基于PLC自動(dòng)扶梯變頻調(diào)速的設(shè)計(jì)

譚月涵

（長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212）

基于PLC自動(dòng)扶梯變頻調(diào)速的設(shè)計(jì)

譚月涵

（長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212）

文章針對(duì)自動(dòng)扶梯空載運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、能耗損失大、壽命低等特點(diǎn)，研究應(yīng)用PLC與變頻器對(duì)自動(dòng)扶梯運(yùn)行控制，完成控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，通過PLC與變頻器對(duì)自動(dòng)扶梯的控制，使得自動(dòng)扶梯在負(fù)載時(shí)常速運(yùn)行，在空載時(shí)低速運(yùn)行，進(jìn)而降低自動(dòng)扶梯的能耗、磨損量，增加自動(dòng)扶梯的使用壽命。

自動(dòng)扶梯；PLC；變頻器；系統(tǒng)開發(fā)

自動(dòng)扶梯是建筑物中樓層與樓層間極為重要的交通運(yùn)輸設(shè)施，現(xiàn)今在我國(guó)的使用覆蓋率非常大。它在輸送方面的能力非常大，可以持續(xù)輸送乘客，在各大公共場(chǎng)所均安裝有自動(dòng)扶梯，由于它不僅實(shí)用而且美觀，因此被大眾所廣泛接受。為了提升其經(jīng)濟(jì)性，首先必須深入了解其設(shè)計(jì)遵循的原則、關(guān)鍵技術(shù)的參數(shù)、在構(gòu)造上具有的特點(diǎn)等，并對(duì)其進(jìn)行分析。目前，我國(guó)自動(dòng)扶梯的用量已經(jīng)超過了7萬臺(tái)，并且每年正在以10%的速度不斷地增長(zhǎng)。其中，非節(jié)能扶梯占95%以上，每臺(tái)扶梯分別會(huì)有30%～50%不等的間斷性空載現(xiàn)象，這就意味著全國(guó)每年將有極大的電能浪費(fèi)在扶梯上。文章針對(duì)自動(dòng)扶梯應(yīng)用環(huán)境特殊，導(dǎo)致自動(dòng)扶梯長(zhǎng)時(shí)間空載運(yùn)行，造成能耗浪費(fèi)等特點(diǎn)，對(duì)自動(dòng)扶梯的調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)扶梯變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和控制系統(tǒng)軟硬件配置適用于不同系列的自動(dòng)扶梯要求?？刂葡到y(tǒng)是自動(dòng)扶梯的核心部分，負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)自動(dòng)扶梯所有設(shè)備的工作狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)。手動(dòng)、自動(dòng)、遠(yuǎn)程控制自動(dòng)扶梯。

為確保對(duì)變頻電機(jī)的控制，自動(dòng)扶梯由PLC組成的控制系統(tǒng)，控制器連接兩個(gè)磁感應(yīng)傳感器和速度傳感器，用來實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)的控制及與變頻器通信、自動(dòng)扶梯運(yùn)行速度、電機(jī)狀態(tài)顯示等功能。可通過PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線顯示變頻電機(jī)實(shí)時(shí)信息，設(shè)定和修改主控器參數(shù)，控制自動(dòng)扶梯變頻電機(jī)啟停、正反向及轉(zhuǎn)速等，并可以與網(wǎng)絡(luò)中其它智能節(jié)點(diǎn)通訊。

2 變頻調(diào)速原理

現(xiàn)階段自動(dòng)扶梯廣泛使用的有變頻器與普通電機(jī)分離式，變頻器位于控制箱內(nèi)，適用于自動(dòng)扶梯狹小的空間，另一種即變頻電機(jī)一體機(jī)即普通電機(jī)和變頻器成一體，整體體積小，適用于各種自動(dòng)扶梯的場(chǎng)合。其它聯(lián)接方式與普通電機(jī)相似，互換性高，變頻一體機(jī)主要由電機(jī)與變頻器組成。變頻技術(shù)是目前比較流行的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法，通過變頻可以獲得刮板機(jī)所需的任意速度。由轉(zhuǎn)速方程：

式（1）中，ω為轉(zhuǎn)速，rad/s；f為頻率，Hz。

同樣由電動(dòng)機(jī)工作原理所知，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為：

式（2）中，n為異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，r/s；f為定子供電頻率Hz；p為電動(dòng)機(jī)磁極數(shù)；S為轉(zhuǎn)差率%。

變頻技術(shù)通過改變頻率來改變轉(zhuǎn)速，從而使設(shè)備滿足轉(zhuǎn)速要求，在自動(dòng)扶梯運(yùn)行過程中，由于啟動(dòng)時(shí)和負(fù)載所需力矩較大，特別是自動(dòng)扶梯啟動(dòng)力矩相當(dāng)大，但正常工作時(shí)所需要力矩不大，尤其是空載運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成大馬拉小車現(xiàn)象，造成能源浪費(fèi)，所以要求自動(dòng)扶梯在啟動(dòng)時(shí)和負(fù)載較大時(shí)小轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩，當(dāng)空載時(shí)采用低轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩，變頻技術(shù)正是通過改變頻率來改變速度，變頻電機(jī)由于頻率范圍廣，所以可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速功能。變頻控制電

氣原理如圖1所示。

圖1 變頻控制電氣原理圖

3 自動(dòng)扶梯變頻調(diào)速系統(tǒng)組成

自動(dòng)扶梯變頻電機(jī)采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式與PLC控制模塊相連，變頻電機(jī)頻率變化范圍：0～90Hz，5～50Hz以內(nèi)，呈恒轉(zhuǎn)矩特性；50～90Hz，呈恒功率特性。變頻電機(jī)有過溫保護(hù)，當(dāng)變頻驅(qū)動(dòng)器散熱板溫度大于等于70℃時(shí)，停止變頻器運(yùn)行。自動(dòng)扶梯采用變頻調(diào)速電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)，變頻一體電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)具有重載軟啟動(dòng)、無級(jí)調(diào)速節(jié)能、額定頻率下恒扭矩、長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行、提高效率和多重保護(hù)。

本設(shè)計(jì)中采用S7-200PLC、西門子MM420變頻器和西門子SMART LINE觸摸屏來實(shí)現(xiàn)模擬量控制自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)電機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其接線圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的接線圖

本系統(tǒng)中PLC對(duì)變頻器控制采用特殊標(biāo)志位SM0.5和計(jì)數(shù)器進(jìn)行加/減速，計(jì)數(shù)脈沖40次，由于要求電機(jī)以10～50Hz的頻率運(yùn)行，變化范圍為40Hz正好與40次脈沖對(duì)應(yīng)，于是計(jì)數(shù)器每增1或減1，頻率變化1Hz。S7-200PLC系列CPU擴(kuò)展模塊EM235在本設(shè)計(jì)中的輸出電壓為單極性0～10V的模擬量，對(duì)應(yīng)內(nèi)部數(shù)字量為32000，所以頻率值與數(shù)字量的關(guān)系相差640倍。編程時(shí)就需將計(jì)數(shù)器當(dāng)前值加十再乘以640就得到需要轉(zhuǎn)化為模擬電壓的數(shù)字量，然后再賦值給變頻器模擬量控制。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)主要包括完成控制系統(tǒng)之間的通信設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)控制功能的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)等。PLC控制程序運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行初始化，然后采集各類輸入信號(hào)，對(duì)自動(dòng)扶梯運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。若扶梯滿足正常運(yùn)行條件時(shí)，則PLC發(fā)出運(yùn)行指令，自動(dòng)扶梯正常運(yùn)行。當(dāng)扶梯空載運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)通過PLC對(duì)變頻器進(jìn)行控制降低供電頻率，進(jìn)而降低自動(dòng)扶梯運(yùn)行速度，達(dá)到降低能耗目的。

4 結(jié)語

文章應(yīng)用PLC與變頻對(duì)自動(dòng)扶梯運(yùn)行控制，完成控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，通過PLC與變頻器對(duì)自動(dòng)扶梯的控制，使自動(dòng)扶梯在負(fù)載時(shí)常速運(yùn)行，在空載時(shí)低速運(yùn)行，進(jìn)而降低自動(dòng)扶梯的能耗、磨損量，增加自動(dòng)扶梯的使用壽命，根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)，該系統(tǒng)極大降低自動(dòng)扶梯的能耗和磨損，降低用戶的使用成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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Design of Frequency Control of Motor Speed based on PLC Escalator

TAN Yue-han
（Changjiang Engineering Vocational and Technical College，Wuhan，Hubei 430212，China）

Escalator no-load running time is long，the paper researches application of PLC and frequency conversion control of escalator line according to the loss of large energy consumption，low life expectancy，and completes the design of the control system hardware and software，makes the escalator operate normally in the load and run at a low speed with out load through the PLC and inverter control of the escalator so as to reduce the energy consumption and wear as well as increase the service life of the escalator.

escalator；PLC；frequency converter；system development

TM921.51

A

2095-980X（2016）10-0040-02

2016-09-23

譚月涵，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。