基于PLC的扶梯变频系统设计毕业设计.docx

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基于PLC的扶梯变频系统设计毕业设计

毕业设计论文

基于PLC的扶梯变频系统设计

摘要

自动扶梯是由一台特种结构型式的链式输送机和两台特殊结构型式的胶带输送机所组合而成的，用以在建筑物的不同层高间运载人员上下的一种连续输送机械。

它的出现给人类的日常生活带来极大的便利，它同时也成为现代物质文明的一个重要标志。

从第一台名义上的自动扶梯诞生以来，自动扶梯的发展迄今为止大约经历了100多年。

自动扶梯作为运送旅客的交通工具，不仅成功地缩小了目标间的距离，而且使超短途（如楼层、月台间等）的大流量人员运输成为可能。

因此，经济学家说：

“自动扶梯的出现使人们有了逛大型商场的欲望。

”交通学家说“是自动扶梯和自动人行道的应用使我们可以把车站、机场建的尽可能大。

”自动扶梯的应用已经改变了我们的生活。

随着自动扶梯进一步向着高科技、节能、智能化的方向发展，变频器在扶梯领域也被广泛地应用。

该文系统采用子MM440变频器的控制组合，构成的调速系统对传统扶梯进行改造后，红外传感器、PLC可编程序控制器与西门使扶梯具备平稳启动、节能运行和检修运行功能。

扶梯启动时，避免产生很大的启动电流；无人乘梯时，扶梯由额定运行速度转为低速运行，即节约了能源，减小了机械磨损，也为乘客明确了扶梯运行方向；扶梯检修时，检修运行功能保证了扶梯检修精度。

关键词：

扶梯系统；PLC；MM440变频器

ABSTRACT

Escalatorisacombinationofaspecialtypeofchainconveyorandtwospecialtypesbeltconveyor.Anditisacontinuousconveyorthatusetocarrystaffsupanddownbetweenthedifferentfloorsinabuilding.Itsappearancebringshumanbeingsagreatconvenienceinthedailylife.Italsobecomeanimportantindicatorofmaterial.Fromthebirthofthefirstescalator,thedevelopmentoftheescalatorsofarhasgonethroughabout100years.Asatransport,escalatortransportpassengers,notonlyhassucceededinnarrowingthedistancebetweenthetarget,butalsomaketheultra-short-haul（suchasfloors,platforms,etc.）andflowstafftransportpossible.Therefore,theeconomistsaid:

"Theemergenceoftheescalatormakepeoplehavethedesiretogotoshoppingmalls."Trafficexpertssaid:

"Theapplicationofescalatorsandmovingwalkwaysmakewecanbuiltthestationsandtheairportsaslargeaspossible.Theapplicationoftheescalatorhaschangedourlives.Astheescalatortowardfurtherhigh-tech,energy-efficient,intelligentdirection,thefrequencyconverterhasbeenwidelyusedinescalatorareas.Thespeedcontrolsystemisacombinationofinfraredsensors,PLCandSiemensMM440Inverter.Afterthetransformation,thetraditionalescalatorprovidedwiththefunctions,suchasasmoothstart,energy-efficientoperationandmaintenanceoperation.Whenescalatorstarts,itavoidsalotofstartingcurrent;whenthereisnoonetakinganescalator,escalatorslowfromtheratedspeedtothelowspeedoperation,thatistosaveenergy,toreducesthemechanicalwear,toinstructthedirectionoftheescalatortopassengers;whenescalatorismaintened,themaintenanceoperationensureofthemaintenanceaccuracy.

Keywords：

Escalator；MM440；PLC

1绪论

1.1国内外研究现状

随着社会经济的发展．各类大型商场、商务楼宇中自动扶梯的使用量不断增加。

过去．大多数自动扶梯采用继电器控制系统。

这类扶梯在空闲时间无法节能运行。

造成了电能的浪费，用户的维护成本、使用成本无法降低。

经随访调查，商场营业时间，自动扶梯的使用率一般在60％左右．商务楼宇则更低，一般在30％左右：

因此．对自动扶梯控制系统的改造势在必行。

目前，自动扶梯节能改造方式主要有两种．即以PLC为核心结合变频器的控制方式和以单片机为核心结合变频器的控制方式。

这里采用第一种控制方式。

自动扶梯和电梯一样是公共场所运送乘客的典型设备，已在百货公司，机场、地铁、火车站等场所广泛的应用。

大多数扶梯在客流量大的时候，工作于额定运行状态，在空载时仍以额定速度运行，具有耗能大，机械磨损严重，使用寿命短等缺点。

MM440变频器是一种高性能的矢量变频器，由微处理器控制，并采用具有现代化先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。

采用MM440变频器组成的变频控制系统，可以很好的解决这些问题。

因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。

而且采用脉冲频率可选的专用脉冲调制技术，可使电机低噪声。

全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。

采用MM440变频器组成的变频调速控制系统，扶梯开始运行时通过变频器启动，当扶梯达到额定速度运行后，2分钟后如无乘客乘梯，扶梯由额定速度自动降为约五分之一额定速度爬行；如安装在扶梯出入口的传感器检测到有乘客乘梯，则扶梯速度马上平缓地升至额定速度，如乘客继续进入扶梯，扶梯将一直以额定速度正常运行。

本文中自动扶梯调速系统的性能特点：

⑴无乘客时，电梯低速运行，当有乘客到达入口时，电梯自动转入全速运行。

即应用变频调速可以进行电机软启动；乘客离开电梯后若再无乘客，则电梯自动转回低速运行；启动、停止或速度转换平稳顺畅，舒适性较好；当扶梯处于下行状态时，电机进入发电状态，能量回馈电网，此时电机不受变频器控制。

⑵当变频器出现故障时，可以不通过变频器，直接通过电网供电，改造中为了便于系统故障时不影响用户的使用，所以在保留原系统（工频系统）的基础上增加变频系统。

⑶检修运行时扶梯以二分之一额定速度运行，便于检修和观察扶梯结构的运动情况，克服了原系统额定速度点动停止不及时的不足。

⑷扶梯空载时电流仅为额定速度运行时电流的三分之一，节能效果明显。

由于无人乘梯时运行速度很低，机械部分的磨损大大降低，相对延长了扶梯的使用寿命。

⑸变频技术的采用大大降低了扶梯启动时对电网的冲击，保证了扶梯启动的平滑、舒适，可有效改善电网的功率因数，降低无功损耗。

基于电机控制理论的通用变频器的发展是世界高速经济发展的产物，其发展的趋势大致为:

⑴小型化。

变频器的小型化除了出自支撑部件的封装技术和系统设计的大规模集成化以外，功率器件发热的改善和冷却技术的发展己成为小型化的重要原因。

⑵低电磁噪音化。

今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC标准，主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路，改善输入电流波形，降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。

⑶主控一体化。

例如日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一块芯片上的DIPIPM（即双列直插式封装）的研制己经完成并推向市场，一种使逆变功率和控制电路达到一体化、智能化和高性能化的已被用户接受。

⑷系统化。

作为发展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发展。

最近，日本安川电机提出了以变频器，伺服装置，控制器概念，并制定了相应的标准，目的是为用户提供最佳的系统。

因此可以预见，今后变频器的高速响应和高性能将是基本条件。

⑸专用化。

通用变频器中出现专用型产品是近年来的事。

其目的是更好发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户。

如用于起重机负载，交流电梯，恒压供水、机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等专用变频器。

变频器的优点一是节能，二是优质，三是增产，四是降耗；由于变频器功能强大，应用量逐年攀升，已经由工厂扩展到社区、酒店、商厦等。

变频器的用量还在不断的增加，有相当大的市场潜力。

变频调速技术作为高新技术、基础技术、和节能技术在国民经济和日常生活中具有重要地位，已经渗透到经济领域的所有技术部门中。

但我国的变频调速仍有很多问题需要解决：

变频调速技术应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术，被用来改造传统的产业，节约能源及提高产品质量，获得较好的经济效益和社会效益。

变频调速技术是国际上技术更新换代最快的领域，是高科技领域的综合性技术，必需把我国变频调速技术提高到一个新水平，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求，是替代进口，节约投资的最大领域之一。

规范我国变频调速技术方面的标准，提高产品可靠性工艺水平，实现规模化、标准化生产。

1.2自动扶梯系统简介

自动扶梯是带有循环运行梯级，用于向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备。

直观看起来它就像移动的楼梯，同时伴随移动的扶手带。

自动扶梯是由一台特种结构形式的链式输送机和两台特殊结构形式的胶带输送机所组合而成，带有循环运动梯路，用以在建筑物的不同层高间向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备，运载人员上下的一种连续输送机械。

自动扶梯是带有循环运行梯级，用于向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备。

自动扶梯是由一台特种结构形式的链式输送机和两台特殊结构形式的胶带输送机所组合而成，带有循环运动梯路，用以在建筑物的不同层高间向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备（见右图）。

运载人员上下的一种连续输送机械。

自动扶梯由梯路（变型的板式输送机）和两旁的扶手（变形的带式输送机）组成。

其主要部件有梯级、牵引链条及链轮、导轨系统、主传动系统（包括电动机、减速装置、制动器及中间传动环节等）、驱动主轴、梯路张紧装置、扶手系统、梳板、扶梯骨架和电气系统等。

梯级在乘客入口处作水平运动（方便乘客登梯），以后逐渐形成阶梯；在接近出口处阶梯逐渐消失，梯级再度作水平运动。

这些运动都是由梯级主轮、辅轮分别沿不同的梯级导轨行走来实现的。

自动扶梯是一种连续输送机械，其电气控制系统与电梯电气控制系统相比区别主要体现在：

自动扶梯基本上不带在起动；自动扶梯的运行速度保持不变；自动扶梯不频繁起制动，无加减速问题；自动扶梯正常运行时不需改变运行方向；自动扶梯无开关门系统；自动扶梯不需要信号登录及信号显示系统；自动扶梯不需要考虑其运行位置及运行状态。

因此，自动扶梯的电气控制系统相对电梯来说简单得多。

　自动扶梯由梯路（变型的板式输送机）和两旁的扶手（变形的带式输送机）组成。

其主要部件有梯级、牵引链条及链轮、导轨系统、主传动系统驱动主轴、梯路张紧装置、扶手系统、梳板、扶梯骨架和电气系统等。

梯级在乘客入口处作水平运动（方便乘客登梯），以后逐渐形成阶梯；在接近出口处阶梯逐渐消失，梯级再度作水平运动。

这些运动都是由梯级主轮、辅轮分别沿不同的梯级导轨行走来实现的。

自动扶梯的梯级沿着金属结构内按一定要求设置的多根轨道运行，以形成阶梯。

自动扶梯梯路导轨系统包括主轮和辅轮的全部导轨、反轨、反板、导轨支架及转向壁等。

导轨系统的作用在于支承由梯级主轮和辅轮传递来的梯路载荷，保证梯级按一定得规律运动以及防止梯级跑偏等。

因此，要求轨道既要满足梯路设计要求，还应具有光滑、平整、耐磨的工作表面，并具有一定得尺寸精度。

自动扶梯的主要参数有提升高度（一般在10米以内，特殊情况可到几十米）、倾斜角度（一般为30°、35°）、速度（一般为0.5米／秒）、梯级宽度（单人的600～800毫米，双人的1000～1200毫米）、输送能力（单人的4000～5000人／时，双人的8000～12000人／时）、梯级节距和牵引链节距等。

1.3该课题研究的目的及意义

本文主要介绍西门子MM440标准变频器和PLC在自动扶梯调速节能系统中的应用。

该节能方案有以下优点：

（1）无人乘梯时：

保证扶梯自动平稳过渡到节能运行，以l/5额定速度运行。

（可以选择当无人乘梯时，扶梯自动停止的功能）；

（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，实际测量时得到了验证：

（3）扶梯空载时以节能模式运行，电流仅为空载时额定速度运行电流的1/3。

（4）检修运行时：

扶梯系统以1/2额定速度运行，便于检修和观察扶梯机构的运行情况，避免了原系统以额定速度运行、点动操作停止不及时的不足。

（5）由于无人乘梯时节能运行时速度很低，机械部分的磨损大大降低，相对延长了扶梯的使用寿命。

（6）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。

（7）改造中充分考虑了变频系统与原系统的并存，便于系统故障时相互切换，不影响用户的使用。

（8）改造中借用了原系统的安全条件，加上变频器自身的安全环节使得改造后的系统更安全、更可靠。

（9）扶梯节能改造的设备费用与电能节约和机械磨损的费用相比，投入不大，短期内即可收回投资，因此扶梯变频节能安全改造技术的研制和使用成功，能提高现有扶梯安全节能，具有显著的经济效益和社会效益。

2扶梯系统的方案论证

目前，自动扶梯的节能运行是变频器应用的热点领域之一。

自动扶梯广泛应用于大型商场．超市、机场、地铁．宾馆等场合。

大多数扶梯在客流量大的时候。

工作于额定运行状态，在空载时仍以额定速度运行，具有耗能大，机械磨损严重，使用寿命低等缺点。

采用MM440交频器组成的变频控制系统，可以很好的解决这些问题。

MM440是一种高性能的矢量变频器，由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型管（IGBT）作为功率输出器件。

因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。

而且采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术，可使电动机低噪声运行。

全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。

采用MM440变频器组成的变频控制系统，扶梯开始运行时通过变频器启动，当电梯达到额定速度运行后，如无乘客乘梯，扶梯由额定速度自动降为约四分之一额定速度爬行（如扶梯在四分之一额定速度下运行很长一段时间（2分钟）仍无人乘坐扶梯，则扶梯会自动平缓地停梯，该功能可自行设定，考虑到若顾客看到扶梯停止，误认为扶梯出现故障而不用扶梯，建议不采需这种功能}。

如安装在扶梯出入口处的传感器检测到有乘客乘梯，则扶梯速度马上平缓地升至额定速度．如乘客继续进入扶梯．扶梯将一直以额定速度正常运行。

2.1方案论证

2.1.1控制系统的比较

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2—3s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。

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、控制烦琐、布线杂多、占用空间大、故障率高缺点等，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。

随着自动扶梯进一步向着高科技、节能、智能化的方向发展，变频器在扶梯领域也被广泛地应用。

应用变频器和可编程控制器构成变频调速系统对传统扶梯进行节能改造，能够有效节约能源，降低运行成本。

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1000V，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。

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。

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采用智能型阳模块后，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。

传统的控制方式都有各自的缺点，且在能源及其匮乏的今天，它们都造成了很明显的能源浪费。

因此，该文在PLC控制系统的基础上再加上MM440变频器，使自动扶梯的速度可调。

自动扶梯通过变频器起动以后，以额定速度（0.5m/s）运行，在系统设定的时间2分钟内，若没有检测到有人进入扶梯，则2分钟后扶梯经过变频器调节频率使扶梯以五分之一额定速度（0.1m/s）运行；当红外传感器在以五分之一速度运行时检测到有人踏上床盖板，则扶梯加速至额定速度运行（在人进入扶梯之前达到额定速度）；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,如果一直有乘客进入扶梯，扶梯将一直以额定速度正常运行（不让扶梯停止是为了提示乘客乘梯的方向，以免人们误以为电梯坏了）；如变频器故障，则自动扶梯可由变频转换到工频状态运行（不节能状态），以保证自动扶梯正常工作。

图2-1扶梯工作流程

2.1.2控制方式的比较与选择

⑴V/F控制优缺点

V/F控制方式是最早实现的调速方式，属于转速开环控制，其优点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。

缺点是该控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。

另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，不能恰当地调整电动机的转矩补偿和适应负载的转矩变化，无法准确地控制电动机的实际转速，转速极低时，由于转矩不足而无法克服较大的静摩擦力时，因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。

尤其是在低速区域由于定子电阻的压降不容忽视而使电压调整比较困难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。

异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以实现很高的控制精度，所以采用这种控制的通用变频器的变频调速只适用于一般要求不高的场合。

所以它的运用将逐渐被矢量控制所取代。

⑵矢量控制

矢量控制的出现，使异步电动机变频调速后的机械特性及动态性能达到了足以和直流电动机调压的调速性能相媲美的程度，从而使异步电动机变频调速在电机的调速领域里全方位的处于优势地位。

矢量控制实现的基本思想：

交流电机的转子能够产生旋转的原因，是因为交流电机的定子能产生旋转磁动势。

而旋转磁动势是交流电机三相对称的静止绕组通过三相对称的交流电所产生的。

但是旋转磁动势一定要三相，在空间位置上相互垂直的，在时间上相位互差90°的两相通于平衡电流也能产生旋转磁动势。

具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。

简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。

矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。

将测得变频器实际输出电流按空间矢量的方式进行分解，形成转矩电流分量与磁通电流分量两个电流闭环，同时又可借助编码器或内置观测器模型来构成速度闭环，这种双闭环控制方式可以改善变频器的动态响应能力，减小滑差，保证系统速度稳定，确保低频时的转矩输出。

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。

由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。

鉴于电机参数有可能发生变化，会影响变频器对电机的控制性能，目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。

以异步电动机的矢量控制为例：

它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁链，气隙磁链，转子磁链，其中气息磁链是连接定子和转子的．一般的感应电机转子电流不易测量，所以通过气息来中转，把它变成定子电流．然后，有一些坐标变换，首先通过3/2变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度．最后再经过2/3变换，产生三相交流电去控制电机，这样就