Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của kiến trúc đô thị hiện đại và các khu công nghiệp, thang máy đã trở thành phương tiện vận chuyển thiết yếu theo phương thẳng đứng đối với người, hàng hóa, vật tư và thiết bị y tế. Sự phát triển của các công trình cao tầng đặt ra yêu cầu ngày càng khắt khe về độ tin cậy, tính an toàn và hiệu suất vận hành của hệ thống truyền động và điều khiển thang máy. Đối với các tòa nhà từ 25 tầng trở lên, giá trị hệ thống thang máy chiếm khoảng 7% đến 10% tổng giá trị công trình. Tại Việt Nam, nhu cầu ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động hóa hiện đại nhằm thay thế các hệ thống điều khiển rơle truyền thống đang gia tăng mạnh mẽ.

Đề tài “Thiết kế, chế tạo thang máy 4 tầng sử dụng PLC S7-1200” do sinh viên Lưu Quý Mạnh và Lê Đức Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Ngọc Thái tại Khoa Cơ khí - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên nhằm mục đích nâng cao kiến thức chuyên môn về kỹ thuật tự động hóa và tích hợp thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) trong công nghiệp, đồng thời đúc kết kinh nghiệm thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm phục vụ công tác kỹ thuật thực tế.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định theo các nội dung cụ thể:

  1. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động và cấu tạo cơ khí - điện của hệ thống thang máy.
  2. Thiết kế mạch nguồn cung cấp cho toàn bộ hệ thống thang máy.
  3. Thiết kế cơ cấu truyền động cơ khí chuyển động nâng hạ buồng thang.
  4. Thiết kế khối nút nhấn gọi tầng (hộp Button bên ngoài tầng và hộp Button Car bên trong cabin).
  5. Thiết kế khối cảm biến giám sát cửa ra vào và khối cảm biến xác định vị trí dừng tầng.
  6. Thiết kế và thi công mô hình thang máy 4 tầng hoàn chỉnh.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống thang máy điều khiển tự động và bộ điều khiển PLC Siemens SIMATIC S7-1200. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa, thiết kế thuật toán điều khiển, lập trình phần mềm và chế tạo mô hình thang máy 4 tầng quy mô phòng thí nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài được xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật số và lý thuyết cơ khí truyền động nâng chuyển:

  • Lý thuyết điều khiển logic khả trình: Ứng dụng cấu trúc điều khiển số trên dòng PLC Siemens S7-1200 kết hợp phần mềm tích hợp TIA Portal V15.1. Hệ thống xử lý thông tin vòng quét (scan cycle) qua các khối chương trình tổ chức (OB), hàm chức năng (FC, FB) với các kiểu dữ liệu tiêu chuẩn (BOOL, BYTE, WORD, INT, DINT, REAL, TOD, DATE) và ngôn ngữ lập trình đồ họa Ladder Diagram (LAD).
  • Lý thuyết cân bằng và truyền động thang máy: Áp dụng mô hình tính toán cân bằng cơ khí buồng thang với đối trọng theo công thức: $$Đ = C + \psi Q$$ (Trong đó: $Đ$ là trọng lượng đối trọng, $C$ là trọng lượng cabin, $Q$ là tải trọng nâng danh nghĩa, $\psi$ là hệ số cân bằng).
  • Tính toán động lực học cơ cấu nâng hạ: Xác định công suất tĩnh của động cơ khi nâng tải theo công thức: $$P_c = \frac{k \cdot (G_{bt} + G_{đm}) \cdot g \cdot v}{1000 \cdot \eta}$$ (Trong đó: $G_{bt}$ là khối lượng buồng thang, $G_{đm}$ là khối lượng hàng danh nghĩa, $g$ là gia tốc trọng trường, $v$ là vận tốc nâng, $\eta$ là hiệu suất cơ cấu nâng, $k$ là hệ số tính đến ma sát).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết và thực nghiệm chế tạo:

  • Phương pháp lý thuyết: Thu thập, phân tích tài liệu chuyên ngành về tự động hóa, tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất Siemens và quy chuẩn an toàn thang máy; tính toán lựa chọn động cơ, biến tần, rơle trung gian và cảm biến; thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện và xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển logic.
  • Phương pháp thực nghiệm: Lập trình cấu hình trên TIA Portal V15.1; gia công kết cấu cơ khí mô hình 4 tầng; đấu nối hệ thống điện - PLC - biến tần - cảm biến; chạy thử nghiệm và tinh chỉnh thuật toán đáp ứng thực tế.

Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm tài liệu kỹ thuật của Siemens (S7-1200 System Manual), tài liệu biến tần SV-iE5, giáo trình trang bị điện - tự động hóa máy công nghiệp và các tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật thang máy.

Nội dung chính theo từng chương

Phần mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài trong việc làm chủ công nghệ điều khiển tự động hóa; xác định rõ 6 mục tiêu - nhiệm vụ nghiên cứu; định hình đối tượng, phạm vi nghiên cứu; vạch ra phương án nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm; nêu bật ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài đối với việc phát triển năng lực nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật chế tạo máy.

Chương 1: Giới thiệu chi tiết hệ thống thang máy

Tổng quan về định nghĩa thang máy (thiết bị vận chuyển theo phương thẳng đứng hoặc nghiêng dưới 15° so với phương thẳng đứng theo tuyến định sẵn), các yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn kỹ thuật và vai trò trong nền kinh tế quốc dân. Hệ thống hóa các phương pháp phân loại thang máy:

  • Theo công dụng: Thang máy chở người (sinh hoạt, cao ốc), thang máy chở người có tính đến hàng đi kèm, thang máy bệnh viện (kích thước cabin lớn chứa cáng/giường bệnh, tốc độ ưu tiên), thang máy chở hàng có người đi kèm và thang máy chở hàng không có người đi kèm.
  • Theo hệ thống dẫn động cabin: Thang máy dẫn động điện (sử dụng puly ma sát hoặc tang cuốn cáp, hành trình nâng không bị giới hạn) và thang máy dẫn động thủy lực (pít-tông đẩy trực tiếp hoặc gián tiếp, hành trình tối đa 18 m).
  • Theo vị trí đặt bộ tời kéo: Bộ tời đặt phía trên giếng thang, bộ tời đặt phía dưới giếng thang hoặc đặt trực tiếp trên nóc cabin (đối với hệ thống bánh răng - thanh răng).
  • Theo hệ thống vận hành và thông số: Phân loại theo mức độ tự động (bán tự động, tự động), tổ hợp điều khiển (đơn, kép, nhóm); theo dải tốc độ ($v < 1\text{ m/s}$; $1 - 2,5\text{ m/s}$; $2,5 - 4\text{ m/s}$; $v > 4\text{ m/s}$) và theo tải trọng ($Q < 500\text{ kg}$; $500 - 1000\text{ kg}$; $1000 - 1600\text{ kg}$; $Q > 1600\text{ kg}$).

Chương 2: Giới thiệu PLC S7-1200 và phần mềm TIA Portal V15.1

Trình bày lịch sử phát triển, vai trò và nguyên lý làm việc của bộ điều khiển logic khả trình (PLC). Tổng quan các dòng sản phẩm của Siemens (S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200, S7-1500). Đi sâu vào cấu hình phần cứng dòng S7-1200:

  • Cấu trúc phần cứng: Phân tích module CPU (CPU 1211C, 1212C, 1214C, 1215C, 1217C), module cấp nguồn PM 1207 (Input: 220/230V AC 50/60Hz), các module mở rộng tín hiệu vào/ra SM (Signal Module), module ghép nối IM, module chức năng FM và module truyền thông CP (hỗ trợ chuẩn giao tiếp RS232, RS485).
  • Môi trường lập trình: Giới thiệu phần mềm tích hợp TIA Portal V15.1, quy trình cấu hình phần cứng thiết bị, cấu trúc bộ nhớ, các tập lệnh tiếp điểm logic (thường mở, thường đóng, cuộn dây ngõ ra), tập lệnh so sánh giá trị số và 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản: LAD (Ladder Diagram), FBD (Function Block Diagram), STL (Statement List).

Chương 3: Cấu tạo của thang máy và các chức năng

Phân tích chi tiết các kết cấu cơ khí và trang thiết bị lắp đặt trong giếng thang, phòng máy và buồng thang:

  • Cơ cấu nâng hạ và dẫn hướng: Động cơ không đồng bộ đảo chiều, hệ thống phanh từ giữ vị trí, ray dẫn hướng định vị cabin và đối trọng, hệ thống puly dẫn hướng phụ.
  • Hệ thống cáp nâng: Phân tích sự khác biệt giữa cáp thép truyền thống (dễ hao mòn do ma sát và bám bụi) và cáp thép phủ nhựa (tăng ma sát tiếp xúc puly, chống bám bụi, tăng tuổi thọ và độ linh hoạt).
  • Hệ thống an toàn: Bộ hạn chế tốc độ (governor) kết hợp cơ cấu phanh bảo hiểm cơ khí; hệ thống treo cabin tích hợp tiếp điểm điện an toàn giám sát độ chùng cáp; động cơ đóng mở cửa cabin tự động tích hợp cảm biến quang tiệm cận chống kẹt vật cản tại gờ cửa tầng.
  • Hệ thống cân bằng: Thiết lập nguyên lý chọn đối trọng nhằm cân bằng trọng lượng cabin và một phần tải trọng nâng danh nghĩa, giảm công suất tiêu thụ của động cơ nâng.

Chương 4: Thiết kế hệ thống tự động hóa cho thang máy

Xây dựng yêu cầu thiết kế hệ thống tự động hóa, bao gồm:

  • Yêu cầu an toàn và tối ưu thuật toán: Phân tích 2 nguyên lý điều khiển gọi tầng: luật điều khiển theo vị trí gần nhất và luật điều khiển theo chiều chuyển động (phục vụ lần lượt các lệnh gọi cùng chiều trước khi đảo chiều hành trình).
  • Bài toán dừng chính xác buồng thang: Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quán tính buồng thang và quãng đường trượt khi phanh giữa hai trạng thái đầy tải và không tải.
  • Quy tắc vận hành logic: Thiết lập chu trình tự động đưa cabin về tầng trệt (tầng 1) khi đóng nguồn khởi động; điều kiện cabin chỉ di chuyển khi các cửa đã đóng hoàn toàn; ngắt điện tức thời cho động cơ khi chạm công tắc hành trình giới hạn trên/dưới (HCT/HCD); cơ chế ngắt đèn chiếu sáng/quạt gió buồng thang khi ở chế độ chờ và bộ đếm thời gian hoạt động phục vụ bảo trì.
  • Tính toán cơ học và lựa chọn thiết bị: Tính toán công suất động cơ tĩnh cho mô hình thực nghiệm và lựa chọn cấu hình thiết bị điều khiển phần cứng.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ quá trình thiết kế, thi công phần cứng và lập trình điều khiển mô hình thang máy 4 tầng; khẳng định tính đúng đắn của giải pháp thiết kế trên cơ sở kiểm thử thực tế và đề xuất hướng nâng cấp hệ thống.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án triển khai thiết kế và chế tạo mô hình thang máy 4 tầng hoàn chỉnh với sự kết hợp chặt chẽ giữa kết cấu cơ khí, mạch điện động lực, mạch điều khiển PLC và chương trình logic.

1. Thông số kỹ thuật của mô hình thang máy

Mô hình thực nghiệm được xây dựng dựa trên các thông số tính toán cơ sở:

Thông số kỹ thuật Giá trị quy chuẩn Đơn vị
Số tầng phục vụ 04 Tầng
Chiều cao toàn bộ khung thang 1,6 m
Khối lượng buồng thang rỗng ($G_{bt}$) 2,0 kg
Tải trọng nâng định mức ($G_{đm}$) 5,0 kg
Vận tốc chuyển động định mức ($v$) 0,05 m/s
Đường kính puly dẫn động ($D$) 0,06 m
Gia tốc trọng trường ($g$) 9,81 $\text{m/s}^2$
Hiệu suất cơ cấu nâng ($\eta$) 0,8 -
Hệ số ma sát dẫn hướng và đối trọng ($k$) 1,2 -
Công suất tĩnh tính toán của động cơ ($P_c$) 1,41 W

2. Cấu hình thiết bị phần cứng

Hệ thống tự động hóa sử dụng các thiết bị điều khiển và chấp hành:

  • Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RLY, tích hợp ngõ vào/ra số, cổng truyền thông và bộ đếm tốc độ cao.
  • Module mở rộng: Module tín hiệu vào số SM 1221 DC 16DI nhằm đáp ứng đầy đủ số lượng tín hiệu gọi tầng, cảm biến vị trí và công tắc hành trình.
  • Nguồn cấp: Module nguồn PM 1207 (Input: 220/230V AC 50/60Hz; Output: 24V DC).
  • Hệ thống truyền động và đóng cắt: Biến tần LS SV-iE5 điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ nâng hạ; rơle trung gian 24V DC làm phần tử đệm chuyển tiếp tín hiệu ngõ ra; Aptomat 3 pha bảo vệ ngắn mạch và quá tải nguồn cấp.
  • Hệ thống cảm biến và giao diện: Cảm biến quang tiệm cận gắn tại các tầng để xác định vị trí dừng buồng thang và cảm biến an toàn cửa; công tắc hành trình cơ khí chống vượt biên (HCT/HCD); nút nhấn đơn tại tầng 1 và tầng 4, nút nhấn kép (lên/xuống) tại tầng 2 và tầng 3; bảng nút nhấn trong cabin (Button Car).

3. Thuật toán điều khiển hệ thống

Thuật toán được xây dựng trên TIA Portal V15.1 với quy trình điều khiển:

  1. Khởi tạo hệ thống: Khi cấp nguồn, PLC thực hiện chu trình kiểm tra và tự động điều khiển buồng thang di chuyển về vị trí tầng trệt (tầng 1) để chuẩn hóa gốc tọa độ vị trí.
  2. Quét và lưu nhớ tín hiệu: Chương trình con kiểm tra và cập nhật liên tục các lệnh gọi tầng từ hộp Button ngoài cửa tầng và Button Car trong cabin.
  3. Phân phối hành trình theo luật ưu tiên chiều: Nếu thang đang di chuyển theo chiều lên, hệ thống sẽ tuần tự đáp ứng tất cả các yêu cầu dừng tại các tầng phía trên có lệnh gọi lên hoặc lệnh đến tầng trước khi đổi chiều phục vụ các lệnh gọi xuống.
  4. Kiểm soát an toàn cửa và dừng tầng: Khi buồng thang tiếp cận tầng chỉ định thông qua tín hiệu cảm biến quang tiệm cận, biến tần giảm tốc, rơle đóng phanh từ giữ vị trí buồng thang, sau đó kích hoạt động cơ mở cửa trong khoảng thời gian định thời; cửa tự động đóng lại sau thời gian trễ hoặc khi nhận lệnh cưỡng bức từ nút đóng cửa nhanh (DC).

Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được

  • Tính toán đầy đủ thông số động học và động lực học của mô hình thang máy 4 tầng với công suất tĩnh động cơ xác định là 1,41 W.
  • Thiết lập sơ đồ đấu nối mạch điện nguyên lý tích hợp hoàn chỉnh giữa CPU 1212C, module mở rộng SM 1221 DC 16DI, module nguồn PM 1207, biến tần SV-iE5, hệ thống rơle 24V DC và cảm biến tiệm cận.
  • Xây dựng thành công lưu đồ thuật toán điều khiển chính và các chương trình con xử lý gọi tầng, đóng mở cửa tự động trên phần mềm TIA Portal V15.1.
  • Chế tạo và vận hành ổn định mô hình thang máy 4 tầng cao 1,6 m, đáp ứng chính xác các lệnh gọi tầng, hiển thị đèn báo trạng thái, đảm bảo an toàn đóng mở cửa và dừng tầng chính xác.

Đóng góp của đề tài

  • Làm chủ quy trình ứng dụng thiết bị điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-1200 kết hợp biến tần trong bài toán điều khiển truyền động nâng hạ nhiều cấp vị trí.
  • Xây dựng tài liệu thiết kế và thuật toán điều khiển thang máy theo chiều chuyển động, có thể ứng dụng trực tiếp làm mô hình thực hành phục vụ công tác giảng dạy, thí nghiệm môn học Tự động hóa và Trang bị điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Mô hình nghiên cứu dừng lại ở quy mô thí nghiệm với tải trọng nhỏ (cabin 2 kg, tải trọng 5 kg, chiều cao 1,6 m, tốc độ 0,05 m/s), chưa phản ánh toàn diện các ảnh hưởng quán tính lớn và rung động cơ khí như ở hệ thống thang máy công nghiệp thực tế.
  • Thuật toán điều khiển mới áp dụng cho hệ thống buồng thang đơn lẻ, chưa giải quyết bài toán điều khiển phối hợp nhóm thang (group control) trong các tòa nhà cao tầng có mật độ lưu thông phức tạp.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu mở rộng thuật toán điều khiển thông minh cho hệ thống đa buồng thang (điều khiển nhóm thang máy).
  • Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển thu thập dữ liệu (SCADA/HMI) trên nền tảng TIA Portal hoặc WinCC để theo dõi trạng thái vận hành, cảnh báo lỗi và đếm số chu kỳ hoạt động theo thời gian thực.
  • Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển tối ưu tốc độ bằng biến tần sử dụng các dải tần số đa cấp nhằm triệt tiêu hiện tượng giật khi khởi động và dừng buồng thang.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tham khảo phương pháp tính toán cơ cấu nâng hạ, phương pháp kết nối phần cứng PLC S7-1200 với các thiết bị ngoại vi (biến tần, rơle, cảm biến) và kỹ thuật lập trình LAD trên TIA Portal V15.1.
  • Kỹ sư và người làm đề tài nghiên cứu tương tự: Tham khảo cấu trúc thuật toán điều khiển ưu tiên theo chiều di chuyển, giải pháp thiết kế mạch an toàn cửa thang máy và phương án xây dựng mô hình thực nghiệm phục vụ đào tạo.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài sử dụng cấu hình phần cứng PLC và module mở rộng nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RLY, kết hợp module cấp nguồn PM 1207 (Input: 220/230V AC) và module mở rộng ngõ vào số SM 1221 DC 16DI để tiếp nhận đầy đủ tín hiệu từ cảm biến và nút bấm.

2. Các thông số cơ học và thông số thiết kế chính của mô hình thang máy 4 tầng là gì?
Mô hình có 4 tầng phục vụ với chiều cao khung 1,6 m; khối lượng buồng thang $G_{bt} = 2\text{ kg}$; tải trọng nâng định mức $G_{đm} = 5\text{ kg}$; tốc độ di chuyển $v = 0,05\text{ m/s}$; đường kính puly dẫn động $D = 0,06\text{ m}$; công suất tĩnh tính toán của động cơ là $P_c = 1,41\text{ W}$.

3. Hệ thống áp dụng nguyên lý điều khiển gọi tầng nào để tối ưu vận hành?
Đề tài phân tích 2 luật điều khiển và áp dụng luật điều khiển tối ưu theo chiều chuyển động. Theo luật này, tín hiệu gọi đầu tiên sẽ xác định chiều hành trình của thang; thang sẽ di chuyển và phục vụ lần lượt tất cả các lệnh gọi cùng chiều trên tuyến trước khi đổi chiều vận hành ngược lại.

4. Cơ chế an toàn và quy tắc khởi tạo khi cấp nguồn của thang máy được lập trình như thế nào?
Khi đóng nguồn, hệ thống tự động kích hoạt chu trình reset đưa buồng thang về tầng trệt (tầng 1). Buồng thang chỉ được phép chuyển động khi cửa tầng và cửa cabin đã đóng kín hoàn toàn. Động cơ sẽ bị ngắt nguồn lập tức khi buồng thang chạm vào công tắc hành trình giới hạn trên/dưới (HCT/HCD), và cửa sẽ tự động mở lại nếu cảm biến quang tiệm cận phát hiện vật cản kẹt ở cửa.

5. Công thức xác định trọng lượng đối trọng được đề tài đưa ra như thế nào?
Trọng lượng đối trọng được xác định theo công thức $Đ = C + \psi Q$, trong đó $C$ là trọng lượng cabin, $Q$ là tải trọng nâng danh nghĩa và $\psi$ là hệ số cân bằng nhằm cân bằng lực kéo khi cabin đầy tải và không tải.

Kết luận

Đồ án “Thiết kế, chế tạo thang máy 4 tầng sử dụng PLC S7-1200” đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế cơ khí, xây dựng mạch điều khiển tự động hóa và chế tạo mô hình thực nghiệm 4 tầng cao 1,6 m. Hệ thống tích hợp thành công PLC S7-1200 CPU 1212C, module mở rộng SM 1221, biến tần SV-iE5 và hệ thống cảm biến quang tiệm cận trên nền tảng phần mềm TIA Portal V15.1. Kết quả thử nghiệm khẳng định mô hình vận hành chính xác theo thuật toán ưu tiên chiều di chuyển, đảm bảo nghiêm ngặt các điều kiện an toàn dừng tầng và đóng mở cửa. Đây là công trình thực nghiệm có giá trị ứng dụng cao trong học tập, nghiên cứu và phát triển các hệ thống điều khiển tự động hóa công nghiệp.