Nhận thấy đây là vấn đề rất sát thực, với những kiến thức đã được trang bị trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em đã lựa chọn đề tài : “ Xây dựng h
Trang 1ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THANG MẤY 4 TẦNG
Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Hồng Quang
Hà Nội, 1 - 2019
Trang 2MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 2
CHƯƠNG 1: 3
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THANG MÁY 3
1.1 GIỚI THIỆU VỀ THANG MÁY 3 1.2 PHÂN LOẠI THANG MÁY 4 1.2.1 Phân loại theo chức năng: 4
1.2.2 Phân loại theo tốc độ di chuyển: 4
1.2.3 Phân loại theo tải trọng: 5
1.2.4 Phân loại theo vị trí đặt bộ kéo tời: 5
CHƯƠNG 2: 5
TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 5
2.1 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-300 5 2.1.1 Tổng quan về cấu trúc của PLC S7-300 5
2.1.2 Các module của PLC S7-300 7
2.1.3 Giới thiệu về CPU 313C-2DP: 10
2.2 LẬP TRÌNH TRONG S7-300 11 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY 14
3.1 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CỦA MÔ HÌNH THANG MÁY 14 3.1.1 Sơ đồ công nghệ: 14
3.1.2 Nguyên lý điều khiển mô hình thang máy 4 tầng: 14
3.2 Xây dựng sơ đồ GRAFCET 16 3.2.1 GRAFCET 16
3.2.2 Xác định hàm điều khiển 18
A CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY 4 TẦNG 19 KẾT LUẬN 35
1
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển của đất nước, việc xây dựng các toà nhà chung
cư cao cấp, siêu thị, cao ốc văn phòng ngày càng nhiều thì hệ thống thang máy trở thành một phương tiện di chuyển thiết yếu Vì vậy vấn đề đặt ra là thiết kế một hệ thống thang máy để phục vụ nhu cầu vận chuyển hàng hoá, thiết bị cũng như phục vụ nhu cầu đi lại của con người là rất cần thiết.
Nhận thấy đây là vấn đề rất sát thực, với những kiến thức đã được trang bị trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em đã lựa chọn đề tài : “ Xây dựng hệ thống điều khiển thang máy 4 tầng (tính đến khả năng
mở rộng 10 tầng) sử dụng PLC (có thể chọn Mitsubishi, Siemens ), sử dụng phương pháp grafcet”.
Trong quá trình thực hiện, em đã nhận được rất nhiều sự hướng dẫn tận tình
chu đáo của các thầy, cô giáo trong Viện Điện, đặc biệt là sự chỉ bảo của thầy PGS.TS Nguyễn Hồng Quang Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô
Với một khoảng thời gian ngắn để thực hiện đồ án và do kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế chưa nhiều, nên đồ án còn nhiều thiếu sót Vậy kính mong sự góp ý từ các thầy cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 1 tháng 1 năm 2019
2
Trang 4CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THANG MÁY
1.1 GIỚI THIỆU VỀ THANG MÁY
Thang máy là thiết bị vận chuyển người và hàng hóa theo phương thẳng đứnghoặc nghiêng một góc 150 so với phương thẳng đứng theo một tuyến đã định sẵn.Thang máy được sử dụng rộng rãi trong các nghành sản xuất của nền kinh tế quốc dânnhư trong nghành khai thác hầm mỏ, trong nghành xây dựng, luyện kim, công nghiệpnhẹ ở những nơi đó thang máy được sử dụng để vận chuyển hàng hóa, sản phẩm, đưacông nhân tới những nơi làm việc có độ cao khác nhau nó đã thay thế cho sức lực củacon người và mang lại năng suất cao
Trong sinh hoạt dân dụng, thang máy được lắp đặt và sử dụng trong các tòa nhàcao tầng, trong các khách sạn, siêu thị, công sở và trong các bệnh viện Hệ thống thangmáy đã giúp con người tiết kiệm được nhiều thời gian và sức lực Nhiều quốc gia trênthế giới đã quy định đối với các tòa nhà trên 6 tầng phải được trang bị thang máy đểđảm bảo cho người đi lại thuận tiện, tiết kiệm thời gian và tăng năng suất lao động.Giá thành thang máy trang bị cho công trình so với tổng giá thành công trình chiếmkhoảng 6% - 7% là hợp lý
Ở Việt Nam trước đây thang máy được sử dụng trong các nghành công nghiệp đểchở hàng hóa và ít được phổ biến Nhưng trong giai đoạn hiện nay với sự phát triểncủa nền kinh tế quốc dân và đời sống nhân dân ngày được nâng cao Việc sử dụngthang máy trong mọi lĩnh vực ngày càng tăng lên
Thang máy là một thiết bị vận chuyển đòi hỏi tính an toàn nghiêm ngặt, nó liênquan trực tiếp đến tài sản và tính mạng con người Vì vậy, yêu cầu chung đối với hệthống thang máy khi thiết kế, lắp đặt, chế tạo, vận hành, sử dụng và sữa chữa là phảituân thủ một cách nghiêm ngặt các yêu cầu về kỹ thuật an toàn được quy định trongcác tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm
3
Trang 51.2 PHÂN LOẠI THANG MÁY
Tùy thuộc vào tính chất, chức năng thang máy có thể phân thành nhiều loại ví dụnhư phân loại theo hệ dẫn động cabin, theo vị trí đặt bộ kéo tời, theo hệ thống vậnhành, theo công dụng dưới đây là một số phân loại
1.2.1 Phân loại theo chức năng:
a) Thang máy chở người:
Gia tốc cho phép được quy định theo cảm giác của hành khách: gia tốc tối ưu là a
b) Thang máy chở hàng:
Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong kinh doanh Nó đòi hỏi cao vềviệc dừng chính xác buồng thang máy đảm bảo cho việc vận chuyển hàng hóa lênxuống thang máy được dễ dàng
1.2.2 Phân loại theo tốc độ di chuyển:
Trang 61.2.3 Phân loại theo tải trọng:
Thang máy loại nhỏ: Q < 500kg thường dùng trong các thư viện, nhà hàng ănuống để vận chuyển sách hoặc thực phẩm
Thang máy loại trung bình: Q = 500÷1000 kg
Thang máy loại lớn: Q = 1000÷ 1600kg
Thang máy loại rất lớn: Q > 1600 kg
1.2.4 Phân loại theo vị trí đặt bộ kéo tời:
Đối với thang máy điện:
- Thang máy có bộ kéo tời đặt phía trên giếng thang
- Thang máy có bộ kéo tời đặt phía dưới giếng thang
Đối với thang máy dẫn động cabin lên xuống bằng bánh rãnh thanh răng thì bộtời dẫn động đặt ngay trên nóc cabin
Đối với thang máy thủy lực: Buồng đặt tại tầng trệt
CH ƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 2.1 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-300
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển logic khả trình, chophép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình
2.1.1 Tổng quan về cấu trúc của PLC S7-300
PLC S7-300 cấu trúc dạng module gồm các thành phần sau:
CPU các loại khác nhau: 312IFM, 312C, 313, 313C, 314, 314IFM, 314C, 315,315-2 DP, 316-2 DP, 318-2
Module tín hiệu SM xuất nhập tín hiệu tương đồng /số: SM321, SM322,SM323, SM331, SM332,SM334, SM338, SM374
Module chức năng FM
Module truyền thông CP
5
Trang 7 Module nguồn PS307 cấp nguồn 24VDC cho các module khác, dòng 2A, 5A,10A.
Module ghép nối IM: IM360, IM361, IM365
Các module được gắn trên thanh ray như hình dưới, tối đa 8 module SM/FM/CP
ở bên phải CPU, tạo thành một rack, kết nối với nhau qua bus connector gắn ở mặt saucủa module Mỗi module được gán một số slot tính từ trái sang phải, module nguồn làslot 1, module CPU slot 2, module kế mang số 4…
6
Trang 8Hình 2.2 Bố trí các Rack trong PLC S7-300
Mỗi địa chỉ tương ứng với một byte Với các module số địa chỉ một ngõ vào hay
ra là x,y với x là địa chỉ byte, y có giá trị từ 0 đến 7 Ví dụ module SM321 DI 32 có 32ngõ vào gắn kế CPU slot 4 có địa chỉ là I0.y, I1.y, I2.y, I3.y, I là ký hiệu chỉ ngõ vào
số Module analog có địa chỉ theo word, ví dụ module SM332 AO4 có 4 ngõ ra analoggắn ở slot 5 rack 1 có địa chỉ PQW400, PQW402, PQW404, PQW406, ngõ ra số có kýhiệu là Q còn ngõ vào analog ký hiệu là PIW
Các CPU 312IFM, 314 IFM, 31xC có tích hợp sẵn một số module mở rộng:
CPU 312IFM, 312C: 10 ngõ vào số địa chỉ I124.0 …I124.7, I125.1; 6 ngõ ra
số Q124.0…Q124.5
CPU 313C: 24 DI I124.0 126.7, 16DO Q124.0 125.7, 5 ngõ vào tương đồng
AI địa chỉ 752 761, hai ngõ ra AO 752 755
CPU 314IFM: 20 ngõ vào số I124.0 … I126.3; 16 ngõ ra số Q124.0 …Q125.7;
4 ngõ vào tương đồng PIW128, PIW130, PIW132, PIW134; một ngõ ra tương đồngPQW128
2.1.2 Các module của PLC S7-300
a) Module nguồn (PS):
Là module nguồn nuôi Module này có tác dụng chuyển đổi điện áp từ 120V đến230VAC thành điện áp 24VDC phù hợp với điện áp làm việc của PLC S7-300 Cónhiều kiểu nguồn 2A, 5A, 10A Nguồn cung cấp là mạch cách ly, có bảo vệ ngắnmạch, điện áp ổn định
b) Module CPU:
Các module CPU khác nhau theo hình dạng chức năng, vận tốc xử lý lệnh Loại312IFM, 314IFM không có thẻ nhớ Loại 312IFM, 313 không có pin nuôi Loại 315-2DP, 316-2DP, 318-2 có cổng truyền thông DP
7
Trang 9Hình 2.3: Modul hiển thị hoạt động của PLC S7-300
Các đèn báo có ý nghĩa sau:
SF (đỏ) lỗi phần cứng hay phần mềm
BATF (đỏ) lỗi pin nuôi
DC5V (lá cây) nguồn 5V bình thường
FRCE (vàng ) force request tích cực
RUN (lá cây) CPU mode RUN ; LED chớp lúc start-up w 1 Hz; modeHALT w 0.5 Hz
STOP mode (vàng) CPU mode STOP hay HALT hay start-up; LED chớpkhi memory reset request
BUSF (đỏ) lỗi phần cứng hay phần mềm ở giao diện PROFIBUS
Khóa mode có 4 vị trí:
RUN-P : chế độ lập trình và chạy
RUN : chế độ chạy chương trình
STOP : ngừng chạy chương trình
Thông qua cổng truyền thông MPI (MultiPoint Interface) có thể nối : máy tínhlập trình, màn hình OP (Operator panel), các PLC có cổng MPI (S7-300, M7-300, S7-
400, M7-400, C7-6xx), S7-200, vận tốc truyền đến 187.5kbps (12Mbps với CPU
318-2, 10.2 kbps với S7-200) Cổng Profibus – DP nối các thiết bị trên theo mạng Profibusvới vận tốc truyền lên đến 12Mbps
Các vùng nhớ của PLC:
Vùng nhớ chương trình (load memory) chứa chương trình người dùng (khôngchứa địa chỉ ký hiệu và chú thích) có thể là RAM hay EEPROM trong CPU hay trênthẻ nhớ
8
Trang 10Vùng nhớ làm việc (working memory) là RAM, chứa chương trình do vùng nhớchương trình chuyển qua, chỉ các phần chương trình cần thiết mới được chuyển qua,phần nào không cần ở lại vùng nhớ chương trình , ví dụ block header, data block.
Vùng nhớ hệ thống (system memory) phục vụ cho chương trình người dùng,
bao gồm timer, counter, vùng nhớ dữ liệu M, bộ nhớ đệm xuất nhập…
c) Module kết nối (IM):
Hình 2.4: Modul IM
Module IM360 gắn ở rack 0 kế CPU dùng để ghép nối với module IM361 đặt ởcác rack 1, 2, 3 giúp kết nối các module mở rộng với CPU khi số module lớn hơn 8.Cáp nối giữa hai rack là loại 368
Trong trường hợp chỉ có hai rack, ta dùng loại IM365
d) Module tín hiệu (SM):
Là module mở rộng vào/ra bao gồm:
+ DI (Digital Input): module mở rộng cổng vào số
+ DO (Digital Output): module mở rộng cổng ra số
+ DI/DO (Digital Input/ Digital Output): module mở rộng cổng vào/ra số
+ AI (Analog Input): module mở rộng cổng vào tương tự
+ AO (Analog Output): module mở rộng cổng ra tương tự
+ AI/AO (Analog Input/Analog Output): module mở rộng cổng vào/ra tương tự
9
Trang 11e) Module chức năng (FM):
Module có chức năng điều khiển riêng như module điều khiển động cơ bước,động cơ servo, module PID,…
f) Module truyền thông (CP):
Module truyền thông giữa PLC với PLC hay giữa PLC với PC
2.1.3 Giới thiệu về CPU 313C-2DP:
Trong đồ án này, sử dụng PLC S7-300 CPU 313C-2DP của hãng SIEMENS(Đức) với các thông số sau:
+ Nguồn cung cấp : 24VDC
+ Tích hợp sẵn đầu vào/ra số: DI16 / DO16 (24VDC)
+ Bộ nhớ làm việc: 64 Kbyte
+ Cổng giao tiếp MP/PROFIBUS-DP
+ Kiểu kết nối: MPI
+ Ngôn ngữ lập trình: Step 7 (LAD/FBD/STL), SCL, GRAPH, HiGraph
+ Dòng tiêu thụ 0,9A ; Công suất tiêu thụ 10W
Module CPU 313C-2DP này sử dụng bộ nguồn PS307-2A Điện áp đầu ra là24VDC thuận tiện cho việc chọn và mua các thiết bị sử dụng trong mô hình
Hình 2.5: PLC S7-300 CPU 313C-2DP của Siemens
10
Trang 122.2 LẬP TRÌNH TRONG S7-300
Chương trình người dùng thường được chia nhỏ thành từng khối logic theo kiểuchương trình cấu trúc, giúp cho việc lập trình và sữa lỗi thuận tiện Có nhiều loại khốilogic:
Khối tổ chức OB (Organization blocks)
Khối hàm hệ thống SFB (System function blocks) và hàm hệ thống SFC(system functions) tích hợp trong PLC
Khối hàm FB (Function blocks) trong thư viện hay người dùng tự viết
Hàm FC (Functions) trong thư viện hay người dùng tự viết
Khối dữ liệu Instance (Instance Data Blocks ) liên kết với FB/SFB
Khối dữ liệu chia sẻ (Shared Data Blocks )
Khối tổ chức OB là giao diện giữa chương trình người dùng và hệ điều hàmh củaPLC OB được gọi bởi hệ điều hành theo chu kỳ hay khi có ngắt, có sự cố hay khi khởiđộng PLC Có nhiều khối OB và có ưu tiên khác nhau, khối OB có số ưu tiên cao hơn
có thể ngắt khối OB số ưu tiên thấp hơn Tuỳ theo loại CPU, số lượng khối OB sửdụng được sẽ khác nhau
Sử dụng phần mềm STEP 7 v5.5 để lập trình cho PLC S7-300 Giao diện củaphần mềm như sau:
Hình 2.6: Giao diện Project trên STEP7 v5.5
-BẢNG PHÂN CÔNG ĐỊA CHỈ VÀO/RA
Với mô hình thang máy 4 tầng, ta có bảng phân công địa chỉ vào/ra (SymbolTable) trên phần mềm STEP7 V5.5 như sau:
11
Trang 15CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY
3.1 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CỦA MÔ HÌNH THANG MÁY
3.1.1 Sơ đồ công nghệ:
Hình 3.1: Sơ đồ công nghệ mô hình thang máy 4 tầng
CTHT1, CTHT2, CTHT3, CTHT4 : 4 công tắc hành trình để xác định vị tríbuồng thang tại mỗi tầng
CTHT5 : Công tắc hành trình để báo giới hạn đóng cửa cabin
CTHT6 : Công tắc hành trình để báo giới hạn mở cửa cabin
ĐT1, ĐT2, ĐT3, ĐT4 : 4 nút ấn đến tầng, nằm trong cabin
GT1, GT4 : nút ấn gọi tầng 1 và 4
GT2L, GT3L : lần lượt là nút ấn gọi tầng 2 và tầng 3 đi lên
GT2X, GT3X : lần lượt là nút ấn gọi tầng 2 và tầng 3 đi xuống
3.1.2 Nguyên lý điều khiển mô hình thang máy 4 tầng:
14
GT2L GT3L
CTHT5 CTHT6
CTHT4
GT2X
T4
ĐT3
Trang 16a) Luật điều khiển chung:
Trong thang máy có các nút gọi tầng được bố trí ngoài cửa của mỗi tầng, các nút
ấn đến tầng được đặt trong buồng thang Các tín hiệu gọi tầng và đến tầng là ngẫunhiên không theo một quy luật nào cả nên yêu cầu công nghệ phải đáp ứng được mọiyêu cầu của hành khách Thang máy thường được điều khiển theo chiều tối ưu vềchiều chuyển động
b) Nguyên tắc hoạt động:
PLC sẽ nhận tín hiệu của nút ấn gọi tầng hoặc đến tầng (ưu tiên đối với nút ấnđến tầng) để xác định chiều chuyển động cho thang máy nhờ vào sự so sánh vị trí củabuồng thang đang đứng với lệnh gọi tầng hoặc đến tầng
Nếu lệnh đến ( gọi ) tầng mà lớn hơn vị trí buồng thang thì PLC phát lệnh chothang máy đi lên Trong quá trình đi lên PLC vẫn tiếp tục nhận các lệnh đến tầng vàgọi tầng Các lệnh này sẽ được nhớ vào quá trình chuyển động ( chuyển động lên) + Nếu thang máy đang ở tầng 1, có hành khách muốn đến tầng 4, thang máy sẽchuyển động lên, trong quá trình chuyển động lên nếu có người nào đó ấn nút GT3L( nút gọi tầng 3, đi lên) thì thang máy dẽ dừng lại ở tầng 3 đón khách sau đó mới tiếptục chuyển động lên tầng 4, đây là quá trình thực hiện lệnh quá giang
+ Nếu thang máy đang ở tầng 2 ( theo chiều chuyển động đi lên ), nếu có ngườigọi tầng 1 và có người gọi tầng 4 thì thang máy sẽ chuyển động đi lên tầng 4 sau đómới chuyển động xuống tầng 1, đây là quá trình ưu tiên về chiều chuyển động
Nếu lệnh đến (gọi) tầng mà nhỏ hơn vị trí buồng thang đang dừng thì PLC sẽphát lệnh cho thang máy đi xuống và lại thực hiện các lệnh quá giang theo chiều đixuống
Nếu lệnh đến (gọi) tầng bằng vị trí buồng thang đang đứng thì PLC sẽ phát lệnh
mở cửa buồng thang
Sau khi thang máy thực hiện các lệnh gọi tầng và đến tầng theo chiều chuyểnđộng của nó, thang máy sẽ tự động quay lại thực hiện các lệnh vừa nhớ Tín hiệu nhớnày sẽ được xóa đi khi thang máy đi đến tầng hành khách gọi Việc đóng, mở cửa chỉđược thực hiện khi buồng thang đã dừng hẳn, cửa sẽ tự động mở ra, sau một thời giannhất định cửa sẽ đóng lại
Khi thang máy đi lên thì tín hiệu đi lên được giữ và điều khiển đèn sáng ( mũi tên
đi lên )
15
Trang 17Khi thang máy đi xuống thì tín hiệu đi lên được xóa và tín hiệu đi xuống điềukhiển đèn sáng ( mũi tên đi xuống ).
Phân tích nguyên lí hoạt động của một chu kỳ thang máy:
Giả sử thang máy đang ở tầng 1, có một hành khách ở tầng 4 bấm nút GT4 Lúcnày, tín hiệu gọi tầng này được giữ lại đồng thời so sánh với vị trí của buồng thang Vìbuồng thang đang ở tầng 1 nên đầu ra PLC điều khiển thang máy đi lên Khi thangmáy đi lên đến tầng 4, gặp công tắc hành trình tầng 4 CTHT4 thì PLC phát tín hiệudừng động cơ kéo cabin, cabin sẽ dừng chính xác ở tầng 4, cửa cabin sẽ mở sau 1s kể
từ khi cabin dừng hẳn Khi cửa cabin mở hoàn toàn sẽ tác động vào công tắc hànhtrình CTHT6 Sau thời gian 5s kể từ khi CTHT6 tác động thì cửa cabin tự động đónglại Và tiếp tục thực hiện chiều xuống theo yêu cầu của hành khách trong, ngoài buồngthang
Nếu trong quá trình chuyển động từ tầng 1 lên tầng 4, mà cabin chưa đi đến tầng
3, nếu có người nào đó ấn nút GT3L ( nút gọi tầng 3, đi lên) thì thang máy dẽ dừng lại
ở tầng 3 đón khách, sau đó mới tiếp tục chuyển động lên tầng 4, đây là quá trình thựchiện lệnh quá giang
Khi thang máy đang di chuyển, nếu có lệnh dừng thang máy (lệnh STOP) thìthang máy sẽ dừng hẳn khi gặp một trong các công tắc hành trình xác định vị trí tầngtại mỗi tầng Ngoài ra, thang máy chỉ thực hiện lệnh dừng khi cửa đã đóng hoàn toàn
3.2 Xây dựng sơ đồ GRAFCET
3.2.1 GRAFCET
16
Trang 180 Nút gọi tầng 1