Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa hiện đại, nhu cầu sử dụng thang máy gia tăng nhanh chóng tại các tòa nhà cao tầng, khu công nghiệp, dịch vụ và khu nhà ở dân dụng. Đối với loại hình chung cư mini có quy mô 10 tầng, việc trang bị hệ thống thang máy vận chuyển người và hàng hóa là yêu cầu thiết yếu nhằm giảm tải việc di chuyển bằng cầu thang bộ, rút ngắn chu kỳ vận chuyển và nâng cao năng suất sử dụng không gian. Thang máy là thiết bị chuyên dụng hoạt động theo phương thẳng đứng hoặc có góc nghiêng dưới 15 độ, có tần suất đóng mở liên tục và yêu cầu nghiêm ngặt về độ tin cậy cũng như tính an toàn đối với tính mạng, tài sản của con người.

Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội của sinh viên Nguyễn Mạnh Thức (hướng dẫn: Th.S Phạm Thị Hồng Hạnh, năm 2024) tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho hệ thống điều khiển thang máy chung cư mini. Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Nắm vững và áp dụng đúng các quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn và nguyên tắc vận hành thang máy chở người.
  2. Ứng dụng bộ điều khiển logic khả trình (PLC), hệ thống cảm biến đo lường, các cơ cấu chấp hành và thiết bị bảo vệ điện vào sơ đồ điều khiển thực tế.
  3. Phân tích, tính toán lựa chọn và cấu hình chuẩn xác các phần tử thiết bị phần cứng trong hệ thống.
  4. Xây dựng thuật toán, viết chương trình điều khiển trên phần mềm GX Works 2 và thiết kế giao diện giám sát, vận hành hệ thống trên môi trường HMI (GT Designer 3).

Nhiệm vụ và nội dung triển khai của đề tài bao gồm:

  1. Tổng quan hệ thống thang máy 10 tầng với thông số tải trọng không quá 700 kg, không gian cabin chứa hàng hóa có kích thước tối đa $1400 \times 1500 \times 2000\text{ mm}$ (rộng – sâu – cao).
  2. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng dòng PLC Mitsubishi FX1N, phần mềm lập trình GX Works 2 cùng các khối chức năng điều khiển.
  3. Thiết lập các sơ đồ nguyên lý mạch lực, mạch điều khiển, tính chọn bảo vệ khí cụ điện và bố trí hệ thống cảm biến.
  4. Xây dựng chương trình điều khiển hoàn chỉnh, mô phỏng các chế độ vận hành (bình thường, dừng tầng, mở cửa, xử lý sự cố kẹt cửa và quá tải) cùng mô hình thực nghiệm.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống thang máy điện dẫn động cáp kéo có đối trọng phục vụ tòa nhà chung cư mini 10 tầng, giới hạn tải trọng $\le 700\text{ kg}$, sử dụng bộ điều khiển trung tâm PLC Mitsubishi và hệ biến tần điều khiển tốc độ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đề tài vận dụng tổng hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành, lý thuyết điều khiển tự động hóa công nghiệp và phương pháp tính toán hệ truyền động điện:

  • Hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật: Đồ án áp dụng Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5744 - 1993 quy định về an toàn thang máy. Cụ thể, độ chính xác dừng buồng thang đối với thang chở người có tải trọng đến 1000 kg dùng động cơ 2 tốc độ (vận tốc $v > 0{,}75\text{ m/s}$) yêu cầu sai số vị trí trong phạm vi $\pm 35\text{ mm}$, gia tốc tối đa cho phép là $1{,}5\text{ m/s}^2$. Về tiêu chuẩn độ ồn: tường buồng máy yêu cầu khả năng cách âm không dưới $50\text{ dB}$, cửa ra vào cách âm không dưới $35\text{ dB}$, và cường độ âm tại các khu vực nhà ở dao động trong mức $30 - 40\text{ dB}$.
  • Lý thuyết điều khiển khả trình PLC: Ứng dụng nền tảng PLC Mitsubishi FX1N với cấu trúc module hóa, kết hợp module mở rộng ngõ vào/ra kỹ thuật số (FX2N-16ER) và module giao tiếp truyền thông nối tiếp RS-232 (FX3G-232-BD).
  • Lý thuyết truyền động và biến tần: Khảo sát các dạng truyền động xoay chiều dùng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc kết hợp bộ biến tần để điều chỉnh tần số, điện áp, giúp khởi động êm, kiểm soát gia tốc và thực hiện quá trình hãm dừng chính xác tại từng tầng.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp tính toán kỹ thuật: Xác định công suất động cơ nâng hạ, khối lượng hệ thống đối trọng, tiết diện dây dẫn điện động lực và tính toán định mức thiết bị bảo vệ (cầu chì, aptomat, contactor, rơ le nhiệt).
    • Phương pháp phân rã thuật toán: Hệ thống điều khiển được thiết kế theo cấu trúc khối chức năng (Function - FC từ FC1 đến FC5) tương ứng với từng trạng thái vận hành của cabin (nhận lệnh gọi tầng, dịch chuyển, dừng tầng, đóng/mở cửa, báo lỗi an toàn).
    • Phương pháp mô phỏng và kiểm thử: Sử dụng công cụ GX Works 2 kết hợp GT Designer 3 để giả lập tín hiệu vào/ra và kiểm chứng logic điều khiển trên mô hình thực nghiệm.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống điều khiển thang máy 10 tầng được thiết kế bao gồm phần cơ khí nâng hạ, hệ thống điện động lực, khối cảm biến đo lường và khối điều khiển logic trung tâm.

Kiến trúc cơ cấu cơ khí và cân bằng tải

Cơ cấu nâng sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha kết hợp tang/puly dẫn hướng cáp kéo. Hệ thống đối trọng được tính toán dựa trên khối lượng cabin và hệ số cân bằng $\alpha$ theo công thức kỹ thuật: $$G_{dt} = G_{cb} + \alpha \cdot G$$ Trong đó:

  • $G_{dt}$: Khối lượng hệ thống đối trọng ($\text{kg}$).
  • $G_{cb}$: Khối lượng bản thân cabin thang máy ($\text{kg}$).
  • $G$: Khối lượng tải trọng nâng định mức tối đa ($700\text{ kg}$).
  • $\alpha$: Hệ số cân bằng phụ tải, được chọn trong khoảng $0{,}3 \div 0{,}6$.

Hệ thống cơ khí được bố trí phanh bảo hiểm kiểu kìm, bộ hạn chế tốc độ (Governor) tác động trực tiếp khi vận tốc cabin vượt ngưỡng cho phép, và bộ giảm chấn thủy lực/lò xo đặt tại đáy hố thang (pit).

Danh mục thiết bị phần cứng được tính chọn

Căn cứ vào yêu cầu phụ tải công suất và số lượng điểm tín hiệu vào/ra (I/O) cho 10 tầng, các thiết bị điện và tự động hóa được tính toán lựa chọn đồng bộ:

STT Tên thiết bị / Khí cụ Mã hiệu / Quy cách kỹ thuật Chức năng trong hệ thống
1 Bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX1N-60MR-001 Xử lý trung tâm tín hiệu điều khiển
2 Module mở rộng I/O Mitsubishi FX2N-16ER Mở rộng số lượng cổng vào/ra số
3 Module truyền thông Mitsubishi FX3G-232-BD Kết nối truyền thông nối tiếp RS-232
4 Biến tần nâng hạ FUJI FRN7 Điều chỉnh tốc độ động cơ trục kéo chính
5 Biến tần cửa cabin Siemens MM420 Điều khiển động cơ đóng/mở cửa tầng và cabin
6 Cảm biến an toàn cửa Photocell hồng ngoại dạng thanh Phát hiện vật cản tại khu vực cửa thang
7 Cảm biến dừng tầng Cảm biến từ/quang gắn cờ hành trình Xác định vị trí cabin để hãm dừng chính xác
8 Cảm biến tải trọng Bộ cảm biến lắp dưới sàn cabin Phát hiện và cảnh báo trạng thái quá tải $> 700\text{ kg}$
9 Rơ le bảo vệ điện áp OMRON K8AK-PM2 Giám sát mất pha, đảo pha và sụt áp 3 pha
10 Aptomat khối 3 pha LS ABS3P-50A (22K) Đóng cắt và bảo vệ ngắn mạch nguồn tổng
11 Aptomat tép 1 pha Schneider MCB 1P 20A 6kA Bảo vệ nhánh điều khiển và phụ tải phụ
12 Contactor động lực Schneider 3P 25A 380VAC Đóng cắt mạch động lực cấp nguồn động cơ
13 Rơ le nhiệt Schneider 18–32A Bảo vệ quá tải nhiệt cho động cơ nâng
14 Rơ le trung gian Idec RU4S-D24 (24VDC) Cách ly và đệm tín hiệu điều khiển logic
15 Bộ nguồn chuyển đổi Nguồn tổ ong 24VDC Cung cấp nguồn một chiều cho PLC và cảm biến
16 Thiết bị cứu hộ tự động ARD (kèm ắc quy dự phòng/UPS) Đưa thang về tầng gần nhất khi mất điện lưới

Sơ đồ nguyên lý và ghép nối điều khiển

Sơ đồ kết nối phần cứng của hệ thống bao gồm:

  • Mạch động lực: Nguồn điện 3 pha 380VAC đi qua Aptomat tổng LS ABS3P-50A, contactor Schneider, rơ le giám sát OMRON K8AK-PM2, rơ le nhiệt Schneider đến biến tần FUJI FRN7 điều khiển động cơ trục kéo chính; nhánh phụ cung cấp cho biến tần Siemens MM420 điều khiển động cơ mở cửa cabin.
  • Mạch điều khiển: Nguồn tổ ong 24VDC cấp cho đầu vào PLC FX1N-60MR-001. Toàn bộ nút gọi tầng ngoài sảnh, nút chọn tầng trong cabin, tiếp điểm công tắc hành trình các tầng biên, tín hiệu cảm biến dừng tầng (cờ chắn quang), tín hiệu photocell cửa và tiếp điểm cảm biến quá tải được thu thập về các chân ngõ vào ($X$). Các ngõ ra ($Y$) kích hoạt cuộn hút contactor, rơ le trung gian Idec, tín hiệu Run/Stop/Đổi chiều của biến tần, chuông báo động và đèn hiển thị trạng thái tầng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan chung về thang máy

Chương này tổng hợp cơ sở phân loại và nguyên lý cấu tạo của các dòng thang máy hiện đại. Tác giả phân tích chi tiết các tiêu chí phân loại: theo công dụng (chở người, chở người có hàng đi kèm, thang bệnh viện, thang chở hàng có người/không có người đi kèm), theo kết cấu (có phòng máy và không phòng máy), theo hệ thống dẫn động (dẫn động có đối trọng dùng máy kéo ma sát và dẫn động thủy lực không đối trọng).

Nội dung chương đi sâu mô tả các bộ phận cơ khí cốt lõi: hệ thống ray dẫn hướng gắn mố chịu lực cách nhau $1{,}5\text{ m} - 3{,}5\text{ m}$, hệ thống treo sử dụng từ hai sợi cáp độc lập trở lên, cơ cấu mở cửa cabin (dạng trượt hai cánh mở trung tâm), hệ thống phanh kìm cơ khí, bộ hạn chế tốc độ Governor và bộ giảm chấn hố thang. Chương này cũng phân tích các yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 5744 - 1993 về sai số dừng buồng thang và mức cường độ âm cho phép, đồng thời đối chiếu các phương án truyền động điện dùng động cơ xoay chiều điều khiển bằng biến tần.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết về cấu trúc phần cứng và công cụ phần mềm phục vụ thiết kế hệ thống. Tác giả giới thiệu tổng quan dòng PLC Mitsubishi FX1N với các đặc tính xử lý tốc độ cao, độ tin cậy công nghiệp, cùng các module ghép nối:

  • Module mở rộng ngõ vào/ra số FX2N-16ER (bổ sung 8 ngõ vào và 8 ngõ ra rơ le).
  • Module truyền thông FX3G-232-BD phục vụ kết nối dữ liệu nối tiếp.
  • Các module chuyên dụng khác như module analog, module điều khiển vị trí và đếm xung tốc độ cao.

Về phần mềm, chương này hướng dẫn quy trình khởi tạo project, cấu hình tham số, soạn thảo chương trình Ladder trên phần mềm GX Works 2 và phương pháp thiết kế giao diện đồ họa, liên kết biến địa chỉ giám sát trên phần mềm GT Designer 3.

Chương 3: Tính toán lựa chọn thiết bị

Chương 3 trình bày các bước tính toán công nghệ và lựa chọn chi tiết các phần tử cho thang máy 10 tầng tải trọng 700 kg:

  1. Tính chọn cơ khí: Xác định kích thước buồng thang ($1400 \times 1500 \times 2000\text{ mm}$), tính chọn công suất động cơ kéo dựa trên mômen cản tải tĩnh và động lực học, tính số lượng tấm đối trọng theo hệ số cân bằng $\alpha$, và tính toán chọn tiết diện cáp treo chịu lực.
  2. Tính chọn khí cụ điện bảo vệ: Tính chọn dòng định mức cho cầu chì ngắn mạch, aptomat tổng LS ABS3P-50A, MCB nhánh Schneider 1P 20A, contactor Schneider 3P 25A, rơ le nhiệt Schneider dải chỉnh $18 - 32\text{ A}$, rơ le trung gian Idec RU4S-D24 và thiết bị bảo vệ pha/điện áp OMRON K8AK-PM2.
  3. Lựa chọn thiết bị điều khiển và biến tần: Xác định cấu hình PLC Mitsubishi FX1N-60MR-001, bộ nguồn 24VDC, biến tần FUJI FRN7 cho động cơ nâng hạ và biến tần Siemens MM420 cho động cơ mở cửa.
  4. Thiết kế sơ đồ đấu dây: Bản vẽ chi tiết sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ mạch lực, sơ đồ đấu nối I/O của PLC và mạch giao tiếp động cơ mở cửa.

Chương 4: Thiết kế chương trình điều khiển

Chương 4 hoàn thiện logic điều khiển và thực hiện mô phỏng, thử nghiệm:

  • Lưu đồ thuật toán: Xây dựng thuật toán tổng thể và chia nhỏ thành các khối hàm chức năng: FC1 (xử lý nhận lệnh gọi tầng và ghi nhớ lệnh), FC2 (thuật toán so sánh vị trí, xác định chiều di chuyển lên/xuống), FC3 (điều khiển tăng tốc, giảm tốc và dừng tầng chính xác nhờ cảm biến cờ), FC4 (điều khiển logic đóng/mở cửa, khóa an toàn liên động), FC5 (xử lý tín hiệu khẩn cấp, quá tải và an toàn cửa).
  • Phân bổ biến địa chỉ: Lập bảng phân công chi tiết các địa chỉ ngõ vào ($X$) và ngõ ra ($Y$) trên PLC.
  • Thiết kế giao diện HMI: Xây dựng giao diện hiển thị cabin, hệ thống nút ấn buồng thang/sảnh tầng, đèn báo chiều chuyển động và đèn hiển thị trạng thái lỗi trên GT Designer 3.
  • Kết quả mô phỏng và mô hình thực nghiệm: Thực hiện mô phỏng qua 3 trường hợp vận hành cụ thể (di chuyển lên tầng 2, mở cửa tại tầng 4 và tầng 5, di chuyển đến tầng 3), kiểm thử các kịch bản sự cố có vật cản tại cửa và sự cố vượt quá tải trọng 700 kg. Cuối chương trình bày kết quả lắp ráp, vận hành thử nghiệm trên mô hình thang máy phần cứng.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các nội dung kỹ thuật đặt ra:

  • Kết quả thiết kế kỹ thuật: Xây dựng thành công bản tính toán chi tiết và hồ sơ thiết kế điện cho hệ thống thang máy 10 tầng, tải trọng tối đa 700 kg. Lựa chọn chuẩn xác các thiết bị điều khiển và bảo vệ công nghiệp gồm PLC Mitsubishi FX1N-60MR-001, biến tần FUJI FRN7, biến tần Siemens MM420, rơ le bảo vệ pha OMRON K8AK-PM2 cùng hệ thống cảm biến quang, cảm biến tải trọng chuyên dụng.
  • Kết quả lập trình và mô phỏng: Hoàn thiện chương trình điều khiển dạng khối (FC1 – FC5) trên phần mềm GX Works 2 và giao diện giám sát vận hành trực quan trên GT Designer 3. Kiểm chứng thành công logic xử lý các trường hợp di chuyển tầng, tự động đảo chiều mở cửa khi gặp vật cản (photocell kích hoạt), ngắt mạch vận hành và phát chuông báo khi tải trọng vượt ngưỡng 700 kg.
  • Đóng góp của đề tài: Tác giả đã hệ thống hóa quy trình tính toán, lựa chọn thiết bị điện - tự động hóa cho thang máy chung cư mini dựa trên tiêu chuẩn an toàn Việt Nam TCVN 5744 - 1993. Đề tài vận dụng giải pháp kết hợp giữa PLC Mitsubishi và hệ thống biến tần điều khiển tốc độ, giúp nâng cao độ êm dịu, giảm thiểu xung giật và đảm bảo độ chính xác dừng tầng trong phạm vi cho phép.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu chủ yếu được kiểm chứng trên phần mềm mô phỏng (GX Works 2, GT Designer 3) và mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ. Đồ án chưa thực hiện đánh giá thực tế dài hạn về mức độ suy hao cơ học của dây cáp, độ mài mòn má phanh và ảnh hưởng của dao động nhiệt độ môi trường đến các rơ le bảo vệ trong điều kiện vận hành công nghiệp liên tục.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng thuật toán điều khiển cho nhóm nhiều thang máy hoạt động song song (Group Control) nhằm tối ưu hóa lưu lượng phục vụ trong các tòa nhà có mật độ người sử dụng cao.
    • Nghiên cứu tích hợp các giải pháp tái tạo năng lượng khi thang máy hãm tái sinh nhằm tiết kiệm điện năng tiêu thụ.
    • Ứng dụng các chuẩn mạng truyền thông công nghiệp tốc độ cao (như CC-Link, Modbus RTU/TCP) để thay thế giải pháp đi dây rời rạc giữa tủ điều khiển trung tâm và cabin thang máy.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, và Cơ điện tử.

Các phần có giá trị thực tiễn cao bao gồm:

  • Phương pháp tính chọn phối hợp giữa động cơ kéo, đối trọng và thiết bị bảo vệ khí cụ điện (Aptomat, Contactor, Rơ le nhiệt, Rơ le bảo vệ pha OMRON).
  • Bảng phân bổ địa chỉ I/O và cấu trúc lưu đồ thuật toán phân rã theo khối chức năng (FC1 - FC5) cho bài toán điều khiển logic thang máy nhiều tầng.
  • Tài liệu hướng dẫn kết nối phần cứng và thiết kế giao diện giám sát HMI trên phần mềm GX Works 2 và GT Designer 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án lựa chọn cấu hình PLC nào và giải pháp mở rộng I/O ra sao để đáp ứng hệ thống thang máy 10 tầng?
Tác giả lựa chọn bộ điều khiển trung tâm PLC Mitsubishi FX1N-60MR-001 (ngõ ra rơ le), kết hợp sử dụng module mở rộng ngõ vào/ra số FX2N-16ER (bổ sung 8 ngõ vào và 8 ngõ ra) và module truyền thông mạng RS-232 FX3G-232-BD để đảm bảo đủ số lượng cổng giao tiếp cho toàn bộ nút bấm, công tắc hành trình và cảm biến của 10 tầng.

2. Công thức tính chọn tải trọng hệ thống đối trọng được xác định như thế nào?
Khối lượng hệ thống đối trọng được tính theo công thức $G_{dt} = G_{cb} + \alpha \cdot G$, trong đó $G_{cb}$ là khối lượng cabin, $G$ là tải trọng nâng định mức tối đa ($700\text{ kg}$), và $\alpha$ là hệ số cân bằng được lựa chọn trong khoảng $0{,}3 \div 0{,}6$.

3. Hệ thống an toàn của thang máy bao gồm những cơ cấu và thiết bị chuyên dụng nào?
Hệ thống an toàn được tích hợp đa lớp, bao gồm: phanh bảo hiểm kiểu kìm, bộ hạn chế tốc độ (Governor), bộ giảm chấn đặt tại đáy hố thang, cảm biến photocell hồng ngoại chống kẹt cửa, cảm biến đo tải trọng dưới sàn cabin cảnh báo quá tải, công tắc hành trình tại các tầng biên, rơ le bảo vệ mất pha/sụt áp OMRON K8AK-PM2 và bộ cứu hộ tự động ARD kèm nguồn ắc quy dự phòng khi mất điện lưới.

4. Tiêu chuẩn kỹ thuật nào được áp dụng để xác định sai số dừng tầng và gia tốc cho phép?
Đồ án áp dụng Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5744 - 1993. Theo đó, đối với thang máy chở người sức nâng đến $1000\text{ kg}$ sử dụng động cơ có vận tốc $v > 0{,}75\text{ m/s}$, gia tốc tối đa cho phép là $1{,}5\text{ m/s}^2$ và độ chính xác dừng buồng thang tại mỗi tầng phải đạt trong phạm vi sai số $\pm 35\text{ mm}$.

5. Những phần mềm nào được sử dụng để lập trình và thiết kế giao diện giám sát hệ thống?
Tác giả sử dụng phần mềm GX Works 2 để soạn thảo chương trình điều khiển logic dạng Ladder cho PLC Mitsubishi FX1N và phần mềm GT Designer 3 để thiết kế giao diện bảng điều khiển, giám sát trạng thái chuyển động của buồng thang và các đèn báo lỗi HMI.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Mạnh Thức đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế hệ thống điều khiển thang máy 10 tầng tải trọng 700 kg ứng dụng PLC Mitsubishi FX1N-60MR-001 và biến tần điều khiển tốc độ. Các tính toán về phụ tải động cơ, đối trọng, dây cáp và hệ thống khí cụ bảo vệ điện đều tuân thủ chặt chẽ các quy định an toàn theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5744 - 1993. Chương trình điều khiển được cấu trúc khoa học theo các khối chức năng trên phần mềm GX Works 2 kết hợp giao diện giám sát trực quan trên GT Designer 3, đáp ứng tốt yêu cầu vận hành chính xác và an toàn cho công trình chung cư mini.