自動扶梯的節(jié)能研究

常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 楊建中

一、自動扶梯應(yīng)用市場現(xiàn)狀

(一)扶梯使用廣泛

自動扶梯是公共場所運(yùn)送乘客的最典型設(shè)備，廣泛應(yīng)用于大型商場、超市、機(jī)場、火車站、地鐵站、賓館等場合。具有方便、快捷，運(yùn)輸量大等優(yōu)點(diǎn)，給人們的出行帶來了極大的方便。

(二)普遍存在的問題

大多數(shù)扶梯在客流量大的時(shí)候，工作于額定的運(yùn)行狀態(tài)，在沒有乘客時(shí)仍以額定速度運(yùn)行，具有耗能大、機(jī)械磨損嚴(yán)重、使用壽命低等缺點(diǎn)。采用PLC與變頻器相結(jié)合的節(jié)能控制系統(tǒng)，能很好地克服以上缺點(diǎn)，并將成為自動扶梯控制的發(fā)展方向。

二、節(jié)能系統(tǒng)功能介紹

(一)節(jié)能原理分析

智能節(jié)能自動扶梯在正常運(yùn)送乘客的過程中不具備節(jié)能的作用，其節(jié)能主要發(fā)生在無人乘梯階段，而且其效益是相當(dāng)可觀的。傳統(tǒng)扶梯系統(tǒng)在無人乘梯時(shí)任然高速運(yùn)行，而智能自動扶梯在無人乘梯時(shí)自動過度到低速運(yùn)行，甚至過度到停止運(yùn)行，很顯然同等情況(空載)下低速運(yùn)行的扶梯比高速運(yùn)行的扶梯節(jié)能，停止運(yùn)行的扶梯比高速運(yùn)行的扶梯更節(jié)能。

(二)兩種節(jié)能模式介紹

1.快、慢循環(huán)非自啟動節(jié)能模式

通過增加PLC和變頻器來控制扶梯運(yùn)行的速度，當(dāng)扶梯上有乘客時(shí)，扶梯以高速（額定速度）運(yùn)行，提高客流量，當(dāng)乘客檢測裝置在一定時(shí)間內(nèi)沒有檢測到乘客乘梯時(shí)，扶梯開始減速，轉(zhuǎn)為低速運(yùn)行(例如0.2m/s，參數(shù)可設(shè)置)，此時(shí)扶梯一直處于待機(jī)運(yùn)行中，直到乘客檢測裝置檢測到有乘客通過時(shí)，扶梯自動轉(zhuǎn)換成高速運(yùn)行，即為非自啟動節(jié)能模式。由PLC和變頻器配合實(shí)現(xiàn)控制，無人時(shí)低速，有人時(shí)高速，實(shí)現(xiàn)扶梯運(yùn)行的無人化、智能化、人性化。該模式適合用于客流量較大的場所，節(jié)能效果較差。

2.快、慢、停循環(huán)自啟動節(jié)能模式

通過增加PLC和變頻器來控制扶梯運(yùn)行的速度，當(dāng)梯上有乘客時(shí)，扶梯以高速運(yùn)行，提高客流量，當(dāng)乘客檢測裝置在一定時(shí)間內(nèi)沒有檢測到乘客乘梯時(shí)，扶梯開始減速平穩(wěn)過度到低速運(yùn)行，當(dāng)乘客檢測裝置在一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)沒有檢測到乘客乘梯時(shí)，扶梯自動停止運(yùn)行，進(jìn)入停止等待狀態(tài)，當(dāng)乘客檢測裝置檢測到有乘客通過時(shí)，扶梯自動啟動并平穩(wěn)過度到高速運(yùn)行，即為自啟動節(jié)能模式。由PLC和變頻器配合實(shí)現(xiàn)控制，有人乘梯時(shí)高速運(yùn)行，短時(shí)間無人乘梯時(shí)低速運(yùn)行，長時(shí)間無人乘梯時(shí)停止運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)扶梯的無人化、智能化、人性化運(yùn)行。該模式適合用于客流量較小的場所，節(jié)能效果非常明顯。

帶有節(jié)能控制的智能自動扶梯控制系統(tǒng)有三個(gè)核心技術(shù)問題：第一是傳感技術(shù)；第二是變頻技術(shù)；第三是PLC控制技術(shù)。如何解決好這三個(gè)問題并使這三項(xiàng)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來是本節(jié)能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

圖2 自動扶梯快慢循環(huán)控制時(shí)序圖

圖3 主要功能控制程序

圖4 自動扶梯快慢停循環(huán)控制時(shí)序圖

圖5 主要功能控制程序

三、系統(tǒng)采用的主要設(shè)備介紹

(一)三相異步電動機(jī)調(diào)速簡介

現(xiàn)在生產(chǎn)的自動扶梯絕大部分沒有調(diào)速功能，而且扶梯都是由三相異步電動機(jī)經(jīng)變速箱帶動運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

式中：f為定子的電源頻率；p為極對數(shù)；n為轉(zhuǎn)速；s為轉(zhuǎn)差率。三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法有：變極調(diào)速、變頻調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。

(二)變頻器簡介

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率電源的控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給電動機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。

(三)PLC簡介

PLC是一種專為工業(yè)控制環(huán)境設(shè)計(jì)的控制設(shè)備，具有超強(qiáng)的抗干擾性和超強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境的能力，兼?zhèn)淇刂破骱陀?jì)算機(jī)的功能。

四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)的組成如圖1所示，該系統(tǒng)主要由電源、PLC、變頻器以及各種檢測和指示等部分組成。PLC是控制系統(tǒng)的核心，PLC根據(jù)輸入的檢測信號確定運(yùn)行狀態(tài)指令的輸出，變頻器根據(jù)PLC發(fā)出的運(yùn)行指令控制扶梯的運(yùn)行速度，自動完成扶梯的快、慢循環(huán)運(yùn)行控制或快、慢、停循環(huán)運(yùn)行控制。

(二)控制功能的實(shí)現(xiàn)

智能自動扶梯的運(yùn)行控制由PLC與變頻器一起完成，變頻器內(nèi)預(yù)先設(shè)定好各速度頻率，變頻器實(shí)時(shí)監(jiān)測PLC的輸出信號，從而決定扶梯的下一步運(yùn)行。管理人員開啟扶梯時(shí)扶梯首先啟動至高速運(yùn)行狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)換成按照設(shè)定的程序自動監(jiān)控、自動運(yùn)行狀態(tài)。扶梯的運(yùn)行方向由管理人員操作方向選擇開關(guān)事先選定，扶梯的兩端安裝完全相同的兩套檢測系統(tǒng)，選擇上行時(shí)接通下端的檢測系統(tǒng)，選擇下行時(shí)接通上端的檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)置兩種運(yùn)行模式：快、慢循環(huán)（節(jié)能）模式和快、慢、停循環(huán)（超級節(jié)能）模式，兩種模式的切換由管理人員根據(jù)不同時(shí)間段的客流量不同，通過操作轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

1.快、慢循環(huán)非自啟動系統(tǒng)

(1)自動扶梯快、慢循環(huán)非自啟動控制時(shí)序圖如圖2所示。

PLC實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場客流情況，并根據(jù)客流情況發(fā)出工作狀態(tài)信號，變頻器實(shí)時(shí)監(jiān)測PLC的輸出信號，從而決定扶梯的下一步運(yùn)行速度。

(2)高速向低速切換控制：扶梯開啟時(shí)定時(shí)器(設(shè)定為T30)線圈通電計(jì)時(shí)，乘客進(jìn)入扶梯信號對其進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)較長時(shí)間(可以設(shè)定)沒有乘客進(jìn)入扶梯，T30時(shí)間到→動作，接通慢速工作輔助繼電器M101，扶梯開始平穩(wěn)減速至低速運(yùn)行。

(3)低速向高速切換控制：扶梯上行/下行時(shí)，扶梯入口(下端/上端)乘客檢測裝置檢測到有人通過時(shí)，PLC內(nèi)部的定時(shí)器(設(shè)定為T30)復(fù)位，接通高速工作輔助繼電器M100，此時(shí)扶梯開始平穩(wěn)加速至高速運(yùn)行。

(4)功能實(shí)現(xiàn)控制程序如圖3。(M0：系統(tǒng)開啟輔助繼電器；X010：扶梯上行入口乘客信號；X020：扶梯下行入口乘客信號)。

2.快、慢、停循環(huán)自啟動系統(tǒng)

(1)自動扶梯快、慢、停循環(huán)自啟動控制時(shí)序圖如圖4所示。

PLC實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場客流情況，并根據(jù)客流情況發(fā)出工作狀態(tài)信號，變頻器實(shí)時(shí)監(jiān)測PLC的輸出信號，從而決定扶梯的下一步運(yùn)行速度。

(2)高速向低速切換控制：扶梯開啟時(shí)定時(shí)器(記為T30)線圈通電計(jì)時(shí)，乘客進(jìn)入扶梯信號對其進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)較長時(shí)間(可以設(shè)定)沒有乘客進(jìn)入扶梯，T30時(shí)間到→動作，接通慢速工作輔助繼電器M101，扶梯開始平穩(wěn)減速至低速運(yùn)行。

(3)低速向停止切換控制：扶梯低速運(yùn)行時(shí)，當(dāng)較長時(shí)間(可以設(shè)定)沒有乘客進(jìn)入扶梯，T31時(shí)間到→動作，接通停止工作輔助繼電器M102，扶梯開始平穩(wěn)減速至停止運(yùn)行。

(4)低速或停止向高速切換控制：扶梯上行/下行時(shí)，扶梯入口(下端/上端)乘客檢測裝置檢測到有人通過時(shí)，PLC內(nèi)部的定時(shí)器(記為T30、T31)復(fù)位，接通高速工作輔助繼電器M100，此時(shí)扶梯開始平穩(wěn)加速至高速運(yùn)行。

(5)功能實(shí)現(xiàn)控制程序如圖5，M0：系統(tǒng)開啟輔助繼電器；X010：扶梯上行入口乘客信號；X020：扶梯下行入口乘客信號。

五、節(jié)能計(jì)算

普通自動扶梯進(jìn)行智能化節(jié)能改進(jìn)后，可以節(jié)約多少電是用戶最關(guān)心的問題，究竟能節(jié)約多少電是由自動扶梯的使用情況決定的：使用率高、客流量大的自動扶梯節(jié)能效果不明顯，而使用率低、客流量小的自動扶梯節(jié)能效果非常明顯。改進(jìn)后智能自動扶梯節(jié)能估算方法如下：

(一)百貨商場、購物中心等客流量大的場所

在每天約10小時(shí)的運(yùn)行中，約有1小時(shí)在白白的浪費(fèi)電能，以一部11KW的自動扶梯為例，每年節(jié)約的電能為：365天×1小時(shí)/天×11千瓦=4015(度)，以每度電1元的價(jià)格計(jì)算，一部11KW的自動扶梯每年節(jié)約的金錢約為4015元，節(jié)電率約為10%。

(二)建材市場、家具市場、賓館等客流量小的場所

整天顧客流量都不及百貨商場、購物中心，自動扶梯使用率是比較低的，在每天約10小時(shí)的運(yùn)行中，約有4小時(shí)在白白的浪費(fèi)電能，以一部11KW的自動扶梯為例，每年節(jié)約的電能為：365天×4小時(shí)/天×11千瓦=16060(度)，以每度電1元的價(jià)格計(jì)算，一部11KW的自動扶梯每年節(jié)約的金錢約為16060元，節(jié)電率約為40%。

六、總結(jié)

帶有節(jié)能控制的智能自動扶梯具有以下特點(diǎn)和意義：無人乘梯時(shí)，扶梯自動平穩(wěn)過渡到節(jié)能運(yùn)行，以1/5額定速度運(yùn)行，甚至扶梯自動停止運(yùn)行，有人乘梯時(shí)，扶梯立即自動平穩(wěn)過渡到額定速度運(yùn)行；由于節(jié)能運(yùn)行時(shí)速度很低，甚至停轉(zhuǎn)，機(jī)械部分的磨損大大降低，相對延長了扶梯的使用壽命；同時(shí)變頻技術(shù)的采用大大降低了扶梯啟動時(shí)對電網(wǎng)的沖擊；該智能控制系統(tǒng)具有節(jié)能的特點(diǎn)，擁有較好的市場前景，也符合當(dāng)前建設(shè)節(jié)能減排、建設(shè)節(jié)約型社會的需要；該系統(tǒng)成功投入使用后，能推動電梯制造業(yè)的發(fā)展，自動扶梯的用戶也能為顧客提供更加安全、節(jié)能、環(huán)保、人性化的服務(wù)。

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