Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa đóng vai trò then chốt nhằm khai thác triệt để nguồn năng lượng, tăng năng suất lao động và cải thiện điều kiện sinh hoạt của con người. Tại các đô thị hiện đại, quy chuẩn xây dựng ở nhiều quốc gia trên thế giới đã quy định các công trình từ 6 tầng trở lên bắt buộc phải trang bị thang máy nhằm đảm bảo lưu thông thuận tiện và tiết kiệm thời gian di chuyển. Chi phí trang bị hệ thống thang máy thông thường chiếm khoảng 6% đến 7% tổng giá trị công trình. Tại Việt Nam, nếu như trước đây thang máy chủ yếu được lắp đặt trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp phục vụ vận chuyển hàng hóa, thì hiện nay cùng với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, nhu cầu ứng dụng thang máy trong các tòa nhà cao tầng, bệnh viện, khách sạn, trung tâm thương mại và khu chung cư ngày càng gia tăng.

Do thang máy là phương tiện vận tải chuyên dụng chở người và hàng hóa theo phương thẳng đứng, yêu cầu về độ an toàn nghiêm ngặt, tính êm dịu khi vận hành và độ chính xác dừng tầng được đặt lên hàng đầu. Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Ứng dụng PLC S7-300 cho điều khiển thang máy nhà cao tầng" do sinh viên Nguyễn Đức Nam thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thị Phượng tại Bộ môn Kỹ thuật Điện và Tự động hóa, Khoa Cơ điện và Công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp (năm 2018), được xây dựng nhằm giải quyết bài toán tự động hóa điều khiển truyền động và logic cho thang máy chở khách.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể trong văn bản:

  1. Mục tiêu tổng quát: Xây dựng kết cấu phần cứng và chương trình điều khiển thang máy phục vụ nhà cao tầng.
  2. Nhiệm vụ nghiên cứu thứ nhất: Đưa ra cấu trúc cơ khí, truyền động của thang máy và cấu trúc phần cứng của bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-300.
  3. Nhiệm vụ nghiên cứu thứ hai: Tính toán, thiết kế và xây dựng mạch động lực cùng mạch điều khiển cho hệ thống thang máy.
  4. Nhiệm vụ nghiên cứu thứ ba: Xây dựng thuật toán, viết chương trình điều khiển và chạy thử nghiệm mô phỏng trên nền tảng PLC S7-300.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ - điện thang máy chở khách và bộ điều khiển khả trình PLC S7-300 của hãng Siemens.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho thang máy phục vụ tòa nhà cao 7 tầng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của khóa luận dựa trên lý thuyết điều khiển tự động hóa quá trình công nghiệp, lý thuyết truyền động điện và động lực học hệ thống máy nâng chuyển. Cụ thể, tác giả vận dụng các mô hình và khái niệm kỹ thuật chuyên ngành bao gồm:

  • Lý thuyết động học thang máy: Khảo sát mối quan hệ giữa quãng đường ($S$), vận tốc ($v$), gia tốc ($a$) và độ giật ($p$ - đạo hàm bậc nhất của gia tốc theo thời gian) nhằm xác định biểu đồ vận hành tối ưu năm giai đoạn (mở máy, chạy ổn định, hãm giảm tốc, đến tầng và hãm dừng), khống chế gia tốc tối ưu dưới $2\text{ m/s}^2$ và độ giật không vượt quá $20\text{ m/s}^3$ để tránh gây khó chịu cho hành khách.
  • Lý thuyết dừng chính xác buồng thang: Xác định quãng đường trượt phanh khi có tải và không tải thông qua phương trình cân bằng mômen động lực học của hệ thống tời kéo, tính toán sai số dừng tầng cho phép $\Delta s$.
  • Khung điều khiển lập trình logic: Cấu trúc điều khiển vòng quét của PLC S7-300, mô hình lập trình có cấu trúc sử dụng các khối tổ chức (OB), khối hàm chức năng (FB), khối hàm (FC) và khối dữ liệu (DB).
  • Nguyên lý biến đổi tần số: Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) trong biến tần công nghiệp nhằm điều chỉnh tần số và điện áp cấp cho động cơ xoay chiều ba pha.

Phương pháp nghiên cứu chính:

  • Phương pháp tổng hợp lý thuyết: Phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành về kết cấu thang máy, thiết bị bảo hiểm an toàn và lý thuyết truyền động điện.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật kỹ nghệ: Thiết lập sơ đồ động học tải trọng puly cáp kéo, tính lực kéo tĩnh, lực quán tính gia tốc và mômen trên trục động cơ để lựa chọn công suất động cơ máy kéo và các bộ biến tần phù hợp.
  • Phương pháp thiết kế logic và mô phỏng hệ thống: Quy hoạch đầu vào/đầu ra (I/O), phân bổ vùng nhớ và lập trình mô phỏng các trạng thái vận hành của buồng thang và hệ thống cửa cabin trên phần mềm lập trình của họ S7-300.

Nguồn dữ liệu:

  • Tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của hãng Siemens về bộ điều khiển lập trình S7-300 (CPU 314) và các dòng biến tần Micromaster MM440, MM420.
  • Các thông số kỹ thuật chế tạo của động cơ không đồng bộ ba pha Tipo GF 132S và thiết bị cơ khí thang máy.
  • Quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn đối với thiết bị nâng hạ và thang máy chở khách.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển thang máy 7 tầng được thiết kế tích hợp giữa cơ cấu chấp hành cơ khí, mạch động lực điều khiển tốc độ và hệ thống điều khiển logic trung tâm dùng PLC.

Thông số kỹ thuật ban đầu của bài toán thiết kế

Thông số thiết kế Ký hiệu Giá trị định mức Đơn vị
Số tầng phục vụ $n$ 7 Tầng
Chiều cao mỗi tầng $h$ 3,6 m
Tải trọng định mức $G$ 600 kg
Khối lượng buồng thang không tải $G_{BTKT}$ 870 kg
Khối lượng đối trọng $m_{ĐT}$ 1140 kg
Tốc độ di chuyển tối đa $v$ 0,75 m/s
Gia tốc vận hành $a$ 1,0 $\text{m/s}^2$
Đường kính puly dẫn động cáp $D$ 0,52 (hoặc 54 cm) m
Tỷ số truyền hộp giảm tốc trục vít $i$ 1/43 -

Tính toán động lực và lựa chọn thiết bị mạch lực

Lực kéo tĩnh tác dụng lên puly cáp kéo được xác định từ sự chênh lệch khối lượng giữa buồng thang đầy tải và đối trọng: $$F = (m_{BT} + m_{max} - m_{ĐT}) \cdot g = (870 + 600 - 1140) \cdot 9,8 = 3234\text{ N}$$

Xét đến các lực cản ma sát giữa ngoàm dẫn hướng với ray và lực cản không khí trong giếng thang thông qua hệ số dự phòng $k = 1,2$, tổng lực cản tĩnh mà động cơ phải thắng là: $$P_c = 1,2 \cdot 3234 = 3880,8\text{ N}$$

Để thang máy đạt tốc độ định mức $v = 0,75\text{ m/s}$, tốc độ quay yêu cầu của trục động cơ kéo qua hộp số tỷ số truyền $i = 1/43$ là $n = 1138\text{ vòng/phút}$. Công suất tính toán yêu cầu của động cơ đạt $3790\text{ W}$ ($3,79\text{ kW}$). Tác giả chuẩn hóa và lựa chọn động cơ máy kéo có công suất danh định $5,5\text{ kW}$.

Các thiết bị phần cứng chính được lựa chọn cho mạch động lực và điều khiển bao gồm:

  • Động cơ máy kéo: Động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc mã hiệu Tipo GF 132S, công suất định mức $P_{đm} = 5,5\text{ kW}$, điện áp định mức $U_{đm} = 400\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{đm} = 13\text{ A}$, tốc độ định mức $n = 1425\text{ vòng/phút}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,84$, tần số $f = 50\text{ Hz}$, độ chênh lệch nhiệt độ môi trường cho phép tối đa $40^\circ\text{C}$. Phanh điện từ làm việc ở điện áp $110\text{ VDC}$, dòng điện $0,92\text{ A}$.
  • Biến tần kéo buồng thang: Siemens Micromaster 440 (MM440, mã đặt hàng 6SE6440-2UC24-0CA1, loại khung C), nguồn cấp 3 pha $380\text{ V}$, tích hợp tính năng điều khiển vector và vòng kín PID, trang bị 6 đầu vào số (DI), 2 ngõ vào tương tự (AI) và 2 ngõ ra tương tự (AO), nhiệt độ vận hành từ $-10^\circ\text{C}$ đến $+50^\circ\text{C}$.
  • Biến tần điều khiển cửa: Siemens Micromaster 420 (MM420, mã đặt hàng 6SE6420-2UC17-5AA1, loại A), công suất $0,75\text{ kW}$, nguồn cấp 1 pha hoặc 3 pha $200 - 240\text{ V} \pm 10%$, dải tần số đầu ra $0 - 650\text{ Hz}$, gồm 3 đầu vào số, 1 ngõ vào tương tự ($0 - 10\text{ V}$) và 1 ngõ ra tương tự ($0 - 20\text{ mA}$).

Kiến trúc hệ thống điều khiển PLC S7-300

Sơ đồ khối điều khiển hệ thống thang máy 7 tầng bao gồm 8 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

  1. Khối xử lý trung tâm: Sử dụng CPU 314 của dòng SIMATIC S7-300, kết hợp các thanh rack mở rộng kết nối qua module IM (như IM360, IM361, IM365) và các module tín hiệu SM (Digital Input/Output).
  2. Khối cảm biến vị trí: Nhận tín hiệu xác định tọa độ buồng thang và lệnh dừng chính xác tại từng tầng.
  3. Khối bàn phím: Tiếp nhận các nút gọi thang ngoài cửa tầng và nút chọn tầng, nút đóng/mở cửa nhanh bên trong buồng thang.
  4. Khối tín hiệu ngắt: Giám sát các giới hạn hành trình trên/dưới và các công tắc bảo vệ khẩn cấp thông qua các khối ngắt phần cứng (OB40).
  5. Khối hiển thị: Điều khiển đèn chỉ thị vị trí tầng hiện tại và chiều chuyển động của buồng thang.
  6. Khối đóng mở cửa: Điều phối động cơ truyền động cửa tầng và cửa cabin thông qua biến tần MM420, phối hợp cơ cấu an toàn chống kẹt cửa.
  7. Khối chuông và đèn báo: Phát tín hiệu cảnh báo sắp đóng cửa hoặc báo sự cố quá tải.
  8. Khối nguồn nuôi: Module PS cung cấp nguồn điện ổn định $24\text{ VDC}$ cho toàn bộ CPU và các cảm biến.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về thiết bị thang máy, cấu tạo PLC S7-300 và công nghệ biến tần công nghiệp:

  • Trình bày khái niệm và các cách phân loại thang máy: theo công dụng (chở người, chở người có hàng, chở bệnh nhân, chở hàng có/không có người đi kèm); theo hệ thống dẫn động cabin (dẫn động điện dùng puly ma sát/tang cuốn cáp, dẫn động thủy lực xi lanh - piston); theo dải tốc độ (thấp $<1\text{ m/s}$, trung bình $1 \div 2,5\text{ m/s}$, cao $2,5 \div 4\text{ m/s}$, rất cao $>4\text{ m/s}$); theo tải trọng ($<500\text{ kg}$, $500 \div 1000\text{ kg}$, $1000 \div 1600\text{ kg}$, $>1600\text{ kg}$); và theo vị trí bố trí buồng máy tời kéo (đặt trên đỉnh giếng hoặc dưới đáy giếng).
  • Mô tả chi tiết kết cấu cơ khí thang máy: cấu tạo buồng cabin, đối trọng, ray dẫn hướng, cáp thép chịu lực, phanh hãm điện từ, phanh bảo hiểm chống rơi (phanh kìm, phanh nêm, phanh lệch tâm), cơ cấu hạn chế tốc độ kiểu ly tâm (tác động khi vượt tốc định mức $20% \div 40%$), bộ đệm lò xo/dầu giảm chấn đáy hố pit.
  • Phân tích nguyên lý các dòng cảm biến định vị: công tắc cơ khí, cảm biến cảm ứng điện từ, cảm biến quang thu-phát hồng ngoại, cảm biến điện dung ($C = A \cdot K / D$), cảm biến điện cảm, phần tử bán dẫn Hall và module cảm biến hồng ngoại HN911L.
  • Phân tích cấu trúc phần cứng của PLC SIMATIC S7-300: các dòng CPU (CPU 312 đến CPU 319), các module nguồn PS (2A, 5A, 10A), module mở rộng tín hiệu SM, module ghép nối rack IM (quản lý tối đa 4 rack, 32 module), module chức năng đặc biệt FM, module truyền thông CP (CP341, CP342).
  • Trình bày cơ chế hoạt động theo chu kỳ vòng quét của PLC, thời gian trễ chuẩn định lượng khoảng $20\text{ ms}$ cho $1\text{ KB}$ chương trình; ba ngôn ngữ lập trình chuẩn (LAD, FBD, STL) và cấu trúc chương trình lồng nhau cho phép tối đa 8 cấp trên CPU 314; các khối ngắt hệ thống chuyên dụng (OB1, OB10, OB20, OB40, OB80, OB81, OB82, OB85, OB87, OB100, OB121, OB122).
  • Giới thiệu nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) và cấu trúc mạch biến tần Siemens Micromaster MM440, MM420; hướng dẫn sơ đồ đấu nối mạch động lực và mạch điều khiển.

Chương 2: Xây dựng mạch động lực

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán lựa chọn cấu hình truyền động điện và tính toán công suất cơ - điện:

  • Phân tích, đánh giá ưu nhược điểm của 4 phương án truyền động thang máy: (1) Hệ máy phát - động cơ một chiều (F-Đ); (2) Hệ bộ biến đổi tĩnh - động cơ một chiều (BBĐ-Đ); (3) Hệ bộ biến tần - động cơ xoay chiều không đồng bộ; (4) Hệ động cơ không đồng bộ nhiều cấp tốc độ.
  • Luận chứng kỹ thuật lựa chọn hệ truyền động biến tần Siemens MM440 kết hợp động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Tipo GF 132S cho công trình 7 tầng nhằm đạt hiệu quả kinh tế, giảm khối lượng bảo dưỡng, tiết kiệm điện năng và nâng cao tính êm dịu khi vận hành.
  • Thực hiện chuỗi tính toán cơ học hệ thống: xác định lực kéo tĩnh tác dụng lên puly ($F = 3234\text{ N}$), lực cản tĩnh có dự phòng ($P_c = 3880,8\text{ N}$), lực sinh gia tốc $a = 1\text{ m/s}^2$, mômen trục động cơ qua tỷ số truyền $i = 1/43$, từ đó xác định công suất tính toán yêu cầu $3,79\text{ kW}$ và chuẩn hóa chọn động cơ định mức $5,5\text{ kW}$.
  • Thiết lập sơ đồ đấu nối mạch lực hoàn chỉnh cho biến tần MM440 điều khiển động cơ máy kéo và biến tần MM420 điều khiển động cơ đóng/mở cửa buồng thang.

Chương 3: Xây dựng mạch điều khiển

Chương 3 thiết lập kiến trúc mạch điều khiển cho thang máy 7 tầng:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng thể hệ thống điều khiển thang máy 7 tầng gồm các khối: xử lý trung tâm, bàn phím, cảm biến vị trí, tín hiệu ngắt an toàn, hiển thị trạng thái, đóng/mở cửa tự động và khối chuông đèn cảnh báo.
  • Thiết lập nguyên lý phối hợp liên động an toàn: quy định buồng thang chỉ được phép chuyển động khi cửa cabin và tất cả các cửa tầng đã đóng kín hoàn toàn và khóa cơ - điện đã chốt; hệ thống tự động ngắt điện động cơ và kích hoạt phanh điện từ khi buồng thang chạm công tắc hành trình giới hạn ở đỉnh hoặc đáy giếng thang.

Chương 4: Lập chương trình điều khiển thang máy trên S7-300

Chương 4 hoàn thiện thuật toán logic và chương trình điều khiển:

  • Xác định quy trình logic điều khiển chuyển động của buồng thang: thu nhận và ghi nhớ tín hiệu gọi tầng, so sánh vị trí hiện tại với vị trí tầng đích để quyết định chiều chạy (lên hoặc xuống), tự động dừng đón/trả khách ưu tiên theo chiều đang chuyển động.
  • Xây dựng quy trình logic điều khiển hệ thống cửa cabin và cửa tầng: chu trình mở cửa khi dừng tầng chính xác, tự động đóng cửa sau một khoảng thời gian trễ định trước, xử lý tín hiệu an toàn chống kẹt cửa (tự động đảo chiều mở cửa khi phát hiện vật cản).
  • Thiết lập bảng quy ước phân bổ địa chỉ đầu vào/đầu ra số (I/O) cho CPU PLC S7-300 kết nối với các nút ấn gọi tầng ngoài hành lang, nút bấm trong cabin, tiếp điểm hành trình, cảm biến dừng tầng và các rơle điều khiển biến tần.
  • Tiến hành chạy mô phỏng hoạt động của buồng thang để kiểm chứng tính đúng đắn của giải thuật logic điều khiển.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành các nội dung kỹ thuật theo đúng mục tiêu đặt ra với các kết quả cụ thể:

  1. Tính toán và xác lập chính xác các thông số cơ - điện của hệ truyền động thang máy 7 tầng: tải trọng $600\text{ kg}$, lực kéo puly $3234\text{ N}$, tổng lực cản tính toán $3880,8\text{ N}$, lựa chọn động cơ ba pha Tipo GF 132S ($5,5\text{ kW}$, $1425\text{ vòng/phút}$) kết hợp hộp giảm tốc $i = 1/43$, phanh hãm điện từ $110\text{ VDC}$ ($0,92\text{ A}$).
  2. Cấu hình hoàn chỉnh hai bộ biến tần Siemens: MM440 công suất lớn điều khiển máy kéo chính và MM420 ($0,75\text{ kW}$) điều khiển động cơ cửa cabin.
  3. Tổng hợp bảng so sánh định lượng về độ chính xác dừng tầng $\Delta s$ giữa các hệ truyền động thang máy trong kỹ thuật:
Hệ thống truyền động điện Phạm vi điều chỉnh tốc độ Tốc độ di chuyển ($v$) Gia tốc lớn nhất ($a$) Độ chính xác khi dừng ($\Delta s$)
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc 1 cấp tốc độ $1 : 1$ $0,8\text{ m/s}$ $1,5\text{ m/s}^2$ $\pm (120 \div 150)\text{ mm}$
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc 2 cấp tốc độ $1 : 4$ $0,5\text{ m/s}$ $1,5\text{ m/s}^2$ $\pm (10 \div 15)\text{ mm}$
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc 2 cấp tốc độ $1 : 4$ $1,0\text{ m/s}$ $1,5\text{ m/s}^2$ $\pm (25 \div 35)\text{ mm}$
Hệ máy phát - động cơ một chiều (F - Đ) $1 : 30$ $2,0\text{ m/s}$ $2,0\text{ m/s}^2$ $\pm (10 \div 15)\text{ mm}$
Hệ máy phát - động cơ có khuếch đại trung gian $1 : 100$ $2,0\text{ m/s}$ $2,0\text{ m/s}^2$ $\pm (5 \div 10)\text{ mm}$
Biến tần - Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Rộng $>1,5\text{ m/s}$ Điều chỉnh mịn $\le \pm 5\text{ mm}$

Đóng góp kỹ thuật của đề tài:

  • Đề xuất giải pháp thay thế các hệ thống điều khiển thang máy dùng rơle - công tắc tơ cồng kềnh truyền thống bằng bộ điều khiển khả trình PLC S7-300, giúp giảm đáng kể không gian lắp đặt tủ điện, nâng cao độ tin cậy và linh hoạt thay đổi logic hoạt động thông qua phần mềm.
  • Kết hợp giải pháp biến tần MM440 điều khiển vector với động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc thay cho hệ truyền động một chiều (F-Đ), vừa hạ giá thành chế tạo, giảm chi phí bảo dưỡng chổi than - cổ góp, vừa đảm bảo khả năng dừng tầng chính xác cao ($\le \pm 5\text{ mm}$) và khống chế độ giật trong ngưỡng an toàn ($p \le 20\text{ m/s}^3$).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Như tác giả đã nêu trong Lời nói đầu, do điều kiện thực tế và thiết bị tiếp xúc còn hạn chế, các kết quả nghiên cứu của đề tài mới dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ nguyên lý phần cứng và lập trình chạy mô phỏng hoạt động trên phần mềm, chưa được lắp đặt và kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình thang máy vật lý hoàn chỉnh.
  • Đề tài chỉ tập trung giải quyết bài toán điều khiển cho một buồng thang đơn lẻ trong tòa nhà 7 tầng, chưa khảo sát các thuật toán điều phối nhóm thang máy (duplex, triplex) trong các công trình có mật độ giao thông lớn.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp:

  • Chế tạo mô hình phần cứng thực nghiệm thu nhỏ kết nối trực tiếp với PLC S7-300 và biến tần để kiểm chứng các thông số thực tế về thời gian quá độ, gia tốc và sai số dừng tầng.
  • Tích hợp thêm module truyền thông công nghiệp (như CP342-5 hỗ trợ mạng PROFIBUS hoặc module PROFINET) để kết nối hệ thống thang máy với trung tâm điều khiển tòa nhà thông minh (BMS/SCADA).
  • Nghiên cứu và mở rộng thuật toán điều khiển phối hợp cho cụm nhiều thang máy hoạt động đồng thời nhằm tối ưu hóa thời gian chờ của hành khách và tiết kiệm điện năng tiêu thụ.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích dành cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điện tại các trường đại học kỹ thuật làm đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về hệ thống điều khiển thang máy hoặc hệ thống truyền động điện công nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống cơ điện tòa nhà (M&E) cần tài liệu tham khảo về phương pháp tính chọn công suất động cơ máy kéo, cấu hình biến tần Siemens MM440/MM420 và quy trình phân bổ I/O, tổ chức khối hàm trên PLC Siemens S7-300.

Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:

  • Quy trình tính toán động lực học thang máy từ thông số tải trọng đến lực kéo tĩnh puly và mômen động cơ.
  • Bảng tham số so sánh độ chính xác dừng tầng giữa các hệ truyền động điện.
  • Hướng dẫn cấu trúc phân chia khối hàm lập trình có cấu trúc (OB, FC, FB, DB) trên nền tảng PLC S7-300.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn hệ truyền động biến tần kết hợp động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc thay vì hệ máy phát - động cơ (F-Đ)?

Theo phân tích của tác giả trong Chương 1 và Chương 2, hệ máy phát - động cơ (F-Đ) có nhược điểm lớn là công suất lắp đặt thiết bị cao gấp 3 đến 4 lần so với hệ xoay chiều, kết cấu cồng kềnh, phức tạp trong vận hành và tốn nhiều công bảo dưỡng cổ góp, chổi than. Trong khi đó, việc sử dụng biến tần bán dẫn kết hợp động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc vừa có giá thành thấp, độ bền cơ học cao, vừa cho phép điều chỉnh tần số mịn màng, kiểm soát tốt gia tốc và độ giật, đồng thời đạt độ chính xác dừng tầng cao ($\le \pm 5\text{ mm}$) tương đương hoặc tốt hơn hệ F-Đ.

2. Các thông số kỹ thuật định mức của động cơ máy kéo được tác giả lựa chọn là gì?

Tác giả lựa chọn động cơ ba pha rotor lồng sóc mã hiệu Tipo GF 132S với các thông số định mức gồm: công suất định mức $P_{đm} = 5,5\text{ kW}$, điện áp định mức $U_{đm} = 400\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{đm} = 13\text{ A}$, tốc độ định mức $n = 1425\text{ vòng/phút}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,84$, tần số định mức $f = 50\text{ Hz}$, độ chênh lệch nhiệt độ cho phép tối đa so với môi trường là $40^\circ\text{C}$. Động cơ được kết nối với hộp giảm tốc có tỷ số truyền $i = 1/43$ và puly dẫn động có đường kính $54\text{ cm}$.

3. Hệ thống cơ khí an toàn chống rơi tự do của thang máy hoạt động theo nguyên lý nào?

Hệ thống an toàn chống rơi kết hợp giữa bộ hạn chế tốc độ kiểu ly tâm đặt ở đỉnh giếng thang và phanh bảo hiểm kiểu kìm đặt phía dưới buồng thang. Một vòng cáp kín nối buồng thang với puly bộ điều tốc. Khi tốc độ buồng thang vượt quá tốc độ định mức từ $20%$ đến $40%$ (tốc độ nhả bằng khoảng $1,4$ lần tốc độ bình thường), lực ly tâm sẽ đẩy quả văng tác động vào cam, ngắt công tắc điện dừng động cơ máy kéo và đồng thời kẹp chặt cáp điều tốc. Lực giữ cáp tác động lên đòn bẩy cơ khí trên buồng thang, ép các má kìm phanh bảo hiểm siết chặt vào hai thanh ray dẫn hướng để giữ chặt buồng thang đứng yên.

4. Trong PLC SIMATIC S7-300, các khối tổ chức OB nào được tác giả đề cập để xử lý các tín hiệu ngắt và lỗi hệ thống?

Văn bản khóa luận liệt kê cụ thể các khối tổ chức ngắt và xử lý sự cố trong S7-300 gồm: OB1 (chu trình quét chính), OB10 (ngắt thời gian trong ngày), OB20 (ngắt trì hoãn thời gian), OB40 (ngắt cứng ngoại vi), OB80 (lỗi thời gian vòng quét vượt giới hạn), OB81 (lỗi nguồn nuôi), OB82 (ngắt chẩn đoán sự cố module I/O), OB85 (lỗi gọi ngắt không có chương trình tương ứng), OB87 (lỗi truyền thông), OB100 (khởi động chuyển từ STOP sang RUN), OB101 (khởi động nguội), OB121 (lỗi logic chương trình) và OB122 (lỗi truy cập module).

5. Giới hạn tối ưu của gia tốc và độ giật được quy định như thế nào để đảm bảo tính tiện nghi cho hành khách?

Để tránh gây ra các cảm giác khó chịu cho hành khách như chóng mặt, sợ hãi hoặc nghẹt thở, gia tốc tối ưu của buồng thang máy được quy định phải nhỏ hơn $2\text{ m/s}^2$ ($a < 2\text{ m/s}^2$). Đồng thời, tốc độ biến thiên của gia tốc theo thời gian (tức độ giật $p = da/dt$) không được vượt quá ngưỡng $20\text{ m/s}^3$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Đức Nam đã xây dựng thành công giải pháp kỹ thuật tổng thể cho hệ thống điều khiển thang máy chở khách 7 tầng dựa trên bộ điều khiển khả trình PLC SIMATIC S7-300 kết hợp biến tần Siemens Micromaster MM440 và MM420. Đề tài đã giải quyết trọn vẹn chuỗi tính toán động lực học, lựa chọn công suất động cơ máy kéo $5,5\text{ kW}$ phù hợp với tải trọng $600\text{ kg}$, đồng thời thiết kế mạch nguyên lý và thuật toán điều khiển logic an toàn cho thang máy. Công trình là tài liệu tham khảo học thuật có giá trị thực tiễn đối với sinh viên và cán bộ kỹ thuật trong các lĩnh vực Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.