2017毕业论文-基于PLC的扶梯变频系统设计.doc

河南理工大学毕业设计(论文)说明书 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ABSTRACTEscalator is a combination of a special type of chain conveyor and two special types belt conveyor. And it is a continuous conveyor that use to carry staffs up and down between the different floors in a building. Its appearance brings human beings a great convenience in the daily life . It also become an important indicator of material. From the birth of the first escalator, the development of the escalator so far has gone through about 100 years.As a transport, escalator transport passengers, not only has succeeded in narrowing the distance between the target, but also make the ultra-short-haul(such as floors, platforms, etc.) and flow staff transport possible. Therefore, the economist said: The emergence of the escalator make people have the desire to go to shopping malls. Traffic experts said: The application of escalators and moving walkways make we can built the stations and the airports as large as possible. The application of the escalator has changed our lives.As the escalator toward further high-tech, energy-efficient, intelligent direction, the frequency converter has been widely used in escalator areas. The speed control system is a combination of infrared sensors, PLC and Siemens MM440 Inverter. After the transformation ,the traditional escalator provided with the functions ,such as a smooth start , energy-efficient operation and maintenance operation . When escalator starts, it avoids a lot of starting current; when there is no one taking an escalator, escalator slow from the rated speed to the low speed operation, that is to save energy, to reduces the mechanical wear, to instruct the direction of the escalator to passengers; when escalator is maintened, the maintenance operation ensure of the maintenance accuracy.Key words：Escalator ；MM440；PLC 目录1 绪论11.1国内外研究现状11.2自动扶梯系统简介31.3该课题研究的目的及意义52扶梯系统的方案论证62.1方案论证62.1.1控制系统的比较62.1.2控制方式的比较与选择92.2电动机的选择122.3变频器的选择132.3.1变频器的简介132.3.2变频器参数设定172.4 PLC的选择182.5红外传感器的选择及作用213自动扶梯系统硬件电路设计233.1电路设计及电路图263.2系统软件设计304自动扶梯调速节能系统PLC程序设计335 总结与展望36致谢37参考文献38附录1 扶梯系统程序设计39附录2 硬件设计电路411 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：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。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。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。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。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: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。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。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。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。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600800毫米，双人的10001200毫米)、输送能力（单人的40005000人时，双人的800012000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23s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、IO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 V/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。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，这样就获得了良好的性能。矢量控制方式:矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。针对该自动扶梯系统，在不对扶梯的正常使用产生任何负面影响的前提下，引入无速度传感器矢量变频调速的概念。即变频器根据传感器产生的信号，在有人乘坐时，扶梯以原有速度运行（50Hz）；当无人时，扶梯减速到低速（1/5额定速度）运行。系统要求变频器启动运行平稳，加速性能好，启动转矩大，过载能力强，同时应具备当变频器调速系统出现故障时，控制系统自动切换到工频运行，保障扶梯输送功能的正常实施。其系统框图如下图2.1所示。 图2-2自动扶梯系统框图 2.2电动机的选择电动机选择的基本原则是：在满足工作机械对于拖到系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。因此，在选择电动机种类时，若工作机械对拖动系统无过高要求，应优先考虑选用交流电动机。在交流电动机中笼型异步电动机结构最简单，运行最可靠，维护最方便，对起动性能无过高要求的调速系统应优先考虑使用。某些工作机械如桥式起重机、电梯、锻压机等，工作中起动、制动比较频繁，为提高生产率又要求电动机具有较大的起动、制动转矩以缩短起动、制动时间，同时还有一定的调速要求。对这类工作机械，可考虑选用绕线转子异步电动机。交流电动机电压等级的选择应考虑运行场所供电电网的电压等级。中等功率以下的交流电动机额定电压一般为380V，大功率交流电动机的额定电压多为3KV或6KV。电动机额定转速的选择是否恰当，关系到电动机的价格和运行效率，甚至关系到生产机械的生产率。额定功率相同的电动机，额定转速越高，其体积越小，重量越轻，价格也越低。因此工作于长期工作制的工作机械，原则上应选用额定转速较高的电动机。但额定转速高必须导致传动机构的复杂化，实际上选用时应作全面权衡。选择电动机容量时应考虑如下几点：电动机容量、起动转矩必须大于负载所需要的功率和起动转矩；电源电压下降10%15%的情况下，转矩仍能够满足起动或运行中的需要；从电动机温升角度考虑，为了不降低电动机的寿命，温升必须在绝缘所限制的范围以内；如果电动机每次在最低频率时连续工作地时间不长，则可留用原有电动机，反之如果在最低频率时连续运行的时间较长，则电动机的容量应提高一档。电机参数设定本系统电机选用常用的4极Y225S-4型的三相交流感应电动机，额定功率11KW，额定电压380V，额定电流22.6A，额定转速1460r/min，功率因数0.87，效率为91%，同步转速为1500r/min。2.3变频器的选择2.3.1变频器的简介变频器是把工频电源(50Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其结构如下图2.2所示。 图2-3变频器结构图其中整流电路将交流电变换成直流电，控制电路对主电进行控制，逆变电路将直流电逆变成交流电，中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波。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三类：通用型变频器 通常指配备一般V/F控制方式的变频器，也称简易变频器，该类变频器成本较低，使用较为广泛。高性能变频器 ，通常指配备矢量控制功能的变频器，该类变频器使得自适应功能更加完善，用于对调速性能较高的场合。专用变频器 专门针对某种类型的机械而设计的变频器，如泵、风机用变频器，电梯专用变频器，起重机械专用变频器，张力控制专用变频器等。用户应根据生产机械的具体情况进行选择。变频器的选用应该满足以下原则：变频器的容量应大于负载所需的输出；变频器的电流大于电机的电流。因电机的计算功率小于所选用功率，根据变频器的容量的选择方法进行计算。变频器的型号很多，选择合适的变频器对系统的稳定运行有很大的帮助。 MM440应用高性能的矢量控制技术，采用微处理器控制，并采用具有现代先进技术的绝缘双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和功能的多样性，且MM440是适用于三相电动机速度控制和转矩控制的变频器系列，所以本系统选用MM440变频器。MM440具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统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，在设置相关参数以后，它是可用于更高级的电动机控制系统。MM440的接线：(1)强电回路强电回路的接线如图2.3。三相交流电源先经过三相熔断器，再经过开关。开关一般为空气开关。经开关控制后，三相交流电可以进入输入滤波器，也可以与变频器直接连接（输入滤波器是可选件）。变频器的输出为PWM波，而负载希望得到的是正弦波，因此可以在变频器的输出端接入输出滤波器，当然输出滤波器也可以省略。 图2-4 变频器强电回路的接线(2)弱电回路MM440变频器为用户提供了很多用于控制和检测的输入、输出接线端子。用户可以根据需要选择这些端子构成系统的弱电回路。接线端子如图2.4所示。可以分为以下几类。 图2-5变频器MM440的安装与接线(3)MM440变频器的主要特性：易于安装、设置参数和调试。牢固的EMC（电磁兼容性）设计。可由IT（中性点不接地）电源供电。对控制信号的响应是快速和可重复的。参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置。具有多个继电器输出。具有多个模拟量输出020mA。6个带隔离的数字输入，并可切换可NPN/PNP接线。2个模拟输入：IN1：010V，020mA和-10+10V。IN2：010V，020mA。另外还有的特性：2个模拟输入，2个模拟输入可以作为第7和第8个数字输入，模块化设计，配置非常灵活，开关频率高(传动变频器可到16kHz)，因而电动机运行的噪音低，内部RS485接口(端口)，详细的变频器状态信息和完整的信息功能。(4)MM440变频器的性能特征：具有矢量控制性能。多点V/f特性。快速电流限制功能，避免运行中不应有的跳闸。内置的直流注入制动。 复合制动功能改善了制动特性。内置制动单元加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能，它包括两种情况：起始段和结束段带平滑圆弧；起始段和结束段不带圆弧。具有比例、积分和微分（PID）控制功能的闭环控。(9)自由功能块。另外还有的特征：具有动力制动的缓冲功能；具有定位控制的斜坡下降曲线。(5)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；(6) 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。BOP板的外型如图2.5所示。上端为一块液晶显示器，下端为一组按键。各按键的功能如图2.4。 图2-6 BOP板的外型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的参数数量及多（有1000多个），各有其含义。详细情况可以查有关资料。2.3.2变频器参数设定系统应用先进的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=11：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=28.95：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=1460：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=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DIN3DIN5三位数字量编码决定固定频率。具体方法为：DIN3DIN5的定义参数P0703P0705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。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f1=50Hz，扶梯运行额定转速。P1002=10: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。2.4 PLC的选择PLC即可编程序控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。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，需要进行处理的逻辑信号首先是安全回路检测信号，该信号用来判断扶梯安全回路是否存在故障，以及故障存在的位置，它是自动扶梯安全运行的重要保证。其次还要检测扶梯的停止、上行、下行、检修、润滑等信号。然后通过对这些输入信号的处理，给出相应的运行状态显示和报警等信号，所有这些控制信号的给出，都是PLC根据各种输入信号通过控制程序处理实现的。这些程序之间必须协调一致、判断合理，才能完成自动扶梯的整体控制。 图2-7控制系统接线图PLC的特点：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。可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带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。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统的可靠性就得到了极大的提高。配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小,很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。三菱 PLC FX2N目前市场上的PLC种类繁多，FX2N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，采用整体式和模块式相结合的叠装式结构，具有较高的性能价格比，应用广泛。三菱的FX2N系列PLC适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化。FX2N系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。由于它紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格、丰富的功能模块以及强大的指令系统，使得FX2N可以近乎完美地满足小规模的控制要求，FX2N可以用模块上的电位器来改变它对应的特殊寄存器中的数值，可以实现更该程序运行中的一些参数，如定时器/计数器的设定值、过程量的控制参数等。实现时钟可用于对信息加注时间标记，记录及其运行时间或对过程进行时间控制。选用 PLC 时必须从其技术指标、硬件配置等方面综合考虑。FX2N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；FX2N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 FX2N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是工业自动化应用技术的三大支柱之一，自从它诞生以来得到了广泛的使用。在工业自动化应用技术领域，速度调节和控制是经常用到的环节。变频器具有高效的驱动性能和良好的控制特性，在提高控制质量、减少维护费用和节能灯方面都取得了明显的经济效益。在这些场合，变频器所发挥的作用是其他任何控制设备和装置都不能取代的。作为主控制器的PLC和作为执行及检测器件（设备或装置）的变频器之间须相互配合，共同完成控制任务。PLC可以控制变频器的频率给定信号，以使变频器输出相应的速度控制曲线，控制工艺指标；变频器上的检测信号和其他智能控制信号也可以接入PLC，完成系统的报警和速度控制，比如通过变频器控制电机的启动、停止及正、反转。2.5红外传感器的选择及作用红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。红外线是一种无法用眼睛看得见的光线，任何物质，只要它本身具有一定的温度，都能辐射红外线，且其波长随着温度的不同而不同，温度越高，辐射出光的波长越短,并且有灵敏度高，响应快等优点。 下面简单介绍一下人体热释电红外传感器：热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是利用热释电效应，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检验处理后即可产生报警信号。 其内部电路框图如图2.6所示10。图2-8热释电红外传感器内部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。热释电红外控制开关 本例介绍一款采用热释电红外传感器和专用集成电路制作的热释电红外线控制开关，它在检测到人体发射的红外传感器信号后接通，使负载 (报警器或照明灯、排风扇等)通电工作。热释电红外控制电路由集成电路SS0001)和电阻器RZ-R9、电容器Cl-C8组成。SS0001是热释电红外控制专用集成电路，其内部由输入放大器、双向限幅器、状态控制器、延时定时器、锁存定时器和基准电源等电路组成。3自动扶梯系统硬件电路设计在本章中，详细地分析了自动扶梯的整个控制系统，介绍了自动扶梯变频调速系统的工作原理，并设计了此系统的工作电路。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时候大型商场、超市、机场、地铁、宾馆等公共场合。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变频器组成的变频调速控制系统，可以很好地解决这些问题。根据自动扶梯的工