Điều khiển thang máy sử dụng PLC của SIEMENS

Hiện nay, với sự phát triển của khoa học và công nghệ thì lĩnh vực tự động hóa đã không còn xa lạ với mỗi người, mỗi lĩnh vực và nhất là trong công nghiệp. Việc sử dụng các hệ thống điều khiển cho máy móc nhằm thay thế, tiết kiệm sức lao động cho con người và tăng năng suất lao động, tự động hóa đã và đang góp phần giúp phần cho xã hội ngày càng phát triển... Với một sinh viên ngành tự động hóa như em, việc được trang bị những tư duy, kiến thức cơ bản về tự động hóa và các hệ thống truyền động điện tự động sẽ giúp cho chúng em rất nhiều. Trong những năm gần đây nhiều nhà cao tầng đã được xây dựng ở nước ta kéo theo nhu cầu và sự phát triển của thang máy. Nhận thức được điều đó và được sự đồng ý, giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương, em đã lựa chọn đề tài: “Điều khiển thang máy sử dụng PLC của SIEMENS”. Nội dung đồ án gồm các nội dung sau: - Tổng quan về thang máy và PLC. - Lựa chọn và tính toán mạch lực. - Lý thuyết hàng đợi và thuât toán điều khiển thang máy. - Lập trình điều khiển thang máy. - Mô phỏng trên PC và kết quả thu được.

3

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU 7

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THANG MÁY VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC 9

1.1 Giới thiệu chung về thang máy 9

1.1.1 Khái niệm về thang máy 9

1.1.2 Lịch sử phát triển thang máy [9] 9

1.1.3 Phân loại thang máy [2], [9] ,[10] 10

1.1.4 Cấu tạo của thang máy [1], [2] 11

1.1.5 Nguyên lý làm việc của thang máy 13

1.1.6 Các yêu cầu đối với thang máy 14

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 26

2.1 Các hệ truyền động dùng cho thang máy 26

2.1.1 Hệ truyền động điện xoay chiều [1] 26

2.1.2 Hệ truyền động điện một chiều [1] 26

2.1.3 Lựa chọn phương án truyền động cho thang máy 27

2.2 Tính chọn công suất động cơ truyền động thang máy và lựa chọn biến tần 27

2.2.1 Tính chọn công suất động cơ [1] 28

2.2.2 Lựa chọn biến tần thang máy 32

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT HÀNG ĐỢI VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY 35

3.1 Tối ưu quá trình phục vụ của thang máy 35

3.1.1 Vấn đề tối ưu hoá trong điều khiển thang máy 35

3.1.2 Lý thuyết hàng đợi [9] 35

3.2 Lưu đồ thuật toán và grafcet điều khiển thang máy 37

3.2.1 Yêu cầu bài toán 37

4

CHƯƠNG 4 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY BẰNG PLC S7 1200 44

4.1 Xác định các đầu vào và ra 44

4.1.1 Các cảm biến xác định tầng và dừng 44

4.1.2 Nút bấm 45

4.1.3 Các cơ cấu chấp hành: 45

4.2 Địa chỉ các I/O trong PLC S7 1200 46

4.2.1 Đầu vào 46

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH 49

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC 55

PLC Programmable Logic Controller

FIFO First - In First – Out

LIFO Last - In First – Out

6

Hình 1.1 Cấu tạo của thang máy [1] 11

Hình 1.2 Vị trí xác định tín hiệu dừng tầng 15

Hình 1.3 Quãng đường dừng thang [1] 16

Hình 1.4 Dừng buồng thang có tốc độ cao [1] 18

Hình 1.5 Các đường cong biểu diễn sự phụ thuộc tối ưu của quãng đường S, tốc độ v, gia tốc a và độ giật  của thang máy theo thời gian [1] 20

Hình 1.6 PLC S7 1200 CPU 1211C DC/DC/RLY [4] 22

Hình 1.7 Các module tín hiệu của PLC S7 1200 [4] 24

Hình 1.8 Module Signal Board [4] 24

Hình 1.9 Module tín hiệu SM [4] 25

Hình 1.10 Module truyền thông CM [4] 25

Hình 2.1 PLC điều khiển động cơ thang máy bằng biến tần 27

Hình 2.2 Đường cong để xác định số lần dừng (theo xác suất) của buồng thang [1] 31

Hình 2.3 Sơ đồ đấu nối biến tần FUJI [7] 32

Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán chương trình điều khiển buồng thang 39

Hình 3.2 Grafcet chương trình điều khiển thang ở chế độ tự động 40

Hình 3.3 Grafcet chương trình điều khiển thang ở chế độ CONTROl 41

Hình 3.4 Sơ đồ thuật toán chương trình điều khiển cửa cabin 42

Hình 3.5 Grafcet chương trình điều khiển cửa thang 43

Hình 4.1 Vị trí lắp đặt cảm biến vị trí trên cabin 44

Hình 4.2 Vị trí lắp các cờ trong hố thang 45

Hình 4.3 CPU 1214C và 2 module SM 1221 46

7

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1.1 Độ không chính xác khi dừng với các hệ truyền động điện [1] 18

Bảng 1.2 Gia tốc tối ưu của các hệ truyền động điện [1] 19

Bảng 1.3 Các thông số cơ bản của các model của PLC S7 1200 [4] 22

Bảng 2.1 Mối liên hệ giữa tốc độ di chuyển và thời gian mở máy, thời gian hãm, thời gian đóng mở cửa [1] 30

Bảng 2.2 Thời gian và công suất trong một hành trình theo xác suất phục vụ của thang 31

Bảng 2.3 Lựa chọn tốc độ thang máy từ các đầu vào X1-X3 [7] 33

Bảng 2.4 Các tham số cài đặt cơ bản biến tần [7] 34

8

Hiện nay, với sự phát triển của khoa học và công nghệ thì lĩnh vực tự động hóa đã không còn

xa lạ với mỗi người, mỗi lĩnh vực và nhất là trong công nghiệp Việc sử dụng các hệ thống điều khiển cho máy móc nhằm thay thế, tiết kiệm sức lao động cho con người và tăng năng suất lao động, tự động hóa đã và đang góp phần giúp phần cho xã hội ngày càng phát triển

Với một sinh viên ngành tự động hóa như em, việc được trang bị những tư duy, kiến thức cơ bản về tự động hóa và các hệ thống truyền động điện tự động sẽ giúp cho chúng em rất nhiều Trong những năm gần đây nhiều nhà cao tầng đã được xây dựng ở nước ta kéo theo nhu cầu

và sự phát triển của thang máy Nhận thức được điều đó và được sự đồng ý, giúp đỡ của giáo viên

hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương, em đã lựa chọn đề tài: “Điều khiển thang máy sử dụng PLC của SIEMENS” Nội dung đồ án gồm các nội dung sau:

- Tổng quan về thang máy và PLC

- Lựa chọn và tính toán mạch lực

- Lý thuyết hàng đợi và thuât toán điều khiển thang máy

- Lập trình điều khiển thang máy

- Mô phỏng trên PC và kết quả thu được

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo PGS TS Nguyễn Thị Lan Hương đã tận tình

hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án này trong suất thời gian vừa qua

Các vấn đề được nghiên cứu, trình bày trong báo cáo này không tránh khỏi những sai sót, rất mong được sự nhận xét, góp ý, sửa chữa của thầy cô giáo

Em xin trân trọng cảm ơn

9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THANG MÁY

VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC

1.1 Giới thiệu chung về thang máy

1.1.1 Khái niệm về thang máy

Thang máy là thiết bị để tải người, hàng hóa, thực phẩm, giường bệnh từ tầng này đến tầng khác Nó được dùng trong các cao ốc, siêu thị, khách sạn, nhà hàng, bệnh viện….Hiện nay thang máy là thiết bị rất quan trọng, đặc biệt là nhà cao tầng vì nó giúp con người không phải dùng sức chân để leo cầu thang và tiết kiệm thời gian di chuyển hơn rất nhiều

Ngày nay, có những hệ thống điều khiển tốc độ phức tạp, sự phối hợp đóng ngắt để điều khiển an toàn tốc độ cabin trong bất kì tình huống nào Nút nhấn được tích hợp vào trong những bàn phím nhỏ gọn Hầu như tất cả thang máy tự động hiện nay đều mang tính thương mại. [2]

Vào thời đại máy tính đã có mang vi điều khiển có khả năng hoạt động, xử lý cũng như lưu trữ rất lớn, thang máy được lập trình đặc biệt, cực đại hóa năng suất và an toàn tuyệt đối Thang máy đã trở thành kỹ thuật kiến trúc và mỹ thuật Nó tô điểm và trang hoàng lộng lẫy công trình xây dựng Những thiết kế sang trọng, hiện đại cùng các kĩ thuật tiên tiến sẽ luôn làm thỏa mãn và thăng hoa cảm xúc con người [2]

1.1.2 Lịch sử phát triển thang máy [9]

Thang máy đầu tiên được chế tạo dưới triều đại vua Louis XV, ở Versailles năm 1743 và chỉ

để cho vua dùng Thang máy này được xây ở ngoài, trong sân nhà để cho vị quốc vương này có thể

từ phòng ông ở tầng lầu 1 và lầu 2 để gặp người yêu là bà DE Châteauroux Kỹ thuật này dựa trên

sự đối trọng (contre-poids) nên việc sử dụng ít tốn sức lực

Cuối thế kỷ 19, trên thế giới mới chỉ có vài hãng thang máy ra đời như OTIS, SCHINDLER Chiếc thang máy đã được chế tạo dựa và đưa vào sử dụng của hãng thang máy OTIS năm 1853 Đến năm 1874, hãng thang máy SCHINDLER cũng đã chế tạo thành công những thang máy khác Lúc đầu, bộ tời kéo chỉ có một tốc độ, cabin có kết cấu đơn giản, cửa tầng đóng bằng tay, tốc độ di chuyển của cabin thấp Đầu thế kỷ XX, có nhiều hãng thang máy khác cũng đã ra đời như KONE, MITSUBSHI, NIPPON ELEVATOR… đã chế tạo thành công các loại thang máy có tốc độ cao, hiện đại và tiện nghi hơn

Sang thế kỉ XX, có nhiều hãng thang máy khác ra đời như Kone của Phần Lan: Nippon, Mitsubishi, Hitachi của Nhật bản, ThysenKrupp của Đức, Sabiem của Italia, LG, Huyndai của Hàn Quốc… Các thang máy này đã được thiết kế và thử nghiệm trước nên hoạt động êm và dừng tầng chính xác hơn Cho tới những năm 1975 thang máy trên thế giới đã đạt tới tốc độ 400m/ phút, những thang máy lớn với tải trọng lên tới 25 tấn đã được chế tạo thành công Thời gian này xuất

Vào những năm 1980 đã xuất hiện hệ thống điều khiển động cơ bằng phương pháp biến đổi điện áp và tần số VVVF Thành tựu này cho phép thang máy hoạt động êm dịu hơn, tiết kiệm được khoảng 40% công suất động cơ, đồng thời cũng vào những năm này đã xuất hiện loại thang máy dùng động cơ điện cảm ứng tuyến tính Đầu những năm 1990, trên thế giới đã chế tạo được những thang máy có tính năng kỹ thuật đặc biệt khác

1.1.3 Phân loại thang máy [2], [9] ,[10]

a ) Theo công dụng của thang máy Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN: 5744-1993, tùy thuộc vào công dụng, các thang máy được phân loại thành 5 loại sau:

• Loại I: Thang máy thiết kế cho việc chuyên chở người,

• Loại II: Thang máy thiết kế chủ yếu để chuyên chở người nhưng có tính đến các

hàng hóa mang kèm theo người

• Loại III: Thang máy thiết kế chuyên chở giường (băng ca) dùng trong các bệnh

viện

• Loại IV: Thang máy thiết kế chủ yếu để chuyên chở hàng hóa nhưng thường có

người đi kèm theo

• Loại V: Thang máy điều khiển ngoài cabin chỉ dùng để chuyên chở hàng, loại

này khi thiết kế cabin phải khống chế kích thước để người không thể vào được

Hiện nay các thông số cơ bản của thang máy đều đã được chuẩn hóa và được quy định rõ ràng với từng loại thang

Các thang máy chở người được sản xuất có sức nâng 350 KG, 500 KG và 1000 KG, cabin

có sức chứa tương ứng là 5,7,14 người Tốc độ chuyển động của cabin thang máy có sức nâng 350

KG và 500 KG bằng 0,63 m/s, còn tốc độ của cabin có sức nâng 1000 KG là 1 m/s Các thang máy

có sức nâng 500 KG cũng được chế tạo với tốc độ 1 m/s Tất cả thang máy thường được chế tạo với điều khiển bằng nút ấn với khả năng gọi cabin đến các tầng

b ) Theo sức chở (tải)

• Thang máy loại nhỏ (Q<60 kG)

11

• Thang máy trung bình (Q= 160 ÷ 2000 kG)

• Thang máy loại lớn (Q> 2000 kG)

c ) Theo tốc độ buồng thang (cabin)

• Thang máy chạy chậm (v < 0,5 m/s)

• Thang máy tốc độ trung bình (v= 0,5 ÷ 1,0 m/s)

• Thang máy chạy nhanh (v= 1,0 ÷ 2,5 m/s)

• Thang máy cao tốc (v > 2,5 m/s)

1.1.4 Cấu tạo của thang máy [1], [2]

Một hệ thống thang máy hoàn chỉnh bao gồm các bộ phận chính: buồng thang, bộ giảm tốc,

hệ thống truyền động và cáp nâng, đối trọng, cơ cấu kẹp ray, công tắc bù cáp, đệm, phanh hãm điện từ và đông cơ điện,…

Hình 1.1 Cấu tạo của thang máy [1]

12

a ) Buồng thang Đây là bộ phận mang tải của thang máy và phải chắc chắn Phía trên là hệ thống treo Hai bên buồng thang có lắp ngàm dẫn hướng Phía dưới có lắp phanh an toàn Buồng thang thường được lựa chọn dựa trên kích thước, hình dáng và khoảng không dành cho thang Việc lựa chọn buồng thang hợp lí sẽ mang lại sự lưu thông an toàn và thuận tiện Thông thường, vùng đòi hỏi cho hành khách là 0,186 m2/ người, dung lượng lớn nhất chuyên chở của thang là 33,75 Kg/0,093m2, đối với chung cư là 450 Kg, cửa hang buôn bán 225 Kg, tòa nhà văn phòng 900-1350 Kg

b ) Hệ thống treo buồng thang Buồng thang được treo bằng nhiều sợi cáp nên cần đảm bảo các sợi cáp căng đều vì sợi căng

sẽ bị quá tải, còn sợi trùng sẽ trượt khỏi rãnh puli Hệ thống treo này có trang bị các tiếp điểm điện đảm bảo thang chỉ hoạt động được khi các sợi cáp có độ căng như nhau Có hai loại hệ thống treo buồng thang:

• Loại kiểu lò xo có các lò xo để điều chỉnh lực căng của cáp

• Loại kiểu tay đòn có tay đòn nghiêng đi để điều chỉnh lực căng khi cáp chùng Nếu cáp chùng quá thì tay đòn nghiêng sẽ tỳ vào tiếp điểm an toàn để cắt mạch chạy thang

e ) Phanh Phanh hãm có nhiệm vụ chính là đảm bảo an toàn Phanh có nhiệm vụ giữ cho cabin đứng

im ở vị trí dừng tầng hoặc giữ thang khi gặp sự cố mất điện, đứt cáp Khối tác động là hai má phanh kẹp lấy tang phanh Tang phanh gắn đồng trục với trục động cơ Hoạt động đóng mở của phanh hoạt động nhịp nhàng với quá trình làm việc của động cơ Phanh hãm còn có thể trang bị ở đối trọng khi đối trọng nằm phía trên lối đi Có hai loại phanh bảo:

• Phanh tác động tức thời dùng cho thang máy chạy chậm

• Phanh dừng êm dùng cho thang cao tốc

h ) Hệ thống cửa Gồm cửa buồng thang và cửa tầng, thường là loại cửa lùa về một bên hoặc hai bên và cửa tầng chỉ mở được khi cabin dừng chính xác bằng tầng nhờ cơ cấu đóng mở cửa đặt trên nóc cabin Cửa cabin và cửa tầng được khóa liên động và có các tiếp điểm điện để đảm bảo an toàn cho thang máy hoạt động Thang sẽ không hoạt động nếu một trong các tiếp điểm chưa đóng kín hẳn Hệ thống khóa liên động cũng đảm bảo đóng kín các cửa tầng và không mở được từ bên ngoài khi cabin không ở đúng vị trí cửa tầng Cửa tầng và cửa cabin được đóng mở đồng thời Hệ thống này rất quan trong trong việc đảm bảo an toàn khi thang máy hoạt động và ảnh hưởng tới chất lượng, năng suất của thang Yêu cầu an toàn với cửa thang máy là:

Là một trong những bộ phần quan trọng nhất của thang máy, gồm động cơ kéo cabin và động

cơ cửa Động cơ kéo cabin là thiết bị chính cung cấp cơ năng cho việc di chuyển của buồng thang Động cơ có thể được nối với puly ma sát có hộp giảm tốc hoặc không Hầu hết các thang máy chở khách đều có hộp giảm tốc để đảm bảo an toàn và sự thoải mái cho khách Động cơ kéo và tang phanh sẽ được gắn đồng trục với nhau khiến quán trình dừng tầng đúng vị trí Động cơ cửa có nhiệm vụ chính là đóng mở cửa cabin khi có tín hiệu và thường đặt trên nóc cabin

1.1.5 Nguyên lý làm việc của thang máy

Ban đầu thang đang ở trạng thái nghỉ Nếu có yêu cầu hoặc tín hiệu gọi thang thì thang sẽ chuyển chuyển sang trạng thái làm việc và kiểm tra các điều kiện để chuyển động tới vị trí theo yêu cầu Khi không còn lệnh gọi nữa, thang sẽ chuyển về trạng thái nghỉ và chờ các lệnh gọi

14

• Nếu các yêu cầu hoặc phím gọi nằm cùng tầng với vị trí hiện tại của thang thì mở cửa thang cho hành khách di chuyển vào trong buồng thang rồi thực hiện chuyển động theo yêu cầu từ nút bấm trong thang

• Nếu các yêu cầu và lệnh gọi tầng nằm ở các tầng khác thì xác định chiều chuyển động cho thang để đi tới vị trí mong muốn của hành khách Nếu có cả yêu cầu ở trên và ở dưới vị trí hiện tại của thang thì trình tự ưu tiên yêu cầu trước

Khi thang đang chuyển động theo một chiều nhất định thì thực hiện ưu tiên các nút gọi thang ngoài cửa tầng theo chiều chuyển động của cabin:

• Khi đi qua một tầng thang thì buồng thang chỉ dừng lại và mở cửa nếu có yêu cầu

từ bàn phím trong thang máy hoặc yêu cầu cùng chiều với chiều chuyển động hiện thời của thang máy Sau khi mở cửa các yêu cầu này sẽ được xóa đi

• Đồng thời khi buồng thang đi qua một tầng sẽ đồng thời kiểm tra các yêu cầu và phím chọn thuận theo chiều chuyển động (nếu thang đi lên ta chỉ kiểm tra các yêu cầu và phím gọi đi lện của các tầng phía trên vị trí hiện tại của thang, nếu thang đi xuống thì ngược lại) Nếu không còn yêu cầu thuận chiều thì kiểm tra xem còn yêu cầu nào khác hay không Nếu còn, thang sẽ đảo chiều chuyển động và đi tới vị trí mong muốn của hành khách, còn nếu không có yêu cầu nào khác thang sẽ dừng lại và chuyển sang trạng thái nghỉ

1.1.6 Các yêu cầu đối với thang máy

a ) Yêu cầu về an toàn trong thang máy

Đối với thang máy chở người, yêu cầu về an toàn là yếu tố quan trọng hàng đầu Vì nếu chẳng may xảy ra sự cố gây mất an toàn thì sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới tính mạng của hành khách

Vì vậy, để đảm bảo tính an toàn tuyệt đối thì mọi bộ phận sử dụng trong thang máy phải đạt yêu cầu với độ tin cậy cao nhất

Khi thiết kế thang máy, phải phối hợp bảo vệ cả phần cơ, phần điện và kết hợp nhiều loại bảo

vệ khác Như đã trình bày ở phần “1.1.4 Cấu tạo thang máy”, thang máy phải có bộ phanh bảo hiểm Khi cấp điện cho động cơ kéo buồng thang thì cũng cấp điện luôn cho cơ cấu phanh, làm nhả

má phanh kẹp vào ray dẫn hướng Khi có sự cố mất điện, phanh bảo hiểm cũng không được tác động và phanh lập tức ghìm chặt vào ray dẫn hướng để giữ thang không bị rơi Khi xảy ra sự cố đứt cáp, phanh bảo hiểm cũng sẽ tác động với tín hiệu từ bộ điều khiển báo thang vượt quá tốc độ Ngoài các bộ hạn chế tốc độ và phanh bảo hiểm, người ta còn đặt các thiết bị và tín hiệu an toàn như bộ giảm chấn đặt dưới hố thang, cảm biến trên và dưới báo thang đi hết hành trình…

Các thiết bị cơ khí phải thỏa mãn các yêu cầu về độ an toàn và chính xác thì phần điện mới được phép làm việc: các cửa tầng phải luôn được khóa chặt để đảm bảo tính mỹ quan và an toàn cho khách đứng chờ thang Cửa tầng chỉ được mở khi cửa cabin mở hoặc nhân viên bảo trì sử dụng chìa khóa chuyên dụng để mở

15

Ngoài ra, khi lập trình điều khiển thang máy, người lập trình cũng phải đưa các yếu tố an toàn vào thì thang mới hoạt động Chẳng hạn như, thang sẽ không thể chạy khi có tín hiệu báo quá tải, cửa thang chưa được đóng hoàn toàn… hoặc giảm tốc độ thang qua bộ hạn chế tốc độ nếu tín hiệu vượt quá sự cho phép do các yếu tố hao mòn cơ khí, không được bảo trì bảo dưỡng thường xuyên…

Như vậy, ngoài các yêu cầu bắt buộc trên thì để dảm bảo an toàn cho thang máy và nâng cao tuổi thọ của thang, cần phải thực hiện kiểm tra, bảo trì bảo dưỡng thang máy thường xuyên, hiệu chuẩn hoặc thay thế các thiết bị nếu cần thiết

b ) Dừng chính xác buồng thang [1]

Trong quá trình hoạt động, buồng thang của thang máy sẽ phải thực hiện dừng tại các tầng tùy theo các lệnh yêu cầu và điều khiển Khi đó buồng thang cần phải dừng chính xác sao cho mặt sàn của tòa nhà và buồng thang phải bằng nhau Nếu buồng thang dừng không chính xác sẽ gây khó khăn cho việc di chuyển của hành khách dẫn đến việc tăng thòi gian ra vào, làm giảm năng suất của thang máy, hàng hóa sẽ khó bốc dỡ, di chuyển ra vào buồng thang

Theo TCVN 5744-1993, khi đặt lên thang máy một tải trọng G = 2,5 Gdm thang phải đảm bảo dừng chính xác tại sàn với sai lệch không quá ±2 (cm)

Như vậy, để dừng chính xác buồng thang thì phải có tín hiệu báo giảm tốc trước khi phanh hãm đến sàn tầng Ta thiết kế 3 sensor với chân và ý nghĩa như sau: 3 sensor này được gắn và chuyển động cùng cabin của thang máy Tại mỗi tầng, ta đặt các cờ (là các lá thép để chắn ánh sáng của sensor) tác động cho các sensor trên

Hình 1.2 Vị trí xác định tín hiệu dừng tầng

16

Để dừng chính xác buồng thang, cần tính đến một nửa hiệu số của hai quãng đường trượt khi phanh đầy tải và phanh buồng thang khi không tải theo cùng một hướng di chuyền Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi dừng buồng thang bao gồm: momen của cơ cấu phanh, momen quán tính của buồng thang, tác động khi bắt đầu hãm và một số yếu tố khác

Quá trình hãm buồng thang xảy ra như sau: khi buồng thang chuyển động tới gần sàn tầng, công tắc chuyển đổi tầng hoặc cảm biến sẽ cung cấp tín hiệu lên bộ điều khiển để giảm tốc động

cơ và bắt đầu hãm dừng buồng thang Trong khoảng thời gian t, buồng thang di chuyển được quãng đường S’

S’=v0 t [m] (1.1 ) Trong đó :

v0 : tốc độ lúc bắt đầu hãm

t : thời gian tác động của thiết bị điều khiển

Hình 1.3 Quãng đường dừng thang [1]

Khi bắt đầu quá trình hãm dừng, cơ cấu phanh sẽ tác động để giảm tốc độ buồng thang Trong thời gian này, buồng thang di chuyển được quãng đương S”

)(

2

"

2 0

c

F

v m S

17

Fph - Lực phanh [N]

Fc - Lực cản tĩnh [N]

Dấu ( ± ) trong biểu thức (1.2) phụ thuộc vào chiều Fc khi buồng thang đi lên(+) và khi

buồng thang đi xuống(-)]

S” còn được viết dưới dạng:

0 – tốc độ quay của động cơ lúc bắt đầu phanh [rad/s]

D – đường kính puly kéo cáp [m]

i – tỷ số truyền

Quãng đường buồng thang đi được từ khi bắt đầu hãm dừng đến khi buồng thang dừng tại

sàn là:

)(

2

2

"

2 0 0

,

c

M i

D J t

v S S S

+



=+

Trong đó: S1 – quãng đường trượt nhỏ nhất của buồng thang khi phanh

S2 – quãng đường trượt lớn nhất của buồng thang khi phanh

Để dừng chính xác buồng thang cho các thang máy của các tòa nhà cáo tầng có tốc độ trung

bình, ta phải lưu ý đến các yếu tố tốc độ của buồng thang trước khi phanh hãm tốc độ

18

Hình 1.4 Dừng buồng thang có tốc độ cao [1]

Trong đó: BK1, BK2 – cảm biến dừng chính xác buồng thang

BK1 được đặt cách mặt sàn tầng một khoảng S để cấp tín hiệu dừng động cơ BK2 tác động sau khi buồng thang đi được một khoảng so với vị trí ban đầu, để phát tín hiệu đổi cấp tốc độ ban đầu với phạm vi điều chỉnh (1:4) Khi tốc độ buồng thang đã giảm xuống một giá trị nhỏ như vậy thì việc buồng thang dừng êm và chính xác sẽ dễ thực hiện

Bảng 1.1 Độ không chính xác khi dừng với các hệ truyền động điện [1]

điều chỉnh tốc

độ D

Tốc độ di chuyển V (m/s)

Gia Tốc [m/s2]

Độ không chính xác khi dừng [mm]

Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc 1

Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc 2

Hệ máy phát – động cơ có khuếch

19

c ) Mối quan hệ vận tốc , gia tốc và độ giật ( v,a ,  ) [1], [2]

Với đặc điểm phụ tải có những điểm riêng biệt nên yêu cầu cơ bản của hệ truyền động thang máy là chuyển động êm để đảm bảo sự an toàn và thoải mái cho hành khách, đồng thời năng suất vận chuyển hành của thang vẫn phải đảm bảo Buồng thang chuyển động êm hay không sẽ phụ thuộc vào gia tốc khi mở máy và hãm máy Các tham số đặc trưng cho chuyển động của thang máy là:

- Vận tốc di chuyển : v (m/s)

- Gia tốc : a (m/s2)

- Độ giật :  (m/s3) Tốc độ di chuyển của thang máy được thiết kế, tính chọn dựa vào loại tải mà nó mang và quãng đường di chuyển Tốc độ di chuyển của buồng thang sẽ quyết định tới năng suất của thang máy Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, nhất là với các tòa nhà cao tầng Với các tòa nhà cao tầng, việc dùng thang máy tốc độ cao sẽ tiết kiệm được rất nhiều thời gian và đảm bảo sự thoải mái cho hành khách khi thời gian phục vụ nhanh chóng Tuy vậy, điều đó cũng kéo theo chi phí thiết kế cao khi tăng tốc độ thang máy từ v=0,75 m/s2 lên v = 3,5 m/s2 thì giá thành cũng tăng lên 4 - 5 lần Do

đó, tùy thuộc vào độ cao của tòa nhà mà lựa chọn thang máy có tốc độ tối ưu và đảm bảo giá thành Tốc độ di chuyển trung bình của buồng thang có thể tăng bằng cách giảm thời gian mở máy

và hãm máy (tăng gia tốc) nhưng gia tốc lớn có thể sẽ gây cảm giác khó chịu cho hành khách, làm

đổ vỡ hàng hóa,…trong quá trình di chuyển

Bởi vậy gia tốc tối ưu sẽ là a ≤ 2 m/s2

Gia tốc tối ưu đảm bảo năng suất cao và không gây cảm giác khó chịu cho hành khách được đưa ra trong bảng sau:

Bảng 1.2 Gia tốc tối ưu của các hệ truyền động điện [1]

Tham số

Hệ truyền động điện

Gia tốc tính toán trung bình(m/s2) 0,5 0,8 0,8 1 1 1,5

Một đại lượng quan trọng nữa trong yêu cầu chuyển động của thang máy là độ giật  (m/s3)

Độ giật sinh ra do sự thay đổi lớn của gia tốc khi khởi động và khi dừng Độ giật có ảnh hưởng lớn tới chuyển động êm của thang máy Nói một cách khác, độ giật là:

Với thang máy có a ≤ 2 (m/s2) thì độ giật cho phép là =20 (m/s3)

Dưới đây là biểu đồ vận tốc, gia tốc, độ giật, quãng đường tối ưu của thang máy Biểu đồ được chia thành các giai đoạn:

1.2 Tổng quan về bộ điều khiển PLC, bộ điều khiển PLC S7 1200

1.2.1 Khái niệm chung về PLC [9]

PLC (Programmable Logic Controler), là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch role trong thực tế PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu vào và ra Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell

Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

• Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

• Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

• Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

• Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các Modul

mở rộng

• Giá cả cá thể cạnh tranh được

22

1.2.2 Giới thiệu về PLC S7 1200

PLC S7 1200 là một dòng PLC của hãng SIEMENS (Đức) được ra đời năm 2009 nhằm thay thế cho PLC thế hệ cũ S7 200 của hãng với nhiều tính năng vượt trội PLC S7 1200 được thiết kế nhỏ gọn, gí thành hợp lý và tập lệnh lập trình mạnh mẽ giúp tạo ra được nhiều giải pháp cho các

Bảng 1.3 Các thông số cơ bản của các model của PLC S7 1200 [4]

Physical size (mm) 90 x 100 x 75 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75 User memory

Real time clock retention

time

10 days, typical / 6 day minimum at 40 degrees C

Real math execution speed 18 µs/instruction

Boolean execution speed 0,1 µs/instruction

1.2.3 Các module tín hiệu của PLC S7-1200 [4]

PLC S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để mở rộng các dung lượng của CPU Người dùng có thể lắp đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác

24

Hình 1.7 Các module tín hiệu của PLC S7 1200 [4]

a ) Signal board (SB)

Một Signal board (SB) thêm các I/O cho CPU, có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay tương

tự SB được kết nối vào trước CPU

• SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2xDC, ngõ ra 2xDC)

• SB với một kiểu ngõ ra tương tự

Hình 1.8 Module Signal Board [4]

b ) Module tín hiệu (SM)

25

Hình 1.9 Module tín hiệu SM [4]

c ) Module truyền thông

PLC S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống

• CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông

• Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hoặc bên phải một CM khác)

Hình 1.10 Module truyền thông CM [4]

26

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

2.1 Các hệ truyền động dùng cho thang máy

Khi thiết kế trang bị điện - điện tử cho thang máy, việc lựa chọn một hệ truyền động, loại động cơ phải dựa trên các yêu cầu sau:

Động cơ truyền động là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc hoặc roto dây quấn

• Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc: dùng cho thang máy tốc độ chậm, tải trọng nhỏ

• Động cơ không đồng bộ rôt dây quấn: dùng cho thang máy có tải trọng lớn để giảm dòng khi mở máy, không gây ảnh hưởng xấu cho lưới điện Chất lượng tăng tốc, giảm tốc tốt Độ dừng chính xác khi dừng cao hơn

• Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc 2 cấp tốc độ: dùng cho thang máy tốc độ trung bình

Các hệ truyền động xoay chiều trên có ưu điểm là đơn giản, rẻ, bền nhưng có nhược điểm là chưa đáp ứng tốt biểu đồ tốc độ tối ưu của thang máy và hệ điều khiển thường dùng các khí cụ có tiếp điểm nên độ tin cậy không cao

Ngoài ra, hệ truyền động xoay chiều biến tần – động cơ làm việc tin cậy và có thể đạt được biểu đồ tốc độ tối ưu của thang máy Hệ này thường có sơ đồ phức tạp, giá thành cao hơn và được

sử dụng cho các thang máy tốc độ cao Đây cũng là giải pháp được sử dụng phổ biến hiện nay 2.1.2 Hệ truyền động điện một chiều [1]

Hệ này thường dùng cho thang máy tốc độ cao

• Hệ máy phát – động cơ (F - Đ) có khuếch đại trung gian hay dùng ở thang máy tốc độ cao Hệ này bảo đảm biểu đồ chuyển động hợp lý vì dễ dàng điều chỉnh tốc độ động

27

cơ, nâng cao độ chính xác khi dừng Nhược điểm của hệ là công suất lắp đặt lớn (quá 3 lần công suất động cơ), phức tạp trong vận hành và sửa chữa

• Hệ thyristo – động cơ (T - Đ) đã được dùng rộng rãi trong các thang máy cao tốc

Hệ này có ưu điểm là thiết bị ít, giá thành hạ hơn hệ F – Đ và hiệu suất cao hơn

2.1.3 Lựa chọn phương án truyền động cho thang máy

Qua những phân tích ở mục 2.1.1 và 2.1.2, dựa vào yêu cầu công nghệ đặt ra, trong đồ án này ta sẽ sử dùng hệ truyền động biến tần – động cơ cho thang máy Ta sẽ sử dụng bộ điều khiển lập trình logic PLC để điều khiển động cơ không đồng bộ roto lồng sóc thông qua biến tần

Các cảm biến

Hệ thống phụ trợ

Hình 2.1 PLC điều khiển động cơ thang máy bằng biến tần

2.2 Tính chọn công suất động cơ truyền động thang máy và lựa chọn biến tần

Để tính chọn được công suất động cơ thang máy và lựa chọn được biến tần phù hợp, ta cần phải xác định được các thông số cơ bản của thang máy:

28

• Gia tốc cực đại: 1,5 m/s2

• Độ giật khi khởi động và hãm: 15 m/s3

• Đường kính puly dẫn động: 0,45 m

2.2.1 Tính chọn công suất động cơ [1]

a ) Công suất tĩnh của động cơ Công suất tĩnh của động cơ khi nâng tải không có đối trọng được tính theo công thức sau:

𝑃 =(𝐺𝑜 + 𝐺)𝑣

−3 [KW] (2.1 ) Trong đó : Go - Trọng lượng buồng thang [N] Go = 1000kg

G - Trọng tải của thang G = 650kg

Đối với các thang chở hàng hóa, thang thường đầy tải ở hành trình đi và hành trình về thường

không có hàng đi kèm nên  = 0,5

29

= {[1000 + 650] 1

0,8− 1260 0,8} 1,3.1,2.10−3 = 1,645 [KW]

Trong đó :

Pn - Công suất tĩnh của động cơ khi nâng có đối trọng

Ph - Công suất tĩnh của động cơ khi hạ có đối trọng

Gdt - Trọng luợng của đối trọng, [N]

k - Hệ số ma sát giữa thanh dẫn hướng với buồng thang và đối trọng

( k = 1,15 1,3 )

Dựa vào các biểu thức (2.3 và (2.4), sau khi tính Pn và Ph , ta có thể xây dựng được biểu đồ phụ tải và tính chọn sơ bộ công suất động cơ Sau đó kiểm nghiệm lại theo các phương pháp của truyền động điện qua việc xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác có tính đến các thời gian mở máy, hãm máy, thời gian đóng – mở cửa và số lần dừng chính xác của buồng thang

b ) Tính tổng thời gian hành trình nâng – hạ gồm thời gian buồng thang di chuyển với tốc độ ổn định, thời gian mở máy và hãm máy, thời gian đóng mở cửa buồng thang, thời gian ra vào của hành khách

Thời gian của một hành trình nâng hạ của thang máy được tính theo công thức:

tp - thời gian cần thiết cho việc tập kết cabin ở tầng thời gian để khách ra

khỏi cabin, thời gian mở cửa và đóng cửa, thời gian mở máy,

30

Thời gian phục vụ tp có thể tính theo công thức:

tp = [t1.(K+1)+t2 z.φ] 1,1 (2.6 ) Trong đó:

t1 - thời gian ở mỗi điểm dừng cần thiết cho việc mở và đóng cửa, mở máy và

dừng thang máy t1 =8,1s

K - số điểm dừng thang máy ở những tầng hơn tầng trệt

t2 - thời gian để 1 hành vào và ra khỏi cabin (phụ thuộc vào chiều rộng của

Buồng thang có cửa rộng dưới

800 (mở tự động)

Buồng thang có cửa rộng dưới 1000

mm (mở

tự động) 3,6 mét > 7,2 mét

31

Hình 2.2 Đường cong để xác định số lần dừng (theo xác suất) của buồng thang [1]

md - Số lần dừng ; mt - Số tầng ; E - Số người trong buồng thang

Khối lượng tải

Khối lượng đối trọng

Số lần dừng

Thời gian một chuyến chở

Công suất [KW]

và chọn sơ bộ công suất động cơ có PĐ > Pdt PĐ = 4 [KW]

5 Xây dựng đồ thị phụ tải chính xác có tính đến các quá trình quá độ và tiến hành kiểm nghiệm công suất động cơ đã chọn

32

Với công suất động cơ đã tính ở biểu thức 2.8, ta có thể tính chọn được công suất biến tần:

Pbt ≥1,2 PĐ =4,8 [KW] (2.9 ) 2.2.2 Lựa chọn biến tần thang máy

Với công suất động cơ đã tính ở mục 2.2.1, ta có thể tính chọn được công suất biến tần:

Pbt ≥1,2 PĐ =4,8 [KW] (2.10 )

Do đó ta lựa chọn biến tần Fuji FRENIC- Lift Series FRN 5,5LM1S-4AA có công suất 5,5

KW để điều khiển động cơ thang máy

a ) Sơ đồ chung

Hình 2.3 Sơ đồ đấu nối biến tần FUJI [7]

33

MC1, MC2 phải được nối liên động cơ khí với nhau để tránh trường hợp chập nguồn điện lưới và nguồn UPS

b ) Các thông số cài đặt

❖ Lựa chọn tốc độ thang máy từ các đầu vào X1 – X3

Bảng 2.3 Lựa chọn tốc độ thang máy từ các đầu vào X1-X3 [7]

FWD X3 (SS4) X2 (SS2) X1 (SS1) Tốc độ

tham chiếu

Mô tả tốc độ tham chiếu

GHI CHÚ

F- Nhóm các thông số cơ bản

của động cơ F04 Tốc độ định

với PG cho motor không đồng bộ

35

CHƯƠNG 3

LÝ THUYẾT HÀNG ĐỢI VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY

3.1 Tối ưu quá trình phục vụ của thang máy

3.1.1 Vấn đề tối ưu hoá trong điều khiển thang máy

Như đã biết, trong các thang máy các nút ấn gọi thang được bố trí ở các tầng, tuỳ theo thiết

kế mạch mà mỗi tầng sẽ có 1 hoặc 2 nút gọi thang ở phương án này, tất cả các tầng ( trừ tầng thượng chỉ có nút gọi lên và tầng 1 chỉ có nút gọi xuống ) đều bố trí 2 nút ấn gọi thang, một nút gọi lên và một nút gọi xuống Trong buồng thang cũng có một bàn phím gồm các nút ấn đến tầng, đóng

mở cửa nhanh, nút báo sự cố

Các tín hiệu đó tác động vào hệ điều khiển thang máy không theo một quy luật nào cả Do

đó vấn đề đặt ra là: Thang máy phải có một luật điều khiển sao cho vừa thoả mãn được các yêu cầu công nghệ, vừa đáp ứng được sự tối ưu về quãng đường mà buồng thang phải dịch chuyển, thời gian phục vụ cũng như năng lượng tiêu tốn, đồng thời mọi hành khách cảm thấy thoải mái khi

sử dụng thang máy

Như vậy một vấn đề đặt ra là làm thế nào để có thể phục vụ được tất cả hành khách một cách tối ưu nhất, có thể nhớ được nhiều tín hiệu gọi cabin và xử lý các tín hiệu nhớ này theo một luật tối ưu Trong trường hợp này ta sử dụng lý thuyết hàng đợi và luật điều khiển tối ưu theo chiều chuyển động để thiết kế chương trình điều khiển

3.1.2 Lý thuyết hàng đợi [9]

❖ Khái niệm chung về hệ thống hàng đợi:

Hệ thống hàng đợi (Queueing System) là hệ thống có các bộ phận phục vụ (Services) và các khách hàng đi đến hệ thống (Arriving Customers) để được phục vụ Nếu khi khách hàng đến mà các bộ phận phục vụ đều bận thì các khách hàng phải sắp hàng để đợi được phục vụ Chính vì vậy

mà hệ thống này có tên là hệ thống hàng đợi Lý thuyết toán học để khảo sát các hệ thống hàng đợi được gọi là lý thuyết phục vụ đám đông (các khách hàng được coi là một đám đông được phục vụ)

❖ Các đặc trưng cho hàng đợi:

• Chiều dài hàng đợi: Là số khách hàng có trong hàng đợi đang chờ để phục vụ

• Thời gian đợi : là khoảng thời gian từ khi khách đến hệ thống đến khi bắt đầu được phục vụ

• Luật sắp hàng: Là phương thức chọn khách hàng trong hàng đợi Thông thường có các luật sắp hàng như sau đến trước phục vụ trước (FIFO), đến trước phục vụ sau (LIFO), ngẫu nhiên, ưu tiên

36

❖ Các thành phần chính của hệ thống hàng đợi

Hệ thống hàng đợi có các bộ phận chính là:

• Dòng khách hàng: Là các phần tử, yêu cầu, sự kiện đi đến hệ thống để được phục vụ

- được gọi chung là khách hàng Đặc trưng cho dòng khách hàng là cường độ dòng khách hàng /đơn vị thời gian Dòng khách hàng là một dòng sự kiện ngẫu nhiên, do

đó khoảng cách thời gian giữa các khách hàng cũng là một đại lượng ngẫu nhiên

• Kênh phục vụ: Là các cơ cấu để phục vụ khách hàng, thực hiện các yêu cầu của khách hàng Thời gian phục vụ (Service time) và khoảng thời gian giữa các lần phục vụ là những đại lượng ngẫu nhiên Tuỳ theo hệ thống có một hay nhiều điểm phục vụ mà người ta gọi là hệ thống có một hoặc nhiều kênh phục vụ Đặc trưng cho kênh phục

vụ là dòng phục vụ với cường độ là /đơn vị thời gian Cường độ phục vụ là số khách hàng được phục vụ xong trên một đơn vị thời gian

• Hàng đợi (Queue): Là số khách hàng chờ đến lượt được phục vụ Tuỳ theo số khách hàng đến nhiều hay ít (cường độ  lớn hay bé), khả năng phục vụ (số kênh phục vụ, thời gian phục vụ) mà số khách hàng phải đợi trong hàng đợi nhiều hay ít Vì vậy độ dài hàng đợi cũng là một đại lượng ngẫu nhiên

• Luật sắp hàng: Trong hệ thống hàng đợi có một kênh phục vụ thường có luật sắp hàng điều chỉnh sau đây:

- FIFO (First - In First - Out) : Khách hàng đến trước phục vụ trước Luật FIFO thường được dùng ở những nơi như :

+ Sắp hàng trước quầy tính tiền của siêu thị + Sắp hàng vào cơ sở dịch vụ, phương tiện vận tải

+ Các thiết bị sắp hàng trên băng tải chờ đến lượt được lắp ráp

- LIFO (Last - In First - Out) : Khách hàng đến sau được phục vụ trước luật LIFO thường được dùng ở những nới như ;

+ Ra khỏi buồng thanh máy: người nào vào sau cùng sẽ được ra trước tiên

+ Đọc giữ liệu trên băng từ: dữ liệu ghi sau sẽ được đọc trước

+ Hàng hoá được xếp vào thùng chứa: hàng xếp sau cùng (phía trên của hàng chứa sẽ đựơc lấy ra trước

- Ngẫu nhiên: Các khách hành đều có chế độ ưu tiên như nhau và được phục

vụ một cách ngẫu nhiên Luật này thường đựợc lấy ở các trường hợp sau như :

+ Phụ nữ trẻ em và người tàn tật được ưu tiên phục trước