Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển PLC cho thang máy

Luận văn thạc sĩ trình bày chi tiết nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển PLC cho thang máy, bao gồm cấu trúc, lập trình và tối ưu hóa.

• Tác giả: Nguyễn Đức Ngọc
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Trong Đoàn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển PLC Cho Thang Máy
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Điều khiển PLC cho Thang máy

Điều khiển PLC cho thang máy là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ chế tạo máy hiện đại. Hệ thống PLC (Programmable Logic Controller) được sử dụng để điều khiển các hoạt động phức tạp của thang máy, bao gồm chuyển động cabin, điều khiển tốc độ, quản lý an toàn và tối ưu hóa hiệu năng. Luận văn thiết kế hệ thống này tập trung vào việc nghiên cứu các nguyên tắc hoạt động của PLC, thiết kế mạch điều khiển logic, và lập trình để đạt được hiệu suất tối ưu. Các công trình cao tầng từ 6 tầng trở lên đều phải trang bị thang máy điều khiển bằng PLC để đảm bảo an toàn, tiện lợi và tiết kiệm thời gian vận chuyển người và hàng hóa.

1.1. Khái niệm về Thang máy

Thang máy là thiết bị chuyên dùng vận chuyển người, hàng hóa theo phương thẳng đứng hoặc nghiêng theo tuyến định sẵn. Được sử dụng phổ biến trong khách sạn, công sở, chung cư, bệnh viện, nhà máy. Thang máy nổi bật với chu kỳ vận chuyển ngắn, tần suất cao, hoạt động liên tục, tiết kiệm thời gian và tăng năng suất lao động.

1.2. Vai trò của Điều khiển PLC

Hệ thống điều khiển PLC đóng vai trò cốt lõi trong quản lý tự động các hoạt động của thang máy. Nó xử lý tín hiệu từ các cảm biến, điều khiển chuyển động cabin, quản lý các nút ấn, và đảm bảo an toàn vận hành. Lập trình PLC cho thang máy đòi hỏi hiểu biết sâu về logic điều khiển và tối ưu hóa.

II. Cấu trúc và Thành phần của Hệ thống PLC

Hệ thống PLC bao gồm nhiều thành phần chính hoạt động phối hợp với nhau. CPU (Bộ xử lý tín hiệu) là trái tim của PLC, thực hiện các phép tính logic và điều khiển. Mô đun vào/ra (I/O) kết nối PLC với các thiết bị ngoài như cảm biến, nút ấn, và động cơ. Bộ nhớ lưu trữ chương trình điều khiển. Thiết bị lập trình cho phép kỹ sư tạo và chỉnh sửa chương trình. Các loại PLC phổ biến như S7-400 của Siemens, C200H của Omron được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Việc lựa chọn PLC phù hợp ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điều khiển thang máy.

2.1. Thành phần chính của PLC

CPU xử lý các chương trình điều khiển, mô đun I/O quản lý dữ liệu vào/ra, bộ nhớ lưu trữ chương trình. Thiết bị lập trình như PG 605 Siemens, cảm biến phát hiện vị trí cabin, nút ấn nhận lệnh từ người dùng là các thành phần không thể thiếu.

2.2. Các loại PLC công nghiệp

PLC Micro như TLOU-MD-1616, PLC nhỏ như DL05 Koyo, PLC trung bình như S7-300 Siemens, PLC lớn như S7-400 Siemens được sử dụng tùy theo yêu cầu phức tạp của hệ thống điều khiển thang máy. Mỗi loại có ưu điểm riêng về hiệu suất và chi phí.

III. Ngôn ngữ Lập trình và Thuật toán Điều khiển

Lập trình PLC cho thang máy sử dụng nhiều ngôn ngữ khác nhau để tạo chương trình điều khiển. Ngôn ngữ STL (Statement List) là ngôn ngữ mệnh lệnh có cấu trúc tuần tự. Ngôn ngữ LAD (Ladder Diagram) là sơ đồ thang điện học, dễ hiểu và phổ biến. Ngôn ngữ FBD (Function Block Diagram) sử dụng các khối chức năng. Ngôn ngữ Grafcet dùng cho các quy trình tuần tự phức tạp. Thuật toán tối ưu hóa điều khiển thang máy bao gồm lý thuyết hàng đợi để giảm thời gian chờ, quản lý tải trọng, và điều chỉnh tốc độ vận chuyển. Khai báo địa chỉ ngõ vào/ra và thiết kế mạch cho cảm biến là những bước chuẩn bị thiết yếu trước khi lập trình.

3.1. Ngôn ngữ lập trình chính

Ngôn ngữ LAD là sơ đồ thang điện học, dễ hiểu cho kỹ sư điện. Ngôn ngữ STL cung cấp lệnh phức tạp và tối ưu hóa. Ngôn ngữ FBD sử dụng khối logic, phù hợp cho hệ thống điều khiển có nhiều chức năng. Lựa chọn ngôn ngữ phù hợp giúp tăng hiệu suất lập trình.

3.2. Thuật toán tối ưu hóa điều khiển

Lý thuyết hàng đợi giúp quản lý yêu cầu từ các tầng, giảm thời gian chờ của hành khách. Thuật toán tối ưu hóa xem xét vị trí cabin, chiều chuyển động, để đạt hiệu suất cao nhất. Thiết kế mạch logic cho cảm biến và nút ấn đảm bảo dữ liệu chính xác vào PLC.

IV. Thiết kế và Hiệu suất Hệ thống Điều khiển

Thiết kế hệ thống điều khiển PLC cho thang máy 5 tầng đòi hỏi quy trình kỹ lưỡng từ phân tích yêu cầu đến triển khai. Khai báo địa chỉ các ngõ vào (cảm biến, nút ấn) và ngõ ra (động cơ, đèn báo hiệu) là bước đầu tiên. Thiết kế bộ tạo mã cho các công tắc và nút ấn đảm bảo dữ liệu nhập chính xác. Chương trình điều khiển được viết để xử lý các tình huống: yêu cầu từ các tầng, điều khiển chuyển động, dừng an toàn, quản lý tải trọng. Kiểm tra và tối ưu hóa chương trình giúp đạt hiệu suất tối đa, giảm thời gian vận chuyển, tiết kiệm năng lượng, và nâng cao an toàn vận hành của hệ thống thang máy.

4.1. Quy trình Thiết kế Hệ thống

Khai báo địa chỉ các sensor và actuator vào bảng khai báo. Thiết kế mạch điều khiển logic sử dụng sơ đồ thang LAD. Viết chương trình điều khiển với các hàm quản lý chuyển động, dừng, khóa an toàn. Kiểm tra toàn bộ hệ thống trước khi đưa vào hoạt động.

4.2. Tối ưu hóa Hiệu suất và An toàn

Hệ thống điều khiển phải tối ưu thời gian vận chuyển bằng cách giảm dừng không cần thiết. Cảm biến phát hiện quá tải, PLC điều chỉnh tốc độ. Liên khóa an toàn ngăn cửa mở khi chuyển động, dừng khẩn cấp bảo vệ hành khách. Hiệu suất cao và an toàn tối đa là mục tiêu chính.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 21 Chương 2: CÂU TRÚC VÀ HOẠT DỘNG CỦA PLC 22 2.1 Mé dau vé PLC 22 2.2 Lich sit phat trién eda PLC 3 2.3 ‘Thanh phan cơ bản cua PLC 26 2.1 Bộ xứ lý tín hiện CPU 3ï 2.3 M6 dun Vao/ Ra 30 2.5 Thiết bị lập trình 31 2.4 Thân loại TLC 33 2.5 Hoạt động của PC 40 2.6 Ngôn ngữ lập trình PI.1 Ngôn ngữ lập trình cơ sở “ 3.3 Ngôn ngữ bảng lệnh STT 45 .1 Lénh goi bién vao/ra hodc tinh toan 46 .2 Lệnh đêm thời gian TMR và lénh dém CTR 49 2.3 Ngôn ngữ sơ đồ thang (LAD) 52 2.4 Ngôn ngữ sơ đồ khối của ham Logic FBD 37 2.5 Nuôn ngữ GrafcoL sọ Trang: 1 tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế hệ thông diéu khién PLC cho thang may Kết luận chương 2 Chương 3: LẬP TRÌNH ĐIEU KHIEN .1 Tết ưu hóa trong, điều thang may 3.1 Vấn đề tối ra hóa trong điển khiến thang máy 3.2 Lý thuyết hàng đọt 3.2 Thuật toán tốt tra điền khiển [hang ráy 3.3 Tín hiệu hỏa cho hệ thông điều khiển Logic khả trinh 3.1 Thiết kế bỏ tao mã phím cho các công tắc và nút ân 3.2 Thiết kế mạch cho các Sensor 3.4 Chương trình điều khiển thang may 5 tang 3.1 Khai bảo địa chỉ sử dụng, 3.2 Chương trình điêu khiến Kết luận chương 3 Kết luận chung và khuyến nghị. Tài liệu tharn kháo Trang: 2 tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế hệ thông diéu khién PLC cho thang may DANH MỤC CÁC BẰNG 'Tên các bắng Trang Bang chế độ làm việc 1051 69 Bảng khai báo dịa chỉ ngõ vào „ad Bang khai báo địa chỉ ngõ ra. DẠRH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình vế, dé thi Hinh 1.1: Sự phụ uộc Mômen và tải rọng Hình 1.2: Sơ dễ kết câu và bó trí thiết bị của thang máy Hinh 1.3: Thang máy điện có bộ tời đặt trên giêng thang Hình 1.4: hang máy điện có bộ tời đặt dưới giếng thang, Hình 1.5: Thang máy thủy lực Tình1 6: Mặt cắt ngang giếng thang Hình 2.1: Câu trúe cơ bản côa PLC Hình2.3: Sơ dễ kết nói của PLC với thiết bị Vào/Ra Hinh 2.4: Thiết bị lập trinh cảm tay PG 605 của Siemens lập trình chuyên dụng PG 730C nối máy tính và PLƠ : Micro PLC ho TLOUMD-1616 Hinh 2.8; Micre PLC he DLOS cia hang Koyo Hinh 2.9: Micto-PLC xé ri 90 cia Fanuc Hình 2.10: PLC loại Zen -L0C của Omron Hinh 2.11: PLC leại S5-100U của Siemens Hình 2.12: PLUC loại CI1M của Siemens Hình 2.13: PLC loại COMI cia.14: PLC loại CI1 của Omron Hình 2.15: PLC loại C81 của Oraron Hinh 2 16: PLC leại S7-400 của Siemens Hình 2.17: Câu trúc và sơ dỗ kết nói S7-400 Hinh 2.18: Sa đỏ kết nói mạng của S7-400 treng công nghiệp Hình 2. Hoạt dộng của chương trình diều khiển PLC Hình 2.20: Chương trình điêu khiến của PTC Linh 2.21: Chương trình điều khiển dạng khối Hinh 2.22: Logic AND i Sa đồ thang của mạch điền khiến bơm.24: Sơ đồ thang của mạch điều khiển bơm: Tĩinh 3.1: Sơ đồ tạo mã Trang: 4 Để lài tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế hệ thông điều khiên PLC cho thang máy CHUONG 1: TONG OUAN VE THANG MAY 1.1 Khai niém chung về thang máy Thang may là một thiết bị chuyên dùng để vận chuyển người, hàng hóa, vật liệu.

theo phương thẳng đứng hoặc nghiêng một gốc nhỏ how 15° so với phương thẳng đứng theo một tuyến đã định sẵn. Thang máy thường được sử dụng trong các khách sạn, công sở, chung cư, bệnh viện, cdc da: quan sát, tháp truyền hình, trong các nhà máy, công xưởng, v. Đặc điểm vận chuyển bằng thanh máy so với các phương tiện vận chuyển khác là thời gian của một chu kỳ vận chuyển bé, tần suất. vận chuyển lớn, đồng mở máy liên lục.

Nguài ý nghĩa về vận chuyển, thang: máy cồn là một trong những yếu tố làm tăng vẽ đẹp và tiện nghỉ của công trình. hiễu quốc gia trên thế giới đã quy định, đối với các tòa nhà cao é tầng trở lên đều phải được trang bị thang máy để đảm cho người đi lại thuận tiện, tiết kiệm thời gian và tăng năng suất lao động. Giá thành của thang máy trang bị cho công trình so với tổng giá thành của công trình chiếmkhoảng 6% đến 7% là hợp lí. Đối với những công Irình đạc biệt như bệnh viện.

nhà mấy, khách sạn, v. tuy số tầng nhỏ hơn 6 nhưng đo yêu cẩu phục vụ vẫn phải được trang bị thang máy. Với các nhà nhiều tầng có chiều cao lớn thì việc trang bị thang máy là bắt buộc để phục vụ việc đi lại trong toa nhà, Nếu vấn dễ vận chuyển người, hàng hóa trong những tòa nhà này không được giải quyết thì các dự án xây dựng các tòa nhà cao tầng không thành hiện thực. Thang nầy là một thiết bị vận chuyển đồi hỏi tính an toàn nghiêm ngặt, nỗ liên quan trực tiếp đến tài sản và Lĩnh mang cơn người, vì v: , yêu cần chung đối với thang máy khi thiết kế, chế tạo, lắp đặt, vận hành, sử dụng và sửa chữa phải tuân thủ một cách nghiêm ngặt các yên cầu về kỹ thuật an toàn được quy định trong các tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm.

Thang máy chỉ cổ cabin đẹp, sang trọng, thông thoảng, êm dịu thì chưa đủ điểu kiện để đưa và sử dụng, mà phải có đẩy đủ các thiết bị an loän, đầm bảo độ lin cậy như: điện chiếu sáng dự phòng khi mất điện, điện thoại nội bộ (Tnterphone), chuông báo, bộ hãm bảo hiểm, an toàn cabin, công tắc an toàn cửa cabm, khóa an toàn cửa tắng, bộ cứu hộ khi mất diện nguồn v. Trang: 8 Để lài tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế hệ thông điều khiên PLC cho thang máy Qua rất nhiễu nguồn tài liệu khác nhau từ trong và ngoài nước, cộng thêm sự giúp đỡ tận nh của T§. Nguyễn Trọng Doanh cũng với đội ngũ bộ kỹ thuật tại công ty Tháng máy Thiên Nam - một công ty Thang máy hàng đầu lại Việt Nam, {ac gid di rut ra được những kiến thức cả về lý thuyết lẫn thực hành rất quý báu trong việc ứng dụng ÙLC để điểu khiển Thang máy cũng như ứng dụng PLC vào trong các mới trường công nghiệp. Tuy nhiên do thời gian và học thuật còn có hạn, chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sốt.

Em rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung của các thầy cô giáo và các bạn để luận văn tốt nghiệp của em được hoàn thiên hơn Em xin trân trọng kính gửi tới thầy giáo: TS. Xguyến Trọng Doanh cũng toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn và bạn bè đổng nghiệp lời cẩm ơn chân thành nhất. Học viên Nguyễn Đức Ngọc Trang: 7 Để lài tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế hệ thông điều khiên PLC cho thang máy LỜI CAM ĐOAN Tôi xin căm đoạn nội dung luận văn "Nghiên cửa, thiết kế hệ thông điều khiển PLC cho thang máy", dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trong Doanh, là công trình đo tôi trực tiếp nghiên cứu Tôi xin cam đoạn các số liệu, kết quã nghiên cứu trong luận văn lá trung thực và chưa từng dược công bổ trong bất cử công trình nảo trước dây.

Tác giả Nguyễn Đức Ngọc Trang: 3 Để lài tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế hệ thông điều khiên PLC cho thang máy LỜI CAM ĐOAN Tôi xin căm đoạn nội dung luận văn "Nghiên cửa, thiết kế hệ thông điều khiển PLC cho thang máy", dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trong Doanh, là công trình đo tôi trực tiếp nghiên cứu Tôi xin cam đoạn các số liệu, kết quã nghiên cứu trong luận văn lá trung thực và chưa từng dược công bổ trong bất cử công trình nảo trước dây. Tác giả Nguyễn Đức Ngọc Trang: 3 tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế hệ thông diéu khién PLC cho thang may DANH MỤC CÁC BẰNG 'Tên các bắng Trang Bang chế độ làm việc 1051 69 Bảng khai báo dịa chỉ ngõ vào „ad Bang khai báo địa chỉ ngõ ra. DẠRH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình vế, dé thi Hinh 1.1: Sự phụ uộc Mômen và tải rọng Hình 1.2: Sơ dễ kết câu và bó trí thiết bị của thang máy Hinh 1.3: Thang máy điện có bộ tời đặt trên giêng thang Hình 1.4: hang máy điện có bộ tời đặt dưới giếng thang, Hình 1.5: Thang máy thủy lực Tình1 6: Mặt cắt ngang giếng thang Hình 2.1: Câu trúe cơ bản côa PLC Hình2.3: Sơ dễ kết nói của PLC với thiết bị Vào/Ra Hinh 2.4: Thiết bị lập trinh cảm tay PG 605 của Siemens lập trình chuyên dụng PG 730C nối máy tính và PLƠ : Micro PLC ho TLOUMD-1616 Hinh 2.8; Micre PLC he DLOS cia hang Koyo Hinh 2.9: Micto-PLC xé ri 90 cia Fanuc Hình 2.10: PLC loại Zen -L0C của Omron Hinh 2.11: PLC leại S5-100U của Siemens Hình 2.12: PLUC loại CI1M của Siemens Hình 2.13: PLC loại COMI cia.14: PLC loại CI1 của Omron Hình 2.15: PLC loại C81 của Oraron Hinh 2 16: PLC leại S7-400 của Siemens Hình 2.17: Câu trúc và sơ dỗ kết nói S7-400 Hinh 2.18: Sa đỏ kết nói mạng của S7-400 treng công nghiệp Hình 2.

Hoạt dộng của chương trình diều khiển PLC Hình 2.20: Chương trình điêu khiến của PTC Linh 2.21: Chương trình điều khiển dạng khối Hinh 2.22: Logic AND i Sa đồ thang của mạch điền khiến bơm.24: Sơ đồ thang của mạch điều khiển bơm: Tĩinh 3.1: Sơ đồ tạo mã Trang: 4 Để lài tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế hệ thông điều khiên PLC cho thang máy Qua rất nhiễu nguồn tài liệu khác nhau từ trong và ngoài nước, cộng thêm sự giúp đỡ tận nh của T§. Nguyễn Trọng Doanh cũng với đội ngũ bộ kỹ thuật tại công ty Tháng máy Thiên Nam - một công ty Thang máy hàng đầu lại Việt Nam, {ac gid di rut ra được những kiến thức cả về lý thuyết lẫn thực hành rất quý báu trong việc ứng dụng ÙLC để điểu khiển Thang máy cũng như ứng dụng PLC vào trong các mới trường công nghiệp. Tuy nhiên do thời gian và học thuật còn có hạn, chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sốt. Em rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung của các thầy cô giáo và các bạn để luận văn tốt nghiệp của em được hoàn thiên hơn Em xin trân trọng kính gửi tới thầy giáo: TS.

Xguyến Trọng Doanh cũng toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn và bạn bè đổng nghiệp lời cẩm ơn chân thành nhất. Học viên Nguyễn Đức Ngọc Trang: 7 tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế hệ thông diéu khién PLC cho thang may DANH MỤC CÁC BẰNG 'Tên các bắng Trang Bang chế độ làm việc 1051 69 Bảng khai báo dịa chỉ ngõ vào „ad Bang khai báo địa chỉ ngõ ra. DẠRH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình vế, dé thi Hinh 1.