Thiết kế và thi cơng mơ hình thang máy sử dụng PLC S7 1200
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Đoan Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân 36 Nguyễn Hồng Hòa
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH THANG MÁY
3.1 Quy trình cơng nghệ của hệ thống.
Đề tài “ Thiết kế và thi công mô hình thang máy sử dụng PLC S7 1200” nhóm
quyết định sử dụng PLC S7 1200 CPU 1214C AC/DC/RLY để lập trình điều khiển cho hệ thống.
Hệ thống được thiết kế vận hành theo 2 chế độ.
- Chế độ 1: Manual (Bằng tay) được sử dụng trong quá trình bảo trì sửa chửa.
- Chế độ 2: Auto ( Tự động) được sử dụng nhằm phục vụ nhu cầu đi lại của người dùng.
Chế độ hoạt động của hệ thống được điều khiển thông qua công tắc chọn chế độ.
❖ Chế độ Manual.
Khi cơng tắc chọn chế độ đang ở Manual thì đèn Manual sáng hệ thống được hoạt động theo chế độ 1: Manual.
Hệ thống được hoạt động hoàn toàn bằng tay dưới sự điều khiển của người dùng . Thiết bị trong hệ thống được điều khiển thông qua các nút nhấn. Các nút nhấn được thiết kế trên cả tủ điện lẫn giao diện Wincc.
- Động cơ kéo cabin được điều khiển lên, xuống thông qua:
+ Nút nhấn lên.
+ Nút nhấn xuống.
- Động cơ cửa cabin được điều khiển mở, đóng thơng qua:
+ Nút nhấn mở cửa.
+ Nút nhấn đóng cửa.
❖ Chế độ Auto.
Khi cơng tắc chọn chế độ đang ở Auto thì đèn Auto sáng hệ thống được hoạt động theo chế độ 2: Auto.
Toàn bộ thiết bị trong hệ thống được hoạt động thông qua lệnh gọi tầng và chọn tầng của người dùng.
- Người dùng có thể gọi tầng thơng qua :
+ Nút nhấn tầng 1 lên.
+ Nút nhấn tầng 2 xuống, tầng 2 lên.
+ Nút nhấn tầng 3 xuống, tầng 3 lên.
+ Nút nhấn tầng 4 xuống.
+ Nút nhấn T1, T2, T3, T4.
Khi hệ thống hoạt động đèn led sáng hiển thị vị trí của cabin nhờ các cảm biến được bố trí tại các tầng.
- Khi ấn nút gọi tầng :
+ Nếu lúc này vị trí cabin trùng với vị trí gọi tầng thì thang đứng n, động cơ cửa mở và chờ lệnh chọn tầng để di chuyển cabin.
+ Nếu lúc này vị trí cabin khác với vị trí gọi tầng thì thang di chuyển đến vị trí tầng được gọi. Khi đến vị trí tầng được gọi thì cửa cabin mở và chờ lệnh chọn tầng để tiếp tục di chuyển cabin.
Trong quá trình thang hoạt động hệ thống sẽ kiểm tra trọng lượng trong cabin có phù hợp tải trọng cho phép khơng, nếu q trọng lượng cho phép thì cửa cabin sẽ khơng đóng và đèn báo quá tải sáng. Nếu trọng lượng giảm đi và trong mức cho phép thì cửa cabin đóng và thang máy hoạt động bình thường.
Ngồi ra hệ thống cịn có nút nhấn về tầng 1 dùng trong trường hợp xảy ra cháy. Khi nhấn nút về tầng 1 thì hệ thống sẽ reset các lệnh gọi tầng và chọn tầng trước đó và đưa cabin về tầng 1 nhằm đảm bảo an toàn cho người dùng.
3.2 Thiết kế phần cứng.
Thiết kế và thi cơng mơ hình thang máy sử dụng PLC S7 1200
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Đoan Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân 38 Nguyễn Hồng Hòa
Sơ đồ gồm 4 khối chính: Khối nguồn, khối đầu vào, khối đầu ra, khối điều khiển trung tâm.
- Khối nguồn:
+ Nguồn 220V cung cấp PLC, biến tần, đồng thời cấp cho 2 bộ nguồn tổ ong để chuyển đổi thành nguồn DC 24v và 12v.
+ Nguồn tổ ong sẽ cung cấp tải cho các thiết bị như: nút nhấn, cơng tắc hành trình. Mạch hạ áp có chức năng giảm áp từ 220VDC thành 24VDC và 12VDC cung cấp cho 4 role trung gian để điều khiển động cơ cabin và động cơ đóng/mở cửa
- Khối đầu vào:
+ Cơng tắc hành trình: gồm 2 cơng tắc hành trình dùng để đóng ngắt đóng ngắt tiếp điểm điều khiển tín hiệu đầu vào PLC đóng mở cửa của thang máy.
+ Cảm biến: gồm 4 cảm biến tiệm cận được sử dụng để xác định vị trí tầng thang của cabin và 1 cảm biến load cell để kiểm soát tải trọng.
+ Nút nhấn: Gồm 9 nút nhấn và 1 công tắc chọn chế độ được sử dụng để điều khiển quá trình hoạt động của thang máy.
- Khối điều khiển trung tâm:
+ PLC S7 1200 cpu 1214c ac/dc/rly để lập trình điều khiển tồn bộ hệ thống
- Khối đầu ra:
+ Các thiết bị mà ta cần phải điều khiển gồm có các đèn báo, relay trung gian và động cơ (động cơ kéo cabin, động cơ cửa). Chúng thực hiện các lệnh mà bộ điều khiển trung tâm yêu cầu.
3.3 Lựa chọn thiết bị.
3.3.1 Cabin.
❖ Khái niệm.
Cabin thang máy là phần không gian trống trong thang máy, được giới hạn bởi 4 vách. Đây cũng là nơi dành cho người đứng hoặc đặt hàng hóa vào khi cần di chuyển lên xuống.
❖ Cấu tạo.
Theo cấu tạo cabin được chia thành hai phần: phần kết cấu chịu lực và các vách che.
Cabin, cần đến 8 bộ phận sau: Khung chịu lực cabin, bộ phận rail dẫn hướng cabin, sàn cabin, vách, nóc cabin, trần giả cabin và hệ thống bảng điều khiển trong cabin.
HÌNH 3. 2 Cabin
❖ Tính chọn cơng suất.
Với thiết kế nhỏ gọn và đơn giản nên nhóm em đã chọn động cơ điện một chiều có cơng suất nhỏ phù hợp.
Để nâng được thang máy có trọng lượng 2kg và khối lượng hàng hóa tối đa là 3 kg, ta có thể tính chọn được cơng suất của động cơ:
Khối lượng đối trọng là:
𝐺𝑑𝑡 = 𝐺𝑏𝑡 + α ∗ G = 2 + 0,5 *3 = 3,5 ( Kg).
Cơng suất tĩnh của động cơ khi có đối trọng là: Pcn = [ (Gbt + G)*1 η – Gdt* η)]*v*k*g = [ (2+3)* 1 0,8 – 3,5*0,8]*0,5*1,2*10 = 20,7 (W). Trong đó
• Gbt : Khối lượng của buồng thang máy(2kg).
• G : Khối lượng của hàng hóa (3kg).
• v : Tốc độ động cơ, m/s.
• η : Hiệu suất của cơ cấu nâng (thường lấy η = 0,5 ữ 0,8).
ã g : Gia tốc trọng trường, (chọn g=10 m/s2).
• k : Hệ số tính đến thanh hướng giữa thanh hướng và đối trọng.
Thiết kế và thi cơng mơ hình thang máy sử dụng PLC S7 1200
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Đoan Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân 40 Nguyễn Hồng Hòa
❖ Lựa chọn động cơ kéo cabin.
Nhằm giúp thang máy có thể làm việc ổn định và hoạt động tốt hết cơng suất đề ra, nhóm em quyết định chọn động cơ một chiều s8l25gt-e.
BẢNG 3. 1 Bảng thông số động cơ kéo cabin s8l25gt-e.
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp 3Ø 220 V Tần số 50 Hz Công suất 25 W Dịng khơng tải 0,28 A Kích thước 80 mm Tốc độ 1600 rpm Mô-men xoắn 0.16 (N-m) Mô-men xoắn bắt đầu 0.35 (N-m)
HÌNH 3. 3 Động cơ cabin kéo s8l25gt-e.
3.3.2 Cửa cabin.
❖ Khái niệm.
Cửa cabin là một trong những thành phần quan trọng nhất của thang máy, là nhân tố khơng thể thiếu trong việc đảm bảo an tồn và đảm bảo năng suất, chất lượng của thang máy. Hệ thống cửa cabin được thiết kế sao cho, khi cabin dừng lại ở tầng nào thì cửa sẽ tự động mở cửa ở buồng thang đó.
Cơng suất động cơ mở_đóng cửa: Pc = (𝐺)∗𝑣∗𝑔 𝑛 ∗ 10−3 = (1)∗0,3∗10 0.5 ∗ 10−3 = 0,006 (Kw) = 6 (𝑤). Trong đó :
• G: Khối lượng của cửa thang máy (1 kg).
• v: Tốc độ động cơ (v= 0,3 m/s).
• η: Hiệu suất của cơ cấu nâng (thường lấy η = 0,5 ữ 0,8).
ã g: Gia tốc trọng trường, (lấy g=10m/s2).
HÌNH 3. 4 Cửa cabin.
❖ Lựa chọn động cơ cửa cabin.
Động cơ giảm tốc đóng cửa của buồng thang .
Để động cơ có thể hoạt động ổn định và làm việc tối đa công suất 25 w, cũng như độ phổ biến của động cơ đã có hiện nay nhóm em quyết định chọn động cơ hoạt động cơ Gm8712j015-R3.
Thiết kế và thi cơng mơ hình thang máy sử dụng PLC S7 1200
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Đoan Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân 42 Nguyễn Hồng Hịa
Thơng số Giá trị Đơn vị
Điện áp 12 V Tần số 50 Hz Công suất 12 W Tốc độ 160 rpm Trọng lượng 900 g Lực kéo 2,5 Nm 3.3.3 Nguồn tổ ong. ❖ Khái niệm.
là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung.
❖ Chức năng.
Nguồn tổ ong được dùng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp và dân dụng như lắp đặt tủ điện, lắp đèn, camera giám sát, máy tính, loa đài...hoặc bất cứ thiết bị nào sử dụng nguồn một chiều có thơng số tương ứng. Nguồn tổ ong thường được dung trong các mạch ổn áp, cung cấp dòng áp đủ tránh trường hợp dòng ảnh hưởng tới mạch, sụt áp.
Bộ nguồn này có các cơng dụng nổi bật như chỉnh lưu, biến tần, nắn dòng,...nhằm làm dòng điện, điện áp, tần số dao động ổn định. Khơng những có vai trị quan trọng, nguồn tổ ong làm tăng tuổi thọ của các thiết bị điện lâu hơn.
❖ Lựa chọn nguồn.
Trong quá trình nghiên cứu về nguồn tuyến tính tạo ra các cấp điện áp một chiều, em nhận thấy việc sử dụng nguồn tuyến tích thường rất nặng, cồng kềnh và tốn nhiều thời gian cũng như linh kiện vì vậy em quyết định chọn nguồn tổ ong làm nguồn chính cho các linh kiện mơ hình.
Nguồn tổ ong 24VDC 5A.
HÌNH 3. 6 Nguồn tổ ong 24VDC 5A.
Thơng số Giá trị Đơn vị
Điện áp đầu vào 220 VAC Điện áp đầu ra 24 VDC
Công suất 120 W
Phạm vi điện áp đầu vào 85 ~ 132 / 180 ~ 264 VAC Điện áp ra điều chỉnh +/-10% V
Dòng ra 5 A
Kích thước 199 * 98 * 38 mm Trọng lượng 0,52 KG
Nguồn tổ ong 12VDC.
HÌNH 3. 7 Nguồn tổ ong 12VDC 2A.
BẢNG 3. 4 Thông số kỹ thuật cho nguồn tổ ong 12v:
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp đầu vào 220 VAC Điện áp đầu ra 12 VDC
Công suất 60 W
Phạm vi điện áp đầu vào 85 ~ 132 / 180 ~ 264 VAC Điện áp ra điều chỉnh +/-10% V Dòng ra 2 A Kích thước 100 * 50 * 38 mm Trọng lượng 0,3 KG 3.3.4 Nút nhấn. ❖ Khái niệm.
Thiết kế và thi cơng mơ hình thang máy sử dụng PLC S7 1200
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Đoan Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân 44 Nguyễn Hồng Hịa
Là một loại khí cụ điện dùng để chuyển đổi, đóng ngắt từ xa các mạch điều khiển hay thiết bị điện có cơng suất nhỏ.
Khi tác động vào nút nhấn, các tiếp điểm chuyển trạng thái, khi khơng cịn tác động, các tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu.
❖ Nguyên lý hoạt động.
Nút nhấn có ba phần: Bộ truyền động, các tiếp điểm cố định và các rãnh.
Bộ truyền động sẽ đi qua tồn bộ cơng tắc và vào một xilanh mỏng ở phía dưới. Bên trong là một tiếp điểm động và lị xo. Khi nhấn nút, nó chạm vào các tiếp điểm tĩnh làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm. Trong một số trường hợp, người dùng cần giữ nút hoặc nhấn liên tục để thiết bị hoạt động. Với các nút nhấn khác, chốt sẽ giữ nút bật cho đến khi người dùng nhấn nút lần nữa.
❖ Phân loại.
Có rất nhiều loại nút nhất trong thực tế lẫn quy mô công nghiệp, để phân loại người ta đã phân ra làm tiêu chí khác nhau để phân loại nút nhấn:
+ Theo cấu trúc: nút nhấn loại kín, loại hở, nút nhấn loại chống cháy nổ và loại kín nước, có đèn báo.
+ Theo cặp tiếp điểm: có 2 loại gồm nút nhấn một cặp tiếp điểm và hai cặp tiếp điểm.
+ Cịn theo cách dùng: có ba loại nút nhấn phổ biến: nút nhấn giữ, nút nhấn nhả và nút nhấn kiểu cảm ứng.
❖ Lựa chọn nút nhấn.
Thơng qua q trình tìm hiểu và nghiên cứu mơ hình, em quyết định chọn Nút nhấn nhả Schneider XB7NA42, 22mm làm linh kiện chính để điều khiển cho mơ hình.
BẢNG 3. 5 Thơng số kỹ thuật Schneider XB7NA42.
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp làm việc 24 VDC
Dòng điện định mức 5 A
3.3.5 Đèn báo.
❖ Khái niệm.
Đèn báo được hiểu là đèn chỉ thị được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực như trong các loại tàu thuỷ, máy móc thiết bị sản xuất, trong các tủ điện điều khiển, tủ điện phân phối. Đèn báo tuy có giá thành khơng cao nhưng đóng vai trị quan trọng trong hệ thống điện cơng nghiệp vì đèn báo giúp người sử dụng biết được trạng thái nguồn điện đang bật hay tắt, đèn báo trên thiết bị có vai trị thể hiện tình trạng hoạt động của thiết bị hay một hệ thống có bình thường hay đang bị lỗi.
❖ Chức năng của các loại đèn báo.
+ Đèn báo màu đỏ.
Đây là màu sắc thể hiện tình trạng báo động. Điều này có thể là do mạch diện đã xuất hiện vấn đề nguy hiểm và cần được xử lý ngay lập tức. Thường thì màu đỏ của đèn báo xuất hiện khi nhiệt độ quá cao, vượt qua mức an tồn. Khi đó, bộ phận quan trọng sẽ bị thiết bị bảo vệ cắt ra khỏi thiết bị.
+ Đèn báo màu vàng.
Màu sắc này là đèn báo đang cảnh báo trước. Điều này cho thấy đã có sự thay đổi khơng tốt hoặc các giá trị trong đó tiến dần đến mức giới hạn. Ở mức báo động này, nhiệt độ sẽ dần tiến ra khỏi mức bình thường. Tình trạng q tải có thể sẽ xuất hiện chỉ trong một thời gian ngắn.
+ Đèn báo màu xanh lá.
Màu xanh của đèn báo thể hiện hệ thống đang ở mức độ an toàn. Các chỉ báo vẫn đang trong mức ổn định và luôn sẵn sàng khởi động bất cứ lúc nào. Lúc này, hệ thống làm mát vẫn đang hoạt động tốt và khơng có tình trạng q nhiệt.
+ Đèn báo màu xanh dương.
Khi đèn báo xuất hiện màu xanh dương có nghĩa là hệ thống đang có hướng dẫn đặc biệt. Nó thể hiện khi có chứa năng khơng xuất hiện màu đỏ, vàng hay xanh lá nói trên. Khi đó, cơng tắc sẽ được chọn ở vị trí được đèn báo chỉ định.
+ Đèn báo màu trắng.
Thiết kế và thi cơng mơ hình thang máy sử dụng PLC S7 1200
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Đoan Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân 46 Nguyễn Hồng Hòa ❖ Phân loại. + Đèn báo pha. + Đèn báo hiệu. + Đèn báo nguồn. ❖ Lựa chọn đèn báo.
Ở đề tài này nhóm sử dụng 3 đèn báo đèn led 24V AD16-22DS màu sắc xanh dương, xanh lá, đỏ.
HÌNH 3. 9 Đèn báo.
BẢNG 3. 6 Thông số đèn led 24V AD16-22DS.
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp làm việc 24 VDC
Dòng điện tiêu thụ. <=20 mA Đường Kính 16 mm
3.3.6 Cơng tắc hành trình.
❖ Khái niệm.
Là dạng công tác dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động nào đó trong một cơ cấu hay một hệ thống. Nó có cấu tạo như cơng tác điện bình thường, vẫn có chức năng đóng và mở nhưng có thêm cần tác động để cho các bộ phận chuyển động tác động vào làm thay đổi trang thái của tiếp điểm bên trong nó. Cơng tắc hành trình sẽ khơng duy trì trạng thái, khi khơng có tác động nữa chúng sẽ trở về vị trí ban đầu .
Cơng tắc hành trình có tác dụng giống như nút ấn động tác ấn bằng tay được thay thế bằng động tác va chạm của các bộ phận cơ khí, làm cho q trình chuyển động cơ khi thành tín hiệu điện .
Trong mơ hình sử dụng cơng tắc hành trình dùng để đóng ngắt tiếp điểm điều khiển tín hiệu đầu vào PLC giúp nhận biết đóng mở cửa của thang máy .
HÌNH 3. 10 Cơng tắc hành trình.
3.3.7 Relay trung gian.
❖ Khái niệm.
Rơle là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển