自动扶梯的节能研究

常德职业技术学院 杨建中

一、自动扶梯应用市场现状

(一)扶梯使用广泛

自动扶梯是公共场所运送乘客的最典型设备，广泛应用于大型商场、超市、机场、火车站、地铁站、宾馆等场合。具有方便、快捷，运输量大等优点，给人们的出行带来了极大的方便。

(二)普遍存在的问题

大多数扶梯在客流量大的时候，工作于额定的运行状态，在没有乘客时仍以额定速度运行，具有耗能大、机械磨损严重、使用寿命低等缺点。采用PLC与变频器相结合的节能控制系统，能很好地克服以上缺点，并将成为自动扶梯控制的发展方向。

二、节能系统功能介绍

(一)节能原理分析

智能节能自动扶梯在正常运送乘客的过程中不具备节能的作用，其节能主要发生在无人乘梯阶段，而且其效益是相当可观的。传统扶梯系统在无人乘梯时任然高速运行，而智能自动扶梯在无人乘梯时自动过度到低速运行，甚至过度到停止运行，很显然同等情况(空载)下低速运行的扶梯比高速运行的扶梯节能，停止运行的扶梯比高速运行的扶梯更节能。

(二)两种节能模式介绍

1.快、慢循环非自启动节能模式

通过增加PLC和变频器来控制扶梯运行的速度，当扶梯上有乘客时，扶梯以高速（额定速度）运行，提高客流量，当乘客检测装置在一定时间内没有检测到乘客乘梯时，扶梯开始减速，转为低速运行(例如0.2m/s，参数可设置)，此时扶梯一直处于待机运行中，直到乘客检测装置检测到有乘客通过时，扶梯自动转换成高速运行，即为非自启动节能模式。由PLC和变频器配合实现控制，无人时低速，有人时高速，实现扶梯运行的无人化、智能化、人性化。该模式适合用于客流量较大的场所，节能效果较差。

2.快、慢、停循环自启动节能模式

通过增加PLC和变频器来控制扶梯运行的速度，当梯上有乘客时，扶梯以高速运行，提高客流量，当乘客检测装置在一定时间内没有检测到乘客乘梯时，扶梯开始减速平稳过度到低速运行，当乘客检测装置在一定时间内继续没有检测到乘客乘梯时，扶梯自动停止运行，进入停止等待状态，当乘客检测装置检测到有乘客通过时，扶梯自动启动并平稳过度到高速运行，即为自启动节能模式。由PLC和变频器配合实现控制，有人乘梯时高速运行，短时间无人乘梯时低速运行，长时间无人乘梯时停止运行。实现扶梯的无人化、智能化、人性化运行。该模式适合用于客流量较小的场所，节能效果非常明显。

带有节能控制的智能自动扶梯控制系统有三个核心技术问题：第一是传感技术；第二是变频技术；第三是PLC控制技术。如何解决好这三个问题并使这三项技术有机的结合起来是本节能控制系统的关键。

图1 控制系统框图

图2 自动扶梯快慢循环控制时序图

图3 主要功能控制程序

图4 自动扶梯快慢停循环控制时序图

图5 主要功能控制程序

三、系统采用的主要设备介绍

(一)三相异步电动机调速简介

现在生产的自动扶梯绝大部分没有调速功能，而且扶梯都是由三相异步电动机经变速箱带动运转。根据电机学理论，三相异步电动机的转速公式为：

式中：f为定子的电源频率；p为极对数；n为转速；s为转差率。三相异步电动机的调速方法有：变极调速、变频调速、变转差率调速。

(二)变频器简介

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率电源的控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

(三)PLC简介

PLC是一种专为工业控制环境设计的控制设备，具有超强的抗干扰性和超强的适应环境的能力，兼备控制器和计算机的功能。

四、控制系统设计

(一)控制系统组成

控制系统的组成如图1所示，该系统主要由电源、PLC、变频器以及各种检测和指示等部分组成。PLC是控制系统的核心，PLC根据输入的检测信号确定运行状态指令的输出，变频器根据PLC发出的运行指令控制扶梯的运行速度，自动完成扶梯的快、慢循环运行控制或快、慢、停循环运行控制。

(二)控制功能的实现

智能自动扶梯的运行控制由PLC与变频器一起完成，变频器内预先设定好各速度频率，变频器实时监测PLC的输出信号，从而决定扶梯的下一步运行。管理人员开启扶梯时扶梯首先启动至高速运行状态，然后转换成按照设定的程序自动监控、自动运行状态。扶梯的运行方向由管理人员操作方向选择开关事先选定，扶梯的两端安装完全相同的两套检测系统，选择上行时接通下端的检测系统，选择下行时接通上端的检测系统。系统设置两种运行模式：快、慢循环（节能）模式和快、慢、停循环（超级节能）模式，两种模式的切换由管理人员根据不同时间段的客流量不同，通过操作转换开关来实现。

1.快、慢循环非自启动系统

(1)自动扶梯快、慢循环非自启动控制时序图如图2所示。

PLC实时监测现场客流情况，并根据客流情况发出工作状态信号，变频器实时监测PLC的输出信号，从而决定扶梯的下一步运行速度。

(2)高速向低速切换控制：扶梯开启时定时器(设定为T30)线圈通电计时，乘客进入扶梯信号对其进行复位，当较长时间(可以设定)没有乘客进入扶梯，T30时间到→动作，接通慢速工作辅助继电器M101，扶梯开始平稳减速至低速运行。

(3)低速向高速切换控制：扶梯上行/下行时，扶梯入口(下端/上端)乘客检测装置检测到有人通过时，PLC内部的定时器(设定为T30)复位，接通高速工作辅助继电器M100，此时扶梯开始平稳加速至高速运行。

(4)功能实现控制程序如图3。(M0：系统开启辅助继电器；X010：扶梯上行入口乘客信号；X020：扶梯下行入口乘客信号)。

2.快、慢、停循环自启动系统

(1)自动扶梯快、慢、停循环自启动控制时序图如图4所示。

PLC实时监测现场客流情况，并根据客流情况发出工作状态信号，变频器实时监测PLC的输出信号，从而决定扶梯的下一步运行速度。

(2)高速向低速切换控制：扶梯开启时定时器(记为T30)线圈通电计时，乘客进入扶梯信号对其进行复位，当较长时间(可以设定)没有乘客进入扶梯，T30时间到→动作，接通慢速工作辅助继电器M101，扶梯开始平稳减速至低速运行。

(3)低速向停止切换控制：扶梯低速运行时，当较长时间(可以设定)没有乘客进入扶梯，T31时间到→动作，接通停止工作辅助继电器M102，扶梯开始平稳减速至停止运行。

(4)低速或停止向高速切换控制：扶梯上行/下行时，扶梯入口(下端/上端)乘客检测装置检测到有人通过时，PLC内部的定时器(记为T30、T31)复位，接通高速工作辅助继电器M100，此时扶梯开始平稳加速至高速运行。

(5)功能实现控制程序如图5，M0：系统开启辅助继电器；X010：扶梯上行入口乘客信号；X020：扶梯下行入口乘客信号。

五、节能计算

普通自动扶梯进行智能化节能改进后，可以节约多少电是用户最关心的问题，究竟能节约多少电是由自动扶梯的使用情况决定的：使用率高、客流量大的自动扶梯节能效果不明显，而使用率低、客流量小的自动扶梯节能效果非常明显。改进后智能自动扶梯节能估算方法如下：

(一)百货商场、购物中心等客流量大的场所

在每天约10小时的运行中，约有1小时在白白的浪费电能，以一部11KW的自动扶梯为例，每年节约的电能为：365天×1小时/天×11千瓦=4015(度)，以每度电1元的价格计算，一部11KW的自动扶梯每年节约的金钱约为4015元，节电率约为10%。

(二)建材市场、家具市场、宾馆等客流量小的场所

整天顾客流量都不及百货商场、购物中心，自动扶梯使用率是比较低的，在每天约10小时的运行中，约有4小时在白白的浪费电能，以一部11KW的自动扶梯为例，每年节约的电能为：365天×4小时/天×11千瓦=16060(度)，以每度电1元的价格计算，一部11KW的自动扶梯每年节约的金钱约为16060元，节电率约为40%。

六、总结

带有节能控制的智能自动扶梯具有以下特点和意义：无人乘梯时，扶梯自动平稳过渡到节能运行，以1/5额定速度运行，甚至扶梯自动停止运行，有人乘梯时，扶梯立即自动平稳过渡到额定速度运行；由于节能运行时速度很低，甚至停转，机械部分的磨损大大降低，相对延长了扶梯的使用寿命；同时变频技术的采用大大降低了扶梯启动时对电网的冲击；该智能控制系统具有节能的特点，拥有较好的市场前景，也符合当前建设节能减排、建设节约型社会的需要；该系统成功投入使用后，能推动电梯制造业的发展，自动扶梯的用户也能为顾客提供更加安全、节能、环保、人性化的服务。

[1]张燕宾.变频器应用教程[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2]陈忠华.可编程序控制器与工业自动化系统[M].北京:机械工业出版社,2009.

[3]张运刚.从入门到精通——xx PLC技术与应用[M].北京:人民邮电出版社,2006.