Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển (vi xử lý) cho thang máy

Nội dung và kết quả đạt được: Sau thời gian nghiên cứu và triển khai thực hiện đề tài nhóm nghiên cứu đã thực hiện được các công việc sau: - Thu thập và nghiên cứu tài liệu, nghiên cứu

bộ công thương

viện máy và dụng cụ công nghiệp

báo cáo tổng kết đề tài m∙ số : 177.09 rd/hđ-khcn

Tên đề tài:

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống

điều khiển (Vi xử lý) cho thang máy

7750

02/3/2010

Hà nội, tháng 11-2009 cơ quan chủ trì chủ nhiệm đề tài

Ths nguyễn hòai anh

danh sách những người thực hiện đề tài

3 Phạm Văn Bỉnh Kỹ sư điện tử Viện Máy và DCCN

4 Lê Hoàng Hải Kỹ sư tự động hoá Viện Máy và DCCN

5 Lê Hồng Sơn Thạc sỹ kỹ thuật Viện Máy và DCCN

6 Nguyễn Chí Cường Thạc sỹ kỹ thuật Viện Máy và DCCN

7 Lê Hồng Đông Kỹ sư thiết bị điện – điện tử Công ty C.P Thương

mại Kim Hoa

báo cáo tóm tắt tình hình thực hiện đề tài

nghiên cứu khoa học cấp bộ năm 2009

1 Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển (Vi xử lý) cho

thang máy“

2 Chủ nhiệm đề tài: Ths Nguyễn Hoài Anh

3 Thời gian thực hiện đề tài: từ 01/01/2009 đến 31/12/2009

4 Nội dung và kết quả đạt được:

Sau thời gian nghiên cứu và triển khai thực hiện đề tài nhóm nghiên cứu đã thực hiện được các công việc sau:

- Thu thập và nghiên cứu tài liệu, nghiên cứu công nghệ điều khiển thang máy cho nhà cao tầng, công nghệ điều khiển bằng vi xử lý

- Khảo sát thiết bị điều khiển của thang máy cho nhà cao tầng của một số hãng nổi tiếng trên thế giới như: Otis, Thyssen, Mitsubishi, từ đó xây dựng hệ thống điều khiển thang máy phù hợp với công nghệ trong nước hiện nay

- Tính toán lựa chọn thiết bị điều khiển, thiết kế kỹ thuật, thiết kế chế tạo, lựa chọn thiết bị vi xử lý phù hợp cho hệ thống điều khiển thang máy

- Xây dựng chương trình thuật toán điều khiển thang máy cho vi xử lý

- Chế tạo thành công 01 bộ điều khiển cho thang máy 630 kg – 06 điểm dừng – tốc độ 1.0 m/s

- Lắp đặt và đưa vào thử nghiệm thực tế hệ thống điều khiển thang máy nói trên thay thế cho hệ thống điều khiển của thang máy hãng HUYNDAI tại Viện máy và dụng cụ Công nghiệp

- Hệ thống điều khiển mới chạy thử đạt yêu cầu đề ra và kết quả chạy thử hoàn toàn tương đương với hệ thống điều khiển của thang máy hãng HYUNDAI đã lắp đặt tại Viện máy và dụng cụ Công nghiệp

Việc ứng dụng vi xử lý cho các thiết bị cơ - điện tử là công nghệ rất mới ở nước ta và đây mới chỉ là những ứng dụng thực tế ban đầu đặt nền móng cho những nghiên cứu khác vì vậy nhóm đề tài rất mong được sự ủng hộ của các ngành để có được những ứng dụng sâu hơn ở những nghiên cứu tiếp theo

Nhóm thực hiện đề tài đã thực đầy đủ các nội dung của đề tài đã đăng ký ban

đầu Kính đề nghị các cấp xem xét cho phép đề tài được nghiệm thu

Hà nội, ngày 10 tháng 11 năm 2009

Mục lục

Lời mở đầu

Phần I: Thu thập và nghiên cứu tài liệu, nghiên cứu công nghệ điều

khiển thang máy cho nhà cao tầng, công nghệ điều khiển bằng vi xử lý

I Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ điều khiển thang máy

cho nhà cao tầng trên thế giới

II Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ điều khiển thang máy

và vi xử lý trong nước

Phần II: Khảo sát thiết bị điều khiển của thang máy cho nhà cao tầng

của một số hãng nổi tiếng trên thế giới

I Khảo sát hệ thống điều khiển thang máy của hãng Otis – Mỹ

II Khảo sát hệ thống điều khiển thang máy của hãng Thyssen Krupp

– CHLB Đức

III Khảo sát hệ thống điều khiển thang máy của hãng Mitsubishi –

Nhật bản

IV Những kết quả rút ra từ việc khảo sát hệ thống điều khiển thang

máy của các hãng chế tạo thang máy làm cơ sở cho việc thiết kế

sau này

Phần III: Tính toán lựa chọn thiết bị điều khiển, thiết kế kỹ thuật, thiết

kế chế tạo, lựa chọn thiết bị vi xử lý

I Cỏc nguyờn tắc điều khiển thang mỏy

II Tớnh toỏn lựa chọn và thiết kế thiết bị điều khiển cho thang mỏy

III Tớnh toỏn lựa chọn và thiết kế thiết bị vi xử lý cho thang mỏy

III.1 Tớnh toỏn, lựa chọn thiết bị vi xử lý

III.2 Thiết kế tổng thể của card vi xử lý

Phần IV: Xây dựng chương trình thuật toán điều khiển

thang máy cho vi xử lý

I Chế độ chạy tự động

II Chế độ chạy kiểm tra (chế độ điều khiển bằng tay)

III Thuật toỏn điều khiển đúng/mở cửa cabin

Phần V: Kết quả thử nghiệm và hoạt động thực tế

Phần VI: Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Lêi më ®Çu

Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển, hàng loạt các công trình xây dựng đang liên tục mọc lên, rất nhiều các khu chung cư mới, các văn phòng làm việc liên tục được xây dựng đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội Trước nhu cầu rất lớn của việc xây dựng cơ sở hạ tầng nêu trên đòi hỏi rất nhiều các thiết bị xây dựng công nghệ cao trong đó có thang máy

Tại các nước công nghiệp phát triển việc nghiên cứu thang máy đã được hình thành từ rất lâu và cho ra đời nhiều hãng thang máy nổi tiếng như: Otits, Hitachi, Mitsubishi, Schindler, Các hãng này liên tục nghiên cứu và ứng dụng nhiều công nghệ mới để nâng cao chất lượng cho các sản phẩm của mình Các thang máy của các hãng này được sử dụng ở hầu hết các nước trên thế giới hiện nay Trong nước ta hiện nay do nhu cầu thực tế đã hình thành các công ty kinh doanh, sản xuất và chế tạo thang máy để phục vụ cho xây dựng cơ sở hạ tầng trong nước Các thang máy cung cấp cho thị trường hiện nay bao gồm thang nhập đồng bộ từ nước ngoài (thang ngoại) hoặc thang chế tạo một phần trong nước (thang nội) Do công nghệ sản xuất trong nước các thang máy chế tạo trong nước mới chế tạo được những thang tốc độ thấp, thấp tầng và thang đơn, chất lượng của các thang này không cao

Trong dòng thang máy nhập ngoại (thang ngoại) trong quá trình vận hành thực tế cũng gặp rất nhiều khó khăn trong công tác bảo trì, bảo dưỡng và sửa chữa do không nắm bắt hết công nghệ và bí quyết của các hãng cung cấp thiết bị đặc biệt là hệ thống điều khiển

Để đáp ứng nhu cầu thực tế về thị trường thang máy trong nước hiện nay việc xây dựng hệ thống điều khiển với việc ứng dụng các công nghệ mới nhằm nâng cao chất lượng của các thang máy chế tạo trong nước và thay thế hệ thống điều khiển thang máy cho các thang nhập ngoại đã sử dụng từ lâu để chủ động trong công tác bảo hành, sửa chữa và bảo dưỡng là điều hết sức cần thiết và là nhu cầu cấp bách của thị trường hiện nay

Trước nhu cầu cấp bách trên việc nghiên cứu thành công đề tài: “Nghiªn cøu,

rất lớn đáp ứng yêu cầu cấp bách trên và đặt nền móng cho những nghiên cứu tiếp theo cho việc ứng dụng vi xử lý trong thang máy và thiết bị cơ – điện tử công nghệ cao khác

Do thời gian có hạn nên đề tài không tránh khỏi những sai sót, nhóm đề tài rất mong được sự đóng góp của các cấp và các đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện hơn Thay mặt nhóm đề tài chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự ủng hộ của các ngành, các cấp đặc biệt là Bộ Công Thương, Viện máy và dụng cụ Công nghiệp

và các đồng nghiệp đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài này

Phần I

Thu thập và nghiên cứu tài liệu, Nghiên cứu công nghệ

điều khiển thang máy cho nhà cao tầng, công nghệ

được nghiên cứu và ứng dụng trong điều khiển thang máy làm cho các thang

máy ngày càng thông minh hơn

ƒ Việc nghiờn cứu chế tạo thang mỏy đó hỡnh thành từ lõu trờn thế giới với chiếc thang mỏy đầu tiờn xuất hiện vào năm 1853, đú là chiếc thang mỏy của hóng OTIS - Mỹ Cuối thế kỉ 19 hóng thang mỏy thứ 2 ra đời đú là Schindler – Thụy sĩ Sang thế kỉ 20 cú nhiều hóng thang mỏy khỏc ra đời như: Kone - Phần Lan, Mitsubishi - Nhật Bản, Thyssen - CHLB Đức,… Cỏc thang mỏy này đó được thiết kế, thử nghiệm kỹ càng nờn hoạt động ờm và dừng tầng chớnh xỏc hơn Cho tới những năm 1975 thang mỏy trờn thế giới đó đạt tới tốc độ 400m/ phỳt, những thang mỏy lớn với tải trọng lờn tới 25 tấn đó được chế tạo thành cụng Thời gian này xuất hiện nhiều hóng thang mỏy nữa ra đời tại cỏc nước trung bỡnh như: Shanghai MITSUBISHI (Trung quốc), Đến năm 1981 trờn thế giới đó xuất hiện cụng nghệ hệ thống điều khiển thang mỏy bằng phương phỏp biến đổi tần số VVVF Thành tựu này là mốc quan trọng đưa ngành thang mỏy lờn tầm cao mới Ngoài ưu điểm đỗ dừng tầng

ờm ỏi nú cũn khai thỏc cho nhõn loại giảm thiểu khả năng tiờu thụ điện cũn 50% so với trước Càng ngày cụng nghệ càng được nõng cấp, cải tiến trong ngành thang mỏy Ngày nay chỳng ta thấy đối với giải phỏp thang mỏy cho

cỏc toà nhà cao ốc đó lờn tới trờn 100 tầng

ƒ Từ những năm 1990 trở lại đây trên thế giới đã có rất nhiều các toà nhà cao tầng được hoàn thành như: Tháp Taipei 101 tại Đài Bắc cao 509m gồm 101 tầng, Tháp JinMao tại Thượng Hải cao 421m gồm 88 tầng, Toà nhà Sears Tower tại Chicago cao 442 m gồm 108 tầng, Tháp đôi Petronas tại Malaysia cao 452m gồm 88 tầng, và rất nhiều các công trình, trung tâm thương mại cao tầng khác tại nhiều nước như: Trung Quốc, Hồng Kông, Mỹ, Đài Loan,

đặc biệt tháp Burj DuBai tại ả rập thống nhất đang xây dựng sẽ trở thành tháp cao nhất thế giới với chiều cao dự kiến 693 m gồm 160 tầng Trong tương lai còn nhiều các toà nhà, trung tâm thương mại đang và sẽ xây dựng tại nhiều nước trên thế giới vì vậy các công ty thang máy càng có điều kiện để nghiên cứu và phát triển các sản phẩm của mình đáp ứng nhu cầu xây dựng các toà nhà cao tầng trên Mặt khác sự phát triển của khoa học kỹ thuật và các nhu

cầu ngày càng cao của con người do đó ngay cả các sản phẩm thang máy đã

được ứng dụng cũng cần được nghiên cứu và phát triển nhằm đáp ứng được những yêu cầu của khoa học kỹ thuật hiện đại mang lại sự tiện dụng và những yêu cầu mới của con người hiện nay Nhiều hãng sản xuất thang máy nổi tiếng đã nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm bằng việc nghiên cứu

các công nghệ điều khiển mới ứng dụng cho sản phẩm thang máy

ƒ Những công nghệ điều khiển mới như: điều khiển bằng vi xử lý, điều khiển

mờ (fuzzy), được áp dụng cho hầu hết các thang máy của các hãng nổi tiếng hiện nay như: Otis, Mitsubishi, Hitachi, Schindler, Kone, Thyssen Krupp, Hyundai, Nhờ những công nghệ điều khiển mới này mà chất lượng các thang máy ngày càng cao hơn như: chạy dừng êm, tốc độ thang máy cao,

điều khiển nhóm nhiều thang,

II Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ điều khiển thang máy và vi xử lý trong nước:

ƒ Hầu hết các thiết bị cơ - điện tử hiện đại đều sử dụng vi xử lý do đó các cơ sở trong nước đã đầu tư nghiên cứu vi xử lý nhằm chủ động nắm bắt công nghệ hiện đại Kỹ thuật điều khiển sử dụng vi xử lý đã và đang được các cơ sở trong nước quan tâm nghiên cứu chủ yếu trong các trường đại học và một số viện nghiên cứu Kết quả thu được chủ yếu là lý thuyết, một số ứng dụng trong phòng thí nghiệm và một số công trình được ứng dụng trong thực tế như: trường ĐHBK Hà nội, viện điện tử tin học,

ƒ Trong những năm gần đây nhờ những chính sách mở cửa, cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật trên thế giới, sự bùng nổ của công nghệ thông tin đã tạo điều kiện cho các nhà khoa học trong nước tiếp cận với các công nghệ

điều khiển mới trên thế giới Các dây chuyền thiết bị mới từ các nước công nghiệp phát triển được đầu tư vào nước ta, các thiết bị điều khiển mới nhất cũng được trang bị cho các cơ sở trong nước Trước những yêu cầu mới như trên các cơ sở nghiên cứu trong nước đã bắt đầu đầu tư nghiên cứu công nghệ

điều khiển hiện đại nhất là vi xử lý để chủ động đầu tư và vận hành nhờ nguồn nhân lực trong nước

ƒ Nước ta trong gần chục năm trở lại đây do sự phát triển của nền kinh tế thị trường đã hình thành nhiều khu đô thị và văn phòng cao tầng Trong tương lai các văn phòng cao cấp và các toà nhà cao tầng sẽ được xây dựng rất nhiều tại các thành phố trên khắp đất nước như: Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đặc biệt toà nhà cao tầng dự kiến 70 tầng có khả năng trở thành toà nhà cao xếp thứ 17 trên thế giới đang được xây dựng tại Hà Nội Những điều kiện trên là mảnh đất cho các nhà cung cấp thiết bị cho toà nhà phát triển nhất là thang máy

ƒ Cựng với sự phỏt triển của cỏc hóng thang mỏy trờn thế giới, ở Việt Nam lần lượt cỏc cụng ty thang mỏy ra đời Phải kể đến những đơn vị đầu tiờn trong ngành thang mỏy như: cụng ty thang mỏy Tự động, cụng ty thang mỏy Thiờn

Nam, cụng ty thang mỏy Thỏi Bỡnh, đến năm 2001 cỏc cụng ty khỏc lần lượt ra đời như: cụng ty thang mỏy Thăng Long, cụng ty thang mỏy Hồng Đạt, Cỏc dịch vụ phục vụ cho ngành thang mỏy cũng rất phỏt triển, trong tương lai tới, cú nhiều nhà mỏy sản xuất thang mỏy tại Việt Nam sẽ ra đời để phục vụ cho ngành xõy dựng

ƒ Ngày nay trong nước ta hình thành 03 dòng thiết bị thang máy để phục vụ cho cụ thể như sau:

- Các thang máy chế tạo trong nước: Một phần thiết bị cơ khí của các thang

này được chế tạo trong nước như: cabin, cửa tầng, và các thiết bị cơ khí chính như: máy kéo, ray, bộ bảo vệ quá tốc độ, được nhập chủ yếu từ Trung Quốc Hệ thống điều khiển do trong nước thiết kế và chế tạo dựa trên công nghệ điều khiển PLC kết hợp với biến tần Các thiết bị thang máy này đang mất dần thị phần do công nghệ của hệ thống điều khiển nêu trên chưa đáp ứng hết được các yêu cầu của thang máy hiện đại ngày nay Các công ty chế tạo thang trong lĩnh vực này phải kể đến như: Công ty thang máy Thái Bình, Công ty thang máy á Châu, Công ty thang máy Thiên Nam,

- Các thang máy chế tạo từ các liên doanh: Thang máy chế tạo từ các đơn

vị này được nhập linh kiện từ các hãng thang máy lớn được sản xuất chủ yếu từ Trung Quốc bao gồm cả hệ thống cơ khí và điều khiển Hệ thống

điều khiển chủ yếu sử dụng công nghệ vi xử lý Trong nước chế tạo một phần rất nhỏ thiết bị cơ khí còn lại chủ yếu là lắp ráp do đó chất lượng các thang phụ thuộc rất nhiều vào các hãng nước ngoài và không chủ động

được sản xuất Các công ty hoạt động trong lĩnh vực này phải kể đến là công ty Fuji-AlphalstNam,

- Các thang máy nhập nguyên chiếc từ nước ngoài: Các thang máy này

chiếm tới 80% thị phần thang máy trong và được nhập từ các hãng nổi

tiếng trên thế giới như: Otis, Mitsubishi, Schindler, Thyssen, các thang

này đáp ứng được nhu cầu của khách hàng do thang máy sử dụng điều khiển bằng vi xử lý với phần mềm điều khiển thông minh, tốc độ thang lớn đáp ứng được việc xây dựng các nhà cao tầng Nhưng do các kỹ thuật trong nước chưa nắm bắt được nhiều về thiết bị công nghệ nên còn gặp khó khăn trong quá trình vận hành, bảo trì

ƒ Hiện nay, tớnh riờng ở TP HCM thỡ cú hơn 40 cụng ty thang mỏy lớn nhỏ Cụng ty thang mỏy được xem là đầu tiờn của Việt Nam chớnh là cụng ty thang mỏy Tự Động, tiếp đến là cụng ty thang mỏy Thiờn Nam và cụng ty thang mỏy Toàn Tõm (hiện nay là đại lý thang Mitsubishi tại Miền Nam) Trong quỏ trỡnh hoạt động cỏc cụng ty mới hỡnh thành tỏch ra từ cỏc cụng ty

cũ như: cụng ty thang mỏy Thăng Long (đại lý thang Mitsubishi Miền Bắc) tỏch ra từ cụng ty thang mỏy Tự Động, cụng ty thang mỏy Thỏi Bỡnh tỏch ra

từ cụng ty thang mỏy Thiờn Nam, cụng ty thang mỏy Á Chõu tỏch ra từ cụng

ty thang mỏy Thỏi Bỡnh, Cứ như vậy đa số cỏc cụng ty thang mỏy trờn khắp

Việt Nam lần lượt ra đời mà nhõn lực chớnh đó từng cụng tỏc tại cỏc cụng ty

kể trờn, tuy nhiờn vẫn cú những cụng ty khụng theo quy luật này

ƒ Với những yêu cầu mới nêu trên các cơ sở trong nước đang rất cần nghiên cứu chế tạo hệ thống điều khiển thang máy cho nhà cao tầng dùng vi xử lý để

đáp ứng nhu cầu chế tạo thang máy trong tương lai

ƒ Viện máy và dụng cụ công nghiệp là đơn vị có rất nhiều các nghiên cứu ứng dụng các công nghệ cao cho thị trường và là đơn vị đi đầu trong cả nước về việc chế tạo các sản phẩm cơ-điện tử Trong những năm gần đây Viện đã có những nghiên cứu bước đầu thành công trong việc sử dụng vi xử lý cho các thiết bị công nghiệp như: ứng dụng vi xử lý cho hệ điều khiển cân công nghiệp, mặt khác Viện cũng đã lắp ráp nhiều thang máy của hãng Shanghai Misubishi chất lượng cao cho thị trường Những điều kiện trên tạo điều kiện cho đề tài triển khai thành công

Sơ đồ chung hệ thống điều khiển của các hãng thang máy trên thế giới hiện nay nh− sau :

card vi

điều khiển

trung

tâm (Vi xử lý

32 bit)

bộ kiểm tra và

điều chỉnh tốc độ cho động cơ máy kéo

Động cơ

máy kéo

bộ thu nhận tín hiệu và

điều chỉnh tốc độ

Encoder

card xử lý tín hiệu trung gian

bộ nguồn,

bộ lọc,

Tủ điện điều khiển

Động cơ

đóng

mở cửa cabin

Encoder

Bảng gọi điều khiển và hiển thị trong cabin

Cabin

Thiết bị an toàn

đáy hố (hố PIT)

Phòng máy

Từ sơ đồ điều khiển chung nêu trên mỗi hãng thang máy đều nghiên cứu để tạo ra bộ điều khiển thang máy riêng nhằm tạo ra công nghệ đặc tr−ng cho sản phẩm của mình Hệ thống điều khiển của một số hãng thang máy điển hình cụ thể nh− sau:

i Khảo sát hệ thống điều khiển thang máy của hãng Otis - Mỹ:

Cụng ty Otis là một đơn vị thuộc tập đoàn United Technologies (Mỹ), một cụng ty nằm trong danh sỏch 500 cụng ty lớn nhất của Mỹ với hoạt động đa dạng Otis cung cấp những sản phẩm thang mỏy ở hơn 200 quốc gia và vựng

cụng ty đó cho ra đời chiếc thang mỏy an toàn đầu tiờn trờn thế giới vào năm

1853 và cú mặt trong cỏc cụng trỡnh xõy dựng lớn như: thỏp Eiffel tại Paris, tũa nhà chọc trời Burj Dubai đang xõy dựng ở cỏc tiểu Vương quốc Ảrập Thống nhất, Trung tõm tài chớnh Thế giới Thượng Hải và thỏp đụi Petronas ở Malaysia Tại Việt Nam, ngoài cụm cụng trỡnh Kumho Asiana tại TP HCM, thang mỏy Otis cũng đó được thi cụng tại những cụng trỡnh nổi tiếng như khỏch sạn Metropole Hà Nội, Park Hyatt ở TP HCM, Indochina Riverside Tower ở Đà Nẵng,

Hệ thống điều khiển thang mỏy này được phỏt triển qua nhiều thế hệ và hiện nay hệ thống điều khiển của thang mỏy của hóng này sử dụng vi xử lý và thường

là vi xử lý 32 bit Cụ thể như sau:

Hỡnh 2-2: Bộ vi xử lý trung tõm cho thang mỏy của hóng Otis – Mỹ

Hệ thống điều khiển trung tâm bao gồm:

- Card vi xử lý trung tâm sử dụng vi xử lý 32 bit

- Các card phụ trợ như: card kết nối vào-ra, card nguồn,

- Thiết bị điều khiển động lực bao gồm: bộ điều khiển tốc độ động cơ chính (động cơ nâng hạ cabin) và động cơ mở cửa cabin

- Tủ điện điều khiển cho toàn bộ thang máy

- Các thiết bị an toàn, thiết bị phụ trợ,

Đặc trưng của hệ thống điều khiển thang máy của hãng Otis-Mỹ

đổi điện áp và tần số (VVVF), điều khiển mờ (fuzzy), do vậy thang máy điều khiển chính xác tốc độ của mô tơ để tạo ra sự di chuyển êm, nhậy và dừng tầng cực kỳ chính xác

- Hãng thang máy Otis là hãng thang máy đầu tiên trên thế giới do vậy sản phẩm thang máy đặc biệt là hệ thống điều khiển được hoàn thiện qua nhiều thế hệ với kinh nghiệm lâu năm của hãng này Hiện nay sản phẩm của hãng

có nhiều tiện ích như: nhanh, ít tiếng ồn, chạy êm, độ dừng tầng chính xác,

sử dụng điện năng hiệu quả và bảo vệ môi trường Hệ điều khiển chuyển động thay đổi điện áp, tần số nguồn xoay chiều là tiêu chuẩn cho vận hành tối ưu Với hệ điều khiển mới này, tốc độ thang máy có thể hiệu chỉnh để thang máy thực hiện êm và chính xác

- Ưu điểm nổi bật thang máy của hãng này là tiêu chuẩn cho phép điều kiện

độ cao đỉnh giếng thấp nhằm phù hợp với các vị trí phòng máy ở bất kỳ tầng nào, bên cạnh hay phía trên giếng thang

ii Kh¶o s¸t hÖ thèng ®iÒu khiÓn thang m¸y cña h·ng Thyssen Krupp – CHLB §øc:

Hệ thống điều khiển thang máy của hãng này sử dụng vi xử lý trung tâm sau

đó nối mạng đến các bộ tiền vi xử lý tại các cụm điều khiển trung gian như: cụm cabin, cụm bảng gọi ngoài,

Các cụm tiền xử lý như: cụm cabin, cụm bảng gọi ngoài, sẽ xử lý tín hiệu

từ các thiết bị điều khiển riêng lẻ của các cụm đó như: LED hiển thị tầng, mũi tên báo, đèn báo, sau đó mã hóa truyền qua mạng đến vi xử lý trung tâm Các tín hiệu cần an toàn cao sẽ nối qua trung gian cụm này truyền trực tiếp về vi xử

lý trung tâm

Một số card vi xử lý trung tâm và tiền xử lý như ảnh chụp dưới đây

Hình 2-5: Bộ VXL cho thang máy của hãng Thyssen Krupp – CHLB Đức

Đặc trưng của hệ thống điều khiển thang máy của hãng Thyssen CHLB Đức

Krupp Bộ điều khiển thang máy Thyssen được thiết kế theo dạng môđun và sử dụng các phần mềm để tự động hoá việc điều khiển hệ thống môđun Mỗi một phần mềm làm việc như một hệ thống phụ với các phần mềm khác để điều khiển tất cả các chức năng của thang máy một cách có hiệu quả Ngoài ra bộ điều khiển này còn được trang bị các phần mềm có chức năng kiểm soát cả cụm Hệ thống điều khiển này có độ tin cậy cao, linh hoạt và có chất lượng vận chuyển, độ an toàn cao nhờ việc xử lý nhanh, chính xác thông tin về giao thông và hoạt động của thang máy

- Các nút bấm phẳng, có độ ma sát ở bề mặt của bảng điều khiển và thiết bị cửa tầng tạo điều kiện sử dụng dễ dàng Mặt khác, thang có hệ thống báo các lỗi thang tại các tầng mà không hãng nào có được giúp cho chủ đầu tư và nhân viên bảo trì dễ dàng phát hiện ra lỗi rút ngắn thời gian khắc phục sự cố Con số tầng và các mũi tên lên và xuống được chiếu sáng mầu đỏ trên bảng chỉ báo đẹp và rõ ràng

- Bộ điều khiển truyền động của thang kiểu VVVF (biến đổi tần số-điện áp) do vậy thang máy điều khiển chính xác tốc độ của mô tơ để tạo ra sự di chuyển

êm, nhậy và dừng tầng cực kỳ chính xác Bộ điều khiển của thang máy Thyssen kết hợp công nghệ vi điện tử phức tạp và công nghệ động cơ thang máy nên có nhiều lợi thế trội so với các bộ điều khiển thông thường Bộ điều khiển được lập trình để tính toán đường cong tốc độ từ tầng này đến tầng kia, trong quá trình làm việc nó liên tục điều chỉnh tần số và điện áp của nguồn

điện vào do đó nó đáp ứng được các yêu cầu và các điều kiện tải trọng khác nhau của hệ thống thang máy trên cơ sở thời gian thực tế

- Bộ điều khiển sử dụng phương thức PWM là cốt lõi của bộ điều khiển ACVF đảm bảo việc di chuyển của thang máy được êm hơn Phương thức này làm cho nó có thể kiểm soát đồng thời dòng điện xoay chiều và tần số cung cấp cho động cơ do vậy đảm bảo việc vận hành thang máy tuân thủ chặt chẽ đường cong tốc độ lý tưởng đã được tính toán Phương thức PWM đảm bảo việc di chuyển lên xuống êm ái và thời gian/số lần lên xuống ít nhất dù số người đi trên thang thay đổi

- Bộ vi xử lý trung tâm có khả năng xử lý cao giúp cho hệ thống thang máy hoạt động có hiệu quả và đạt được hiệu suất hoạt động cao thông qua các phần mềm xử lý có khả năng kết hợp vi xử lý với bộ đảo biến tần Bộ vi xử

lý có khả năng kiểm soát các tần số khác nhau từ 0 đến tần số đăng ký, nâng

hệ số công suất, giảm thiểu công suất phản kháng, giảm sự toả nhiệt và vì vậy tăng hiệu suất hoạt động của thang

- Bộ xử lý dữ liệu làm cho thang máy có khả năng tìm kiếm vị trí chính xác trong suốt hành trình di chuyển Bộ xử lý này cũng kiểm soát tốc độ thang máy nhằm đảm bảo chất lượng di chuyển tối đa trong thời gian di chuyển ngắn nhất có thể do vậy thời gian di chuyển giữa các tầng được giảm xuống mức tối thiểu Bộ xử lý dữ liệu cũng kiểm soát tốc độ thang máy do đó tạo ra chất lượng di chuyển cao nhất trong thời gian ngắn nhất Bộ xử lý này nâng cao độ chính xác khi dừng tầng

- Bộ chuyển đổi tốc độ cao được cài trong bộ đảo điện sẽ nâng tần số chuyển lên mức nghe được và hạ thấp mức tiếng ồn thang máy, các phản lực lớn sẽ được loại bỏ tạo ra sự vận hành êm ái

iii Kh¶o s¸t hÖ thèng ®iÒu khiÓn thang m¸y cña h·ng Mitsubishi

vµ Shanghai Mitsubishi – NhËt b¶n

Thang máy của hãng này được sử dụng tương đối nhiều trên thị trường nước

ta do hệ thống điều khiển và mẫu mã của thang rất thân thiện với người Việt nam và rất dễ dàng sử dụng

Hệ thống điều khiển về cấu hình giống với nhiều hãng thang máy lớn đang

sử dụng và được phát triển trên hệ vi xử lý tốc độ cao CPU dual-core 32 bit, mạng điều khiển kỹ thuật số CANBUS Hệ điều khiển có các tính năng cơ bản như sau:

- Hệ điều khiển bằng hệ biến đổi tần số (VVVF) tự động hoàn toàn xử lý tín hiệu gọi tầng theo trình tự ưu tiên chiều đang hoạt động

- Xử lý tín hiệu bằng vi xử lý (Micro Process) ứng dụng trí tuệ thông minh (Interligence) trong chuyển động thang

- Bộ ghi nhớ lưu giữ toàn bộ tín hiệu gọi tầng theo hai chiều lên xuống

Các chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển như sau:

+ Tự động hủy bỏ lệnh thừa trong phòng thang (CCC)

+ Dừng tầng an toàn (SFL)

+ Dừng tầng kế tiếp (NXL)

+ Phục vụ độc lập (IND)

+ Tự động điều chỉnh tốc độ cửa (DSAC)

+ Tự động điều chỉnh thời gian mở cửa (DOT)

+ Mở cửa bằng nút gọi thang (ROHB)

+ Đóng cửa cưỡng bức (KNDG)

+ Bộ phận bảo vệ cửa khi bị kẹt (DLD)

Hình 2-6: Bộ vi xử lý trung tâm cho thang máy của hãng Mitsubishi – Nhật bản

Hình 2-7: Bộ vi xử lý trung tâm cho thang máy của hãng Mitsubishi – Nhật bản

Đặc trưng của hệ thống điều khiển thang máy của hãng Mitsubishi-Nhật bản

- Hệ thống điều khiển hoạt động được thiết kế với khả năng an toàn tin cậy cao, khả năng đáp ứng lệnh gọi linh hoạt, dung lượng lệnh gọi phục vụ cao với nhiều chế độ hoạt động thông minh

- Hệ thống điều khiển dẫn động cửa sử dụng loại biến đổi điện áp–tần số (VVVF) làm cho cửa đóng mở nhanh và êm ái, kết hợp với mạch điều khiển DRF, có thể tự động điều chỉnh thời gian đóng mở cửa, nâng hiệu quả hoạt động của thang máy

- Điều khiển động cơ: sử dụng điều khiển tốc độ vô cấp, bằng hệ thống biến đổi tần số và điện áp (VVVF) làm tiết kiệm điện năng, dừng tầng chính xác,

êm ái, an toàn, thoải mái cho cả người thiểu năng

- Bộ điều khiển thang máy tích hợp đầy đủ những tiến bộ công nghệ mới nhất như: bộ giảm âm PWM, bộ biến đổi điện áp và tần số (VVVF), bộ tích hợp nguồn (IPU), đem lại sự hoạt động rất chính xác và nhẹ nhàng của máy kéo

- Hệ thống điều khiển cửa trực tiếp còn giúp cửa mở ra/đóng vào êm ru và nhẹ nhàng ngoài ra hệ thống còn trang bị chíp hiệu suất cao tăng cường sự nhạy cảm của cửa thang máy đảm bảo hoạt động của cửa phù hợp với các điều kiện cụ thể ở mỗi tầng

- Thang máy của hãng Mitsubishi nổi tiếng thế giới về sự thoải mái, an toàn,

và hiệu quả, chất lượng của thang máy không ngừng được cải tiến Những tính năng vượt trội của thang là:

ƒ Tiết kiệm năng lượng và không gian

ƒ Cơ chế truyền tải hiệu quả cao

ƒ Cơ chế hoạt động hài hoà với môi trường thiên nhiên

ƒ Vận hành êm ái và thoải mái

ƒ Cửa mở nhẹ nhàng

ƒ Thiết kế hoàn hảo

ƒ Đưa khách hàng lên/xuống an toàn

ƒ An toàn ngay cả trong trường hợp khẩn cấp

ƒ Độ tin cậy cao

iv Nh÷ng kÕt qu¶ rót ra tõ viÖc kh¶o s¸t hÖ thèng ®iÒu khiÓn thang m¸y cña c¸c h·ng chÕ t¹o thang m¸y lµm c¬ së cho viÖc thiÕt kÕ sau nµy

- Hệ thống điều khiển thang máy của các hãng lớn trên thế giới hiện nay như: Otis, Thyssen, Mitsubishi, đều được lập trình trên vi xử lý 32 bit do vậy chúng giải quyết được rất nhiều bài toán trong thang máy tạo ra bộ điều khiển hoàn thiện đáp ứng nhu cầu khách hàng

- Thiết bị điều chỉnh tốc độ và card vi xử lý trung tâm được kết nối theo bí quyết riêng của từng hãng và đều là thiết bị chế tạo đồng bộ của hãng Đây chính là chìa khóa để các hãng giữ bí quyết công nghệ và tạo ra những tính năng đặc trưng riêng cho các thang máy của mình

- Việc kết nối từ tủ điều khiển trung tâm (card vi xử lý trung tâm) và các thiết

bị bên ngoài như: bảng gọi trong cabin, bảng gọi tầng, card xử lý cabin, thông qua mạng, trực tiếp hoặc kết hợp cả hai (phương pháp này các hãng thường sử dụng nhất hiện nay) để đảm bảo sự hoạt động ổn định của thang máy

- Đối với những thang máy thấp tầng (dưới 15 tầng) và tốc độ thấp (1.0 m/s hoặc 1.5 m/s) việc giải quyết các bài toán điều khiển thang máy không quá phức tạp do vậy vi xử lý cho hệ điều khiển các thang máy này chỉ cần ở mức

độ vừa phải mà trong nước ta hiện nay có thể nghiên cứu và nắm bắt được

- Việc nghiên cứu phát triển vi xử lý chủ yếu tập trung đầu tư nghiên cứu và ứng dụng ở các nước công nghiệp phát triển do vậy những vi xử lý thế hệ mới chưa được đầu tư nghiên cứu ỏ nước ta Với khả năng nghiên cứu và công nghệ sản xuất trong nước ta hiện nay chúng ta chỉ có thể thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển thang máy sử dụng vi xử lý để giải quyết các bài toán cơ bản của thang máy (8 bit hoặc 16 bit) chứ chưa có khả năng thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển sử dụng vi xử lý tới 32 bit như các thang máy nhập ngoại hiện nay

- Khả năng công nghệ thiết kế, chế tạo thiết bị điều khiển cho thang máy trong nước ta ở mức độ tích hợp thiết bị trên cơ sở các hãng chế tạo thiết bị chuyên dụng của nước ngoài và trong nước chỉ chế tạo một phần

- Với khả năng tiếp cận những khoa học công nghệ mới trong nước ta hiện nay, các nhà khoa học trong nước có khả năng xây dựng hệ thống điều khiển thang máy sử dụng vi xử lý trên cơ sở tích hợp thiết bị của các hãng chế tạo thiết bị chuyên dụng và trong nước chế tạo một phần hoàn toàn có khả năng đáp ứng được đối với những thang thấp tầng, tốc độ thấp tương đương với thang máy nhập ngoại

PhÇn III

tÝnh to¸n lùa chän thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn, thiÕt kÕ kü

thuËt, thiÕt kÕ chÕ t¹o, lùa chän thiÕt bÞ vi xö lý

I c¸c nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn thang m¸y

Hệ thống điều khiển các thang máy bao gồm các khối cơ bản như sau:

Hình 3-2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thang máy

Thang máy bao gồm 02 chế độ hoạt động:

- Chế độ bằng tay: được sử dụng trong việc vận hành ban đầu, hiệu chỉnh, kiểm tra định kỳ và sửa chữa

- Chế độ tự động: là chế độ hoạt động thường xuyên của thang trong điều kiện

Thang máy là thiết bị để vận chuyển con

người và hàng hóa (chủ yếu là con người) từ

tầng này đến tầng khác trong toà nhà, nó

bao gồm các thiết bị chính như sau:

- Cabin: dùng để chứa người và hàng hóa

- Máy kéo: là thiết bị chính để tạo sức

nâng cabin đến các tầng cần thiết trong

toà nhà

- Cửa tầng: là nơi để di chuyển con người

và hàng hóa từ cabin ra các tầng

- Hệ thống dẫn hướng, bảo vệ và các thiết

bị phụ trợ khác: để dẫn hướng cho cabin

và bảo vệ cabin trong quá trình di

Cửa tầng

Thiết bị đáy hố

BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

BỘ ĐIỀU CHỈNH

máy kéo

BỘ THU NHẬN TÍN HIỆU VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

Động cơ mở cửa cabin

Nguyên tắc hoạt động của thang như sau: Khi thang máy nhận được lệnh gọi từ các nút gọi tầng hoặc bảng điều khiển trong cabin đưa về bộ điều khiển trung tâm để xử lý và chuyển tín hiệu điều khiển cho động cơ máy kéo và động cơ mở cửa cabin thông qua bộ điều chỉnh tốc độ và các tín hiệu báo (hiển thị, đèn báo)

để thông báo cho người vận hành

Việc nâng cao chất lượng của thang máy nói chung và hệ thống điều khiển thang máy nói riêng chủ yếu ở việc tập trung nâng cao chất lượng ở các khâu chính như sau:

- Bộ điều khiển trung tâm: đây là đầu não của thang máy và là linh hồn để quyết định chất lượng của toàn bộ thang máy mà hiện nay các hãng thang máy đều tập trung nghiên cứu và giữ bí quyết công nghệ của mình ở bộ điều khiển này Trong thang máy có rất nhiều bài toán đến nay vẫn còn tiếp tục cần nghiên cứu để hệ thống hoạt động chính xác và an toàn

- Bộ điều chỉnh tốc độ: nhằm ốn định tốc độ theo giá trị đặt trước trong quá trình vận hành theo sự điều khiển của bộ điều khiển trung tâm Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ điều chỉnh tốc độ để tăng tốc độ thang và khởi động, dừng êm

- Kết nối tín hiệu: nâng cao chất lượng kết nối tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm đến các thiết bị chấp hành nhằm giảm thiểu tối đa dây kết nối mà vẫn đảm bảo ổn định, chính xác của tín hiệu Ngày nay các hãng đang tập trung nghiên cứu và sử dụng mạng công nghiệp cho việc kết nối này

II tÝnh to¸n, lùa chän, thiÕt kÕ thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn cho thang m¸y :

Thiết bị điều khiển trong thang máy là thiết bị trung gian để nhận hoặc chuyển tín hiệu từ bộ vi xử lý trung tâm đến cơ cấu chấp hành Các thiết bị điều khiển cho thang máy bao gồm:

Các thiết bị điều khiển tại tủ điện:

Các thiết bị này chủ yếu là các thiết bị đóng cắt như: aptomat, khởi động từ,

rơ le trung gian, để cung cấp nguồn điện cho động cơ nâng hạ chính, các thiết bị này được chọn của các hãng nổi tiếng như: Mitsubishi, Fuji – Nhật Bản, Siemens, schneider – CHLB Đức, để đảm bảo sự hoạt động ổn định

và tin cậy của thang

Thiết bị điều chỉnh tốc độ (biến tần) bao gồm biến tần cho động cơ nâng hạ (máy kéo) và cho động cơ mở cửa cabin Đây là các thiết bị chuyên dụng để điều khiển tốc độ vô cấp cho quá trình khởi động và dừng tầng êm, thiết bị điều khiển tốc độ này phải đảm bảo hoạt động rất tin cậy, ổn định và là yếu

tố rất quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của thang Đặc biệt các biến tần này phải điều khiển theo chế độ mômen không đổi và chế độ hãm đặc biệt Đối với các hãng thang máy lớn như: Otits, Mitsubishi, ThyssenKrupp, đều chế tạo các biến tần chuyên dụng và kết nối mạng với vi xử lý nhằm giữ bí quyết công nghệ của mình

Các hãng thang máy trung bình thường sử dụng các bộ biến tần của các hãng chế tạo biến tần chuyên nghiệp Các hãng này đã chế tạo các dòng biến tần chuyên dụng cho thang máy như: hãng schneider có dòng biến tần Altivar 71, Fuji có dòng biến tần Fujilift,

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển được thể hiện tại phụ lục kèm theo

III tÝnh to¸n lùa chän vµ thiÕt kÕ thiÕt bÞ vi xö lý cho thang m¸y :

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều các dòng chip vi xử lý của nhiều hãng khác nhau Trong đó phải kể đến như họ 8051 của Intel (hãng Atmel là nhà sản xuất thứ cấp), họ vi xử lý PSoc của Cypress, họ vi xử lý PIC của MicroChip, họ AVR của Atmel, họ ARM của Phillip,… Trong các dòng vi xử lý trên, mỗi dòng

có ưu và nhược điểm riêng của nó

Dòng PSoc (Programable System on chip) của Cypress có ưu điểm là phần lớn các trình điều khiển thiết bị ngoại vi thông dụng đều được tích hợp trong con chip của họ này (có thể kể đến như: tích hợp ADC, điều khiển LCD,…) Tuy nhiên khả năng khai thác dòng thiết bị trong nước ta hiện nay chưa khai thác hết tính năng của dòng này nên việc sử dụng dòng chip này chủ yếu với những ứng dụng đơn giản đòi hỏi thiết kế mạch nhỏ gọn Trong quá trình khai thác dòng vi

xử lý này còn gặp nhiều khó khăn trong việc mở rộng các đầu vào/ra

Dòng vi xử lý PIC của MicroChip và dòng AVR của Atmel cũng khá tương đồng về chức năng nhưng trên thực tế các dòng này cũng ít được phát triển do các công cụ hỗ trợ không phong phú, cấu trúc còn phức tạp chưa phù hợp với điều kiện của Việt Nam

Dòng vi xử lý ARM của Phillip mới xuất hiện những năm gần đây trên thị trường Việt Nam nhưng đã tỏ ra có ưu thế về nhiều mặt Tốc độ xử lý nhanh,

Sau khi nghiên cứu kỹ yêu cầu kỹ thuật, về

khả năng công nghệ và chất lượng thiết bị tại

Việt Nam nhóm đề tài chọn biến tần cho thang

máy của hãng Fuji hoặc Mitsubishi – Nhật bản

là phù hợp với điều kiện của nước ta Các biến

tần này thường chọn công suất lớn hơn động

cơ 1 cấp để đảm bảo hoạt động ổn định, an

toàn như: động cơ 5,5 kW chọn biến tần 7,5

kW

Các thiết bị điều khiển bên ngoài:

Bao gồm các thiết bị báo an toàn như: bộ quá

xuất hiện nên giá thành của dòng vi xử lý này còn khá đắt và hiếm Hơn nữa do hoạt động ở điện áp 3,3V nên dòng chíp này thích hợp với những ứng dụng mang tính xử lý tín hiệu hơn là điều khiển trong môi trường công nghiệp Ứng dụng hay thấy ở dòng này là các mạch điều khiển USB, các mạch đọc bộ nhớ flash, xử lý âm thanh

Đối với dòng 8051 của Atmel, đây là dòng chip rất phổ biến trên thị trường Việt Nam do có ưu điểm là giá thành phải chăng, dễ mua, chức năng khá phong phú, khả năng mở rộng rất cao, các công cụ hỗ trợ có sẵn (ví dụ như trình biên dịch, phầm mềm mô phỏng, phần mềm nạp code và tool nạp code, các tài liệu

kỹ thuật phong phú)

Dựa trên yêu cầu của đề tài và dựa trên kết quả thu thập được trong quá trình khảo sát các thang máy trong nước và nước ngoài sản xuất Nhóm thực hiện đề tài đã quyết định chọn chip vi xử lý AT89C55WD của hãng Atmel (Mỹ) để làm chip xử lý trung tâm cho card điều khiển Chip AT89C55WD là dòng chip phổ biến của hãng Atmel tương thích hoàn toàn theo tập lệnh của họ 8051 của hãng Intel

Sau khi đã lựa chọn và tính toán thiết kế, chip AT89C55WD hoàn toàn có khả năng điều khiển được thang máy với tòa nhà 8 tầng (có thể mở rộng đến 16 tầng)

Card vi xử lý được xây dựng trên nền chip AT89C55WD Card được thiết kế đảm bảo đầy đủ các yêu cầu cơ bản cho thang máy chở người Nhiệm vụ thiết kế của card như sau:

Nhận và xử lý các lệnh gọi tầng

Điều khiển động cơ nâng hạ cabin thông qua biến tần chuyên dụng

Điều khiển đóng mở cửa cabin

Giám sát và điều khiển quá trình hoạt động của thang Bất kỳ một lỗi nào phát sinh trong quá trình vận hành, hệ thống sẽ tự động dừng thang và phát tín hiệu cảnh báo

Hiển thị tầng bằng LED ma trận, hiển thị chiều đang di chuyển của cabin

Hình 3-5: Sơ đồ khối card vi xử lý của thang máy

Các khối cơ bản trong card gồm:

Khối giải

mã và hiển thị tầng

Cổng truyền thôngRS232

Khối đầu vào (32 đầu vào)

RS232/485

Nguồn

ghép nối ngoại

vi

Giải mã địa chỉ Đếm xung

16 bit