摘 要：以OMRON CPM1A-20CDR-A-V1型PLC及匯川公司的MD320變頻器為例介紹自動扶梯多功能變頻節能控制系統的設計。結合自動扶梯的基本原理，進行了配件選擇及硬件電路設計，并設計了系統控制程序。
關鍵詞：自動扶梯; PLC; 變頻節能 ; 控制系統

1 引言

自動扶梯廣泛應用于大型商場、超市、機場、地鐵、賓館等場合。大多數扶梯在客流量大的時候，工作于額定的運行狀態，在沒有乘客時仍以額定速度運行，具有耗能大、機械磨損嚴重、使用壽命低等缺點。采用PLC與變頻控制相結合的節能控制系統，已成為自動扶梯控制技術的發展方向。

帶有節能效果的自動扶梯具有以下特點：

（1）無人乘梯時，扶梯自動平穩過渡到節能運行，以1/5額定速度運行（可以選擇當無人乘梯時，扶梯自動停止的功能）;

（2）有人乘梯時，扶梯立即自動平穩過渡到額定速度運行;

（3）由于節能運行時速度很低，機械部分的磨損大大降低，相對延長了扶梯的使用壽命;

（4）變頻技術的采用大大降低了扶梯啟動時對電網的沖擊。

目前節能扶梯大多形式和功能單一，僅能實現簡單的快慢循環或快停循環。本系統設計的亮點是快慢循環和快慢停循環是可以通過程序進行自由選擇的，系統同時集成了上下梯級遺失、防驅動鏈斷鏈、防逆轉及故障保護輸出等功能，并可通過程序內部輔助繼電器的狀態監控扶梯運行狀態，現場調試十分方便。

2 自動扶梯變頻節能控制方式

2.1 變頻非自啟動（快慢循環）

2.1.1 功能描述

通過增加變頻器來控制扶梯運行的速度，當梯上有乘客時，扶梯以高速運行（例如額定速度），提高客流量，當乘客檢測裝置在一段時間內沒有檢測到乘客通過時，扶梯開始減速轉為低速運行（例如0.2m/s，參數可設置），此時一直處于待機運行中，即為非自啟動節能。

2.1.2 運行狀態描述

變頻控制，無人時低速，有人時高速。高速運行時間記為TQ，可通過PLC程序進行設置，具體時間根據梯的提升高度和速度而定。

2.1.3 運行步驟

（1） 當扶梯上電停止等待，有方向（比如上行）開始運行時，此時扶梯以低速開始節能運行進入待機等待。

（2） 下機房乘客檢測裝置檢測是否有人通過，當有人通過時，控制器內部的高速運行時間計數器（記為TC）清零，此時扶梯開始緩慢加速至高速運行。

（3）高速運行時間計數器（記為TC）開始計數，當TC

（4） 當有一段時間沒人乘梯即TC≥TQ時，扶梯又開始減速進入低速運行待機等待狀態，如此循環往復運行。

圖1為自動扶梯快慢循環控制時序圖。

圖1 自動扶梯快慢循環控制時序圖

2.1.4 功能實現

安裝在扶梯入口處的乘客檢測裝置檢測是否有人乘梯。

2.2 變頻自啟動（快慢停循環）

2.2.1 功能描述

通過增加變頻器來控制扶梯運行的速度，當梯上有乘客時，扶梯以高速運行（例如額定速度），提高客流量，當乘客檢測裝置在一段時間內沒有檢測到乘客通過時，扶梯開始減速轉為低速運行（例如0.2m/s，參數可設置），當乘客檢測裝置在一段時間內又沒檢測到乘客乘梯時，扶梯開始進入停止運行等待狀態，即為自啟動節能。

2.2.2 運行狀態描述

變頻控制，長時間無人乘梯時停止，有人乘梯時高速運行。高速運行時間記為TQ，低速運行時間TS，兩個參數可通過PLC程序進行設置，具體時間根據梯的提升高度和速度而定。

2.2.3 運行步驟

（1） 當扶梯上電停止等待，有方向（比如上行）開始運行時，此時扶梯進入上行停止等待運行中。

（2） 下機房光電檢測裝置檢測是否有人通過，當有人通過時，控制器內部的高速運行時間計數器（記為TC）清零，此時扶梯開始緩慢加速至高速運行。

（3） 高速運行時間計數器（記為TC）開始計時，當TC

（4）當有一段時間沒人乘梯即TC≥TQ時，扶梯開始減速進入低速運行狀態中。

（5） 低速運行時間計數器（記為TSC）開始計時，當TSC< TS時，若此時有人進入，TC清零重新開始計時，扶梯加速至高速運行狀態，又進入高速運行狀態中。

（6） 當一段時間內沒人乘梯即TSC≥TS時，扶梯停止運行進入等待中，如此循環往復運行。

圖2為自動扶梯快慢停循環控制時序圖。

圖2 自動扶梯快慢停循環控制時序圖

2.2.4 功能實現

安裝在扶梯入口處的乘客檢測裝置檢測是否有人乘梯。但是為了確保乘客的安全，按照GB16899-1997《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》的要求：自啟動的扶梯，應在該使用者走到梳齒相交線之前啟動運行，故乘客檢測裝置應滿足以下要求：

（1） 檢測裝置應滿足的要求

·光束，應設置在梳齒相交線之前至少1.3m外;

·觸點踏墊，其外緣應設置在梳齒相交線之前至少1.8m處，沿運行方向的觸點踏墊長度至少為0.85m。施加在其表面為25mm2的任何點上的載荷達到150N之前就應作出響應。

（1） 在實際設計時可選擇

· 安裝在扶手進出口處的光電漫發射裝置;
·安裝在蓋板進口處的光柱;
·安裝在蓋板下的踏墊自啟動裝置來實現。

本系統設計時選擇光電漫反射裝置，能夠確保每一個從不同方向走過來的乘客都能被有效的探測到，從而實現自啟動的功能。

3 系統設計

3.1 控制系統組成

圖3 控制系統框圖

由圖3可知，該系統主要由以下幾部分組成：電源、PLC、變頻器等。PLC是控制系統的核心，PLC根據輸入的光電信號是否有效確定高速運行指令的輸出，變頻器根據PLC的高速運行指令控制扶梯的運行速度，完成扶梯的快慢及快慢停循環運行。

3.2 硬件選型

以自動扶梯變頻非自啟動（快慢循環）為例，其扶梯控制系統實際需要輸入11點，輸出7點，PLC主控制器采用歐姆龍CPM1A-20CDR-A-V1型PLC。這種機型的PLC配有相應的編程軟件CX-Programmer進行編程及監視，不僅可以通過手持編程器對PLC編程，也可在個人PC機上進行編程。在扶梯運行過程中，可通過程序內部輔助繼電器的狀態監控電梯運行狀態，現場調試十分方便。[1]

變頻器采用匯川公司的MD320變頻器。MD系列變頻器具備完善的輸入輸出接口，全系列獨立風道和散熱器柜內柜外安裝可選，可以提供接近IP54防護要求的解決方案，其系統設計尤其適合恒轉矩負載使用。[2]

4 系統設計

4.1 變頻控制主電路

圖4 變頻控制主回路

圖4示出主回路主要由主空開ZK、相序保護繼電器JXW、安全接觸器JAQ、運行接觸器JYX、主電機MT等組成。

4.2 PLC輸入輸出口分配

輸入輸出口分配如附表所示。

附表 輸入輸出口分配表

4.3 運行控制回路

圖5為運行控制回路。

圖5 運行控制回路

扶梯的運行控制由PLC與變頻器一起完成。下面以變頻非自啟動（快慢循環）為例介紹扶梯節能運行工作原理。

變頻器實時監測PLC的輸出信號，從而決定扶梯的下一步運行。例如（1）扶梯的方向控制：當變頻器的端子DI1接收到PLC的信號時，輸出正轉，扶梯實現上行運行;反之，端子DI2有效時，輸出反轉，扶梯實現下行運行。（2）高速運行的控制：變頻器內預先設定好多段速控制的速度頻率，扶梯以節能低速待機運行時，只有運行接觸器（JYX）吸合，當PLC檢測到光電信號時，輸出高速運行指令信號，此時高速運行接觸器（VN）吸合，變頻器端子DI3有效，扶梯立即平穩的加速到設定頻率高速運行。

4.4 典型控制程序設計

下面針對程序中的運行方式、節能時間控制兩個子程序作重點介紹。

4.4.1 變頻非自啟動（快慢循環）和自啟動（快慢停循環）方式的選擇

方式的選擇見圖6。

圖6 快慢循環和快慢停循環子程序

只需修改程序中的SET和RSET 的組合，即可實現兩種不同運行方式的切換。

快慢循環，設置為SET 212.00和RSET 212.01。

快慢停循環，設置為SET 212.00和SET 212.01。

4.4.2 節能時間的控制

圖7 節能時間的子程序

快車運行保持時間，可由上述計數器設定，從而能夠滿足不同提升高度和速度的扶梯使用（見圖7）。

4.5 試驗數據

為了驗證本系統的節能效果，我們選擇某現場進行測試。現場曳引電機功率為7.5kW，對比變頻節能控制與普通Y-△控制的扶梯電量消耗。扶梯有乘客使用與空載運行時，各測試4個小時。實際測試下來采用節能的扶梯，滿載運行時，耗電25.3kWh，而使用普通Y-△控制扶梯耗電26kWh;空載運行時，耗電1.8kWh，而使用普通Y-△控制扶梯耗電8.4kWh。從這個實例可以看出，變頻節能控制的扶梯比普通Y-△控制的扶梯節能22%。

而如果采用無人乘梯時讓扶梯停下來，與改造之前相比可節能約30%。實際使用中，如果扶梯慢下來或者停下來的時間越長，節能效果越明顯。

5 結束語

該設計已經廣泛應用于扶梯的節能改造，目前已在武漢、上海等大城市有三百多臺被安裝使用。實踐證明，采用基于PLC及變頻器控制的扶梯節能系統可靠、運行穩定，很有效的節約了用戶的使用成本。

參考文獻
[1] 可編程控制器操作手冊.歐姆龍自動化（中國）有限公司，1997.
[2] MD320用戶手冊 V2.2.深圳市匯川技術有限公司，2008.