基于变频器自动扶梯节能设计毕业论文

目 目 录 第一部分 设计任务与调研............................................1 1 1.1 毕业设计的主要任务...........................................1 1.2 设计的思路、方法.............................................1 1.3 节能扶梯研究目的及意义.......................................2 1.4 调研的总结...................................................3 第二部分 设计说明..................................................4 4 2.1 电动机选择...................................................4 2.2 变频器选择...................................................5 2.2.1 变频器简介...............................................5 2.2.2 变频器参数设定...........................................6 2.3 PLC 选择.....................................................8 2.4 红外传感器的选择及作用......................................10 第三部分 设计成果.................................................1 12 2 3.1 电路设计及电路图............................................12 3.2 系统软件设计................................................16 3.3 流程图......................................................18 3.4 PLC 在自动扶梯中的梯形图....................................20 第四部分 结束语..................................................2 25 5 第五部分 致谢.....................................................2 26 6 第六部分 参考文献.................................................2 27 7

1 第一部分 设计任务与调研 1.1 毕业设计的主要任务 随着社会经济的发展，在各类大型商场、商务楼宇中人们会发现自动扶梯的数量越来越多。通过调查了解到以前比较老式的一些扶梯都存在着空闲时间不能节能运行的缺陷，研究后发现，采用继电器控制整个系统是大部分扶梯的设计系统，但是这种情况难免会产生客户方面不可避免的对电能的浪费以及维护成本的上升，经随访调查发现，商场一般扶梯的载客率在 60%左右，而商务楼中由于环境的特殊性载客率甚至更低仅有 30%左右，因此研究如何提高扶梯的利用率已经成为大势所趋。到目前为止，一般自动扶梯为了达到节能的效果，采用以 PLC为核心结合变频器或者是以单片机为核心结合变频器的两种不同的控制方式。这里采用第一种控制方式。

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。MM440 是高性能的矢量变频器，由微处理器控制，而且还采用了非常先进的 IGBT 即绝缘栅双极型晶体管作为功率输出的器件。如果扶梯运用 MM440 变频器组成的变频控制系统就能够对上述扶梯问题提供了很好的解决方案。因为它同时具备了运行可靠性和功能多样性等优势。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。

1.2 设计的思路、方法 通常我们把向上或向下倾斜的，用来输送乘客的带有循环运行梯级的电力驱动设备称为自动扶梯，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殊结构形式的链式输送机和两个特殊结构，由形式带、输送机组合而成，带有循环运动梯路，在不同层楼梯或建筑物间，用以连续运载上下人员的运输机械。

2 自动扶梯是由两旁的扶手即变形的带式输送机和变形的板式输送机即梯路组成的。它的主要部件有包括电动机、减速装置、制动器和中间传动环节在内的主传动系统、导轨系统、梯级、牵引链条和链轮、扶手系统、梯路紧张装置、驱动主轴、扶梯骨架和电气系统等。梯级为了方便乘客登梯在乘客入口处会做水平运动，然后逐渐形成阶梯，在接近出口处的阶梯消失做平运动，这些运动都梯级主轮，辅助轮沿着不同的阶梯分别进行的。

从功能上讲，自动扶梯是用来连续输送的机械，相对于电梯的电器控制系统，扶梯的电气控制系统基本上不带再启动，运行速度上自动扶梯是保持不变的，而且自动扶梯没有频繁起制动的问题从而就没有了加减速的问题；同时，相比较于电梯，扶梯不存在改变方向的问题，不需要开关门的系统，简言之自动扶梯是不需要考虑其运行位置和运行状态的；此外，自动扶梯不需要进行信号登录和信号的显示系统。因此，相对来说扶梯控制系统比垂直梯简单的多。

自动扶梯的阶梯是沿着金属结构内按一定要求设置的多轨道进行运行的，这样才能构成阶梯。

梯扶的梯路导轨包含了很多内容，不仅包括主轮以及所有辅轮的导轨、反轨、导轨支架和转向壁等。导轨系统在自动扶梯的运行中起了一个显著的作用，以保证梯级按一定的规律运动还可以防止梯级跑偏等。导轨系统必须支撑主轮梯级和辅助轮以及导轨载荷传递。因此，对轨道的要求就相当高，不但要求轨道能够满足梯路设计要求，同时还应该具有光滑、平整、耐磨的工作表面，还要具有一定的尺寸精度。

自动扶梯主要参数有提升高度(一般小于 10 米，特殊情况下到几十米)，倾斜角度(通常为 30℃, 35℃)，速度(一般为 0.5 米/秒)，梯级宽度(单人 600 到800 毫米，双人 1000～1200 毫米)，传输容量(4000-5000 的单人/双在 8000-12000人/小时)，梯级节距和牵引链节距等。

3 1.3 节能扶梯研究目的及意义 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，3 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 本文主要研究以默纳 MM440 标准变频器和 PLC 为基础的扶梯变频系统，完成自动扶梯电路图以及系统软件的设计，完成自动节能系统以及扶梯安全控制系统的研究设计。

该方案有以下优点:(1)无人乘梯时:确保顺利过渡到自动扶梯 1/5 额定转速运转，没有人甚至可以扶梯自动停止的功能。降低对机械的磨损从而延长机器的使用寿命。

(2)在有乘客来乘梯的时候，扶梯会从节能速度下平稳上升到正常的额定速度，经过实验测量也得到了验证。

(3)扶梯空载时以定速度运行电流的 1/3 的节能模式运行。

(4)检修运行时:为了避免原系统以额定速度运行、电动操作后又停止不及时的不足，扶梯系统是以 1/2 额定速度运行的。

(5)变频技术的采用可以有效改善电网的功率因数，在很大程度上降低扶梯启动时对电网的冲击。在改造的过程中，为了保证用户的利益，考虑到在出现故障的时候可以相互切换，就要将变频与原系统并存。

(6)变频器本身自带的安全环境还有外部原系统提供的安全条件，便能轻而易举的保证改造后的系统在使用上更加安全可靠。

(7)对扶梯进行节能改造的费用，相比于机器磨损的费用，前者具有明显的优势，投资回报快，短期可以恢复成本，所以自动扶梯安全变频节能技术的发展和成功使用，不仅可以提高现有的自动扶梯的安全性，还具有显著的经济和社会效益。

4 第二部分 设计说明 2.1 电动机的选择 选择电机要考虑到许多因素，基本原则是:选定电机时应该从结构、运行、维修及价格也就是说从性价比各方面进行考虑对比，当然前提是满足工作机械对于拖动系统的要求。如果是机械力驱动系统不是很高的工作，应优先考虑到交流电动机和交流电动机笼型异步电动机。正常情况下考虑的肯定是结构最简单，最可靠的操作和维护最便捷的电动机，如果没有过多的速度控制系统情况下就要优先考虑。某些工作机械如桥式起重机、升降机、锻压机等，制动频繁，为了提高生产效率，对启动马达的要求就比较高，因此这需要通过制动扭矩达到缩短启动的目的，同时还需要一定的调速，对于这样作业的机械，考虑选择一个绕线转子异步电机。

交流电动机的电源应该考虑运行的地方电网电压等级。中等功率交流电机额定电压值为 380V，额定功率交流电机的电压多为 3KV 或 6KV。电机额定转速的选择是否适当，这些在价格和运行效率上都与电动机有关，甚至关系到生产机械的生产率。相同的电机额定功率，更高的额定转速，更小的体积，更轻重量，价格也更低。因此，长期工作的机械，原则上应该选择额定速度较高的电机。然而，高额定转速降导致机构复杂化，实际选择时需要一个全面的权衡。

选择电机容量时，有些人认为电机容量的高起动转矩必须大于负载和起动转矩所需的功率，电源电压下降 10%至 15%的情况下，转矩仍然能够满足启动或运行需求，从电动机温升角度考虑，为了不降低电动机的寿命温升必须在限制的范围内，每天的工作当中，如果电动机在最低频率中工作时间不长，可以保留原来的电机，反之亦然。如果连续在最低频率运行，电机容量应提高一档。

电机参数设定: 本系统电机选用常用的 6 极 YFD 1605 型的三相交流感应电动机，额定功率5.5KW，额定电压 380V，额定电流 12.5A，额定转速 960r/min，功率因数 0.87，效率为 91%，同步转速为 1000r/min。

5 2.2 变频器选择 2.2.1 变频器简介 变频器是把 5OHz 的工频电源变换成各种频率的交流电源，从而实现电机的变速运行的设备，其结构如下图 2-1 所示。

图 图 2 2--1 变频器的结构 其中交流电会被整流电路变换成为直流电，以此达到控制电路对直电进行控制的目的，经过逆变电路直流电会转变为交流电，中间电路的作用则是对输出的整流电路进行平滑滤波。

选择变频器主要包括种类选择和容量选择两大方面。

目前变频器大致可分为两类:配备一般 V/F 控制方式的称为通用变频器，或者也可称为简易变频器，这种变频器最大的优点就是成本比较低，因此是应用最为广泛的。还有一种被称为高性能变频器，这种变频器通常是指配置矢量控制功能的变频器，这一类的变频器能使得自适应功能更加完善，可用于对调速性能较高的场合。一般变频器在选用的时候应该满足很多原则，包括容量应该比负载所需的输出量大，电流也应该大于电机的电流。

在众多的变频器型号中选择合适的产品为维护系统稳定运行帮助很大。在微处理控制器上采用高性能的矢量控制技术是 MM440 变频器最大的性能优势，并且该变频器还采用了非常先进的 IGBT(绝缘双极型晶体管)作为功率输出的器件。所以本系统选用 MM440 变频器。

MM440 具有默认出厂设置的参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统

6 供电的理想变频器驱动装置。由于 MM440 具有全面而完善的控制功能，在设置好相关的参数后，可用于更高级的电动机控制系统。

2.2.2 变频器参数设定 MM440 变频器的主要特性:①对于安装、设置参数和调试更加简便易行。②牢固的电磁兼容性设计。③可由中性点不接地电源供电。④具有对控制信号快速和可重复的响应。⑤为了保证对广泛的应用对象进行配置，设置了比较广范围的参数。

MM440 变频器的性能特征: ①具有矢量控制性能。②多点 V/f 特性。③对快速电流具有限制的功能，能够有效避免运行中出现跳闸的情况。④内置的直流注入制动。⑤复合制动功能能够改善制动特性。⑥制动单元是内置的⑦起始和结束段的段带平滑圆弧使得加速/减速斜坡特性是有可编程的平滑功能。⑧具有比例、积分和微分((PID)控制功能的闭环控。⑨具有自由功能块。

MM440 变频器的保护特性:过电压/欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护、电动机过热保护。

MM440 的参数及 BOP 板的操作: 变频器的运行是通过一系列用户设定的参数和输入端子的状态来实现的。而参数的设定是通过 BOP 板来完成的。上端为一块液晶显示器，下端为一组按键。BOP 板得外型及各按键的功能如图 2-2。

图 图 2 2--P 2 BOP 板的外型

7 MM440 变频器具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的可变速控制系统供电的理想变频传动装置。MM440 的参数数量极多(有 1000 多个)，各有其含义。详细情况可以查有关资料。

系统应用先进的 MM440 变频器，其参数的设定直接关系到自动扶梯调速节能系统的稳定运行。

根据上述要求，组成调速系统的硬件结构如图的 4 个开关量输入，采用数字输入端 DIN1—DIN4。

参数设定如下: 设定电动机选择类型，P0300=1:即为异步电动机。

设置功率，P0307=5.5:电动机的额定功率(KW)。

设置电压，P0304=380:电动机的额定电压(V)。

设置电流，P0305=12.5 电动机的额定电流(A)。

设置频率，P0310=50:电动机的额定频率(Hz)。

设置效率，P0309=91:电动机的效率(%)。

设置转速，P0311=960:电动机的额定转速(min/s)。

命令源设定，P0700=2:“2”，表示端子排输入，即 DINN 作为输入。

设定数字输入的功能: 数字输入 1，P0701 二 1:即[5]号端子为“1”, ON 正转；OFF 无效。

数字输入 2, P0702=2:即[6]号端子为“2”, ON 反转；OFF 无效。

数字输入 3，P0703=17,即[7]号端子为“17”，以二进制编码选择，直接输入+ON 信号，设定固定频率。

数字输入 4, P0704=17:即[8]号端子为“17”，以二进制编码选择，直接输入+ON 信号，设定固定频率。

数字输入 5, P0705=17:即[16]号端子为“17”，以二进制编码选择，直接输入+ON 信号，设定固定频率。

关于二进制编码输入，用 DIN3～DIN5 三位数字量编码决定固定频率。

具体方法为: DIN3～DIN5 的定义参数 P0703～P0705 全部设置为 17(二进制编码输入)。

3 个固定频率设定参数 P1001, P1002, P1003 分别设置固定频率。

8 设定数字输出的功能，P0731=52.3:变频器故障指示。

频率设定值选择，P1000=3:“3”表示选择固定频率设定值。

频率设定，考虑到 DINN 与 P100n 由对应关系，根据系统的要求，设定如下参数: P1001=50:DIN1对应的通道1频率为固定频率fl=50Hz，扶梯运行额定转速。

P1002=1O:DIN2 对应的通道 2 频率为固定频率 f2=10Hz，扶梯运行 1/5 额定转速。

P1003=25:DIN3 对应的通道 3 频率为固定频率 f3=25Hz，扶梯运行 1/2 额定速度。

自动扶梯运行时间设定: P1120=3:斜坡上升时间为 6.0 秒。

P1121=3:斜坡下降时间为 6.0 秒。

P1080、P1082 为电动机运行的最低频率与最高频率: P1080=10:电动机运行时的最低频率为 10Hz。

P1082=50:电动机运行时的最高频率为 50Hz。

变频器控制方式选择，P1300=20:变频器为无速度反馈的矢量控制。

C 2.3 PLC 的选择 PLC 可编程控制器是专为在工业环境中数字运算操作的电子系统。为了使存储在其内部的逻辑运算，顺序控制，定时，计数和指示的操作的指令的算术运算，它使用一个可编程存储器，通过数字式和模拟式的输入和输出实现上述要求。

电气系统组成以后，为了实现最优控制，还需精心编制 PLC 的控制程序。在PLC 的控制程序中，安全回路检测信号是需要首先进行处理的逻辑信号，因为该信号主要是用来判断扶梯的安全回路是否存在故障以及故障存在的位置。

对扶梯的停止、上行、检修、润滑等不同的信号进行甄别性的检测，能够对这些信号给出报警及状态显示的处理，这些都是 PLC 根据各种输入信号通过控制程序间协调一致、判断合理来完成对扶梯的整体控制的。如下图 2-3 所示。

9 图 图 2 2--3 控制系统接线图 C 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

10 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。

三菱 PLC FX1N--10MR 目前市场上的 PLC 种类繁多，FX1N-10MR 系列 PLC 是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，采用的是叠装式结构即由整体式和模块式相结合，这种结构具有很高的性价比所以应用最为广泛。FX1N-10MR 可以利用模块上的电位器使跟它对应的特殊寄存器中的数值进行更改，而且也可以对程序中的部分参数进行修改，例如对信息加注时间标记是可以通过时钟来实现的，可以对过程时间进行控制或者对其运行时间进行记录。选用 PLC 时必须从其技术指标、硬件配置等方面综合考虑。FX 1 N-1 OMR 系列 PLC 的技术指标包括一般技术指标、电源技术指标、输入技术指标、输出技术指标和性能技术指标等；FX1N-IOMR 系列 PLC 的硬件配置包括基本单元、扩展单元、扩展模块、模拟量 I/O 模块、各种特殊功能模块及外围设备等。

PLC FX1N-IOMR 的主要特点:较高的可靠性；丰富的指令集；丰富的内置集成功能；实时特性强和强大的通信能力。

PLC 是其中工业自动化应用技术的三大支柱，自诞生以来得到了广泛的应用。在工业自动化技术领域，速度调控经常使用。驱动性能和高效率的质量控制是变频器的优良控制特性，降低维护成本和节能已经取得了显著的经济效益。

主控制器 PLC 和执行及检测设备的的变频器必须彼此一起兼容来完成控制任务。该控制器可以被编程以及控制变频器的给定信号，使变频器输出对应于的速度控制曲线，控制变频器的输出，完成系统报警和对速度的控制，变频器上的其他智能控制信号也是可以接入 PLC 的。

2.4 红外传感器的选择及作用

11 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。

下面简单介绍一下人体热释电红外传感器: 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 2-4 所示。

图 图 2 2--4 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。该系统选用 LHI878 型号的热释电红外传感器。

12 第三部分 设计成果 在本章中，对自动扶梯的整个控制系统进行详细的分析，不但介绍了自动扶梯变频调速系统的工作原理还有本系统的电路设计的操作。

目前，自动扶梯的节能操作是变频器应用的热点领域之一。自动扶梯被广泛使用于大型商场、超市、机场、地铁、宾馆等公共场所。在正常工作状态下工作时，以额定转速，但空载时仍然在运行，造成能源消耗，机械磨损严重，寿命和低缺陷。使用 MM440 变频器组成的变频调速控制系统，可以解决这些问题。

根据自动扶梯的工作过程，变频调速的自动扶梯工作主要功能: ①扶梯按照一定的速度曲线运行。

②扶梯运行平稳，能够依据设定的时间按照设定的速度曲线来进行速度过渡，这样就能保证扶梯在乘客进入之前就能达到额定速度。

③系统的调速范围为 0.1～05m/s。

使用 MM440 变频器的频率控制系统组成，其主要作用是变频器可以启动自动扶梯，自动扶梯在额定速度 0.5 米/秒的运行，没有乘客继续乘坐电梯，自动扶梯会自动降低了为原来速度额定速度的五分之一就是以 0.1 米/秒的速度运转，一旦安装在自动扶梯入口的传感器检测到的有乘客乘梯时，自动扶梯能立即稳步上升到 0.5 米/秒的额定速度，并且会在前排乘客进入自动扶梯前达到额定速度。相应地，如果自动扶梯进行维修，将继续以额定速度一半运行，当变频器有故障时，自动扶梯由变频切换到电源工频，以 O.5m/ s 的额定速度运行，以确保电梯的正常运行。

3.1 电路设计及电路图(1)系统硬件设计: 系统采用热释电红外传感器(LHI878), PLC 可编程序控制器 FX1N-10MR 与变频器(MM440)的控制组合，结合强大的功能，小型装修工程等。其系统框图如下图 3-1 所示。

13 图 图 3 3--1 自动扶梯系统框图 自动扶梯因其使用场合的特殊性大部分时间是出于负状态即扶梯无人乘坐的空载状态，导致了能源大量的浪费，并使扶梯部件(如电动机，齿轮箱，扶手等)产生不必要的磨损和疲劳破坏。当然，在人流量较小的地方，将由满速度逐渐减慢或停止工作(但在这种情况下，乘客会以为电梯坏了，影响乘客出行，不推荐)这样一般可实现节省电能 30%—50%左右。在有乘客踏上自动扶梯床盖板时，扶梯便可感知到乘客的到来，开始全速运转。

图 图 3 3--2 变频器与电机之间的连接 变频器在没有故障的时候会按照额定转速运行并且是通过制动器控制进行供电，但一旦变频器处于爬行的状态进行上、下行时则是通过变频器供电；当然

14 一旦变频器出现故障则可以直接通过制动器进行供电。

系统中的变频器的主要作用是调整自动扶梯的转速，以确保自动扶梯处于无负载时的节能效果，无负载时通过极低频率和极低的电源电压来控制自动扶梯减慢运行速度，不停止运行，而不是让客户产生错觉无法运行。光电传感器检测到有乘客进入扶梯时，扶梯开始迅速平稳加速，而这一次它的速度可以由 PLC 设定，一般设定时间 2-4 秒，因为在这段时间内，人们会从扶梯附近到站在自动扶梯踏板上，所以可以加快这个过程，使乘客在站到自动扶梯踏板前结束这一加速进程，以确保乘客的安全。如果 PLC 检测到自动扶梯负载一段时间后，发出指令给变频器，使电梯由正常的运行速度转为爬行速度。这样可以节省电能，并减少机械磨损，从而延长了电梯的使用寿命。

图 图 3 3--3 控制系统的连接 利用 PLC 实现对变频器的控制，包括对故障检测的显示，对出入口乘客的检测等，在电梯出现故障的时候报警器会自动开始报警，同时变频器开关会自动进行动作切断电机电路保证无事故发生，还可以通过 PLC 对变频器的控制辅助检修检测故障部件等。

一般来说。自动扶梯无乘客的时间比载客时间大。经过 PLC 控制器会自动检测运行时间来确定扶梯是否空载，如果检测到空载，会发出指令来控制变频器的15 操作迫使其降速运行。如果乘客踏上自动扶梯平板，自动扶梯开始加速。在这里，调整自动扶梯的速度、开始平稳运行的重担就落在了变频器身上，自动扶梯没有乘客时，为了达到节能的目的，PLC 系统将发出延迟的命令，使扶梯由额定速度缓慢下降进入蠕动状态。如果能够在自动扶梯的入口处进行安装光电开关，光电开关在乘客踏上踏板时会发出信号，自动扶梯将会通过变频器升至额定速度，所有乘客离开电梯，扶梯经过一段延时又自动进入待客的低速运行状态。

图 图 3 3--4 传感器回路

16 在自动扶梯开始运行后，PLC 将连续检测到由传感器输入的电脉冲信号。用于确定乘客是否乘坐电梯控制变频器的速度，自动扶梯在正常操作期间以额定速度运行，当在 120 秒内(乘客从一端到另一端)没有光学脉冲信号时，系统自动转换到低速操作。如果自动扶梯入口处的传感器检测到有乘客乘梯时，扶梯的运行速度则会迅速平稳的上升至额定速度，如果达到额定速度后长时间没有检测到乘客乘梯便会从额定速度下降为原速度的四分之一爬行。

2 3.2 系统软件设计 ①多段速频率的选择 表 3-1 多段频率选择 固定频率 Q2.3 Q2.4 实际频率(HZ)1 0 1 50.00 2 1 0 10.00 3 1 1 25.00 OFF 0 0 ②加减速模式的选择 为了减小系统的机械压力，我们可以利用变频器中的斜坡函数发生器使其在给定值 1 个阶跃信号时限制加速度，然后利用斜坡上升和下降时间分别加速和制动斜坡，这些都可以独立设定。在给定值发生变化时我们可以允许一个可控制的过渡区。为了避免转矩在过渡区的冲击，我们可以通过编程添加附加圆弧时间。在扶梯自动上升过程中，通过曲线加速达到目标速度然后变为匀速，如 A-B-C段。先高转速启动然后通过加速电机达到 S 型加速曲线最后柔性缓慢加速。如下图 3-5 所示。

17 图 图 3 3--5 5 带圆弧的变频率输出特性 ③节能分析 经过不断地实验我们发现在扶梯电气控制线路加装变频器这种简单的改造便能实现节能的目的，为了使扶梯能够具有平稳启动、节能运行的优势，一般都使采用变频调速方式来对扶梯进行控制。而在没有人搭乘电梯时，从额定工作速度降低为低速运行，从而节省了能量，而且还能够减少自动扶梯的机械磨损。

一旦自动扶梯入踏板检测到乘客就必须加速，以最快的速度平稳增加到正常速度中，当乘客离开时或逐渐减少时则会逐渐降低为慢的在额定速度，甚至停止，以等待下一个乘客，如果乘客不间断就会以正常的额定速度持续运行，一直到最后一个乘客离开扶梯。

目前常规的自动扶梯空载时仍是额定速度运行，能源消耗，机械磨损大，寿命低等缺点。如某购物商场有 14 个自动扶梯，每个自动扶梯电功率 8 千瓦，每部自动扶梯每天大约消耗 70KWh 左右，每天运行 11 小时，并继续以恒定的速度运行，在很长一段时间，自动扶梯是在额定载客量 2/3 以下运行的，平均累计时间自动扶梯的每部空载可达每天 5 个小时。一旦在空载时自动扶梯停运或运行缓慢，将大大减少电力消耗。如果把扶梯的运行方式以自动扶梯继续以恒定速度运转模式下运行改为有人时就不断的一额定速度运动，无人乘梯时缓慢甚至停止运行，可大大达到省电的目的。

目前生产的扶梯都是由三相异步电动机经变速箱带动机械部件运转且没有调速功能的。根据电机学理论交流电动机的转速公式为: n=60f/p(1-s)（3.1）式中:f 为定子的电源稳压器的频率，P 为极对数，n 为转速，s 为转差率。

(1)改变电动机极对数 P 可以改变电机转速，这是交流双速电动机采用的调

18 速方法。

(2)通过调整定子绕组电压大小来改变转差率 s 达到调速目的，这是交流调速电动机采用的调速方法。

(3)改变定子电源频率 f 也可达到调速目的，但 f 最大不能超过电动机额定频率，电梯作为恒转距负载，调速时为保持最大转距不变，根据转距公式: M=Cm φ ICOS φ（3.2）式中:Cm 为电机常数，I 为转子电流，φ 甲为电机气隙磁通，cos φ 为转子功率因数，必须保持甲恒定。又根据电压公式: U=4.44fWk φ(3.3)式中:U 为定子电压，f 为定子电压频率，W 为定子绕组匝数，k 为电机常数，必须保持 U/f 为常数，又根据电机拖动原理，转速之比等于频率之比，等于电压之比，等于功率之比。

即 N 0 /N 1 =f 0 /f 1 =U O /U 1 =P 0 /P 1(3.4)即变频器必须兼备变压、变频两种功能，这就是变频电梯的基本控制原理。

经济效益分析: 将已有的恒速扶梯改成变频调速扶梯，考虑到电机不加改动，对于原有的电机，经过验证，最有效的节能办法就是加装变频器。通过变频器来改变电源频率实现调速的目的。

3.3 流程图 本系统设计的自动扶梯运行模式一般为 3 种模式，它们的流程图如下 3-6、3-7、3-8 所示。

19 图 图 3 3--6 自动扶梯主控流程图

20 图 图 3 3--7 故障控制流程图 图 图 3 3--8 检修控制流程图 C 3.4 PLC 在扶梯中的梯形图 本节对变频器、电机的一些参数进行了设定。由于采用了可编程控制器，所

21 以必须编写一个合适的程序使得系统能够稳定有效的运行。

C PLC 程序设计 表 3-2 PLC 的 I/O 分配 端口 功能 端口 功能 X0 驱动连接 X1 曳引链断 X2 扶手带断 X3 梯级异常 X4 梯级下沉 X5 上行按钮 X6 下列按钮 X7 松闸开关 X10 变频器故障 X11 上检按钮 X12 下检按钮 X13 安全回路 X14 自动挡 X15 检修档 X16 红外传感器 1 X17 红外传感器 2 Y0 驱动链断指示 X1 曳引链断指示 Y4 梯级下沉指示 X5 松闸 Y6 松闸指示 X7 报警铃 Y10 运行 X11 低速运行 Y12 25HZ X13 上行 Y14 下行 利用三菱 GXDeveloper8.52 中文软件编写 PLC 梯形图程序进行速度控制: 自传感器有输出，开始记时，若不到 2 分钟，则等下次输出，重新计时，直到计时完成。

22 自运行状态，按下上/下行按钮，扶梯以额定速度上/下行，2 分钟定时到，扶梯以 1/5 额定速度运行。

23 PLC 梯形图：

25 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。大多数扶梯在客流量大的时候，工作于额定的运行状态，在没有乘客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 PLC 与变频控制相结合的节能控制系统，已成为自动扶梯控制技术的发展方向。

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。

本文设计的自动扶梯控制系统采用 PLC 为主控器，具有可靠性高、稳定性好、编程简单、使用方便、检修维护方便等显著优点。将 PLC 应用于自动扶梯上，可大大提高自动扶梯的控制水平，使自动扶梯达到了更为理想的控制效果。跟继电器控制自动扶梯相比有了一个质的飞跃。它实现了自动扶梯的电脑化控制，使自动扶梯更趋智能化。

26 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，所写毕业设计报告难免有不足之处，恳请各位老师和学友纠正和指导！感谢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！

27 第六部分 参考文献 [1)刘 旭 明.基 于 变 频 器 的 自 动 扶 梯 节 能 设 计 [[J].制 造 业 自 动化.2011(17):144-146.[2]刘美俊.变频器应用与维护技术[M].北京:中国电力出版社.2008.[3)董思嘉.自控系统在大型商场节能中的应用[[J].城市建设理论研究.2013(51):24-25.[4)毛怀新.电梯与自动扶梯技术检验[M]，北京:学苑出版社.2007.[5]顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京:机械工业出版社.2004.[6] 刘 天 浩.可 编 程 控 制 器 PLC 的 现 状 及 应 用 分 析 [[J].科 技 信息.2007(13):88-89.[7] 王 博.自 动 扶 梯 的 检 验 与 安 全 技 术 探 讨 [[J].科 技 传播..2010(16):52-53.[8]张洪润.传感器应用设计 300 例[M].北京:北京航空航天出版社.2007.[9]杨公源.常用变频器应用实例[M].北京:电子工业出版社.2006.[10]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].北京:机械工业出版社.2005.[11] 李 澄 一 种 自 动 扶 梯 节 能 方 式 的 设 计 [[J]。

起 重 运 输 机械.2007(10):112-115.[12]王永华等.现代电气控制及 PLC 应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社.2003.[13]赵建.自动扶梯安全可靠性分析[[J].科技风..2012(24):57-59.[14]周志敏，周纪海，纪爱华.变频调速系统设计与维护〔M].北京:中国电力出版社.2007.[15]陈文军.PLC 的特点及其应用[J].科技传播.2012(5):85-86.[16] 陈 杰,黄 鸿.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社,2002.[17] 张 欣,陆申龙.新型霍尔传感器的特性及在测量与控制中的应用[J].大学物理,2002(10).

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