Đồ án tốt nghiệp: Mô hình thang máy điều khiển bằng PLC FX3U-48M

Trọn bộ đồ án tốt nghiệp mô hình thang máy điều khiển bằng PLC. Báo cáo chi tiết phần cứng, phần mềm và lưu đồ giải thuật với PLC FX3U-48M.

• Tác giả: Hà Quang Bình
• Người hướng dẫn: Ths. Trương Thu Hiền
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Mô Hình Thang Máy Điều Khiển Bằng PLC
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Hình Thang Máy Điều Khiển Bằng PLC

Mô hình thang máy điều khiển bằng PLC là một đồ án tốt nghiệp được phát triển tại Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh, chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Đây là một hệ thống mô phỏng thu nhỏ sử dụng PLC FX3U-48M để lập trình quá trình điều khiển hoạt động thang máy. Mô hình được thiết kế với hai công đoạn chính: gọi tầng và chọn tầng, cho phép mô phỏng lại quy trình kéo hạ cabin bằng động cơ DC giảm tốc. Hệ thống có khả năng xử lý các vật mẫu từ 1kg đến hơn 3kg, kết hợp với chế độ chọn tầng tự động và cửa đóng mở điều khiển bằng PLC. Đây là một giải pháp tiêu biểu cho ứng dụng công nghệ tự động hóa trong thực tế công nghiệp hiện đại.

1.1. Đặc Điểm Nổi Bật Của Hệ Thống

Mô hình này nổi bật với việc sử dụng PLC FX3U-48M - một bộ điều khiển lập trình có hiệu suất cao. Hệ thống được tích hợp với động cơ DC giảm tốc 12V, các công tắc hành trình, cảm biến hồng ngoại, và contactor LC1 D096BD. Các thành phần này hoạt động phối hợp để thực hiện các chức năng điều khiển lên, xuống, dừng, và mở đóng cửa tự động. Thiết kế PLC cho phép lập trình linh hoạt, dễ bảo trì, và có khả năng tích hợp cao với các hệ thống khác.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Công Nghệ PLC

Công nghệ PLC trong điều khiển thang máy đang được ứng dụng rộng rãi tại các khách sạn, bệnh viện, tòa nhà cao tầng, và trung tâm thương mại. Hệ thống PLC cho phép quản lý hiệu quả các tầng, tối ưu hóa thời gian chờ, và đảm bảo an toàn cao. Với khả năng lập trình tùy chỉnh, PLC FX3U-48M có thể xử lý các logic điều khiển phức tạp, giám sát nhiều cảm biến đồng thời, và thực hiện các hành động tự động theo thứ tự ưu tiên được lập trình sẵn.

II. Thiết Kế Phần Cứng Và Các Thành Phần Chính

Thiết kế phần cứng của mô hình thang máy PLC bao gồm một khung cơ khí được xây dựng từ sắt V lỗ 3x3cm và thanh ray nhôm. Hệ thống cấp nguồn gồm bộ nguồn 24VDC và bộ nguồn 12VDC, được bảo vệ bởi các CB (Circuit Breaker) DACO chuyên dụng. Cabin thang máy được thiết kế với kích thước thu nhỏ, tích hợp với cảm biến hồng ngoại để phát hiện vị trí và nút nhấn điều khiển màu sắc khác nhau. Tủ điện chứa PLC FX3U-48M, các contactor LC1, công tắc, và bộ phân phối dây điện. Động cơ DC giảm tốc được lựa chọn với công suất phù hợp để kéo cabin lên xuống một cách mềm mại và an toàn.

2.1. Hệ Thống Cấp Nguồn Và Bảo Vệ

Hệ thống cấp nguồn PLC sử dụng hai bộ nguồn tổ ong: 24V 5A cho các cảm biến và 12V 15A cho động cơ DC giảm tốc. Mỗi đường nguồn PLC được bảo vệ bởi CB bảo vệ DACO DCP52DR có công suất khác nhau. Thiết kế này đảm bảo an toàn điện, ngăn ngừa quá tải, và bảo vệ các thiết bị điều khiển PLC khỏi hư hỏng do dòng điện quá lớn hoặc biến động điện áp.

2.2. Các Thiết Bị Điều Khiển Và Cảm Biến

Công tắc hành trình được lắp đặt tại các vị trí chính để phát hiện cabin ở vị trí cuối. Cảm biến hồng ngoại giúp phát hiện sự có mặt của vật thể hoặc cabin ở các điểm quan trọng. Nút nhấn nhả LA38 với đèn báo màu khác nhau (đỏ, xanh lá, xanh dương, vàng) cho phép người dùng gọi tầng hoặc điều khiển chức năng khác. Contactor LC1 D096BD được sử dụng để chuyển mạch cho động cơ DC, trong khi nút dừng khẩn cấp LA38-11ZS đảm bảo an toàn tối đa.

III. Thiết Kế Phần Mềm Và Lập Trình PLC

Phần mềm điều khiển được lập trình sử dụng phần mềm GX Work 2, một công cụ chuyên dụng cho lập trình PLC Mitsubishi FX. Hệ thống lập trình PLC được thiết kế dựa trên logic điều khiển rõ ràng với các bảng ghi địa chỉ vào ra chính xác. Lưu đồ giải thuật mô tả chi tiết quá trình hoạt động: bắt đầu từ khởi động, gọi tầng, di chuyển cabin, dừng ở tầng đúng, mở cửa, và quay trở lại trạng thái chờ. Chương trình PLC được phân chia thành các sub-routine riêng như chạy sản xuất F1, mở cửa, chạy kết thúc F3, và xử lý lỗi. Qua đó, hệ thống PLC đảm bảo sự phối hợp hoàn hảo giữa các thiết bị và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn.

3.1. Bảng Địa Chỉ Vào Ra Của PLC

Bảng ghi địa chỉ vào ra PLC xác định các đầu vào Digital Input (DI) từ các công tắc, nút nhấn, và cảm biến, cũng như các đầu ra Digital Output (DO) điều khiển contactor, đèn báo, và các thiết bị khác. Mỗi địa chỉ PLC được gán duy nhất để tránh xung đột và đảm bảo lập trình logic chính xác. Ví dụ, DI0 có thể là nút gọi tầng 1, DI1 là nút gọi tầng 2, DO0 điều khiển chiều lên của động cơ DC, và DO1 điều khiển mở cửa.

3.2. Thuật Toán Điều Khiển Và Lưu Đồ

Lưu đồ giải thuật thang máy PLC bắt đầu với khởi động hệ thống, tiếp theo là vòng lặp chính chờ tín hiệu từ nút nhấn. Khi người dùng nhấn nút, chương trình PLC lưu trữ yêu cầu tầng, kiểm tra vị trí hiện tại, và xác định hướng di chuyển. Hệ thống PLC sau đó điều khiển contactor để kích động động cơ DC, giám sát cảm biến để phát hiện tầng đích, và lệnh dừng khi đến vị trí. Cuối cùng, cửa mở tự động, chờ một thời gian, rồi đóng lại trước khi bắt đầu chu kỳ mới.

IV. Lắp Ráp Kiểm Tra Và Kết Quả Hoạt Động

Quá trình lắp ráp mô hình thang máy PLC bao gồm nhiều bước chi tiết: lắp khung cơ khí, lắp cabin với hệ thống dây kéo, tạo lắp đối trọng thang máy để cân bằng lực, cài đặt cảm biến hồng ngoại và công tắc hành trình, và xây dựng tủ điện chứa PLC FX3U-48M cùng các thiết bị bảo vệ. Sau khi lắp ráp phần cứng PLC hoàn tất, tiến hành kiểm tra điện để đảm bảo không có chập mạch, rồi nạp chương trình PLC vào bộ điều khiển. Kết quả hoạt động thực tế cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, cabin di chuyển trơn tru, phát hiện tầng chính xác, cửa mở đóng đúng thời hạn, và các chức năng an toàn hoạt động như mong đợi. Mô hình thang máy PLC này thành công minh chứng hiệu quả của công nghệ tự động hóa hiện đại.

4.1. Các Bước Chế Tạo Và Lắp Đặt Hệ Thống PLC

Chế tạo mô hình thang máy PLC bắt đầu với việc cắt ghép các thanh sắt V lỗ 3x3cm theo bản vẽ thiết kế để tạo khung chính. Tiếp theo, lắp cabin thang máy với cửa tự động, hệ thống dây kéo, và đối trọng được thiết kế cân bằng. Tủ điện PLC được xây dựng song song với việc chuẩn bị các thiết bị điều khiển. Cuối cùng, nạp chương trình PLC vào bộ điều khiển FX3U-48M và kiểm tra từng chức năng để đảm bảo toàn bộ hệ thống hoạt động đúng quy trình.

4.2. Đánh Giá Kết Quả Và Hướng Phát Triển

Đánh giá kết quả của mô hình thang máy PLC cho thấy hệ thống đạt được các mục tiêu đề ra, bao gồm điều khiển chính xác, an toàn, và hiệu quả. Các hạn chế hiện tại là mô hình chỉ có 2 tầng, không có hệ thống dự phòng, và chương trình PLC chưa tích hợp giám sát remote. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm mở rộng thành 4-6 tầng, thêm hệ thống dự phòng, tích hợp IoT để quản lý PLC từ xa, và xây dựng giao diện SCADA để giám sát toàn bộ hệ thống điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Thực trạng của ngành thang máy Thang máy là một loại phương tiện vận chuyển người, vật dụng rất phổ biến và quan trọng trong các khu chung cư, nhà hàng, khách sạn, trung tâm thương mại … nó có tần suất lưu thông không hề thua kém bất kì loại phương tiện giao thông nào hiện nay. Ngày nay, thang máy và máy nâng được sử dụng rộng rãi 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…. Ở những nơi đó thang máy và máy nâng được sử dụng để vận chuyển hàng hóa, sản phẩm, đưa công nhân tới nơi làm việc có tốc độ cao khác nhau…. Nó đã thay thế sức lực của con người và mang lại năng suất cao.

Trong sinh hoạt dân dụng, thang máy được lắp đặt và sử dụng rộng rãi trong các tòa nhà cao tầng, trong các khách sạn, siêu thị, công sở và trong các bệnh viện…Hệ thống thang máy đã giúp con người tiết kiệm được nhiều thời gian và sức lực… Ngoài ý nghĩa vận chuyển, thang máy còn là một trong những yếu tố làm tăng vẻ đẹp và tiện nghi của công trình. Nhiều quốc gia trên thế giới đã quy định đối với các toà nhà cao trên 6 tầng trở lên phải được trang bị thang máy để đảm bảo 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 công trình chiếm khoảng 6% đến 7% là hợp lý. Đối với những công trình đặc biệt như bệnh viện, nhà máy, khách sạn… tuy số tầng nhỏ hơn 6 nhưng do yêu cầu phục vụ vẫn phải được trang bị thang máy.

Với các nhà nhiều tầng có chiều cao lớn hơn thì việc trang bị thang máy là bắt buộc để phục vụ cho việc đi lại và vận chuyển hàng hóa trong nhà. Nếu vấn đề này không được giải quyết thì các dự án xây dựng các tòa nhà cao tầng sẽ không thành hiện thực. 2 Thang máy chỉ có cabin đẹp, sang trọng, thông thoáng, êm dịu thì chưa đủ điều kiện để đưa vào sử dụng mà còn phải đầy đủ các thiết bị an toàn, đảm bảo độ tin cậy như: điện chiếu sáng dự phòng khi mất điện, điện thoại nội bộ (Interphone), chuông 3 báo, bộ hãm bảo hiểm, an toàn cabin (đối trọng), công tắc an toàn của cửa cabin, khoá an toàn cửa tầng, bộ cứu hộ khi mất nguồn điện…. 1 Thang máy bằng kính tại khách sạn Atlanta Marriott Marquis (Atlanta, Georgia, Hoa Kỳ) Hình 1.

2 Cabin thang máy Mitsubishi 3 1.2 Tổng quan về thang máy Thang máy hiện nay đã được thiết kế và chế tạo rất đa dạng với nhiều kiểu, nhiều loại khác nhau để phù hợp với mục đích sử dụng của từng công trình. Thang máy có thể phân loại thành rất nhiều loại tuỳ thuộc vào các tính chất, chức năng như: phân loại theo hệ dẫn động cabin, theo vị trí đặt bộ kéo tời, theo hệ thống vận hành, theo công dụng… 1.1 Thang máy gia đình  Thang gia đình model series SVC200 Hình 1. 3 Thang máy gia đình SVC200 Thang máy gia đình được sử dụng phổ biến hiện nay, dù là nhà có diện tích nhỏ hẹp đều có thể thiết kế và lắp đặt một chiếc thang máy nhỏ gọn. Đáp ứng nhu cầu, phù hợp tài chính cũng như diện tích cho ngôi nhà.

4 Thang máy gia đình thích hợp sử dụng cho hộ gia đình có người già, người khuyết tật hoặc đơn thuần là tối ưu cho việc di chuyển giữa các tầng.  Tính năng: Bảng điều khiển trong phòng thang và nút bấm gọi tầng, thiết kế đơn giản giúp: dễ hiểu, dễ nhìn thấy, dễ sử dụng Âm thanh điện tử phát ra giúp xác nhận lệnh gọi tầng hoặc việc chọn tầng yêu cầu đã được kích hoạt thành công Chiều cao trần phòng thang và chiều cao lối ra vào có thể mở rộng thêm 100mm tăng thêm không gian thoáng mát, rộng rãi. Dùng hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED giúp tiết kiệm điện và kéo dài tuổi thọ bóng đèn. Dừng tầng khẩn cấp khi có lỗi nguồn điện.

Đèn phát sáng trong cabin khi có sự cố lỗi nguồn điện. Chùm tia hồng ngoại cảm biến, từ 10-1580 mm phủ dọc theo cửa tầng tác dụng phát hiện vật cản ở cửa và mở cửa cho hành khách ra vào thang. Trong trường hợp hệ thống điều khiển thang bị lỗi làm mạch điện và thắng đơn cũng lỗi theo, thang có dấu hiệu di chuyển bất thường hoặc vừa di chuyển vừa mở cửa, UCMP được kích hoạt với mạch điện độc lập, thắng kép và công tắc thắng bổ trợ để tạm dừng thang lại. Bảo vệ an toàn ra vào cửa tầng.

Thiết bị này nằm trên mép cửa, nếu chạm vào sẽ đẩy cửa ra để hành khách đi ra vào cabin an toàn.2 Thang máy chuyên dụng phục vụ cho bệnh viện  Thang Máy NEXIEZ-MR dùng trong bệnh viện Hình 1. 4 Thang máy NEXIEZ-MR NEXIEZ-MR Hospital: là thiết kế chuyên dụng trong ngành y tế và sức khoẻ, nhờ tính năng thiết thực với yêu cầu sử dụng, kỹ thuật thao tác tiện lợi - vận hành êm ái và an toàn. Một số chức năng nổi bật và đặc thù dành cho đối tượng chuyên chở đặc biệt như bệnh nhân, thiết bị y tế, băng ca, giường bệnh…  Tính năng: An toàn: giữ trạng thái cửa mở ra lâu hơn để vận chuyển bệnh nhân, giường bệnh, xe đẩy, băng ca… ra vào phòng thang. 6 Thiết bị an toàn kỹ thuật tựa như thanh chắn cửa này sẽ ngăn chặn việc cửa đang đóng lại giúp đối tượng ra vào dễ dàng, tránh va chạm với cửa tầng.

2 MODELS chuẩn B750, B1000: Đáp ứng chuyên chở tất cả loại giường bệnh kích thước tiêu chuẩn Việt Nam. 2 MODELS mở rộng 1000 kg, 1350 kg: cabin rộng, phù hợp đa dạng nhu cầu như chở 1 giường/thiết bị y tế, 1 giường + 1 cáng cứu thương. Có chức năng từ chối các cuộc gọi từ bên ngoài để ưu tiên vận chuyển bệnh nhân, thiết bị cấp cứu đi thẳng đến tầng yêu cầu.3 Thang tải thực phẩm  Thang tải thực phẩm Ryoden Dumbwaiter G-Series  Tính năng: - Vận hành êm ái, dễ dàng thao tác - Hạn chế hư hỏng thang và hàng hóa, tai nạn. - Kiểm soát vị trí dừng tầng chính xác của thang bất kể tải trọng lớn nhỏ.

- 5 mức biến hóa chiều cao trong thang khác nhau, cho phép sắp xếp các ngăn chứa linh hoạt tùy theo hình dạng của hàng hóa. - Cửa thang tự động đóng mở cùng lúc khi thang đến tầng phục vụ được người dùng dùng tay mở lớp cửa ngoài cửa thang. - Kiểm soát hoạt động của lồng thang đồng bộ với trạng thái đóng mở cửa. Bảo vệ người sử dụng và hàng hóa an toàn.

- Bảo vệ hàng hóa không bị rớt ra khỏi lồng thang, tránh làm hỏng giá/khay đựng hàng. - Cửa khóa cho đến khi thang di chuyển đến tầng. Tránh tai nạn do bất cẩn và bảo đảm hàng hóa giữ nguyên trạng thái như lúc chuyển vào đến khi chuyển ra.4 Thang máy chở hàng  Thang máy tải hàng GFC - L2/L3 Hình 1. 5 Thang máy chở hàng GFC –L2/L3 Thang máy tải hàng là hệ thống thang được thiết kế chuyên dùng cho vận chuyển hàng hóa, vật tư, thiết bị hoặc xe ô tô lên các tầng cao của tòa nhà.

Với mục đích riêng của mình, thang máy vận chuyển hàng hóa có kích thước lớn hơn để vận chuyển hàng dễ dàng và có tải trọng lớn hơn nhiều so với một thang máy chở khách thông thường. Đặc thù của thang chở hàng là có tốc độ thấp hơn so với thang máy chở khách, nhưng có thể chịu lực tiếp điểm tải nặng. Thang máy tải hàng khi hoạt động ổn định, tin cậy và an toàn giúp cho dây chuyền sản xuất của doanh nghiệp đạt hiệu quả, giúp cho việc xuất – nhập hàng đúng kế hoạch. Với thiết kế đặc biệt để chịu được vật nặng, Mitsubishi giới thiệu Series GFC- L2/L3 chuyên dùng chở hàng, bền và an toàn.

Hàng hóa với nhiều loại kích thước từ trung bình đến lớn đều có thể vận chuyển được với GFC-L2/L3. 8 GFC-L2/L3 được dùng ở các nhà máy, xí nghiệp, cửa hàng, siêu thị và nhà kho. Trong tương lai gần, thang này cũng dùng nhiều cho các garage ô tô, bãi đậu xe trên cao… 1.3 Xác định mục tiêu và giới hạn đề tài 1.1 Mục tiêu - Mục tiêu là thiết kế lắp ráp mô hình theo kích thước phù hợp. - Mô hình thang máy tự động theo kích thước, độ lớn, hoạt động ổn định, dễ dàng sử dụng.

- Mô hình đảm bảo an toàn điện. - Dựa trên các cơ sở hệ thống có thể tính toán, thiết kế và thi công mô hình. - Hệ thống hoàn thiện có khả năng đưa vật mẫu đến các tầng mong muốn.2 Giới hạn đề tài - Sử dụng đối trọng cho thang máy. - Làm mô hình thu nhỏ với kích thước phù hợp.

- Mô hình có 4 tầng thang. - Hệ thống nút nhấn đóng cửa, mở cửa, chọn tầng, báo chuông trong cabin và hệ thống nút gọi tầng ngoài thang. - Sử dụng contactor, relay trung gian, PLC FX3U-48MR, CB, công tắc hành trình và cảm biến quang. - Thang máy tải trọng thấp.3 Đối tượng nghiên cứu - Bộ điều khiển trung tâm: PLC FX3U-48MR - Phần mềm lập trình PLC GX Works 2 - Các cơ cấu chấp hành: động cơ DC giảm tốc - Bộ chuyển đổi nguồn 24 VDC và 12 VDC - Nguồn cấp điện cho hệ thống 220 VAC - Thiết kế lắp đặt hệ thống điện - Cơ cấu, nguyên lý hoạt động cơ khí của hệ thống 9 1.4 Phạm vi nghiên cứu - Đấu nối phần cứng và kiểm tra I/O - Thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển - Xây dựng giải thuật và chương trình điều khiển - Lập trình trên PLC điều khiển mô hình thang máy - Các thiêt bị điện, động cơ phù hợp phù hợp 1.4 Khái quát hệ thống dự kiến 1.