自動(dòng)扶梯節(jié)能評(píng)估仿真與試驗(yàn)平臺(tái)

1、Author(s):王 振濱 - 上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院 Industry:Products:Distributed I/O, Software The Challenge:在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下通過試驗(yàn)與仿真，模擬真實(shí)自動(dòng)扶梯在各種負(fù)載條件下的運(yùn)行情況，并對(duì)其能耗進(jìn)行在線分析，找到最佳的節(jié)能途徑。 The Solution:使用National Instruments公司的LabVIEW 8.5軟件平臺(tái)和CFP2120 PAC系統(tǒng)，搭建一套自動(dòng)扶梯的最佳節(jié)能評(píng)估仿真與試驗(yàn)平臺(tái)，以便對(duì)老的自動(dòng)扶梯進(jìn)行節(jié)能改造提供切實(shí)可行的指導(dǎo)方案。 "利用NI公司的虛擬儀器軟硬件平臺(tái)LabVIE

2、W 8.5軟件平臺(tái)和CFP2120 PAC系統(tǒng)，在較短的時(shí)間內(nèi)搭建了一套自動(dòng)扶梯節(jié)能評(píng)估仿真與試驗(yàn)平臺(tái)，比采用其它傳統(tǒng)高級(jí)語(yǔ)言縮短了至少1倍開發(fā)時(shí)間，且界面清晰美觀，同時(shí)還能播放相應(yīng)視頻動(dòng)畫演示，具有一定的觀賞性。"介紹:本平臺(tái)采用一套55kW變頻機(jī)組等比例縮放來模擬7.5kW三菱自動(dòng)扶梯。根據(jù)裝在模擬自動(dòng)扶梯兩側(cè)上的光電計(jì)數(shù)器發(fā)來的信號(hào)，判斷當(dāng)前扶梯上的客流量，通過改變變頻器的給定信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)交流變頻電機(jī)的速度，來模擬自動(dòng)扶梯的不同運(yùn)行速度，通過改變作為負(fù)載的直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來模擬不同的客流量，并實(shí)時(shí)采集變頻電機(jī)的運(yùn)行速度、轉(zhuǎn)矩和功率等信號(hào)，然后經(jīng)過分析計(jì)算，在大屏幕上實(shí)時(shí)顯示

3、變頻電機(jī)和自動(dòng)扶梯的各種運(yùn)行狀況，同時(shí)給出與相同客流量條件下的恒速度自動(dòng)扶梯之間節(jié)能對(duì)比情況，在三塊42英寸三星等離子屏上實(shí)時(shí)顯示自動(dòng)扶梯的運(yùn)行速度和能耗曲線，并可以動(dòng)態(tài)地循環(huán)播放相應(yīng)客流量的自動(dòng)扶梯視頻，給人以身臨其境的感受。 一、 引言我國(guó)目前正在運(yùn)行的自動(dòng)扶梯有4萬(wàn)多臺(tái)，上海有4000多臺(tái)。自動(dòng)扶梯運(yùn)行的時(shí)間每天達(dá)12小時(shí)以上，但運(yùn)行在額定負(fù)載情況下的時(shí)間卻很短。上海電氣中央研究院于2007年夏，完成了對(duì)地鐵一號(hào)線馬戲城站、上海萬(wàn)都中心、世貿(mào)百聯(lián)、上海大學(xué)圖書館和華美達(dá)浦東大酒店所有自動(dòng)扶梯客流情況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)扶梯的使用率不到20，不少扶梯甚至長(zhǎng)期處于空載和輕載情況下，耗費(fèi)

4、了大量的電能。因此對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行節(jié)能改造，已經(jīng)十分必要。針對(duì)上述情況，本文提出了一種自動(dòng)扶梯節(jié)能改造的新思路：根據(jù)實(shí)際客流量的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)自動(dòng)扶梯的運(yùn)行速度于某個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)，做到客流量越少，自動(dòng)扶梯的運(yùn)行速度越低（但不低于某個(gè)最低極限值），以便達(dá)到最佳的節(jié)能效果。該思路的有效性已經(jīng)被本文所搭建的仿真與試驗(yàn)平臺(tái)所證明。二、 自動(dòng)扶梯節(jié)能評(píng)估仿真與試驗(yàn)平臺(tái)借助上海電氣中央研究院電氣傳動(dòng)室已經(jīng)具備的實(shí)驗(yàn)條件，結(jié)合National Instruments公司的LabVIEW 8.5軟件平臺(tái)和CFP2120 PAC系統(tǒng)，在較短的時(shí)間內(nèi)搭建了一套自動(dòng)扶梯節(jié)能評(píng)估仿真與試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1

5、所示：圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該平臺(tái)包含客流光電計(jì)數(shù)模塊；變頻器控制模塊；直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制模塊；交流變頻電機(jī)反饋輸入模塊；自動(dòng)扶梯視頻演示模塊；自動(dòng)扶梯節(jié)能評(píng)估主程序模塊?？土鞴怆娪?jì)數(shù)模塊：用于對(duì)客流進(jìn)出扶梯進(jìn)行計(jì)數(shù)，共2對(duì)。當(dāng)有客流經(jīng)過時(shí)，由于光線從阻擋到不阻擋（客流經(jīng)過后）裝在扶梯進(jìn)出口處兩側(cè)正對(duì)的一對(duì)光電計(jì)數(shù)器，其電路會(huì)發(fā)出相應(yīng)高低電平信號(hào)，從而可以控制相應(yīng)繼電器的通斷，由CFP2120系統(tǒng)和CFP-DI-301模塊實(shí)時(shí)采集繼電器通斷信號(hào)，表示當(dāng)前有無(wú)客流進(jìn)出扶梯，并編制客流量自動(dòng)累加/減子程序，得到扶梯上當(dāng)前的實(shí)際客流量，它將被送到自動(dòng)扶梯能耗評(píng)估主程序模塊。其子程序見圖2所示。圖2 客流光

6、電計(jì)數(shù)模塊子程序變頻器控制模塊：用于接受主程序發(fā)來的交流變頻電機(jī)的起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速等數(shù)模信號(hào)，控制變頻電機(jī)的運(yùn)行，從而可以模擬自動(dòng)扶梯的不同運(yùn)行狀況。同時(shí)把變頻器的實(shí)際工作狀況反饋給操作控制臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。這部分子程序是在CFP2120系統(tǒng)和CFP-AO-210模塊下開發(fā)成功。直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制模塊：用于接受主程序發(fā)來的勵(lì)磁調(diào)節(jié)信號(hào)，用于調(diào)節(jié)作為負(fù)載用的直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁信號(hào)，改變直流發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而模擬自動(dòng)扶梯上的負(fù)載變化。這部分子程序同樣是在CFP2120系統(tǒng)和CFP-AO-210模塊下開發(fā)成功。交流變頻電機(jī)反饋輸入模塊：用于發(fā)送給主程序交流變頻電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，包含電機(jī)的轉(zhuǎn)速

7、、轉(zhuǎn)矩、功率等。利用一臺(tái)WJCG轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀通過串行通訊方式把這些數(shù)據(jù)發(fā)送給主程序。自動(dòng)扶梯視頻演示模塊：該模塊通過UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與自動(dòng)扶梯能耗評(píng)估主程序模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，接收后者發(fā)來的當(dāng)前扶梯上的實(shí)際人數(shù)，實(shí)時(shí)循環(huán)播放一段視頻，形象直觀地在一塊大屏幕上表示當(dāng)前自動(dòng)扶梯上客流量的變化情況。自動(dòng)扶梯節(jié)能評(píng)估主程序模塊：用來接受客流光電計(jì)數(shù)模塊發(fā)來的客流量，計(jì)算出當(dāng)前模擬的自動(dòng)扶梯的運(yùn)行速度區(qū)間和負(fù)載大小，進(jìn)行相關(guān)的折算處理得到變頻器給定信號(hào)和直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制信號(hào)，并通過CFP2120系統(tǒng)和CFP-AO-210模塊把這些信號(hào)發(fā)送給變頻器的控制單元和直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁單元，進(jìn)而可以同時(shí)控制交流變頻電機(jī)

8、的轉(zhuǎn)速和作為其負(fù)載的直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而可以模擬實(shí)際自動(dòng)扶梯上的各種運(yùn)行工況。與此同時(shí)，通過WJCG轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀經(jīng)串行接口接收交流變頻電機(jī)反饋輸入的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等信號(hào)，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼鬯闾幚?，得到?shí)際電梯的運(yùn)行速度和客流量并將其圖形化顯示。同時(shí)計(jì)算出同等客流量條件下自動(dòng)扶梯恒速度運(yùn)行方式下的能耗情況，并給出兩者之間的節(jié)能效果對(duì)比情況輸出到大屏幕。該模塊還可以通過UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，把當(dāng)前扶梯上的實(shí)際客流量實(shí)時(shí)發(fā)送到自動(dòng)扶梯視頻演示模塊，進(jìn)行視頻演示。其主程序程序框圖和前面板分別如圖3和圖4所示。圖3 自動(dòng)扶梯節(jié)能評(píng)估主程序框圖 圖4 自動(dòng)扶梯節(jié)能評(píng)估前面板圖  三、

9、仿真與試驗(yàn)3.1 平臺(tái)的軟硬件組成自動(dòng)扶梯節(jié)能評(píng)估仿真與試驗(yàn)平臺(tái)的軟件平臺(tái)采用LabVIEW8.5，其硬件組成如下：平臺(tái)的硬件組成：l   55kW變頻機(jī)組（包含一臺(tái)70kW的Vacon變頻器，一臺(tái)55kW的交流變頻電機(jī)、一臺(tái)負(fù)載用55kW的直流發(fā)電機(jī)和一臺(tái)70kW電阻箱）作等比例縮小，模擬7.5kW三菱自動(dòng)扶梯電機(jī)的帶負(fù)載時(shí)的實(shí)際運(yùn)行狀況；l   WJCG轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀一臺(tái)；l   光電計(jì)數(shù)器2對(duì)；l   一臺(tái)圖形工作站和2臺(tái)工控機(jī)；l   三臺(tái)42英寸三星等離子顯示屏；l  

10、 CFP2120和CFP-AO-210、CFP-DI-301；l   室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。圖5給出了自動(dòng)扶梯節(jié)能評(píng)估仿真與試驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物圖。a)55kW變頻電機(jī)、55kW直流發(fā)電機(jī)與WJCG轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀               b)70kW Vacon變頻器柜c)光電計(jì)數(shù)單元、電氣控制柜和大屏幕顯示單元圖5 自動(dòng)扶梯節(jié)能評(píng)估仿真與試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖為方便起見，試驗(yàn)做以下規(guī)定：自動(dòng)扶梯的速度范圍為0.350.5m/s,分為四檔，電梯的有效載荷范圍為0

11、20人，分在四檔速度范圍內(nèi)，作為電梯載荷的變化，如表1所示：   表1 自動(dòng)扶梯客流量、電梯速度、功率及電機(jī)速度和功率折算表客 流 量（人數(shù)）電梯速度（ m/s ）電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）55KW功率消耗（ KW/h ）7.5KW功率消耗（ KW/h ）1-50.35105038.55.246-100.40120044.05.9811-150.45135049.56.7316-200.50150055.07.50 3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析自動(dòng)扶梯恒速運(yùn)行與變速運(yùn)行能耗比較根據(jù)表1電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)和對(duì)上海地鐵1號(hào)線上海馬戲城站5號(hào)自動(dòng)扶梯實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，經(jīng)過本文所開發(fā)

12、出的試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)測(cè)，得出自動(dòng)扶梯變速運(yùn)行方案與恒速運(yùn)行方案的能耗對(duì)比情況如表2所示： 表2 自動(dòng)扶梯變速運(yùn)行方案與恒速運(yùn)行方案能耗對(duì)比表 運(yùn)行速度(m/s)電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)空載功耗負(fù)載功耗合計(jì)(W)小時(shí)功耗(W)小時(shí)功耗(W)自動(dòng)扶梯恒速運(yùn)行0.5150014.9514.95×1610=240603.053.05×7500=2287546966自動(dòng)扶梯變速運(yùn)行待機(jī)0014.9514.95×60=897/233691-5人0.351050/0.090.09×5240=4726-10人0.401200/0.060.06×67

13、30=94211-15人0.451350/0.140.14×6730=94216-20人0.501500/2.762.76×7500=20700 從表2可知，本文所提出的自動(dòng)扶梯變速運(yùn)行方案與恒速運(yùn)行方案相比：l  自動(dòng)扶梯每天可節(jié)省電能：46966-23369=23597Wh=23.597kWhl  全年可節(jié)省電能：23.597 kWh/天×365天=8612.9 kWhl  按電費(fèi)0.6元/度計(jì)算，全年可節(jié)省費(fèi)用8612.9 kWh×0.6元/度=5167元從上面的分析，不難看出當(dāng)自動(dòng)扶梯經(jīng)常處于空載或輕載時(shí)，本方案的節(jié)能效果非常顯著。所有的數(shù)據(jù)都是根據(jù)實(shí)際調(diào)研的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到，因而具有相當(dāng)?shù)目尚判浴?#160;四、結(jié)論利用NI公司的虛擬儀器軟硬