自动扶梯节能运行控制系统设计

自动扶梯节能运行控制系统设计集团档案编码：[YTTR-YTPT28-YTNTL98-UYTYNN08]南京理工大学毕业设计说明书(论文)作者:学号：学院(系):专业:题目:自动扶梯节能运行控制系统设计指导者：评阅者：2012 年 6 月张雯高级实验师南京理工大学毕业设计（论文）评语学生姓名：班级、学号：题目：综合成绩：毕业设计（论文）评语毕业设计说明书（论文）中文摘要毕业设计说明书（论文）外文摘要目录1 绪论国内外研究现状随着人们生活水平的快速提高，自动扶梯作为一种高效、方便、舒适的代步工具，被广泛应用在各种公共场合。

自动扶梯在带给人们便捷的同时，耗能问题也越来越引起广大用户的关心。

由于传统自动扶梯运行时约有20%～40%[1]的能量会以热量的形式被消耗掉,国内有研究人员对自动扶梯运行控制系统进行了研究，希望从控制系统的角度对自动扶梯的运行进行优化控制，以达到节能和减少磨损的目的。

目前自动扶梯上应用的控制系统主要有以下三种: 继电器控制系统、PLC 控制系统和单片机控制系统。

早期的继电器控制系统由于系统不稳定、维修量大等缺点已经逐渐被后两种控制系统所取代。

单片机控制系统虽在智能控制领域有较强的功能，但也存在控制系统编程设计难度大、系统抗干扰性差、维修技术复杂等缺陷。

PLC 控制系统在国内电梯控制领域中已形成主导地位。

在国外，自动扶梯发展迅速，发展历史比较长，扶梯控制技术日益成熟。

世界上第一部以电动机为动力的升降机是美国奥的斯升降机公司于1889年推出的，距今已有一百多年的历史。

随着科技的发展，自动扶梯作为一种便捷快速的载人运输工具而被广泛的应用。

人们对于扶梯运行的平稳、高速、舒适、高效等方面也提出了越来越高的要求。

国外电梯行业发展迅猛，着力在扶梯节能化，运行智能化，控制远程化，元件集成化等方面进行改进和提高。

作为世界电梯主要生产商的日本三菱电梯公司，新推出的Z 系列自动扶梯，设计上采用了简约雅致的设计风格，为用户提供了融入任何建筑装饰的最佳灵活性，基于对自动扶梯安全性的重视，三菱电梯多年来在产品安全性方面积累了丰富的经验，“节能环保、可靠舒适、运行高效”，既符合环保节能、又满足了人性化的技术要求，使得乘用者在使用自动扶梯时，可获得三菱电梯良好的性能保障，体验高品质电梯带来的舒适和便捷。

这样的改进，使得采用变频控制的自动扶梯相对于普通标准型自动扶梯节能90%以上，节能效果非常明显。

由于节能运行时，扶梯处于低速状态，机械零件的磨损大大降低，相对延长了扶梯的使用寿命。

变频技术的使用大大降低了扶梯启动时对电网的影响，确保自动扶梯启动的平滑，舒适，可有效地提高电网的功率因数，减少无功损耗。

自动扶梯结构简介自动扶梯系统是由一台特种结构形式的链式输送机和两台特殊结构形式的带式输送机所组合而成，带有循环的运动梯路，用以在建筑物的不同层高间运载人员上下的连续输送机械，如图1-1。

自动扶梯的主要部件有牵引链条、链轮、梯级、导轨系统、电动机、变速装置、制动器、驱动主轴、梯路张紧设备、扶手、梳板、扶梯骨架和电气系统等。

自动行走的梯级在扶梯入口处进行水平运动，以后逐渐形成阶梯；在接近扶梯出口时再次恢复水平。

这些部件的运动都是通过自动扶梯梯级的主轮、辅轮沿不同的导轨运行来实现的。

该课题研究目的及意义随着经济社会的高度发展，自动扶梯作为一种方便的运输工具，应用场合非常广泛。

随着扶梯需求量的急剧增加, 我国的电梯生产总量也在逐年上升，中国已成为世界上最大的新装电梯市场。

然而在实际使用过程中，电梯的安全事故也是频频曝出，比如今年发生的“北京地铁四号线电梯事故”、“东莞奥的斯电梯事故”“昆明电梯事故”等等，因此自动扶梯的安全、稳定运行就显得尤为重要。

伴随着自动扶梯的广泛应用，其耗能大的问题也逐渐为业主所关心，虽然对于方便顾客和提升服务质量方面起了较大的作用，但由于其使用场合的客流不稳定性，使得自动扶梯在一些时段的实际利用率并不高，经常处于轻载或空载状态，不仅造成了巨大的电能浪费，而且扶梯部件在连续高速运行状态下也产生了较大的磨损及疲劳损伤，容易产生运行故障。

本章小结本章介绍了国内外在自动扶梯控制系统领域研究的最新成果，比较了传统控制方式与节能控制方式的优缺点。

通过对自动扶梯机械结构的简单介绍，分析了自动扶梯的节能对象和可以采取的办法。

对比两种主流节能控制系统，列出了各自的优缺点，单片机偏向于智能控制，但存在系统设计复杂、抗干扰性差、难以掌握其维修技术等缺陷；PLC采用相对简单的梯形图编程语言，具有控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点。

最后结合国内自动扶梯控制系统改造现状以及各大厂商的生产情况，得出PLC 控制在国内电梯控制，特别是节能控制领域应用中的应用将成为趋势。

因此本课题的研究具有很好的实用性和通用性。

2 扶梯控制系统的方案论证在自动化设备广泛应用的今天，自动扶梯的广泛应用，为人们的出行带来了方便。

然而随着人们节能意识的增强，对于自动扶梯节能运行的要求也越来越高。

大多数自动扶梯无论客流量大小，均按照额定速度运行，特别是空载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，容易发生事故等缺点。

常见的节能方法和控制系统的比较目前自动扶梯中运用的节能方法主要有以下3种[3]：（1）自动控制运行方式自动控制运行方式实际上是一种“自动重新启动”的运行控制方式，由自动扶梯控制系统根据客流需求，自行启动、停止电动机，达到节能运行目的的运行方式。

这种方式，在扶梯的两端安装传感器，一旦传感器检测到有乘客进入扶梯(传感器检测区域可设置，一般距离梳齿板1.5米左右，以保证自动扶梯有足够的时间启动加速到额定速度，可以应对突发客流，确保充分发挥自动扶梯的运输能力)扶梯开始启动运行，在额定速度运行阶段，如果不断检测到有乘坐需求，扶梯将保持额定运行速度运行。

如果在程序设定的固定时间内没有再检测到乘坐需求，则扶梯控制系统将停止扶梯运行。

停机期间再次检测到乘客进入扶梯时，扶梯会重新启动运行。

（3）变频运行方式变频运行方式是在扶梯上增设变频装置，根据客流情况自动改变电动机电源频率，利用了电动机同步转速随频率变化的特性1(60-=[4] (2-1)n/)psfn：异步电动机转速；f：电源频率；s：电机转差率；p：电机极对数。

通过变频器将交流工频电源（50Hz或60Hz）变换成电压频率均可以变化的电源形式输送给电动机，从而达到调速的目的。

本方法的优点是：一、调速的范围很大。

变频调速装置的调速范围都比较宽，适合经常处于低载荷状态下运行的电气设备的调速需求；二、调速的效率高。

变频调速是通过改变电源的频率，使电动机仍按照该频率的同步转速运行，不会增加转速损失，因此变频调速是高效率的调速方式；三、启动电流小。

电机最高速度可以不受制于电源，从而实现电机的高速化、小型化；四、调速平稳可靠。

可以根据需要实现连续调速，选择最佳的运行速度，低速软启动，平稳调速。

五、主电路仍可直接供电。

当变频装置发生故障时，可以直接退出运行，改由工频系统直接供电，不会影响设备的连续运行。

特别适合出现突发情况时可以最大限度的保障乘客安全，同时保证客流畅通。

自动扶梯中运用的控制系统主要有3种：（1）继电器控制系统（2）单片机控制系统（3）PLC 控制系统PLC 是通过周期循环扫描方式运行，运行程序的过程中不受外界影响，减少了外界干扰；同时PLC 在硬件方面具有着良好的屏蔽措施、对电源及I/O 电路有多种形式的滤波、CPU 电源自动调整与保护、CPU 与I/O 电路之间采用光电隔离、输出联锁的方式、采用模块式结构并增加故障显示电路；在软件方面，设置故障自我诊断、数据保护和恢复程序。

PLC 采用大规模集成电路技术，按照严格的生产工艺制造，具备先进的内部电路抗干扰技术，具有很高的运行可靠性。

相对于单片机控制系统，PLC 采用相对简单的梯形图编程语言，更贴近工程技术人员的习惯，具有良好的控制灵活性、强大的抗干扰能力、稳定的运行状态等特点。

因此对于自动扶梯来说，采用PLC 进行控制是一个最佳选择。

控制方式的比较与选择在进行异步电动机调速时，一般希望尽可能保持电动机的电磁转矩不变（这是为了防止低速运行时出现转矩不足的情况），而要保持电磁转矩不变，只要保证主磁通量不变化即可。

异步电动机的主磁通是定、转子合成磁动势产生的，由于三相异步电动机定子绕组每相电动势的有效值为m N f E φ11144.4=[5] （2-2）本设计中主要面对的是基频以下的调速情况。

根据上文所述，要保持不变，当调低频率时，必须降低电动机定子每相绕组上由主磁通感应的电动势1E ，使得）常数（C f E =11 （2-3）即采用恒定电动势频率比的控制方式。

这种方式又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速的范畴。

由于电机绕组的感应电动势是很难直接检测和测量的，当电动势较高时，可忽略定子绕组漏磁造成的漏磁阻抗压降，近似的认为U 11E ≈，则有U 1)(/1C f 常数=,这种控制方式称为恒压频比的控制方式，属于近似的恒磁通调速。

这种控制方式低频时，U 1和1E 都比较小，定子阻抗压降显着，不可忽略，这种情况下会人为的把电压U 1提高一些，即增加定子压降补偿，以确保压频比为常数，如图2-1。

对于基频以上的调速，频率可以从f 1N 增加，但是电压U 1受电源电压U 1N 限制，最多保持U 1=U 1N 不变。

这样的后果就是主磁通m φ随着1f 上升而减小，属于近似的恒功率调速控制方式，如图2-2。

变频控制方式常见的有U/f控制方式、转差频率控制、矢量控制。

下面详述三种变频控制方式之间的区别。

（1）U/f控制方式由于转矩不足而无法克服较大的静摩擦力时，存在性能下降，稳定性变差的问题。

综上，采用U/f控制方式的通用变频器的频率控制只适用于一般要求不高的场合。

所以它的运用将逐渐被矢量控制所取代。

转速所对应的频率，求出转差频率，再与速度设定值相加，以两个值的和作为逆变器的频率设定值，以达到转差补偿的目的。

经转差补偿后定子频率的实际设定值为*1f。

在这种控制方式中，需要加装速度传感器，相比于U/f控制方式，转差频率控制方式的调速精度大大提高，但是使用速度传感器求取转差频率，必须根据具体的电机机械特性来调节控制参数，因而通用性方面还存在欠缺。

本章小结本章介绍了自动扶梯常见的节能方法和控制系统，并对这些节能方法以及相应的控制系统进行了比较。

自动控制运行方法省电效果明显，但频繁启停对电网冲击较大，并且对扶梯自身的机械设备磨损很大； U/f控制方式属于开环控制，低频状态下输出电压压降明显，容易出现转矩不足的状况；转差频率控制属于闭环控制，有效的解决了定子在低压情况下出现较大压降的问题，但转差频率控制方式对硬件要求较高，系统计算复杂，并且通用性不高，所以对于自动扶梯这种调速精度要求不是很高的系统，不适用此种调速方法；矢量控制对定子电流矢量分解成励磁电流和转矩电流，分别加以控制，最大限度的改善图2-3 U/f控制方式简化原了变频控制系统的输出特性，在低频状态下可以获得较好的转矩性能，因此在本系统中使用高性能的矢量变频调速的控制方式。