自动扶梯电气控制系统设计

郭艳君，王大一

（1.山东英才学院，山东 济南 250000；2.大庆油田有限责任公司第四采油厂，黑龙江 大庆 163000）

自动扶梯电气控制系统设计

郭艳君1，王大一2

（1.山东英才学院，山东 济南 250000；2.大庆油田有限责任公司第四采油厂，黑龙江 大庆 163000）

摘 要：传统自动扶梯耗能大、寿命短、节能效果不理想。为此本文针对自动扶梯设计了一套基于西门子S7-200PLC和MM440变频器的节能控制系统，并采用组态王远程监控控制自动扶梯方案，及对自动扶梯节能效果进行分析。经运行测试，该系统运行可靠，达到预期节能效果。

关键词：自动扶梯；PLC；变频器；节能；组态王

本文引用格式：郭艳君，王大一.自动扶梯电气控制系统设计[J].新型工业化，2015，5(4)：61-66

0　引言

目前，在大型商场、火车站、机场、宾馆、地铁等场所，自动扶梯已经得到了广泛应用，而且，自动扶梯还将普遍应用于楼层较少、空间较大、客流量较多的公共场合，自动扶梯在当今社会上已是必不可少的公共运输设施。但经随访调查，商场营业时间，自动扶梯的使用率一般在60%左右，商务楼宇则更低，一般在30%左右[1]，而大多数自动扶梯不管客流量是多还是少，都以额定速度运行，这就造成了电能的浪费，远远达不到节能的效果，而且还会加剧自动扶梯机械部分的磨损程度，降低使用寿命。所以，针对自动扶梯的这些缺点，本文设计出一套基于PLC和变频器的节能控制系统，并采用组态王来远程控制和监控自动扶梯的运行。

1　自动扶梯节能运行原理

本系统节能自动扶梯运行特点如下：

（1）刚启动自动扶梯时，扶梯以额定速度（全速）运行，运行一段时间后，若无人乘坐扶梯，扶梯自动切换到节能运行（为额定速度的1/5，节能速度可在变频器参数中设置）。

（2）在扶梯运行期间，扶梯入口处的光电装置检测到有乘客使用扶梯，则此时PLC定时器自动清零并重新计时。当扶梯以高速运行时，如果在20秒内（时间长短可在PLC程序中修改）少于8人（人数可在PLC程序中修改）使用扶梯，说明客流量不是很大，则自动扶梯自动降到中速运行（为额定速度的4/5，该速度可在变频器参数中设置）。若在20秒内至少有8人乘坐扶梯，则扶梯继续以额定速度运行。

（3）在扶梯以中速运行期间，若光电装置检测到在20秒内有至少8人乘坐扶梯，则扶梯自动切换到高速运行状态；若在20秒内少于8人乘坐扶梯，则扶梯继续以中速运行；若运行一段时间，无人使用扶梯，扶梯自动切换到节能运行。

（4）当扶梯处于节能运行时，若在20秒内有少于8人使用扶梯，则扶梯自动切换到中速运行，若在20秒内有多于8人使用扶梯，则扶梯自动切换到额定速度运行。之后若无乘客，扶梯又自动切换到节能运行，如此循环。

因为该系统使自动扶梯的节能运行速度很慢，从而可大大降低扶梯机械部分的磨损程度，提高扶梯使用寿命。当无人时扶梯自动切换到节能运行，既不耽误乘客的宝贵时间又节省了电能。而且该系统采用变频器驱动电动机，不仅提高了乘坐扶梯时的舒适程度还大大减少了电动机刚启动时对电网的冲击，减少无功损耗[3]。

2　自动扶梯系统设计

2.1PLC的选择

根据该自动扶梯系统设计的实际情况，PLC的输入信号有：（1）上行输入信号；（2）下行输入信号；（3）急停输入信号；（4）上行光电开关输入信号；（5）下行光电开关输入信号；（6）变频输入信号；（7）上行工频输入信号；（8）下行工频输入信号；（9）抱闸输入信号；（10）上行检修输入信号；（11）下行检修输入信号。PLC的输出信号有：（1）低速输出信号；（2）中速输出信号；（3）高速输出信号；（4）检修输出信号；（5）上行输出信号；（6）下行输出信号；（7）抱闸输出信号；（8）变频输出输出信号；（9）上行工频输出信号；（10）下行输出信号。如上所列，共需PLC的I/O点数为21个，再为PLC的I/O点数留些余量，可选择西门子S7-200CPU224，其输入输出点总数为24个，其中输入点数14个，输出点数10个，完全符合设计要求。

2.2变频器的选择

由图2(a)的响应面图可以看出：固液比对纤维素酶活力的影响较显著，曲面较陡，随着固液比的增大，纤维素酶活力呈现先快速增加后缓慢降低的趋势；冬凌草与麸皮比对纤维素酶活力的影响不太显著，曲面较缓和，随着冬凌草与麸皮比的增大，纤维素酶活力呈现先增大后减小的趋势。由图2(a)的等高线图可以看出，沿固液比轴向等高线密集，而冬凌草与麸皮比轴向等高线相对稀疏，说明固液比对纤维素酶活力的影响比冬凌草与麸皮比大，等高线呈椭圆形，说明两因素的交互作用较显著。

变频器可选MM440系列变频器，该款变频器易于安装和调试，模块化设计，配置灵活。其脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低[4]。它有快速电流限制功能，能够避免运行中不应有的跳闸，而且具有过电压/欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护等保护措施，用其驱动控制自动扶梯中的三相交流异步电动机是非常理想的。

2.3自动扶梯主电路设计

根据自动扶梯变频调速的特点及实际情况，设计出其主电路图如图1所示。图1中，刀开关QS控制整个电路的通断，电抗器L抑制变频器输入电流重高次谐波成分带来的不良影响，熔断器FU保护变频器过电流[5]。为了防止接触器KM1和KM2或KM3同时闭合导致过高电压击坏变频器以及KM2和KM3同时闭合导致烧坏电动机，在PLC的输入端采用三向开关CIS来避免这种事故发生。设定好扶梯运行方向（比如上行），合上刀开关QS和把三向开关CIS拨向变频输出后，线圈KM1得电，接触器主触点KM1闭合，扶梯以自动切换速度方式运行。若运行过程中变频系统出现故障，为了保证扶梯能继续运行，此时把三向开关CIS拨向上行工频输出，则线圈KM1失电，线圈KM2得电，接触器主触点KM1断开，主触点KM2闭合，市电直接输入到电动机，扶梯以额定速度运行[6]。此期间，工作人员应尽早排除故障，恢复变频系统正常工作。

图1　主电路图Fig.1 The main circuit diagram

2.4自动扶梯控制电路设计

根据自动扶梯运行的控制要求，设计出控制电路如图2所示：

图2　控制电路图Fig.2 Diagram of control circuit

2.5变频器参数设置

为了实现自动扶梯节能的功能，除了编写PLC程序外，还要在MM440变频器中进行相应的参数设置，其部分参数如表1所示：

表1　变频器部分参数表Table.1 The inverter part parameter table

从表1中参数P1001、P1002、P1003、P1004的设置值可知，自动扶梯节能运行速度为额定速度的1/5，运行速度很慢，可更节能；检修速度为额定速度的1/2，便于检修和观察扶梯机构的运行情况[7]；中速为额定速度的4/5，因为中速和额定速度相差不大，而且变频器是无级平滑升速，所以即使扶梯上有人，也不会让人感到任何的不适和有危险。

3　控制及监控平台

组态软件充分利用Windows的图形功能完善、界面美观的特点，可视化的IE风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进入开发状态，节省时间。在该系统中，采用组态王作为自动扶梯的上位机平台。组态王提供了资源管理式的操作主界面，界面操作灵活易用，利用组态王不仅能够直观方便地控制和监控自动扶梯，还具有远程操作的特点[8]。本系统开发组态王上位机平台的第一步是建立好组态王和PLC的通信，在此用PPI协议即可；接着设置端口号、波特率（9600Kb/s）、数据位等，其必须和PLC的实际情况一致。第二步是制作自动扶梯的控制监控画面，可根据要求自行设计。第三步是建立变量及动画连接，这是开发组态王最重要的一步，应该根据PLC输入的控制量及输出的监控量的实际情况来建立变量，此次通过监控PLC输出寄存器的通断电状态来监控自动扶梯的运行情况[9]。本系统组态王的控制监控画面如图3所示。

图3　控制监控画面Fig.3 Control of monitoring

在该系统中，假设让扶梯正常上行，则只需在控制平台开启“启动”开关，再点击“变频”及“上行”按钮即可。自动扶梯即按照所定功能运行，其根据乘客人数自动在“节能运行”、“中速运行”和“全速运行”之间切换，在正常情况下，操作人员无需再进行任何操作。

4　节能效果分析

某大型商场自动扶梯的功率为7.5KW，营业时间为10:00~22:00，通过本系统监控平台的“历史速度曲线”可了解到该商场营业一天自动扶梯的客流量情况。“历史速度曲线”如图4所示：

图4　历史速度曲线图Fig.4 The history of velocity curve

图4中，白线表示传统扶梯的运行速度，其从商场开始营业至营业结束一直以高速运行。红线表示节能自动扶梯一天根据客流量大小自动切换速度的情况，从该图可测出节能自动扶梯一天内高速运行时间为1.8h，中速运行时间为4.3h，低速运行时间为5.9h。该扶梯高速运行输出功率为7.5KW，中速运行输出功率为6.1KW,低速运行输出功率为1.8KW。则传统扶梯一天消耗的电能为：

7.5KW×12h=90KWh(度)

一年消耗的电能为：

90KWh×365=32850KWh(度)

节能自动扶梯一天消耗的电能为：

7.5KW×1.8h＋6.1KW×4.3h＋1.8KW×5.9h=50.35KWh(度)

一年消耗的电能为：

50.35KWh×365=18377.75KWh(度)

通过比较分析可知节能自动扶梯一年可节省14400多度电。假设按每度电0.5元算，则一年可节省7200多元，可以预见节能自动扶梯的广泛应用将会带来巨大的经济效益和社会效益。

5　结论

该扶梯根据客流量的多少自动在低、中、高三段速之间切换，在不耽误乘客宝贵时间的前提下，能够更加的节能。而且该系统的控制及监控平台采用组态王软件，不仅能够远程操作，还具有操作界面简便直观的特点。该系统经过运行测试，运行安全可靠，达到节能目的。

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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

作者简介：郭艳君(1986-)，女，讲师，研究生，主要研究方向：先进制造技术、机器人技术与应用的研究；王大一(1990-)，男，助理政工师，本科，主要研究方向：石油工程。

*基金项目：国家自然科学基金61305119；山东省优秀中青年科学家奖励基金BS2013ZZ006。

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