基于变频器的自动扶梯节能设计毕业设计.doc

目 录第一部分 设计任务与调研1第二部分 设计说明6第三部分 设计成果11第四部分 结束语17第五部分 致谢18第六部分 参考文献19第一部分 设计任务与调研1.1毕业设计的主要任务 自动扶梯是公共场所运送乘客的典型设备，己经越来越多在商场、机场、码头、地铁、宾馆等场所广泛地运用。但目前国内常规的自动扶梯由于技术和资金的原因，大多是采用由电源供电直接启动的工作方式.每口在开始营业时就启动，以恒定的速度运行直到下班或到规定的时间才停梯，使用率普遍比较低下，总结起来普通自动扶梯有以下缺陷: 1.功率耗能大:由于采用直接启动的方式，普通自动扶梯一般每天运转10多小时，不管有无乘客搭乘.始终保持高速运转耗费大量的电能，尤其是有些地铁、机场、中大型商场周期性很明显。 2.机械磨损大、使用寿命较短:由于以恒定的速度每天运转10多小时，使扶梯部件产生不必要的磨损及疲劳损伤，如扶手带、梳齿板、梯级、链条、电机、减速箱等部件磨损大。一般这种自动扶梯寿命在10年左右超过此年限后主要部件磨损相当严重，需要更换新配件才能使用。 3.故障率较高、导致使用成本高:由于普通自动扶梯始终保持高速运转，使得大量的易损件更换次数频繁，需要大量的费用;磨损加大且发热量高，也导致自动扶梯故障率增加，进一步造成用户使用成本上升，同时也增加扶梯的维修量而影响正常使用。 自动扶梯和垂直电梯一样都是公用的，他们就像是一个客运设备，在百货商场，机场，地铁，火车站等场所起到了不可或缺的作用。但大多数扶梯除了在客流量大的时候是额定运行状态，在载客率比较低甚至空载时还是额定运行状态，这样就会对扶梯产生严重的机器磨损，导致扶梯的使用寿命缩短，同时还会产生较高的能量损耗。采用专用脉冲调试技术就可以使电机降低噪声，并且这种技术采用的脉冲频率是可选的。如此全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了比较好的保护。 这种既不合理也不经济的运行方式与国家提倡节能降耗，提高设备运行效率的方针是很不协调的.这使得我们想办法去解决上述缺陷，达到节约成本，提高经济效益的目的。1.2设计的思路方法 自动扶梯每天运行18小时但运行于额定载荷下的时间很短，如果按初期每5分钟一班列车计算，扶梯的“高峰负载持续率”最大为30%左右，其余时间都在空载或很低的载荷下运行电能消耗很大。因此解决自动扶梯的节能降耗问题具有很好的经济效益和社会效益。 1.实证分析法:自动扶梯节能技术应用的具体案例，对节能技术进行研究。 2.比较分析法:将通过比较各种节能方案的优缺点，得出较优的结果。 3.观察法:在自动扶梯实际应用过程中，将大量用到观察法对节能效果进行观察，1.3自动扶梯的研究目的及意义 近年来，自动扶梯的高速发展，不仅要满足促进各行业蓬勃发展的需要。“扶梯热”的形成和持续，将进一步推动发展和完善新产品的产品质量。在这种形式下，研发并且普及扶梯新技术已成为当务之急。 由于扶梯使用场所的特殊性，扶梯在写字楼、地铁等地的使用相对较为广泛，但出于场所的特殊性，这些场所的扶梯经常是出于轻载或空载的状态，导致电能的大量浪费，同时也造成了扶梯不必要的磨损。PLC作为系统的主控制器在保证扶梯正常运行的基础上，还要满足乘客乘坐舒适，节约不必要的能源浪费，以此达到延长扶梯使用寿命的目的，而且PLC作为系统的主控器还有不可替代的优点，例如性能可靠稳定，易于维护和功能强大，变频器的使用还可以发挥自动扶梯的节能效果，在舒适安全的前提下还可以节约能源，可见是具有良好的社会推广价值和市场前景的。1.4调研的总结 1.自动扶梯是属于负载率很低的设备，轻载或空载的时间占绝大多数，而满载运行的时间相对来说是很少的，在自动扶梯上采取适当的措施进行节能其效果是非常惊人的。 2.轻载工况下由于要保证服务质量，又不允许运行速度明显降低，此时最好的节能措施就是电机降压运行。 3.空载工况下最好让自动扶梯停止运行，这样完全没有能耗和磨损;可是在有些情况下由于要保证安全和方便，不允许停止运行，此时最好的节能措施就是电机降压降频蠕动运行。 4.在不同载荷条件下切换运行模式的方法，可以采用计数法、监控电机转速法、监控电机电流法等。不过一般来说，如果要停止运行或蠕动运行，则必须包含技术检测环节。 5.在空载时允许停梯的场合，节能运行模式可以同时采用自动重新启动运行和 Y切换运行，分别在空载和轻载工况下节能。 6.在空载时不允许停梯的场合，为了理性地实现上述节能要求，最好的节能措施就是采用变频器驱动。空载时电机降压降频蠕动运行，而在轻载时变频器只变压不变频，以实现降压节能运行。第二部分 设计说明 1.自动扶梯的节能方法 对于自动扶梯，常用的节能方法有“自动重新启动”节能法，“一Y切换”节能法等。 前一种方法是在无人乘梯时停止自动扶梯的运行,有人乘梯时起动扶梯,从而达到省电的目的,由于是采用了完全停电的方法,所以在节约能源方面是非常可观的，一般能达到50%的电能节约。但是这种方法存在一些缺陷,首先当无人乘梯时,自动扶梯处于停机状态,故大多乘客会认为扶梯停开或正在维修而转向附近的楼梯上楼,特别是在楼梯与扶梯并行设置时更是如此,从而失去了自动扶梯的作用。 后一种方法是采用经典的星形与三角形接法转换起动,但是折中方法也有些不足之处，星形接法由于转矩只有三角形接法的1/3,所以星形接法转速较慢,而且两者之间有23s的转换时间,如果光电探测头位置距离扶梯入口处太近时,在乘客上梯后由于星形与三角形接法的转换会产生一个冲击,使扶梯的乘用舒适感恶化,甚至酿成事故;如果光电探测头距离扶梯入口处太远,则可避免乘客上梯后产生冲击,但容易造成误动作,同时如果客流连续间断造成扶梯的频繁起动，也会产生不利影响。 自动扶梯控制系统有3种：继电器控制系统、PLC控制系统和微单片机控制系统。目前市场上所使用的自动扶梯还有继电器控制的，由于继电器控制系统噪声大、维修不便、控制方式落后等，已不适应现代人的需求，正逐渐被人们所淘汰。微单片机控制系统虽然在智能化方面有很大的发展，但由于微单片机控制系统的开发时间长，程序改动困难，抗干扰等问题而限制了其应用。而PLC控制系统有着可靠性高、稳定性好、维护检修方便等显著优点，加上现今逐渐时兴电脑化控制的电气设备，PLC控制的自动扶梯正好迎合了人们的心态，与市场需求紧密相连，其开发前景已被大大看好。2、PLC与变频器控制基本原理由于以上方式有着种种缺陷，这里提出了基于PLC与变频器的节能控制方法，同时，采用PLC作为主控制器，有着以下优点：（1）可靠性高，稳定性好。一般PLC允许的输入信号阀值比通常的微控制器大得多，且与外部电路都经过光电隔离，抗干扰能力较强。如一般的PLC能承受峰值lO00V，脉宽ls的矩形脉冲的尖峰干扰，并有多种保护功能，一旦出现故障，能使自动扶梯迅速停止。（2）编程简单，使用方便。目前PLC普遍采用继电器控制形式的“梯形图”编程方式，极易为电气、自动控制的技术人员所接受。（3）维护检修方便。PLC产品具有完善的监视诊断功能，如有醒目的内工作状态、通讯状态、I/O状态和异常状态等显示。扶梯的各个控制环节可以用故障代码表示。这样可以大大降低故障的平均修复时间，有的PLC采用智能型I/0模块后，还可以把外部故障判断和检测功能从CPU中分开，从而提高了外部故障检测功能。一般来说，自动扶梯的空载时间往往大于载客时间。在PLC控制器自动检测到自动扶梯空载运行一定时间后，发出指令控制变频器使其降速运行，当有乘客踏上自动扶梯床盖板时，扶梯可通过设置在床盖板入口处的光电感应装置自动感知乘客的到来，开始加速运转。在这里，变频器的主要作用是用来调整扶梯转速、启动和运行平稳，在无人时，PLC经过延时指令，系统自动转入蠕动状态运行，以达到节能的目的。在扶梯入口处安装光电开关，有乘客时，光电开关发出信号，扶梯经变频调速至额定速度，当全部乘客离开扶梯后，扶梯经过一段时延又自动进入低速运行的待客状态。这样可节省电能，减少机械磨损从而延长使用寿命。2-1 为节能方式的原理图。2-1 节能方式原理图 启动扶梯后，PLC不断检测光电传感器的电脉冲信号的输入，以判断是否有人需要乘座扶梯来控制变频器进行正常速度运行或低速运行。在扶梯正常速度运行期间，如再无光电脉冲信号则系统延时t秒（乘客自一端至另一端）自动转入低速运行。同时PLC在系统上电后始终采样变频器过载报警信号OLW、变频器异常报警信号FB、马达飞轮转速信号等，结合程序设计对系统进行保护。同时，系统也可通过手动转换开关进行节能和原工作方式的切换，使该系统可工作在变频状态，当变频装置出现故障时，又可转为原有运行方式，提高了系统的可靠性，增强了冗余度。3、系统的总体设计PLC主控制器采用西门子公司的S7-200系列中型号为CPU226的控制单元，S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化，它能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂的控制功能。其中CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可以很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。其输入电路采用光电隔离，继电器型输出，并带有24VDC电源为传感器提供可靠的工作电压，其稳定性和易用性一直为广大电气技术人员所喜爱。传感器选用BANNER公司的Q23SN6LP反射型光电传感器，其检测距离最高可达2m，在0.5-1.5m距离效果最佳，其工作电压为10-30VDC，将其安装在扶梯上或下平台，距入口1.0-1.5m处（使乘客能够对扶梯的加速有所准备）。变频器选用SAMCO-i高功能静音式I-IF型，在变频器的使用上选用它的两速选择端2DF和第二加减速AD2端以达到正常和低速两种速度及符合乘客舒适感的加速度。系统硬件原理框图如图2-2所示。 2-2 系统流程图 空载时通过变频器把转速降低为20%速度时，对于11kw以下的电机，扶梯耗能为仅为电机额定功率的3%5%，既300瓦400瓦左右。无论上行或者下行，在20%的蠕动速度都可达到80%的节能效果。采用变频器后，可以在自动扶梯空载时以极低频率和极低电压对电机供电，使扶梯以缓慢的速度运行。这样，在自动扶梯空载时便能起到良好的节能作用，同时扶梯不停止运行，也不会给乘客造成扶梯损坏无法运行的假象。当光电传感器检测到有人进入扶梯时，扶梯便开始提速，扶梯由缓速提升到额定速度所需的时间可通过PLC进行设定，设定时间可考虑为24秒。当人踏入扶梯踏板时，扶梯已接近或达到额定速度。这样就避免了人员在扶梯上的加速过程，保证了人员的安全。当PLC检测到扶梯空载t秒后，发出指令给变频器使额定速度变回蠕动速度。 整个自动扶梯节能运行模式控制流程如图2-3 所示。2-3 程序流程图采用上述的节能方法，其优点在于：（1）无人乘梯时，保证扶梯自动平稳过渡到节能运行，以1/5额定速度运行，节约了能源。（2）有人乘梯时，保证扶梯自动以节能速度平稳过渡到额定速度运行，保证了正常的使用。（3）由于无人乘梯时节能速度很慢，使得机械部分的磨损大大降低，相对延长了扶梯的使用寿命。（4）技术成熟，便于实施和推广。PLC采用继电器型，编程简单，工程技术人员便于根据实际需要进行修改。所采用的变频器功能齐全，操作简单。且该装置体积不大，便于安装，可以直接加装在扶梯的上下平台内。（5）变频技术的采用，大大降低了扶梯启动时对电网的冲击，采用变频器可有效改善电网的功率因数，降低无功损耗。第三部分 设计成果3.1节能控制系统3-1 节能电路图 电气控制部分又称控制电路，它包含两部分:拖动控制电路和信号(逻辑)控制电路，拖动控制电路因自动扶梯的拖动方式不同而异，可以是接触器线圈及其相关的控制电路，也可以是电力电子器件的门极(或基极)控制电路及其相关的控制电路;对于有速度闭环控制的系统，还包含有电流、电压、速度检测电路和调节器电路(对于采用计算机控制的系统，上述电路的功能亦可以由软件来实现)。信号控制电路与拖动方式关系不大。因此不同拖动方式的自动扶梯可以采用同一个信号控制电路。 自动扶梯的逻辑控制系统担负着自动扶梯运行逻辑的控制，在设计该部分时，不要生搬硬套地将原老的继电器控制回路进行T形图转换，应该充分利用PC的基本指令和功能指令，特别是利用功能指令，来实现自动扶梯的控制。而将可编程控制器(即PC机)应用于自动扶梯控制系统中，代替中间继电器，实现各种功能的自动控制，使得调速装置与PC机完美结合，便构成了自动扶梯的控制系统。整个系统分为:指令及召唤的记忆和消除、选向回路、运行控制、自动扶梯开关的控制等几个部分，同时还设计了故障检测回路，将常见的故障在PC内部进行编码，通过数码管输出指示，给维护人员提示故障信息，如图3-2所示3-2变频拖动系统结构图 变频器的变频调速使用的是智能功率模块(IPM)智能功率模块IPM(IntllingentPower)Module是目前较为理想的，适合驱动电动机变频器的电力电子器件。它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压、过电流和过热等故障监测电路，并可将监测信号传送给CPU。即使发生过载或使用不当，也可保证IPM模块自身不受损坏。由于采用了能连续监测功率器件电流的有电流传感功能的IGBT芯片，从而实现了高效的过流保护和短路保护。由于IPM模块集成了过热和欠压锁定保护电路，系统的可靠性得到进一步提高。另一方面，由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减小，因而系统尺寸也减小。IPM在故障情况下的自我保护能力，降低了器件的损坏机会。3.2电动机选择与变频器应用为了采用高效率封闭式鼠笼型感应电动机，要求电机的转差率不大于4%，实际使用中各种功率电机的平均转差率在3%以下，保证了扶梯在低负载时具有较高的电机效率。而普通扶梯的电机转差率一般都在4%以上，相比之下，电动机的效率提高幅度为2%7%。从己投入使用的近600台扶梯来看，以平均提升高度8m计算，2%-7%效率的提高，意味着年节电可达100万一350万kWho 变压变频控制技术在扶梯中的应用，大大的提高了扶梯产品的使用性能，拓宽了扶梯的功能，使扶梯具有调速平滑，多段速度可供选择，低速的检修速度，节约能源等诸多的优点。由于变压变频使扶梯具有了诸多的使用性能，相信变频技术在扶梯中的应用前景将是非常广阔的。3.3 软件设计的总体规则 自动扶梯控制系统的程序比较庞大，通常有时是一个程序由几个设计员来完成，这不仅给程序的设计者带来很大的不便，同时使用者就是我们的现场调试员也不能得心应手。所以针对这种情况我们在程序设计时采用模化的编程思想。编程过程中将一个复杂的程序按功能破分成若干相对独立的模块，形成一种树形结构。模块之间的联系尽量简单，每个模块独立完成一个或几个功能。将有用的模块组合起来就形成最终实用的程序。 可编程控制系统(PC)是集计算机技术、通信技术、自动控制技术(简称3C技术)为一体的新型工业控制系统。可编程计算机控制系统以极高的可靠性、丰富的编程语言、实用的编程方法、强大的功能、优良的性能、良好的耐恶劣环境的能力而成为工业控制领域中增长速度最迅猛的工业控制设备。本文系统的叙述了当今世界上先进的可编程控制器技术和它的编程方法，并用其作为自动扶梯控制的核心模块，自动扶梯工作流程如图3-4所示。3.3 自动扶梯工作流程图3.5 PLC程序流程图及功能模块说明:3-3PLC程序流程图 功能模块说明:Initiafiz anon一初始化模块:高速计数器HSCO:工作模式、初始值设定、预设置设定、初始计数方向I0.2, I0.3输入口中断设定:INPUT一指令输入模块:读取输入指令。LED_ OUT一显示模块:数据处理并转换为七段码。Error_ coding一故障编码模块:将各种故障信息编码。OUTPUT一指令输出模块:将PLC指令输出之输出口。Change_speed_point一换速点计算:计算换速点。Erroe_ detect一故障检测:检测自动扶梯故障。Speed_ out一速度输出:判断自动扶梯是否换速及输出速度指令。Auto_study一自学习模块:信息自学习Error register一故障记录:记录每种故障发生的次数。PLC在扶梯中的优点： 当今世界上先进的可编程控制器技术和它的编程方法，并用其作为自动扶梯控制的核心模块。本章主要介绍了一种基于PLC和变频器控制的自动扶梯控制系统的软件设计，PLC作为系统的主控制器性能稳定可靠，功能强大，易于维护，同时也有一定的升级空间。变频器的使用也使得自动扶梯的节能效果得到发挥，在安全舒适运行的前提下节约了宝贵的能源，具有良好的社会推广价值和市场前景。本章创新点:与传统的节能方式不同，本文提出的方法既保证了自动扶梯的正常运行，使乘客乘坐舒适，又节约了能源，减少了不必要的浪费，同时有利于延长扶梯的使用寿命。 可编程控制系统(PC)是集计算机技术、通信技术、自动控制技术为一体的新型工业控制播统。可编程计算机控制系统以极高的可靠性、丰富的编程语言、实用的编程方法、强大的功能、优良的性能、良好的耐恶劣环境的能力而成为工业控制领域中增长速度最迅猛的工业控制设备。第四部分 结束语 自动扶梯广泛应用于大型商场、超市、机场、地铁、宾馆等场合。主要介绍了一种基于PLC和变频器控制的自动扶梯节能方法，PLC作为系统的主控制器性能稳定可靠，功能强大，易于维护，同时也有一定的升级空间。变频器的使用也使得自动扶梯的节能效果得到发挥，在安全舒适运行的前提下节约了宝贵的能源，具有良好的社会推广价值和市场前景。 自动扶梯具有双向运行、紧急停止、检修运行、梯级链安全保护、扶手入口保护、梳齿安全保护、梯级下陷保护、非操作逆转保护、超速保护、过载保护、驱动链安全保护等标准功能，还具有围裙安全保护、扶手带监测、围裙毛刷、电动机过热保护、地震保护、梯级丢失监控等选配功能，满足了不同客户的需求。创新点：与传统的节能方式不同，本文提出的方法既保证了电梯的正常运行，使乘客乘坐舒适，又节约了能源，减少了不必要的浪费，同时有利于延长扶梯的使用寿命。尤其是在机场、宾馆等公共场所可以取得显著的效果。第五部分 致谢经过几个月的努力，本设计终于能够顺利完成，在本次设计中，我学到了很多东西，同时也使我认识到理论知识和实际操作紧密结合的重要性，同时也让我所学的知识更加牢固。还承蒙老师以及身边的很多同学的指导和帮助。在设计过程中，老师给予了悉心的指导，最重要的是给了我解决问题的思路和方法，在此，我对谢老师表示最真挚的感谢！同时感谢所有帮助过我的同学！ 由于我的学术水平有限，所写毕业设计难免有不足之处，恳请各位老师和学友纠正和指导！感些评阅老师百忙之中抽出时间对本毕业设计报告进行了评阅！ 第六部分 参考文献1. 自动扶梯选用指南M.史信芳.华南理工大学出版社.2. 自动扶梯原理设计与维修M.胡立峰.北京:工业出版社.3. 自动扶梯的节能技术. 洪致育，曾晓东.144-1464. 在自动扶梯上的应用.聂辉.变频器.24-255. 电气与PLC控制技术.北京: 蔡红斌主编.清华大学出版社.6. 可编程控制器技术教程. 吕景泉主编北京:高等教育出版社.7. 电机学(第2版)M.李海发，陈汤铭，郑逢时，北京:科学出版社.8. 可编程控制器原理及应用.钟肇新.彭侃主编.北京:华南理工大学出版社出版.9. 电气控制与PLC应用.范永胜.王崛主编北京:中国电力出版社.10.电气控制系统与可编程控制器.常晓玲主编.北京:机械工业出版社.11.现场总线技术及其应用.阳宪惠等.清华大学出版社.12.自动扶梯控制技术.梁延东.中国建筑工业出版社.