基于单片机和变频器的自动扶梯节能设计

李威++程哲++黄斌

【摘 要】随着社会经济的发展，大型商场和超市中自动扶梯的使用量不断增加。单速运行模式的自动扶梯在运行中均以额定速度运行，具有能耗大的缺点。本文采用单片机和变频器控制技术对自动扶梯进行节能设计，利用软件设计实现自动扶梯的智能运行模式运行，即无人乘梯时低速或停止运行。有效地节约了电能，具有良好的经济效益和示范效应。

【关键词】自动扶梯；单片机；变频器；节能

Escalator energy-saving design based on Microcontroller and Inverter

Li Wei，Cheng Zhe，Huang Bin

（Branch of SuZhou， Special equipment safety supervision inspection institute of JiangSu province Suzhou Jiangsu 215031）

【Abstract】With the social economy development， the amount of escalators increased in shopping malls and supermarkets. Escalator of single-speed run at rated speed which waste a lot of electric power. In this article， Use microcontroller and inverter control technology to design the energy-saving escalator， simultaneously use software design to realize escalator intelligent run mode， that is， slow running or stop when no passenger. All of the above the design save energy effectively， with good economic and demonstration effect.

【Key words】Escalator；Microcontroller；Inverter；Energy-saving

1. 引言

自动扶梯是指动力驱动，利用沿固定线路运行的梯级，进行升降运送人、货物的机电设备。广泛应用于地铁、车站、商场、宾馆等公共场所。在人流量较少的场所自动扶梯运行在额定负载下的情况很短，因而自动扶梯存在长期低载甚至空载运行的状况，造成电力资源严重浪费，极大地增加了机械磨损。因此，本文中自动扶梯的节能控制技术就尤为急需、重要。

2. 自动扶梯节能设计原理

（1）本文设计的自动扶梯节能控制系统采用单片机与变频器相结合的方式对自动扶梯进行节能控制 [1] [2]，其基本原理为单片机控制器根据检测到的乘客信号进行相应的延时，然后对变频器发出相应的控制信号，从而改变自动扶梯的运行速度以达到节能的目的。其原理图如图1所示。

图1 原理图

图2 控制器实物图

（2）初始自动扶梯以额定速度运行，当没有检测到乘客信号时，经过一定时间的延时（可根据需要设定为30～180 s），自动扶梯进入节能速度运行状态，速度可根据需要设定在0. 05～0. 25m /s。然后再经过相应延时（5min）且沒有检测到乘客信号，自动扶梯进入节能停止状态。当检测到乘客信号自动扶梯即恢复至额定速度运行；在此期间如果有乘客陆续进入，则自动复位计时延长运行时间，以保证将所有的乘客运达。当经过一段时间没有检测到乘客信号，自动扶梯又进入节能模式。这样自动扶梯通过单片机和变频器来调节运行速度以达到节能，同时减少机械损耗。

3. 单片机控制系统的设计

3.1 硬件设计。

（1）该系统采用PHILIPS公司生产的ARM芯片作为主芯片，其具有46路通用I/O口，大容量控制代码存储器，CAN通讯接口等，有强大的系统扩展与功能开发能力。同时具有可靠性高，抗干扰能力强，价格便宜等优点。控制器实物图如图2所示。

（2）自动扶梯节能控制系统框图，如图3所示。

图3 系统框架图

图4 输入电路图

（3）该系统是以LPC2119单片机控制器为核心 [3]。其大致可分为3 个部分：信号控制回路，变频器，电动机。信号控制回路由输入端、输出端、信号控制部分组成的，输入信号由安装在自动扶梯上下部的光电传感器提供，当检测到乘客进入自动扶梯时，控制器输入端（图4）就接收到光电传感器信号，经由控制部分处理分析，由继电器输出端（图5）输出段速1给变频器，变频器给出额定速度信号给电动机，由于采用的是变频驱动，使速度的转换以无级平滑缓慢的效果完成，过度时间长达5 s，即使扶梯上有乘客站立，也不会因速度的变化带来任何的危险和不适。完成输送乘客以后，当一段时间检测不到乘客信号，控制器输出段速2给变频器，变频器给出节能速度信号给电动机。

图5 输出电路图

图6 程序流程图

3.2 软件设计。

自动扶梯运行后若无人使用时到预设的时间（F2-11菜单对应时间），若自动扶梯无人使用时延时停机的延时时间大于变频方式下空闲时节能运行输出的延时时间（F2-9菜单对应的时间）时，自动扶梯首先进入低速节能运行方式 [4]，到“自动扶梯无人使用时延时停机的延时时间”时间到时，停机；若自动扶梯无人使用时延时停机的延时时间（F2-11菜单对应时间）小于变频方式下空闲时节能运行输出的延时时间（F2-9菜单对应的时间）时，自动扶梯立即停机；此后遇到乘客时，根据乘客进入方向（由两个入口感应点判断）自动启动自动扶梯（停止时）或者转换为高速运行（低速运行时）。运行过程中如果上下行钥匙开关连续动作3次（3秒内）且动作方向与电梯运行方向一致时，电梯保持最后运行方向运行，持续到停机为止。其程序流程图如图6所示：

4. 变频器

由图3可知，变频器的主要作用是用来调整自动扶梯的转速，同时可以起到平稳自动扶梯启动、停止的作用。其变速信号有控制器给出。本文选用安川公司的F7电梯专用变频器，专为电梯控制而设计，其内部调速曲线种类十分齐全，设定参数非常方便，通过菜单设置不同的频率即可实现调速功能。

5. 节能效果分析

（1）自动扶梯配备单片机和变频器节能调速系统后，节能效果明显。

根据公式：

f=n*p/60

式中 f——频率；n——转速； p——极对数，按2对计算。

（2）由公式可知频率与电动机转速成正比，自动扶梯以额定速度运行时，电机转速n=1500r/min，频率f=1500×2/60=50Hz，自动扶梯以节能速度运行时f=20Hz。当驱动电机的额定电压为380 V，频率为50Hz时，经过变频调速系统改变频率后，频率变为原频率的40%，则送到电机的电压变为原电压的40%，即152V。

根据电动机功率计算公式：

P=√3UIcosθη

其中P——电机输出功率；U——额定电压；I——额定电流；

cosθ——功率因数；η——效率。

（3）由公式可得电动机功率与电压成正比。从而得出P1=0.4P，故驱动电机所耗费的电功率也为原功率的40%。

（4）以本系统安装在某城市地铁站为例，某站台共安装8台提升高度为6m的配备节能变频控制系统的自动扶梯，假设空转运行时间为6 小时，则日节约电量为8台×6h×11KW×60%=316.8KW·h；年节约电量365×316.8=115632KW·h。

6. 结语

实践证明，自动扶梯节能控制系统采用单片机与变频器相结合的控制方式，将扶梯的运行状态由单速形式升级为变频无级调速形式，以实现无乘客时自动进入慢速或停止状态，有乘客时自动平稳地进入正常运行状态。该系统经运行测试，总体节能30%以上，节能效果明显；同时减少机械损耗，具有明显的经济效益和良好的社会效益。

参考文献

[1] 白建昌，回晓明.变频器调速自动扶梯工频与低频切换策略分析[J].中国特种设备安全，2014年01期.

[2] 钱洪，姜培基. 自动扶梯的能耗分析及节能控制研究[J].中国特种设备安全，2014年05期.

[3] 何 宏. 单片机原理与接口技术[M].北京：国防工业出版社，2006年.

[4] 郝曉弘，张 萍.VS-616G5变频器在电梯调速控制系统中的应用[J].微计算机信息，2006年22期.