１目錄TOC\o"1-5"\h\u13501第一部分設計任務與調研 ２26432第二部分設計說明 ３17193第三部分設計成果 ９5675第四部分結束語 １４7173第五部分致謝 １５21526第六部分參考文獻 １６第一部分設計任務與調研1課題意義在傳統(tǒng)的扶梯中，不管人流量多少或者有無乘客，扶梯都以額定的速度運行，造成很大的能量損耗，不間斷的運行也使得扶梯各部分的機械磨損嚴重，縮短了扶梯的使用壽命。采用PLC與變頻器技術對傳統(tǒng)扶梯的控制系統(tǒng)進行節(jié)能改造，具有調速性能好、節(jié)能效果顯著、運行安全可靠等優(yōu)點，是當今社會節(jié)能降耗、提高效率的有效手段。同時由于變頻器在啟動時電流是從零開始緩慢增加的，所以采用變頻器技術后，還可以降低扶梯在啟動時的沖擊電壓對電網的影響[1]。本文介紹了基于變頻器與PLC設計的自動扶梯節(jié)能控制系統(tǒng)，設計了該系統(tǒng)的電氣主電路，控制電路，控制程序。系統(tǒng)具有調速性能好、節(jié)能效果顯著、運行安全可靠等優(yōu)點。2課題研究內容變頻器在垂直電梯中得到了很好的應用，但是在自動扶梯中卻很少采用。傳統(tǒng)的自動扶梯只有一種速度，因此它的電氣控制部分比較簡單，多采用繼電器控制。近年來又發(fā)展到采用PLC控制，但也只是代替了繼電器，提高了可靠性。由于自動扶梯多用于公共場合，持續(xù)工作時間長，當無人乘載時任按原來的速度運行，無疑是對能源很大的一種浪費。鑒于此原因，很有必要開發(fā)一種節(jié)能型自動扶梯?；谧冾l器的自動扶梯節(jié)能設計，為了達到節(jié)能目的，可以使自動扶梯以兩種速度運行。即無乘客時以較低速度運行，有乘客時則以額定速度運行。采用變頻器可以很容易的實現兩級速度設定。自動扶梯以什么速度運行的依據是判定有無乘客，所以在自動扶梯上下兩個入口處應安裝探測裝置。采用紅外探測器，當它在一定距離內探測到有人時，扶梯便開始加速，乘客行至入口處時自動扶梯以加速到額定速度運行。第二部分設計說明1變頻器概述變頻器是利用電力半導體器件的通斷控制特性，將工作頻率固定的交流電轉換為直流電，然后通過高容量電容存儲轉換后電能，最后再通過逆變單元將此直流電源轉化成交流電源，從而把電壓、頻率固定不變的工頻交流電源轉變成電壓、頻率都可調節(jié)的交流電源。將此可調的交流電源加到異步電機上，可實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度等功能。其結構如下圖2-1所示。圖2-1變頻器的結構變頻器可以分為四個主要部分：（1）整流電路：它與單相或三相交流電源相連接，產生脈動的直流電壓。整流電路有兩種基本類型—可控和不可控的。變頻器中的整流電路可由二極管或晶閘管單獨構成，也可由兩者共同構成。由二極管構成的是不可控整流電路，有晶閘管構成的是可控整流電路。二極管和晶閘管都用的整流電路是半控整流電路。（2）中間電路：它有以下三種類型：（a）將整流電壓變換成直流電流。（b)）使脈動的直流電壓變得穩(wěn)定或平滑，供逆變電路使用。（c）將整流后固定的直流電壓變換成可變的直流電壓。中間電路可看做是一個能量的存儲裝置，電動機可以通過逆變電路從中間電路獲得能量。和逆變電路不同，中間電路可根據三種不同的原理構成。在使用電源逆變電路時，中間電路由一個大的電感線圈構成，它只能與可控整流電路配合使用。電感線圈將整流電路輸出的可變電流電壓轉換成可變的直流電流。電機電壓的大小取決于負載的大小。中間電路的濾波器使斬波器輸出的方波電壓變得平滑。濾波器的電容和電感使輸出電壓在給定頻率下維持一定。中間電路還能提供一些附加功能，這取決于中間電路的設計。（3）逆變電路：它產生電動機電壓的頻率。另外，一些逆變電路還可以將固定的直流電壓變換成可變的交流電壓。逆變電路是變頻器最后一個環(huán)節(jié)，其后與電動機相聯。它最終產生適當的輸出電壓。變頻器通過使輸出電壓適應負載的辦法，保證在整個控制范圍內提供良好的運行條件。這方法是將電機的勵磁維持在最佳值。逆變電路可以從中間電路得到可變直流電流、可變直流電壓、固定直流電壓這三種其中的一種。在以上每種情況下，逆變電路都要確保給電機提供可變的量。換句話說，電動機電壓的頻率總是由逆變電路產生的。如果中間電路提供的電流或電壓是可變的，逆變電路只需調節(jié)頻率即可。如果中間電路只提供固定的電壓，則逆變電路既要調節(jié)電動機的頻率，還要調節(jié)電動機的電壓。（4）控制電路。它將信號傳送給整流電路、中間電路和逆變電路，同時它也接收來自這部分的信號。具體被控制的部分取決于各個變頻器的設計。2變頻器節(jié)能原理分析交流電動機的轉速公式為：N=60f（1-s）／P(1）式中：N為電機轉速，單位轉/分；f為電機電源頻率，單位赫茲；P為電機磁極對數；s為電機轉差率[2]。由公式(1)可知，電機的轉速與電源的頻率成正比，若頻率改變，則轉速呈正比例變化，但是如果僅改變頻率而電源電壓不改變，則電機會出現過勵磁現象而可能燒壞，所以變頻器的電壓和頻率必須同時改變。由于扶梯所帶負載為恒轉矩負載，所以電機輸出功率與電機轉速的變化關系為：P2/P1=N2/N1(2)式中：P為電機的輸出功率，單位瓦特；N為電機轉速，單位轉/分。由公式(2)可知，如果當電機轉速降為一半時，電機的輸出功率也降低一半。由公式(1)和公式(2)可知，如果扶梯能夠根據外部的情況變化進行調速運行，在處于低速運行或者停止運行時電機消耗的功率將大幅度降低，從而達到節(jié)能的效果。3PLC概述PLC即可編程控制器，它是微機技術與繼電接觸器常規(guī)控制概念相結合的產物。即采用了微型計算機的基本結構和工作原理，融合了繼電接觸器控制的概念構成一種新型電控器。它專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計，采用可編程的存儲器，用來存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令,并采用數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械和生產過程。4PLC的特點(1)編程簡單，使用方便目前PLC繼電器控制通常采用“梯形圖”的編程方式，電氣、自動控制的技術人員是很容易能接受。(2)具有較強的干擾能力和可靠性高可靠性是電氣設備控制最關鍵的性能，并且PLC是利用電力技術的現代化大規(guī)模集成技術在生產過程中采用了非常嚴謹的工藝，內部電路也采取了先進的抗干擾技術，PLC具有很高的可靠性。在機外電路上使用PLC構成的控制系統(tǒng)相比于同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)開關節(jié)點和電氣接線己經降低到數千分之一，故障也能被大大降低。此外，PLC具有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發(fā)出警報信息。應用者在應用軟件中可以通過外圍設備編入自診斷程序，使該系統(tǒng)PLC的電路和設備也得到了自診斷保護。因此，整個系統(tǒng)的可靠性有了很大的提高。(3)配套齊全，功能完善，適用性強PLC發(fā)展到今天，已經形成了能夠應用到不同規(guī)模工業(yè)控制場合的大、中、小各種規(guī)模的系列化產品，現代PLC具有數據運算能力和邏輯處理能力，更容易控制不同的數字領域。近幾年來，位置控制、溫度控制甚至CNC等各種工業(yè)控制都被大量功能單元的PLC滲透。通過對通信能力和人機界面技術的不斷開發(fā)和改進，使得PLC進入各種控制系統(tǒng)使用更加容易。(4)系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造為了達到減少控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)的設計及制造周期縮短，同時達到更容易維護的目的，PLC采用了存儲邏輯代替接線邏輯，可以實現統(tǒng)一設備上通過改變程序來改變生產過程的可能性，尤其適用于多品種、小批量的生產場合。5紅外傳感器光學系統(tǒng)、檢測元件盒轉電器組成了紅外傳感器。一旦熱敏電阻收到紅外線的輻射后溫度必然升高，同時電阻也會產生相應的變化，然后由轉換電器變成電信號輸出。紅外線是一種利用任何物質本身的溫度進行感應的看不見的光線，物體的溫度不同所產生的波長也不同，溫度越高所產生的波長就越短，而且靈敏度高響應快。通過目標與背景的溫差進行目標探測的是熱視紅外傳感器，它的工作原理就是利用熱釋電效應，這種元件一旦接受到人體紅外輻射溫度而產生變化時就會失去電荷平衡然后向外釋放電荷，后續(xù)電路經過檢驗進行處理隨之產生報警信號。其內部電路框圖2-2所示。圖2-2熱釋電紅外傳感器封裝圖若人體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有信號輸出，所以這種傳感器適合檢測人體或者動物的活動情況。6系統(tǒng)功能本系統(tǒng)要求實現當有乘客進入扶梯入口處時，光電感應裝置檢測到有效信號，此信號被送入PLC，經過處理輸出一個控制信號，使變頻器按照設定的加速度進行無極變速，達到一個穩(wěn)定的速度后扶梯切換到市網供電并開始正常運行。同時計時器T1清零并開始計時，當T1在小于系統(tǒng)設置的T2時間段內，光電感應裝置檢測到一個新的乘客進入，則T1又清零并重新開始計時，如果T1一直運行到大于T2的時間段后，表明在設置的T2時間內沒有新的乘客進入，此時扶梯再切換到變頻器供電，開始進入低速節(jié)能運行狀態(tài)。此后若T1在小于系統(tǒng)設置的T3時間段內，光電感應裝置檢測到新的乘客進入，則T1再度清零并計時，同時變頻器從低速節(jié)能運行狀態(tài)開始緩慢加速到額定速度運行，扶梯切換到市網供電，若T1的值大于T3，則表明扶梯在節(jié)能運行狀態(tài)下經過等待后還無乘客進入，此時扶梯就從低速節(jié)能運行狀態(tài)變?yōu)橥Ｖ?，從而達到最大節(jié)能[3]。系統(tǒng)除了具有根據乘客的變化情況進行自動調速運行功能外，系統(tǒng)還具備點動檢修、速度監(jiān)控、防逆轉保護、故障顯示、自動潤滑、接觸器觸點粘連保護、驅動鏈斷鏈保護等功能。系統(tǒng)運行時序圖如圖2-3所示圖2-3系統(tǒng)運行時序圖7系統(tǒng)框圖PLC是控制系統(tǒng)的核心，它的作用是對各種輸入信號如運行模式設定，乘客光電檢測和安全檢測等信號進行處理，并得到輸出信號去控制扶梯的運行、停止及故障診斷與顯示、潤滑注油、安全保護等。變頻器的作用是根據PLC的輸出控制信號改變扶梯驅動電機的電源頻率，使扶梯能夠以一定的加速度進行軟啟動或進入低速節(jié)能狀態(tài)運行。電路切換模塊的作用是對扶梯電機的供電電源在變頻器和市網供電之間根據需要進行自動切換，當扶梯在啟動、低速節(jié)能運行、停止制動時切換到變頻器供電，當扶梯在額定速度正常運行時切換到市網供電[4]。故障顯示裝置的作用是對各種故障現象進行顯示。系統(tǒng)框圖如圖2-4所示。圖2-4系統(tǒng)控制框第三部分設計成果1電氣主線路連接扶梯驅動電機的主線路有兩條，分別為市網供電和變頻器供電，變頻器的R、S、T端子與市網的三相電源通過保護開關相連，U、V、W與扶梯的電機電源端通過交流接觸器KM1相連接，市網供電電源與扶梯的電機電源端通過交流接觸器KM2相連接，扶梯的上行和下行方向通過切換KM3與KM4主觸點分別導通來控制。為了嚴格防止扶梯由于程序故障導致逆行，KM3（上行）和KM4（下行）導通與否不通過程序控制，而是由工作人員手動通過鑰匙式開關控制。當扶梯處于調速運行或節(jié)能運行狀態(tài)時，交流接觸器KM2線圈失電，主觸點斷開，交流接觸器KM1線圈得電，其主觸點閉合，扶梯由變頻器供電。一旦正常運行達到額定的速度后，KM1線圈失電，其主觸點斷開，變頻器不再供電，同時KM2線圈得電，其主觸點閉合，扶梯電機切換到市網供電，這樣可以降低變頻器的輸出功率，減少變頻器的工作時間[5]。檢修模式下，扶梯由變頻器供電，通過手動按鈕控制變頻器的JOG端有效來使扶梯點動運行。FR為市網供電工作時扶梯電機過載保護裝置熱繼電器，M為扶梯異步三相驅動電機。電氣主線路如圖3-1所示圖3-1系統(tǒng)電氣主線路圖2PLC輸入系統(tǒng)中PLC輸入信號除了自動扶梯出入口乘客光電檢測信號外，還有速度監(jiān)控輸入信號，防逆轉監(jiān)控信號，接觸器觸點監(jiān)控輸入信號，驅動鏈斷鏈保護信號，強行停運控制信號，備用工作方式選擇等。X0為乘客光電檢測信號，當有乘客進入到檢測區(qū)域，X0輸入一個有效信號。X1為扶梯運行速度監(jiān)控輸入信號，用于監(jiān)控扶梯的運行速度，如果超出設置范圍，則X1輸入一個有效信號。X2為逆轉監(jiān)控輸入信號，如果扶梯處于系統(tǒng)設置的反向運轉狀態(tài)，PLC將發(fā)出信號切斷扶梯電機的供電電路中的接觸器觸點并發(fā)出報警。X3為乘客反向提醒信號，當扶梯處于停止狀態(tài)時，如果有乘客從反向進入扶梯，扶梯按系統(tǒng)設置的較低的速度開始運轉并發(fā)出報警聲以提醒乘客進入錯誤。X4為安全回路輸入信號，如果扶梯的安全回路在運行過程中發(fā)生意外，PLC將發(fā)出一個控制信號切斷扶梯供電回路。X5為強行停止輸入信號，當發(fā)生人為意外情況時，可通過此手動按鈕強行切斷扶梯供電回路。X6為備用工作方式選擇信號，當變頻器或檢測傳感器出現故障時，可通過此信號控制扶梯電機直接接通市網供電并切斷變頻器供電回路[6]。X7為接觸器觸點安全監(jiān)控輸入信號，如果KM1，KM2的觸點出現粘連，會導致短路，通過把KM1與KM2的常開輔助觸點串聯，如果觸點發(fā)生粘連，則X7有輸入信號。X10為接觸器觸點安全監(jiān)控輸入信號，防止KM3，KM4的觸點出現粘連。3PLC輸出端PLC的輸出信號控制的對象有變頻器停止運行信號Y0，輸出使變頻器MRS端有效，變頻器無輸出頻率和電壓。變頻器輸出接通信號Y1，控制KM1線圈得電同時KM2線圈失電，扶梯由變頻器供電。啟動信號Y3輸出，使變頻器的RH端有效，扶梯緩慢加速啟動，同時Y1有輸出。控制市電切換接通信號Y2，控制KM2線圈得電同時KM1線圈失電，扶梯額定運行，同時Y0有輸出。變頻器節(jié)能運行信號Y4，使變頻器RM端有效，扶梯低速節(jié)能運行，同時Y1有輸出。照明輸出Y5，用于控制照明電路。報警信號輸出Y6，用于驅動報警裝置。注油器信號輸出Y7，用于控制自動潤滑裝置。PLC的輸入輸出端子接線如圖3-2所示。圖中將KM1的常閉輔助觸點與KM2的線圈串聯是為了防止KM1與KM2的主觸點同時導通而引起短路。圖3-2PLC輸入輸出端子接線圖4PLC與變頻器之間的連接根據系統(tǒng)需要，本系統(tǒng)選用西門子公司生產的S7-200系列變頻器，此變頻器可方便設定啟動額度頻率、運行頻率、加速時間、驅動轉矩等參數，可滿足系統(tǒng)所需的各種功能要求。當光電檢測裝置檢測到乘客信號時，Y3輸出，變頻器的RH端子有輸入信號，變頻器根據預先設置的頻率和加速時間控制扶梯緩慢啟動。當在設置的時間段T2內檢測不到新的乘客時，Y4輸出，變頻器的RM端子有輸入信號，變頻器按照預先設置的較低的頻率輸出，控制扶梯以節(jié)能方式運轉。當在設置的時間T3內檢測不到新的乘客，Y0輸出，變頻器的停止信號控制端子MRS有輸入信號，變頻器停止輸出，扶梯停止運轉。變頻器的公共端SD與PLC的公共端COM相連接。PLC與變頻器之間的連接線情況如圖3-2所示中的SD，MRS，RH，RM等符號連接。5程序設計流程圖在PLC的控制程序中，首先需要判斷扶梯的安全回路是否于安全狀態(tài)，然后再檢測扶梯的停止、上行、下行、檢修、潤滑等信號，通過對這些信號的處理，給出相應的運行狀態(tài)顯示和報警信號。在程序設計時，本系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，將各個功能模塊單獨編制子程序進行調用。首先PLC初始化，內部寄存器復位與置位，接著檢測扶梯的運行狀態(tài)和運行模式，然后再將扶梯的各項安全信號狀態(tài)放入狀態(tài)寄存器，通過狀態(tài)字確認扶梯是否處于正常，如正常則輸出信號驅動變頻器等設備工作，使扶梯進行相應的運行[7]。系統(tǒng)程序設計流程如圖3-3所示。圖3-3程序設計流程6程序示例程序設計程采用西門子PLC的編程軟件進行編程，以扶梯在檢測到乘客后由變頻器開始加速啟動，達到正常運行速度后切換到市網供電，規(guī)定時間無乘客進入轉入變頻器低速節(jié)能運行狀態(tài)，再無乘客進入則停止運行的一系列控制