Thiết kế hệ thống điều khiển thang máy chở người trên cơ sở plc mitsubishi

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY CHỞ NGƢỜI TRÊN CƠ SỞ PLC MITSUBISHI Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HỮU DŨNG Lớp 52K - ĐTTT Giảng viên hƣớng dẫn: ThS TẠ HÙNG CƢỜNG Nghệ An, 05/ 2016 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập rèn luyện em đƣợc trang bị kiến thức bản, chuyên môn nhƣ kinh nghiệm thực tế để hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo khoa Điện tử - Viễn thông, quan tâm, hƣớng dẫn, truyền đạt lại kiến thức kinh nghiệm cho em suốt trình học tập vừa qua Em xin cảm ơn ThS Tạ Hùng Cƣờng tận tình hƣớng dẫn chun mơn, phƣơng pháp làm việc để em hoàn thành đồ án theo kế hoạch đặt Trong trình làm đồ án em cố gắng hồn thành nhƣng khơng tránh khỏi sai sót, em mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến q thầy giáo bạn để em hồn thiện đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ An, tháng 05 năm 2016 Sinh viên thực Nguyễn Hữu Dũng TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án sâu vào tìm hiểu cấu tạo nguyên lý làm việc hệ thống điều khiển dùng PLC Nghiên cứu ngơn ngữ lập trình Ladder, mơi trƣờng lập trình phần mềm GX Deverlop để mô cho hệ thống dùng PLC Đồ án nghiên cứu ứng dụng điều khiển PLC Mishubishi để xây dựng mơ hình thang máy chở ngƣời ABSTRACT In this graduation project analyse the working principle the programmable logic controller PLC for elevator for developing its control system The programming language used is ladder diagram Programing environtment, GX developer software to simulate system using PLC, The thesis was also researched the applications of PLC Mishubishi Controller to build a elevator model for moving people MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN .1 TÓM TẮT ĐỒ ÁN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU CÁC TỪ NGŨ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU .9 CHƢƠNG KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG THANG MÁY 10 1.1 Giới thiệu chung thang máy 10 1.2 Cấu tạo chung thang máy 13 1.3 Các hệ truyền động cho thang máy 16 1.4 Các yêu cầu thang máy 18 CHƢƠNG THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH PLC 21 2.1 Thiết bị điều khiển khả trình PLC Mishubishi .21 2.2 Giới thiệu PLC FX3U Mishubishi 28 2.3 Giới thiệu lập trình PLC 35 2.4 Giới thiệu tập lệnh .39 2.5 Hƣớng dẫn sử dụng phần mềm GX Developer 41 CHƢƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG THANG MÁY CHỞ NGƢỜI 44 3.1 Phân tích yêu cầu thiết kế .44 3.2 Sơ đồ khối hệ thống .44 3.3 Sơ đồ nguyên lý 49 3.4 Thuật toán điều khiển .50 3.5 Kết thi công vận hành 52 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 58 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Thang máy điện có tời đặt phía giếng thang…… …………….12 Hình 1.2 Thang máy điện có tời đặt phía dƣới giếng thang…………… … 12 Hình 1.3 Các thành phần hệ thống thang máy 13 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động máy phát động cơ(F-Đ) 16 Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống biến đổi tĩnh - động chiều 16 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý hệ biến tần -động không đồng .17 Hình 1.7 Phanh bảo hiểm kiểu kìm 19 Hình 1.8 Bộ hạn chế tốc độ 20 Hình 2.1 Một số PLC thị trƣờng .21 Hình 2.2 Cấu trúc chung PLC 26 Hình 2.3 Các thiết bị vào thƣờng gặp 27 Hình 2.4 Sơ đồ đấu nối dây vào .28 Hình 2.5 Các thiết bị thƣờng gặp 28 Hình 2.6 Sơ đồ đấu nối đầu 29 Hình 2.7 Chu kì quét PLC 29 Hình 2.8 Hình dáng bên ngồi PLC FX3U 30 Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc bên PLC FX3U 30 Hình 2.10 Giao diện vào 32 Hình 2.11 Sơ đồ vị trí ngõ vào bố trí PLC Mishubishi 33 Hình 2.12 Các cách kết nối tác động ngõ vào 34 Hình 2.13 Cách đấu nối PLC với tải relay .35 Hình 2.14 Cách đấu nối PLC với tải transistor 35 Hình 2.15 Sơ đồ đấu nối PLC FX với nguồn điện AC 36 Hình 2.16 Sơ đồ đấu nối PLC FX với nguồn điện DC 37 Hình 2.17 Quy trình lập trình 38 Hình 2.18 Giao diện phần mềm GX Developer 43 Hình 2.19 Tạo project .44 Hình 2.20 Giao diện viết chƣơng trình 44 Hình 2.21 Nạp chƣơng trình vào PLC .45 Hình 3.1 Mơ hình thiết kế 46 Hình 3.2 Buồng thang 47 Hình 3.3 Buồng thang cấu đóng mở cửa 48 Hình 3.4 Ray di chuyển buồng thang đối trọng 48 Hình 3.5 Mơ hình thực tế 49 Hình 3.6 Sơ đồ khái quát mạch điện 50 Hình 3.7 Họ IC ổn áp 78xx 50 Hình 3.8 Sơ đồ khối nguồn 5VDC 51 Hình 3.9 Nút ấn đề cơng tắc hành trình .51 Hình 3.10 Led đoạn .52 Hình 3.11 Quan hệ đại lƣợng vào relay 53 Hình 3.12 Rơ le thực tế 54 Hình 3.13 Động điện chiều 55 Hình 3.14 Cấu tạo động điện chiều 55 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý mạch relay sử dụng opto cách ly 56 Hình 3.16 Mạch relay kênh 56 Hình 3.17 Sơ đồ thuật toán điều khiển .58 DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1 Bảng yêu cầu nguồn tác động ngõ vào 24VDC .32 Bảng 2.2 Quy định các giá trị định mức cho ngõ relay Transistor 33 Bảng 2.3 Một số kí hiệu rơ le nội 38 Bảng 3.1 Các cổng vào mơ hình 55 CÁC TỪ NGŨ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt PLC Programble Logic Control Bộ điều khiển logic khả trình PID Propotional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ROM Read Only Memory Bộ nhớ đọc RAM Random Acess Memory Bộ nhớ truy cập ngẩu nhiên Elictrical Erasable Programble Bộ nhớ ROM xóa nạp ROM tín hiệu điện CPU Central Processing Unit Bộ xử lí trung tâm GND Ground Đất I/O In/ Out Vào/ LED Light Emitting Diode Diode phát quang LAD Ladder Sơ đồ hình thang STL Standard Template Library Liệt kê lệnh FBD Funtion Block Diagram Khối hàm EEPROM LỜI MỞ ĐẦU Nƣớc ta thời kì cơng nghiệp hố – đại hố đất nƣớc.Vì vậy, việc ứng dụng thành tựu khoa học công nghệ giới vào sản xuất để tăng suất lao động chất lƣợng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu thời gian, tiết kiệm chi phí cần thiết Sự đời sản phẩm điều khiển logic nhƣ PLC S7-200, S7-300 hãng Siemens, PLC Mitsubishi…ứng dụng vào dây chuyền sản xuất công nghiệp tạo tối ƣu độ tin cậy lớn, giải phóng sức lao động cho ngƣời nhƣ hệ thống tự động, bán tự động… Với tính nhƣ từ nhu cầu thực tế, chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển thang máy chở ngƣời cở sở PLC Mitsubishi” Nội dung đồ án đƣợc trình bày qua chƣơng với nội dung tóm tắt nhƣ sau: Chƣơng Khái quát chung hệ thống thang máy Trong chƣơng tập trung tìm hiểu nhu cầu sử dụng thang máy nay, cấu tạo yêu cầu cần thiết hệ thống thang máy Chƣơng Thiết bị điều khiển khả trình PLC Trong chƣơng giới thiệu thiết bị điều khiển khả trình PLC ngơn ngữ lập trình, đặc biệt sâu vào ngơn ngữ lập trình LAD để lập trình cho PLC Chƣơng Thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống thang máy chở ngƣời Chƣơng sâu vào thiết kế thi cơng mơ hình mạch điều khiển Do khả thời gian hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót, em mong nhận đƣợc góp ý q thầy giáo bạn để đồ án đƣợc hoàn thiện Nghệ An, tháng 05 năm 2016 Sinh viên thực Nguyễn Hữu Dũng Chƣơng KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG THANG MÁY 1.1 Giới thiệu chung thang máy 1.1.1 Khái niệm chung thang máy Thang máy thiết bị chuyên dùng để vận chuyển ngƣời, hàng hoá, vật liệu… theo phƣơng thẳng đứng nghiêng góc nhỏ 15 so với phƣơng thẳng đứng theo tuyến định sẵn Thang máy thƣờng đƣợc dùng khách sạn, công sở, chung cƣ, bệnh viện, nhà máy 1.1.2 Lịch sử phát triển thang máy Cuối kỉ 19 giới có vài hãng thang máy đời nhƣ: OTIS; Schindler Chiếc thang máy đƣợc chế tạo đƣa vào sử dụng hãng OTIS (Mỹ) năm 1853 Đến năm 1874, hãng thang máy Schindler (Thụy Sĩ) chế tạo thành công thang máy khác Lúc đầu tời kéo có tốc độ, cabin có kết cấu đơn giản, cửa tầng đứng tay, tốc độ di chuyển cabin thấp Đầu kỷ thứ 20, có nhiều hãng thang máy khác đời nhƣ KONE (Phần Lan), MISUBISHI, NIPON, ELEVATOR, (Nhật Bản), THYSEN (Đức), SABIEM (Ý) 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 7.5 m/s, thang máy chở hàng có tải trọng tới 30 đồng thời khoảng thời gian có thang máy thuỷ lực đời Sau khoảng thời gian ngắn với tiến ngành khoa học khác, tốc độ thang máy đạt tới 10m/s Vào năm 1980, xuất hệ thống điều khiển động phƣơng pháp biến đổi điện áp tần số (inverter) Thành tựu cho phép thang máy hoạt động êm hơn, tiết kiệm đƣợc công suất động Vào đầu năm 1990, giới chế tạo thang máy có tốc độ đạt tới 12.5 m/s thang máy có tính kỹ thuật khác Trong năm gần đây, nhu cầu thang máy tăng mạnh, số hãng thang máy đời nhằm cung cấp, lắp đặt thiết bị thang máy theo hai hƣớng là: Nhập thiết bị toàn hãng nƣớc ngoài, thiết bị hoạt động tốt, tin cậy nhƣng với giá thành cao 10 Hình 3.9 Nút ấn đề cơng tắc hành trình Đối với động đóng mở cửa, cơng tắc hành trình có tác dụng ngắt nguồn cấp cho động Khi cửa đóng khít lại mở hết tác động vào cơng tắc hành trình hở mạch làm động dừng hoạt động 3.2.3 Đèn báo tầng Để ngƣời nhận kiểm sốt đƣợc tình trạng buồng thang di chuyển tới tầng cần led hiển thị số tầng, sử dụng led đoạn để hiển thị số tầng tƣơng ứng Hình 3.10 Led đoạn 3.2.4 Mạch điều khiển động Một số linh kiện đƣợc sử dụng mạch: a) Relay Relay loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu thay đổi nhảy cấp tín hiệu đầu vào đạt giá trị xác định Relay thiết bị điện dùng để đóng ngắt mạch điện điều khiển, bảo vệ điều khiển làm việc mạch điện Đặc tính vào/ relay 46 Y Y2 Y1 X X1 X2 Hình 3.11 Quan hệ đại lượng vào relay Khi biến x biến thiên từ đến x2 y = y1 đến x = x2 y tăng từ y = y1 đến y = y2 (nhảy bậc) Nếu x tăng tiếp y khơng đổi y = y2 Khi x giảm từ x2 lại x1 y = y2 đến x = x1 y giảm từ y2 y = y1 Nếu gọi : X = X2 = Xtd giá trị tác động rơ le X = X1 = Xnh giá trị nhả rơ le Thì hệ số nhả : Knh = X1/X2 = Xnh/ Xtd Hình 3.12 Rơ le thực tế Rơ le điện từ loại rơ le đơn giản đƣợc sử dụng rộng rãi, làm việc dựa nguyên lý điện từ đóng ngắt mạch điện điều khiển b, Động DC  Khái quát động điện 47 Là máy điện chuyển đổi lƣợng điện sang lƣợng Trong hầu hết tất hệ thống máy móc công nghiệp ngƣời ta chủ yếu sử dụng động điện làm thiết bị dẫn động với ƣu điểm sau :  Động điện chiều Động điện chiều động điện hoạt động với dòng điện chiều Động điện chiều đƣợc dùng phổ biến công nghiệp, giao thông vận tải, nói chung thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng  Cấu tạo Phần gồm Stato (phần đứng yên) với cực từ nam châm vĩnh cửu , Roto với cuộn dây quấn, cổ góp điện chổi than Nắp động đƣợc dùng để gá lắp ổ bi đỡ trục động gắn giá đỡ chổi than Hình 3.13 Động điện chiều Hình 3.14 Cấu tạo động điện chiều 48 Một phần quan trọng động điện chiều phận chỉnh lƣu, có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện cuộn roto chuyển động quay roto liên tục Thông thƣờng phận phận gồm có cổ góp chổi than tiếp xúc với cổ góp Đây nhƣợc điểm động điện chiều : cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt, tin cậy nguy hiểm mơi trƣờng dể nổ, sử dụng phải có nguồn điện chiều kèm theo chỉnh lƣu  Nguyên lý làm việc Stator động điện chiều thƣờng hay nhiều cặp nam châm vĩnh cữu nam châm điện, roto có cuộn dây quấn đƣợc nối với nguồn điện chiều, phần quan trọng khác động điện chiều phận chỉnh lƣu, có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện chuyển động quay roto liên tục Thông thƣờng phận gồm có cổ góp chổi than tiếp xúc với cổ góp 3.3 Sơ đồ nguyên lý Động đóng mở cửa buồng thang động tời kéo đƣợc điều khiển thông qua điều khiển rơ le Yêu cầu động phải đảo chiều nhằm mục đích kéo buồng thang lên xuống hay đóng/ mở cửa, nên tơi sử dụng rơ le kênh, động sử dụng kênh Tín hiệu từ PLC kích relay nhảy làm động hoạt động Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý mạch relay sử dụng opto cách ly 49 Hình 3.16 Mạch relay kênh 3.4 Sơ đồ giải thuật thực chƣơng trình điều khiển PLC Chƣơng trình điều khiển một chuỗi lệnh lập trình PLC dùng để điểu khiển phần động lực thang máy Nó gồm nhiều khối chƣơng trình nhỏ ghép lại với Mỗi khối có nhiệm vụ khác chúng có mối liên hệ với tạo thành chƣơng trình hồn chỉnh để điều khiển mơ hình thang máy Tuy nhiên so với thang máy thực tế cịn có vài thiết sót Các khối chƣơng trình điều khiển bao gồm: Khối nhận yêu cầu gọi tầng Khối xác định vị trí tầng Khối điều khiển động lên xuống Khối điều khiển động đóng mở cửa Sơ đồ giải thuật điều khiển đƣợc thể hình 3.17 50 Start Khởi tạo trạng thái ban đầu Y Y N Yêu cầu cabin lên hay xuống? Cabin xuống tầng gần Cabin lên tầng gần Y Y Tầng có u cầu khơng? Tầng có u cầu khơng? Y Y Dừng cabin tầng Dừng cabin tầng N N Còn yêu cầu cabin lên khơng? Cịn u cầu cabin xuống khơng? N Có u cầu cabin xuống khơng? N N N Có u cầu cabin lên khơng? Y Y Hình 3.17 Sơ đồ giải thuật điều khiển từ PLC 51 3.5 Kết thi công vận hành 3.5.1 Thiết kế mơ hình Động tời kéo Tầng Tầng Đèn báo tầng Nút ấn gọi tầng Nút ấn đóng mở cửa Tâng Hình 3.1 Mơ hình thiết kế Hoạt động: Ở phía ngồi tầng có nút ấn đóng mở cửa nút ấn gọi tầng Thang máy vận hành nhƣ sau: Nếu ngƣời đứng vị trí tầng thang dừng muốn tầng khác bấm nút ấn mở cửa buồng thang, vào sau bấm nút đóng cửa lại, muốn tầng cần bấm nút tƣơng ứng với tầng đó, thang phía tầng mong muốn 3.5.2 Buồng thang Buồng thang dùng để chứa ngƣời hàng hóa, tùy mục đích sử dụng mà buồng thang có sức chứa khác Buồng thang đƣợc thiết kế khối hình hộp chữ nhật có cửa cánh tịnh tiến vào 52 Hình 3.2 Buồng thang Hình 3.3 Buồng thang cấu đóng mở cửa mơ hình 3.5.3 Ray di chuyển buồng thang đối trọng Ray Buồng thang Hình 3.4 Ray di chuyển buồng thang đối trọng Ray quỹ đạo di chuyển buồng thang, giữ cho buồng thang di chuyển cố định thiết kế cho trƣớc 53 3.5.4 Thi công chế tạo mơ hình thang máy chở ngƣời Sau thời gian thực hiện, tơi thi cơng hồn thiện xong mơ hình thang máy chở ngƣời đƣợc thể hình vẽ 3.5 Hình 3.5 Mơ hình thang máy chở người 3.5.5 Kết nối cổng vào/ra PLC với mơ hình Bảng 3.1 Các cổng vào mơ hình Dạng Ngõ vào Ngõ Địa thiết bị Tên thiết bị X0 Cơng tắc hành trình báo tầng X1 Cơng tắc hành trình báo tầng X2 Cơng tắc hành trình báo tầng X3 Nút ấn gọi tầng X4 Nút ấn gọi tầng X5 Nút ấn gọi tầng X6 Nút ấn đóng cửa thang máy X7 Nút ấn mở cửa thang máy Y0 Thang máy lên Y1 Thang máy xuống Y2 Đèn báo tầng Y3 Đèn báo tầng Y4 Đèn báo tầng 54 3.5.6 Chƣơng trình điều khiển thang máy Sau chế tạo, hồn thiện mơ hình, tơi tiến hành kết nối thực lập trình để điều khiển hoạt động hệ thống (Code phần phụ lục) Kết hệ thống hoạt động theo yêu cầu thiết kế  Kết luận chƣơng 3: Chƣơng trình bày vấn đề thiêt kế hệ thống thang máy chở ngƣời sở lập trình điều khiển PLC FX3U, kết thực nghiệm cho thấy hệ thống vận hành ổn định 55 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận Sau trình nghiên cứu thực đề tài tơi đã: Nghiên cứu đƣợc cấu trúc phần cứng hệ thống điều khiển dùng PLC Tìm hiểu đƣợc cách thức lập trình tập lệnh PLC Chế tạo thành cơng mơ hình thang máy chở ngƣời sở ứng dụng PLC Mơ hình dùng để giải tốn lập trình PLC phịng thí nghiệm Do mơ hình tốt nghiệp nên so với thực tế cịn khác xa, nên giải vấn đề ổn định, an toàn… chƣa thực nghiên cứu đƣợc Hƣớng phát triển đề tài Nghiên cứu giải thêm vấn đề hệ thống cảnh báo, báo động có cố Nghiên cứu vấn đề phối hợp với PLC biến tần để việc điều khiển hệ thống thực tế đƣợc trơn 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Vũ Quang Hồi, Giáo trình điện tử cơng nghiệp, nhà xuất giáo dục, 2002 [2] Nguyễn Nhƣ Hiền, Nguyễn Mạnh Tùng, Điều khiển logic PLC, nhà xuất khoa học tự nhiên công nghệ Hà Nội, 2007 [3] Nguyễn Văn Cƣờng, Tự động hóa PLC, nhà xuất Hà Nội, 2006 [4] Nguyễn Xuân Quang, Giáo trình PLC, nhà xuất TPHCM, 2006 Tài liệu website [5] www.tailieu.vn truy cập lần cuối ngày 08/05/2016 [6] www.dientuvietnam.net truy cập lần cuối ngày 10/05/2016 57 PHỤ LỤC Chƣơng trình: 58 59 60 ... tài ? ?Thiết kế hệ thống điều khiển thang máy chở ngƣời cở sở PLC Mitsubishi? ?? Nội dung đồ án đƣợc trình bày qua chƣơng với nội dung tóm tắt nhƣ sau: Chƣơng Khái quát chung hệ thống thang máy Trong... hiểu nhu cầu sử dụng thang máy nay, cấu tạo yêu cầu cần thiết hệ thống thang máy Chƣơng Thiết bị điều khiển khả trình PLC Trong chƣơng giới thiệu thiết bị điều khiển khả trình PLC ngơn ngữ lập trình,... cách tổng quát hệ thống thang máy Tìm hiểu số vấn đề nhƣ: cấu tạo, hệ truyền động, yêu cầu thang máy 20 Chƣơng THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH PLC 2.1 Thiết bị điều khiển khả trình PLC Mishubishi