基于單片機和變頻器的自動扶梯節能設計

李威++程哲++黃斌

【摘 要】隨著社會經濟的發展，大型商場和超市中自動扶梯的使用量不斷增加。單速運行模式的自動扶梯在運行中均以額定速度運行，具有能耗大的缺點。本文采用單片機和變頻器控制技術對自動扶梯進行節能設計，利用軟件設計實現自動扶梯的智能運行模式運行，即無人乘梯時低速或停止運行。有效地節約了電能，具有良好的經濟效益和示范效應。

【關鍵詞】自動扶梯；單片機；變頻器；節能

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

自動扶梯是指動力驅動，利用沿固定線路運行的梯級，進行升降運送人、貨物的機電設備。廣泛應用于地鐵、車站、商場、賓館等公共場所。在人流量較少的場所自動扶梯運行在額定負載下的情況很短，因而自動扶梯存在長期低載甚至空載運行的狀況，造成電力資源嚴重浪費，極大地增加了機械磨損。因此，本文中自動扶梯的節能控制技術就尤為急需、重要。

2. 自動扶梯節能設計原理

（1）本文設計的自動扶梯節能控制系統采用單片機與變頻器相結合的方式對自動扶梯進行節能控制 [1] [2]，其基本原理為單片機控制器根據檢測到的乘客信號進行相應的延時，然后對變頻器發出相應的控制信號，從而改變自動扶梯的運行速度以達到節能的目的。其原理圖如圖1所示。

圖1 原理圖

圖2 控制器實物圖

（2）初始自動扶梯以額定速度運行，當沒有檢測到乘客信號時，經過一定時間的延時（可根據需要設定為30～180 s），自動扶梯進入節能速度運行狀態，速度可根據需要設定在0. 05～0. 25m /s。然后再經過相應延時（5min）且沒有檢測到乘客信號，自動扶梯進入節能停止狀態。當檢測到乘客信號自動扶梯即恢復至額定速度運行；在此期間如果有乘客陸續進入，則自動復位計時延長運行時間，以保證將所有的乘客運達。當經過一段時間沒有檢測到乘客信號，自動扶梯又進入節能模式。這樣自動扶梯通過單片機和變頻器來調節運行速度以達到節能，同時減少機械損耗。

3. 單片機控制系統的設計

3.1 硬件設計。

（1）該系統采用PHILIPS公司生產的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器，CAN通訊接口等，有強大的系統擴展與功能開發能力。同時具有可靠性高，抗干擾能力強，價格便宜等優點。控制器實物圖如圖2所示。

（2）自動扶梯節能控制系統框圖，如圖3所示。

圖3 系統框架圖

圖4 輸入電路圖

（3）該系統是以LPC2119單片機控制器為核心 [3]。其大致可分為3 個部分：信號控制回路，變頻器，電動機。信號控制回路由輸入端、輸出端、信號控制部分組成的，輸入信號由安裝在自動扶梯上下部的光電傳感器提供，當檢測到乘客進入自動扶梯時，控制器輸入端（圖4）就接收到光電傳感器信號，經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給電動機，由于采用的是變頻驅動，使速度的轉換以無級平滑緩慢的效果完成，過度時間長達5 s，即使扶梯上有乘客站立，也不會因速度的變化帶來任何的危險和不適。完成輸送乘客以后，當一段時間檢測不到乘客信號，控制器輸出段速2給變頻器，變頻器給出節能速度信號給電動機。

圖5 輸出電路圖

圖6 程序流程圖

3.2 軟件設計。

自動扶梯運行后若無人使用時到預設的時間（F2-11菜單對應時間），若自動扶梯無人使用時延時停機的延時時間大于變頻方式下空閑時節能運行輸出的延時時間（F2-9菜單對應的時間）時，自動扶梯首先進入低速節能運行方式 [4]，到“自動扶梯無人使用時延時停機的延時時間”時間到時，停機；若自動扶梯無人使用時延時停機的延時時間（F2-11菜單對應時間）小于變頻方式下空閑時節能運行輸出的延時時間（F2-9菜單對應的時間）時，自動扶梯立即停機；此后遇到乘客時，根據乘客進入方向（由兩個入口感應點判斷）自動啟動自動扶梯（停止時）或者轉換為高速運行（低速運行時）。運行過程中如果上下行鑰匙開關連續動作3次（3秒內）且動作方向與電梯運行方向一致時，電梯保持最后運行方向運行，持續到停機為止。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整自動扶梯的轉速，同時可以起到平穩自動扶梯啟動、停止的作用。其變速信號有控制器給出。本文選用安川公司的F7電梯專用變頻器，專為電梯控制而設計，其內部調速曲線種類十分齊全，設定參數非常方便，通過菜單設置不同的頻率即可實現調速功能。

5. 節能效果分析

（1）自動扶梯配備單片機和變頻器節能調速系統后，節能效果明顯。

根據公式：

f=n*p/60

式中 f——頻率；n——轉速； p——極對數，按2對計算。

（2）由公式可知頻率與電動機轉速成正比，自動扶梯以額定速度運行時，電機轉速n=1500r/min，頻率f=1500×2/60=50Hz，自動扶梯以節能速度運行時f=20Hz。當驅動電機的額定電壓為380 V，頻率為50Hz時，經過變頻調速系統改變頻率后，頻率變為原頻率的40%，則送到電機的電壓變為原電壓的40%，即152V。

根據電動機功率計算公式：

P=√3UIcosθη

其中P——電機輸出功率；U——額定電壓；I——額定電流；

cosθ——功率因數；η——效率。

（3）由公式可得電動機功率與電壓成正比。從而得出P1=0.4P，故驅動電機所耗費的電功率也為原功率的40%。

（4）以本系統安裝在某城市地鐵站為例，某站臺共安裝8臺提升高度為6m的配備節能變頻控制系統的自動扶梯，假設空轉運行時間為6 小時，則日節約電量為8臺×6h×11KW×60%=316.8KW·h；年節約電量365×316.8=115632KW·h。

6. 結語

實踐證明，自動扶梯節能控制系統采用單片機與變頻器相結合的控制方式，將扶梯的運行狀態由單速形式升級為變頻無級調速形式，以實現無乘客時自動進入慢速或停止狀態，有乘客時自動平穩地進入正常運行狀態。該系統經運行測試，總體節能30%以上，節能效果明顯；同時減少機械損耗，具有明顯的經濟效益和良好的社會效益。

參考文獻

[1] 白建昌，回曉明.變頻器調速自動扶梯工頻與低頻切換策略分析[J].中國特種設備安全，2014年01期.

[2] 錢洪，姜培基. 自動扶梯的能耗分析及節能控制研究[J].中國特種設備安全，2014年05期.

[3] 何 宏. 單片機原理與接口技術[M].北京：國防工業出版社，2006年.

[4] 郝曉弘，張 萍.VS-616G5變頻器在電梯調速控制系統中的應用[J].微計算機信息，2006年22期.