đồ án tự động hóa 1 đề tài nghiên cứu về thang máy và thiết kế mô phỏng hệ thống điều khiển cho thang máy trong tòa nhà

Hệ thống điều khiển thang máy là một hệ thống phức tạp, bao gồm nhiều thiết bị và bộ phận khác nhau.. Nó có nhiệm vụ điều khiển các hoạt động của thang máy, đảm bảo cho thang máy hoạt độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢIKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Mở đầu

Thang máy là một thiết bị vận chuyển quan trọng trong các tòa nhà cao tầng Nó giúp cho việc di chuyển của con người và hàng hóa trở nên thuận tiện và nhanh chóng Hệ thống điều khiển thang máy là một hệ thống phức tạp, bao gồm nhiều thiết bị và bộ phận khác nhau Nó có nhiệm vụ điều khiển các hoạt động của thang máy, đảm bảo cho thang máy hoạt động an toàn và hiệu quả.

Trong những năm gần đây, với sự phát triển của công nghệ, hệ thống điều khiển thang máy đã có những thay đổi đáng kể Các hệ thống điều khiển hiện đại sử dụngcác công nghệ tiên tiến như vi xử lý, điều khiển tự động, nhằm nâng cao hiệu suất và độ an toàn của thang máy.

Nghiên cứu về thang máy và thiết kế mô phỏng hệ thống điều khiển cho thang máytrong tòa nhà là một đề tài có ý nghĩa thực tiễn Nó giúp nâng cao hiểu biết của chúng ta về thang máy, đồng thời góp phần phát triển các hệ thống điều khiển thang máy hiện đại, an toàn và hiệu quả hơn.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài này là:

 Nghiên cứu tổng quan về thang máy và hệ thống điều khiển thang máy.

 Thiết kế mô phỏng hệ thống điều khiển thang máy trong tòa nhà.

 Phân tích và đánh giá hiệu quả của mô phỏng.

Về các thông số chi tiết:

 Thang máy chở người

Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, đề tài sẽ sử dụng các phương pháp sau:

 Nghiên cứu tài liệu: Thu thập và phân tích các tài liệu, sách báo, luận văn, liên quan đến thang máy và hệ thống điều khiển thang máy.

 Phỏng vấn chuyên gia: Phỏng vấn các chuyên gia về thang máy để thu thập thông tin và ý kiến.

 Thiết kế mô phỏng: Sử dụng các phần mềm chuyên dụng để thiết kế mô phỏng hệ thống điều khiển thang máy.

 Phân tích và đánh giá: Phân tích và đánh giá hiệu quả của mô phỏng thông qua các tiêu chí như độ chính xác, tính ổn định,

Nội dung nghiên cứu

Đề tài sẽ được chia thành các nội dung chính sau:Chương 1: Yêu cầu công nghệ

Chương 2: Tính chọn thiết bị và phương án thực hiệnChương 3: Mô tả hệ thống

Chương 4: Lập trình điều khiên

Chương 5: Thuyết minh và trình bày nguyên lý làm việc

Kết luận

Thang máy là một thiết bị quan trọng trong các tòa nhà cao tầng Hệ thống điều khiển thang máy là một hệ thống phức tạp, bao gồm nhiều thiết bị và bộ phận khác nhau Nghiên cứu về thang máy và thiết kế mô phỏng hệ thống điều khiển cho thang máy trong tòa nhà là một đề tài có ý nghĩa thực tiễn Nó giúp nâng cao hiểu biết của chúng ta về thang máy, đồng thời góp phần phát triển các hệ thống điều khiển thang máy hiện đại, an toàn và hiệu quả hơn.

Chương 1: Yêu cầu công nghệ

I Phân loại, cấu tạo và các bước lắp đặt thang máy1.1 Yêu cầu cơ bản

Thang máy là một thiết bị vận chuyển quan trọng trong các tòa nhà cao tầng Nógiúp cho việc di chuyển của con người và hàng hóa trở nên thuận tiện và nhanhchóng Tuy nhiên, thang máy cũng là một thiết bị có thể gây nguy hiểm nếu khôngđược lắp đặt và vận hành đúng cách.

Các yêu cầu lắp đặt thang máy được quy định trong các tiêu chuẩn Việt Nam nhưTCVN 6396-28:2013, TCVN 5744: 1993, TCVN 5866: 1995, TCVN 6904:2001,

Để đảm bảo an toàn cho người sử dụng, thang máy cần phải đáp ứng các yêu cầukỹ thuật sau:

 Yêu cầu về lắp đặt thang máy

 Yêu cầu về lắp đặt các thiết bị trong thang máy

 Yêu cầu về thiết kế

 Yêu cầu về vận hành

1.2 Phân loại thang máy

Phân loại theo công dụng:

 Thang máy chở khách trong các nhà cao tầng

 Thang máy chở hàng có người điều khiển

 Thang máy vừa chở khách vừa chở hang

Phân loại theo tốc độ di chuyển của buồng thang:

 Thang máy chạy chậm : v = 0,5 ÷ 0,65m/s

 Thang máy tốc độ trung bình : v = 0,75 ÷ 1,5m/s

 Thang máy tốc độ cao : v = 2,5 ÷ 5m/s

Phân loại theo tải trọng:

 Thang máy loại nhỏ : Q < 160kg

 Thang máy loại trung bình : Q = 500 ÷ 2000kg

 Thang máy loại lớn : Q > 2000kg

Ở đây, đề tài đưa ra các thông số về tốc độ = 2.5m/s, tải trọng = 1100kg, khoảngcách di chuyển = 30 tầng (khoảng 105m với chiều cao mỗi tầng là 3,5m và 135mvới chiều cao mỗi tầng là 4,5m) Như vậy dựa vào phân loại thấy rằng thang máysử dụng trong đề tài là thang máy chở người loại trung bình tốc độ cao.

1.3 Cấu tạo và các bộ phận thường được sử dụng trong lắp đặt thang máy

Về kết cấu cơ khí, thang máy thuộc loại máy cơ cấu nâng có dây cáp 2 đầu Đểđảm bảo an toàn cho hành khách và thiết bị thang máy được trang bị phanh hãm cơđiện, ngoài ra ở buồng thang có trang bị bộ phanh bảo hiểm (phanh dù) Phanh bảohiểm này có nhiệm vụ giữ buồng thang tại chỗ khi xảy ra sự cố đứt cấp, mất điệnvà khi tốc độ di chuyển vượt quá 20 ÷ 40% tốc độ định mức.

Ngoài truyền động nâng hạ buồng thang ( truyền động chính theo phương thẳngđứng) ở thang máy còn có một truyền động phụ ( là chuyên động mở cửa buồngthang) Truyền động này có một động cơ lồng sóc kéo qua một hệ thống tay đòn.

Thang máy thường được thiết kế dựa trên 9 bộ phận tiêu chuẩn Cấu tạo của thangmáy có thể thay đổi tùy theo loại thang máy và tải trọng của thang máy Tuy nhiên,các bộ phận chính của thang máy vẫn được giữ nguyên gồm có:

 Hố thang và phòng máy

Hố thang là phần nằm phía dưới cabin, được xây dựng trong tòa nhà Phòng máy làphần nằm phía trên cabin, chứa các thiết bị thang máy như động cơ, hộp số, hệthống điều khiển,

 Ray dẫn hướng

Ray dẫn hướng là hệ thống thanh kim loại được lắp đặt trong hố thang, giúp cabindi chuyển lên xuống Ray dẫn hướng phải được lắp đặt đúng vị trí, đảm bảo độthẳng và độ cứng.

 Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển là hệ thống điện tử giúp điều khiển hoạt động của thang máy.Hệ thống điều khiển phải được thiết kế và lắp đặt đúng kỹ thuật, đảm bảo an toàncho người sử dụng.

 Các thiết bị an toàn

Các thiết bị an toàn là các thiết bị giúp đảm bảo an toàn cho người sử dụng trongtrường hợp khẩn cấp Các thiết bị an toàn bao gồm: bàn đạp khẩn cấp, chuông báođộng, nút gọi khẩn cấp, cửa cabin, thiết bị hãm, thiết bị chống trôi, thiết bị chốngkẹt, …

Các bước lắp đặt:

Bước 1: Chuẩn bị hố thang và phòng máyBước 2: Lắp đặt ray dẫn hướng

Bước 3: Lắp đặt cabin và đối trọngBước 4: Lắp đặt hệ thống điều khiểnBước 5: Lắp đặt thiết bị an toànBước 6: Nghiệm thu thang máy

II Yêu càu công nghệ2.1 Hoạt động của thang máy

Thang máy hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng trọng lực Cabin thang máyđược gắn với đối trọng bằng hệ thống cáp hoặc dây curoa Đối trọng là một khốivật nặng, được treo ở phía dưới cabin Khi thang máy đi lên, đối trọng đi xuống vàngược lại Điều này giúp giảm thiểu lực cần thiết để nâng cabin.

Hoạt động của thang máy diễn ra như sau:

1 Khi hành khách nhấn nút gọi thang, tín hiệu sẽ được truyền đến phòng điềukhiển.

2 Phòng điều khiển sẽ xác định vị trí cabin hiện tại và vị trí cần đến.

3 Phòng điều khiển sẽ gửi tín hiệu đến động cơ, điều khiển cabin di chuyểnđến vị trí cần đến.

4 Khi cabin đến vị trí cần đến, cửa thang sẽ mở ra.5 Hành khách ra vào cabin.

6 Khi hành khách nhấn nút đóng cửa, cửa thang sẽ đóng lại.7 Động cơ sẽ kéo cabin di chuyển lên hoặc xuống.8 Khi cabin đến vị trí cần đến, cửa thang sẽ mở ra.9 Hành khách ra khỏi cabin.

2.2 Bảng điều khiển

Bảng điều khiển thang máy là một thiết bị quan trọng, giúp điều khiển hoạt độngcủa thang máy Đây là thiết bị điện tử được lắp đặt bên trong cabin và giữa cáctầng Bảng điều khiển có các nút bấm để hành khách yêu cầu thang máy di chuyểnđến các tầng khác nhau.

Bảng điều khiển thang máy thường có các loại sau:

 Bảng điều khiển cơ: sử dụng các nút bấm cơ học để yêu cầu thang máy dichuyển.

 Bảng điều khiển điện tử: sử dụng các nút bấm điện tử để yêu cầu thang máydi chuyển.

Tùy thuộc vào loại bảng điều khiển, quá trình truyền tín hiệu có thể khác nhau.

 Với bảng điều khiển cơ, các nút bấm được kết nối trực tiếp với bộ điều khiển Khi hành khách nhấn nút bấm, bộ điều khiển sẽ nhận được tín hiệu trực tiếp.

 Với bảng điều khiển điện tử, các nút bấm được kết nối với một mạch điện tử.Khi hành khách nhấn nút bấm, mạch điện tử sẽ tạo ra một tín hiệu điện Tín hiệu điện này sẽ được truyền đến bộ điều khiển.

2.3 Sơ đồ công nghệ và đặt biến logic cho hệ thống

a Các tín hiệu vào :

Tín hiệu đi lên :

a : Tín hiệu thang máy đi lên tầng 2 với vận tốc V1 b : Tín hiệu thang máy đi lên tầng 2 với vận tốc V2 c : Tín hiệu thang máy đi lên tầng 2 với vận tốc V1 d : Tín hiệu thang máy đi xuống tầng 1 với vận tốc V1

Tín hiệu đi xuống :

c : Tín hiệu thang máy đi xuống tầng 1 với vận tốc V2 b : Tín hiệu thang máy đi xuống tầng 1 với vận tốc V1

Và đồng thời tín hiệu ‘a’ kết hợp với thiết bị khác cho phép thang máy dừng ở tầng2 cũng như ‘d’ kết hợp với thiết bị khác cho thang máy dừng ở tầng 1

Như vậy hệ thống có 4 tín hiệu vào, tất cả các tín hiệu này ta đều chọn là tín hiệucủa các công tắc hành trình Giá trị logic của tín hiệu là ‘1’ thì tín hiệu hoạt động,ngược lại giá trị logic là ‘0’ thì tín hiệu đó không hoạt động Nghĩa là nếu a = 1 thì thang máy hoạt động và ngược lại.

Chương 2: Tính chọn thiết bị và phương án thực hiện

I Chọn động cơ và bộ biến đổia) Động cơ

Để đáp ứng được tải trọng 1100kg, khoảng cách di chuyển là 30 tầng và tốc độ 2.5m/s của thang máy Ta sử dụng động cơ Mitsubishi MRL-E1350 có công suất 13.5kW Động cơ này có hộp số giúp tăng mô-men xoắn, giúp thang máy di chuyển êm ái, ổn định Động cơ có tuổi thọ cao, độ bền cao.

Thông số kỹ thuật của động cơ Mitsubishi: MRL-E1350:+ Loại động cơ: Động cơ có hộp số

+ Tải trọng tối đa: 1100kg+ Chiều cao di chuyển tối đa: 100m+ Tốc độ tối đa: 2,5m/s

+ Công suất tối đa: 13.5kW+ Điện áp nguồn: 380V+ Tần số nguồn: 50Hz+ Cách lắp đặt: Chân đế

Ưu điểm của động cơ Mitsubishi: MRL-E1350:

 Động cơ có công suất lớn, đáp ứng được tải trọng và tốc độ di chuyển củathang máy

 Động cơ có hộp số giúp tăng mô-men xoắn, giúp thang máy di chuyển êmái, ổn định

 Động cơ có tuổi thọ cao, độ bền cao

Nhược điểm của động cơ Mitsubishi: MRL-E1350:

 Động cơ có kích thước lớn, trọng lượng nặng

 Động cơ có giá thành cao

+ Dòng kích từ: 2-60A + Khả năng quá tải: 200%

+ Bảo vệ quá dòng, quá tải, lỗi hồi tiếp tốc độ,….

+ Các giao diện kết nối:

II Chọn các thiết bị bảo vệ mạch lực

 Rơle dòng điện RTT bảo vệ mất từ thông

Cách chọn : I rơle ≥ 20 I ktđm

Động cơ Mitsubishi MRL-E1350 có dòng kích từ định mức là 1.2A nên ta sử dụngrơ le loại T521/10 Rơ le T521/10 là rơ le điện từ có tiếp điểm thường mở, được sửdụng trong các ứng dụng điều khiển điện.

Các thông số kỹ thuật của rơ le T521/10:+ Điện áp nguồn: 220V

+ Dòng điện định mức: 10A+ Khả năng chịu quá tải: 15A+ Khả năng chịu điện áp ngược: 400V

III Chọn các thiết bị mạch điều khiển Chọn aptomát 2AT:

điện khỏi quá tải và ngắn mạch Các thông số của aptomat:

+ Loại aptomat: MCB+ Dòng định mức: 16A+ Điện áp định mức: 230V

 Chọn các Côngtactơ 1K, 2K :

Vì các Côngtactơ này không chỉ đóng cắt các tiếp điểm trên mạch điều khiển màcòn đóng cắt các tiếp điểm trên mạch lực cho nên phải chọn các Côngtactơ chịuđược dòng lớn, nếu không các tiếp điểm trên mạch lực của các Côngtactơ có thể bịphá hỏng Như vây các tiếp điểm của chúng phải chụi được dòng định mức củađộng cơ mà không bị phá hỏng hay bị phóng điện và còn phải chịu được dòng khiđộng cơ khởi động

Để đảm bảo an toàn thì dòng thường được chọn theo dòng điện ngắn mạch : I nm = 980A

Từ đó ta chọn côngtắctơ KTD32 do hãng Omron chế tạo :Các thông số kĩ thuật :

+ Điện áp đầu ra : 220/380V + Điện áp điều khiển : 220V AC + Dũng điện định mức : 95A + Dũng điện cực đại : 1000 A + Có 3 tiếp điểm chính thường mở + Có 2 tiếp điểm phụ 1 đóng 1 mở + Cụng suất 28.5 W

+ Tần số đóng cắt 300 lần/giờ

 Chọn các Côngtactơ 1G, 2G :

Vì các Côngtactơ này chỉ đóng cắt các tiếp điểm trên mạch phân áp nên không yêucầu cao về mặt bảo vệ điện học Từ đó ta chọn côngtắctơ KTD12 do hóng Omronchế tạo

Các thông số kĩ thuật :

+ Điện áp đầu ra : 220/380V + Điện áp điều khiển : 220V AC.+ Dòng điện định mức : 10A + Dòng điện cực đại : 100 A + Có 3 tiếp điểm chính thường mở + Có 2 tiếp điểm phụ 1 đóng 1 mở + Công suất 28.5W

+ Tần số đóng cắt 300 lần/giờ

 Chọn rơle trung gian 1RT, 2RT, 3RT, 4RT, 5RT :

Do các rơle trung gian đều và các tiếp điểm của chúng đều được lắp ở mạch điềukhiển, do đó ta có thể chọn các rơle trung gian có dòng không quá 10A và điện áplà 220 V một chiều Để thuận tiện cho việc mua sắm và sửa chữa ta chọn các rơletrung gian đều giống nhau Chọn loại EOCR-SS1 90 của hãng Technique

Các thông số kĩ thuật : + Điện áp Uđm = 220V

+ Dòng điện định mức : 10A + Dòng điện cực đại : 100 A + Có 4 tiếp điểm thường mở + Có 4 tiếp điểm thường đóng + Công suất 250 W

II Sử dụng lưu đồ thuật toán

Lưu đồ bắt đầu bằng việc kiểm tra xem thang máy có đang hoạt động hay không.Nếu không, thang máy sẽ được khởi động bằng cách bật nguồn và cho phép độngcơ hoạt động.

Khi thang máy đang hoạt động, nó sẽ liên tục kiểm tra các tín hiệu đầu vào từ cácnút gọi tầng, nút dừng khẩn cấp và các cảm biến khác Nếu có tín hiệu gọi tầng,thang máy sẽ di chuyển đến tầng đó Nếu có tín hiệu dừng khẩn cấp, thang máy sẽdừng ngay lập tức.

Khi thang máy đến tầng, nó sẽ mở cửa và cho phép hành khách lên hoặc xuống.Khi hành khách đã lên hoặc xuống, cửa sẽ đóng lại và thang máy sẽ tiếp tục dichuyển.

Lưu đồ này bao gồm các bước bổ sung để kiểm soát cửa thang máy Khi thangmáy đang mở cửa, nó sẽ liên tục kiểm tra các cảm biến an toàn để đảm bảo rằngcửa đang mở an toàn Nếu có vấn đề với cửa, thang máy sẽ dừng ngay lập tức.

 Lưu đồ thuật toán điều khiển thang máy

 Hình trên là lưu đồ điều khiển cửa thang máy

 Bảng symbol

III Sử dụng lưu đồ MooreTrạng thái:

người sử dụng.

tầng cao hơn.

 Di chuyển xuống (Moving Down): Thang máy đang di chuyển xuống từtầng cao xuống tầng thấp hơn.

Yêu cầu sự kiện:

tầng cao hơn.

chuyển xuống tầng thấp hơn.

hoặc xuống.

bước vào hoặc ra khỏi thang máy.

Bảng chuyển đổi trạng thái:

Khi ở trạng thái Chờ đón và nhận yêu cầu lên, chuyển sang trạng thái Di chuyểnlên.

Khi ở trạng thái Chờ đón và nhận yêu cầu xuống, chuyển sang trạng thái Di chuyểnxuống.

Khi ở trạng thái Di chuyển lên và đến tầng yêu cầu, chuyển sang trạng thái Dừnglại.

Tương tự, khi ở trạng thái Di chuyển xuống và đến tầng yêu cầu, chuyển sangtrạng thái Dừng lại.

Trạng thái Dừng lại có thể chuyển sang Chờ đón khi có yêu cầu mới.

- Nếu cửa thang máy vẫn mở do lỗi cửa, thang máy sẽ không khởi động.

- Hướng chuyển động của động cơ thang máy thay đổi tự động theo vị trí của thangmáy.

- Không có hệ thống gọi thang máy.Nếu thang máy ở dưới:

1 Đóng cửa.

2 Bật quạt thang máy và kiểm tra cửa đã đóng.3 Chọn hướng chuyển động của động cơ lên trên.4 Bật động cơ và đi lên.

5 Kiểm tra vị trí tầng trên cùng.6 Tắt quạt thang máy và động cơ.7 Mở cửa.

Nếu thang máy ở trên:1 Đóng cửa.

2 Bật quạt thang máy và kiểm tra cửa đã đóng.3 Chọn hướng chuyển động của động cơ xuống dưới.4 Bật động cơ và đi xuống.

5 Kiểm tra vị trí tầng dưới cùng.6 Tắt quạt thang máy và động cơ.7 Mở cửa.

Dưới đây mô tả hoạt động của tín hiệu đầu vào và đầu ra :

Code VHDL cho chương trình điều khiển thang máy:

library IEEE;

use IEEE.std_logic_1164.all;use IEEE.std_logic_arith.all;use IEEE.std_logic_unsigned.all;

#Dòng này khai báo các thư viện và gói chuẩn của IEEEcho ngôn ngữ VHDL, bao gồm các chuẩn liên quan đếnlogic số và phép toán.

entity lift_ctr is

port ( button: in STD_LOGIC;clk: in STD_LOGIC;

dco_s: in STD_LOGIC;go_down: in STD_LOGIC;go_up: in STD_LOGIC;dco: out STD_LOGIC;fan: out STD_LOGIC;motor: out STD_LOGIC;motor_dir: out STD_LOGIC);end lift_ctr;

# Định nghĩa entity (thực thể) của bộ điều khiển thangmáy với các đầu vào (button, clk, dco_s, go_down,go_up) và các đầu ra (dco, fan, motor, motor_dir).

architecture lift_ctr_arch of lift_ctr is#Bắt đầu mô tả kiến trúc của entity lift_ctr.

attribute enum_encoding: string;

type State_type is (Ground, starting_up,going_up, Top, starting_down,

signal State: State_type;

# Định nghĩa một kiểu dữ liệu có tên là State_type vớicác trạng thái có thể của thang máy.

Sử dụng thuộc tính enum_encoding để xác định mã hóa chokiểu State_type.

Tạo một tín hiệu State kiểu State_type để lưu trạngthái hiện tại của thang máy.

State_machine: process (clk)begin

if clk'event and clk = '1' thbbbencase State is

when Ground =>dco <= '0';fan <= '0';