Lập trình điều khiển thang máy bằng PLC S7 1200 HMI

Đây là chương trình điều khiển thang máy 8 tầng có ưu tiên lên - xuống hoạt động thông minh. Trong file đính kèm có đầy đủ chương trình trên TIA Portal V14 SP1. tất cả tài liệu đã sử dụng. Liên hệ tattran22@gmail.com để mua và nhận toàn bộ chương trình.

1

Lời mở đầu

Trong công cuộc đổi mới đất nước, với mục tiêu chiến lược Công nghiệp hóa –Hiện đại hoá đất nước, đưa nền kinh tế phát triển với tốc độ cao nhằm nhanh chóng sánh vai cùng các quốc gia tiên tiến trên thế giới, lĩnh vực Tự Động Hoá Công Nghiệp ngày càng chứng tỏ vai trò không thể thiếu được

Không chỉ phục vụ trong công nghiệp hóa, lĩnh vực tự động hóa còn thể hiện bản chất của một nước hiện đại Cùng với sự phát triển của đất nước, ngày càng xuất hiện nhiều công trình xây dựng cao tầng đồ sộ: những cao ốc thương mại, nhà hàng, khách sạn hiện đại theo tiêu chuẩn quốc tế, và cả những siêu thị, bệnh viện đều có xu hướng

“phát triển theo chiều cao” Đó là một qui luật phát triển hiển nhiên Đi đôi với sự phát triển này là nhu cầu về thiết bị chuyển tải hàng hoá và con người theo “độ cao” Thiết

bị hiện đại đó chính là Thang máy

Hiện nay ngành thang máy với trang thiết bị ngoại nhập ở mức hợp tác với nước ngoài lắp đặt các thang máy với trang thiết bị ngoại nhập Trong tương lai, em tin tưởng rằng nó sẽ phát triển hơn nữa Đó là lý do em xin được nghiên cứu về “điều khiển thang máy”

2

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ THANG MÁY 4

1.1 Lịch Sử Phát Triển Của Thang Máy: 4

1.2 Đặc Điểm Của Thang Máy: 5

1.2.1 Phân Loại Thang Máy: 6

1.2.2 Cấu Tạo Chung Của Thang Máy 7

1.3 Các Yêu Cầu An Toàn Trong Thang Máy: 9

CHƯƠNG 2 CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG TRONG THANG MÁY 12

2.1 Hệ Thống Tự Động Khống Chế Thang Máy Tốc Độ Trung Bình: 12

2.2 Hệ Thống Tự Động Khống Chế Thang Máy Cao Tốc: 13

2.3 Tự động khống chế thang máy dùng các phần tử lôgic: 15

2.4 Các phương thức điều khiển truyền động: 15

2.4.1 Điều khiển DC SCR: 15

2.4.2 Inverter control: 16

2.4.3 Truyền động thủy lực và cơ khí: 16

2.4.4 Vector control: 17

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ PLC (SIEMENS) 18

3.1 Giới thiệu về PLC S7-1200 .18

3.1.1 Giao tiếp 22

3.1.2 Các module truyền thông .22

3.2 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7 12000 23

3.2.1 Phương pháp lập trình .23

3.2.2 Tập lệnh S7 – 1200 23

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY 30

4.1 Chọn thiết bị 30

3

4.1.1 CPU 1214C AC/DC/RLY 30

4.1.2 Module Digital I/O SM 1223 DC/RLY 31

4.1.3 Ghép nối SM 1223 với CPU 1214C AC/DC/RLY 31

4.2 Sơ đồ đấu dây 32

4.3 Sơ đồ thuật toán .34

4.3.1 Tổng quát: 34

4.3.2 Khối kiểm tra vị trí thang máy 35

4.3.3 Kiểm tra, cập nhật các tầng có lệnh gọi .35

4.4 PLC Tags .36

4.4.1 Đầu vào 36

4.4.2 Đầu ra 37

4.4.3 Các biến trung gian được sử dụng .38

4.5 CHƯƠNG TRÌNH 39

4.5.1 Chương trình chính Main: 39

4.5.2 Khối FC1 Cập nhật vị trí thang máy 46

4.5.3 Khối FC2 Cập nhật tầng được gọi .48

4.6 Mô phỏng và điều khiển HMI trên WinCC .52

4

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ THANG MÁY 1.1 Lịch Sử Phát Triển Của Thang Máy:

Từ thời xa xưa qua thời Trung cổ và cho đến thế kỷ thứ 13, sức mạnh của người

và vật là nguồn lực chính cho các thiết bị nâng Vào năm 1850, những chiếc thang máy thủy lực và hơi nước đã được giới thiệu, nhưng năm 1852 là năm mà một sự kiện quan trọng diễn ra: phát minh thang máy an toàn đầu tiên trên thế giới của Elisa Graves Otis

Hi ̀nh 1.1 Chiếc thang máy đầu tiên

Vào năm 1873 hơn 2000 chiếc thang máy đã được trang bị cho các cao ốc, văn phòng khách sạn, cửa hàng tổng hợp trên khắp nước mỹ và năm năm sau đó, chiếc thang thủy lực đầu tiên của Otis được lắp đặt Kỷ nguyên của những tòa nhà chọc trời

đã theo sau đó và vào năm 1889 lần đầu tiên Otis chế tạo thành công động cơ bánh răng truyền động trực tiếp đầu tiên

5

Hi ̀nh 1.2 Bánh răng truyền động trực tiếp đầu tiên

Năm 1903, Otis đã giới thiệu một thiết kế mà về sau đã trở thành nền tảng cho nghành công nghiệp thang máy: thang máy dùng động cơ điện không hợp số, mang đầy tính công nghệ, được thử thách để cùng tồn tại với bản thân cao ốc Nó đã mở ra một thời kỳ mới cho kết cấu nhà cao tầng

Những cải tiến của Otis trong điều khiển tự động đã đã có hệ thống kiểm soát tín hiệu, hệ thống kiểm soát hoạt động cao điểm, hệ thống điều khiển tự động và cơ chế phân vùng

Otis đi đầu trong việc phát triển công nghệ điện toán và công ty đã làm một cuộc cách mạng trong công nghệ điều khiển tự thang máy, đưa ra những cải tiến quan trọng đáp ứng các cuộc gọi và các điều kiện vận hành thang

1.2 Đặc Điểm Của Thang Máy:

Thang máy là thiết bị vận tải dùng để chở hàng và người theo phương thẳng đứng Những loại thang máy hiện đại có kết cấu cơ khí phức tạp, hệ truyền động, hệ thống khống chế phức tạp nhằm nâng cao năng suất, vận hành tin cậy, an toàn Tất cả các thiết bị điện được lắp đặt trong buồng thang và buồng máy Buồng máy thường bố trí ở tầng trên cùng của giếng thang máy

6

Hi ̀nh 1.3 Buồng thang ở phía trên giếng thang máy

1.2.1 Phân Loại Thang Máy:

Tùy thuộc vào chức năng thang máy có thể phân loại theo các nhóm sau:

 Thang máy chở người trong các nhà cao tầng

 Thang máy dùng trong các bệnh viện

 Thang máy chở hàng có người điều khiển

 Thang máy dùng trong nhà ăn và thư viện

 Phân loại theo trọng tải:

 Thang máy loại nhỏ Q < 160kG

 Thang máy trung bình Q = 500 2000kG

 Thang máy loại lớn Q > 2000kG

 Phân loại theo tốc độ di chuyển:

 Thang máy chạy chậm v = 0,5m/s

 Thang máy tốc độ trung bình v = 0,75 1,5m/s

 Thang máy cao tốc v = 2,5 5m/s

7

1.2.2 Cấu Tạo Chung Của Thang Máy

Các bộ phận chính của thang máy: buồng thang, bộ giảm tốc, hệ thống puly truyền động và cáp nâng, đối trọng, cơ cấu kẹp ray, công tắc bù cáp, đệm, phanh hãm điện từ, động cơ điện

Hi ̀nh 1.4 Buồng thang máy

1 Buồng thang:

Buồng thang thường được lựa chọn dựa trên kích thước, hình dáng và khoảng không dành cho thang Việc lựa chọn buồng thang hợp lý sẽ mang lại sự lưu thông an toàn và thuận tiện Thông thường vùng đòi hỏi cho hành khách là 0,186m2/người, dung lượng lớn nhất chuyên chở của thang chở người là 33,75 kG/0,093 m2 , đối với chung cư là 450 kG, cửa hàng buôn bán 225 kG, toà nhà văn phòng là 900 – 1350 kG

8

Hệ thống bánh răng trục vít: có tỉ số truyền lớn, làm việc êm, có khả năng tự hãm

3 Hệ thống puly truyền động và cáp nâng:

Phương pháp truyền động năng cho dây cáp để vận chuyển buồng thang, chia thành hai loại:

 Kiểu tang trống: cơ cấu hình học như một cái trống được gắn liền với trục truyền động, dây cáp có một đầu được gắn chặt cố định bên trong, khi vận hành cáp quấn song song trống

Khối lượng đối trọng được chọn theo công thức sau:

Khối lượng đối trọng = khối lượng buồng thang + 70% khối lượng lớn nhất

9

5 Cơ cấu kẹp ray:

Đây là một thiết bị an toàn được lắp đặt phía dưới buồng thang, khi làm việc nó kẹp chặt lấy ray dẫn hướng, ghìm chặt buồng thang lại do tốc độ vượt mức cho phép, dây đứt hay vì lý do nào đó

Các kiểu cơ cấu kẹp ray :

1.3 Các Yêu Cầu An Toàn Trong Thang Máy:

Hệ thống thang chỉ hoạt động khi:

 Cửa buồng thang và cửa thang hầm: buồng thang chỉ di chuyển khi đảm bảo hai cửa trên đều đóng

 Các công tắc giới hạn trên cùng và dưới cùng được đảm bảo

10

 Bảo đảm an tồn khi đứt dây, trượt cáp hoặc mất điện

 Các cơng tắc an tồn và vận hành trong buồng thang hoạt động tốt

 Yêu cầu về kỹ thuật:

 Dừng chính xác buồng thang: buồng thang của thang máy cần phải dừng chính xác so với mặt bằng của tầng cần dừng Nếu buồng thang dừng khơng chính xác sẽ gây ra các hiện tượng sau:

 Đối với thang máy chở khách thì làm cho hành khách ra vào khĩ khăn, tăng thời gian vào ra và do đĩ làm giảm năng suất thang máy

 Đối với thang máy chở hàng: gây khĩ khăn cho việc bốc xếp hàng hĩa

 Để dừng chính xác buồng thang, cần tính đến một nữa hiệu số của hai quãng đường trượt khi phanh buồng thang đầy tải và phanh buồng thang khơng tải theo cùng một hướng di chuyển Các yếu tố ảnh hưởng đến dừng chính xác buồng thang bao gồm: mơmen của cơ cấu phanh, mơmen quán tính của buồng thang, tốc độ khi bắt đầu hãm và một số yếu tố khác

Quá trình hãm buồng thang xảy ra như sau: khi buồng thang đi đến gần sàn tầng, cơng tắc chuyển đổi tầng cấp lệnh lên hệ thống điều khiển động cơ để dừng buồng thang

Buồng thang dừng

mức dừng

Mức đặt cảm

biến dòng

s' : quãng đường buồng thang đi trong thời gian tác động của thiết bị điều khiển s": quãng đường buồng thang đi được khi cơ cấu phanh tác động

s1 : quãng đường trượt nhỏ nhất của buồng thang khi phanh

s2 : quãng đường trượt lớn nhất của buồng thang khi phanh

 Đảm bảo khả năng làm việc cao và độ an tồn tối đa nhất

11

 Độ biến thiên gia tốc ở phạm vi cho phép : gia tốc tối ưu đảm bảo năng suất cao, không gây ra cảm giác khó chịu cho khách được đưa ra trong bảng sau:

Hệ truyền động điện Phạm vi

điều chỉnh tốc độ

Tốc độ di chuyển (m/s)

Gia tốc (m/s2)

Độ không chính xác khi dừng(mm) Động cơ KĐB rô to lồng sóc 1

Ba ̉ng 1-1 Thông số của các hệ truyền động

12

CHƯƠNG 2 CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG TRONG THANG MÁY

Khi thiết kế hệ trang bị điện – điện tử cho thang máy, việc lựa chọn một hệ truyền động, chọn loại động cơ phải dựa trên các yêu cầu sau:

2.1 Hệ Thống Tự Động Khống Chế Thang Máy Tốc Độ Trung Bình:

Hệ truyền động dùng cho thang máy tốc độ trung bình thường là hệ truyền động xoay chiều với động cơ không đồng bộ hai cấp tốc độ Hệ này đảm bảo dừng chính xác cao, thực hiện bằng chuyển tốc độ của động cơ xuống tốc độ thấp (v=2,5m/s),trước khi buồng thang sắp đến sàn tầng Hệ này thường dùng cho các thang máy chở khách trong các nhà cao tầng với tốc độ di chuyển buồng thang dưới 1m/s

13

Hi ̀nh 2.1 Thang máy truyền động có bánh răng

2.2 Hệ Thống Tự Động Khống Chế Thang Máy Cao Tốc:

Thang máy cao tốc thường di chuyển với tốc độ v 3m/s thường dùng hệ truyền động một chiều Buồng thang được treo lên puly kéo cáp nối trực tiếp với trục động cơ truyền động thông qua hộp giảm tốc Trong mạch điều khiển thang máy cao tốc, công tắc chuyển đổi tầng là loại phi tiếp điểm Công tắc chuyển đổi tầng phi tiếp điểm thường dùng là loại cảm biến vị trí kiểu cảm ứng và cảm biến vị trí dùng tế bào quang điện

Hi ̀nh 2.2 Cấu tạo cảm biến kiểu cảm ứng

14

Hi ̀nh 2.3 Sự phụ thuộc của L = f(s)

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến kiểu cảm ứng:

Khi mạch từ hở, do điện kháng của cuộn dây bé, dòng xoay chiều qua cuộn dây khá lớn Khi thanh sắt động 1 làm kín mạch từ, từ thông sinh ra trong mạch từ tăng, làm tăng điện cảm L của cuộn dây và dòng đi qua cuộn dây sẽ giảm xuống

Nếu đấu nối tiếp với cuộn dây của bộ cảm biến một rơle ta sẽ được một phần tử phi tiếp điểm để dùng trong hệ thống điều khiển Tùy theo mạch sử dụng, chúng ta có thể dùng nó làm công tắc chuyển đổi tầng, cảm biến để thực hiện dừng chính xác buồng thang hoặc cảm biến để chỉ thị vị trí buồng thang

Hi ̀nh 2.4 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến kiểu cảm ứng

Cuộn dây của rơle tầng được đấu nối tiếp với cuộn dây của cảm biến kiểu cảm ứng CB Để nâng cao độ tin cậy, song song với cuộn dây của bộ cảm biến đấu thêm tụ

C Trị số điện dung của tụ điện điện được chọn sao cho thanh sắt động che kín mạch từ

để tạo được dòng cộng hưởng Khi mạch từ của cảm biến hở, dòng điện đi qua cuộn dây của rơle Rtr đủ lớn làm cho nó tác động Và khi mạch từ kín, dòng điện đi qua cuộn dây giảm xuống gần bằng không, rơle không tác động Thông thường bộ cảm biến được lắp ở thành giếng thang, thanh sắt động được lắp ở buồng thang

15

2.3 Tự động khống chế thang máy dùng các phần tử lôgic:

Để nâng cao độ tin cậy trong quá trình hoạt động của thang máy, ngày nay hệ thống tự động tự động khống chế hệ truyền động điện thang máy dùng các phần tử phi tiếp điểm Ưu điểm của các phần tử lôgic là số lượng phần tử điều khiển trong mạch điều khiển là ít nhất

2.4 Các phương thức điều khiển truyền động:

Hi ̀nh 2.5 Mô hình hệ điều khiển thang máy

2.4.1 Điều khiển DC SCR:

Được sử dụng trong thang máy tốc độ từ 50 đến 1000 RPM

Động cơ một chiều sử dụng điện áp để đạt được tốc độ và dòng điện biến thanh môment ngõ ra Một hệ điều khiển DC SCR phải có khả năng cung cấp điện áp và dòng điện theo yêu cầu để vận hành dưới tất cả các điều kiện của tải và tốc độ

16

Hi ̀nh 2.6 Trình tự mở tắt thang máy trong điều khiển DC SCR

2.4.2 Inverter control:

Động cơ cảm ứng AC có thể điều chỉnh bởi bộ cảm biến AC, để chuyển điện áp

và tần số cung cấp cho motor Tốc độ động cơ sẽ tương ứng với tần số cung cấp Một

bộ biến đổi AC phải có khả năng cung cấp giá trị thực của dòng điện môtor yêu cầu liên tục trong mọi điều kiện của tải và tốc độ

2.4.3 Truyền động thủy lực và cơ khí:

Truyền động thuỷ lực và cơ khí được sử dụng ở thang máy tốc độ thấp đến trung bình

Thang máy có bánh răng dùng cho thang máy tốc độ thấp

Thang máy có cơ cấu thanh răng được truyền động thẳng đứng bởi các bánh răng truyền Tốc độ nằm trong khoảng từ 100 đến 200 FPM, những thang máy loại này được truyền động bằng động cơ hai cấp tốc độ hoặc động cơ một chiều với máy phát

18

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ PLC (SIEMENS) 3.1 Giới thiệu về PLC S7-1200

Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh

để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-

1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau

Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ

ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giám sát các ngõ vào và

làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyền

thông với các thiết bị thông minh khác

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển:

 Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU

 Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm trong một khối xác định

CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua một mạng PROFINET

Các module truyền thông là có sẵn dành cho việc giao tiếp qua các mạng RS232 hay

RS485

19

1 Bộ phận kết nối nguồn

2 Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che)

3 Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên

4 Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp

5 Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU)

Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau

20

Ba ̉ng 3-1 Các thông số của 3 loại CPU

Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để

mở rộng dung lượng của CPU Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các module truyền

thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác

Các đặc tính của module mở rộng như sau:

Ba ̉ng 3-2 Các thông số của một số module mở rộng

22

3.1.1 Giao tiếp

S7-1200 hỗ trợ kết nối Profibus và kết nối PTP (point to point)

 Giao tiếp PROFINET với:

3.1.2 Các module truyền thông

Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485

 CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông

 Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái của một

CM khác)

23

 Các LED trạng thái dành cho module truyền thông

 Bộ phận kết nối truyền thông

 Phương pháp liệt kê lệnh ( Statement List viết tắt là STL): là phương pháp thể hiện chương trình fười dạng tập hợp các câu lệnh Mỗi câu lệnh trong chương trình ,kể cả các lệnh hình thức biểu diễn một chức năng của PLC

3.2.2 Tập lệnh S7 – 1200

a Lệnh xử lý bít

Contact thường mở

Contact thường đóng Cuộn hút

Cuộn hút thường đóng

Tiếp điểm đảo trạng thái của dòng cung cấp Tiếp điểm chuyển đổi dương cho phép dòng cung cấp thông mạch trong một vòng quét khi xung điều khiển từ 0 lên 1

Tiếp điểm chuyển đổi âm cho phép dòng cung cấp thông mạch trong một vòng quét khi xung điều khiển từ 1 xuống 0

S_BIT : I, Q,M,SM,T,C,V (bit) n:IB,QB,MB,SMB,VB(byte),AC,hằng

số, *VD, *AC Ngắt một mảng gồm n các tiếp

điểm kể từ S_ bit Nếu S_bit là chỉ vào Timer hoặc Counter thì lệnh sẽ xoá bit đầu ra của Timer/Counter đó

S_bit n

( R_l )

Ngắt tức thời một mảng gồm n các tiếp điểm kể từ địa chỉ S_bit

c Lệnh Timer, Counter

 Timer

Sử dụng Timer để tạo chương trình trễ định thời Số lượng timer phụ thuộc vào người dùng vào số vùng nhớ của CPU Mỗi timer sử dụng 16 byte IEC_Timer dữ liệu kiểu cấu trúc DB, Step 7 tự tạo khối DB khi lấy khối Timer

Timer TP tạo một chuỗi xung với độ rộng xung đặt trước

25

Timer trễ không nhớ TON

Timer trễ xuống TOFF

Timer TONR - Timer trễ sườn lên có nhớ

 Counter

Lệnh Counter được dùng để đếm các sự kiện ở ngoài hay các sự kiện quá trình ở trong PLC Mỗi Counter sử dụng cấu trúc lưu trữ của khối dữ liệu DB để làm dữ liệu của Counter Step 7 tự động tạo khối DB khi lấy lệnh

CTU – Counter đếm lên