Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thang máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI XUÂN TIẾN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN VÀO THANG MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TIN HỌC Hà Nội, 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI XUÂN TIẾN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN VÀO THANG MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TIN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.HOÀNG MẠNH THẮNG Hà Nội, 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Hoàng Mạnh Thắng Các số liệu kết luận văn hoàn toàn trung thực Để hồn thành luận văn này, tơi sử dụng tài liệu tham khảo ghi bảng tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu khác mà không liệt kê phần tài liệu tham khảo Học viên Bùi xuân Tiến DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN Tên bảng Trang Bảng 3-1: Mã số thông số điện áp nguồn I/O loại CPU… 28 Bảng 3-2 Giới hạn vùng nhớ tương ứng với CPU…………… 30 Bảng 3-3 Ghép nối CPU 224XP với module mở rộng…………………… 33 Bảng 3-4 Ngăn xếp S7- 200…………………………………………… 35 Bảng 3-5 Số hiệu timer độ phân giải timer S7_200………… 38 Bảng 5-1 Bảng phân công địa đầu vào , ra……………………… 66 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN TÊN HÌNH VẼ Trang Hình 2-1 Kết cấu thang máy ……………………… ……… ….………… 11 Hình 2-2 Cơ cấu nâng……………………………………………………… 12 Hình 2-3 Phanh bảo hiểm kiểu kìm………………………………… ……… 14 Hình 2-4 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc quãng đường s, tốc độ v, gia tốc a độ dật ρ theo thời gian…………………… ………… 15 Hình 3-1 Cấu trúc PLC……………………………… …….………… 21 Hình 3-2 Vịng qt ……………………………… …… ………… 22 Hình 3-3 Vịng qt phụ………………………………… ……………… 23 Hình 3-4 Các model thơng dụng S7 – 200……………………….………… 25 Hình 3- CPU 224………………………………….…… ………………… 26 Hình 3-6 Cổng truyền thơng PLC………………………….…….……… 27 Hình 3-7 Bộ nhớ nhớ PLC S7 – 200………………… 29 Hình 4-1 Lưu đồ điều khiển thang máy………………………… ………… 63 Hình 6-1 Sơ đồ khối mơ hình thang máy tầng……………………… 82 Hình 6-2: Hình dáng bên ngồi mơ hình thang máy…………………… 83 Hình 6-3 Hình ảnh biến tần IC5……………… ………………………… 84 Hình - Sơ đồ kết nối biến tần…………………………………………… 85 MỤC LỤC MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan………………………………………………………………… Danh mục bảng Danh mục hình vẽ Mục lục……………………………………………………………………… CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU…………………………………………………… 1.1 Cơ sở nghiên cứu mục đích luận văn ………………………… 1.2 Mục đích đề tài: ………………………….………………………… CHƯƠNG 2: CÁC YÊU CẦU TRUYỀN ĐỘNG THANG MÁY………… 2.1 Tổng quan thang máy……………………………………………… 2.2 Phân loại thang máy…………………………………………………… 2.2.1 Phân loại theo công dụng …………………………………………… 2.2.2 Phân loại theo hệ thống dẫn động ca bin……………………………… 2.2.3 Đặc diểm thang máy chở khách………………………………… 10 2.3 Kết cấu thang máy………………………………………… 11 2.3.1 Thiết bị lắp buồng máy ………………………………………… 11 2.3.2 Thiết bị lắp giếng thang máy ………………………………… 12 2.3.3.Thiết bị lắp đặt hố giếng thang máy …………………………… 13 2.4 Các thiết bị chuyên dùng thang máy ………………………… 13 2.4.1 Phanh hãm điện từ: ………………………………………………… 13 2.4.2 Phanh bảo hiểm ( phanh dù)………………………………………… 13 2.4.3 Cảm biến vị trí……………………………………………………… 14 2.5 Ảnh hưởng tốc độ, gia tốc dộ giật hệ truyền động thang máy………………………………………… 15 CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC……………………………………… 17 3.1 Tổng quan PLC……………………………………………………… 17 3.1.1 Tổng quan hệ thống điều khiển…………………………………… 17 3.1.2 Sơ lược lịch sử PLC…………………………………………… 17 3.1.3 Khái niệm hệ điều khiển logic dùng PLC …………………………… 18 3.1.4 Tính ưu việt PLC toán điều khiển logic trình 20 3.2 Các thành phần hoạt động PLC………………………………… 20 3.3 Nguyên tắc làm việc PLC………………………………………… 22 3.3.1 Khái niệm vòng quét………………………………………………… 22 3.3.2 Chu kỳ quét nhân tố ảnh hưởng tới chu kỳ quét 23 3.4 Phân loại PLC………………………………………………………… 25 3.5 Cấu hình cứng PLC…………………………………………… 26 3.6 Cấu trúc nhớ S7-200………………………………………………… 28 3.6.1 Phân chia nhớ……………………………………………………… 28 3.6.2 Vùng nhớ liệu, đối tượng cách truy cập……………………… 29 3.6.3 Mở rộng cổng vào ra………………………………………………… 32 3.6.4 Giao tiếp sensor cấu chấp hành ………………………… 33 3.7 Giới thiệu ngơn ngữ lập trình……………………………………… 33 3.7.1 Định nghĩa LAD…………………………………………………… 34 3.7.2 Định nghĩa STL:………………………………………………… 34 3.8.Tập lệnh S7-200………………………………………………………… 35 3.8.1 Tập lệnh bit…………………………………………………………… 35 3.8.2 TIMER……………………………………………………………… 38 3.8.3 Counter……………………………………………………………… 39 3.8.4 Lệnh move (di chuyển liệu)……………………………………… 40 3.8.5 Lệnh chuyển khối…………………………………………………… 41 3.8.6 Các hàm số học……………………………………………………… 42 3.8.7 Lệnh tăng giảm……………………………………………………… 44 3.8.8 Lệnh so sánh………………………………………………………… 45 3.8.9 Lệnh chuyển đổi liệu……………………………………………… 46 3.8.10 Lệnh làm việc với bảng……………………………………………… 47 3.8.11 Lệnh đảo byte, word, doubleword…………………………………… 51 3.8.12 Các lệnh dịch, xoay………………………………………………… 52 3.8.13 Lệnh điều khiển chương trình……………………………………… 53 CHƯƠNG 4: CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY………… 58 4.1 Tối ưu hóa chương trình điều khiển thang máy………………………… 58 4.1.1 Vấn đề tối ưu hóa điều khiển thang máy……………………… 58 4.2 Lý thuyết hàng đợi……………………………………………………… 58 4.1.1 Khái niệm chung……………………………………………………… 58 4.1.2 Các đặc trưng cho hàng đợi…………………………………………… 59 4.1.3 Các thành phần hệ thống hàng đợi………………………… 59 4.3 Thuật toán tối ưu điều khiển thang máy………………………………… 62 4.4 Giải thuật điều khiển thang máy………………………………………… 63 CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY………………… 65 5.1 Quy ước đầu vào, cho PLC……………………………………… 65 5.2 Chương trình chính…………………………………………………… 66 5.3 Chương trình xác định vị trí cabin………………………………… 67 5.4 Chương trình hiển thị vị trí cabin………………………………… 68 5.5 Chương trình xử lý phím gọi tầng………………………………… 68 5.6 Chương trình xử lý so sánh vị trí ca bin………………………………… 69 5.7 Chương trình xử lý điều khiển buồng thang…………………………… 72 5.8 Chương trình xử lý điều khiển đèn chiếu sáng cabin……………… 74 5.9 Chương trình xử lý cảnh báo tải……………………………… 75 5.10 Chương trình đóng mở cửa ca bin…………………………………… 77 5.11 Chương trình reset………………………………………………… 80 5.12 Chương trình xóa lệnh…………………………………………… 81 CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG THANG MÁY………………………………… 82 6.1 Sơ đồ khối mơ hình thang máy bốn tầng…………………………… 82 6.2 Lựa chọn động điện………………………………………………… 83 6.3 Lựa chọn biến tần……………………………………………………… 83 6.4 Lựa chọn cảm biến………………………………………………… 85 6.5 Điều chỉnh tốc độ buồng thang………………………………………… 85 Kết luận……………………………………………………………………… 87 Phụ lục……………………………………………………………………… 88 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Cơ sở nghiên cứu mục đích luận văn Cơng nghệ bán dẫn có bước phát triển vượt bậc từ làm cho hệ thống điều khiển cơng nghiệp, dân dụng có phát triển mạnh mẽ Đầu tiên để điều khiển loại động điện, hệ thống người ta dùng rơ le để điều khiển Đây kỹ thuật điều khiển đáp ứng yêu cầu điều khiển đơn giản với số lượng I/O nhỏ Sự phát triển kỹ thuật đòi hỏi phải giải tốn điều khiển phức tạp Một giải pháp kỹ thuật điều khiển không tiếp điểm dùng linh kiện bán dẫn Tuy nhiên công nghệ ngày phát triển địi hỏi điều khiển có tính tự động cao hơn, linh động hơn, đòi hỏi phải có khả tính tốn kỹ thuật điều khiển theo phát triển Đó hệ thống điều khiển dùng PLC, mạng PLC làm việc độc lập với giám sát điều khiển máy tính Vấn đề đặt vận dụng, ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thực tế để điều khiển vận hành máy, hệ thống cho có hiệu Giải vấn đề kỹ thuật kinh tế phù hợp với điều kiện nước ta Thang máy thiết bị máy móc quen thuộc với nhiên ngành xây dựng phát triển, ngày nhiêu nhà cao tầng mọc lên Chính thang máy khơng thể thiếu nhà cao tầng Ngồi chức vận chuyển hành khách, vận chuyển hàng hoá, thang máy cịn làm cho tồ nhà tăng thêm vẻ mỹ quan Hơn việc hồn thiện tính tự động hoá cao cho thang máy nhằm đảm bảo tính kinh tế, thuận tiện an tồn, nâng cao hiệu suất thang máy việc làm cần thiết Xuất phát thực tế nên em lựa chọn đề tài: Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thang máy 1.3 Mục đích đề tài: - Tìm hiểu phân tích kết cấu, yêu cầu, trang bị điện thang máy - Tìm hiểu, lập trình cho điều khiển PLC - Vận dụng lý thuyết điều khiển khống chế, điều khiển thang máy chở khách - Mô thang máy CHƯƠNG 2: CÁC YÊU CẦU TRUYỀN ĐỘNG THANG MÁY 2.1 Tổng quan thang máy Thang máy thiết bị nâng vận tải dùng để vận chuyển hàng hoá người theo phương thẳng đứng Thang máy lắp đặt nhà cao tầng, khách sạn siêu thị, công sở, bệnh viện Phụ tải thang máy thay đổi phạm vi rộng, phụ tải thang máy phụ thuộc vào lưu lượng khách lại ngày đêm hướng vận chuyển hành khách Đặc điểm vận chuyển thang máy so với phương tiện vận chuyển khác thời gian chu kỳ vận chuyển nhỏ tần suất vận chuyển lớn, đóng mở máy liên tục Thang máy thiết bị vận chuyển địi hỏi có tính an tồn cao, liên quan trực tiếp đến tài sản tính mạng người yêu cầu chung thang máy thiết kế lắp đặt vận hành sử dụng sủa chữa phải tuân thủ cách nghiêm ngặt yêu cầu kỹ thuật an toàn quy định tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm Ngồi tiêu chuẩn mỹ quan ca bin đẹp, sang trọng thông thống, êm dịu cần phải có đầy đủ thiết bị an tồn nguồn điện dự phịng, điện thoại nội bộ, chuông báo, hãm phanh bảo hiểm, an tồn ca bin, khố an tồn cửa cabin, cửa tầng 2.2 Phân loại thang máy Hiện thang máy thiết kế chế tạo đa dạng phong phú với nhiều kiểu dáng để phù hợp với mục đích sử dụng cơng trình Có thể phân loại thang máy theo nguyên tắc đặc điểm sau: 2.2.1 Phân loại theo công dụng Theo TCVN3 thang máy chia làm loại - Thang máy chở người Loại chuyên dùng để vận chuyển hành khách công sở trường học khu chung cư Thang máy loại điều khiển ca bin - Thang máy chở người hàng hố kèm cabin 5.8 Chương trình xử lý điều khiển đèn chiếu sáng cabin 74 5.9 Chương trình xử lý cảnh báo tải 75 76 5.10 Chương trình đóng mở cửa ca bin 77 78 79 5.11 Chương trình reset 80 5.12 Chương trình xóa lệnh 81 CHƯƠNG 6: MƠ PHỎNG THANG MÁY 6.1 Sơ đồ khối mơ hình thang máy bốn tng C/B trọng lượng C/T hành trình Cảm biến vị trí Phím đến tầng Gọi thang PLC BIếN TầN Đ/CƠ CHíNH GIảI MÃ MạCH Đ/KHIểN ĐộNG CƠ CửA HIểN THị CHUÔNG & ĐèN BáO LED THANH Đ/CƠ CửA Hỡnh 6.1 Sơ đồ khối mơ hình thang máy tầng Với hệ thống lý thuyết tìm hiểu chương trước thiết lập hệ thống thang máy Tuy nhiên hệ thống mô tả, chưa đưa vào kiểm nghiệm thực tế Để tăng tính sát thực luận văn em vào xây dựng mơ hình thang máy chở người đơn giản hóa bớt chức so với tính xây dựng Mặc dù mơ hình mơ q trình điều khiển buồng thang Với mơ hình vận dụng phương pháp tổng hợp hệ điều khiển logic Cấu trúc chi tiết mơ hình mơ tả sau 82 Hình 6-2: Hình dáng bên ngồi mơ hình thang máy 6.2 Lựa chọn động điện Động sử dụng cấu nâng hạ buồng thang động KĐB xoay chiều ba pha 220/380v -150w Động mở cửa động điện chiều 24v - 20w 6.3 Lựa chọn biến tần 6.3.1 Đặc điểm IC5 Biến tần IC5 hãng LG 400w có tính năng: + Tự động dị thơng số 83 Thuật tốn tự động dị thơng số IC5 thiết đặt hệ số động tự động làm cho nhược điểm điều chỉnh tốc độ tốc độ thấp thay đổi tải momen thấp cài đặt người sử dụng đặc tính Momen cải thiện tốc độ thấp Tự động dị thơng số động để điều khiển động ổn định Hình 6-3 Hình ảnh biến tần IC5 + Chuyển đổi tín hiệu PNP NPN IC5 thiết lập tín hiệu PNP NPN cho điều khiển bên ngồi Nó làm việc điện áp 24VDC mà không phụ thuộc vào dạng tín hiệu PLC hay thiết bị khác + Giao tiếp bề mặt, Modbus-RTU IC5 cung ứng giao tiếp bề mặt, ModBus-RTU thông dụng nhất, cho điều khiển từ xa PLC thiết bị khác + Quy trình điều khiển PID Quy trình điều khiển PID sử dụng iC5 làm tốc độ hiệu chỉnh nhanh với độ xác vọt lố dao động cho điều khiển lưu lượng, nhiệt độ, áp suất… 6.3.2 Kết nối biến tần Kết nối đầu biến tần với động Kết nối chân điều khiển đảo chiều động P1,P2 Kết nối nguồn Thiết lập thông số cho biến tần 84 Hình 6.4 Sơ đồ kết nối biến tần 6.4 Lựa chọn cảm biến Cảm biến sàn tầng loại cảm biến tiệm cận Khống chế q hành trình sử dụng cơng tắc hành trình 6.5 Điều chỉnh tốc độ buồng thang Qua phần viết chương trình điều khiển cho PLC cho CPU 224 hãng siemen thấy tốc độ buồng thang giữ không đổi trình buồng thang lên xuống Như thấy độ giật buồng thang lớn, điều gây cảm giác khó chịu cho hành khách Để điều chỉnh tốc độ buồng thang cần điều chỉnh tốc độ động truyền động kéo buồng thang Xem xét biểu đồ tối ưu biểu diễn phụ thuộc quãng đường s, tốc độ v, gia tốc a độ dật ρ theo thời gian (Hình 2.4) ta thấy cần phải tăng tốc độ động từ đến tốc độ ổn định khởi động giảm tốc độ từ ổn định vùng dừng thang máy cho phù hợp với đặc tính tối ưu Để thực việc cần đặt cảm biến làm tín hiệu báo giảm tốc trước phanh hãm đến sàn tầng 85 Tuy nhiên với hệ biến tần động mơ hình mơ thang máy để đơn giản hóa em sử dụng tính cài đặt thời gian tăng tốc thời gian giảm tốc theo thời gian với biến tần IC5 hãng LG điều khiển theo Véctơ khơng cảm biến có khả khống chế tăng tốc, giảm tốc việc điều chỉnh tần số giữ momen không đổi tốc độ thấp Từ cho thang máy có đặc tính tối ưu 86 KẾT LUẬN Đề tài “ Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thang máy ” đề tài vừa mang tính lý thuyết cao thiết thực thực tế, phù hợp cho việc ứng dụng điều khiển thang máy chở khách Trong thời gian làm luận văn vừa qua, hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo TS Hoàng Mạnh Thắng thầy cô giáo môn điện tử tin học mơn tự động hóa trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội số ý kiến đóng góp bạn lớp học đồng nghiệp, bên cạnh với nỗ lực thân, em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Cụ thể luận văn giải số vấn đề sau: Sau hoàn thành luận văn em phân tích kết cấu yêu cầu trang bị điện thang máy chở khách Hiểu thiết bị lập trình PLC S7của hãng Siemens Viết chương trình cho PLC nạp chương trình cho PLC, kết nối PLC với thiết bị bên ngồi mơ đun mở rộng Vận dụng lý thuyết điều khiển lý thuyết hàng đợi, lý thuyết điều khiển tốc độ động điện vào việc khống chế thang máy cho thang máy đạt đặc tính tối ưu Em thiết kế hoàn chỉnh phần cứng phần mềm cho hệ thống thang máy chở khách tầng, xây dựng mơ hình thang máy tầng để mô hệ thống đáp ứng yêu cầu đề mặt thiết kế Do hạn chế nhiều mặt nên đề tài không tránh khỏi thiếu xót trình bày nội dung Kính mong Thầy, Cơ bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến để luận văn hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình thầy TS Hồng Mạnh Thắng, quan tâm thầy cô giáo môn điện tử tin học mơn tự động hóa trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, bạn lớp học đồng nghiệp giúp em hoàn thành luận văn Hà Nội, Tháng 11 Năm 2011 Học viên Bùi xuân Tiến 87 PHỤ LỤC: CÁC TÀI LIỆU ĐÃ THAM KHẢO Tự động hóa với SIMATIC S7 - 200 Trung tâm đào tạo Đại Học Bách Khoa Hà Nội Tác giả: Nguyễn Doãn Phước - Phan Xuân Minh Các mạch lo gic thiết bị hiển thị Nhà xuất Thống kê Tác giả: KS Quang Minh - Ngọc Cương Trang bị điện – Điện tử máy công nghiệp dùng chung NXB giáo dục 1994 Tác giả: Vũ quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị Liên Anh Xử lý tín hiệu lọc số - NXB khoa học kỹ thuật1998 Tác giả Nguyễn quốc Trung Lý thuyết điều khiển tự động - NXB Khoa học kỹ thuật1994 Tác giả Phạm công Ngô Cảm biến ứng dụng - Nhà suất khoa học kỹ thuật, năm 2001 Tác giả: Dương minh Chí Máy điện I - Nhà suất khoa học kỹ thuật, Hà Nội năm 1998 Tác giả:Vũ gia Hanh Máy điện II - Nhà suất khoa học kỹ thuật, Hà Nội năm 1998 Tác giả:Vũ gia Hanh Hồng Minh Sơn: Mạng truyền thơng cơng nghiệp Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2001 10 Hướng dẫn tự học PLC- Nhà xuất Lao động – Xã hội 2005 11 Hướng dẫn thực hành PLC S7-200 - Hà Nội 2005 12 Hướng dẫn sử dụng biến tần IC5 – công ty LG Tech 13 Lý thuyết hàng đợi – ĐHBKTP Hồ Chí Minh Ngồi cịn có phụ lục phần mềm sử dụng số tài liệu Internet 88 ... điều khiển theo phát triển Đó hệ thống điều khiển dùng PLC, mạng PLC làm việc độc lập với giám sát điều khiển máy tính Vấn đề đặt vận dụng, ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thực tế để điều khiển. .. điện thang máy - Tìm hiểu, lập trình cho điều khiển PLC - Vận dụng lý thuyết điều khiển khống chế, điều khiển thang máy chở khách - Mô thang máy CHƯƠNG 2: CÁC YÊU CẦU TRUYỀN ĐỘNG THANG MÁY 2.1... Thuật toán tối ưu điều khiển thang máy? ??……………………………… 62 4.4 Giải thuật điều khiển thang máy? ??……………………………………… 63 CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY………………… 65 5.1 Quy ước đầu vào, cho PLC………………………………………