基于PLR的工業(yè)升降梯變頻改造

王彩霞

WANG Cai-xia

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530001）

0 引言

傳統(tǒng)的自動(dòng)扶梯都是定速運(yùn)行的，在節(jié)省增效的大背景下，新型扶梯在出廠時(shí)有些己經(jīng)設(shè)置有變頻器，而現(xiàn)有扶梯也有一部份進(jìn)行了節(jié)能改造，根據(jù)使用的控制器和能量回饋方式的不同產(chǎn)生了不同的方案，本文討論的是使用PLR做控制器、變頻器旁路的回饋方案。

1 扶梯節(jié)能原理

變頻扶梯在載客時(shí)全速運(yùn)行，空載時(shí)減速運(yùn)行，扶梯的功率需求P=FV，F(xiàn)是運(yùn)行阻力，V是扶梯的運(yùn)行速度，因?yàn)檫\(yùn)行速度降低，空載時(shí)的功率將會(huì)減少，這就是變頻扶梯能夠節(jié)能的基本原理。

2 節(jié)能改造方案

2.1 扶梯的電氣原理

扶梯由主電機(jī)的鏈輪帶動(dòng)鏈條運(yùn)行，扶梯的一個(gè)臺(tái)階稱為一個(gè)梯級(jí)，梯級(jí)由鏈條帶動(dòng)，扶梯的運(yùn)行速度一般為0.5m/s，扶梯主回路可以抽像為互鎖的正反轉(zhuǎn)電路，通過上行接觸器和下行接觸器來控制扶梯的運(yùn)行方向。

2.2 工作時(shí)序

變頻扶梯的工作時(shí)序采用“快慢”方案?；镜脑瓌t是，有人時(shí)高速，高速狀態(tài)下一段時(shí)間內(nèi)無人時(shí)轉(zhuǎn)入低速，低速狀態(tài)下有人進(jìn)入時(shí)轉(zhuǎn)高速運(yùn)行。

“快慢?！?。有人時(shí)高速，高速狀態(tài)下一段時(shí)間內(nèi)無人時(shí)轉(zhuǎn)入低速，低速狀態(tài)下一段時(shí)間內(nèi)還是無人則停機(jī)，低速或停機(jī)狀態(tài)下有人進(jìn)入時(shí)轉(zhuǎn)高速運(yùn)行。

圖1 工作時(shí)序示意圖

2.3 方案介紹

自動(dòng)扶梯節(jié)能方案大致如下。在電梯的兩端安裝紅外傳感器用于感知乘客，扶梯在無人乘坐時(shí)低速運(yùn)行，乘客進(jìn)入扶梯時(shí)開始全速運(yùn)行，乘客離開扶梯后延時(shí)一段時(shí)間，扶梯轉(zhuǎn)為低速運(yùn)行。低速15～20Hz，全速為工頻的50Hz。

圖2 節(jié)能方案示意圖

改造的基本要求：保留原來的工頻方式，增加變頻方式，兩種方式的切換用一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，目的是在變頻器檢修時(shí)能減少停機(jī)時(shí)間。

主回路增加兩個(gè)接觸器用于工頻/變頻方式的切換，變頻器的正反轉(zhuǎn)從原來的正反轉(zhuǎn)接觸器取信號(hào)，設(shè)高速和低速兩檔，由端子給定。扶梯電控箱一般放在扶梯桁架上平行段的下部。

3 設(shè)計(jì)和實(shí)施

3.1 人員檢測(cè)開關(guān)的選擇

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是人員檢測(cè)開關(guān)的選擇，一般來說可選擇的開關(guān)有觸點(diǎn)踏板、微波開關(guān)和紅外光電開關(guān)，觸點(diǎn)踏板施工時(shí)不方便，而微波開關(guān)成本較高，現(xiàn)在使用較多的是漫反射型紅外光電開關(guān)。

漫反射式光電開關(guān)工作原理：它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過時(shí)，物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。

漫反射式光電開關(guān)的特點(diǎn)：

非接觸式檢測(cè)：檢測(cè)是無接觸式的，所以不會(huì)損傷檢測(cè)物體，也不受檢測(cè)物體的影響。

不受材質(zhì)的影響：由于是采用對(duì)檢測(cè)對(duì)象的表面進(jìn)行反射及光透過方式，可以對(duì)金屬、玻璃、塑料、木制物體、液體等各種物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。

響應(yīng)速度快：由于無機(jī)械運(yùn)動(dòng)，所以能對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行檢測(cè)，響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，作為檢測(cè)開關(guān)使用時(shí)可以達(dá)到很小的延時(shí)。

3.2 回饋能量的處理

電梯下行時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)發(fā)出的電能聚集在變頻器直流回路中，引起直流母線電壓升高，如果不釋放這些能量，變頻器的保護(hù)回路會(huì)起動(dòng)跳閘，使變頻器停機(jī)。

處理電機(jī)回饋至直流母線的電能有三種方法。

全變頻方案：在直流母線加裝制動(dòng)電阻，采用能耗制動(dòng)的方法消耗回饋能量。

旁路變頻方案：將電機(jī)直接與電網(wǎng)連接，能量直接回饋至電網(wǎng)，同時(shí)切除變頻器。

逆變回饋方案：用回饋單元把直流母線中的電能逆變成交流電后送回電網(wǎng)。由于需要加裝逆變單元，成本比較高。

三種方案中旁路變頻成本最低，節(jié)能效果與逆變回饋相當(dāng)，是目前應(yīng)用最多的方案。旁路變頻方案在扶梯上行時(shí)全變頻運(yùn)行，扶梯下行且全速運(yùn)行時(shí)工頻運(yùn)行，扶梯下行的其它時(shí)段變頻低速運(yùn)行。

綜合比較后，旁路變頻的經(jīng)濟(jì)效益最好，我們決定采用旁路變頻方案。

3.3 控制器的選擇

在以往的改造方案中使用最多的控制器是PLC，Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器。早期的PLC主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制，隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，隨著功能的增加，價(jià)格也相應(yīng)的提高。

現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種比PLC更簡(jiǎn)單的控制器PLR，Programmable Logic Relay，可編程邏輯繼電器，在國內(nèi)俗稱萬控器，PLR又回歸到早期PLC的道路上來，功能有所縮減，運(yùn)算速度也降低了，價(jià)格比PLC更便宜，相當(dāng)于簡(jiǎn)化版的PLC。PLR保留了PLC與邏輯控制有關(guān)的大部份功能，正如其名稱所說，是一臺(tái)智能的繼電器。PLR在代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器系統(tǒng)時(shí)功能與PLC相當(dāng)，但性價(jià)比更好。市場(chǎng)上比較有名的PLR有西門子的LOGO系列，羅克韋爾的PICO系列。

本次設(shè)計(jì)采用臺(tái)灣東元電機(jī)的SG2系列PLR，產(chǎn)品主要特點(diǎn)如下。

1）機(jī)種齊全：10/12/20點(diǎn)交、直流主機(jī)，模擬量輸入、繼電器或晶體管輸出皆可選擇。

2）I/O 點(diǎn)數(shù)最大可擴(kuò)充達(dá)44點(diǎn)。繼電器輸出電流容量最高可達(dá)8A，晶體管輸出電流達(dá)0.5A。

3）中文液晶顯示屏和操作按鍵，方便調(diào)試和檢修。

4）可選擇梯形圖命令(Ladder)或功能塊(FBD)編輯模式。

5）主機(jī)內(nèi)建MODBUS（RTU格式）通訊接口。便于設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

選擇SG2微型控制器在保證功能和可靠性的前提下可以進(jìn)一步降低成本，具體型號(hào)選擇如下。

型號(hào)：SG2-12HR-D，DI：6，DO：4（relay），POWER：DC24V

3.4 變頻器的選擇

變頻器選用深圳英威騰電氣的CHE100系列開環(huán)矢量型變頻器，可以使用開環(huán)矢量控制方式，開環(huán)矢量控制可以提供比傳統(tǒng)的V/F方式更好的靜態(tài)調(diào)速精度、更大的低頻出力，相比閉環(huán)矢量來說，開環(huán)矢量不需要給電機(jī)加裝測(cè)速編碼器，因而使用起來更方便。CHE100還內(nèi)置MODBUSRTU通信接口，為將來系統(tǒng)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了基礎(chǔ)。

3.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.5.1 主電路

采用旁路變頻方案，用兩個(gè)接觸器KM1和KM2在變頻和工頻兩種方式間切換。因?yàn)樽冾l器的輸出不能直接連接到電網(wǎng)，否則會(huì)引起變頻器保護(hù)電路動(dòng)作而停機(jī)，所以KM1和KM2之間要求嚴(yán)格互鎖，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有電氣、機(jī)械和軟件互鎖。

圖3 主電路

3.5.2 控制電路

光電開關(guān)SQ1和SQ2是一對(duì)，分別裝在扶梯的上下平行段的入口處，扶梯上行時(shí)，下部光電開關(guān)有效，扶梯下行時(shí)，上部光電開關(guān)有效，就是說PLR的程序只檢測(cè)乘客進(jìn)入扶梯的信號(hào)，并不檢測(cè)乘客走出扶梯的信號(hào)。

工頻/變頻的切換用一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)來進(jìn)行，開關(guān)安裝在電梯運(yùn)行開關(guān)附近，為了防止誤動(dòng)作，轉(zhuǎn)換開關(guān)帶有鑰匙鎖。

控制電路的原理圖如圖4所示，光電開關(guān)輸出類型為PNP型。

圖4 控制電路原理圖

3.6 程序設(shè)計(jì)

扶梯有變頻和工頻兩種運(yùn)行模式，工頻/變頻狀態(tài)用一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換，變頻方式下扶梯有上行和下行兩個(gè)運(yùn)行方向，扶梯下行時(shí)工頻運(yùn)行，扶梯上行時(shí)變頻運(yùn)行。

3.6.1 IO表

控制器的IO表如表1所示。

表1 IO表

3.6.2 梯形圖程序

梯形圖程序如圖5所示。

圖5 梯形圖程序

定時(shí)器工作在模式3，延時(shí)時(shí)間15秒，定時(shí)器工作時(shí)序如圖6所示。

圖6 工作時(shí)序圖

3.7 變頻器調(diào)試

因?yàn)椴捎瞄_環(huán)矢量控制方式，在開始調(diào)試時(shí)要進(jìn)行電機(jī)參數(shù)識(shí)別，參數(shù)識(shí)別由變頻器自動(dòng)完成。變頻器的主要參數(shù)取值和含義如表2所示。

表2 變頻器主要參數(shù)

4 結(jié)束語

自動(dòng)扶梯節(jié)能改造后的優(yōu)點(diǎn)：

1）采用PLR與變頻器控制組合，功能強(qiáng)，改造成本小。

2）節(jié)能明顯，自動(dòng)扶梯節(jié)能改造后，使得原來扶梯運(yùn)行時(shí)“有人沒人一個(gè)樣”變成“有人沒人不一樣”，同時(shí)采用旁路變頻方案，將電機(jī)直接與電網(wǎng)連接，能量直接回饋至電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3）減少機(jī)械磨損，由于轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械部件磨損明顯減少，降低了易損件的維護(hù)費(fèi)用，相對(duì)延長(zhǎng)了的扶梯使用壽命。

[1]何喬治.自動(dòng)扶梯與自動(dòng)人行道基本結(jié)構(gòu)及安裝維修[M].北京:中國電力出版社,2004.

[2]英威騰電氣股份有限公司.CHE型變頻器說明書[M].深圳:英威騰電氣股份有限公司,2010.

[3]臺(tái)灣東元電機(jī).SG2微型控制器說明書[M].臺(tái)灣:臺(tái)灣東元電機(jī)集團(tuán),2007.