(度)，以每度電1元的價格計算，一部11KW的自動扶梯每年節約的金錢約為16060元，節電率約為40%。

六、總結

帶有節能控制的智能自動扶梯具有以下特點和意義：無人乘梯時，扶梯自動平穩過渡到節能運行，以1/5額定速度運行，甚至扶梯自動停止運行，有人乘梯時，扶梯立即自動平穩過渡到額定速度運行；由于節能運行時速度很低，甚至停轉，機械部分的磨損大大降低，相對延長了扶梯的使用壽命；同時變頻技術的采用大大降低了扶梯啟動時對電網的沖擊；該智能控制系統具有節能的特點，擁有較好的市場前景，也符合當前建設節能減排、建設節約型社會的需要；該系統成功投入使用后，能推動電梯制造業的發展，自動扶梯的用戶也能為顧客提供更加安全、節能、環保、人性化的服務。

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[2]陳忠華.可編程序控制器與工業自動化系統[M].北京:機械工業出版社,2009.

[3]張運剛.從入門到精通——xx PLC技術與應用[M].北京:人民郵電出版社,2006.