自動扶梯電氣控制系統設計

郭艷君，王大一

（1.山東英才學院，山東 濟南 250000；2.大慶油田有限責任公司第四采油廠，黑龍江 大慶 163000）

自動扶梯電氣控制系統設計

郭艷君1，王大一2

（1.山東英才學院，山東 濟南 250000；2.大慶油田有限責任公司第四采油廠，黑龍江 大慶 163000）

摘 要：傳統自動扶梯耗能大、壽命短、節能效果不理想。為此本文針對自動扶梯設計了一套基于西門子S7-200PLC和MM440變頻器的節能控制系統，并采用組態王遠程監控控制自動扶梯方案，及對自動扶梯節能效果進行分析。經運行測試，該系統運行可靠，達到預期節能效果。

關鍵詞：自動扶梯；PLC；變頻器；節能；組態王

本文引用格式：郭艷君，王大一.自動扶梯電氣控制系統設計[J].新型工業化，2015，5(4)：61-66

0　引言

目前，在大型商場、火車站、機場、賓館、地鐵等場所，自動扶梯已經得到了廣泛應用，而且，自動扶梯還將普遍應用于樓層較少、空間較大、客流量較多的公共場合，自動扶梯在當今社會上已是必不可少的公共運輸設施。但經隨訪調查，商場營業時間，自動扶梯的使用率一般在60%左右，商務樓宇則更低，一般在30%左右[1]，而大多數自動扶梯不管客流量是多還是少，都以額定速度運行，這就造成了電能的浪費，遠遠達不到節能的效果，而且還會加劇自動扶梯機械部分的磨損程度，降低使用壽命。所以，針對自動扶梯的這些缺點，本文設計出一套基于PLC和變頻器的節能控制系統，并采用組態王來遠程控制和監控自動扶梯的運行。

1　自動扶梯節能運行原理

本系統節能自動扶梯運行特點如下：

（1）剛啟動自動扶梯時，扶梯以額定速度（全速）運行，運行一段時間后，若無人乘坐扶梯，扶梯自動切換到節能運行（為額定速度的1/5，節能速度可在變頻器參數中設置）。

（2）在扶梯運行期間，扶梯入口處的光電裝置檢測到有乘客使用扶梯，則此時PLC定時器自動清零并重新計時。當扶梯以高速運行時，如果在20秒內（時間長短可在PLC程序中修改）少于8人（人數可在PLC程序中修改）使用扶梯，說明客流量不是很大，則自動扶梯自動降到中速運行（為額定速度的4/5，該速度可在變頻器參數中設置）。若在20秒內至少有8人乘坐扶梯，則扶梯繼續以額定速度運行。

（3）在扶梯以中速運行期間，若光電裝置檢測到在20秒內有至少8人乘坐扶梯，則扶梯自動切換到高速運行狀態；若在20秒內少于8人乘坐扶梯，則扶梯繼續以中速運行；若運行一段時間，無人使用扶梯，扶梯自動切換到節能運行。

（4）當扶梯處于節能運行時，若在20秒內有少于8人使用扶梯，則扶梯自動切換到中速運行，若在20秒內有多于8人使用扶梯，則扶梯自動切換到額定速度運行。之后若無乘客，扶梯又自動切換到節能運行，如此循環。

因為該系統使自動扶梯的節能運行速度很慢，從而可大大降低扶梯機械部分的磨損程度，提高扶梯使用壽命。當無人時扶梯自動切換到節能運行，既不耽誤乘客的寶貴時間又節省了電能。而且該系統采用變頻器驅動電動機，不僅提高了乘坐扶梯時的舒適程度還大大減少了電動機剛啟動時對電網的沖擊，減少無功損耗[3]。

2　自動扶梯系統設計

2.1PLC的選擇

根據該自動扶梯系統設計的實際情況，PLC的輸入信號有：（1）上行輸入信號；（2）下行輸入信號；（3）急停輸入信號；（4）上行光電開關輸入信號；（5）下行光電開關輸入信號；（6）變頻輸入信號；（7）上行工頻輸入信號；（8）下行工頻輸入信號；（9）抱閘輸入信號；（10）上行檢修輸入信號；（11）下行檢修輸入信號。PLC的輸出信號有：（1）低速輸出信號；（2）中速輸出信號；（3）高速輸出信號；（4）檢修輸出信號；（5）上行輸出信號；（6）下行輸出信號；（7）抱閘輸出信號；（8）變頻輸出輸出信號；（9）上行工頻輸出信號；（10）下行輸出信號。如上所列，共需PLC的I/O點數為21個，再為PLC的I/O點數留些余量，可選擇西門子S7-200CPU224，其輸入輸出點總數為24個，其中輸入點數14個，輸出點數10個，完全符合設計要求。

2.2變頻器的選擇

由圖2(a)的響應面圖可以看出：固液比對纖維素酶活力的影響較顯著，曲面較陡，隨著固液比的增大，纖維素酶活力呈現先快速增加后緩慢降低的趨勢；冬凌草與麩皮比對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，纖維素酶活力呈現先增大后減小的趨勢。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稀疏，說明固液比對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試，模塊化設計，配置靈活。其脈寬調制的頻率高，因而電動機運行的噪音低[4]。它有快速電流限制功能，能夠避免運行中不應有的跳閘，而且具有過電壓/欠電壓保護、變頻器過熱保護、接地故障保護、短路保護等保護措施，用其驅動控制自動扶梯中的三相交流異步電動機是非常理想的。

2.3自動扶梯主電路設計

根據自動扶梯變頻調速的特點及實際情況，設計出其主電路圖如圖1所示。圖1中，刀開關QS控制整個電路的通斷，電抗器L抑制變頻器輸入電流重高次諧波成分帶來的不良影響，熔斷器FU保護變頻器過電流[5]。為了防止接觸器KM1和KM2或KM3同時閉合導致過高電壓擊壞變頻器以及KM2和KM3同時閉合導致燒壞電動機，在PLC的輸入端采用三向開關CIS來避免這種事故發生。設定好扶梯運行方向（比如上行），合上刀開關QS和把三向開關CIS撥向變頻輸出后，線圈KM1得電，接觸器主觸點KM1閉合，扶梯以自動切換速度方式運行。若運行過程中變頻系統出現故障，為了保證扶梯能繼續運行，此時把三向開關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KM1斷開，主觸點KM2閉合，市電直接輸入到電動機，扶梯以額定速度運行[6]。此期間，工作人員應盡早排除故障，恢復變頻系統正常工作。

圖1　主電路圖Fig.1 The main circuit diagram

2.4自動扶梯控制電路設計

根據自動扶梯運行的控制要求，設計出控制電路如圖2所示：

圖2　控制電路圖Fig.2 Diagram of control circuit

2.5變頻器參數設置

為了實現自動扶梯節能的功能，除了編寫PLC程序外，還要在MM440變頻器中進行相應的參數設置，其部分參數如表1所示：

表1　變頻器部分參數表Table.1 The inverter part parameter table

從表1中參數P1001、P1002、P1003、P1004的設置值可知，自動扶梯節能運行速度為額定速度的1/5，運行速度很慢，可更節能；檢修速度為額定速度的1/2，便于檢修和觀察扶梯機構的運行情況[7]；中速為額定速度的4/5，因為中速和額定速度相差不大，而且變頻器是無級平滑升速，所以即使扶梯上有人，也不會讓人感到任何的不適和有危險。

3　控制及監控平臺

組態軟件充分利用Windows的圖形功能完善、界面美觀的特點，可視化的IE風格界面、豐富的工具欄，操作人員可以直接進入開發狀態，節省時間。在該系統中，采用組態王作為自動扶梯的上位機平臺。組態王提供了資源管理式的操作主界面，界面操作靈活易用，利用組態王不僅能夠直觀方便地控制和監控自動扶梯，還具有遠程操作的特點[8]。本系統開發組態王上位機平臺的第一步是建立好組態王和PLC的通信，在此用PPI協議即可；接著設置端口號、波特率（9600Kb/s）、數據位等，其必須和PLC的實際情況一致。第二步是制作自動扶梯的控制監控畫面，可根據要求自行設計。第三步是建立變量及動畫連接，這是開發組態王最重要的一步，應該根據PLC輸入的控制量及輸出的監控量的實際情況來建立變量，此次通過監控PLC輸出寄存器的通斷電狀態來監控自動扶梯的運行情況[9]。本系統組態王的控制監控畫面如圖3所示。

圖3　控制監控畫面Fig.3 Control of monitoring

在該系統中，假設讓扶梯正常上行，則只需在控制平臺開啟“啟動”開關，再點擊“變頻”及“上行”按鈕即可。自動扶梯即按照所定功能運行，其根據乘客人數自動在“節能運行”、“中速運行”和“全速運行”之間切換，在正常情況下，操作人員無需再進行任何操作。

4　節能效果分析

某大型商場自動扶梯的功率為7.5KW，營業時間為10:00~22:00，通過本系統監控平臺的“歷史速度曲線”可了解到該商場營業一天自動扶梯的客流量情況?！皻v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，白線表示傳統扶梯的運行速度，其從商場開始營業至營業結束一直以高速運行。紅線表示節能自動扶梯一天根據客流量大小自動切換速度的情況，從該圖可測出節能自動扶梯一天內高速運行時間為1.8h，中速運行時間為4.3h，低速運行時間為5.9h。該扶梯高速運行輸出功率為7.5KW，中速運行輸出功率為6.1KW,低速運行輸出功率為1.8KW。則傳統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)

節能自動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)

通過比較分析可知節能自動扶梯一年可節省14400多度電。假設按每度電0.5元算，則一年可節省7200多元，可以預見節能自動扶梯的廣泛應用將會帶來巨大的經濟效益和社會效益。

5　結論

該扶梯根據客流量的多少自動在低、中、高三段速之間切換，在不耽誤乘客寶貴時間的前提下，能夠更加的節能。而且該系統的控制及監控平臺采用組態王軟件，不僅能夠遠程操作，還具有操作界面簡便直觀的特點。該系統經過運行測試，運行安全可靠，達到節能目的。

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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

作者簡介：郭艷君(1986-)，女，講師，研究生，主要研究方向：先進制造技術、機器人技術與應用的研究；王大一(1990-)，男，助理政工師，本科，主要研究方向：石油工程。

*基金項目：國家自然科學基金61305119；山東省優秀中青年科學家獎勵基金BS2013ZZ006。

Citation: GUO Yanjun, WANG Dayi.Escalator Electrical Control System Design [J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(4): 61?66.