Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các công trình kiến trúc cao tầng như khu chung cư, trung tâm thương mại, cao ốc văn phòng, khách sạn và bệnh viện là hệ quả tất yếu của quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước. Các tòa nhà cao tầng với mật độ người làm việc, sinh sống đông đúc cùng khối lượng tài sản lớn luôn tiềm ẩn nhiều nguy cơ cháy nổ phức tạp. Trong kết cấu vận hành của những tòa nhà này, thang máy là phương tiện chuyển tải hàng hóa và hành khách theo phương thẳng đứng không thể thay thế. Tuy nhiên, việc vận hành thang máy thông thường khi xảy ra hỏa hoạn có thể trở thành cái bẫy nguy hiểm đe dọa tính mạng con người nếu không có cơ chế điều khiển khẩn cấp thích ứng và cảnh báo tự động. Đa số các hệ thống thang máy tích hợp báo cháy hiện đại trên thị trường đều sử dụng trang thiết bị ngoại nhập với chi phí lắp đặt, bảo trì cao. Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài "Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển thang máy 4 tầng vận hành trong điều kiện hỏa hoạn" được nhóm tác giả lựa chọn thực hiện nhằm làm chủ kỹ thuật điều khiển tự động hóa kết hợp xử lý sự cố an toàn.

Mục tiêu nghiên cứu được tác giả xác định cụ thể trên hai phương diện:

  1. Đối với người thực hiện: Tự kiểm tra, hệ thống hóa kiến thức đã học trong 4 năm đào tạo kỹ sư công nghệ điện - điện tử; tiếp cận và giải quyết các bài toán kỹ thuật mới chưa có kinh nghiệm thực tế nhằm trang bị năng lực ứng dụng chuyên môn vào đời sống.
  2. Đối với sản phẩm kỹ thuật: Chế tạo thành công mô hình thang máy 4 tầng kết hợp mạch báo cháy tự động ứng dụng được cho chung cư, trường học, bệnh viện, hộ gia đình; tích hợp hệ thống phát hiện vị trí cháy, kích hoạt cuộc gọi khẩn cấp đến số điện thoại di động định sẵn và hiển thị vị trí tầng bị cháy lên màn hình tinh thể lỏng (LCD) để người sử dụng phòng tránh.

Nhiệm vụ nghiên cứu được khoanh vùng trong 4 nội dung trọng tâm:

  1. Lập trình thuật toán điều khiển vận hành hệ thống thang máy 4 tầng.
  2. Cảnh báo và hiển thị vị trí vùng nguy hiểm khi phát hiện sự cố cháy nổ.
  3. Thiết lập chế độ ưu tiên vận hành thang máy di chuyển đến vị trí an toàn khi xảy ra sự cố hỏa hoạn.
  4. Tự động kích hoạt cuộc gọi khẩn cấp thông báo tình trạng sự cố đến số thuê bao cài đặt trước.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình phần cứng thang máy 4 tầng, bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-200 CPU 224, vi điều khiển Arduino Uno R3, module truyền thông GSM SIM900A, cảm biến nhiệt độ LM35 và các cảm biến hành trình, cơ cấu chấp hành động cơ.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm và thi công mô hình phần cứng tại Khoa Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM, hoàn thành vào tháng 7 năm 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý luận của nghiên cứu dựa trên các nguyên lý kỹ thuật truyền động điện thang máy, lý thuyết điều khiển tự động lập trình và kỹ thuật ghép nối ngoại vi:

  • Lý thuyết về thang máy: Khái niệm thang máy là thiết bị chuyên dùng vận chuyển người và hàng hóa theo phương thẳng đứng hoặc nghiêng dưới $15^\circ$. Phân loại theo chức năng (chở người, bệnh viện, hầm mỏ, chở hàng), tốc độ (thấp $v = 0{,}5\text{ m/s}$, trung bình $v = 0{,}75 \div 1{,}5\text{ m/s}$, cao $v = 2{,}5 \div 5\text{ m/s}$), tải trọng và vị trí tời kéo. Các tiêu chuẩn an toàn cơ điện bắt buộc gồm: hệ thống phanh điện từ, thắng cơ khí chống rơi cabin khi đứt cáp hoặc chạy quá tốc độ định mức $15%$, cơ chế cứu hộ tự động đưa thang về tầng gần nhất mở cửa khi mất nguồn điện lưới đột ngột, giới hạn gia tốc chuyển động $a < 2\text{ m/s}^2$ để tránh gây khó chịu cho người sử dụng.
  • Khung điều khiển logic khả trình (PLC): Tìm hiểu kiến trúc phần cứng của dòng PLC Siemens S7-200 CPU 224 (sử dụng nguồn DC/DC/DC hoặc AC/DC/RLY), cấu trúc các vùng nhớ chuyên dụng gồm vùng nhớ biến V, vùng đệm đầu vào I, vùng đệm đầu ra Q, bit nội M, vùng đặc biệt SM, bộ định thời T (phân giải $1\text{ ms}$, $10\text{ ms}$, $100\text{ ms}$), bộ đếm C và bộ đếm tốc độ cao HC. Nghiên cứu phương pháp lập trình sơ đồ hình thang (Ladder Logic - LAD) và danh sách lệnh (Statement List - STL), cơ chế quét vòng (scan cycle) và bảng ngăn xếp logic (logic stack S0 đến S8). Cấu hình module mở rộng đầu vào ra EM221, EM223 và giao tiếp nối tiếp chuẩn RS-485 qua cáp PC/PPI.
  • Phần cứng cảnh báo và truyền thông: Kiến trúc vi điều khiển ATmega328P trên nền tảng Arduino Uno R3 với xung nhịp $16\text{ MHz}$, 14 chân Digital I/O (6 chân PWM), 6 chân Analog ngõ vào độ phân giải 10-bit; module viễn thông GSM/GPRS SIM900A Mini phát triển trên chipset SIM900A của hãng SIMCom kết hợp mạch chuyển mức logic TTL/Mosfet; cảm biến nhiệt độ tuyến tính tương tự LM35 với độ nhạy $10\text{ mV/}^\circ\text{C}$, dải điện áp làm việc $4\text{ V} \div 30\text{ V}$, sai số $0{,}5^\circ\text{C}$ tại $25^\circ\text{C}$, dải nhiệt độ đo lường từ $-55^\circ\text{C}$ đến $150^\circ\text{C}$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai là phương pháp thiết kế kỹ thuật - thực nghiệm:

  • Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành về thang máy và tự động hóa công nghiệp.
  • Phương pháp thiết kế phần cứng: Lập sơ đồ nguyên lý mạch điện động lực, mạch điều khiển, mạch cảm biến và gia công cơ khí mô hình kết cấu giếng thang máy 4 tầng.
  • Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống: Viết chương trình điều khiển logic cho PLC S7-200 bằng phần mềm STEP 7 - Micro/WIN và mã nguồn C++ cho Arduino Uno bằng Arduino IDE, thực hiện đo kiểm và nạp mã điều khiển qua cáp truyền thông.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tán gồm hai phân hệ chính: Phân hệ điều khiển vận hành thang máy đảm nhiệm bởi PLC S7-200 CPU 224 và Phân hệ cảnh báo cháy, truyền tin khẩn cấp đảm nhiệm bởi vi điều khiển Arduino Uno R3 kết hợp module SIM900A và cảm biến nhiệt độ LM35.

Quy trình công nghệ vận hành thang máy được xây dựng theo thuật toán phục vụ tối ưu chiều di chuyển:

  • Khi người dùng bấm nút gọi tầng bên ngoài (lên hoặc xuống), đèn tại nút ấn sáng lên để xác nhận lệnh gọi đã được lưu vào bộ nhớ PLC.
  • Khi cabin di chuyển theo một chiều (lên hoặc xuống), hệ thống tự động kiểm tra và ưu tiên đáp ứng các yêu cầu đón/trả khách cùng chiều di chuyển trước. Các yêu cầu ngược chiều sẽ tiếp tục được lưu giữ trong hàng đợi và chỉ được thực thi khi thang kết thúc hành trình hiện tại và đảo chiều chuyển động.
  • Khi cabin đến đúng vị trí tầng nhờ công tắc hành trình tác động, lệnh nhớ của tầng đó được xóa, đèn báo tầng hiển thị số tầng tương ứng, động cơ dừng chuyển động và động cơ mở cửa cabin kích hoạt đưa hành khách ra vào. Sau một khoảng thời gian trễ định sẵn, động cơ đóng cửa sẽ hoạt động để tiếp tục chu trình tiếp theo.

Quy trình phản ứng sự cố hỏa hoạn:

  • Tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ LM35 bố trí tại 4 tầng liên tục được Arduino đọc thông qua các cổng analog. Khi phát hiện nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn tại bất kỳ tầng nào, Arduino xuất tín hiệu cảnh báo ra còi hú, gửi thông tin hiển thị lên màn hình LCD cho biết chính xác tầng đang bị cháy và kích hoạt module SIM900A thực hiện cuộc gọi khẩn cấp đến số điện thoại cài sẵn.
  • Đồng thời, Arduino gửi tín hiệu số cảnh báo cháy tương ứng của từng tầng (từ tầng 1 đến tầng 4) sang các ngõ vào số của PLC (I3.0 đến I3.3).
  • Logic xử lý của PLC khi có tín hiệu báo cháy: Nếu thang máy đang dừng ở tầng không xảy ra cháy và không hoạt động, cửa thang sẽ tự động mở ra để tránh nhốt người bên trong. Nếu thang máy đang chuyển động trong giếng thang, bộ điều khiển sẽ lập tức hủy bỏ các lệnh gọi thông thường, điều khiển cabin di chuyển và dừng ngay tại tầng gần nhất không có cháy, mở cửa cho hành khách thoát ra ngoài và ngừng hoàn toàn hoạt động của hệ thống kéo.

Bảng phân bổ địa chỉ đầu vào và đầu ra cho bộ điều khiển PLC S7-200 được thiết lập chi tiết như sau:

Địa chỉ ngõ vào Tên biến tín hiệu Chức năng chi tiết trong hệ thống
I0.0 Goi_tang_1_di_len Nút gọi thang tại tầng 1 để đi lên
I0.1 Goi_tang_2_di_xuong Nút gọi thang tại tầng 2 để đi xuống
I0.2 Goi_tang_2_di_len Nút gọi thang tại tầng 2 để đi lên
I0.3 Goi_tang_3_di_xuong Nút gọi thang tại tầng 3 để đi xuống
I0.4 Goi_tang_3_di_len Nút gọi thang tại tầng 3 để đi lên
I0.5 Goi_tang_4_di_xuong Nút gọi thang tại tầng 4 để đi xuống
I0.6 Yeu_cau_den_tang_1_BT Nút ấn chọn đến tầng 1 đặt trong buồng thang
I0.7 Yeu_cau_den_tang_2_BT Nút ấn chọn đến tầng 2 đặt trong buồng thang
I1.4 Yeu_cau_den_tang_3_BT Nút ấn chọn đến tầng 3 đặt trong buồng thang
I1.5 Yeu_cau_den_tang_4_BT Nút ấn chọn đến tầng 4 đặt trong buồng thang
I1.0 CTHT_tai_tang_1 Công tắc hành trình định vị cabin tại tầng 1
I1.1 CTHT_tai_tang_2 Công tắc hành trình định vị cabin tại tầng 2
I1.2 CTHT_tai_tang_3 Công tắc hành trình định vị cabin tại tầng 3
I1.3 CTHT_tai_tang_4 Công tắc hành trình định vị cabin tại tầng 4
I2.0 CTHT_ngoai_BT Công tắc hành trình giới hạn mở cửa buồng thang
I2.1 CTHT_trong_BT Công tắc hành trình giới hạn đóng cửa buồng thang
I2.2 Nut_dong_cua_BT Nút bấm cưỡng bức đóng cửa trong buồng thang
I2.3 Nut_mo_cua_BT Nút bấm cưỡng bức mở cửa trong buồng thang
I3.0 su_co_chay_T1 Tín hiệu báo sự cố cháy tại tầng 1
I3.1 su_co_chay_T2 Tín hiệu báo sự cố cháy tại tầng 2
I3.2 su_co_chay_T3 Tín hiệu báo sự cố cháy tại tầng 3
I3.3 su_co_chay_T4 Tín hiệu báo sự cố cháy tại tầng 4
Địa chỉ ngõ ra Tên biến tín hiệu Chức năng chi tiết trong hệ thống
Q0.0 Thang_may_di_xuong Điều khiển rơle/khởi động từ cho động cơ hạ cabin
Q0.1 Thang_may_di_len Điều khiển rơle/khởi động từ cho động cơ nâng cabin
Q0.2 Den_bao_thang_may_dung Đèn chỉ thị trạng thái cabin đang dừng
Q0.3 Den_bao_thang_may_len Đèn chỉ thị thang máy đang di chuyển chiều lên
Q0.4 Den_bao_thang_may_xuong Đèn chỉ thị thang máy đang di chuyển chiều xuống
Q0.5 Dong_co_mo_cua Điều khiển động cơ truyền động mở cửa cabin
Q0.6 Dong_co_dong_cua Điều khiển động cơ truyền động đóng cửa cabin
Q1.0 chuong_bao_qua_nhiet Tín hiệu đóng chuông báo động sự cố quá nhiệt
Q2.0 Den_bao_goi_den_T1 Đèn xác nhận cuộc gọi đến tầng 1
Q2.1 Den_bao_goi_xuong_T2 Đèn xác nhận cuộc gọi đi xuống tại tầng 2
Q2.2 Den_bao_goi_len_T2 Đèn xác nhận cuộc gọi đi lên tại tầng 2
Q2.3 Den_bao_goi_xuong_T3 Đèn xác nhận cuộc gọi đi xuống tại tầng 3
Q3.0 Den_bao_goi_len_T3 Đèn xác nhận cuộc gọi đi lên tại tầng 3
Q3.1 Den_bao_goi_den_T4 Đèn xác nhận cuộc gọi đến tầng 4
Q3.2 Den_bao_YCTM_T1_BT Đèn chỉ thị yêu cầu tầng 1 trong buồng thang
Q3.3 Den_bao_YCTM_T2_BT Đèn chỉ thị yêu cầu tầng 2 trong buồng thang
Q0.7 Den_bao_YCTM_T3_BT Đèn chỉ thị yêu cầu tầng 3 trong buồng thang
Q1.1 Den_bao_YCTM_T4_BT Đèn chỉ thị yêu cầu tầng 4 trong buồng thang

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương mở đầu phân tích bối cảnh phát triển của các công trình nhà cao tầng tại các đô thị lớn ở Việt Nam, khẳng định vai trò cốt lõi của công nghệ tự động hóa và thiết bị thang máy trong việc vận chuyển người và hàng hóa theo chiều đứng. Tác giả chỉ ra các rủi ro hỏa hoạn thường trực tại các tòa nhà cao tầng và sự cấp thiết của việc tích hợp hệ thống phát hiện, báo cháy sớm cho thang máy. Đề tài xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống điều khiển thang máy 4 tầng với điểm mới là khả năng tự động xử lý dừng an toàn khi cháy, hú còi, hiển thị vị trí tầng cháy trên LCD và kích hoạt cuộc gọi khẩn cấp qua mạng viễn thông di động. Các mục tiêu và giới hạn kỹ thuật được phân định rõ ràng nhằm đảm bảo tính khả thi trong thời gian nghiên cứu.

Chương 2: Cơ sở lý luận về hệ thống thang máy bốn tầng

Nội dung chương 2 trình bày có hệ thống các kiến thức lý thuyết nền tảng phục vụ tính toán và thiết kế:

  • Tổng quan về thang máy: Khái niệm kỹ thuật, phân loại chi tiết theo mục đích công năng, vận tốc hoạt động và tải trọng chuyên chở. Phân tích kết cấu cơ khí giếng thang gồm ray dẫn hướng, đối trọng, puli quấn cáp, cabin, hệ thống kẹp ray và thắng cơ. Tác giả nhấn mạnh các tiêu chuẩn an toàn chuyển động với gia tốc giới hạn $a < 2\text{ m/s}^2$ nhằm bảo vệ sức khỏe người đi thang và quy trình an toàn chống đứt cáp hoặc mất điện lưới đột ngột.
  • Tổng quan về thiết bị PLC: Lịch sử hình thành từ yêu cầu của hãng General Motors năm 1968, ưu điểm so với tủ điều khiển rơle truyền thống về tính linh hoạt, khả năng mở rộng và độ ổn định cao trong công nghiệp. Phân tích kiến trúc phần cứng của PLC Siemens S7-200 CPU 224, bản đồ bộ nhớ (V, I, Q, M, SM, T, C), tập lệnh điều khiển, cách định địa chỉ các module mở rộng EM221 và EM223, cơ chế truyền thông công nghiệp chuẩn RS-485 và cáp PC/PPI.
  • Phần cứng cảnh báo và cảm biến: Thông số kỹ thuật chi tiết của kit phát triển vi điều khiển Arduino Uno R3 (chip ATmega328P, bộ nhớ flash $32\text{ KB}$, $2\text{ KB}$ SRAM), module truyền thông di động GSM/GPRS SIM900A Mini (điện áp $5\text{ V}$, mức tín hiệu TTL, kết hợp tập lệnh AT) và nguyên lý đo nhiệt của cảm biến tương tự LM35.

Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình thang máy bốn tầng và mạch báo cháy

Chương 3 là phần trọng tâm kỹ thuật của khóa luận, mô tả toàn bộ quá trình thi công cơ - điện và lập trình điều khiển:

  • Trình bày mô hình thang máy 4 tầng thực tế hoàn chỉnh, kết nối cơ cấu cơ khí nâng hạ cabin thông qua động cơ kéo và hệ thống cửa tầng, cửa cabin.
  • Mô tả chi tiết quy trình công nghệ vận hành thang máy với các kịch bản đón khách A, B, C theo chiều ưu tiên và lưu hàng đợi khi cabin di chuyển.
  • Xây dựng bảng gán địa chỉ 20 ngõ vào số và 16 ngõ ra số cho PLC S7-200 CPU 224 để quản lý các nút gọi tầng, nút gọi trong cabin, công tắc hành trình vị trí tầng, công tắc cửa và 4 ngõ nhận tín hiệu cháy tầng.
  • Thiết lập lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể cho thang máy và lưu đồ xử lý cho mạch báo cháy.
  • Biên soạn chương trình điều khiển dạng LAD trên phần mềm STEP 7 - Micro/WIN cho PLC và mã điều khiển cho Arduino để kết nối đọc tín hiệu cảm biến nhiệt độ LM35, điều khiển còi hú, xuất dữ liệu lên màn hình LCD và gửi lệnh AT cho module SIM900A kích hoạt cuộc gọi thoại cảnh báo cháy.

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả kỹ thuật đã hoàn thành sau quá trình nghiên cứu và thi công thực tế. Tác giả tự đánh giá các kiến thức lý thuyết và thực tiễn thu nhận được về lập trình PLC, vi điều khiển và thiết kế cơ điện; đồng thời đề xuất các định hướng nghiên cứu nhằm nâng cấp và hoàn thiện hệ thống trong giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm với những kết quả cụ thể:

  • Chế tạo thành công mô hình cơ khí thang máy 4 tầng hoạt động ổn định, có kết cấu dẫn hướng, cabin, đối trọng và hệ thống truyền động động cơ cửa đóng/mở tự động.
  • Hệ thống hóa và tích hợp thành công hai cấp điều khiển: PLC Siemens S7-200 CPU 224 quản lý logic vận hành chuyển tầng chính xác theo 20 đầu vào và 16 đầu ra đã phân công; Arduino Uno R3 phối hợp module SIM900A Mini và 4 cảm biến LM35 thực hiện nhiệm vụ giám sát nhiệt độ môi trường liên tục.
  • Hoàn thiện thuật toán điều khiển thích ứng khi xảy ra sự cố hỏa hoạn:
    • Khi xuất hiện sự cố quá nhiệt tại tầng bất kỳ, còi báo động được kích hoạt tức thì và màn hình LCD hiển thị chính xác vị trí tầng đang bị cháy.
    • Module SIM900A tự động thực hiện cuộc gọi khẩn cấp thông báo tình trạng sự cố đến số thuê bao di động định trước.
    • Phân hệ thang máy phản ứng chính xác theo thuật toán an toàn: Nếu cabin đang ở tầng không cháy và không tải thì lập tức mở cửa; nếu thang đang chuyển động thì tự động giảm tốc, dừng tại tầng gần nhất mở cửa đưa người thoát hiểm và khóa toàn bộ hoạt động của hệ thống kéo.

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật các linh kiện cốt lõi được tác giả khai thác trong đề tài:

Thiết bị / Linh kiện Hãng sản xuất / Chipset Thông số kỹ thuật ghi nhận trong văn bản
PLC S7-200 Siemens (CPU 224) Tích hợp cổng RS-485, hỗ trợ tốc độ truyền PPI 9600 baud (tự do 300 - 38400 baud); 256 bộ Timer (loại $1\text{ ms}$, $10\text{ ms}$, $100\text{ ms}$); bộ nhớ duy trì 190 giờ khi mất nguồn
Vi điều khiển Arduino Uno R3 (ATmega328P) Xung nhịp $16\text{ MHz}$; 14 chân Digital I/O (6 chân PWM); 6 chân Analog 10-bit; Bộ nhớ Flash $32\text{ KB}$, SRAM $2\text{ KB}$, EEPROM $1\text{ KB}$
Module truyền thông SIM900A Mini (SIMCom) Mạng GSM/GPRS, nguồn cấp $5\text{ VDC}$, mức logic TTL, tích hợp Mosfet chuyển mức tốc độ cao và IC MAX232
Cảm biến nhiệt LM35 Cảm biến tương tự, điện áp vào $4\text{ V} \div 30\text{ V}$, sai số $0{,}5^\circ\text{C}$ tại $25^\circ\text{C}$, độ phân giải ngõ ra $10\text{ mV/}^\circ\text{C}$, tiêu thụ $60\ \mu\text{A}$

Đóng góp kỹ thuật mà tác giả tự nêu: Đề tài đã đề xuất và chứng minh được tính khả thi của giải pháp kết hợp giữa PLC công nghiệp và vi điều khiển nhúng giá rẻ (Arduino, SIM900A) để nâng cao độ an toàn cho hệ thống thang máy nội địa với giá thành hợp lý, dễ vận hành, lắp đặt và đạt độ tin cậy cảnh báo cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế ghi nhận trong văn bản:

  • Do thời gian thực hiện đề tài có hạn và lĩnh vực thang máy thuộc chuyên môn tự động hóa hiện đại phức tạp, nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm 4 tầng, chưa được thử nghiệm trong môi trường vận hành thực tế tại các công trình xây dựng.
  • Hệ thống phát hiện hỏa hoạn mới chỉ dựa trên một thông số đầu vào duy nhất là tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến LM35, chưa tích hợp các kênh cảm biến môi trường quan trọng khác như khói hay nồng độ khí gas.

Hướng nghiên cứu tiếp được nhóm tác giả đề xuất:

  • Mở rộng hệ thống cảm biến báo cháy bằng cách bổ sung cảm biến phát hiện khói kết hợp với cảm biến nhiệt độ nhằm tăng độ nhạy và khả năng phát hiện đám cháy ngay từ giai đoạn âm ỉ ban đầu.
  • Nâng cấp kết cấu cơ khí và cơ cấu chấp hành theo tiêu chuẩn công nghiệp nhằm nâng cao tính thẩm mỹ và độ vững chắc của mô hình.
  • Mở rộng số tầng phục vụ của thang máy lên quy mô lớn hơn để kiểm nghiệm độ phức tạp của thuật toán điều khiển hàng đợi.
  • Phát triển thêm tính năng giám sát và điều khiển tập trung từ xa qua máy tính hoặc mạng truyền thông công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử cũng như các kỹ thuật viên thi công tủ điện:

  • Giá trị tham khảo về phần cứng: Cung cấp phương pháp thiết kế phân công đầu vào ra (I/O map) chi tiết cho PLC S7-200 kết hợp giải pháp ghép nối tín hiệu liên kết giữa hai nền tảng PLC công nghiệp và vi điều khiển nhúng qua các mức logic an toàn.
  • Giá trị tham khảo về thuật toán: Phần quy trình công nghệ và lưu đồ thuật toán điều khiển phục vụ ưu tiên cùng chiều của thang máy là tư liệu trực quan, thực tế cho các đồ án môn học PLC, đồ án tốt nghiệp tự động hóa tòa nhà.
  • Giá trị ứng dụng cảnh báo: Cung cấp sơ đồ kết nối và tập lệnh điều khiển module SIM900A phục vụ bài toán gửi thông báo, kích hoạt cuộc gọi khẩn cấp qua mạng viễn thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Thang máy sẽ xử lý như thế nào nếu đang di chuyển giữa các tầng mà có sự cố báo cháy xảy ra?
Theo thuật toán được tác giả thiết lập, nếu thang máy đang chuyển động khi nhận được tín hiệu báo cháy từ Arduino (thông qua các ngõ vào I3.0 đến I3.3), hệ thống sẽ lập tức hủy bỏ các lệnh gọi tầng hiện tại, điều khiển cabin chuyển sang tốc độ thấp và dừng ngay tại tầng gần nhất không xảy ra cháy, tự động mở cửa cho hành khách ra ngoài và sau đó ngắt điện dừng toàn bộ hoạt động của thang.

2. Khóa luận sử dụng bao nhiêu đầu vào/ra số trên PLC Siemens S7-200 CPU 224 để vận hành mô hình thang máy 4 tầng?
Hệ thống sử dụng tổng cộng 20 đầu vào số (từ I0.0 đến I3.3) để nhận tín hiệu từ các nút gọi tầng ngoài, nút ấn trong cabin, công tắc hành trình giới hạn tầng, công tắc cửa và 4 ngõ nhận báo cháy tầng. Đồng thời, hệ thống sử dụng 16 đầu ra số (từ Q0.0 đến Q3.3) để điều khiển động cơ nâng hạ cabin, động cơ đóng/mở cửa, chuông báo quá nhiệt và hệ thống đèn báo trạng thái, đèn gọi tầng.

3. Cảm biến LM35 được sử dụng với thông số kỹ thuật và vai trò gì trong đề tài?
Cảm biến nhiệt độ LM35 là loại cảm biến tương tự có điện áp ngõ ra thay đổi tuyến tính với hệ số $10\text{ mV/}^\circ\text{C}$, hoạt động trong dải điện áp $4\text{ V} \div 30\text{ V}$, độ chính xác $0{,}5^\circ\text{C}$ tại $25^\circ\text{C}$ và tiêu thụ dòng $60\ \mu\text{A}$. Cảm biến được gắn tại từng tầng để đo nhiệt độ môi trường xung quanh, đưa tín hiệu analog về Arduino xử lý nhằm kích hoạt cảnh báo khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn.

4. Tại sao tác giả kết hợp vi điều khiển Arduino Uno R3 với PLC S7-200 thay vì xử lý toàn bộ trên PLC?
Trong thiết kế của đề tài, PLC S7-200 CPU 224 được tối ưu hóa cho nhiệm vụ điều khiển tuần tự công nghiệp các cơ cấu chấp hành cơ điện với độ tin cậy cao. Vi điều khiển Arduino Uno R3 được bổ sung để xử lý các tác vụ ngoại vi chi phí thấp mà dòng PLC CPU 224 cơ bản không có sẵn như: đọc tín hiệu analog từ nhiều cảm biến nhiệt độ LM35, xuất dữ liệu văn bản lên màn hình LCD và giao tiếp nối tiếp UART điều khiển module SIM900A thực hiện cuộc gọi khẩn cấp.

5. Cơ chế an toàn cơ khí của thang máy được tác giả trình bày gồm những bộ phận nào?
Về an toàn cơ khí, hệ thống thang máy được trang bị hệ thống ray dẫn hướng, đối trọng giúp cân bằng tải, bộ hạn chế tốc độ (governor) tác động kẹp hãm từ từ khi cabin vượt quá $15%$ vận tốc định mức, cơ cấu thắng cơ bảo hiểm nêm chặt cabin vào ray dẫn hướng trong trường hợp bị đứt cáp hoặc vượt tốc nguy hiểm, cùng hệ thống cửa cabin và cửa tầng có khóa liên động đảm bảo chỉ mở khi cabin dừng đúng sàn tầng.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Võ Chí Điền và Võ Hồng Dũng đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế và chế tạo mô hình thang máy 4 tầng tích hợp chức năng ứng phó hỏa hoạn tự động. Bằng việc kết hợp hiệu quả giữa PLC Siemens S7-200 CPU 224 cho phần điều khiển động lực và Arduino Uno R3 cùng module SIM900A cho phân hệ giám sát nhiệt độ và cảnh báo từ xa, đề tài đã giải quyết thành công bài toán ưu tiên đưa cabin về nơi an toàn khi có cháy. Kết quả nghiên cứu cung cấp một tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh về sơ đồ đấu nối, bảng phân công I/O và thuật toán điều khiển, đóng góp giá trị tham khảo thiết thực cho công tác giảng dạy, học tập chuyên ngành Tự động hóa và Điện công nghiệp.