Thiết kế chế tạo và điều khiển mô hình thang máy với PLC

Trong những năm gần đây cùng với quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá của đất nước hàng loạt các công trình và nhà cao tầng đã được xây dựng trên khắp mọi miền đất nước và nhờ đó thang máy, thang cuốn nói chung thang máy chở người nói riêng đã đang và sẽ được sử dụng ngày càng phổ biến. Thang máy thường được sử dụng trong các khách sạn, công sở, chung cư, bệnh viện, các đài quan sát, tháp truyền hình, trong các nhà máy, công xưởng ...v.v... Nhiều quốc gia trên thế giới đã quy định, đối với các toà nhà cao tầng phải được trang bị thang máy để đảm bảo cho người đi lại thuận tiện, tiết kiệm thời gian và tăng năng suất lao động.

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HỌ VÀ TÊN: LÊ VIẾT TÙNG NGUYỄN VĂN PHONG KHÓA: KHÓA 15 HỆ ĐÀO TẠO: DÀI HẠN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THANG MÁY VỚI PLC NĂM: 2021 HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HỌ VÀ TÊN : LÊ VIẾT TÙNG NGUYỄN VĂN PHONG KHÓA: KHÓA 15 HỆ ĐÀO TẠO: DÀI HẠN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 7520114 THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THANG MÁY VỚI PLC Cán hướng dẫn khoa học: Thiếu tá, GVC.TS Trần Xuân Trung Thiếu tá, GVC.TS Nguyễn Hữu Nam NĂM: 2021 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THANG MÁY 1.1 Tổng quan 1.1.1 Khái niệm chung thang máy 1.1.2 Phân loại thang máy 1.1.2.1 Theo công dụng 1.1.2.2 Theo hệ thống dẫn động cabin 1.1.2.3 Theo vị trí đặt tời treo 1.1.2.4 Theo hệ thống vận hành 1.1.2.5 Theo thông số 1.2 Cấu trúc điển hình thang máy 1.3 Các hệ truyền động thang máy 1.4 Kết Luận 11 CHƯƠNG II: CẤU TRÚC, MƠ HÌNH HĨA THANG MÁY 12 2.1 Cấu trúc thang 12 2.1.1 Giếng thang 12 2.1.2 Cửa tầng 13 2.1.3 Phòng điều khiển 13 2.1.4 Hệ thống an toàn 14 2.1.5 Bảng điều khiển 14 2.1.6 Đối trọng 16 2.1.7 Cơ cấu đóng mở cửa 17 2.1.8 Cảm biến dừng tầng 17 2.1.9 Tủ điện điều khiển 18 2.2 Hệ truyền động thang máy 19 2.2.1 Thiết bị điều khiển thang máy 19 2.2.2 Kiểm tra lựa chọn công suất động 19 2.2.3 Tính tốn tọa độ cabin tốc độ thang 22 2.2.3.1 Xác định tọa độ cabin…………………………………………….22 2.2.4 Tính tốn tần số chạy tốc độ cao 24 2.2.5 Tính tốn tần số xung encoder 24 2.3 Mơ hình hóa thang máy 27 2.3.1.Thiết kế mơ hình 3D 27 2.3.1.1 Thiết kế phần khung mơ hình 28 2.3.1.2 Thiết kế phần cửa tầng 29 2.3.1.3 Thiết kế phần truyền động 31 2.4 Kết luận 33 CHƯƠNG III: TỔNG QUAN VỀ PLC S7 1200, BIẾN TẦN VÀ HMI 34 3.1 Tổng quan PLC S7.1200 34 3.2 Cấu trúc nhớ PLC S7-1200 41 3.2.1 Các loại vùng nhớ PLC S7-1200 41 3.2.2 Kích thước vùng nhớ PLC S7 – 1200 42 3.2.3 Vòng quét PLC S7.1200 43 3.2.4 Ngơn ngữ lập trình 45 3.3 Họ biến tần MMXX Simens 48 3.3.1 Cấu tạo chung nguyên tắc hoạt động 49 3.3.2 Lắp đặt phần điện 50 3.3.3 Các thông số cài đặt nhanh 51 3.3.4 Các thông số cài đặt ứng dụng 53 3.4 Giao tiếp điều khiển HMI 55 3.5 Kết luận 61 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY 62 4.1 Tính tốn tọa độ cabin tốc độ thang 62 4.1.1 Xác định tọa độ cabin 62 4.1.2 Tính tốn tần số chạy tốc độ cao 64 4.1.3 Tính tốn tần số xung encoder 65 4.1.4 Quá trình tăng tốc giảm tốc 65 4.2 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển 66 4.2.1 Phương pháp điều khiển 66 4.2.2 Xử lý phím gọi thang 67 4.2.3 Lưu đồ thuật toán 71 4.2.4 Bảng symbol 73 4.3 Chương trình điều khiển 75 4.3.1 Phương pháp làm tăng đầu vào cho PLC 76 4.3.1.1 Vấn đề giải pháp 76 4.3.1.2 Sử dụng module mở rộng IO cho PLC 77 4.3.1.3 Sử dụng mạch riêng biệt để đọc/ghi IO truyền thông liệu đến PLC 79 4.3.2 Thực 80 4.3.2.1 Cấu hình thiết bị 80 4.3.2.2 Mơ tả q trình truyền thơng VĐK PLC 82 Tài liệu tham khảo 86 PHỤ LỤC 87 Danh mục hình ảnh Hình 1.1: Thang máy chở người Hình 1.2 : Thang máy bệnh viện Hình 1.3: Thang máy chở hàng Hình 1.4 Thang máy điện có tời đặt phía giếng thang Hình 1.5: Thang máy thủy lực Hình 1.6 Thang máy điện có tời đặt phía giếng thang Hình 1.7 Kết cấu bố trí thiết bị thang máy Hình 2.1: Giếng thang 12 Hình 2.2: a) Cửa tầng thiết kế NX b) Cửa tầng chế tạo thực tế 13 Hình 2.4: Bảng điều khiển bên cabin thang máy 16 Hình 2.5: Đối trọng 16 Hình 2.6: Cơ cấu đóng mở cửa tầng 17 Hình 2.7: Cơng tắc hành trình 18 Hình 2.8: Tủ điện điều khiển 19 Hình 2.9 Sơ đồ tổng quan điều khiển thang máy 20 Hình 2.10: Nhơm định hình 28 Hình 2.11: Khung mơ hình thang máy 29 Hình 2.12: Tấm Fomex 30 Hình 2.13: Cửa tầng 31 Hình 2.14: Cơ cấu đóng mở cửa tầng 31 Hình 2.15: OpenBuilds 32 Hình 2.16: Puly GT2 trơn 10mm 33 Hình 2.17: Cơ cấu căng đai 33 Hình 2.18: Mơ hình thang máy hoàn thiện 33 Hình 3.1 Cấu tạo điều khiển siemens CPU S7-1200[12] 37 Hình 3.2: Hình dáng CPU 1212C DC/DC/DC 39 Hình 3.3: Sơ đồ đấu dây cho PLC 39 Hình 3.4: Các loại vùng nhớ PLC S7 - 1200 42 Hình 3.5: Mô tả ngôn ngữ LAD 45 Hình 3.6: Mơ tả ngôn ngữ FBD 47 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý đấu nối dây biến tần họ MM440 50 Hình 3.8: Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển biến tần MM440 50 Hình 3.9: Tạo HMI 55 Hình 3.10: Chọn loại CPU 56 Hình 3.11: Chọn HMI theo yêu cầu 56 Hình 3.12: Kết nối HMI với PLC 56 Hình 3.13: Cài đặt hiển thị cho HMI 57 Hình 3.14: Cài đặt cấu hình HMI 57 Hình 3.15: Lựa chọn số hình hiển thị 57 Hình 3.16: Lựa chọn số hình hiển thị 58 Hình 3.17: Cài đặt cấu hình hiển thị HMI 58 Hình 3.18: Cài đặt vị trí hiển thị 59 Hình 3.19: Giao diện HMI 59 Hình 3.20: Giao diện hình điều khiển 59 Hình 3.21: Giao diện hình Setting 60 Hình 3.22: Giao diện hình Auto 60 Hình 3.23: Giao diện hình Manual 61 Hình 4.1 Biểu đồ tốc độ tối ưu, biểu đồ gia tốc, biểu đồ độ giật 62 Hình 4.2: Sơ đồ tăng, giảm tốc độ 65 Hình 4.3: Cài đặt tốc độ thang máy 66 Hình 4.4: Lưu đồ thuật tốn điều khiển PLC 71 Hình 4.5: Lưu đồ thuật tốn cho vi điều khiển 72 Hình 4.6: Hệ thống giám sát điều khiển thang máy 75 Hình 4.7: Một số board arduino phổ biến 79 Hình 4.8: Mơ tả truyền thơng Modbus VĐK PLC 80 Hình 4.9: Bảng cấu hình Modbus PLC 81 Hình 4.10: Cấu hình khối nhận liệu cho PLC gửi từ VĐK 81 Hình 4.11: Cấu hình khối nhận liệu cho VĐK gửi từ PLC 82 Hình 4.12: Quy định liệu gửi lên PLC 83 Hình 4.13: Quy định liệu gửi xuống VĐK 83 Danh mục bảng biểu Bảng 1: Vị trí chân kết nối cho CPU 1212C DC/DC/DC 40 Bảng : Bảng Symbol 74 Bảng 2: Số lượng IO cần thiết để điều khiển thiết bị 77 Bảng 4: Các module mở rộng cho PLC 78 76 4.3.1 Phương pháp làm tăng đầu vào cho PLC 4.3.1.1 Vấn đề giải pháp Với đồ án tốt nghiệp “Thiết kế điều khiển thang máy tầng với PLC” nhóm tính tốn đưa sơ số lượng thiết bị chấp hành sau: - Các thiết bị sử dụng tầng: Tầng 1:  Một nút nhấn (nút nhấn gọi thang lên)  Một đèn báo trạng thái nút nhấn  Một động mở cửa Tầng 2:  Hai nút nhấn (1 nút gọi thang lên, gọi thang xuống)  Một đèn báo trạng thái nút nhấn  Một động mở cửa Tầng 3:  Hai nút nhấn (1 nút gọi thang lên, gọi thang xuống)  Một đèn báo trạng thái nút nhấn  Một động mở cửa Tầng 4:  Hai nút nhấn (1 nút gọi thang lên, gọi thang xuống)  Một đèn báo trạng thái nút nhấn  Một động mở cửa Tầng 5:  Một nút nhấn (nút nhấn gọi thang lên)  Một đèn báo trạng thái nút nhấn  Một động mở cửa Cabin:  Một hình hiển thị trạng thái thang máy  Năm nút nhấn tương ứng với tầng nút nhấn cảnh báo  Sáu đèn báo trạng thái tương ứng 77 - Ngoài thiết bị sử dụng tầng kể cịn có động chính, cơng tắc hành trình tương ứng tầng sensor an toàn… Từ số lượng thiết bị sử dụng kể nhóm tính tốn đưa số lượng IO cần thiết để điều khiển thiết theo bảng sau: Bảng 2: Số lượng IO cần thiết để điều khiển thiết bị Số input cần thiết Số output cần thiết Tầng Tầng Tầng 3 Tầng 4 Tầng Cabin 8 Khác 2 Tổng 23 28 * Với PLC S7-1200 nhóm sử dụng có input output khơng thể đáp ứng u cầu toán cần tới 23 input 28 output Để giải tốn cần phải mở rộng số lượng IO vào cho PLC Có phương án nhóm đưa để giải toán mở rộng IO cho PLC sau: + Sử dụng module mở rộng IO phù hợp với PLC có + Sử dụng mạch riêng biệt để đọc/ghi IO truyền thông liệu đến PLC Ưu nhược điểm hai cách trình bày cụ thể sau đây: 4.3.1.2 Sử dụng module mở rộng IO cho PLC 78 Họ S7-1200 cung cấp số lượng lớn module tín hiệu bảng tín hiệu để mở rộng dung lượng CPU Người dùng cịn lắp đặt thêm module truyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác Các module mở rộng tín hiệu vào/ra gắn trực tiếp vào phía bên phải CPU Với dải rộng loại module tín hiệu vào/ra số analog, giúp linh hoạt sử dụng S7-1200 Bảng cung cấp thông tin tổng quát module mở rộng cho họ PLC S7-1200 Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ Kết hợp In/Out x DC In x DC In / x DC Out x DC Out x Relay Out x DC In / x Relay 16 x DC In Kiểu số Module tín hiệu (SM) 16 x DC Out Out 16 x DC In / 16 x DC 16 x Relay Out Out 16 x DC In / 16 x Relay Kiểu x Analog In x Analog In x Analog In / x Out tương x Analog In x Analog In Analog tự số Kiểu _ _ Kiểu _ x Analog In 2Out x DC In / x DC Out Bảng tín hiệu (SB) tương tự Module truyền thông (CM) RS485 RS232 Bảng 4: Các module mở rộng cho PLC * Ưu điểm, nhược điểm việc sử dụng module mở rộng IO: - Ưu điểm:  Kết nối, lắp đặt dễ dàng _ 79  Đơn giản việc lập trình điều khiển  Tính ổn định cao  Nhỏ gọn  Khả chống nhiễu tốt - Nhược điểm:  Giá thành module mở rộng cao  Giá thành phần cứng để phù hợp với module cao 4.3.1.3 Sử dụng mạch riêng biệt để đọc/ghi IO truyền thông liệu đến PLC Ngày nay, board mạch, kit phát triển dựa dòng vi điều khiển phổ biến, mạch lập trình ngày mà khơng cần thiết kế gia cơng mạch Các board mạch phù hợp để giải toán từ đơn giản đến phức tạp, thực nhiều nhiệm vụ từ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, nhiều đối tượng khác kết nối đến thiết bị trung tâm điều khiển khác thơng qua chuẩn truyền thơng Phổ biến kể đến board mạch Arduino sau: Hình 4.7: Một số board arduino phổ biến * Ưu nhược điểm việc sử dụng mạch thứ hai để đọc I/O truyền thông liệu đến PLC: - Ưu điểm:  Giá thành rẻ 80  Có thể sử dụng  Dễ dàng lập trình điều khiển  Các phần cứng dễ kiếm giá thành rẻ  Cộng đồng lớn - Nhược điểm:  Dễ bị ảnh hưởng nhiễu  Khó debug chương trình 4.3.2 Thực Từ phân tích hai giải pháp cho vấn đề mở rộng IO PLC để giải toán, nhóm định lựa chọn phương án 2: “Sử dụng mạch để đọc/ghi IO truyền thông liệu đến PLC” Và nhóm định sử dụng phương thức truyền thông Modbus TCP/IP phương thức truyền thơng Hình 4.8: Mơ tả truyền thơng Modbus VĐK PLC 4.3.2.1 Cấu hình thiết bị * Cấu hình truyền thơng Modbus TCP/IP PLC S7-1200 81 Hình 4.9: Bảng cấu hình Modbus PLC Để PLC VĐK truyền nhận liệu với cần phải có tín hiệu Request (REQ) địa IP thiết bị phải trùng Hình 4.10: Cấu hình khối nhận liệu cho PLC gửi từ VĐK Sau cấu hình xong địa cần thiết để truyền thông PLC VĐK, ta cần tạo input output cho khối giao tiếp, phần mềm Tia Portal V15 cung cấp hàm modbus trên, lấy tiến hành thêm thơng tin cấu hình từ trước vào khối 82 Hình 4.11: Cấu hình khối nhận liệu cho VĐK gửi từ PLC Về phần cấu hình tương tự khối nhận liệu * Cấu hình truyền thơng Modbus TCP/IP Arduino Mega 2560: - Thêm thư viện giao tiếp Modbus TCP/IP #include #include #include - Khởi tạo đối tượng địa cho thiết bị ModbusIP mb; byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED }; byte ip[] = { 192, 168, 0, 25 }; 4.3.2.2 Mô tả q trình truyền thơng VĐK PLC Để cho PLC VĐK “nói chuyện” với người lập trình cần phải có quy định liệu để thiết bị nhận liệu tương ứng cần phải biết làm với liệu Nhóm chọn tín hiệu từ nút nhấn Input mở rộng PLC, nghĩa tín hiệu từ nút nhấn giám sát vi điều khiển sau truyền thơng tín hiệu lên PLC, tín hiệu điều khiển động mở cửa 83 tầng Output mở rộng PLC, nghĩa tín hiệu mở cửa gửi từ PLC xuống vi điều khiển sau vi điều khiển thực điều khiển động mở cửa tương ứng Vì cần quy định liệu cho nút nhấn liệu điều khiển động mở cửa Bảng sau mô tả quy định liệu truyền thông PLC VĐK: Hình 4.12: Quy định liệu gửi lên PLC Hình 4.13: Quy định liệu gửi xuống VĐK * Đối với quy định liệu gửi lên PLC:  Dữ liệu nằm mảng DATA có địa độ dài 23 ô nhớ  Các nhớ nhận tín hiệu tương ứng với nút nhấn Ví dụ:  Trong nhớ (DATA[1] ) bít tín hiệu nút nhấn tầng cabin 84  Trong ô nhớ (DATA[8]) bít tin hiệu nút nhấn gọi cabin lên bên thang máy * Đối với quy định liệu gửi xuống VĐK:  Dữ liệu nằm mảng Send_Data có địa 25 độ dài ô nhớ  Các ô nhớ tín hiệu mở cửa tứng ứng với tầng Ví dụ: - Trong nhớ (Sen_Data[2]) bít tín hiệu mở cửa tầng - Trong nhớ (Sen_Data[4]) bít tín hiệu mở cửa tầng * Ví dụ đơn giản để làm rõ trình truyền nhận liệu VĐK PLC: Khi nút gọi tầng lên tầng nhấn Vi điều khiển gửi tín hiệu “1” lên ô nhớ DATA[7] Khi ô nhớ DATA[7] PLC lên “1” PLC tính tốn điều khiển động để đưa cabin đến tầng Khi đến tầng PLC gửi tín hiệu “1” từ ô nhớ Sent_Data[1] xuốngVĐK ( yêu cầu mở cửa tầng 2) Khi VĐK đọc tín hiệu từ ô nhớ Sent_Data[1] = “1” điều khiển động tầng để mở cửa 85 KẾT LUẬN Trong thời gian ngắn thực đề án, nhóm đồ án nhóm đồ án hướng dẫn TS Trần Xuân Trung thực số nội dung sau: - Tìm hiểu cấu trúc thang máy - Xây dựng sơ đồ điện - Xác định hệ truyền động hệ điều khiển - Lập trình điều khiển hiệu chỉnh - Giao tiếp PLC vi điều khiển thông qua kiểu truyền thơng Modbus - Tìm hiểu điều khiển lập trình PLC S7-1200 - Tìm hiểu phần mềm TIA Portal V15 - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động cách lựa chọn thiết bị điện phù hợp với yều cầu - Xây dựng mô hình 3D mơ hình thực tế cho thang máy Do thời gian nghiên cứu ngắn nên sản phẩm đề tài cịn nhiều hạn chế Vì đề tài cần đầu tư phát triển tiếp thời gian tới tập chung vào hướng sau: - Sử dụng chuẩn kết nối Modbus TCP/IP để kết nối PLC với phần mềm lập trình chuyên dụng, từ tối ưu chương trình điều triển giám sát - Thêm tính an tồn q trình sử dụng giám sát thang máy - Khắc phục mặt hạn chế mơ hình thực tế 86 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Khang, Bộ điều khiển logic khả trình PLCvà ứng dụng, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội,2015 [2] Nguyễn Danh Sơn – Thang máy, Nhà xuất đại học Quốc Gia TP Hồ CHÍ MINH [3] PGS.TS Ngồ Văn Thuyên, TS Phạm Quang Huy, Lập trình PLC với S7 1200 S7 1500 [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Elevator [5] https://kenhsinhvien.vn/topic/gioi-thieu-plc-s7-1200-ho-tro-chuanethernet-va-tcp-ip.654136/ [6] PLC lập trình ứng dụng công nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [7] Simens S7 1200 System Manual [8] INTRODUCTION TO MODBUS TCP/IP [9] Using for the SIMATIC S7-1200/S7-1500 Web Server 87 PHỤ LỤC  Chương trình dùng cho VĐK * Thêm thư viện sử dụng: #include #include #include #include * Thư viện arduino * Thự viện giao tiếp Ethernet * Thư viện Modbus * Thư viện Modbus cho ENC28J60 #include "KeyPad.h" * Thư viện để quét tín hiệu nút #include "Lcd_I2C.h" nhấn #include "Led_Button.h" * Thư viện giao tiếp LCD #include "Stepper.h" * Thư viện hiển thị trạng thái nút nhấn * Thư viện điều khiển động step * Hàm Setup (chạy lần khởi động): void setup() * Hàm setup() { mb_Init(); * Khởi tạo giao tiếp Modbus mortor1.init_step(); * Khởi tạo động tầng mortor2.init_step(); * Khởi tạo động tầng mortor3.init_step(); * Khởi tạo động tầng mortor4.init_step(); mortor5.init_step(); lcd.init(); lcd.backlight(); lcd.clear(); * Khởi tạo động tầng * Khởi tạo động tầng * Hàm khởi tạo LCD * Bật đèn LCD 88 lcd.Lcd_Load_7seg(); * Xóa hình LCD * Nạp font chữ tự tạo cho LCD lcd.Lcd_CreateArrow(1,1); LCD_Display_Arrow(); * Tạo ký tự đặc biệt cho LCD lcd.setCursor(0,0); * Hiện thị ký tự đặc biệt lcd.print("DATN 2021"); * Đưa trỏ đầu hình LCD * Hiển thị “DATN 2021 ” lên LCD Serial.begin(9600); } * Khởi tạo truyền thơng UART * Hàm Loop (Hàm chính, chạy liên tục cấp điện ) void loop() * Hàm loop() { mb.task(); * Hàm đồng key = button.scan(); liệu if (key!=0) * Quét phím { * Nếu có phím if(key>=1 && key=6 && key