基于变频器的自动扶梯节能设计毕业设计论文.doc

目 录第一部分 设计任务与调研第二部分 设计说明第三部分 设计成果第四部分 结束语第五部分 致 谢第六部分 参考文献第一部分 设计任务与调研1 课题意义 在传统的扶梯中，不管人流量多少或者有无乘客，扶梯都以额定的速度运行，造成很大的能量损耗，不间断的运行也使得扶梯各部分的机械磨损严重，缩短了扶梯的使用寿命。采用PLC与变频器技术对传统扶梯的控制系统进行节能改造，具有调速性能好、节能效果显著、运行安全可靠等优点，是当今社会节能降耗、提高效率的有效手段。同时由于变频器在启动时电流是从零开始缓慢增加的，所以采用变频器技术后，还可以降低扶梯在启动时的冲击电压对电网的影响1。本文介绍了基于变频器与PLC设计的自动扶梯节能控制系统，设计了该系统的电气主电路，控制电路，控制程序。系统具有调速性能好、节能效果显著、运行安全可靠等优点。2 课题研究内容 变频器在垂直电梯中得到了很好的应用，但是在自动扶梯中却很少采用。传统的自动扶梯只有一种速度，因此它的电气控制部分比较简单，多采用继电器控制。近年来又发展到采用PLC控制，但也只是代替了继电器，提高了可靠性。由于自动扶梯多用于公共场合，持续工作时间长，当无人乘载时任按原来的速度运行，无疑是对能源很大的一种浪费。鉴于此原因，很有必要开发一种节能型自动扶梯。 基于变频器的自动扶梯节能设计，为了达到节能目的，可以使自动扶梯以两种速度运行。即无乘客时以较低速度运行，有乘客时则以额定速度运行。采用变频器可以很容易的实现两级速度设定。自动扶梯以什么速度运行的依据是判定有无乘客，所以在自动扶梯上下两个入口处应安装探测装置。采用红外探测器，当它在一定距离内探测到有人时，扶梯便开始加速，乘客行至入口处时自动扶梯以加速到额定速度运行。第二部分 设计说明1 变频器概述变频器是利用电力半导体器件的通断控制特性，将工作频率固定的交流电转换为直流电，然后通过高容量电容存储转换后电能，最后再通过逆变单元将此直流电源转化成交流电源，从而把电压、频率固定不变的工频交流电源转变成电压、频率都可调节的交流电源。将此可调的交流电源加到异步电机上，可实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度等功能。其结构如下图2-1所示。图2-1 变频器的结构变频器可以分为四个主要部分： （1）整流电路：它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。整流电路有两种基本类型可控和不可控的。变频器中的整流电路可由二极管或晶闸管单独构成，也可由两者共同构成。由二极管构成的是不可控整流电路，有晶闸管构成的是可控整流电路。二极管和晶闸管都用的整流电路是半控整流电路。 （2）中间电路：它有以下三种类型：（a）将整流电压变换成直流电流。（b)）使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变电路使用。（c）将整流后固定的直流电压变换成可变的直流电压。中间电路可看做是一个能量的存储装置，电动机可以通过逆变电路从中间电路获得能量。和逆变电路不同，中间电路可根据三种不同的原理构成。在使用电源逆变电路时，中间电路由一个大的电感线圈构成，它只能与可控整流电路配合使用。电感线圈将整流电路输出的可变电流电压转换成可变的直流电流。电机电压的大小取决于负载的大小。中间电路的滤波器使斩波器输出的方波电压变得平滑。滤波器的电容和电感使输出电压在给定频率下维持一定。中间电路还能提供一些附加功能，这取决于中间电路的设计。 （3）逆变电路：它产生电动机电压的频率。另外，一些逆变电路还可以将固定的直流电压变换成可变的交流电压。 逆变电路是变频器最后一个环节，其后与电动机相联。它最终产生适当的输出电压。变频器通过使输出电压适应负载的办法，保证在整个控制范围内提供良好的运行条件。这方法是将电机的励磁维持在最佳值。逆变电路可以从中间电路得到可变直流电流、可变直流电压、固定直流电压这三种其中的一种。在以上每种情况下，逆变电路都要确保给电机提供可变的量。换句话说，电动机电压的频率总是由逆变电路产生的。如果中间电路提供的电流或电压是可变的，逆变电路只需调节频率即可。如果中间电路只提供固定的电压，则逆变电路既要调节电动机的频率，还要调节电动机的电压。 （4）控制电路。它将信号传送给整流电路、中间电路和逆变电路，同时它也接收来自这部分的信号。具体被控制的部分取决于各个变频器的设计。2 变频器节能原理分析 交流电动机的转速公式为： N = 60f（1-s）P (1）式中：N为电机转速，单位转/分；f为电机电源频率，单位赫兹；P为电机磁极对数；s为电机转差率2。 由公式(1)可知，电机的转速与电源的频率成正比，若频率改变，则转速呈正比例变化，但是如果仅改变频率而电源电压不改变，则电机会出现过励磁现象而可能烧坏，所以变频器的电压和 频率必须同时改变。 由于扶梯所带负载为恒转矩负载，所以电机输出功率与电机转速的变化关系为： P2/P1 = N2/N1 (2)式中：P为电机的输出功率，单位瓦特；N为电机转速，单位转/分。由公式(2)可知，如果当电机转速降为一半 时，电机的输出功率也降低一半。由公式(1)和公式(2)可知，如果扶梯能够根据外部的情况变化进行调速运行，在处于低速运行或者停止运行时电机消耗的功率将大幅度降低，从而达到节能的效果。3 PLC概述PLC即可编程控制器，它是微机技术与继电接触器常规控制概念相结合的产物。即采用了微型计算机的基本结构和工作原理，融合了继电接触器控制的概念构成一种新型电控器。它专为在工业环境下应用而设计，采用可编程的存储器，用来存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并采用数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。 4 PLC的特点(1)编程简单，使用方便目前PLC继电器控制通常采用“梯形图”的编程方式，电气、自动控制的技术人员是很容易能接受。(2)具有较强的干扰能力和可靠性高可靠性是电气设备控制最关键的性能，并且PLC是利用电力技术的现代化大规模集成技术在生产过程中采用了非常严谨的工艺，内部电路也采取了先进的抗干扰技术，PLC具有很高的可靠性。在机外电路上使用PLC构成的控制系统相比于同等规模的继电接触器系统开关节点和电气接线己经降低到数千分之一，故障也能被大大降低。此外，PLC具有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。应用者在应用软件中可以通过外围设备编入自诊断程序，使该系统PLC的电路和设备也得到了自诊断保护。因此，整个系统的可靠性有了很大的提高。(3)配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了能够应用到不同规模工业控制场合的大、中、小各种规模的系列化产品，现代PLC具有数据运算能力和逻辑处理能力，更容易控制不同的数字领域。近几年来，位置控制、温度控制甚至CNC等各种工业控制都被大量功能单元的PLC渗透。通过对通信能力和人机界面技术的不断开发和改进，使得PLC进入各种控制系统使用更加容易。(4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 为了达到减少控制设备外部的接线，使控制系统的设计及制造周期缩短，同时达到更容易维护的目的，PLC采用了存储逻辑代替接线逻辑，可以实现统一设备上通过改变程序来改变生产过程的可能性，尤其适用于多品种、小批量的生产场合。5 红外传感器 光学系统、检测元件盒转电器组成了红外传感器。一旦热敏电阻收到红外线的辐射后温度必然升高，同时电阻也会产生相应的变化，然后由转换电器变成电信号输出。红外线是一种利用任何物质本身的温度进行感应的看不见的光线，物体的温度不同所产生的波长也不同，温度越高所产生的波长就越短，而且灵敏度高响应快。通过目标与背景的温差进行目标探测的是热视红外传感器，它的工作原理就是利用热释电效应，这种元件一旦接受到人体红外辐射温度而产生变化时就会失去电荷平衡然后向外释放电荷，后续电路经过检验进行处理随之产生报警信号。 其内部电路框图2-2所示。图2-2 热释电红外传感器封装图 若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有信号输出，所以这种传感器适合检测人体或者动物的活动情况。6 系统功能 本系统要求实现当有乘客进入扶梯入口处时，光电感应装置检测到有效信号，此信号被送入PLC，经过处理输出一个控制信号，使变频器按照设定的加速度进行无极变速，达到一个稳定的 速度后扶梯切换到市网供电并开始正常运行。同时计时器T1清零并开始计时，当T1在小于系统设置的T2时间段内，光电感应装置检测到一个新的 乘客进入，则T1又清零并重新开始计时，如果T1一直运行到大于T2的时间段后，表明在设置的T2时间内没有新的乘客进入，此时扶梯再切换到变频器供电，开始进入低速节能运行状态。此后若T1在小于系统设置的T3时间段内，光电感应装置 检测到新的乘客进入，则T1再度清零并计时，同时变频器从低速节能运行状态开始缓慢加速到额 定速度运行，扶梯切换到市网供电，若T1的值大于T3，则表明扶梯在节能运行状态下经过等待后还无乘客进入，此时扶梯就从低速节能运行状态 变为停止，从而达到最大节能3。系统除了具有根据乘客的变化情况进行自动调速运行功能外，系统还具备点动检修、速度监控、防逆转保护、故障显示、自动润滑、接触器 触点粘连保护、驱动链断链保护等功能。系统运行时序图如图2-3所示图2-3系统运行时序图7 系统框图PLC是控制系统的核心，它的作用是对各种输 入信号如运行模式设定，乘客光电检测和安全检测等信号进行处理，并得到输出信号去控制扶梯的运行、停止及故障诊断与显示、润滑注油、安 全保护等。变频器的作用是根据PLC的输出控制信号改变扶梯驱动电机的电源频率，使扶梯能够以一定的加速度进行软启动或进入低速节能状态运行。电路切换模块的作用是对扶梯电机的供电电源在变频器和市网供电之间根据需要进行自动切换，当扶梯在启动、低速节能运行、停止制动时 切换到变频器供电，当扶梯在额定速度正常运行 时切换到市网供电4。故障显示装置的作用是对各种故障现象进行显示。系统框图如图2-4所示。图2-4 系统控制框第三部分 设计成果1 电气主线路 连接扶梯驱动电机的主线路有两条，分别为 市网供电和变频器供电，变频器的R、S、T端子与 市网的三相电源通过保护开关相连，U、V、W与扶梯的电机电源端通过交流接触器KM1相连接，市网供电电源与扶梯的电机电源端通过交流接触 器KM2相连接，扶梯的上行和下行方向通过切换 KM3与KM4主触点分别导通来控制。为了严格防止扶梯由于程序故障导致逆行，KM3（上行）和KM4（下行）导通与否不通过程序控制，而是 由工作人员手动通过钥匙式开关控制。当扶梯处于调速运行或节能运行状态时，交流接触器KM2 线圈失电，主触点断开，交流接触器KM1线圈得电，其主触点闭合，扶梯由变频器供电。一旦 正常运行达到额定的速度后，KM1线圈失电，其 主触点断开，变频器不再供电，同时KM2线圈得电，其主触点闭合，扶梯电机切换到市网供电，这样可以降低变频器的输出功率，减少变频器的 工作时间5。检修模式下，扶梯由变频器供电，通过手动按钮控制变频器的JOG端有效来使扶梯点动 运行。FR为市网供电工作时扶梯电机过载保护装 置热继电器，M为扶梯异步三相驱动电机。 电气主线路如图3-1所示图3-1 系统电气主线路图2 PLC输入 系统中PLC输入信号除了自动扶梯出入口乘客光电检测信号外，还有速度监控输入信号，防逆转监控信号，接触器触点监控输入信号，驱动链 断链保护信号，强行停运控制信号，备用工作方式选择等。 X0为乘客光电检测信号，当有乘客进入到检 测区域，X0输入一个有效信号。X1为扶梯运行速度监控输入信号，用于监控扶梯的运行速度，如果超出设置范围，则X1输入一个有效信号。X2为逆转监控输入信号，如果扶梯处于系统设置的反向运转状态，PLC将发出信号切断扶梯电机的供电电路中的接触器触点并发出报警。X3为乘客反向 提醒信号，当扶梯处于停止状态时，如果有乘客从反向进入扶梯，扶梯按系统设置的较低的速度开始运转并发出报警声以提醒乘客进入错误。X4为安全回路输入信号，如果扶梯的安全回路在运 行过程中发生意外，PLC将发出一个控制信号切断 扶梯供电回路。X5为强行停止输入信号，当发生 人为意外情况时，可通过此手动按钮强行切断扶梯供电回路。X6为备用工作方式选择信号，当变 频器或检测传感器出现故障时，可通过此信号控 制扶梯电机直接接通市网供电并切断变频器供电 回路6。X7为接触器触点安全监控输入信号，如 果KM1，KM2的触点出现粘连，会导致短路，通 过把KM1与KM2的常开辅助触点串联，如果触点发生粘连，则X7有输入信号。X10为接触器触点 安全监控输入信号，防止KM3，KM4的触点出现粘连。3 PLC输出端 PLC的输出信号控制的对象有变频器停止运行信号Y0，输出使变频器MRS端有效，变频器无 输出频率和电压。变频器输出接通信号Y1，控制KM1线圈得电同时KM2线圈失电，扶梯由变频器供电。启动信号Y3输出，使变频器的RH端有效，扶梯缓慢加速启动，同时Y1有输出。控制市电切换接通信号Y2，控制KM2线圈得电同时KM1线圈失电，扶梯额定运行，同时Y0有输出。变频器 节能运行信号Y4，使变频器RM端有效，扶梯低 速节能运行，同时Y1有输出。照明输出Y5，用于控制照明电路。报警信号输出Y6，用于驱动报警 装置。注油器信号输出Y7，用于控制自动润滑装置。 PLC的输入输出端子接线如图3-2所示。图中将KM1的常闭辅助触点与KM2的线圈串联是为了防止KM1与KM2的主触点同时导通而引起短路。 图3-2 PLC输入输出端子接线图4 PLC与变频器之间的连接 根据系统需要，本系统选用西门子公司生产的S7-200系列变频器，此变频器可方便设定启动 额度频率、运行频率、加速时间、驱动转矩等参数，可满足系统所需的各种功能要求。 当光电检测装置检测到乘客信号时，Y3输出，变频器的RH端子有输入信号，变频器根据预先设置的频率和加速时间控制扶梯缓慢启动。当在设置的时间段T2内检测不到新的乘客时，Y4输出，变频器的RM端子有输入信号，变频器按照预 先设置的较低的频率输出，控制扶梯以节能方式运转。当在设置的时间T3内检测不到新的乘客，Y0输出，变频器的停止信号控制端子MRS有输入信号，变频器停止输出，扶梯停止运转。变频器的公共端SD与PLC的公共端COM相连接。 PLC与变频器之间的连接线情况如图3-2所示中的SD，MRS，RH，RM等符号连接。5 程序设计流程图 在P LC的控制程序中，首先需要判断扶梯的安全回路是否于安全状态，然后再检测扶梯的停止、上行、下行、检修、润滑等信号，通过对这些信号的处理，给出相应的运行状态显示和报警信号。 在程序设计时，本系统采用模块化的编程思想，将各个功能模块单独编制子程序进行调用。首先PLC初始化，内部寄存器复位与置位，接着检测扶梯的运行状态和运行模式，然后再将扶梯的各项安全信号状态放入状态寄存器，通过状态字确认扶梯是否处于正常，如正常则输出信号驱动变频器等设备工作，使扶梯进行相应的运行7。 系统程序设计流程如图3-3所示。图3-3 程序设计流程6 程序示例 程序设计程采用西门子P L C 的编程软件进行编程，以扶梯在检测到乘客后由变频器开始加速启动，达到正常运行速度后切换到市网供电，规定时间无乘客进入转入变频器低速节能运行状态，再无乘客进入则停止运行的一系列控制过程为例，程序梯形图如图3-4所示。图3-4 系统运行程序梯形图第四部分 结束语此扶梯控制系统经过试运行，所有电气和控制设备运行良好，各项性能和参数都能够满足实际运行要求。而且具有易于维护、故障率低等优点，事实证明，此系统各方面性能指标都达到了预期目标，系统运行稳定、可靠，节能明显。第五部分 致 谢在本次毕业设计中，首先诚挚的感谢指导老师的耐心指导。老师在忙碌的教学工作中抽空为我们辅导、上课、审查论毕业设计报告书，并指正修改。老师细心指导我们的学习与研究，并为我们提供先关的参考材料和书籍，对我们完成本次毕业设计有非常大的帮助。同时也教会了我们严谨细致的工作态度，这对我们今后的学习工作也有很大的帮助。转眼间大学生活面临结束，从此以后就走上了社会。离校日期也日趋临近，感谢在学校三年来老师们的悉心指导，向学院所有的老师们致以崇高的敬意和衷心的感谢。愿老师们身体健康、工作顺利，愿学院越来越好。本次毕业设计有很多不足之处，还望各位老师批评指正!第六部分 参考文献【1】张文蔚.PLC在自动化扶梯节能运行中的应用J.机电一体化，2008（09）：80-81【2】唐介.电机与拖动.2版M.北京:高等教育出版社,2007.【3】何宏.自动扶梯节能控制技术的研究J.天津理工大学学报，2009（4）：55-58【4】陈育斌.自动扶梯节能节能运行控制系统设计J.长江大学学报,2010(2):262-264.【5】沈玉梅.基于PLC和变频器的自动扶梯节能改造J.变频 器世界,2011(4):106-108.【6】禹柳飞.基于PLC的自动扶梯电气控制系统的设计J.工业控制计算机,2008(2):86-87.【7】曾毅.自动扶梯变频调速系统设计J.电气时代,2006(12): 101-103.