Ngày nay, khi con người ngày càng tạo ra nhiều thiết bị phục vụ nhu cầu sinh hoạt thiết yếu của mình cũng như gia đình thì thang máy cũng không chỉ còn xuất hiện ở các tòa nhà cao ốc, trung tâm thương mại mà chúng đã len lỏi vào các ngóc ngách phục vụ cuộc sống gia đình. Chính vì vậy, sau thời gian học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, chúng em lựa chọn đề tài “ Tính toán thiết kế, lập trình mô phỏng điều khiển thang máy gia đình bằng PLC” làm đồ án tốt nghiệp ra trường. Đề tài đồ án là một bài toàn thực tế thiết thực, qua đó chúng em có thể tiếp tục học hỏi, áp dụng những kiến thức học được trên ghế nhà trường áp dụng vào thực tế cuộc sống.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ THANG MÁY 1.1 Khái niệm chung đời thang máy 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Sự đời phát triển thang máy 1.2 Cấu tạo chung thang máy 1.2.1 Hệ thống khí 1.2.2 Phần điện thang máy 14 1.2.3 Nguyên lý hoạt động thang máy 15 1.2.4 Yêu cầu an toàn với thang máy 16 1.3 Phân loại thang máy 18 1.3.1 Theo hệ thống dẫn động cabin 18 1.3.2 Theo bố trí tời 19 1.3.3 Theo vị trí cabin đối trọng 20 1.3.4 Phân loại theo tải trọng 20 1.3.5 Phân loại theo vận tốc di chuyển 21 1.3.6 Theo hệ thống vận hành 21 1.3.7 Phân loại thang máy theo TCVN 5744 – 1993 21 1.3.8 Phân loại theo nguồn gốc xuất xứ 22 1.3.9 Một số thang máy đại giới 22 CHƯƠNG II : TÍNH TỐN THIẾT KẾ THANG MÁY 24 2.1 Yêu cầu thiết kế 24 2.2 Tính tốn khí cho thang máy 24 2.2.1 Tính tốn đối trọng 25 2.2.2 Tính tốn động kéo buồng thang 25 2.2.3 Tính tốn cáp kéo cho cabin 30 2.3 Thiết kế khí cho thang máy 31 2.3.1 Hệ thống dẫn động cabin 31 2.3.2 Rail cabin 37 2.3.3 Rail cửa tầng, cửa cabin 38 2.2.4 Thiết kế giếng thang 39 2.4 Thiết kế hệ thống điều khiển thang máy 40 SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 2.4.1 Biến tần Yaskawa L1000A 41 2.4.2 Thiết bị đóng cắt Aptomat 51 2.4.3 Rơ le nhiệt 51 2.4.4 Rơ le trung gian (Rơ le kiếng) 52 2.4.5 Cảm biến tiệm cận 53 2.4.6 Cảm biến cửa Photocell 54 2.4.7 Module Analog Input FX2N-4AD 55 2.4.8 Cảm biến khối lượng Loadcell chuyển đổi tín hiệu Z-SG 57 2.4.9 LED hiển thị tầng 60 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG PLC LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY GIA ĐÌNH 62 3.1 Tổng quan PLC 62 3.1.1 Giới thiệu chung PLC 62 3.1.2 Phân loại PLC 64 3.1.3 Nguyên tắc hoạt động PLC 65 3.1.4 Cấu trúc phần cứng PLC 66 3.1.5 Các ngơn ngữ lập trình 71 3.1.6 PLC Mitsubishi FX3U-64MR 74 3.2 Nguyên lý thuật toán điều khiển thang máy 78 3.2.1 Nguyên lý làm việc thang máy 78 3.2.2 Sơ đồ thuật toán 79 3.3 Chương trình điều khiển thang máy 88 3.3.1 Bảng quy ước tín hiệu vào/ra hệ thống 88 3.3.2 Mạch điều khiển mạch động lực thang máy 90 3.4 Mơ hoạt động thang máy hình HMI phầm mền GT designer 91 3.4.1 Giới thiệu chung hình HMI 91 3.4.2 Thiết kế giao diện hoạt động cho thang máy 92 KẾT LUẬN 97 PHỤ LỤC 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO .114 SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương LỜI NĨI ĐẦU Trong thời buổi cơng nghiệp hóa, đại hóa, đất nước khơng ngừng phát triển, sở hạ tầng, vật chất kỹ thuật ngày cải thiện, đời sống người dân ngày nâng cao Vì địi hỏi có trang thiết bị đại phục vụ đáp ứng yêu cầu sống đại Thang máy đời đáp ứng nhu cầu vận chuyển người hàng hóa tịa nhà cao tầng hay xí nghiệp sản xuất Ngày nay, thang máy nghiên cứu cải tiến theo hướng thông minh đáp ứng nhu cầu ngày cao xã hội Đất nước ngày phát triển, sở vật chất đại nên thang máy thang nói chung, thang máy chở người nói riêng sử dụng nhiều Các thương hiệu thang máy tiếng giới có mặt nước ta Ngày nay, người ngày tạo nhiều thiết bị phục vụ nhu cầu sinh hoạt thiết yếu gia đình thang máy khơng cịn xuất tòa nhà cao ốc, trung tâm thương mại mà chúng len lỏi vào ngóc ngách phục vụ sống gia đình Chính vậy, sau thời gian học tập trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, chúng em lựa chọn đề tài “ Tính tốn thiết kế, lập trình mơ điều khiển thang máy gia đình PLC” làm đồ án tốt nghiệp trường Đề tài đồ án toàn thực tế thiết thực, qua chúng em tiếp tục học hỏi, áp dụng kiến thức học ghế nhà trường áp dụng vào thực tế sống Dưới hướng dẫn, bảo tận tình giáo, TS.Nguyễn Thùy Dương, thầy cô môn Máy ma sát học, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp chúng em hoàn thành nhiệm vụ đồ án Mặc dù cố gắng hạn chế hiểu biết thiếu kinh nghiệm nên đồ án tránh khỏi sai sót, chúng em mong nhận nhận xét, đánh giá, bảo thầy cô Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Cơ khí, Bộ môn Máy Ma sát học thầy cô môn, đến cô giáo TS.Nguyễn Thùy Dương tận tình bảo, giúp đỡ chúng em hồn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2019 Nhóm sinh viên Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ THANG MÁY 1.1 Khái niệm chung đời thang máy 1.1.1 Khái niệm Thang máy thiết bị sử dụng để vận chuyển người, hàng hóa, thực phẩm, giường bệnh từ tầng đến tầng khác Nó dùng cao ốc, siêu thị, khách sạn, nhà hàng, bệnh viện, nhà Hiện thang máy thiết bị quan trọng, đặc biệt nhà cao tầng giúp người hạn chế phải sử dụng sức để di chuyển, vận chuyển hàng hóa, thang máy ngày sử dụng phổ biến thay phần cho cầu thang truyền thống Ngày nay, công nghệ ngày phát triển, hệ thống điều khiển tốc độ phức tạp, phối hợp đóng ngắt để điều khiển an tồn tốc độ cabin tình nào, nút nhấn tích hợp vào bàn phím nhỏ gọn làm cho thang máy ngày đại, tiện nghi mang tính thương mại hóa ngày cao Khi xử lý điều khiển ngày nâng cấp, khả xử lý lưu trữ lớn hơn, đặc biệt ngày nhỏ gọn việc lập trình cho thang máy ngày dễ dàng, cơng suất phục vụ nâng cáo, yêu cầu an toàn cải thiện tạo nên an toàn tuyệt đối Thang máy trở thành kỹ thuật kiến trúc mỹ thuật Nó tơ điểm trang hồng lộng lẫy cơng trình xây dựng Những thiết kế sang trọng, đại kĩ thuật tiên tiến làm thỏa mãn thăng hoa cảm xúc người Bởi vậy, việc sử dụng thang máy tịa nhà cao tầng vận chuyển hàng hóa cần thiết với nước giai đoạn cơng nghiệp hóa đại hóa Hình 1.1: Thang máy SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 1.1.2 Sự đời phát triển thang máy Thang máy xuất giới chế tạo triều đại vua Louis XV, Versailles vào năm 1743 Đây cơng trình xây dựng để phục vụ cho riêng quốc vương, giúp ơng di chuyển từ phịng riêng tầng tới tầng hai để gặp người yêu bà DE Châteauroux Bởi cơng trình nên kết cấu cịn thơ sơ, kỹ thuật dựa cân đối tải trọng nên việc sử dụng tốn sức lực Hình 1.2: Thang máy giới Đến cuối cuối kỷ XIX, sau đời thang máy OTIS năm 1853, 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 tay, tốc độ di chuyển cabin thấp Hình 1.3: Thang máy OTIS SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương Sang kỉ XX, coi thời đại bùng nổ ngành thang máy giới Rất nhiều hãng thang máy đời, mắt mẫu mã, sản phẩm với loại thang máy an toàn có tốc độ cao, tiện nghi cabin tốt hơn, êm dừng tầng xác Và năm gần đây, thang máy không ngừng cải tiến với tính vượt trội nhằm tăng thêm độ an toàn trở thành thiết bị tự động hoá phổ biến, thân thiết với người sử dụng, thang máy chở hàng Vẫn dựa theo nguyên tắc ban đầu, xong so với thang máy trước thang máy ngày hồn thiện nhiều Nếu thang máy xưa đơn giản gồm đầu nối với cần trục thông qua dây thừng hay dây cáp, đầu nối với bệ đỡ vận chuyển với cấu truyền động nước piston thuỷ lực thang máy đại có vách che xung quanh bệ đỡ phòng (phịng thang), nằm bên khơng gian vận hành riêng gọi "đường nâng", phòng thang tương ứng đường nâng với cấu truyền động phổ biến cấu kéo Hướng thẳng đứng phịng thang trì trượt định hướng Phòng thang kéo lên, hạ xuống hệ thống dây cáp kim loại, lăn qua ròng rọc, thơng thường bánh rịng rọc có rãnh Trọng lượng phòng thang cân với đối trọng, nghĩa chuyển động thang máy luôn đồng hóa đối trọng lẫn Thang máy phải theo kịp với phát triển liên tục tịa nhà nhu cầu di chuyển nhanh chóng người dùng Theo CNN, toàn nhà Trung Quốc giữ tới kỷ lục thang máy: thang máy nhanh nhất, cao thang máy tầng cao Tháp Thượng Hải tịa nhà cao thứ nhì giới với 632 mét, thang máy thiết kế Tập đoàn Mitsubishi, Nhật Bản, di chuyển với tốc độ 20,5 m/s 121 tầng Hình 1.4: Thang máy đại Tháp Jeddah Ả Rập hồn thành vào 2019, hứa hẹn tịa nhà cao có thang máy cao nhanh nhất, CNN cho biết Ở độ cao 1km, nhiều yếu tố cần xem xét để chịu độ cao tốc độ cần thiết thang máy Kone, SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương công ty Phần Lan thiết kế xây dựng thang máy sử dụng dây làm từ sợi carbon, cho phép thang máy di chuyển tới 660 mét Với gia tăng chiều cao vào tốc độ thang máy, nhà phát minh liên tục cải tiến giới thiệu tính an tồn Một cải tiến đáng nhắc đến sáng chế cho thiết bị bảo vệ chống tốc độ nhóm nhà phát minh công ty thang máy Otis, 2009 Hệ thống phát xem thang máy bắt đầu tăng tốc từ lúc tự động kích hoạt phanh gắn liền với trigger điện từ Một sáng chế khác Juan Carlos Abad, nhà phát minh người Thụy Sĩ, vào năm 2011, bao gồm cơng tắc an tồn để từ từ giảm tốc cho thang máy dừng khẩn cấp Ngoài ra, mẫu thang máy gia đình ngày có khả thực hoàn toàn tự động nhờ trang bị cơng nghệ điều khiển lập trình sẵn chương trình phần mềm vi xử lý Bảng điều khiển thực hoạt động thang máy lắp cửa tầng cửa buồng nhân viên bưu điện giao nhận thông tin người máy Nhiều công nghệ phát triển khám phá để làm thang máy cao hơn, nhanh hơn, an toàn Nhiều thang máy hướng tới sử dụng nam châm thay cho dây Công ty ThyssenKrupp Đức phát triển thang máy tên MULTI sử dụng đệm từ, Business Insider cho biết Thang máy khơng giảm thiểu khí nhà kính cách đáng kể mà cịn tăng hiểu rõ rệt (có thể nâng nhiều xe lúc) Và thang máy "Willy Wonka nhà máy Sơ-cơ-la", di chuyển ngang lẫn dọc Theo NASA, thang máy tới không gian khả thi tương lai gần Thang máy chạy từ tháp cao 50km tới vệ tinh địa tĩnh cách Trái Đất 35786km Sẽ có từ tới đường thang máy di chuyển tới hàng nghìn số Qua nhiều năm phát triển, tính đến nói ngành thang máy tồn cầu có bước phát triển vượt bậc Những kỹ sư, nhà thiết kế thương hiệu hàng ngày cố gắng nghiên cứu nâng cao chất lượng an tồn cho thang máy để Hình 1.5: Thang máy ngồi vũ trụ sử dụng thiết bị tốt SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa Đồ án tốt nghiệp 1.2 GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương Cấu tạo chung thang máy Hiện nay, giới có nhiều loại thang máy đại với cấu tạo phức tạp để đáp ứng nhu cầu sống Tuy nhiên, dựa cấu tạo chung gồm phận sau: Hình 1.6: Cấu tạo thang máy SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 1.2.1 Hệ thống khí a, Động kéo Động truyền động Phanh hãm điện từ Hộp tốc độ Puly kéo Hình 1.7: Motor kéo Khi Motor kéo hoạt động, puli ma sát quay truyền chuyển động đến cáp nâng làm cabin đối trọng chuyển động lên xuống dọc theo giếng thang Motor phần tử quan trọng ảnh hưởng nhiều tới chất lượng hoạt động thang máy, điều chỉnh phù hợp với yêu cầu nhờ hệ thống điều khiển điện tử Tủ điều khiển Trên Motor kéo cịn gắn Phanh: thực nhiệm vụ giữ cho cabin đứng im vị trí dừng tầng Khối tác động hai má phanh kẹp lấy tang phanh Tang phanh gắn đồng trục với trục động Hoạt động đóng mở phanh phối hợp nhịp nhàng với trình làm việc đông b, Rail dẫn hướng Được lắp đặt dọc theo giếng thang để dẫn hướng cho cabin đối trọng chuyển động dọc theo hố thang Ray dẫn hướng đảm bảo cho đối trọng cabin nằm vị trí thiết kế chúng hố thang máy không bị dịch chuyển theo phương ngang q trình chuyển động Ngồi ray dẫn hướng phải đảm bảo độ cứng để giữ trọng lượng cabin tải trọng cabin tựa lên ray dẫn hướng với thành phần tải trọng động hãm bảo hiểm làm việc (trong trường hợp đứt cáp cabin xuống với tốc độ lớn giá trị cho phép) Hình 1.8: Rail dẫn hướng c, Cáp tải Cáp tải thang máy có tác dụng nâng hạ cabin đối trọng, chịu toàn tải trọng thang máy nên phải có độ bền khả chịu lực ma sát với puli theo tính tốn nhà sản xuất Cabin nối với đối trọng cáp thép chuyên dụng kết nối với động qua rãnh puli Khi động quay, Puli quay kéo cáp di chuyển đưa cabin đến vị trí yêu cầu, đảm bảo cho cabin đối trọng chạy dọc theo ray dẫn hướng SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương Mỗi sợi cáp cấu tạo từ nhiều tao cáp (thông thường 6- 7), tao cáp cấu tạo từ nhiều sợi thép có đường kính từ 0,2 – mm bện lại với Cáp tải thang máy chia làm 02 loại: cáp tròn cáp dẹt Hình 1.9: Cáp trịn Cáp dẹt + Cáp tròn: Cáp truyền thống loại cápthép lõi bố tẩm dầu Loại cáp trình hoạt động tự tiết dầu bôi trơn tránh cho cáp tải bị bào mòn + Cáp dẹt: Sử dụng sợi Carbon siêu nhẹ với nhiều ưu điểm: Trọng lượng nhẹ, độ bền bỉ, tuổi thọ cáp lớn phù hợp siêu dự án có thang máy tốc độ cao tịa nhà chọc trời Cáp dẹt ứng dụng cơng nghệ Ultrarope giảm tối đa rung lắc thang di chuyển, tăng 60% khối lượng chuyên chở thang giảm 15% tiêu hao lượng nhờ khả kiểm soát ma sát tốt KONE sử dụng cơng trình thang máy d, Puly kéo cáp Dùng để chuyển hướng cáp thay đổi lực căng cáp, Puly có dạng đĩa trịn có rãnh để vắt cáp kéo qua Hình 1.10: Mặt cắt dạng thiết kế rãnh Puly Puly e, Cabin đối trọng Cabin phần tử chấp hành quan trọng thang máy, nơi chở người hay hàng hoá đến tầng Để đảm bảo cho cabin hoạt động trình lên xuống, có tải hay khơng có tải người ta sử dụng đối trọng có chuyển động đồng phẳng với cabin theo chiều ngược lại SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa 10 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 100 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 101 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 102 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 103 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 104 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 105 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 106 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 107 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 108 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 109 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 110 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 111 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 112 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương 113 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thùy Dương TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Pgs.Ts Vũ Liêm Chính (2004) THANG MÁY (Cấu tạo - Lựa chọn - Lắp đặt sử dụng) NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện điện (2017) Bài giảng điều khiển Logic & PLC, Hà Nội [3] Trịnh Chất - Lê Văn Uyển (2015) Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, tập 1+2 Tái lần thứ 12, NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội [4] Tài liệu hướng dẫn sử dụng biến tần Yaskawa L1000A [5] MITSUBISHI ELECTRIC (2016) FX3S/FX3G/FX3GC/FX3U/FX3UC Series Programmable Controllers Programming Manual [6] MITSUBISHI ELECTRIC (2015) FX2N-4AD SPECIAL FUNCTION BLOCK USER’S GUIDE SVTH: Cát Thành Trung Nguyễn Văn Khoa 114