Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng và sự bùng nổ của các tòa nhà cao tầng, chung cư, trung tâm thương mại và bệnh viện tại Việt Nam, hệ thống thang máy đóng vai trò huyết mạch trong việc vận chuyển hành khách và hàng hóa theo phương thẳng đứng. Theo các tiêu chuẩn an toàn công nghiệp quốc tế (như EN 81-20/50 và TCVN 6395:2008), thang máy đòi hỏi tính liên tục, ổn định và độ tin cậy tuyệt đối. Việc nghiên cứu, làm chủ công nghệ điều khiển tự động hóa thang máy không chỉ mang ý nghĩa lý thuyết mà còn giải quyết trực tiếp bài toán đào tạo thực hành và ứng dụng công nghiệp.

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, chế tạo và lập trình điều khiển mô hình thang máy 4 tầng" do sinh viên Võ Ngọc Thạch và Hồ Văn Long (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng) thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Đức Quận đã giải quyết trọn vẹn bài toán từ khâu thiết kế cơ khí chính xác, xây dựng phần cứng tủ điện công nghiệp đến lập trình logic điều khiển nâng cao và giám sát SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition).

+-----------------------------------------------------------------------+
|                 MÔ HÌNH THANG MÁY 4 TẦNG TỰ ĐỘNG HÓA                  |
|                                                                       |
|   +-------------------+    PROFINET /    +------------------------+   |
|   |  SCADA / WinCC    |<---------------->|  PLC Siemens S7-1200   |   |
|   |  Giao diện HMI    |   Ethernet TCP   |  CPU 1214C DC/DC/DC    |   |
|   +-------------------+                  +-----------+------------+   |
|                                                      |                |
|                      +-------------------------------+                |
|                      | Mở rộng Bus nội bộ                             |
|                      v                                                |
|           +----------------------+                                    |
|           |  SM 1223 Expansion   |                                    |
|           |  16DI / 16DO Module  |                                    |
|           +----------+-----------+                                    |
|                      |                                                |
|         +------------+------------+                                   |
|         |                         |                                   |
|         v                         v                                   |
|  [Khối Cảm biến & I/O]    [Khối Chấp hành Động lực]                   |
|  - 4x Cảm biến dừng tầng   - Động cơ kéo cabin 68KTYZ (AC 220V)        |
|    Fotek PL-05N (800Hz)   - Động cơ cửa JGI 370 (DC 12V)              |
|  - 6x Nút gọi tầng ngoài   - 4x Rơ le trung gian Miderton 24V 8 chân   |
|  - 4x Nút chọn trong cabin - Nguồn 24VDC 10A + Buck hạ áp 12V 3A      |
|  - Cảm biến hành trình cửa - Aptomat BW32A0 2P 15A ngắt an toàn       |
+-----------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế và gia công cơ khí hoàn thiện: Xây dựng mô hình giếng thang 4 tầng kích thước $950 \times 350\text{ mm}$ bằng khung nhôm định hình $20 \times 20\text{ mm}$, cabin và cụm truyền động cửa trượt lùa gia công bằng công nghệ in 3D FDM.
  2. Thiết kế phần cứng và tủ điện: Đấu nối hệ thống điều khiển sử dụng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C kết hợp module mở rộng tín hiệu SM 1223 (16DI/16DO), bảo đảm phân phối nguồn $24\text{VDC}$ và $220\text{VAC}$ an toàn chuẩn công nghiệp.
  3. Lập trình logic điều khiển tối ưu: Ứng dụng ngôn ngữ Ladder Logic (LAD) trên phần mềm TIA Portal để xử lý thuật toán ưu tiên chiều di chuyển (Directional Collective Dispatching), dừng tầng chính xác và tự động hóa chu trình đóng/mở cửa.
  4. Xây dựng giao diện SCADA/HMI: Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát trạng thái buồng thang, vị trí tầng, chiều di chuyển và cảnh báo lỗi thời gian thực bằng Siemens WinCC.

Phương pháp tiếp cận và kết quả kỳ vọng

Dự án tích hợp phương pháp tiếp cận đa ngành: mô hình hóa 3D CAD trên Autodesk Inventor, mô phỏng hành vi I/O trên TIA Portal V16, và kiểm thử thực nghiệm trên mô hình vật lý. Kết quả kỳ vọng là một hệ thống hoạt động với thời gian trễ phản hồi I/O dưới $15\text{ ms}$, cảm biến tiệm cận bắt điểm dừng chuẩn xác với sai số dưới $\pm 1\text{ mm}$, cùng cơ chế an toàn liên động (Interlock) ngăn chặn tuyệt đối tình trạng cabin di chuyển khi cửa chưa đóng kín.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trong thực tế giảng dạy và ứng dụng dân dụng, các giải pháp điều khiển thang máy được chia làm 3 nhóm chính:

Tiêu chí Mạch Rơ le - Contactor truyền thống Vi điều khiển (Arduino/STM32) PLC Siemens S7-1200 + SM 1223
Độ tin cậy & Kháng nhiễu Trung bình (Dễ mòn tiếp điểm cơ khí) Kém (Dễ treo do nhiễu công nghiệp EMI) Rất cao (Chuẩn công nghiệp cách ly quang)
Khả năng mở rộng I/O Kém (Phải đi lại toàn bộ dây nối) Trung bình (Cần thiết kế thêm mạch đệm) Rất cao (Ghép nối module mở rộng Plug-and-Play)
Khả năng lập trình & Bảo trì Cực kỳ phức tạp khi mở rộng tầng Trung bình (Debug code C/C++ vi mô) Trực quan (Ladder Logic, chẩn đoán lỗi online)
Tích hợp SCADA/HMI Không khả thi Phức tạp (Tự viết giao thức truyền thông) Chuẩn hóa hoàn toàn qua PROFINET/Ethernet

Phân tích yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Chế độ dừng tầng chính xác 4 tầng; cơ chế an toàn đóng/mở cửa tự động; nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop); thuật toán ưu tiên gom khách cùng chiều; chế độ Reset đưa thang về tầng trệt khi khởi động.
  • Should have (Nên có): Giao diện SCADA giám sát thời gian thực trên WinCC; đèn LED báo trạng thái ghi nhớ lệnh gọi tại mỗi nút bấm; chế độ chuyển đổi linh hoạt Auto/Manual/Stop.
  • Could have (Có thể mở rộng): Báo chuông tầng âm thanh; đo tải trọng cabin chống quá tải.
  • Won't have (Chưa thực hiện đợt này): Điều khiển tốc độ vô cấp qua biến tần VFD (Variable Frequency Drive).

Bài toán nút thắt I/O và giải pháp kỹ thuật

Hệ thống thang máy 4 tầng yêu cầu tổng cộng 26 tín hiệu đầu vào (Digital Inputs - DI) bao gồm nút gọi tầng ngoài hành lang (6 nút: T1 lên, T2 lên/xuống, T3 lên/xuống, T4 xuống), nút chọn tầng trong buồng thang (4 nút: 1, 2, 3, 4), cảm biến dừng tầng (4 cảm biến), cảm biến giới hạn hành trình cửa (2 cảm biến), các nút chức năng (Mở cửa, Đóng cửa, Emergency Stop, Reset, Công tắc Auto/Man). Đồng thời, hệ thống cần 19 tín hiệu đầu ra (Digital Outputs - DO) để điều khiển động cơ kéo lên/xuống, động cơ đóng/mở cửa, và hệ thống đèn LED phản hồi trên các nút bấm.

Vì CPU S7-1200 1214C DC/DC/DC tích hợp sẵn chỉ có 14 DI và 10 DO, nhóm tác giả đã quyết định trang bị thêm module mở rộng SM 1223 (Mã đặt hàng: 6ES7223-1BL32-0XB0) cung cấp thêm 16 DI và 16 DO. Giải pháp này đảm bảo tính tương thích đồng bộ 100%, loại bỏ nguy cơ mất gói tin hoặc sai lệch điện áp so với phương án dùng mạch vi điều khiển trung gian qua chuẩn truyền thông nối tiếp RS485.

Thiết kế hệ thống

Ngăn xếp công nghệ (Technology Stack)

  • Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Firmware v4.4, bộ nhớ làm việc $100\text{ KB}$, 14 DI $24\text{VDC}$ / 10 DO $24\text{VDC}$ Transistor).
  • Module mở rộng: Siemens SM 1223 DI 16 / DQ 16 x $24\text{VDC}$.
  • Cảm biến: 4x Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ Fotek PL-05N (NPN Thường mở - NO, khoảng cách phát hiện kim loại $5\text{ mm}$, điện áp $10 - 30\text{VDC}$, tần số đáp ứng $800\text{ Hz}$).
  • Cơ cấu chấp hành chính: Động cơ đồng bộ giảm tốc đảo chiều 68KTYZ ($220\text{VAC}$, công suất định mức $28\text{W}$, tần số $50\text{Hz}$).
  • Cơ cấu truyền động cửa: Động cơ DC JGI 370 ($12\text{VDC}$, kích thước thân $76.8 \times 32\text{ mm}$, mô-men xoắn cao) lắp đặt dưới gầm sàn cabin.
  • Rơ le đệm công suất: 4x Rơ le điện từ Miderton $24\text{VDC}$ (8 chân, dòng tiếp điểm tối đa $5\text{A}$) đảo chiều động cơ AC và DC.
  • Nguồn cấp: Nguồn công nghiệp xung tổ ong $24\text{VDC} - 10\text{A}$; Mạch hạ áp Buck DC-DC chuyển đổi $24\text{V}$ xuống $12\text{VDC} - 3\text{A}$ ($36\text{W}$) cấp nguồn riêng cho motor cửa.
  • Khí cụ bảo vệ & điều khiển: Aptomat Fuji BW32A0 2P $15\text{A}$, Nút dừng khẩn cấp AB6-V (tiếp điểm NC $250\text{V}/1\text{A}$), Công tắc xoay chọn chế độ ARS-L212, Nút nhấn gắn đèn AL6 $24\text{VDC}$.
  • Nền tảng phần mềm: Siemens TIA Portal V16 (Totally Integrated Automation), WinCC Runtime Advanced V16, Autodesk Inventor Professional 2022.
                    +------------------------------------+
                    |        SCADA TRÊN WINCC V16        |
                    |  - Giám sát vị trí tầng (1..4)     |
                    |  - Hiển thị trạng thái cửa/motor   |
                    |  - Ghi nhận cảnh báo lỗi/khẩn cấp  |
                    +-----------------+------------------+
                                      | PROFINET (Ethernet TCP/IP)
                                      v
                    +------------------------------------+
                    |   PLC SIEMENS S7-1200 (CPU 1214C)  |
                    |  - Chu kỳ quét: 1 - 3 ms           |
                    |  - Vùng nhớ logic: M0.0 - M50.7    |
                    +-----------------+------------------+
                                      | Bus mở rộng
                                      v
                    +------------------------------------+
                    |   MODULE MỞ RỘNG SM 1223 (16DI/16DO)|
                    +--------+------------------+--------+
                             |                  |
           [TÍN HIỆU ĐẦU VÀO]|                  |[TÍN HIỆU ĐẦU RA]
                             v                  v
       +----------------------------+    +----------------------------+
       | - 4x Cảm biến tầng PL-05N  |    | - Q3.0: Động cơ Cabin LÊN  |
       | - 10x Nút gọi tầng (In/Out)|    | - Q3.1: Động cơ Cabin XUỐNG|
       | - 2x Cảm biến hành trình   |    | - Q3.2: Động cơ MỞ CỬA     |
       | - Nút khẩn cấp, chọn Mode  |    | - Q3.3: Động cơ ĐÓNG CỬA   |
       | - Nút Đóng / Mở cửa cưỡng bức|  | - Q0.0..Q2.5: Đèn LED nút  |
       +----------------------------+    +--------------+-------------+
                                                        |
                                                        v
                                         +----------------------------+
                                         |    KHỐI RƠ LE ĐỆM VÀ MOTOR |
                                         | - 4x Relay Miderton 24V    |
                                         | - Động cơ 68KTYZ (220VAC)  |
                                         | - Động cơ JGI 370 (12VDC)  |
                                         +----------------------------+

Phương pháp luận (Methodology)

Dự án được triển khai theo quy trình kỹ thuật hệ thống V-Model kết hợp các pha kiểm thử lặp:

  1. Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 3): Khảo sát thực tế các cụm thang máy tải khách, tính toán thông số cơ - điện, mô hình hóa 3D chi tiết trên Autodesk Inventor 2022.
  2. Giai đoạn 2 (Tuần 4 - 6): Gia công khung nhôm $20 \times 20\text{ mm}$, in 3D cabin và cụm ray trượt cửa lùa, lắp ráp cơ khí và đối trọng cân bằng $50%$ tải.
  3. Giai đoạn 3 (Tuần 7 - 9): Thiết kế sơ đồ nguyên lý tủ điện, bố trí thiết bị trên thanh ray DIN-Rail, đi dây máng luồn, lập bảng địa chỉ I/O phân định rõ ràng.
  4. Giai đoạn 4 (Tuần 10 - 12): Lập trình khối hàm điều khiển (OB1, FC, FB) trên TIA Portal V16, thiết kế giao diện WinCC, cấu hình truyền thông Ethernet.
  5. Giai đoạn 5 (Tuần 13 - 14): Tích hợp liên động toàn diện phần cứng - phần mềm, thực hiện 50 chu trình thử nghiệm dừng tầng, đo độ trễ và nghiệm thu.

Quy trình quản lý an toàn HSE (Health, Safety, Environment) được tuân thủ nghiêm ngặt: $100%$ mạch điều khiển $24\text{VDC}$ cách ly hoàn toàn với mạch động lực $220\text{VAC}$ qua rơ le đệm; toàn bộ khung nhôm được nối đất đẳng thế; sử dụng vật liệu formex và nhôm tái chế giúp giảm thiểu rác thải kỹ thuật.

Implementation và kết quả

Quá trình phát triển và Bảng phân công I/O

Hệ thống phân định bộ nhớ và địa chỉ vật lý I/O trên TIA Portal V16:

Tên thiết bị / Ký hiệu Địa chỉ I/O Chức năng kỹ thuật
NUT_NHAN_STOP I0.7 Nút dừng khẩn cấp Emergency Stop (NC)
NUT_DONG_CUA / NUT_MO_CUA I1.2 / I1.3 Nút đóng / mở cửa cưỡng bức trong buồng thang
CB_CUA_MO / CB_CUA_DONG I2.4 / I2.5 Cảm biến giới hạn hành trình mở hết / đóng hết cửa
CALL_T1_UP I3.0 Nút gọi thang tầng 1 chiều đi LÊN
CALL_T2_UP / CALL_T2_DN I3.1 / I3.2 Nút gọi thang tầng 2 chiều LÊN / XUỐNG
CALL_T3_UP / CALL_T3_DN I3.3 / I3.4 Nút gọi thang tầng 3 chiều LÊN / XUỐNG
CALL_T4_DN I3.5 Nút gọi thang tầng 4 chiều đi XUỐNG
CB_TANG_1..4 I0.0..I0.3 Cảm biến tiệm cận xác định vị trí cabin tại tầng 1, 2, 3, 4
DEN_RUN / DEN_ERROR Q0.0 / Q0.3 Đèn chỉ thị hệ thống hoạt động bình thường / Báo lỗi
LED_CALL_T1..T4 Q2.0..Q2.5 Đèn LED nhớ lệnh gọi tầng ngoài sảnh
MOTOR_CABIN_UP Q3.0 Cuộn hút rơ le kích hoạt động cơ nâng cabin LÊN
MOTOR_CABIN_DOWN Q3.1 Cuộn hút rơ le kích hoạt động cơ hạ cabin XUỐNG
MOTOR_DOOR_OPEN Q3.2 Cuộn hút rơ le cấp nguồn $12\text{V}$ mở cửa lùa
MOTOR_DOOR_CLOSE Q3.3 Cuộn hút rơ le cấp nguồn $12\text{V}$ đảo cực đóng cửa lùa

Thuật toán và Đoạn mã logic điều khiển chính (Structured Logic / Ladder Representation)

Dưới đây là cấu trúc khối logic điều khiển liên động nâng hạ cabin và chu trình phục vụ hành khách được viết dưới dạng mã giả có cấu trúc (Structured Control Logic) tương đương tập lệnh Ladder của PLC S7-1200:

// ============================================================================
// KHỐI LOGIC: XỬ LÝ LIÊN ĐỘNG AN TOÀN VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CABIN
// Ngôn ngữ: Structured Control / TIA Portal Ladder Equivalent
// ============================================================================

// 1. Kiểm tra điều kiện an toàn cửa và chốt liên động (Interlock)
#DOOR_IS_CLOSED := "CB_CUA_DONG" AND NOT("CB_CUA_MO");
#SYSTEM_READY   := NOT("NUT_NHAN_STOP") AND "AUTO_MODE" AND #DOOR_IS_CLOSED;

// 2. Thuật toán phân định chiều di chuyển (Direction Selection Algorithm)
// TARGET_FLOOR: Tầng mục tiêu cần đến (1..4)
// CURRENT_FLOOR: Tầng hiện tại ghi nhận từ cảm biến Fotek PL-05N (1..4)
IF #SYSTEM_READY THEN
    // Điều kiện di chuyển LÊN: Tầng yêu cầu lớn hơn tầng hiện tại
    IF (#TARGET_FLOOR > #CURRENT_FLOOR) AND NOT("MOTOR_CABIN_DOWN") THEN
        "MOTOR_CABIN_UP" := TRUE;
        "MOTOR_CABIN_DOWN" := FALSE;
    // Điều kiện di chuyển XUỐNG: Tầng yêu cầu nhỏ hơn tầng hiện tại
    ELSIF (#TARGET_FLOOR < #CURRENT_FLOOR) AND NOT("MOTOR_CABIN_UP") THEN
        "MOTOR_CABIN_DOWN" := TRUE;
        "MOTOR_CABIN_UP" := FALSE;
    // Khi đã đến đúng tầng mục tiêu
    ELSIF (#TARGET_FLOOR = #CURRENT_FLOOR) THEN
        "MOTOR_CABIN_UP" := FALSE;
        "MOTOR_CABIN_DOWN" := FALSE;
        
        // Kích hoạt chu trình đón trả khách (Mở cửa -> Delay 3s -> Đóng cửa)
        #TRIGGER_DOOR_CYCLE := TRUE;
    END_IF;
ELSE
    // Cắt toàn bộ đầu ra động lực nếu vi phạm điều kiện an toàn
    "MOTOR_CABIN_UP" := FALSE;
    "MOTOR_CABIN_DOWN" := FALSE;
END_IF;

// 3. Chu trình tự động mở cửa khi cabin dừng bằng tầng
IF #TRIGGER_DOOR_CYCLE AND NOT("MOTOR_CABIN_UP") AND NOT("MOTOR_CABIN_DOWN") THEN
    IF NOT("CB_CUA_MO") THEN
        "MOTOR_DOOR_OPEN" := TRUE;
        "MOTOR_DOOR_CLOSE" := FALSE;
    ELSE
        "MOTOR_DOOR_OPEN" := FALSE;
        // Bắt đầu bộ định thời gian chờ hành khách (Timer TON 3.0 Seconds)
        #TIMER_DOOR_WAIT(IN := TRUE, PT := T#3S);
        IF #TIMER_DOOR_WAIT.Q THEN
            IF NOT("CB_CUA_DONG") THEN
                "MOTOR_DOOR_CLOSE" := TRUE;
            ELSE
                "MOTOR_DOOR_CLOSE" := FALSE;
                #TRIGGER_DOOR_CYCLE := FALSE; // Kết thúc chu trình
                #TIMER_DOOR_WAIT(IN := FALSE);
            END_IF;
        END_IF;
    END_IF;
END_IF;

           SƠ ĐỒ TRẠNG THÁI ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY (STATE MACHINE)
           
                     +----------------------+
                     |     KHỞI ĐỘNG        |
                     |  Chế độ Reset (T1)   |
                     +----------+-----------+
                                |
                                v
                     +----------------------+
         +---------->|     IDLE STATE       |<----------+
         |           | (Chờ lệnh gọi tầng)  |           |
         |           +----------+-----------+           |
         |                      |                       |
         |                      | Có lệnh gọi tầng mới  |
         |                      v                       |
         |           +----------------------+           |
         |           |   ĐÓNG CỬA AN TOÀN   |           |
         |           | (Check CB_CUA_DONG)  |           |
         |           +----------+-----------+           |
         |                      |                       |
         |                      | Cửa đóng hoàn toàn    |
         |                      v                       |
         |           +----------------------+           |
         |           |  CABIN DI CHUYỂN     |           |
         |           |  (Up / Down Motor)   |           |
         |           +----------+-----------+           |
         |                      |                       |
         |                      | Gặp CB tầng mục tiêu  |
         |                      v                       |
         |           +----------------------+           |
         |           |  DỪNG BẰNG TẦNG      |           |
         |           |  (Ngắt Motor Kéo)    |           |
         |           +----------+-----------+           |
         |                      |                       |
         |                      v                       |
         |           +----------------------+           |
         |           |  MỞ CỬA TRẢ KHÁCH    |           |
         |           | (Motor Door + TON 3s)|           |
         |           +----------+-----------+           |
         |                      |                       |
         |                      +-----------------------+
         |                      Hết thời gian chờ / Cửa đóng
         +----------------------------------------------+

Kiểm thử và Đánh giá thực nghiệm

Hệ thống đã trải qua 50 chu kỳ kiểm thử vận hành liên tục tại phòng thí nghiệm Tự động hóa với các kịch bản nghiêm ngặt:

Kịch bản kiểm thử Hành vi kỳ vọng Kết quả thực nghiệm Đánh giá
Gọi tầng đơn (Single Call) Thang di chuyển thẳng từ T1 đến T4, dừng và mở cửa Dừng chính xác tại T4 trong $4.2\text{ s}$, cửa mở trơn tru Đạt ($100%$)
Gom lệnh cùng chiều (Collective Up) Đang đi từ T1 lên T4, nhấn gọi tại T2 lên và T3 lên Thang dừng đón tại T2 ($3\text{s}$), tiếp tục đón tại T3 ($3\text{s}$), trả tại T4 Đạt ($100%$)
Lệnh ngược chiều (Priority Filter) Đang đi từ T1 lên T4, nhấn gọi tại T3 xuống Thang bỏ qua T3 khi đi lên, trả khách T4 xong mới quay lại đón T3 Đạt ($100%$)
Khẩn cấp (Emergency Button) Nhấn nút AB6-V khi cabin đang chạy giữa tầng 2 và 3 Động cơ 68KTYZ ngắt tức thì trong $<10\text{ ms}$, đèn vàng báo lỗi sáng Đạt ($100%$)
Chắn cửa khi đang đóng Tác động nút mở cửa I1.3 khi cửa đang trong hành trình đóng Động cơ lập tức đảo chiều sang trạng thái mở hoàn toàn Đạt ($100%$)

Kết quả định lượng đạt được

  • Độ chính xác dừng bằng tầng: Đạt sai số cơ học $\le \pm 0.8\text{ mm}$ nhờ tần số quét $800\text{ Hz}$ của cảm biến Fotek PL-05N.
  • Thời gian chu kỳ đóng/mở cửa: Mở cửa hoàn toàn trong $1.8\text{ s}$, duy trì mở trong $3.0\text{ s}$, đóng cửa trong $1.8\text{ s}$.
  • Tốc độ đáp ứng truyền thông SCADA: Giao diện WinCC cập nhật dữ liệu vị trí và trạng thái với tần số $100\text{ ms}/lần$, độ trễ mạng Ethernet $<5\text{ ms}$.

Đổi mới và đóng góp

  1. Cải tiến vị trí cơ cấu dẫn động cửa: Thay vì thiết kế 4 cụm động cơ mở cửa riêng biệt cố định tại 4 tầng (làm tăng chi phí và rủi ro hỏng hóc), nhóm đã sáng tạo gắn trực tiếp cụm động cơ DC JGI 370 kèm cơ cấu ngàm cơ khí ngay dưới đáy sàn cabin. Thiết kế này giúp tiết kiệm $75%$ số lượng động cơ cửa và giảm $60%$ khối lượng dây cáp điều khiển dọc giếng thang.
  2. Thiết kế mô-đun hóa bằng công nghệ in 3D: Khung buồng thang, puly truyền động và thanh trượt dẫn hướng cửa được mô hình hóa tối ưu trên Autodesk Inventor và in 3D bằng nhựa PETG/PLA chịu lực, giúp giảm trọng lượng cabin xuống chỉ còn $420\text{ g}$, giảm tải trọng quán tính cho động cơ kéo 68KTYZ.
  3. Cơ cấu đối trọng cân bằng tối ưu: Nhóm đã tính toán khối lượng đối trọng bằng đúng công thức chuẩn công nghiệp: $$M_{\text{đối trọng}} = M_{\text{cabin}} + 0.5 \times Q_{\text{định mức}}$$ Nhờ đó, mô-men khởi động của động cơ giảm $45%$, hạn chế hiện tượng trượt cáp và mài mòn cơ khí.
  4. Giải pháp kiến trúc điều khiển mở rộng bền vững: Việc tích hợp module SM 1223 thay vì ghép nối vi điều khiển ngoài đã thiết lập một mô hình chuẩn mực cho các bài toán tự động hóa có số lượng I/O vượt mức CPU onboard.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Khả năng nhân rộng và Trường hợp sử dụng

  • Mô hình thí nghiệm chuẩn cho các trường Đại học/Cao đẳng: Phục vụ trực tiếp cho các môn học Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC, Hệ thống điều khiển SCADA, Khí cụ điện và Trang bị điện.
  • Bàn thử nghiệm thuật toán (Testbed): Dùng để nghiên cứu và thử nghiệm các thuật toán điều phối thang máy thông minh (như Fuzzy Logic, giải thuật Di truyền GA, hoặc Tối ưu hóa bầy đàn PSO) trước khi nạp vào thang máy công trình thực tế.
  • Đào tạo kỹ thuật viên bảo trì thang máy: Huấn luyện kỹ năng đấu nối tủ điện công nghiệp, căn chỉnh cảm biến tiệm cận và xử lý sự cố an toàn.

Phân tích Chi phí - Lợi ích (Cost-Benefit Analysis)

Hạng mục thiết bị Chi phí mô hình đồ án Chi phí mua bàn thí nghiệm thương mại
PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C + Module SM 1223 8.500.000 VNĐ 16.000.000 VNĐ
Cảm biến, Động cơ, Rơ le, Nguồn, Nút nhấn 2.200.000 VNĐ 6.500.000 VNĐ
Khung nhôm định hình, Vách formex, In 3D 1.800.000 VNĐ 12.000.000 VNĐ
Phần mềm & SCADA Bản quyền sinh viên 0 VNĐ (Tích hợp) 10.000.000 VNĐ
TỔNG CỘNG 12.500.000 VNĐ 44.500.000 VNĐ

Việc tự nghiên cứu và chế tạo mô hình giúp tiết kiệm hơn $71.9%$ kinh phí so với việc nhập khẩu các bộ kit đào tạo thang máy công nghiệp từ nước ngoài, trong khi vẫn đảm bảo $100%$ tính năng và tiêu chuẩn lập trình PLC Siemens thực tế.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Động cơ kéo cabin 68KTYZ là động cơ AC 1 tốc độ, đóng cắt trực tiếp qua rơ le nên chưa có đường cong tăng tốc/giảm tốc (S-Curve) mềm mại như khi sử dụng biến tần VFD.
  • Chưa tích hợp cảm biến load cell đo trọng lượng tải trọng bên trong buồng thang để cảnh báo quá tải (Overload).
  • Hệ thống SCADA WinCC Runtime đang chạy trên mạng LAN nội bộ máy tính, chưa hỗ trợ giám sát từ xa qua điện thoại hoặc nền tảng Cloud IoT.

Hướng nâng cấp và mở rộng

  1. Tích hợp biến tần Siemens Sinamics V20 / G120C: Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha qua truyền thông Modbus RTU hoặc PROFINET, tạo đường cong hãm dừng êm ái, bảo vệ cơ khí.
  2. Mở rộng giao thức IoT công nghiệp: Cấu hình chuẩn truyền thông OPC UA hoặc MQTT trên S7-1200 để đẩy dữ liệu lên máy chủ đám mây (AWS/ThingsBoard), cho phép giám sát tình trạng bảo trì dự đoán (Predictive Maintenance).
  3. Tích hợp thị giác máy tính (AI Camera): Lắp đặt camera nhận diện khuôn mặt và đếm số lượng người chờ tại mỗi sảnh tầng để tự động phân bổ tầng ưu tiên thông minh.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Tự động hóa & Điện tử: Tiếp cận tài liệu thiết kế cơ - điện hoàn chỉnh, mã nguồn PLC Ladder Logic chuẩn mực và quy trình gỡ lỗi hệ thống SCADA.
  • Kỹ sư và Lập trình viên PLC: Tham khảo phương thức mở rộng phần cứng I/O chuyên nghiệp và cấu trúc code xử lý thuật toán hàng đợi (Queue dispatching) trong công nghiệp.
  • Các cơ sở giáo dục nghề nghiệp: Sở hữu tài liệu chi tiết để tự đóng mới các bộ kit thực hành tự động hóa với chi phí thấp nhưng đạt chuẩn công nghiệp.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ: Tham khảo giải pháp tự động hóa dây chuyền nâng chuyển hàng hóa liên tầng trong kho bãi với mức đầu tư tối ưu.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng và phần mềm tối thiểu để triển khai mô hình là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn cấp lưới $220\text{VAC}/50\text{Hz}$ (công suất nguồn $\ge 350\text{W}$), bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC kèm module SM 1223 (16DI/16DO). Về phần mềm, máy tính kỹ thuật cần cài đặt Siemens TIA Portal V16 (hoặc V17/V18) và WinCC Runtime Advanced trên hệ điều hành Windows 10/11 Pro 64-bit với cấu hình tối thiểu Intel Core i5, $8\text{GB}$ RAM và cổng mạng RJ45 Ethernet.

2. Mô hình có khả năng mở rộng lên 6 hoặc 8 tầng được không?

Hoàn toàn khả thi. Nhờ kiến trúc mô-đun hóa của S7-1200, khi nâng cấp lên 6 tầng (cần thêm 4 DI cho nút gọi và 2 DI cho cảm biến tầng), người dùng chỉ cần cắm thêm Signal Board (SB) hoặc Signal Module (SM) mà không cần thay đổi CPU trung tâm. Về phần mềm, chỉ cần sao chép các Network logic tầng trong FC điều khiển và mở rộng bảng tag trên WinCC.

3. Tại sao nhóm chọn cảm biến tiệm cận Fotek PL-05N thay vì công tắc hành trình cơ học?

Công tắc hành trình cơ học dễ bị mòn tiếp điểm, phát sinh tia lửa điện, gây tiếng ồn và có độ trễ do đàn hồi cơ cấu tiếp xúc sau thời gian dài hoạt động. Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ Fotek PL-05N là cảm biến phi tiếp xúc, có tần số đáp ứng lên tới $800\text{ Hz}$, hoàn toàn chống bụi bẩn, không bị mài mòn cơ khí và cho độ chính xác định vị tầng đạt mức sai số dưới $1\text{ mm}$.

4. Hệ thống xử lý thế nào khi mất điện đột ngột hoặc rớt mạng SCADA?

Khi mất điện, toàn bộ relay ngắt, hệ thống phanh cơ khí/ma sát của hộp giảm tốc 68KTYZ giữ chặt buồng thang tại vị trí hiện tại. Khi có điện trở lại, PLC tự động kích hoạt chế độ Reset Sequence: từ chối mọi lệnh gọi tầng và từ từ hạ cabin về tầng 1 để hiệu chuẩn lại điểm gốc (Home Position). Trường hợp mất kết nối SCADA, PLC vẫn độc lập điều khiển thang máy an toàn cục bộ nhờ toàn bộ logic đã được nạp trực tiếp vào bộ nhớ ROM của CPU.

5. Chi phí chế tạo trọn gói và thời gian hoàn thiện một mô hình tương tự mất bao lâu?

Tổng chi phí linh kiện và gia công cơ khí hoàn thiện rơi vào khoảng $12.500.000\text{ VNĐ}$. Thời gian thi công tiêu chuẩn cho một nhóm 2 người là khoảng $4 - 6\text{ tuần}$ (bao gồm $1$ tuần in 3D và lắp ráp khung cơ khí, $1$ tuần đấu nối tủ điện, $2$ tuần lập trình logic PLC và thiết kế giao diện WinCC, $1$ tuần kiểm thử hiệu năng).

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu, chế tạo và lập trình điều khiển mô hình thang máy 4 tầng" của nhóm sinh viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng là một công trình nghiên cứu ứng dụng mẫu mực, kết hợp hài hòa giữa cơ khí chính xác, điện tử công suất và tự động hóa điều khiển cấp cao. Dự án đã giải quyết xuất sắc bài toán mở rộng I/O cho dòng PLC Siemens S7-1200, tối ưu hóa cơ cấu chấp hành cửa trượt lùa bằng công nghệ in 3D, và xây dựng thành công hệ thống giám sát SCADA WinCC trực quan, ổn định.

Mô hình không chỉ chứng minh tính khả thi kỹ thuật vượt trội với độ chính xác dừng tầng tuyệt đối ($\le \pm 0.8\text{ mm}$) và khả năng kháng nhiễu công nghiệp hoàn hảo, mà còn mang lại giá trị kinh tế to lớn khi cắt giảm hơn $70%$ chi phí đầu tư thiết bị đào tạo. Đây là nền tảng vững chắc để tiếp tục phát triển các đề tài nghiên cứu chuyên sâu hơn như tích hợp biến tần điều khiển vòng kín, thuật toán phân phối lưu lượng thông minh và kết nối Internet vạn vật (IoT) trong các tòa nhà thông minh (Smart Buildings) tương lai.