Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thang máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI XUÂN TIẾN

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN VÀO THANG MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TIN HỌC

Hà Nội, 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI XUÂN TIẾN

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN VÀO THANG MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TIN HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS.HOÀNG MẠNH THẮNG

Hà Nội, 2011


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo

TS. Hoàng Mạnh Thắng. Các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực.
Để hoàn thành bản luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã được
ghi trong bảng các tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà không
được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo.
Học viên

Bùi xuân Tiến

1


DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN
Tên bảng

Trang

Bảng 3-1: Mã số và các thông số về điện áp nguồn và I/O của các loại CPU….

28

Bảng 3-2 Giới hạn của các vùng nhớ tương ứng với từng CPU…………… 30
Bảng 3-3 Ghép nối CPU 224XP với module mở rộng…………………….

33

Bảng 3-4 Ngăn xếp của S7- 200……………………………………………

35

Bảng 3-5 Số hiệu timer và độ phân giải của timer trong S7_200………….. 38

Bảng 5-1 Bảng phân công địa chỉ đầu vào , ra……………………….. 66

2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
TÊN HÌNH VẼ

Trang

Hình 2-1 Kết cấu thang máy ………………………..………...….…………

11

Hình 2-2 Cơ cấu nâng………………………………………………………..

12

Hình 2-3 Phanh bảo hiểm kiểu kìm…………………………………..………

14

Hình 2-4. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đường s,
tốc độ v, gia tốc a và độ dật ρ theo thời gian……………………..…………..

15

Hình 3-1 Cấu trúc của PLC………………………………...…….………….

21

Hình 3-2. Vịng qt cơ bản ………………………………..……..…………

22

Hình 3-3 Vịng qt phụ…………………………………..………………....

23

Hình 3-4 Các model thơng dụng S7 – 200……………………….…………..

25

Hình 3- 5 CPU 224………………………………….……..…………………

26

Hình 3-6 Cổng truyền thơng của PLC………………………….…….………

27

Hình 3-7 Bộ nhớ trong và bộ nhớ ngồi của PLC S7 – 200…………………

29

Hình 4-1 Lưu đồ điều khiển thang máy…………………………..…………

63

Hình 6-1 Sơ đồ khối của mơ hình thang máy 4 tầng………………………..

82

Hình 6-2: Hình dáng bên ngồi của mơ hình thang máy……………………

83

Hình 6-3. Hình ảnh biến tần IC5………………..…………………………..

84

Hình 6 - 4 Sơ đồ kết nối biến tần……………………………………………

85

3


MỤC LỤC
MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa
Lời cam đoan…………………………………………………………………

1

.Danh mục các bảng.........................................................................................

2

Danh mục các hình vẽ......................................................................................

3

Mục lục……………………………………………………………………….

4

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU……………………………………………………...

7

1.1. Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn. …………………………..

7

1.2 Mục đích của đề tài: ………………………….………………………….

7

CHƯƠNG 2: CÁC YÊU CẦU TRUYỀN ĐỘNG THANG MÁY………….

8

2.1. Tổng quan về thang máy………………………………………………...

8

2.2. Phân loại thang máy……………………………………………………..

8

2.2.1. Phân loại theo công dụng ……………………………………………..

8

2.2.2 Phân loại theo hệ thống dẫn động ca bin………………………………

9

2.2.3. Đặc diểm của thang máy chở khách…………………………………..

10

2.3. Kết cấu cơ bản của thang máy…………………………………………..

11

2.3.1. Thiết bị lắp trong buồng máy …………………………………………

11

2.3.2. Thiết bị lắp trong giếng thang máy …………………………………..

12

2.3.3.Thiết bị lắp đặt trong hố giếng thang máy ……………………………

13

2.4. Các thiết bị chuyên dùng trong thang máy ………………………….....

13

2.4.1. Phanh hãm điện từ: …………………………………………………..

13

2.4.2. Phanh bảo hiểm ( phanh dù)………………………………………….

13

2.4.3. Cảm biến vị trí………………………………………………………...

14

2.5. Ảnh hưởng của tốc độ, gia tốc và dộ giật
đối với hệ truyền động thang máy…………………………………………..

15

CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC……………………………………….

17

3.1. Tổng quan về PLC………………………………………………………

17

3.1.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển……………………………………

17

3.1.2 Sơ lược về lịch sử của PLC……………………………………………

17

3.1.3. Khái niệm hệ điều khiển logic dùng PLC …………………………….

18

4


3.1.4. Tính ưu việt của PLC trong các bài tốn điều khiển logic và quá trình.

20

3.2. Các thành phần và hoạt động của PLC………………………………….

20

3.3. Nguyên tắc làm việc của PLC…………………………………………...

22

3.3.1. Khái niệm vòng quét………………………………………………….

22

3.3.2. Chu kỳ quét và các nhân tố ảnh hưởng tới chu kỳ quét........................

23

3.4. Phân loại PLC…………………………………………………………...

25

3.5. Cấu hình cứng của bộ PLC……………………………………………..

26

3.6. Cấu trúc bộ nhớ S7-200…………………………………………………

28

3.6.1. Phân chia bộ nhớ………………………………………………………

28

3.6.2. Vùng nhớ dữ liệu, đối tượng và cách truy cập……………………….

29

3.6.3 Mở rộng cổng vào ra………………………………………………….

32

3.6.4 Giao tiếp giữa sensor và cơ cấu chấp hành …………………………...

33

3.7. Giới thiệu các ngơn ngữ lập trình………………………………………

33

3.7.1 Định nghĩa về LAD……………………………………………………

34

3.7.2. Định nghĩa về STL:…………………………………………………..

34

3.8.Tập lệnh S7-200…………………………………………………………

35

3.8.1. Tập lệnh bit……………………………………………………………

35

3.8.2. TIMER………………………………………………………………...

38

3.8.3. Counter………………………………………………………………..

39

3.8.4. Lệnh move (di chuyển dữ liệu)………………………………………..

40

3.8.5. Lệnh chuyển khối……………………………………………………..

41

3.8.6. Các hàm số học……………………………………………………….

42

3.8.7. Lệnh tăng giảm………………………………………………………..

44

3.8.8. Lệnh so sánh…………………………………………………………..

45

3.8.9. Lệnh chuyển đổi dữ liệu………………………………………………

46

3.8.10. Lệnh làm việc với bảng………………………………………………

47

3.8.11. Lệnh đảo byte, word, doubleword……………………………………

51

3.8.12. Các lệnh dịch, xoay………………………………………………….

52

3.8.13. Lệnh điều khiển chương trình………………………………………..

53

CHƯƠNG 4: CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY…………

58

4.1 Tối ưu hóa chương trình điều khiển thang máy………………………….

58

5


4.1.1. Vấn đề tối ưu hóa trong điều khiển thang máy………………………..

58

4.2. Lý thuyết hàng đợi………………………………………………………

58

4.1.1. Khái niệm chung………………………………………………………

58

4.1.2. Các đặc trưng cho hàng đợi……………………………………………

59

4.1.3. Các thành phần chính của hệ thống hàng đợi………………………….

59

4.3. Thuật toán tối ưu điều khiển thang máy…………………………………

62

4.4 Giải thuật điều khiển thang máy…………………………………………

63

CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY………………….

65

5.1. Quy ước về đầu vào, ra cho PLC………………………………………..

65

5.2. Chương trình chính……………………………………………………...

66

5.3. Chương trình con xác định vị trí cabin………………………………….

67

5.4. Chương trình con hiển thị vị trí cabin…………………………………..

68

5.5. Chương trình con xử lý phím gọi tầng………………………………….

68

5.6. Chương trình xử lý so sánh vị trí ca bin…………………………………

69

5.7. Chương trình xử lý điều khiển buồng thang…………………………….

72

5.8. Chương trình con xử lý điều khiển đèn chiếu sáng cabin……………….

74

5.9. Chương trình con xử lý cảnh báo q tải………………………………..

75

5.10. Chương trình đóng mở cửa ca bin……………………………………..

77

5.11. Chương trình con reset…………………………………………………

80

5.12. Chương trình con xóa lệnh…………………………………………….

81

CHƯƠNG 6: MƠ PHỎNG THANG MÁY…………………………………

82

6.1. Sơ đồ khối của mơ hình thang máy bốn tầng……………………………

82

6.2. Lựa chọn động cơ điện………………………………………………….

83

6.3. Lựa chọn biến tần……………………………………………………….

83

6.4. Lựa chọn các cảm biến………………………………………………….

85

6.5. Điều chỉnh tốc độ buồng thang………………………………………….

85

Kết luận………………………………………………………………………

87

Phụ lục………………………………………………………………………..

88

6


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn.
Cơng nghệ bán dẫn đã có những bước phát triển vượt bậc từ đó làm cho các
hệ thống điều khiển trong cơng nghiệp, dân dụng cũng có sự phát triển mạnh mẽ.
Đầu tiên để điều khiển các loại động cơ điện, các hệ thống người ta dùng rơ le để
điều khiển. Đây là một kỹ thuật điều khiển đáp ứng được những yêu cầu điều khiển
đơn giản với số lượng I/O nhỏ. Sự phát triển của kỹ thuật địi hỏi phải giải quyết
những bài tốn điều khiển phức tạp hơn. Một giải pháp đó là kỹ thuật điều khiển
không tiếp điểm dùng các linh kiện bán dẫn. Tuy nhiên cơng nghệ ngày càng phát
triển địi hỏi những bộ điều khiển có tính tự động cao hơn, linh động hơn, địi hỏi
phải có khả năng tính tốn do vậy kỹ thuật điều khiển cũng theo đó phát triển hơn.

Đó là các hệ thống điều khiển dùng PLC, hoặc mạng PLC làm việc độc lập hoặc với
sự giám sát điều khiển của máy tính.
Vấn đề đặt ra là vận dụng, ứng dụng các lý thuyết điều khiển đó vào thực tế để
điều khiển vận hành một máy, hệ thống nào đó sao cho có hiệu quả. Giải quyết được
những vấn đề về kỹ thuật và kinh tế phù hợp với điều kiện của nước ta.
Thang máy là một thiết bị máy móc khá quen thuộc với chúng ta tuy nhiên
hiện nay ngành xây dựng rất phát triển, ngày càng nhiêu ngơi nhà cao tầng mọc lên.
Chính vì vậy thang máy là khơng thể thiếu trong các nhà cao tầng.
Ngồi những chức năng chính như vận chuyển hành khách, vận chuyển hàng
hố, thang máy cịn làm cho tồ nhà đó tăng thêm vẻ mỹ quan. Hơn nữa việc hoàn
thiện những tính năng tự động hố cao hơn nữa cho thang máy nhằm đảm bảo tính
kinh tế, thuận tiện an tồn, nâng cao hiệu suất của thang máy là một việc làm cần
thiết.
Xuất phát thực tế đó nên em lựa chọn đề tài: Ứng dụng lý thuyết điều khiển
vào thang máy.
1.3 Mục đích của đề tài:
-

Tìm hiểu phân tích kết cấu, yêu cầu, trang bị điện của thang máy.

-

Tìm hiểu, lập trình cho bộ điều khiển PLC.

-

Vận dụng lý thuyết điều khiển khống chế, điều khiển thang máy chở khách.

-

Mô phỏng thang máy.

7


CHƯƠNG 2: CÁC YÊU CẦU TRUYỀN ĐỘNG THANG MÁY
2.1. Tổng quan về thang máy
Thang máy là thiết bị nâng vận tải dùng để vận chuyển hàng hoá và người
theo phương thẳng đứng. Thang máy được lắp đặt trong các nhà cao tầng, trong các
khách sạn siêu thị, công sở, bệnh viện.
Phụ tải của thang máy thay đổi trong một phạm vi rất rộng, phụ tải thang
máy phụ thuộc vào lưu lượng khách đi lại trong một ngày đêm và hướng vận
chuyển hành khách.
Đặc điểm của vận chuyển bằng thang máy so với các phương tiện vận
chuyển khác là thời gian của một chu kỳ vận chuyển nhỏ tần suất vận chuyển lớn,
đóng mở máy liên tục.
Thang máy là một thiết bị vận chuyển địi hỏi có tính an tồn cao, bởi vì nó
liên quan trực tiếp đến tài sản và tính mạng của con người vì vậy u cầu chung đối
với thang máy khi thiết kế lắp đặt vận hành sử dụng và sủa chữa phải tuân thủ một
cách nghiêm ngặt các yêu cầu kỹ thuật an toàn được quy định trong các tiêu chuẩn,
quy trình, quy phạm.
Ngồi những tiêu chuẩn về mỹ quan như ca bin đẹp, sang trọng thơng
thống, êm dịu thì cần phải có đầy đủ các thiết bị an tồn như nguồn điện dự phịng,
điện thoại nội bộ, chuông báo, bộ hãm phanh bảo hiểm, an tồn ca bin, khố an
tồn cửa cabin, cửa tầng.
2.2. Phân loại thang máy
Hiện nay thang máy được thiết kế và chế tạo rất đa dạng và phong phú với
nhiều kiểu dáng để phù hợp với mục đích sử dụng của từng cơng trình.
Có thể phân loại thang máy theo các nguyên tắc và đặc điểm sau:
2.2.1. Phân loại theo công dụng

Theo TCVN3 thang máy được chia làm 5 loại.
- Thang máy chở người.
Loại này chuyên dùng để vận chuyển hành khách tại các công sở trường học
khu chung cư.
Thang máy loại này được điều khiển cả trong và ngoài ca bin.
- Thang máy chở người và hàng hoá kèm trong cabin

8


Loại thang máy này được sử dụng trong các siêu thị , các khu trung tâm triển lãm
Thang máy loại này được điều khiển cả trong và ngoài ca bin.
- Thang máy chở bệnh nhân.
Thường được lắp đặt trong bệnh viện. loại này thường phải có kích thước ca
bin lớn để có thể chứa được cả cáng, băng ca, bác sỹ, y tá cùng với các dụng cụ cấp
cứu đi kèm.
Thang máy loại này được điều khiển cả trong và ngồi ca bin.
- Thang máy chun chở hàng nhưng có người đi kèm.
Loại thang máy này thường dùng trong các nhà máy, công xưởng kho, thang
máy dùng cho nhân viên khách sạn.
Thang máy loại này được điều khiển cả trong và ngồi ca bin.
- Thang máy chun chở hàng khơng có người đi kèm.
Loại này dùng để chở vật liệu, thức ăn trong các khách sạn, nhà ăn tập thể.
Thang máy loại này chỉ điều khiển ngoài ca bin ( Trước cửa các tầng).
2.2.2 Phân loại theo hệ thống dẫn động ca bin.
- Thang máy dẫn động điện.
Loại này ca bin di chuyển lên xuống nhờ động cơ điện thông qua hộp số
giảm tốc tới puly ma sát hoặc tang quấn cáp.
- Ngồi ra cịn có thang máy dẫn động bằng bánh răng - thanh răng chuyên
dùng cho thang máy vận chuyển người ở cơng trình xây dựng.

- Thang máy dẫn động bằng thuỷ lực
Loại này cabin được dẫn động bằng phương pháp đẩy từ dưới lên nhờ xi lanh
pitton thuỷ lực. Thang máy loại này bị hạn chế về hành trình (tối đa là 18 mét.).
Nhưng an tồn, chuyển động êm, kết cấu đơn giản, tiết diện của giếng thang nhỏ.
Ngoài một số cách phân loại như trên chúng ta còn một số phương pháp phân
loại như
- Phân loại theo vị trí đặt bộ tời kéo
- Phân loại theo hệ thống vận hành.
- Phân loại theo các thông số cơ bản như tốc độ buồng thang, tải trọng buồng
thang.

9


Trong luận văn chủ yếu nghiên cứu hệ thống điều khiển cho thang máy chở
khách.
2.2.3. Đặc diểm của thang máy chở khách
- Thang máy chở khách là phương tiện chở người nên cơng tác an tồn được
đặt lên hàng đầu.
- Vận tốc, gia tốc và độ giật của thang máy ảnh hưởng đến tình trạng sức
khoẻ tức thời của hành khách ( nếu độ giật, gia tốc lớn sẽ gây ra cảm giác khó chịu
cho hành khách như chóng mặt, buồn nôn, sợ hãi) do vậy cần phải điều khiển buồng
thang sao cho gia tốc của cabin không vượt quá 2m/s2.
P

P

Một đại lượng khác ảnh hưởng đến sự làm việc êm của cabin là tốc độ tăng
của gia tốc khi mở máy và tốc độ giảm của gia tốc khi dừng máy hay chính là độ
giật. Khi gia tốc đạt yêu cầu 2m/s2 thì trị số độ giật tối ưu là ρ < 20m/s3.

P

P

P

P

Quá trình di chuyển của buồng thang được chia thành 5 giai đoạn đó là tăng
tốc di chuyển với tốc độ ổn định, hãm xuống tốc độ thấp, buồng thang đến tầng và
hãm dừng.
Như vậy nếu dùng hệ truyền động động cơ một chiều, hoặc hệ biến tần động
cơ KĐB thì sẽ đạt được tối ưu các giai đoạn làm việc của buồng thang.
- Cần thiết phải khống chế cabin dừng chính xác khi đến sàn tầng. Độ lêch
tối đa cho phép khi buồng thang dừng phải nhỏ hơn 20mm.
- Phải có hệ thống điều khiển cả ở trong và ngồi buồng thang. Trong buồng
thang có một bàn phím gồm các nút đến tầng đóng mở cửa nhanh, dừng khẩn cấp,
báo chng khi có sự cố. Ngồi buồng thang tại các cửa tầng có một hoặc hai nút ấn
tuỳ theo từng tầng. Tầng thượng chỉ có nút gọi xuống, tầng trệt chỉ có nút gọi lên
các tầng cịn lại đều có hai nút ấn gọi xuống và gọi lên.
Các tín hiệu này tác động vào hệ thống khơng theo một quy luật nào cả.
Do đó một vấn đề đặt ra là: Cần phải có một luật điều khiển sao cho thoả
mãn được các yêu cầu công nghệ vừa đáp ứng được 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.

10

Như vậy một vấn đề đặt ra là làm thế nào để có thể phục vụ đựợc tất cả hành
khách một cách tối ưu nhất, có thể nhớ được nhiều tín hiệu gọi cabin và xử lý các
tín hiệu này theo một luật tối ưu nhất.
2.3. Kết cấu cơ bản của thang máy.
Trang thiết bị chính của thang máy
hoặc máy nâng gồm có: buồng
thang, tời nâng, cáp treo buồng
thang, đối trọng, động cơ truyền
động, phanh hãm điện từ và các
thiết bị điều khiển.
Tất cả các thiết bị của thang máy
được bố trí trong giếng buồng
thang (khoảng khơng gian từ trần
của tầng cao nhất đến mức sâu của
tầng 1), trong buồng máy (trên trần
của tầng cao nhất) và hố buồng
thang (dưới mức sàn tầng). Bố trí
các thiết bị của một thang máy
được biểu diễn trên hình 9-3
Các thiết bị thang máy gồm: 1.
động cơ điện; 2. Puli; 3. Cáp treo;
4. Bộ phận hạn chế tốc độ; 5.
Buồng thang; 6. Thanh dẫn hướng;
7. Hệ thống đối trọng; 8. Trụ cố
định; 9. Puli dẫn hướng; 10. Cáp
liên động; 11. Cáp cấp điện; 12.
Động cơ đóng, mở cửa buồng

Hình 2-1: Kết cấu thang máy

thang.
2.3.1. Thiết bị lắp trong buồng máy
+ Cơ cấu nâng

11


Trong buồng máy lắp hệ thống tời nâng - hạ buồng thang 1(cơ cấu nâng) tạo
ra lực kéo chuyển động buồng thang và đối trọng.
Cơ cấu nâng gồm có các bộ phận: bộ phận kéo cáp (puli hoặc tang quấn cáp),
hộp giảm tốc, phanh hãm điện từ và động cơ truyền động. Tất cả các bộ phận trên
được lắp trên tấm đế bằng thép. Trong thang máy thường dùng hai cơ cấu nâng:
- Cơ cấu nâng có hộp tốc độ (H.2-2 a)
- Cơ cấu nâng khơng có hộp tốc độ (H.2-2b)
Cơ cấu nâng khơng có hộp tốc độ thường được sử dụng trong các thang máy tốc độ cao.
+ Tủ điện: trong tủ điện lắp ráp cầu dao tổng, cầu chì các loại, cơng tắc tơ và
rơle trung gian.

Hình: 2- 2 Cơ cấu nâng.
a) Cơ cấu nâng có hộp tốc độ; b) Cơ cấu nâng khơng có hộp tốc độ
1. Động cơ truyền động; 2. Phanh hãm điện từ; 3. Hộp tốc độ; 4. Bộ phận kéo cáp
+ Puli dẫn hướng
+ Bộ phận hạn chế tốc độ 4 làm việc phối hợp với phanh bảo hiểm bằng cáp
liên động 10 để hạn chế tốc độ di chuyển của buồng thang.
2.3.2. Thiết bị lắp trong giếng thang máy

12


+ Buồng thang: trong quá trình làm việc, buồng thang 5 (h.2-1) di chuyển

trong giếng thang máy dọc theo các thanh dẫn hướng 6. Trên nóc buồng thang có
lắp đặt thanh bảo hiểm, động cơ truyền động đóng - mở cửa buồng thang 12. Trong
buồng thang lắp đặt hệ thống nút bấm điều khiển, hệ thống đèn báo, đèn chiếu sáng
buồng thang, công tắc liên động với sàn của buồng thang và điện thoại liên lạc với
bên ngoài trong trường hợp thang mất điện. Cung cấp điện cho buồng thang bằng
dây cáp mềm 11.
+ Hệ thống cáp treo 3 là hệ thống cáp hai nhánh một đầu nối với buồng thang
và đầu còn lại nối với đối trọng 7 cùng với puli dẫn hướng 9.
+ Trong giếng của thang máy cịn lắp đặt các bộ cảm biến vị trí dùng để
chuyển đổi tốc độ động cơ, dừng buồng thang ở mỗi tầng và hạn chế hành trình
nâng - hạ của thang máy.
2.3.3.Thiết bị lắp đặt trong hố giếng thang máy
Trong hố giếng thang máy lắp đặt hệ thống giảm xóc là hệ thống giảm xóc
và giảm xóc thuỷ lực tránh sự va đập của buồng thang và đối trọng xuống sàn của
giếng thang máy trong trường hợp công tắc hành trình hạn chế hành trình xuống bị
sự cố (khơng hoạt động).
2.4. Các thiết bị chuyên dùng trong thang máy
2.4.1. Phanh hãm điện từ:
Về kết cấu, cấu tạo, nguyên lý hoạt động giống như phanh hãm điện từ dùng
trong các cơ cấu khác.
2.4.2. Phanh bảo hiểm ( phanh dù)
Có nhiệm vụ là hạn chế tốc độ di chuyển của buồng thang vượt quá giới hạn
cho phép và giữ chặt buồng thang tại chỗ bằng cách ép vào hai thanh dẫn hướng
trong trường hợp bị đứt cáp treo. Về kết cấu và cấu tạo, phanh bảo hiểm có ba loại:
- Phanh bảo hiểm kiểu nêm dùng để hãm khẩn cấp.
- Phanh bảo hiểm kiểu kìm (h. 2-3) dùng để hãm êm.
- Phanh bảo hiểm kiểu lệch tâm dùng để hãm khẩn cấp.

13

Hình 2-3: Phanh bảo hiểm kiểu kìm
1. Thanh dẫn hướng; 2. Gọng kìm; 3. Dây cáp liên động cơ với bộ hạn chế tốc độ
4. Tang- bánh vít; 5. Nêm
Phanh bảo hiểm lắp đặt trên nóc của buồng thang, hai gọng kìm 2 trượt dọc
theo hai thanh dẫn hướng 1.Nằm giữa hai cánh tay đầu của gọng kìm có nêm 5 gắn
chặt với hệ truyền lực trục vít và tang - bánh vít 4. Hệ truyền lực bánh vít - trục vít
có hai dạng ren: bên phải là ren phải, còn phần bên trái là ren trái. Khi tốc độ của
buồng thang thấp hơn trị số giới hạn tối đa cho phép, nêm 5 ở hai đầu của trục vít ở
vị trí xa nhất so với tang - bánh vít 4, làm cho hai gọng kìm 2 trượt bình thường dọc
theo thanh dẫn hướng 1. Trong trường hợp tốc độ của buồng thang vượt quá giới
hạn cho phép, tang - bánh vít 4 sẽ quay theo chiều để kéo dài hai đầu nêm 5 về phía
mình, làm cho hai gọng kìm 2 ép chặt vào thanh dẫn hướng, kết quả sẽ hạn chế
được tốc độ di chuyển của buồng thang và trong trường hợp bị đứt cáp treo, sẽ giữ
chặt buồng thang vào hai thanh dẫn hướng.
2.4.3. Cảm biến vị trí
Trong máy nâng và thang máy, các bộ cảm biến vị trí dùng để:
- Phát lệnh dừng buồng thang ở mỗi tầng
- Chuyển đổi tốc độ động cơ truyền động từ tốc độ cao sang tốc độ thấp khi
buồng thang đến gần tầng cần dừng, để nâng cao độ dừng chính xác.
- Xác đinh vị trí của buồng thang
Hiện nay, trong sơ đồ khống chế thang máy và máy nâng thường dùng 3 loại
cảm biến vị trí :
+ Cảm biến vị trí kiểu cơ khí (cơng tắc chuyển đổi tầng)

14


+ Cảm ứng vị trí kiểu cảm ứng
+ Cảm biến vị trí kiểu quang điện

2.5. Ảnh hưởng của tốc độ, gia tốc và dộ giật đối với hệ truyền động thang máy

Hình 2-4. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đường s,
tốc độ v, gia tốc a và độ dật ρ theo thời gian
Một trong những yêu cầu cơ bản đối với hệ truyền động thang máy là phải
đảm bảo cho buồng thang di chuyển êm. Buồng thang di chuyển êm hay không phụ
thuộc chủ yếu vào trị số gia tốc của buồng thang khi mở máy và hãm dừng. Những
tham số chính đăc trưng cho chế đơ làm việc của thang máy là: tốc độ di chuyển
2

3

buồng thang v [m/s], gia tốc a [m/s ] và độ dật ρ [m/s ].
P

P

P

P

Trên hình 2-4 biểu diễn các đường cong: quãng đường đi của thang máy s,
tốc độ v, gia tốc a và độ dật theo hàm thời gian t. Như vậy trị số tốc độ di chuyển
buồng thang quyết định năng suất của thang máy, trị số tốc độ có ý ngĩa quan trọng
đối với thang máy trong các nhà cao tầng. Những thang máy tốc độ cao (v = 3,5m/s)
phù hợp với chiều cao nâng lớn, số lần dừng ít. Trong trường hợp này thời gian khi
tăng tốc và giảm tốc rất nhỏ so với thời gian di chuyển của buồng thang với tốc độ
cao, trị số tốc độ trung bình của thang máy gần đạt bằng tốc độ định mức cuả thang
máy. Mặt khác, trị số tốc độ di chuyển của buồng thang tỉ lệ thuận với giá thành của
thang máy. Nếu tăng tốc độ của thang máy thêm v = 0,75m/s giá thành của thang

máy tăng lên (4 ÷ 5) lần. Bởi vậy tuỳ thuộc vào độ cao của nhà mà thang máy phục

15


vụ để chọn trị số di chuyển của thang máy phù hợp với tốc độ tối ưu, đáp ứng đầy
đủ các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật
Trị số tốc độ di chuyển trung bình của thang máy có thể tăng bằng cách giảm
thời gian tăng tốc và giảm tốc của hệ truyền đơng thang máy có nghĩa là tăng gia
tốc. Nhưng khi buồng thang di chuyển với gia tốc quá lớn sẽ gây ra cảm giác khó
chịu cho hành khách (chóng mặt, cảm giác sợ hãi và nghẹt thở v.v…) Bởi vậy, trị số
2

gia tốc được chọn tối ưu là a ≤ 2m/s . Một đại lượng khác quyết định sự di chuyển
P

P

êm của buồng thang là tốc độ tăng của gia tốc khi mở máy và tốc độ giảm của gia
tốc khi hãm nói cách khác đó là độ giật ρ . Khi gia tốc a < 2m/s2, trị số độ giật tốc
P

P

độ tối ưu là ρ < 20m/s3.
P

P

Biểu đồ làm việc tối ưu của thang máy với tốc độ cao được biểu diễn trên

hình 2-4. Biểu đồ này có thể phân thành 5 giai đoạn theo tính chất thay đổi tốc độ di
chuyển của buồng thang: tăng tốc, di chuyển với tốc độ ổn định hãm xuống tốc độ
thấp, buồng thang đến tầng và hãm dừng. Biểu đồ tối ưu sẽ đạt được nếu dùng hệ
truyền động một chiều hoặc dùng hệ biến tần - động cơ xoay chiều.
Như vậy khi lựa chọn hệ truyền động cho thang máy ta có thể lựa chọn một
trong các hệ truyền động chiều hoặc dùng hệ biến tần - động cơ xoay chiều.
Trong luận văn em sử dụng hệ biến tần – động cơ xoay chiều cho truyền
động nâng hạ cabin của thang máy.

16


CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC
3.1. Tổng quan về PLC
3.1.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển :
Một hệ thống sản xuất có khả năng tự khởi động, kiểm sốt, xử lý và dừng
một quá trình theo yêu cầu hoặc đo đếm các giá trị đã đạt được xác định nhằm đạt
kết quả tốt nhất ở sản phẩm đầu ra thì được gọi là Hệ thống điều khiển.
Trong kỹ thuật tự động, các bộ điều khiển chia làm 2 loại:
+ Điều khiển nối cứng.
+ Điều khiển logic khả trình.
Một hệ thống điều khiển bất kỳ được tạo thành từ các thành phần sau:
- Khối vào:
Khối có nhiệm vụ chuyển đổi các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện,
các bộ chuyển đổi có thể là: nút nhấn, cảm biến …và tùy theo bộ chuyển đổi mà tín
hiệu ra khỏi khối vào có thể ON/OFF hoặc dạng liên tục(analog).
- Khối xử lý – điều khiển
Khối có nhiệm vụ xử lý thơng tin từ khối vào để tạo những tín hiệu ra đáp ứng
yêu cầu điều khiển.
- Khối ra:

Tín hiệu ra là kết quả của quá trình xử lý của hệ thống điều khiển. Các tín
hiệu này được sử dụng tạo ra những hoạt động đáp ứng cho các thiết bị ở ngõ ra là:
động cơ điện, xy lanh, solenoid, van, role…
3.1.2 Sơ lược về lịch sử của PLC :
Ngày nay tự động hóa ngày càng đóng vai trị quan trọng đời sống và cơng
nghiệp, tự động hóa đã phát triển đến trình độ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết
điều khiển tự động, tiến bộ của ngành điện tử, tin học…Chính vì vậy mà nhiều hệ
thống điều khiển ra đời, nhưng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng là Bộ
điều khiển lập trình PLC.
Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) đã được những
nhà thiết kế cho ra đời năm 1968(Công ty General Motor-Mỹ), với các chỉ tiêu kỹ
thuật nhằm đáp ứng các yêu cầu điều khiển :
+ Dễ lập trình và thay đổi chương trình.

17


+ Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa.
+ Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất.
Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều
khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng
bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành. Để đơn giản hóa việc lập
trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable controller Handle) đầu
tiên được ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra sự phát triển thật sự cho kỹ thuật
lập trình. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản
nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển. Qua
quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới
cho hệ thống, đó là tiêu chuẩn: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang.
Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ
thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng :

+ Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào,
ngõ ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông.
+ Bộ nhớ lớn hơn.
+ Nhiều loại Module chuyên dùng hơn.
Trong những đầu thập niên 1970, với sự phát triển của phần mềm, bộ lập trình
PLC khơng chỉ thực hiện các lệnh Logic đơn giản mà cịn có thêm các lệnh về định
thì, đếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thời
gian thực..
Ngồi ra các nhà thiết kế cịn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ
thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ.
Tốc độ của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn. Bên cạnh đó, PLC
được chế tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại nhờ vậy mà khả năng ứng dụng
của PLC được mở rộng hơn.
3.1.3. Khái niệm hệ điều khiển logic dùng PLC
Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control), viết tắt
thành PLC, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số
thơng qua một ngơn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật tốn đó bằng
mạch số.

18


Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ điều
khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật tốn và đặc biệt dễ trao đổi thơng tin với các
PLC khác hoặc máy tính khác. Tồn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong
bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và thực hiện lặp theo chu kỳ vòng
quét (scan).
Về bản chất PLC là một hệ vi xử lý được thiết kế tương tự như máy tính số.
Với ngơn ngữ lập trình riêng phù hợp với người sử dụng, được ứng dụng trong các
bài toán điều khiển logic. Hạt nhân của hệ là bộ vi xử lý thực hiện các phép tính số

học và logic cùng với các thành phần cấu thành hệ như bộ nhớ, các cổng vào / ra.
PLC thường được đặt tại các máy móc, dây truyền sản xuất kết hợp cùng với
các thành phần hệ thống để điều khiển trực tiếp một q trình cơng nghệ . Do vậy
PLC làm việc trong môi trường khắc nghiệt ( nhiệt độ cao, độ ẩm lớn thời gian hoạt
động liên tục) và gắn liền với người vận hành thiết bị.
Như vậy PLC thường được chế tạo với các chuẩn đặc biệt về độ bền, tính
Modull hóa, ngơn ngữ lập trình phù hợp thân thiện hơn với người dùng.
Ban đầu PLC chỉ là thiết bị điều khiển các đại lượng logic. Tuy nhiên do sự
phát triển của các bộ vi xử lý hiện nay PLC có khả năng tính tốn, được sử dụng
như bộ điều khiển q trình liên tục và rời rạc.
Ngồi chức năng điều khiển PLC cịn có khả năng thu nhận dữ liệu, xử lý dữ
liệu trong các hệ Scanda và là một nút trong hệ thống điều khiển phân tán. Như vậy
PLC được coi là thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển.
Khi tìm hiểu PLC chúng ta cần tìm hiểu hai phần đó là phần cứng và phần
mềm.
Phần cứng: Là các thiết bị vật lý cấu thành hệ thống, nguồn, modull, các sen
so, cơ cấu chấp hành… Các thiết bị vật lý được kết nối, đấu lắp với nhau thành cấu
hình của hệ thống.
Phần mềm bao gồm hệ điều hành và chương trình. Hệ điều hành là phần do
nhà sản xuất cung cấp được cài đặt sẵn trong bộ nhớ. Chương trình ứng dụng do
người dùng lập bằng ngơn ngữ lập trình để thực hiện một chương trình điều khiển.

19


giữa phần cứng và phần mềm có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Một chương trình
ứng dụng được thiết lập trên một cấu hình cụ thể. Ngược lại hệ thống chỉ được thực
hiện đúng thuật toán điều khiển nếu chương trình đó được thiết kế phù hợp với cấu
hình của hệ thống.
3.1.4. Tính ưu việt của PLC trong các bài tốn điều khiển logic và q trình

+ Dễ dàng trong việc lập trình và lập trình lại. Cho phép nhanh chóng thay đổi
chương trình điều khiển
Trong các hệ thống điều khiển có tiếp điểm và khơng tiếp điểm nếu thay đổi thuật
toán điều khiển, chúng ta cần phải thay đổi tồn bộ cấu hình hệ thống tức là chúng ta
phải đấu lắp, nối dây lại. Nói cách khác là phải thay đổi cấu trúc hệ thống
+ Có nhiều modull chức năng cho phép thực hiện các điều khiển phức tạp.
+ Có khả năng truyền thơng cho phép nối mạng ở nhiều cấp độ.
+ Đơn giản trong bảo dưỡng và sửa chữa.
+ Làm việc tin cậy lâu dài trong môi trường công nghệp.
+ Cấu trúc nhỏ gọn và giá thành ngày càng thấp.
+ Có thể tiến hành mơ phỏng khi khảo sát và thiết kế hệ thống.
3.2. Các thành phần và hoạt động của PLC.
Thành phần cơ bản của PLC gồm có:
- Khối xử lý trung tâm CPU (central processing unit)
- Các module vào / ra.
- Module nguồn power supply unit.
- Thiết bị lập trình programming device
Có thể trình bày cấu trúc tổng thể của một PLC theo sơ đồ như hình 3.1.
Chương trình được soạn thảo trong thiết bị lập trình và được nạp vào bộ nhớ
của PLC. Các moldul vào / ra là các cổng ghép nối với thiết bị bên ngoài.
Nhiệm vụ của chúng là chuyển đổi thích ứng giữa nguồn tín hiệu và PLC, giữa
PLC và nguồn tín hiệu cung cấp cho các cơ cấu chấp hành.

20


Hình 3-1 Cấu trúc của PLC
Thực tế có hai loại các cổng vào / ra.
Loại được gắn cố định, cổng vào ra được gắn cố định trên CPU không thay đổi
được vị trí. Thường dùng cho các PLC cỡ nhỏ. Ưu điểm của chúng là giá thành hạ.

Muốn tăng thêm số lượng cổng vào ra cần phải thêm modul mở rộng tương ứng.
Ngồi ra có thêm loại được modul hóa theo tiêu chuẩn. Loại này có thể tháo
lắp một cách dễ dàng trên khe cắm (Slot) và rãnh (rack). Cấu trúc kiểu này người ta
có thể lắp các khối nguồn, khối vào ra, khối mở rộng, ….(bảng mạch Bus) và trao
đổi thông tin với nhau.
Khối nguồn cung cấp nguồn một chiều cho các khối được lắp đặt trong bảng
mạch Bus. Cơng suất khối nguồn tùy thuộc vào cấu hình hệ thống.
Khối CPU là bộ não của PLC hạt nhân là bộ vi xử lý 8bit, 16 bit… quyết định
tính chất và khả năng của PLC như tốc độ xử lý. Khả năng quản lý vào ra, đưa ra
các quyết định và trao đổi thơng tin với bên ngồi.
Thiết bị lập trình được sử dụng để soạn thảo chương trình, nạp vào bộ nhớ của
PLC. Ngồi ra thiết bị lập trình cịn thực hiện trao đổi thơng tin, giám sát hệ thống.

21


Thiết bị lập trình có thể là bộ lập trình cầm tay, máy tính cá nhân có phầm
mềm lập trình, thiết bị lập trình chuyên dụng.
3.3. Nguyên tắc làm việc của PLC.
PLC làm việc dựa trên nguyên tắc quét vòng (Scan). Trong một vòng quét chia làm
ba giai đoạn cơ bản được gọi là vịng qt cơ bản. Có thể trình bày như hình 3.2.
3.3.1. Khái niệm vịng qt
Ở trạng thái hoạt động PLC đọc trạng thái đầu vào thiết lập ảnh trạng thái
đầu ra trên cơ sở thực hiện chương trình. Q trình đó lặp đi lặp lại liên tục. Q
trình đó được gọi là vịng qt.
a. Vịng qt cơ bản

Start

Gửi tín hiệu ra.

Vịng
Qt

Đọc tín hiệu vào

Thực hiện
chương trình.

Hình 3-2. Vịng qt cơ bản .
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vịng lặp gọi là vịng quét
(scan). Vòng quét được bắt đầu từ giai đoạn chuyển dữ liệu cổng vào tới I
Ở giai đoạn này các tín hiệu từ bên ngồi ( từ senso, cơng tắc, nút ấn...) thông
qua các cổng vào vật lý được chuyển vào vùng nhớ đầu vào (gọi là vùng ảnh đầu
vào). Khi có tín hiệu đầu vào tín hiệu này được cất giữ trong vùng nhớ ảnh đầu vào
(vùng nhớ đầu vào). Tiếp theo PLC sẽ đọc tín hiệu vào từ vùng ảnh đầu vào để làm
dữ liệu thực hiện chương trình (PLC đọc một lượt 8 bít đầu vào).
Gai đoạn hai: Thực hiện chương trình. Từ những dữ liệu có được từ ảnh đầu
vào PLC sẽ thực hiện xử lý dữ liệu trong bộ nhớ. Đưa ra những quyết định điều
khiển được lưu trong bộ nhớ để phục vụ vòng quét sau hoặc gửi đến modul ra.

22


Giai đoạn ba: Gửi tín hiệu ra
Ở giai đoạn này PLC gửi dữ liệu đã được xử lý (Các quyết định điều khiển) tới
vùng ảnh đầu ra. Ở đây dữ liệu ra được chuyển thành tín hiệu điều khiển các cơ cấu
chấp hành ở cổng ra.
Khi một vòng quét được hồn thành vịng qt tiếp theo được thực hiện. Q
trình thực hiện một cách liên tục.

Q trình đọc tín hiệu vào, gửi tín hiệu ra được gọi là q trình quét vào/ ra.
Thời gian thực hiện một vòng quét được gọi là chu kỳ qt.
Ngồi ra cịn có vịng qt phụ trong một vòng quét cơ bản.
b) Vòng quét phụ
Start

Gửi tín hiệu ra.

Đọc tín hiệu vào

Vịng
Qt

Thực hiện
chương trình.

Hình 3-3: Vịng quét phụ
Khi PLC ở trạng thái đang làm việc ngoài những tín hiệu tác động cơ bản cịn
có một số tín hiệu tác động vào chương trình như các chương trình ngắt, Chuyển
đổi song song nối tiếp của các hệ thống phân tán, Xử lý truyền thông thời gian đọc
ghi vào ra..v..v. Lúc này các chương trình khác bị dừng lại để PLC thực hiện
chương trình ngắt hoặc các chương trình khác.
3.3.2. Chu kỳ quét và các nhân tố ảnh hưởng tới chu kỳ quét

23