Đồ án TĐH: Thiết kế hệ thống điều khiển thang máy 5 tầng dùng PLC S7-300

Trọn bộ đồ án TĐH điều khiển thang máy 5 tầng bằng PLC S7-300. Tài liệu gồm thuyết minh, chương trình điều khiển và kết quả mô phỏng chi tiết.

• Tác giả: Lương Văn Cử
• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Đức Quang
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Tự động hóa trong Công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu các tính năng và ứng dụng PLC S7-300 thiết kế hệ thống điều khiển thang máy
• Loại tài liệu: Đồ án học phần
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Điều Khiển Thang Máy Bằng PLC S7 300

Đồ án điều khiển thang máy bằng PLC S7-300 là một dự án quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp hiện đại. Thang máy là thiết bị vận tải chuyên dụng để chở người và hàng theo phương thẳng đứng, được ứng dụng rộng rãi trong các tòa nhà cao tầng. PLC S7-300 của hãng SIEMENS là bộ điều khiển lập trình tự động được lựa chọn để thực hiện điều khiển thang máy do tính ổn định, độ tin cậy cao và khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng. Hệ thống này yêu cầu thiết kế phần cứng chính xác, lập trình điều khiển logic phức tạp, và các cảm biến báo an toàn đa dạng. Mục tiêu chính của đồ án là nghiên cứu các tính năng của PLC S7-300, xây dựng hệ thống điều khiển toàn diện cho thang máy 5 tầng, đáp ứng các yêu cầu an toàn, hiệu quả và tự động hóa cao trong vận hành.

1.1. Vai Trò Của Thang Máy Trong Công Trình Hiện Đại

Thang máy là thiết bị vận tải không thể thiếu trong các công trình kiến trúc hiện đại. Nó thay thế sức lao động con người, tăng năng suất làm việc, và cải thiện chất lượng cuộc sống. Điều khiển thang máy bằng PLC giúp tối ưu hóa hoạt động, giảm lực lao động, và nâng cao an toàn cho người sử dụng. Trong ngành xây dựng, khai thác mỏ, luyện kim, và công nghiệp nhẹ, thang máy đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển hiệu quả.

1.2. Lợi Ích Của Hệ Thống Tự Động Hóa PLC

Hệ thống PLC S7-300 mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với điều khiển truyền thống. Khắc phục nhược điểm của hệ thống cũ, PLC cho phép điều khiển chính xác, linh hoạt, và dễ bảo trì. Khả năng lập trình linh hoạt, tốc độ xử lý nhanh, độ tin cậy cao, và giao diện điều khiển thân thiện là những ưu điểm nổi bật của công nghệ này.

II. Phân Tích Và Lựa Chọn Phương Án Thiết Kế Hệ Thống

Thiết kế hệ thống điều khiển thang máy bằng PLC S7-300 yêu cầu phân tích kỹ lưỡng các yêu cầu kỹ thuật và an toàn. Phương án thiết kế cần xem xét công suất động cơ truyền động, lựa chọn phanh hãm điện từ, bộ chỉnh lưu cầu, cảm biến vị trí, và các thiết bị đóng cắt bảo vệ mạch điện. PLC S7-300 được chọn vì tính ổn định, khả năng xử lý các chế độ vận hàng phức tạp, và hỗ trợ các tín hiệu bảo vệ đa dạng. Hệ thống cần đảm bảo dừng chính xác, điều khiển gia tốc, kiểm soát tốc độ, và bảo vệ an toàn tuyệt đối. Lựa chọn Aptomat (ATM), rơle tầng, rơle trung gian là những thành phần thiết yếu để hoàn thiện hệ thống điều khiển toàn diện.

2.1. Tính Toán Và Lựa Chọn Thiết Bị Chính

Quá trình tính toán công suất động cơ phải dựa trên trọng tải, tốc độ vận hành, và gia tốc. Lựa chọn phanh hãm điện từ đảm bảo dừng an toàn buồng thang máy. Bộ chỉnh lưu, ATM, và cảm biến phải phù hợp với yêu cầu điều khiển. Các thiết bị bảo vệ cơ khí và tín hiệu báo sự cố là yếu tố quan trọng để đảm bảo vận hành ổn định.

2.2. Yêu Cầu An Toàn Và Bảo Vệ Hệ Thống

Hệ thống điều khiển thang máy phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn quốc tế. Các tín hiệu bảo vệ, thiết bị báo sự cố, dừng chính xác buồng thang, và ảnh hưởng của tốc độ, gia tốc là những yếu tố cần kiểm soát. Thiết bị bảo hiểm cơ khí và điện từ phải hoạt động đáng tin cậy trong mọi tình huống.

III. Xây Dựng Chương Trình Điều Khiển Bằng Step 7

Lập trình điều khiển thang máy 5 tầng bằng ngôn ngữ Step 7 là bước quan trọng trong quá trình thực hiện đồ án. Chương trình phải xử lý các yêu cầu điều khiển buồng thang, điều khiển cửa buồng, và mô phỏng hoạt động phức tạp. PLC S7-300 sử dụng cấu trúc vùng nhớ CPU với các khối chương trình logic, dữ liệu, và hàm chuyên biệt. Nguyên lý điều khiển chung bao gồm các chế độ vận hàng bình thường từ tầng 1 đến tầng 3, và tầng 4 đến tầng 5 với các tín hiệu điều khiển khác nhau. Sơ đồ thuật toán chi tiết quá trình điều khiển, từ nhận yêu cầu đi tầng, kiểm tra vị trí hiện tại, cho đến dừng chính xác và mở cửa. Thống kê đầu vào - ra của hệ thống bao gồm các nút bấm, công tắc vị trí, và tín hiệu điều khiển động cơ.

3.1. Thiết Kế Sơ Đồ Thuật Toán Và Nguyên Lý Điều Khiển

Sơ đồ thuật toán thể hiện logic điều khiển chi tiết của thang máy 5 tầng. Nguyên lý điều khiển chung xác định cách PLC S7-300 xử lý các yêu cầu tầng, kiểm tra vị trí hiện tại, điều khiển chuyển động, và dừng chính xác. Các chế độ vận hàng bình thường từ các tầng khác nhau được lập trình với logic riêng, đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất vận hành.

3.2. Lập Trình Điều Khiển Cửa Và Buồng Thang

Yêu cầu điều khiển buồng thang và cửa buồng được lập trình với logic phức tạp. Chương trình Step 7 sử dụng các khối lệnh điều khiển, bộ hẹn giờ, bộ đếm để quản lý hoạt động. Mô phỏng hoạt động buồng thang trên máy tính sử dụng WinCC để kiểm tra chính xác logic điều khiển trước khi triển khai thực tế.

IV. Kết Nối Hệ Thống Và Mô Phỏng Thực Tế

Kết nối phần cứng PLC S7-300 với các thiết bị ngoại vi yêu cầu thiết kế cẩn thận các mạch điều khiển và mạch động lực. Kết nối I/O của PLC với các cảm biến, nút bấm, công tắc hạn chế, và các thiết bị chấp hành như động cơ, phanh hãm. Mạch động lực bao gồm các khởi động mềm, contactor, rơle bảo vệ để điều khiển động cơ thang máy. Mô phỏng trên WinCC là công cụ quan trọng để kiểm tra hệ thống trước triển khai. Giao diện điều khiển cho phép theo dõi vị trí buồng, trạng thái cửa, tín hiệu báo động, và tối ưu hóa logic điều khiển. Kết quả mô phỏng hệ thống chứng minh tính hiệu quả, an toàn, và khả năng ứng dụng thực tế của hệ thống điều khiển thang máy bằng PLC S7-300.

4.1. Kết Nối Phần Cứng Và Mạch Điều Khiển

Kết nối PLC S7-300 với phần cứng bao gồm các module input, output, và các thiết bị ngoại vi. Mạch điều khiển phải được thiết kế tuân thủ tiêu chuẩn an toàn. Kết nối mạch động lực cho động cơ, phanh hãm, và các thiết bị khác phải đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn tuyệt đối trong mọi điều kiện vận hành.

4.2. Mô Phỏng Và Kiểm Chứng Hệ Thống

Mô phỏng trên WinCC cung cấp giao diện thân thiện để kiểm tra logic điều khiển. Theo dõi vị trí buồng thang, trạng thái cửa, tín hiệu báo động giúp xác nhận tính chính xác. Kết quả mô phỏng hệ thống chứng minh khả năng ứng dụng PLC S7-300 trong điều khiển thang máy hiệu quả, an toàn, và đáp ứng yêu cầu công nghiệp hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THANG MÁY 1. Vai trò của thang máy Thang máy là một thiết bị vận tải dùng để chở hàng và chở người theo phương thẳng đứng. Nó là một loại hình máy nâng chuyển được sử dụng trong các ngành sản xuất của nền kinh tế quốc dân như trong ngành khai thác hầm mỏ, trong ngành xây dựng, luyện kim, công nghiệp nhẹ,… Nó đã thay thế cho sức lực của con người và đem lại năng suất lao động cao.

Trong sinh hoạt dân dụng thang máy được sử dụng rộng rãi ở các nhà làm việc cao tầng, cơ quan, khách sạn,… Thang máy đã trở thành một vấn đề quan trọng trong cạnh tranh xây dựng và chiếm một chi phí tương đối lớn. Trong các hệ thống dịch vụ, bán hàng việc có một thang máy tốt, đẹp, tiện lợi để phục vụ cũng là một yếu tố thu hút khách hàng. Phân loại thang máy Tùy thuộc vào các chức năng, thang máy có thể phân loại theo các nhóm sau: 1. Phân loại theo chức năng a.

Thang máy chở người: - Thang máy chở người trong các nhà cao tầng: Có tốc độ chậm hoặc trugn bình, đòi hỏi vận hành êm, yêu cầu an toàn cao và có tính mỹ thuật. - Thang máy dùng trong các bệnh viện: Đảm bảo tuyệt đối an toàn, tối ưu về tốc độ di chuyển và có tính ưu tiên đáp ứng đúng các yêu cầu của bệnh viện. - Thang máy dùng trong các hầm mỏ, xí nghiệp: Đáp ứng được các điều kiện làm việc nặng nề trong công nghiệp như tác động môi trường về độ ẩm, nhiệt độ, thời gian làm việc, ăn mòn,… b. Thang máy chở hàng: Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, ngoài ra nó còn được dùng trong nhà ăn, thư viện,… Loại này có đòi hỏi cao về việc dừng chính xác buồng thang để đảm bảo hàng hóa lên xuống dễ dàng, tăng năng xuất lao động.

Phân loại theo tốc độ di chuyển - Thang máy tốc độ chậm v = 0,5 m/s: Hệ truyền động buồng thang thường sử dụng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc hoặc dây quấn, yêu cầu về dừng chính xác không cao. SVTH: Nhóm 3 4 Đồ án HP TĐH trong Công nghiệp KHOA ĐIỆN - Thang máy tốc độ trung bình v = ( 0,75 ÷ 1,5 ) m / s : Thường sử dụng trong các nhà cao tầng, hệ truyền động buồng thang là hệ truyền động một chiều. - Thang máy cao tốc v = ( 2,5 ÷ 5 ) m / s: Sử dụng hệ truyền động một chiều hoặc truyền động bộ biến tần – động cơ xoay chiều ba pha, hệ thống điều khiển sử dụng các phần tử cảm biến phi tiếp điểm, các phần tử điều khiển loogic, các vi mạch cỡ lớn lập trình được hoặc các bộ vi xử lý. Phân loại theo trọng tải: - Thang máy loại nhỏ.

- Thang máy trung bình. - Thang máy loại lớn. Kết cấu của thang máy Kết cấu, sơ đồ bố trí thiết bị của thang máy giới thiệu trên hình 1. Hố giếng của thang máy 11 là khoảng không gian từ mặt bằng sàn tầng 1 cho đến đáy giếng.

Nếu hố giếng có độ sâu hơn 2m thì phải làm thêm cửa ra vào. Để nâng – hạ buồng thang, người ta dùng động cơ 6. Động cơ 6 được nối trực tiếp với cơ cấu nâng hoặc qua hộp giảm tốc. Nếu nối trực tiếp, buồng thang máy được nâng qua puli quấn cáp.

Nếu nối gián tiếp thì giữa puli cuốn cáp và động cơ có nắp hộp giảm tốc 5 với tỷ số truyền Cabin 1 được treo lên puli quấn cáp bằng kim loại 8 (thường dùng 1 đến 4 sợi cáp). Buồng thang luôn được giữ theo phương thẳng đứng nhờ có ray dẫn hướng 3 và những con trượt dẫn hướng 2 (con trượt là loại puli trượt có bọc cao su bên ngoài). Đối trong di chuyển dọc theo chiều cao của thành giếng theo các thanh dẫn hướng 6. SVTH: Nhóm 3 5 Đồ án HP TĐH trong Công nghiệp KHOA ĐIỆN Hình 1.1: Kết cấu cơ khí của thang máy SVTH: Nhóm 3 6 Đồ án HP TĐH trong Công nghiệp KHOA ĐIỆN Chức năng của một số bộ phận chính trong thang máy: 1.

Cabin: Là một phần tử chấp hành quan trong nhất trong thang máy, nó sẽ là nơi chứa hàng, chở người đến tầng khác, do đó phải đảm bảo các yêu cầu đề ra về kích thước, hình dáng, thẩm mỹ và các tiện nghi trong đó. Hoạt động của cabin là chuyển động tịnh tiến lên xuống dựa trên đường trượt, là hệ thống hai dây dẫn hướng nằm trong một mặt phẳng để đảm bảo chuyển động êm nhẹ, chính xác không giật trong cabin trong quá trình làm việc. Để đảm bảo cho cabin làm việc hoạt động đều cả trong quá trình lên xuống, có tải hay không có tải người ta sử dụng một đối trọng có chuyển động tịnh tiến trên hai thanh gác đồng phẳng giống như cabin nhưng chuyển động ngược chiều so với cabin do cáp được vắt qua puli kéo. Do trọng lượng của cabin và trọng lượng của đối trọng đã được tính toán tỷ lệ và kỹ lưỡng cho nên mặc dù chỉ vắt qua puli kéo cũng không xảy ra hiện tượng trượt trên pulicabin, hộp giảm tốc đối trọng tạo nên một cơ hệ phối hợp chuyển động nhịp nhàng do phần khác điều chỉnh đó là động cơ.

Động cơ: Là khâu dẫn động hộp giảm tốc theo một vận tốc quy định làm quay puli kéo cabin lên xuống. Động cơ được sử dụng trong thang máy là động cơ 3 pha roto dây quấn hoặc roto lồng sóc, vì chế độ làm việc của thang máy là ngắn hạn lặp lại cộng với yêu cầu sử dụng tốc độ, momen động cơ theo một dải nào đó cho đảm bảo yêu cầu về kinh tế và cảm giác của người đi thang máy. Động cơ là một phần tử quan trọng được điều chỉnh phù hợp với yêu cầu nhờ một hệ thống điện tử ở bộ xử lý trung tâm. Phanh Là khâu an toàn, nó thực hiện nhiệm vụ giữ cho cabin đứng im ở các vị trí dừng tầng, khối tác động là hai má phanh sẽ kẹp lấy tang phanh, tang phanh gắn đồng trục với trục động cơ.

Hoạt động đóng mở của phanh được phối hợp nhịp nhàng với quá trình làm việc của động cơ. Động cơ cửa: SVTH: Nhóm 3 7 Đồ án HP TĐH trong Công nghiệp KHOA ĐIỆN Là động cơ một chiều hay xoay chiều tạo ra momen mở cửa cabin kết hợp với mở cửa tầng hoạt động theo một quy luật nhất định sẽ đảm bảo quá trình đóng mở êm nhẹ không có va đập. Nếu không may một vật gì đó hay người kẹt giữa cửa tầng đang đóng thì cửa sẽ mở tự động nhờ bộ phận đặc biệt ở gờ cửa có gắn phản hồi với động cơ qua bộ xử lý trung tâm. Cửa: Gồm cửa cabin và cửa tầng.

Cửa cabin để khép kín cabin trong quá trình chuyển động không tạo ra cảm giác chóng mặt cho khách hàng và ngăn không cho rơi khỏi cabin bất cứ thứ gì. Cửa tầng để che chắn bảo vệ toàn bộ giếng thang và các thiết bị trong đó. Cửa cabin và cửa tầng có khóa tự động để đảm bảo đóng mở kịp thời. Bộ hạn chế tốc độ: là bộ phận an toàn khi tốc độ thay đổi do một nguyên nhân nào đó vượt quá giới hạn tốc độ cho phép, bộ hạn chế tốc độ sẽ bật cơ cấu khống chế cắt điều khiển động cơ và phanh làm việc.

Các thiết bị phụ khác: như quạt gió, chuông điện thoại liên lạc, các chỉ thị số báo chiều chuyển động,… được lắp đặt trong cabin để tạo ra cho khách hàng một cảm giác dễ chịu khi đi thang máy. Sơ đồ động của hệ thống: 1. Xích cân bằng Trong các thang máy chở người, tời dẫn động thường được đặt trên cao và dùng Puly ma sát để dẫn động trong cabin 3 và đối trọng 4. Đối với thang máy có chiều cao nâng lớn trọng lượng cáp nâng tương đối lớn nên trong sơ đồ động người ta treo thêm các cáp hoặc xích cân bằng phía dưới cabin hoặc đối trọng (cáp 5).

SVTH: Nhóm 3 8 Đồ án HP TĐH trong Công nghiệp KHOA ĐIỆN Puly ma sát 1 có các loại rãnh cáp tròn có xẻ dưới rãnh hình thang. Mỗi sợi cáp riêng biệt vắt qua một rãnh cáp, mỗi rãnh cáp thường từ ba đến năm rãnh. Đối trọng là bộ phận cân bằng, đối với thang máy có chiều cao không lớn người ta thường chọn đối trọng sao cho trọng lượng của nó cân bằng với trọng lượng cabin và một phần tử tải trọng nâng bỏ qua trọng lượng cáp nâng, cáp điện và không dùng cáp, việc chọn các thông số cơ bản của hệ thống cân bằng thì có thể tiến hành tính lực cáp cân bằng lớn nhất và chọn cáp tính công suất động cơ và khả năng kéo của puly ma sát. Yêu cầu về an toàn trong điều khiển thang máy Thang máy là thiết bị chuyên dùng để chở người, chở hàng từ độ cao này đến độ cao khác vì vậy trong thang máy, vấn đề an toàn được đặt lên hàng đầu.

Để dảm bảo sự hoạt động an toàn của thang máy, người ta bố trí các loạt các thiết bị giám sát hoạt động của thang nhằm phát hiện và sử lý sự cố. Trong thực tế, khi thiết kế truyền động cho thang máy phải phối hợp bảo vệ cả phần cơ và phần điện, kết hợp nhiều loại bảo vệ. Chẳng hạn khi cấp điện cho động cơ kéo buồng thang thì cũng cấp điện luôn cho động cơ phanh, làm nhả các má phanh kẹp vào ray dẫn hướng. Khi đó buồng thang mới có thể chuyển động được.

Khi mất điện, động cơ phanh không quay nữa, các má phanh kẹp sẽ tác động vào đường ray giữ cho buồng thang không rơi. Một số thiết bị bảo hiểm cơ khí của thang máy a. Phanh bảo hiểm Phanh bảo hiểm giữ buồng thang tại chỗ khi đứt cáp, mất điện và khi tốc độ vượt quá (20÷ 40)% tốc độ định mức. Phanh bảo hiểm thường được chế tạo theo 3 kiểu: Phanh bảo hiểm kiểu nêm, phanh bảo hiểm kiểu lệch tâm và phanh bảo hiểm kiểu kìm.

Trong các loại phanh trên, phanh bảo hiểm kìm được sử dụng rộng rãi hơn, nó đảm bảo cho buồng thang dừng êm hơn. Kết cấu của phanh bảo hiểm kiểu kìm được biểu diễn trên hình 1. Phanh bảo hiểm thường được lắp phía dưới buồng thang, gọng kìm 2 trượt theo thanh hướng dẫn 1 khi tốc độ của buồng thang bình thường. Nằm giữa hai cánh tay đòn của kìm có nêm 5 gắn với hệ truyền động bánh vít – trục vít 4.

Hệ truyền động trục vít có hai loại ren: ren phải và ren trái. SVTH: Nhóm 3 9 Đồ án HP TĐH trong Công nghiệp KHOA ĐIỆN Hình 1.