自动扶梯节能评估仿真与试验平台.doc

Author: 青州seoAuthor(s):王 振滨 - 上海电气集团股份有限公司中央研究院 Industry:Products:Distributed I/O, Software The Challenge:在实验室环境下通过试验与仿真，模拟真实自动扶梯在各种负载条件下的运行情况，并对其能耗进行在线分析，找到最佳的节能途径。 The Solution:使用National Instruments公司的LabVIEW 8.5软件平台和CFP2120 PAC系统，搭建一套自动扶梯的最佳节能评估仿真与试验平台，以便对老的自动扶梯进行节能改造提供切实可行的指导方案。 利用NI公司的虚拟仪器软硬件平台LabVIEW 8.5软件平台和CFP2120 PAC系统，在较短的时间内搭建了一套自动扶梯节能评估仿真与试验平台，比采用其它传统高级语言缩短了至少1倍开发时间，且界面清晰美观，同时还能播放相应视频动画演示，具有一定的观赏性。介绍:本平台采用一套55kW变频机组等比例缩放来模拟7.5kW三菱自动扶梯。根据装在模拟自动扶梯两侧上的光电计数器发来的信号，判断当前扶梯上的客流量，通过改变变频器的给定信号自动调节交流变频电机的速度，来模拟自动扶梯的不同运行速度，通过改变作为负载的直流发电机的励磁电流来模拟不同的客流量，并实时采集变频电机的运行速度、转矩和功率等信号，然后经过分析计算，在大屏幕上实时显示变频电机和自动扶梯的各种运行状况，同时给出与相同客流量条件下的恒速度自动扶梯之间节能对比情况，在三块42英寸三星等离子屏上实时显示自动扶梯的运行速度和能耗曲线，并可以动态地循环播放相应客流量的自动扶梯视频，给人以身临其境的感受。一、 引言我国目前正在运行的自动扶梯有4万多台，上海有4000多台。自动扶梯运行的时间每天达12小时以上，但运行在额定负载情况下的时间却很短。上海电气中央研究院于2007年夏，完成了对地铁一号线马戏城站、上海万都中心、世贸百联、上海大学图书馆和华美达浦东大酒店所有自动扶梯客流情况的调研，发现自动扶梯的使用率不到20，不少扶梯甚至长期处于空载和轻载情况下，耗费了大量的电能。因此对自动扶梯进行节能改造，已经十分必要。针对上述情况，本文提出了一种自动扶梯节能改造的新思路：根据实际客流量的大小，自动调节自动扶梯的运行速度于某个设定的范围内，做到客流量越少，自动扶梯的运行速度越低（但不低于某个最低极限值），以便达到最佳的节能效果。该思路的有效性已经被本文所搭建的仿真与试验平台所证明。二、 自动扶梯节能评估仿真与试验平台借助上海电气中央研究院电气传动室已经具备的实验条件，结合National Instruments公司的LabVIEW 8.5软件平台和CFP2120 PAC系统，在较短的时间内搭建了一套自动扶梯节能评估仿真与试验平台。该平台的系统结构图如图1所示：图1 系统结构图该平台包含客流光电计数模块；变频器控制模块；直流发电机励磁控制模块；交流变频电机反馈输入模块；自动扶梯视频演示模块；自动扶梯节能评估主程序模块。客流光电计数模块：用于对客流进出扶梯进行计数，共2对。当有客流经过时，由于光线从阻挡到不阻挡（客流经过后）装在扶梯进出口处两侧正对的一对光电计数器，其电路会发出相应高低电平信号，从而可以控制相应继电器的通断，由CFP2120系统和CFP-DI-301模块实时采集继电器通断信号，表示当前有无客流进出扶梯，并编制客流量自动累加/减子程序，得到扶梯上当前的实际客流量，它将被送到自动扶梯能耗评估主程序模块。其子程序见图2所示。图2 客流光电计数模块子程序变频器控制模块：用于接受主程序发来的交流变频电机的起动、停止、正反转和转速等数模信号，控制变频电机的运行，从而可以模拟自动扶梯的不同运行状况。同时把变频器的实际工作状况反馈给操作控制台，进行实时监控。这部分子程序是在CFP2120系统和CFP-AO-210模块下开发成功。直流发电机励磁控制模块：用于接受主程序发来的励磁调节信号，用于调节作为负载用的直流发电机的励磁信号，改变直流发电机的输出转矩，进而模拟自动扶梯上的负载变化。这部分子程序同样是在CFP2120系统和CFP-AO-210模块下开发成功。交流变频电机反馈输入模块：用于发送给主程序交流变频电机的运行参数，包含电机的转速、转矩、功率等。利用一台WJCG转矩转速仪通过串行通讯方式把这些数据发送给主程序。自动扶梯视频演示模块：该模块通过UDP网络协议与自动扶梯能耗评估主程序模块进行网络通讯，接收后者发来的当前扶梯上的实际人数，实时循环播放一段视频，形象直观地在一块大屏幕上表示当前自动扶梯上客流量的变化情况。自动扶梯节能评估主程序模块：用来接受客流光电计数模块发来的客流量，计算出当前模拟的自动扶梯的运行速度区间和负载大小，进行相关的折算处理得到变频器给定信号和直流发电机励磁控制信号，并通过CFP2120系统和CFP-AO-210模块把这些信号发送给变频器的控制单元和直流发电机的励磁单元，进而可以同时控制交流变频电机的转速和作为其负载的直流发电机的转矩，从而可以模拟实际自动扶梯上的各种运行工况。与此同时，通过WJCG转矩转速仪经串行接口接收交流变频电机反馈输入的转速、转矩和功率等信号，再经过适当的折算处理，得到实际电梯的运行速度和客流量并将其图形化显示。同时计算出同等客流量条件下自动扶梯恒速度运行方式下的能耗情况，并给出两者之间的节能效果对比情况输出到大屏幕。该模块还可以通过UDP网络协议，把当前扶梯上的实际客流量实时发送到自动扶梯视频演示模块，进行视频演示。其主程序程序框图和前面板分别如图3和图4所示。图3 自动扶梯节能评估主程序框图图4 自动扶梯节能评估前面板图三、仿真与试验3.1 平台的软硬件组成自动扶梯节能评估仿真与试验平台的软件平台采用LabVIEW8.5，其硬件组成如下：平台的硬件组成：l 55kW变频机组（包含一台70kW的Vacon变频器，一台55kW的交流变频电机、一台负载用55kW的直流发电机和一台70kW电阻箱）作等比例缩小，模拟7.5kW三菱自动扶梯电机的带负载时的实际运行状况；l WJCG转矩转速仪一台；l 光电计数器2对；l 一台图形工作站和2台工控机；l 三台42英寸三星等离子显示屏；l CFP2120和CFP-AO-210、CFP-DI-301；l 室内网络。图5给出了自动扶梯节能评估仿真与试验平台的实物图。a)55kW变频电机、55kW直流发电机与WJCG转矩转速仪 b)70kW Vacon变频器柜c)光电计数单元、电气控制柜和大屏幕显示单元图5 自动扶梯节能评估仿真与试验平台实物图为方便起见，试验做以下规定：自动扶梯的速度范围为0.350.5m/s,分为四档，电梯的有效载荷范围为020人，分在四档速度范围内，作为电梯载荷的变化，如表1所示：表1 自动扶梯客流量、电梯速度、功率及电机速度和功率折算表客 流 量（人数）电梯速度（ m/s ）电机转速（r/min）55KW功率消耗（ KW/h ）7.5KW功率消耗（ KW/h ）1-50.35105038.55.246-100.40120044.05.9811-150.45135049.56.7316-200.50150055.07.503.2 试验数据分析自动扶梯恒速运行与变速运行能耗比较根据表1电梯运行数据和对上海地铁1号线上海马戏城站5号自动扶梯实际调研数据，经过本文所开发出的试验平台实测，得出自动扶梯变速运行方案与恒速运行方案的能耗对比情况如表2所示：表2 自动扶梯变速运行方案与恒速运行方案能耗对比表运行速度(m/s)电机转速(r/min)空载功耗负载功耗合计(W)小时功耗(W)小时功耗(W)自动扶梯恒速运行0.5150014.9514.951610=240603.053.057500=2287546966自动扶梯变速运行待机0014.9514.9560=897/233691-5人0.351050/0.090.095240=4726-10人0.401200/0.060.066730=94211-15人0.451350/0.140.146730=94216-20人0.501500/2.762.767500=20700从表2可知，本文所提出的自动扶梯变速运行方案与恒速运行方案相比：l 自动扶梯每天可节省电能：46966-23369=23597Wh=23.597kWhl 全年可节省电能：23.597 kWh/天365天=8612.9 kWhl 按电费0.6元/度计算，全年可节省费用8612.9 kWh0.6元/度=5167元从上面的分析，不难看出当自动扶梯经常处于空载或轻载时，本方案的节能效果非常显著。所有的数据都是根据实际调研的数据和试验实测得到，因而具有相当的可信性。四、结论利用NI公司的虚拟仪器软硬件平台LabVIEW 8.5软件平台和CFP2120 PAC系统，在较短的时间内搭建了