Đồ án cơ điện tử, đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cụm thang máy sử dụng phần mềm tia portal v16, ứng dụng xử lý ảnh vào nhận diện thang máy quá tải. Thuật toán tối ưu cho cụm 2 thang máy 4 tầng. Điều thêm cabin khi cabin này quá tải về khối lượng, số người, không gian trong thang máy
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế hệ thống điều khiển cụm thang máy Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử Giảng viên: TS Nguyễn Trọng Doanh Chữ ký GVHD Nhóm sinh viên thực hiện: STT Họ tên MSSV Lục Văn Ninh 20170849 Lê Khả Tuấn 20170977 Nguyễn Nhật Minh Hà Nội, năm 2022 20170831 Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan thang máy 1.1.1 Khái niệm chung thang máy 1.1.2 Lịch sử đời phát triển 1.1.3 Cấu trúc điển hình thang máy 1.1.4 Hệ thống mạch điện thang máy 17 1.1.5 Phân loại thang máy 18 1.2 Tổng quan PLC 20 1.2.1 Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC 20 1.2.2 Bộ điều khiển PLC S7-1200 23 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA CHO THANG MÁY 28 2.1 Yêu cầu thiết kế 28 2.1.1 Yêu cầu an toàn 28 2.1.2 Yêu cầu tối ưu thuật toán 29 2.1.3 Yêu cầu gia tốc, tốc độ, độ giật 30 2.1.4 Yêu cầu dừng xác 31 2.1.5 Yêu cầu hệ truyền động dùng thang máy 31 2.1.6 Các tiêu chuẩn thiết kế thang máy 32 2.2 Lựa chọn thiết bị 33 2.2.1 Tính tốn thơng số 33 2.2.2 Biến tần 37 2.2.3 Bộ chuyển đổi tín hiệu 42 2.2.4 Module mở rộng 44 2.2.5 Một số thiết bị khác 45 2.3 Nguyên tắc sử dụng thang máy 46 2.3.1 Sử dụng thang máy 46 2.3.2 Nguyên tắc điều khiển thang 49 CHƯƠNG 3: XỬ LÝ ẢNH 52 3.1 Cơ sở lý thuyết 52 3.1.1 Tổng quan YOLO 52 3.1.2 Ouput YOLO 54 3.1.3 Dự báo bounding box 60 3.1.4 Thuật toán sử dụng YOLOv5 62 3.1.5 Cấu trúc YOLOv5 việc nhận diện vật thể (Object Detection) 63 3.1.6 Những cải tiến YOLOv5 so với các phiên trước 64 3.2 Chương trình nhận diện đối tượng 64 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ 68 4.1 Tổng quan phần mềm TIA Portal 68 4.1.1 Giới thiệu 68 4.1.2 Ưu điểm nhược điểm sử dụng TIA Portal 69 4.1.3 Các thành phần cài TIA Portal 69 4.1.4 PLCSIM Advanced 70 4.2 Xây dựng dựng chương trình điều khiển 72 4.2.1 Lưu đồ thuật toán 72 4.2.2 Các đầu vào đầu PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC modul mở rộng 77 4.3 Kiểm nghiệm kết 78 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 82 Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH ẢNH Chương Hình 1 Sơ đồ kết cấu bố trí thiết bị thang máy 10 Hình Cơ cấu nâng 11 Hình Tủ điện 12 Hình Cabin thang máy 12 Hình Ngàm dẫn hướng rãnh trượt 13 Hình Cáp thép phủ nhựa 14 Hình Bộ phận giảm chấn thủy lực giảm chấn lò xo 15 Hình Vị trí lắp đặt hệ thống giảm chấn giếng thang 16 Hình Tủ cứu hộ tự động cho thang máy 17 Hình 10 Thang máy điện có tời đặt phía giếng thang 18 Hình 11 Thang máy dẫn động thủy lực 19 Hình 12 Sơ đồ cấu trúc chung PLC 20 Hình 13 Quá trình hoạt động vòng quét 22 Hình 14 Bộ điều khiển PLC S7-1200 24 Hình 15 Cấu hình giao tiếp PLC S7-1200 26 Hình 16 PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC 27 Chương Hinh Bộ hạn chế tốc độ 28 Hinh 2 Lựa chọn gia tốc 31 Hinh Sơ đồ tổng quan điều khiển thang máy 33 Hinh Biểu đồ tốc độ tối ưu, biểu đồ gia tốc, biểu đồ độ dật 35 Hinh Sơ đồ khối biến tần gián tiếp 38 Hinh Sơ đồ khối hệ biến tần động hệ thống điều khiển PLC 38 Hinh Biến tần MM440 39 Hinh Sơ đồ nguyên lý 39 Hinh Biến tần MM420 40 Đồ án tốt nghiệp Hinh 10 Sơ đồ nguyên lý 41 Hinh 11 Sơ đồ kết nối động 41 Hinh 12 Mạch nguồn 5V 42 Hinh 13 Hình dạng sơ đồ chân IC 7805 42 Hinh 14 Bộ chuyển đổi 5V-24V 43 Hinh 15 Hình dạng sơ đồ chân IC PC817 43 Hinh 16 Bộ chuyển đổi 24V-5V 44 Hinh 17 Hình dạng sơ đồ chân IC PC817 44 Hinh 18 Module mở rộng SM1223 DC/DC 44 Hinh 19 Sơ đồ đấu nối Input-Otput 45 Hinh 20 Nút nhấn 45 Hinh 21 Cơng tắc hành trình 46 Hinh 22 Cảm biến móng ngựa 46 Hinh 23 Sử dụng thang máy từ bên buồng thang 47 Hinh 24 Sử dụng thang máy từ bên buồng thang 48 Hinh 25 Sơ đồ dừng tầng thang máy vị trí đặt cờ 50 Hinh 26 Sơ đồ vị trí đặt cờ cảm biến 50 Chương Hinh Kiến trúc mạng YOLO 53 Hinh Các layer mạng darknet-53 53 Hinh 3 Cách hoạt động mạng YOLO 54 Hinh Kiến trúc output model YOLO 55 Hinh Các feature maps mạng YOLOv3 với input shape 416x416, output feature maps có kích thước 13x13, 26x26 52x52 56 Hinh Xác định anchor box cho vật thể 57 Hinh Khi vật thể người xe trùng mid point thuộc cell 58 Hinh Tính toán Loss Function cho object: tam giác hình thoi 59 Hinh Công thức ước lượng bounding box từ anchor box 61 Hinh 10 Non-max suppression 62 Đồ án tốt nghiệp Hinh 11 So sánh kích thước lưu trữ Model các mẫu mã YOLOv5 63 Hinh 12 So sánh độ trễ trung bình các phiên YOLO (v3,v4,v5) 63 Hinh 13 Cấu trúc nhận diện vật thể YOLOv5 64 Hinh 14 Tạo luồng camera phông chữ sử dụng 65 Hinh 15 Phát người YOLO hình bao quanh vật thể xác định 65 Hinh 16 Hiển thị số người đếm FPS 66 Hinh 17 Load lưu các giá trị vào biến config 67 Hinh 18 Kết nhận dạng hiển thị số đếm FPS 67 Chương Hình Phần mềm TIA Portal 68 Hình PLCSim Advanced 70 Hình So sánh PLCSim Advanced với PLCSim 71 Hình 4 Chương trình 72 Hình Lưu đồ tính K1, K2 73 Hình Chương trình di chuyển cabin đến tầng gọi 74 Hình Đóng mở phục vụ cabin 75 Hình Chương trình điều thêm cabin 76 Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU Trong năm gần với q trình cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước hàng loạt cơng trình nhà cao tầng xây dựng khắp miền đất nước nhờ thang máy, thang nói chung thang máy chở người nói riêng sử dụng ngày nhiều Thang máy thường sử dụng khách sạn, công sở, chung cư, bệnh viện, các nhà máy, cơng xưởng…v.v… đặc điểm tần suất vận chuyển lớn, đóng mở máy liên tục Ngoài ý nghĩa vận chuyển thang máy yếu tố làm tăng vẻ đẹp tiện nghi cơng trình Nhiều quốc gia giới quy định, đối với tòa nhà cao tầng trở lên phải trang bị thang máy để đảm bảo cho người lại thuận tiện, tiết kiệm thời gian tăng suất lao động Với nhà cao tầng có chiều cao lớn việc trang bị thang máy bắt buộc để phục vụ cho việc lại cho tòa nhà Xuất phát từ tầm quan trọng thang máy sống, khoảng thời gian học tập rèn luyên trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, chuyên ngành Cơ Điện Tử nhóm em có điều kiện học hỏi tích lũy kiến thức chuyên nghành học Với mục đích ứng dụng kiến thức học vào thực tế sống nhóm em chọn hướng dẫn đề tài Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan thang máy 1.1.1 Khái niệm chung thang máy Thang máy thiết bị chuyên dụng để vận chuyển người, hàng hoá theo phương thẳng đứng Thang máy dùng công sở, khách sạn, chung cư, biệt thự, các đài quan sát, tháp truyền hình, các nhà máy Đặc điểm vận chuyển thang máy thời gian chu kỳ vận chuyển bé, tần suất vận chuyển lớn, đóng mở máy liên tục Ngồi thang máy yếu tố làm tăng vẻ đẹp tiện nghi cơng trình Thang máy thiết bị vận chuyển địi hỏi tính an tồn nghiêm ngặt liên quan trực tiếp đến tài sản, tính mạng người Do thiết kế phải tuân thủ cách nghiêm ngặt yêu cầu kỹ thuật an toàn quy định tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm Thang máy khơng đẹp, sang trọng, thơng thống mà cịn phải có đầy đủ thiết bị an toàn, đảm bảo độ tin cậy như: điện chiếu sáng dự phòng điện, điện thoại nội bộ, chng báo, hãm bảo hiểm, an tồn cabin, cơng tắc an tồn cửa cabin, khố an tồn cửa tầng, cứu hộ điện nguồn 1.1.2 Lịch sử đời phát triển Cuối kỷ 19, giới mới có vài hãng thang máy đời như: OTIS (Mỹ); SCHINDLER (Thụy Sĩ) Năm 1853, hãng thang máy OTIS chế tạo đưa vào sử dụng thang máy giới Đến năm 1874, hãng thang máy SCHINDLER chế tạo thành công thang máy khác Lúc đầu tời kéo có tốc độ, cabin có kết cấu đơn giản, cửa tầng đóng mở tay, tốc độ di chuyển cabin thấp Đầu kỷ 20, có nhiều hãng thang máy khác đời như: KONE (Phần Lan); MISUBISHI, NIPPON, ELEVATOR (Nhật Bản); THYSEN (Đức); SABIEM (Ý); v v chế tạo loại thang máy có tốc độ cao, tiện nghi cabin tốt êm Vào đầu năm 1970, thang máy chế tạo đạt tới tốc độ 450(m/ph), thang máy chở hàng có tải trọng nâng tới 30 tấn, đồng thời khoảng thời gian có thang máy thủy lực đời Sau khoảng thời gian ngắn với tiến ngành khoa học khác, 10 tốc độ thang máy đạt tới 600(m/ph) Vào năm 1980, xuất hệ thống điều khiển động mới phương pháp biến đổi điện áp tần số VVVF (Inverter) Thành tựu cho phép thang máy hoạt động êm hơn, tiết kiệm khoảng 40% công suất động Đồng thời, vào năm xuất loại thang máy dùng điện cảm ứng tuyến tính Đầu năm 1990, Đồ án tốt nghiệp giới chế tạo thang máy có tốc độ đạt tới 750(m/ph) thang máy có tính kỹ thuật đặc biệt khác 1.1.3 Cấu trúc điển hình thang máy 1.1.3.1 Tổng quan khí thang máy Thang máy có cấu trúc phức tạp nhìn chung cấu tạo gồm số phận sau: - - Cơ cấu nâng hạ bao gồm: Động không đồng đảo chiều Puly ( tang cáp nâng hạ ) Hệ thống phanh Hộp giảm tốc Cabin Đối trọng Bộ phận dẫn hướng Bộ phận treo cabin ( hệ thống cáp ) Bộ phận hạn chế tốc độ Bộ giảm chấn đáy hầm Hệ thống thiết bị an toàn phục vụ khác Tủ điện hệ thống điều khiển Tất thiết bị thang máy đặt giếng buồng thang (khoảng không gian từ trần tầng cao đến mức sâu tầng 1), buồng máy (trên sàn tầng cao ) hố buồng thang (dưới mức sàn tầng 1) Mỗi phận chức đảm nhận nhiệm vụ làm thang máy hoàn chỉnh hơn, an toàn thuận tiện Độ phức tạp thang máy cao phận cấu thành nhiều Do đó, khả chế tạo, lắp ráp điều chỉnh khó khăn làm ảnh hưởng tới tốc độ xác thang máy Đồ án tốt nghiệp Hình 1 Sơ đồ kết cấu bố trí thiết bị thang máy Các loại thang máy đại có cấu trúc phức tạp nhằm nâng cao tính tin cậy, an tồn tiện lợi vận hành 1.1.3.2 Sơ chức số phận a) Bộ phận lắp phòng điều khiển - Cơ cấu nâng: 10 Đồ án tốt nghiệp Hình So sánh PLCSim Advanced với PLCSim 71 Đồ án tốt nghiệp 4.2 Xây dựng dựng chương trình điều khiển 4.2.1 Lưu đồ thuật tốn Hình 4 Chương trình 72 Đồ án tốt nghiệp Hình Lưu đồ tính K1, K2 73 Đồ án tốt nghiệp Hình Chương trình di chuyển cabin đến tầng gọi 74 Đồ án tốt nghiệp Hình Đóng mở phục vụ cabin 75 Đồ án tốt nghiệp Hình Chương trình điều thêm cabin 76 Đồ án tốt nghiệp 4.2.2 Các đầu vào đầu PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC modul mở rộng Input GLT1 GLT2 GLT3 GXT4 GXT3 GXT2 T1 CB1 T2 CB1 T3 CB1 T4 CB1 T1 CB2 T2 CB2 T3 CB2 T4 CB2 Open door Open door Close door Close door Limit open door Limit open door Limit close door Limit close door Sensor position cb1 Sensor position cb2 CBD cb1 Địa %I0.0 %I0.1 %I0.2 %I0.3 %I0.4 %I0.5 %I0.6 %I0.7 %I1.0 %I1.1 %I1.2 %I1.3 %I1.4 %I1.5 %I2.0 %I2.1 %I2.2 %I2.3 %I2.4 %I2.5 %I2.6 %I2.7 %I3.0 Nút nhấn gọi lên tầng Nút nhấn gọi lên tầng Nút nhấn gọi lên tầng Nút nhấn gọi lên tầng Nút nhấn gọi xuống tầng Nút nhấn gọi xuống tầng Chọn tầng cabin Chọn tầng cabin Chọn tầng cabin Chọn tầng cabin Chọn tầng cabin Chọn tầng cabin Chọn tầng cabin Chọn tầng cabin Mở cửa bên cabin Mở cửa bên cabin Đóng cửa bên cabin Đóng cửa bên cabin Cảm biến cửa cabin mở hết Cảm biến cửa cabin mở hết Cảm biến cửa cabin đóng hết Cảm biến cửa cabin đóng hết Cảm biến vị trí cabin để dừng tầng %I3.1 Cảm biến vị trí cabin để dừng tầng %I3.2 Cảm biến gần sàn tầng dưới sàn tầng cb1 xuống Cảm biến gần sàn tầng dưới sàn tầng cb2 xuống Cảm biến gần sàn tầng sàn tầng cb1 lên Cảm biến gần sàn tầng sàn tầng cb2 lên Ghi CBD cb2 %I3.3 CBT cb1 CBT cb2 Output %I3.4 %I3.5 Địa %Q0.0 %Q0.1 %Q0.2 %Q0.3 %Q0.4 %Q0.5 %Q0.6 Elevator1 UP Elevator1 DOWN Elevator2 UP Elevator2 DOWN Open door CB1 Close door CB1 Open door CB2 Ghi Động quay thuận Động quay nghịch Động quay thuận Động quay nghịch Động cửa cabin quay thuận Động cửa cabin quay nghịch Động cửa cabin quay thuận 77 Đồ án tốt nghiệp Close door CB2 DC1 SLOW DC2 SLOW Overload CB1 Overload CB2 Lamp Lamp STOP CB1 STOP CB2 %Q0.7 %Q1.0 %Q1.1 %Q2.0 %Q2.1 %Q2.2 %Q2.3 %Q2.4 %Q2.5 Động cửa cabin quay nghịch Điều khiển ĐC1 quay chậm Điều khiển ĐC2 quay chậm Đèn cảnh báo cabin quá tải Đèn cảnh báo cabin quá tải Đèn chiếu sáng cabin Đèn chiếu sáng cabin Điều khiển dừng cabin Điều khiển dừng cabin 4.3 Kiểm nghiệm kết - - - - - - Tình 1: Thang đứng yên tầng 1, thang đứng yên tầng Khi có yêu cầu gọi thang tầng Hoạt động: Thang di chuyển lên tầng đón khách, thang đứng yên Đánh giá: Đạt yêu cầu, theo lựa chọn quãng đường gần Tình 2: Thang xuống từ tầng 4, thang xuống từ tầng Khi có yêu cầu xuống từ tầng Hoạt động: Thang máy tiếp tục xuống, thang máy xuống tầng tiếp tục đón khách Đánh giá: Đạt yêu cầu, theo cách thức di chuyển theo hướng Tình 3: Thang bắt đầu lên từ tầng 1, thang đứng yên tầng Khi có yêu cầu lên từ tầng Hoạt động: Thang tiếp tục di chuyển lên, thang di chuyển xuống tầng đón khách lên Đánh giá: Đạt yêu cầu, theo thời gian phục vụ nhanh Tình 4: Thang đứng yên tầng 2, thang đứng yên tầng Khi tầng có yêu cầu lên Hoạt động: Thang lên đón khách tầng lên, thang đứng yên Đánh giá: Đạt yêu cầu, theo quy định quãng đƣờng lựa chọn thang Tình 5: Hai thang tương đương vị trí, chiều chuyển động Hoạt động: Ưu tiên thang Đánh giá: Đạt yêu cầu Tính 6: Hai thang tầng 1, có yêu cầu lên tầng 2, tầng Tại tầng trọng lượng tải vượt mức cho phép Trong thang có lệnh gọi đến tầng Hoạt động: Thang máy di chuyển lên tầng mở cửa đón khách Thang báo tải, thang di chuyển lên tầng đón khách Thang 78 Đồ án tốt nghiệp bỏ lệnh yêu cầu gọi lên tầng 3, lên tầng Thang di chuyển lên tầng đón khách Đánh giá: Đạt yêu cầu 79 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 Kết luận Sau thời gian làm đồ án dưới hướng dẫn thầy Nguyễn Trọng Doanh, nỗ lực làm việc nhóm, nhóm em hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp Kết nghiên cứu đề tài: - Nêu tổng quan thang máy, điều khiển PLC Mô tả hệ thống thang máy gồm thang tầng Xây dựng thuật toán điều khiển Hoàn thành chương trình điều khiển cho hệ thống với q trình nhập tín hiệu, xử lý tín hiệu xuất tín hiệu điều khiển hệ thống Thiết kế mơ mơ hình hệ thống thang máy kiểm chứng kết Đồ án giúp nhóm em hiểu biết cách ứng dụng PLC vào thực tế, cịn giúp chúng em bổ sung thêm kiến thức khả lập trình số kỹ khác Tuy nhiên thời gian nghiên cứu hạn chế kiến thức có hạn nên cịn nhiều thiếu xót Rất mong đóng góp ý kiến thầy để chúng em bổ xung thêm kiến thức có 5.2 Phương hướng phát triển tương lai Thiết kế cụm thang máy nhiều thang dành cho tòa nhà nhiều tầng thường xuyên xảy tình trạng tải thang máy Thiết kế bảng chọn tầng bên thang máy để xác định xác số lượng người muốn lên xuống Tử điều thêm thang máy để đáp ứng nhu cầu hành khách 80 Đồ án tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alvaro A Patiño-Forero, Daniel M Muñoz, Guilherme Caribé de Carvalho, Carlos H Llanos, MODELING OF AN ELEVATOR GROUP CONTROL SYSTEM USING PROGRAMMABLE LOGIC CONTROL AND DESTINATION CONTROL SYSTEM, 20th International Congress of Mechanical Engineering, November 15-20, 2009, Gramado, RS, Brazil [2] Daniel Nikovski Matthew Brand, Decision-Theoretic Group Elevator Scheduling, MITSUBISHI ELECTRIC RESEARCH LABORATORIES, June 2003 [3] Marja-Liisa Siikonen, Planning and Control Models for Elevators in High-Rise Buildings, Helsinki University of Technology, Systems Analysis Laboratory, Research Reports, October 1997 [4] Mehmet Baygin, Mehmet Karakose, Immunity-Based Optimal Estimation Approach for a New Real Time Group Elevator Dynamic Control Application for Energy and Time Saving, Hindawi Publishing Corporation, The Scientific World Journal, 2013 [5] Shayan Effati & Donia Alipoor, A Comparison of Traditional Elevator Control Strategies, DEGREE PROJECT, IN COMPUTER SCIENCE , FIRST LEVEL STOCKHOLM, SWEDEN 2015 81 Đồ án tốt nghiệp PHỤ LỤC Những network chương trình điều khiển thang : 82 Đồ án tốt nghiệp Chương trình hoạt động: 83 Đồ án tốt nghiệp Nhập xuất liệu từ xử lý ảnh: 84 Đồ án tốt nghiệp Giao diện mô phỏng: 85 ... người sử dụng thang máy cảm thấy phục vụ cách tốt Tránh tình trang người gọi thang trước mà phải đợi thang lâu Thường hệ thống điều khiển thang máy tuân theo luật điều khiển sau: 29 Đồ án tốt nghiệp... dịu dừng cabin xác b) Mạch điều khiển Là hệ thống điều khiển tầng có tác dụng thực chƣơng trình điều khiển phức tạp, phù hợp với chức yêu cầu thang máy Hệ thống điều khiển tầng có nhiệm vụ lưu... thang máy hoạt động trở tầng gần nhất, mở cửa giúp người thang 16 Đồ án tốt nghiệp Hình Tủ cứu hộ tự động cho thang máy 1.1.4 Hệ thống mạch điện thang máy a) Mạch động lực Là hệ thống điều khiển