李威++程哲++黃斌

【摘 要】隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型商場(chǎng)和超市中自動(dòng)扶梯的使用量不斷增加。單速運(yùn)行模式的自動(dòng)扶梯在運(yùn)行中均以額定速度運(yùn)行，具有能耗大的缺點(diǎn)。本文采用單片機(jī)和變頻器控制技術(shù)對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，利用軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯的智能運(yùn)行模式運(yùn)行，即無人乘梯時(shí)低速或停止運(yùn)行。有效地節(jié)約了電能，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和示范效應(yīng)。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)扶梯；單片機(jī)；變頻器；節(jié)能

Escalator energy-saving design based on Microcontroller and Inverter

Li Wei，Cheng Zhe，Huang Bin

（Branch of SuZhou， Special equipment safety supervision inspection institute of JiangSu province Suzhou Jiangsu 215031）

【Abstract】With the social economy development， the amount of escalators increased in shopping malls and supermarkets. Escalator of single-speed run at rated speed which waste a lot of electric power. In this article， Use microcontroller and inverter control technology to design the energy-saving escalator， simultaneously use software design to realize escalator intelligent run mode， that is， slow running or stop when no passenger. All of the above the design save energy effectively， with good economic and demonstration effect.

【Key words】Escalator；Microcontroller；Inverter；Energy-saving

1. 引言

自動(dòng)扶梯是指動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，利用沿固定線路運(yùn)行的梯級(jí)，進(jìn)行升降運(yùn)送人、貨物的機(jī)電設(shè)備。廣泛應(yīng)用于地鐵、車站、商場(chǎng)、賓館等公共場(chǎng)所。在人流量較少的場(chǎng)所自動(dòng)扶梯運(yùn)行在額定負(fù)載下的情況很短，因而自動(dòng)扶梯存在長(zhǎng)期低載甚至空載運(yùn)行的狀況，造成電力資源嚴(yán)重浪費(fèi)，極大地增加了機(jī)械磨損。因此，本文中自動(dòng)扶梯的節(jié)能控制技術(shù)就尤為急需、重要。

2. 自動(dòng)扶梯節(jié)能設(shè)計(jì)原理

（1）本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)扶梯節(jié)能控制系統(tǒng)采用單片機(jī)與變頻器相結(jié)合的方式對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行節(jié)能控制 [1] [2]，其基本原理為單片機(jī)控制器根據(jù)檢測(cè)到的乘客信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)，然后對(duì)變頻器發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，從而改變自動(dòng)扶梯的運(yùn)行速度以達(dá)到節(jié)能的目的。其原理圖如圖1所示。

圖1 原理圖

圖2 控制器實(shí)物圖

（2）初始自動(dòng)扶梯以額定速度運(yùn)行，當(dāng)沒有檢測(cè)到乘客信號(hào)時(shí)，經(jīng)過一定時(shí)間的延時(shí)（可根據(jù)需要設(shè)定為30～180 s），自動(dòng)扶梯進(jìn)入節(jié)能速度運(yùn)行狀態(tài)，速度可根據(jù)需要設(shè)定在0. 05～0. 25m /s。然后再經(jīng)過相應(yīng)延時(shí)（5min）且沒有檢測(cè)到乘客信號(hào)，自動(dòng)扶梯進(jìn)入節(jié)能停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)檢測(cè)到乘客信號(hào)自動(dòng)扶梯即恢復(fù)至額定速度運(yùn)行；在此期間如果有乘客陸續(xù)進(jìn)入，則自動(dòng)復(fù)位計(jì)時(shí)延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，以保證將所有的乘客運(yùn)達(dá)。當(dāng)經(jīng)過一段時(shí)間沒有檢測(cè)到乘客信號(hào)，自動(dòng)扶梯又進(jìn)入節(jié)能模式。這樣自動(dòng)扶梯通過單片機(jī)和變頻器來調(diào)節(jié)運(yùn)行速度以達(dá)到節(jié)能，同時(shí)減少機(jī)械損耗。

3. 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)。

（1）該系統(tǒng)采用PHILIPS公司生產(chǎn)的ARM芯片作為主芯片，其具有46路通用I/O口，大容量控制代碼存儲(chǔ)器，CAN通訊接口等，有強(qiáng)大的系統(tǒng)擴(kuò)展與功能開發(fā)能力。同時(shí)具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)?？刂破鲗?shí)物圖如圖2所示。

（2）自動(dòng)扶梯節(jié)能控制系統(tǒng)框圖，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架圖

圖4 輸入電路圖

（3）該系統(tǒng)是以LPC2119單片機(jī)控制器為核心 [3]。其大致可分為3 個(gè)部分：信號(hào)控制回路，變頻器，電動(dòng)機(jī)。信號(hào)控制回路由輸入端、輸出端、信號(hào)控制部分組成的，輸入信號(hào)由安裝在自動(dòng)扶梯上下部的光電傳感器提供，當(dāng)檢測(cè)到乘客進(jìn)入自動(dòng)扶梯時(shí)，控制器輸入端（圖4）就接收到光電傳感器信號(hào)，經(jīng)由控制部分處理分析，由繼電器輸出端（圖5）輸出段速1給變頻器，變頻器給出額定速度信號(hào)給電動(dòng)機(jī)，由于采用的是變頻驅(qū)動(dòng)，使速度的轉(zhuǎn)換以無級(jí)平滑緩慢的效果完成，過度時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5 s，即使扶梯上有乘客站立，也不會(huì)因速度的變化帶來任何的危險(xiǎn)和不適。完成輸送乘客以后，當(dāng)一段時(shí)間檢測(cè)不到乘客信號(hào)，控制器輸出段速2給變頻器，變頻器給出節(jié)能速度信號(hào)給電動(dòng)機(jī)。

圖5 輸出電路圖

圖6 程序流程圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)。

自動(dòng)扶梯運(yùn)行后若無人使用時(shí)到預(yù)設(shè)的時(shí)間（F2-11菜單對(duì)應(yīng)時(shí)間），若自動(dòng)扶梯無人使用時(shí)延時(shí)停機(jī)的延時(shí)時(shí)間大于變頻方式下空閑時(shí)節(jié)能運(yùn)行輸出的延時(shí)時(shí)間（F2-9菜單對(duì)應(yīng)的時(shí)間）時(shí)，自動(dòng)扶梯首先進(jìn)入低速節(jié)能運(yùn)行方式 [4]，到“自動(dòng)扶梯無人使用時(shí)延時(shí)停機(jī)的延時(shí)時(shí)間”時(shí)間到時(shí)，停機(jī)；若自動(dòng)扶梯無人使用時(shí)延時(shí)停機(jī)的延時(shí)時(shí)間（F2-11菜單對(duì)應(yīng)時(shí)間）小于變頻方式下空閑時(shí)節(jié)能運(yùn)行輸出的延時(shí)時(shí)間（F2-9菜單對(duì)應(yīng)的時(shí)間）時(shí)，自動(dòng)扶梯立即停機(jī)；此后遇到乘客時(shí)，根據(jù)乘客進(jìn)入方向（由兩個(gè)入口感應(yīng)點(diǎn)判斷）自動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)扶梯（停止時(shí)）或者轉(zhuǎn)換為高速運(yùn)行（低速運(yùn)行時(shí)）。運(yùn)行過程中如果上下行鑰匙開關(guān)連續(xù)動(dòng)作3次（3秒內(nèi)）且動(dòng)作方向與電梯運(yùn)行方向一致時(shí)，電梯保持最后運(yùn)行方向運(yùn)行，持續(xù)到停機(jī)為止。其程序流程圖如圖6所示：

4. 變頻器

由圖3可知，變頻器的主要作用是用來調(diào)整自動(dòng)扶梯的轉(zhuǎn)速，同時(shí)可以起到平穩(wěn)自動(dòng)扶梯啟動(dòng)、停止的作用。其變速信號(hào)有控制器給出。本文選用安川公司的F7電梯專用變頻器，專為電梯控制而設(shè)計(jì)，其內(nèi)部調(diào)速曲線種類十分齊全，設(shè)定參數(shù)非常方便，通過菜單設(shè)置不同的頻率即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。

5. 節(jié)能效果分析

（1）自動(dòng)扶梯配備單片機(jī)和變頻器節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)后，節(jié)能效果明顯。

根據(jù)公式：

f=n*p/60

式中 f——頻率；n——轉(zhuǎn)速； p——極對(duì)數(shù)，按2對(duì)計(jì)算。

（2）由公式可知頻率與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，自動(dòng)扶梯以額定速度運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1500r/min，頻率f=1500×2/60=50Hz，自動(dòng)扶梯以節(jié)能速度運(yùn)行時(shí)f=20Hz。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓為380 V，頻率為50Hz時(shí)，經(jīng)過變頻調(diào)速系統(tǒng)改變頻率后，頻率變?yōu)樵l率的40%，則送到電機(jī)的電壓變?yōu)樵妷旱?0%，即152V。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算公式：

P=√3UIcosθη

其中P——電機(jī)輸出功率；U——額定電壓；I——額定電流；

cosθ——功率因數(shù)；η——效率。

（3）由公式可得電動(dòng)機(jī)功率與電壓成正比。從而得出P1=0.4P，故驅(qū)動(dòng)電機(jī)所耗費(fèi)的電功率也為原功率的40%。

（4）以本系統(tǒng)安裝在某城市地鐵站為例，某站臺(tái)共安裝8臺(tái)提升高度為6m的配備節(jié)能變頻控制系統(tǒng)的自動(dòng)扶梯，假設(shè)空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)間為6 小時(shí)，則日節(jié)約電量為8臺(tái)×6h×11KW×60%=316.8KW·h；年節(jié)約電量365×316.8=115632KW·h。

6. 結(jié)語

實(shí)踐證明，自動(dòng)扶梯節(jié)能控制系統(tǒng)采用單片機(jī)與變頻器相結(jié)合的控制方式，將扶梯的運(yùn)行狀態(tài)由單速形式升級(jí)為變頻無級(jí)調(diào)速形式，以實(shí)現(xiàn)無乘客時(shí)自動(dòng)進(jìn)入慢速或停止?fàn)顟B(tài)，有乘客時(shí)自動(dòng)平穩(wěn)地進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)經(jīng)運(yùn)行測(cè)試，總體節(jié)能30%以上，節(jié)能效果明顯；同時(shí)減少機(jī)械損耗，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 白建昌，回曉明.變頻器調(diào)速自動(dòng)扶梯工頻與低頻切換策略分析[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2014年01期.

[2] 錢洪，姜培基. 自動(dòng)扶梯的能耗分析及節(jié)能控制研究[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2014年05期.

[3] 何 宏. 單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006年.

[4] 郝曉弘，張 萍.VS-616G5變頻器在電梯調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006年22期.