ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thang máy

1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN VÀO THANG MÁY Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Học viên: CHU ĐỨC KHOAN Người HD Khoa học: PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TRUNG THÁI NGUYÊN – 2012 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Chu Đức Khoan Học viên lớp Cao học khoá 13- Kỹ thuật điện tử - Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Xin cam đoan: Đề tài: “Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thang máy” Do thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Quốc Trung hướng dẫn là công trình tổng hợp và nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả những nội dung trong luận văn đúng như trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Đông Anh, ngày tháng 11 năm 2012 Học viên Chu Đức Khoan 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan I Mục lục II, III, IV, V Danh mục chữ viết tắt V Danh mục các hình vẽ và đồ thị VI, VII Danh mục các bảng biểu VIII NỘI DUNG Trang Chương 1. Mở đầu 1 1.1.Cơ sở nghiên cứu và mục đích luận văn 1 1.2. Môc ®Ých ®Ò tµi 3 Chương 2. Tổng quan về thang máy 4 2.1. Giới thiệu chung về thang máy 4 2.1.1. Lịch sử phát triển thang máy 4 2.1.2. Khái niệm về thang máy 6 2.1.3. Phân loại thang máy 7 2.2. Kết cấu của thang máy 13 2.2.1. Trang thiết bị của thang máy 13 2.2.2. Chức năng của một số bộ phận chính trong thang máy 19 2.3. Các yêu cầu đối với thang máy 21 2.3.1. Yêu cầu chung với thang máy 21 2.3.2. Yêu cầu về an toàn trong điều khiển thang máy 21 2.3.3. Dừng chính xác buồng thang 30 2.3.4. Ảnh hưởng của tốc độ, gia tốc và độ giật đối với hệ truyền động thang máy 2.4. Các hệ thống truyền động cho thang máy 2.4.1. Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động điện cho thang máy 2.4.2.Các hệ truyền động trong thang máy 35 37 37 38 Chương 3: Tổng quan về bộ điều khiển PLC 41 4 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.1. Cấu trúc phần cứng của hệ thống PLC S7-300 3.1.1. Modul CPU 41 41 3.1.2. Modul mở rộng 42 3.2.Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ 43 3.2. 1. Phân loại 43 3.2.2. Sử dụng và khai báo các dạng tín hiệu 44 3.2.3.Cấu trúc bộ nhớ của CPU của S7-300 45 3.2.3.1. Vùng chứa ch-ơng trình ứng dụng: vùng nhớ ch-ơng trình đ-ợc chia làm 3 miền: 45 3.2.3.2. Vùng chứa các tham số của hệ điều hành và ch-ơng trình ứng dụng, đ-ợc phân chia thành 7 miền khác nhau, bao gồm 45 3.2.3.3. Vùng chứa các khối dữ liệu: đ-ợc chia làm hai loại: 46 3.3.Vòng quét của ch-ơng trình 47 3.4. Nhng khi OB c bit 49 3.4.1. OB10: (Time of Day Interrupt) 49 3.4.2. OB20: (Time Delay Interrupt) 49 3.4.3. OB35: (Cyclic Interrupt) 49 3.4.4. OB40: ( Hardware Interrupt) 49 3.4.5. OB80: (cycle Time Fault) 49 3.4.6. OB81:( Power Supply Fault) 50 3.4.7. OB82: (Diagnostic Interrupt) 50 3.4.8. OB85: (Not Load Fault) 50 3.4.9. OB87:(Communication Fault) 50 3.4.10. OB100:(Start Up Information) 50 3.4.11. OB121: (Synchronouns error) 50 3.4.12. OB122: (Synchronouns error) 50 3.5. Kỹ thuật lập trình PLC S7 - 300 3.5.1. Gii thiu chung 51 51 3.5.1.1.Lập trình tuyến tính và lập trình có cấu trúc 51 3.5.1.2. Qui trình thiết kế ch-ơng trình điều khiển dùng PLC 53 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.6. Qui tr×nh thiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu khiÓn b»ng PLC 55 3.7. C¸c ng«n ng÷ lËp tr×nh 55 3.7.1. Ng«n ng÷ lËp tr×nh LAD 56 3.7.2. Ng«n ng÷ lËp tr×nh FBD 56 3.7.3. Ng«n ng÷ lËp tr×nh STL 57 3.7.4. Ng«n ng÷ lËp tr×nh SCL (Structured Control Language) 58 3.7.5. Ng«n ng÷ lËp tr×nh : S7-Graph 58 3.7.6. Ng«n ng÷ lËp tr×nh : S7-HiGraph 59 Chương 4: Lý thuyết điều khiển hàng đợi và các giải thuật điều khiển thang máy 60 4.1. Lý thuyết hàng đợi 4.1.1. Khái niệm chung về hệ thống hàng đợi 4.1.2. Các đặc trưng cho hàng đợi 60 60 60 4.1.3. Các thành phần chính của hệ thống hàng đợi 4.2. Hàm logic tối ưu điều khiển thang máy 4.2.1. Tối ưu chuyển động của cabin trong hành trình lên (thuận) 60 61 64 4.2. 2. Tìm hàm lôgic của các quá trình theo hành trình xuống của phím gọi tầng. 4.2. 3. Đối với các tín hiệu gọi thang 77 83 4.3. Lưu đồ thuật toán điều khiển. Chương 5: Thiết kế chương trình điều khiển thang máy sử dụng PLC S7 – 300 5.1. Lập trình điều khiển 84 87 87 5.1.1. Các bước thiết kế 1 hệ thống điếu khiển dùng PLC 88 5.2. Quy ước về các đầu ra của PLC 88 5.3. Chương trình điều khiển thang máy 7 tầng. 5.3.1. Chương trình điều khiển dưới dạng ngôn ngữ STL( Statement List) 91 91 Chương 6: Mô phỏng thang máy 6. Mô phỏng thang máy trên WinCC 119 119 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6.1. Mô hình thang máy trên WinC 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 I. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CPU Đơn vị xử lý trung tâm central Processing Unit DB Khối dữ liệu - Data block FB Khối chức năng - Function Block FC Chức năng - Function FBD Ngôn ngữ lập trình khối hàm -Function Block diagram FIFO Đến trước phục vụ trước - First In, First Out LAD Ngôn ngữ lập trình hình thang - Ladder Logic LIFO Đến trước phục vụ sau - Last in, First out SDB Hệ thống khối dữ liệu - System Data Block SFB Hệ thống khối chức năng - System Function block SFC Chức năng hệ thống - System function STL Ngôn ngữ lập trình máy tính -Standard Template Library PLC Thiết bị điều khiển lập trình được - Programmable Logic Controller OB Khối tổ chức - Organization Block II. DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình Nội dung Trang Hình 2.1 Thang máy điện có bộ tời đặt phía trên giếng thang 8 Hình 2.2 Thang máy điện có bộ tời đặt phía dưới giếng thang 9 Hình 2.3 Thang máy thủy lực 9 Hình 2.4 Kết cấu cơ khí của thang máy 15 Hình 2.5 Sơ đồ kết và bố trí 16 Hình 2.6 Cơ cấu nâng 17 Hình 2.7 Sơ đồ động của hệ thống 20 Hình 2.8 Phanh bảo hiểm kiểu kìm 23 Hình 2.9 Nguyên lý làm việc của bộ hạn chế tốc độ 23 Hình 2.10 Cảm biến kiểu cơ khí 24 Hình 2.11 Cảm ứng vị trí kiểu cảm ứng 24 Hình 2.12 Cảm biến vị trí kiểu quang điện 26 Hình 2.13 Cảm biến vị trí kiểu cảm 27 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.14 Transistor quang 28 Hình 2.15 Phần tử HALL 29 Hình 2.16 Cảm biến hồng ngoại HN911L 29 Hình 2.17 Đường biểu diễn khi dừng buồng thang 34 Hình 2.18 Các đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đường S, tốc độ v, gia tốc a và độ dật  theo thời gian 37 Hình 3-1 Sơ đồ bố trí trạm PLC( S7-300) 42 Hình 3-2 Qu¸ tr×nh ho¹t ®éng cña mét vßng quÐt 47 Hình 3-3 Khai báo khối OB đặc biệt 51 Hình 3-4 Sơ đồ khối lập trình tuyến tính 52 Hình 3-5 Sơ đồ khối lập trình cấu trúc 53 Hình 3-6 Qui trình thiết kế một hệ thống điều khiển tự động 55 Hình 3-7 Ví dụ kiểu lập trình LAD 50 Hình 3-8 Ví dụ kiểu lập trình FBD 56 Hình 3-9 Ví dụ kiểu lập trình STL 57 Hình 3-10 Sơ đồ khối lập trình S7- Graph 58 Hình 3-11 Sơ đồ lập trình bằng ngôn ngữ S7 – HiGraph 59 Hình 4-1 Lưu đồ thuật toán điều khiển 78 Hình 6-1 Màn hình điều khiển thang máy 119 Hình 6-2 Phím điều khiển thang máy ngoài buồng thang tại mỗi tầng 119 Hình 6-3 Bảng điều khiển thang máy trong buồng thang 120 Hình 6-4 Led 7 thanh hiển thị buồng thang ở các tầng 120 Hình 6-5 Led hiển thị thang máy đi lên 121 Hình 6-6 Led hiển thị thang máy đi xuống 121 Hình 6-7 Giao diện chương trình mô phỏng PLCSim 121 Hình 6-8 Download chương trình xuống PLC 122 Hình 6-9 Khai báo kết nối trong WinCC 122 Hình 6-10 Chọn giao thư viện kết nối 123 Hình 6-11 Giao thức kết nối sau khi đã được chọn 123 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn III. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Các tham số của các hệ truyền động với độ không chính xác khi dừng s. 33 Bảng 2-2 Gia tốc tối ưu đảm bảo năng suất cao 36 Bảng 4.1 Có lệnh gọi lên từ tầng 2 42 Bảng 4.2 Có lệnh gọi lên từ tầng 3 (Tầng 2 không được gọi) 66 Bảng 4.3 Có lệnh gọi lên từ tầng 4 (Tầng 2,3 không được gọi) 67 Bảng 4.4 Bảng 4.5 Có lệnh gọi lên từ tầng 5 (Tầng 2,3,4 không được gọi) Có lệnh gọi các lên từ 6 (Tầng 2,3,4,5 không được gọi) 67 67 Bảng 4.6 Chỉ có lệnh gọi từ tầng 7 68 Bảng 4.7 Có lệnh gọi xuống từ tầng 6 78 Bảng 4.8 Có lệnh gọi xuống từ tầng 5 79 Bảng 4.9 Bảng 4.10 Bảng 4.11 Có lệnh gọi xuống từ tầng 4 Có lệnh gọi tầng xuống từ tầng 3 Có lệnh gọi tầng từ tầng 2 80 81 81 Bảng 4.12 Bảng 5.1 Chỉ có lệnh gọi xuống tầng 1 Quy ước về các đầu ra của PLC 81 91 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương I: Mở đầu 1.1. Cơ sở nghiên cứu và mục đích luận văn Ngày nay, thang máy là thiết bị không thể thiếu trong việc phục vụ cuộc sống con người. Xét trên quan điểm năng lượng, thang máy là thiết bị sử dụng trực tiếp điện năng từ lưới điện chuyển thành cơ năng vận chuyển buồng thang, trong đó có con người và hàng hoá theo phương thẳng đứng hoặc góc nghiêng định sẵn. Tùy thuộc vào tính chất nhiệm vụ và yêu cầu, các nhà nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển thang máy cho phù hợp. Tuy nhiên yêu cầu chuyển động của tải thang máy là tương đối phức tạp, do hoạt động với tần suất cao, nên các tham số của tải về tốc độ phải đạt giá trị phù hợp, Gia tốc tối ưu, độ giật, độ chính xác dừng cabin đúng yêu cầu. Đồng thời phải bảo đảm tính an toàn tuyệt đối của hệ thống, giá thành đầu tư thấp, tiết kiệm điện năng, bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng. Bởi vậy Nghiên cứu lý thuyết điều khiển và ứng dụng vào thang máy luôn được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Những năm trước đây khi mới ra đời, thang máy có kết cấu đơn giản, hệ thống điều khiển được sử dụng động cơ điện một chiều, việc điều chỉnh tốc độ, thay đổi chiều quay và hãm dừng động cơ được thực hiện bằng các bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ, bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI, bộ điều chỉnh tốc độ hai thông số từ thông  và sức điện động E thông qua các hàm truyền mạch vòng điều chỉnh, đồng thời hệ thống phải sử dụng các máy phát xung chủ đạo để điều khiển 2 bộ biến đổi nối song song ngược để đảo chiều quay động cơ. Với cấu trúc trên hệ thống điều khiển làm cho tốc độ di chuyển của cabin thấp, tác động chậm, gây rung giật, hiệu suất và độ an toàn của hệ thống không cao, kích thước của động cơ và hộp số lớn, lắp đặt và bảo dưỡng sửa chữa khó khăn. Do vậy việc sử dụng động cơ điện 1 chiều trong hệ thống truyền động điều khiển thang máy không còn phù hợp. 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bên cạnh đó do yêu cầu sử dụng và phát triển thang máy phục vụ đời sống và làm việc của con người đòi hỏi hệ thống điều khiển thang máy ngày càng cao và hoàn thiện như: thời gian khởi động nhanh, chuyển động êm, không rung giật, hãm dừng chính xác, hiệu suất cao, ít tốn điện năng, chi phí thấp và dễ lắp đặt bảo dưõng, sửa chữa. Đây là vấn đề đặt ra đòi hỏi các nhà khoa học nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển thang máy tối ưu hơn để thay thế. Cùng với yêu cầu trên. Những năm gần đây nhờ những tiến bộ và phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực như điện tử, khoa học máy tính, các thuật toán về logic, các phương pháp điều khiển số, điều khiển thông minh cụ thể là sự phát triển của công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất lớn và công nghệ chế tạo các bộ vi xử lý tín hiệu số có tốc độ cực nhanh đã tác động mạnh mẽ và làm thay đổi căn bản cấu trúc hệ truyền động điện thang máy. Từ cơ sở đó với ưu thế đặc biệt, hệ truyền xoay chiều đã thay thế hoàn toàn hệ truyền động một chiều điều khiển thang máy và đang thu hút rất nhiều các nhà khoa học trong và ngoài nước tập trung nghiên cứu lựa chọn phương pháp điều khiển tối ưu nào đó để đạt được mục tiêu là thời gian khởi động nhanh , động cơ nhanh chóng đạt tốc độ ổn định, đảo chiều quay nhanh, hãm dừng động cơ chính xác. Như vậy sẽ điều khiển được tải thang máy đạt được các yêu cầu về tốc độ, gia tốc, độ giật, trong các hành trình chuyển động lên xuống của tải thang máy, đó là mục tiêu mong muốn của các nhà nghiên cứu, thiết kế. Nhằm hoàn thiện và nâng cao chất lượng, độ tin cậy, an toàn của hệ thống. Bởi vậy đề tài “Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thang máy” mang tính cấp thiết và là vấn đề mới có tính thời sự, là cơ sở đề tài được chọn. [...]... ca bung thang b Thit b lp trong ging thang mỏy Bung thang: Trong quỏ trỡnh lm vic, bung thang di chuyn trong ging thang mỏy dc theo cỏc thanh dn hng Trờn núc bung thang cú lp t thanh bo him, ng c truyn ng úng - m ca bung thang Trong bung thang lp t h thng nỳt bm iu khin, h thng ốn bỏo, ốn chiu sỏng bung thang, cụng tc liờn ng vi sn ca bung thang v in thoi liờn lc vi bờn ngoi trong trng hp thang mt... ging thang i trng b trớ phớa sau i trng b trớ mt bờn h Theo qu o di chuyn ca cabin Thang mỏy thng ng: L loi thang mỏy cú cabin di chuyn theo phng thng ng, hu ht cỏc thang mỏy ang s dng thuc loi ny Thang mỏy nghiờng: L loi thang mỏy cú cabin di chuyn lch mt gúc so vi phng thng ng Thang mỏy zigzag: L loi thang mỏy cú cabin di chuyn theo ng zigzag 2.2 Kt cu ca thang mỏy 2.2.1 Trang thit b ca thang. .. ci tin trong ngnh thang mỏy Cỏc thang mỏy tc cao ln lt xut hin Thang mỏy tc 500m/phỳt ri n 600m/phỳt ri 800m/phỳt ln lt ra i Ngy nay chỳng ta thy i vi gii phỏp thang mỏy cho cỏc to nh cao c ó lờn ti trờn 100 tng Cựng vi s phỏt trin ca cỏc hóng thang mỏy trờn th gii, Vit Nam ln lt cỏc Cụng ty thang mỏy ra i Phi k n nhng n v u tiờn trong ngnh thang mỏy nh cụng ty thang mỏy T ng, Thang mỏy Thiờn Nam,... bung thang cú trang b thờm c cu hn ch tc kiu ly tõm Khi tc chuyn ca bung thang tng, c cu ai truyn 3 s lm cho thang 4 quay v kỡm 5 s ộp cht bung thang vo thanh dn hng v hn ch tc ca bung thang B hn ch tc kiu vũng cỏp kớn B hn ch tc c t nh thang v c iu khin bi mt vũng cỏp kớn truyn t bung thang qua puli ca b iu tc vũng xung di mt puli c nh ỏy ging thang Cỏp ny chuyn ng vi tc bng tc ca bung thang. .. bung thang bng dõy cỏp mm H thng cỏp treo: L h thng cỏp hai nhỏnh mt u ni vi bung thang v u cũn li ni vi i trng cựng vi puli dn hng Cỏc b cm bin v trớ: c lp trong bung thang dựng chuyn i tc ng c, dng bung thang mi tng v hn ch hnh trỡnh nõng - h ca thang mỏy c Thit b lp t trong h ging thang mỏy Trong h ging thang mỏy lp t h thng gim xúc l h thng gim xúc v gim xúc thu lc trỏnh s va p ca bung thang. .. dũng khớ to ỏp lc y nõng h cabin trong ging thang Tuy nhiờn phng phỏp ny rt ớt c s dng trong thc t c Theo v trớ t b ti kộo i vi thang mỏy in + Thang mỏy cú b ti kộo t phớa trờn ging thang (Hỡnh 2.1) + Thang mỏy cú b ti kộo t phớa di ging thang (Hỡnh 2.2) + i vi thang mỏy dn ng cabin lờn xung bng bỏnh rng thanh rng thỡ h ti dn ng t ngay trờn núc cabin i vi thang mỏy thu lc: bung mỏy t ti tng trt (Hỡnh... cu Tng quan v thang mỏy v b iu khin PLC S7 - 300, nghiờn cu cỏc gii thut iu khin thang mỏy - V lp trỡnh iu khin thang mỏy: ti s dng phn mm PLC S7_300 lm cụng c thit k v mụ phng S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 Chng 2:Tng quan v thang mỏy 2.1 Gii thiu chung v thang mỏy 2.1.1 Lch s phỏt trin thang mỏy Cui th k 19 trờn th gii mi ch cú mt vi hóng thang mỏy ra i... v an ton trong iu khin thang mỏy Thang mỏy l thit b chuyờn dựng ch ngi, ch hng t cao ny n cao khỏc vỡ vy trong thang mỏy, vn an ton c t lờn hng S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 30 u m cho s hot ng an ton ca thang mỏy, ngi ta b trớ mt lot cỏc thit b giỏm sỏt hot ng ca thang nhm phỏt hin v x lý s c Trong thc t, khi thit k truyn ng cho thang mỏy phi phi hp bo... hai phớa trờn v di (thang mỏy ch thc n) - Cỏnh ca dng (panen), hai hoc ba cỏnh m lựa v mt phớa trờn Loi ny dựng cho thang mỏy ch ụtụ v thang mỏy ch hng + Theo s ca cabin: - Thang mỏy cú mt ca - Hai ca i xng nhau - Hai ca vuụng gúc nhau Theo b hóm bo him cabin : + Hóm tc thi, loi ny dựng cho thang mỏy cú tc thp n 45 m/ph + Hóm ờm, loi ny dựng cho thang mỏy cú tc ln hn 0,75 m/s, v thang mỏy ch bnh nhõn... nhiu hóng thang mỏy khỏc ra i nh Kone ca Phn Lan, Nippon, Mitsubishi ca Nht Bn, Thyssen ca c, Sabiem ca Italia, LG ca Hn Quc Cỏc thang mỏy ny ó c thit k, th nghim nờn hot ng ờm v dng tng chớnh xỏc hn Cho ti nhng nm 1975 thang mỏy trờn th gii ó t ti tc 400m/ phỳt, nhng thang mỏy ln vi ti trng lờn ti 25 tn ó c ch to thnh cụng Thi gian ny xut hin nhiu hóng thang mỏy na ra i Cỏc sn phm phc v ngnh thang mỏy . của lý thuyết điều khiển vào thang máy. Đó là nghiên cứu điều khiển ứng dụng vào thang máy để đạt được các yêu cầu điều khiển chuyển động của thang máy. - Điều khiển trực tiếp trực tiếp thang. toán điều khiển 78 Hình 6-1 Màn hình điều khiển thang máy 119 Hình 6-2 Phím điều khiển thang máy ngoài buồng thang tại mỗi tầng 119 Hình 6-3 Bảng điều khiển thang máy trong buồng thang. Nghiên cứu lý thuyết điều khiển và ứng dụng vào thang máy luôn được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Những năm trước đây khi mới ra đời, thang máy có kết cấu đơn giản, hệ thống điều khiển