Đề tài Ứng dụng PLC vào hệ thống điều khiển thang máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA: ĐIỆN BỘ MÔN: TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Cán bộ hướng dẫn: TS. Đỗ Trung Hải Người thiết kế: Lê Hữu Thành Năm 2010 Lời Nói Đầu Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy tính, đã cho ra đời các thiết bị điều khiển số như: CNC, PLC .. . Các thiết bị này cho phép khắc phục được rất nhiều các nhược điểm của hệ thống điều khiển trước đó, và đáp ứng được yêu cầu kinh tế và kỹ thuật trong sản xuất. Với sự phát triển của khoa học công nghệ như hiện nay, thì việc ứng dụng thiết bị logic khả trình PLC để tự động hóa quá trình sản xuất, nhằm mục tiêu tăng năng xuất lao động, giảm sức người, nâng cao chất lượng sản phẩm đang là một vấn đề cấp thiết và có tính thời sự cao. Là sinh viên của chuyên ngành Tự Động Hoá. Sau những tháng năm học hỏi và tu dưỡng tại Trường Đại học Kỹ Thuật Công nghiệp, em được giao đề tài tốt nghiệp: Ứng dụng PLC vào hệ thống điều khiển Thang Máy. Nhằm mục đích tìm hiểu nghiên cứu ứng dụng của bộ điều khiển PLC trong hệ thống điều khiển của Thang Máy. Đối tượng đồ án đề cập đến là Thang máy cho nhà cao tầng, đây là thiết bị vân tải có yêu cầu tự động hóa cao với việc sử dụng thiết bị điều khiển PLC. Trong đồ án này em chỉ tập trung đi sâu vào công việc chính là sử dụng ngôn ngữ lập trình Step 7- Micro/win cho bộ PLC SIMATIC S7 - 200 của hãng SIEMENS (Đức) để điều khiển thang máy cho nhà 7 tầng. Trong quá trình tiến hành làm đồ án, mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn TS. Đỗ Trung Hải và bản thân em đã cố gắng tham khảo tài liệu và tìm hiểu thực tế về Thang Máy, nhưng do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Do đó, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quí báu của các thầy cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của giáo viên hướng dẫn TS. Đỗ Trung Hải đã giúp đỡ em rất nhiều để em hoàn thành được đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, ngày 25 tháng 05 năm 2010 Sinh viên thiết kế Lê Hữu Thành Phần 1 TÌM HIỂU VỀ THANG MÁY 1.1 – GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THANG MÁY 1.1.1- Khái niệm chung về thang máy Thang máy là một thiết bị chuyên dùng để vận chuyển người, hàng hoá, vật liệu v.v... theo phương thẳng đứng hoặc nghiêng một góc nhỏ hơn 150 so với phương thẳng đứng theo một tuyến đã định sẵn. Hình 1.1 : Hình dáng tổng thể của thang máy. Thang máy thường được dùng 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... Đặc điểm vận chuyển bằng thang máy so với các phương tiện vận chuyển khác là thời gian của một chu kỳ vận chuyển bé, tần suất vận chuyển lớn, đóng mở máy liên tục. Ngoài ý nghĩa vận chuyển, thang máy còn là một trong những yếu tố làm tăng vẻ đẹp và tiện nghi của công trình. Nhiều quốc gia trên thế giới đã quy định, đối với các nhà cao 6 tầng trở lên đều 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. Giá thành của thang máy trang bị cho công trình so với tổng giá thành của công trình chiếm khoảng 6% đến 7% là hợp lý. Đối với những công trình đặc biệt như bệnh viện, nhà máy, khách sạn v.v. tuy nhiên số tầng nhỏ hơn 6 nhưng do yêu cầu phục vụ vẫn phải được trang bị thang máy. Với các nhà nhiều tầng có chiều cao lớn thì việc trang bị thang máy là bắt buộc để phục vụ việc đi lại trong nhà. Nếu vấn đề vận chuyển người trong những toà nhà này không được giải quyết thì các dự án xây dựng các toà nhà cao tầng không thành hiện thực. Thang máy là một thiết bị vận chuyển đòi hỏi tính an toàn nghiêm ngặt, nó liên quan trực tiếp đến tài sản và tính mạng con người. Vì vậy, yêu cầu chung đối với thang máy khi thiết kế, chế tạo, lắp đặt, vận hành, sử dụng và sửa chữa là phải tuân thủ một cách nghiêm ngặt các yêu cầu về kỹ thuật an toàn được quy định trong các tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm. Thang máy chỉ có cabin đẹp, sang trọng, thông thoáng, êm dịu thì chưa đủ điều kiện để đưa vào sử dụng mà phải có đầy đủ các thiết bị an toàn, đảm bảo độ tin cậy như: Điện chiếu sáng dự phòng khi mất điện, điện thoại nội bộ (Interphone), chuông báo, bộ hãm bảo hiểm, an toàn cabin (đối trọng), công tác an toàn của cabin, khóa an toàn cửa tầng, bộ cứu hộ khi mất điện nguồn... 1.1.2 - Phân loại thang máy Thang máy hiện nay đã được thiết kế và chế tạo rất đa dạng, với nhiều kiểu và nhiều loại khác nhau để phù hợp với mục đích sử dụng của từng loại công trình. Có thể phân loại thang máy theo các nguyên tắc và đặc điểm sau: 1.1.2.1 - Phân loại theo chức năng: Thang máy chở người: - Thang máy chở người trong các nhà cao tầng: Có tốc độ chậm hoặc trung bình, đòi hỏi vận hành êm, yêu cầu an toàn cao và có tính mỹ thuật. - Thang máy dùng trong các bệnh viện: Đảm bảo tuyệt đối an toàn, tối ưu về tốc độ di chuyển và có tính ưu tiên đáp ứng đúng các yêu cầu của bệnh viện. - Thang máy dùng trong các hầm mỏ, xí nghiệp: Đáp ứng được các điều kiện làm việc nặng nề trong công nghiệp như tác động môi trường về độ ẩm, nhiệt độ, thời gian làm việc, ăn mòn. .. Thang máy chở hàng: Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, ngoài ra nó còn được dùng trong nhà ăn, thư viện. .. Loại này có đòi hỏi cao về việc dừng chính xác cabin để đảm bảo hàng hoá lên xuống dễ dàng, tăng năng suất lao động. 1.1.2.2 - Phân loại theo tốc độ di chuyển: Thang máy tốc độ chậm v = 0,5 m/s: Hệ truyền động cabin thường sử dụng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc hoặc dây quấn, yêu cầu về dừng chính xác không cao. Thang máy tốc độ trung bình v = (0,75 ¸ 1,5) m/s: Thường sử dụng trong các nhà cao tầng, hệ truyền động cabin là truyền động một chiều. Thang máy cao tốc v = (2,5 ¸5) m/s: Sử dụng hệ truyền động một chiều hoặc truyền động bộ biến tần - động cơ xoay chiều ba pha, hệ thống điều khiển sử dụng các phần tử cảm biến phi tiếp điểm, các phần tử điều khiển lôgic, các vi mạch cỡ lớn lập trình được hoặc các bộ vi xử lý. 1.1.2.3 - Phân loại theo trọng tải: Thang máy loại nhỏ Q < 160kG. Thang máy trung bình Q = 500 ¸ 2000kG. Thang máy loại lớn Q > 2000 kG. 1.1.3 – Cấu Tạo Thang Máy Kết cấu cơ khí của thang máy được giới thiệu trên hình vẽ 1.2. Hố giếng của thang máy Là khoảng không gian từ mặt sàn tầng trệt cho đến đáy giếng. Để nâng hạ buồng thang người ta dùng động cơ 9. Động cơ 9 được nối trực tiếp với cơ cấu nâng hoặc qua hộp giảm tốc. Nếu nối trực tiếp buồng thang được nâng qua puli quấn cáp. Nếu nối gián tiếp thì giữa puli quấn cáp và động cơ lắp hộp giảm tốc. Cabin 1 được treo lên puli quấn cáp kim loai 8 ( thương dùng từ 1 dến 4 sợi cáp). Buồng thang luôn được giữ theo phương thẳng đứng nhờ có ray dẫn hướng 3 và những con trượt dẫn hướng 2 ( con trượt là loại puli có bọc cao su bên ngoài). Buồng thang và dối trọng di chuyển dọc theo chiều cao của thành giếng theo các thanh dẫn hướng 6. 1. Cabin 2. Con trượt dẫn hướng Cabin 3. Ray dẫn hướng Cabin 4. Thanh kẹp tăng cáp 5. Cụm đối trọng 6. Ray dẫn hướng đối trọng 7. ụ dẫn hướng đối trọng 8. Cáp tải 9. Cụm máy 10. Cửa xếp Cabin 11. Chêm chống rơi 12. Cơ cấu chống rơi 13. Giảm chấn 14. Thanh đỡ 15. Kẹp ray Cabin 16. Gá ray Cabin 17. Bu lông bắt gá ray 18. Gá ray đối trọng 19. Kẹp ray đối trọng Hình 1.2: Kết cấu cơ khí của thang máy. 1.1.4 – Chức nămg của một số bộ phận trong Thang máy 1.1.4.1 - Cabin: Là một phần tử chấp hành quan trọng nhất trong thang máy , nó sẽ là nơi chứa hàng , chở người đến các tầng , do đó phải đảm bảo các yêu cầu đề ra về kích thước, hình dáng , thẩm mỹ và các tiện nghi trong đó. Hoạt động của cabin là chuyển động tịnh tiến lên xuống dựa trên đường trượt, là hệ thống hai dây dẫn hướng nằm trong một phẳng để đảm bảo chuyển động êm nhẹ , chính xác không dung dật trong cabin trong quá trình làm việc. Để đảm bảo cho cabin hoạt động đều cả trong quá trình lên và xuống , có tải hay không có tải người ta xử dụng một đối trọng có chuyển động tịnh tiến trên hai thanh khác đồng phẳng giống như cabin nhưng chuyển động ngược chiều với cabin do cáp được vắt qua puli kéo. Do trọng lượng của cabin và trọng lượng của đối trọng đã được tính toán tỷ lệ và kỹ lưỡng cho nên mặc dù chỉ vắt qua puli kéo cũng không xảy ra hiện tượng trượt trên pulicabin,hộp giảm tốc đối trọng tạo nên một cơ hệ phối hợp chuyển động nhịp nhàng do phần khác điều chỉnh đó là động cơ. 1.1.4.2 - Động cơ: Là khâu dẫn động hộp giảm tốc theo một vận tốc quy định làm quay puli kéo cabin lên xuống. Động cơ được sử dụng trong thang máy là động cơ 3 pharôto dây quấn hoặc rôto lồng sóc , vì chế độ làm việc của thang máy là ngắn hạn lặp lại cộng vớiyêu cầu sử dụng tốc độ, momen động cơ theo một dải nào đó cho đảm bảo yêu cầu về kinh tế và cảm giác của người đi thang máy.Độngcơ là một phần tử quan trọng được điều chỉnh phù hợp với yêu cầu nhờ một hệ thống điện tử ở bộ xử lý trung tâm. 1.1.4.3 - Phanh: Là khâu an toàn , nó thực hiện nhiệm vụ giữ cho cabin đứng im ở các vị trí dừng tầng, khối tác động là hai má phanh sẽ kẹp lấy tang phanh, tang phanh gắn gắn đồng trục với trục động cơ. Hoạt động đóng mở của phanh được phối hợp nhịp nhàng với quá trình làm việc của đông cơ. 1.1.4.4 - Động cơ mở cửa: Là động cơ một chiều hay xoay chiều tạo ra momen mở cửa cabin kết hợp với mở cửa tầng . Khi cabin dừng đúng tầng , rơle thời gian sẽ đóng mạch điều khiển động cơ mở cửa tầng hoạt động theo một quy luật nhất định sẽ đảm bảo quá trình đóng mở êm nhẹ không có va đập. Nếu không may một vật gì đó hay người kẹp giữa cửa tầng đang đòng thì cửa sẽ mở tự động nhờ bộ phận đặc biệt ở gờ cửa có găn phản hồi với động cơ qua bộ xử lý trung tâm. 1.1.4.5 - Cửa: Gồm cửa cabin và cửa tầng . Cửa cabin để khép kín cabin trong quá trình chuyển động không tạo ra cảm giác chóng mặt cho khachs hàng và ngăn không cho rơi khỏi cabin bất cứ thứ gì. Cửa tầng để che chắn bảo vệ toàn bộ giếng thang và các thiết bọi trong đó . Cửa cabin và cửa tầng có khoá tự động để đảm bảo đóng mở kịp thời. 1.1.4.6 - Bộ hạn chế tốc độ : Là bộ phận an toàn khi vận tốc thay đổi do một nguyên nhân nào đó vượt quá vạn tốc cho phép , bộ hạn chế tốc độ sẽ bật cơ cấu khống chế cắt điều khiển động cơ và phanh làm việc. Các thiết bị phụ khác: như quạt gió, chuông điện thoại liên lạc , các chỉ thị số báo chiều chuyển động… được lắp đặt trong cabin để tạo ra cho khách hàng một cảm giác dễ chịu khi đi thang máy. 1.2 - YÊU CẦU VỀ AN TOÀN TRONG ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY Thang máy là thiết bị chuyên dùng để chở người, chở hàng từ độ cao này đến độ cao khác. Vì vậy vẫn đề an toàn cho người sử dụng luôn ®­îc ®Æt lªn hµng ®Çu. Để đảm bảo an toàn cho người và thang máy ta bố trí một loạt các thiết bị giám sát hoạt động của thang máy nhằm phát hiện và sử lí sự cố một cách nhanh nhất. Trong thực tế, khi thiết kế truyền động cho thang máy phải phối hợp bảo vệ cả phần cơ và phần điện, kết hợp nhiều loại bảo vệ. Chẳng hạn, khi cấp điện cho động cơ kéo cabin thì cũng cấp điện luôn cho động cơ phanh, làm nhả các má phanh kẹp vào ray dẫn hướng. Khi đó cabin mới có thể chuyển động được. Khi mất điện, động cơ phanh không mất điện, các má phanh kẹp sẽ tác động vào trục động cơ làm động cơ không quay được giữ cho cabin không rơi. 1.2.1 – Yêu cầu an toàn của thang máy khi mất điện hoặc đứt cáp Kết quả nghiên cứu đã đưa ra, một hệ truyền động hiện đại có đầy đủ các chế độ thực hiện khi mất điện và việc đóng cắt chuyển nguồn cho an toàn thiết bị. Hiện nay Thang máy được lắp đặt hệ thống cứu hộ tự đông khi mất điện đột ngột. Hệ thống này gồm: Các mạch VXL, bộ chuyển đổi điện, bình ắc qui và tụ điện. Các bộ phận này được kết nối với tủ điều kiển chính của thang máy. Khi có điện, thang máy hoạt động ắc qui được nạp điện. Nếu mất điện đột ngột trong khi thang máy đang hoạt động, dòng điện 1 chiều của ắc qui sẽ nhanh chóng chuyển thành dòng xoay chiều cấp điện cho hệ thống Nhờ có hệ thống chống mất nguồn đột ngột, hệ thống điều khiển không bị ảnh hưởng do được nuôi bằng một hệ thống chống mất nguồn công suất nhỏ, các cảm biến vị trí và các hệ đo lường cảnh báo khác vẫn làm việc bình thường. Tuy nhiên do nguồn bị mất động cơ truyền động bị dừng lại trong thời gian tức thời. Lúc này thiết bị điều khiển động cơ phải xả nguồn do các hệ lưu tích điện đang chứa và chuẩn bị đóng nguồn mới, cắt hệ nguồn cũ tránh có điện trở lại gây xung đột nguồn. Sau khi nguồn mới được cấp, chương trình điều khiển sẽ làm việc theo một chương trình mới dành cho sự cố mất điện. Chương trình này sẽ điều khiển thang máy về tầng gần nhất, sau đó mở cửa tầng để cho khách đi ra, đồng thời từ chối tất cả các lệnh gọi khác, cảnh báo hệ thống bị mất điện. lúc này hệ thống cho phép việc mở cửa cabin, các hệ thống chuông báo liên lạc thực hiện. Sau đó truyền động công suất lớn sẽ không được thực hiện nhằm tiết kiệm điện năng có hạn của bộ lưu điện dự phòng. Khi hệ thông có điện trở lại, các role cảm nhận trạng thái mất điện sẽ hoạt động có phản hồi cho biết nguồn điện đã có, hệ thống sẽ thực hiện tuần tự thao tác xả điện dư, đóng nguồn mới và thực hiện điều hiển theo chu trình bình thường. Hệ thống lưu điện phục hồi dần công suất bằng hệ thống nạp điện tự động. Ngoài thiết bị cứu hộ khi bị mất điện, trong thang máy còn có một bộ phận thắng cơ. Trong trường hợp xảy ra đứt cáp thang máy, thiết bị khống chế vượt tốc độ sẽ hoạt động và tác động đến thắng cơ, nêm chặt phòng thang máy vào ray dẫn hướng, giữ chặt không cho thang rơi để người đến ứng cứu. 1.2.2 – Yêu cầu về vận tốc, gia tốc và độ dật Một trong những điều kiện cơ bản đối với hệ truyền động thang máy là phải đảm bảo cho cabin chuyển động êm. Việc cabin chuyển động êm hay không lại phụ thuộc vào gia tốc khi mở máy và hãm máy. Các tham số chính đặc trưng cho chế độ làm việc của thang máy là: Tốc độ di chuyển v [m/s], gia tốc a [m/s2] và độ dật r [m/s3]. Tốc độ di chuyển của cabin quyết định năng suất của thang máy, điều này có ý nghĩa rất quan trọng, nhất là đối với các nhà cao tầng. Đối với các nhà chọc trời, tối ưu nhất là dùng thang máy cao tốc (v = 3,5m/s), giảm thời gian quá độ và tốc độ di chuyển trung bình của cabin đặt gần bằng tốc độ định mức. Nhưng việc tăng tốc độ lại dẫn đến tăng giá thành của thang máy. Nếu tăng tốc độ của thang máy v = 0,75 m/s lên v = 3,5m/s, giá thành tăng lên 4¸5 lần, bởi vậy tuỳ theo độ cao tầng của nhà mà chọn thang máy có tốc độ phù hợp với tốc độ tối ưu. Tốc độ di chuyển trung bình của thang máy có thể tăng bằng cách giảm thời gian mở máy và hãm máy, có nghĩa là tăng gia tốc. Nhưng khi gia tốc lớn sẽ gây ra cảm giác khó chịu cho hành khách (như chóng mặt, sợ hãi, nghẹt thở. .v..v..). Bởi vậy gia tốc tối ưu là a < 2m/s2. Gia tốc tối ưu đảm bảo năng suất cao, không gây cảm giác khó chịu cho hành khách, được đưa ra trong bảng 1-1. Bảng 1-1 Tham số Hệ truyền động Xoay chiều Một chiều Tốc độ thang máy (m/s) 0,5 0,75 1 1,5 2,5 3,5 Gia tốc cực đại (m/s2) 1 1 1,5 1,5 2 2 Gia tốc tính toán trung bình (m/s2) 0,5 0,8 0,8 1 1 1,5 Một đại lượng quyết định sự di chuyển êm của cabin là tốc độ tăng của gia tốc khi mở máy và tốc độ giảm của gia tốc khi hãm máy. Nói một cách khác, đó là độ dật (đạo hàm bậc nhất của gia tốc hoặc đạo hàm bậc hai của tốc độ ). Khi gia tốc a < 2m / s2 thì độ dật không quá 20m/s3. Biểu đồ làm việc tối ưu của thang máy tốc độ trung bình và tốc độ cao biểu diễn trên hình 1.3. Biểu đồ này có thể chia ra 5 giai đoạn theo tính chất thay đổi tốc độ của cabin: mở máy, chế độ ổn định, hãm xuống tốc độ thấp, cabin đến tầng và hãm dừng. Biểu đồ tối ưu hình 1.3 sẽ đạt được nếu dùng hệ truyền động một chiều (F-Đ). Nếu dùng hệ chuyển động xoay chiều với động cơ không đồng bộ hai cấp tốc độ, biểu đồ chỉ đạt gần giống biểu đồ tối ưu. Đối với thang máy chạy chậm, biểu đồ chỉ có 3 giai đoạn: Mở máy chế độ ổn định và hãm dừng. Hình 1.3: Các đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đường S, tốc độ v, gia tốc a và độ giật r theo thời gian. 1.3 – Yêu cầu dừng chính xác buồng thang: Buồng thang của thang máy cần phải dùng chính xác so với mặt bằng của tầng cần dừng sau khi đã ấn nút dừng . Nếu buồng thang dừng không chính xác sẽ gây ra các hiện tượng sau : Đối với thang máy chở khách, làm cho hành khách ra, vào khó khăn, tăng thời gian ra, vào của hành khách, dẫn đến giảm năng xuất. Đối với thang máy chở hàng, gây khó khăn cho việc bốc xếp và bốc dỡ hàng. Trong một số trường hợp có thể không thực hiện được việc xếp và bốc dỡ hàng. Để khắc phục hậu quả đó, có thể ấn nhắp nút bấm để đạt đựơc độ chính xác khi dừng, nhưng sẽ dẫn đến các vấn đề không mong muốn sau: Hỏng thiết bị điều khiển. Gây tổn thất năng lượng. Gây hỏng hóc các thiết bị cơ khí. Tăng thời gian từ lúc hãm đến dừng. Để dừng chính xác buồng thang, cần tính đến một nửa hiệu số của hai quãng đường trượt khi phanh buồng thang đầy tải và phanh buồng thang không tải theo cùng một hướng di chuyển. Các yếu tố ảnh hưởng đến dừng chính xác buồng thang bao gồm : mômen cơ cấu phanh, mômen quán tính của buồng thang, tốc độ khi bắt đầu hãm và một số yếu tố phụ khác . Quá trình hãm buồng thang xảy ra như sau : Khi buồng thang đi đến gần sàn tầng, công tắc chuyển đổi tầng cấp lệnh cho hệ thống điều khiển động cơ để dừng buồng thang . Trong quãng thời gian Dt (thời gian tác động của thiết bị điều khiển), buồng thang đi được quãng đường là : S' = v0 Dt , [m] (2-1) Trong đó : v0 - Tốc độ lúc bắt đầu hãm, [m/s]. Khi cơ cấu phanh tác động là quá trình hãm buồng thang. Trong thời gian này, buồng thang đi được một quãng đường S''. , [m] (2-2) Trong đó : m - Khối lượng các phần chuyển động của buồng thang, [kg] Fph - Lực phanh, [N] Fc - Lực cản tĩnh [N] Dấu (+) hoặc dấu (-) trong biểu thức (2-2) phụ thuộc vào chiều tác dụng của lực Fc : Khi buồng thang đi lên (+) và khi buồng thang đi xuống (-). S'' cũng có thể viết dưới dạng sau: , [m] (2-3) Trong đó : J mômen quán tính hệ quy đổi về chuyển động của buồng thang, [kgm2] Mph - mômmen ma sát, [N] Mc - mômen cản tĩnh, [N] w0 - tốc độ quay của động cơ lúc bắt đầu phanh, [rad/s] D - đường kính puli kéo cáp [m] i - tỷ số truyền Quãng đường buồng thang đi được từ khi công tắc chuyển đổi tầng cho lệnh dừng đến khi buồng thang dừng tại sàn tầng là: (2-4) Công tắc chuyển đổi tầng đặt cách sàn tầng một khoảng cách nào đó làm sao cho buồng thang nằm ở giữa hiệu hai quãng đường trượt khi phanh đầy tải và không tải. Sai số lớn nhất (độ dừng không chính xác lớn nhất) là : (2-5) Trong đó : S1 - quãng đường trượt nhỏ nhất của buồng thang khi phanh S2 - quãng đường trượt lớn nhất của buồng thang khi phanh xem hình 2-3. Bảng 2-1 đưa ra các tham số của các hệ truyền động với độ không chính xác khi dừng Ds. Bảng 2-1 Hệ truyền động điện Phạm vi điều chỉnh tốc độ Tốc độ di chuyển [m/s] Gia tốc [m/s2] Độ không chính xác khi dừng [mm] Động cơ KĐB rô to lồng sóc 1cấp tốc độ 1 : 1 0,8 1,5 ±120¸150 Động cơ KĐB rô to lồng sóc 2 cấp tốc độ 1 : 4 0,5 1,5 ± 10 ¸ 15 Động cơ KĐB rô to lồng sóc 2 cấp tốc độ 1 : 4 1 1,5 ± 25 ¸ 35 Hệ máy phát - động cơ (F - Đ) 1 : 30 2,0 2,0 ± 10 ¸ 15 Hệ F - Đ có khuyếch đại trung gian 1:100 2 2 ± 5 ¸ 10 Mức dừng Buồng thang Dừng Mức đặt cảm biến dòng Buồng thang Vượt quá Hình 2 - 3: Dừng chính xác buồng thang. 1.4 – TÌM HIỂU MỘT SỐ KẾT CẤU PHANH CỦA THANG MÁY 1.4.1 - Phanh bảo hiểm Phanh bảo hiểm giữ buồng thang tại chỗ khi đứt cáp, mất điện và khi tốc độ vượt quá (20 ¸ 40)% tốc độ định mức . Phanh bảo hiểm thường được chế tạo theo 3 kiểu : Phanh bảo hiểm kiểu nêm, phanh bảo hiểm kiểu lệch tâm và phanh bảo hiểm kiểu kìm. Trong các loại phanh trên, phanh bảo hiểm kìm được dử dụng rộng rãi hơn, nó bảo đảm cho buồng thang dừng êm hơn. Kết cấu của phanh bảo hiểm kiểu kìm được biểu diễn trên hình 1-4. Hình 1.4: Phanh bảo hiểm kiểu kìm Phanh bảo hiểm thường được lắp phía dưới buồng thang, gọng kìm 2 trượt theo thanh hướng dẫn 1 khi tốc độ của buồng thang bình thường. Nằm giữa hai cánh tay đòn của kìm có nêm 5 gắn với hệ truyển động bánh vít - trục vít 4. Hệ truyền động trục vít có hai loại ren : ren phải và ren trái. Cùng với kết cấu của phanh bảo hiểm, buồng thang có trang bị thêm cơ cấu hạn chế tốc độ kiểu ly tâm. Khi tốc độ chuyển của buồng thang tăng, cơ cấu đai truyền 3 sẽ làm cho thang 4 quay và kìm 5 sẽ ép chặt buồng thang vào thanh dẫn hướng và hạn chế tốc độ của buồng thang. 1.3.2 - Bộ hạn chế tốc độ Khi ca bin hạ với tốc độ vượt quá giá trị cho phép. Bộ hạn chế tốc độ qua hệ thống tay đòn tác động lên bộ hãm bảo hiểm để dừng cabin tựa trên các ray dẫn hướng. Về nguyên lý chung của bộ hạn chế tốc độ làm việc như sau: Khi trục quay đạt tới số vòng quay tới hạn các quả văng gắn trên trục sẽ tách ra xa tâm quay dưới tác dụng của lực ly tâm và mắc vào vấu cố định của vỏ phanh để dừng trục quay. Theo vị trí của trục quay có bị hạn chế tốc độ với trục quay nằm ngang và bộ hạn chế tốc độ với trục quay thẳng đứng. 1 2 3 4 5 6 8 9 10 12 11 13 14 7 16 15 Đĩa 9. Thanh kéo Chốt 10. Vấu di động Vấu cố định 11. Lò xo Vấu tỳ 12. Chốt hãm Lò xo nén 13. Puly Quả văng 14. Puly Vòng đệm 15. Vỏ bộ hạn chế 8. đai ốc 16. trục Hình 1.5: Bộ hạn chế tốc độ Trong đó bộ hạn chế tốc độ với trục quay nằm ngang được dùng phổ biến hơn. Nguyên lý cấu tạo của bộ hạn chế tốc độ với trục quay nằm ngang (Hình 1.5): Trục 16 được gắn với vỏ 15 của bộ hạn chế tốc độ bằng đai ốc. Trên trục có lắp đĩa 1 cùng các puly 13 và 14 bằng ổ bi để chúng có thể quay tự do quanh trục 16. Trên đĩa 1 có các chốt 2 để lắp quả văng 6. Quả văng này liên hệ bằng thanh kéo 6 trên có lắp lò xo nén 5. Lò xo có một đầu tỳ lên vấu 4 gắn trên đĩa 1, đầu kia tỳ lên vòng đệm 7 và đai ốc 8 trên thanh kéo 9 để có thể điều chỉnh độ nén của lò xo 5. Như vậy, do vấu 4 gắn cố định trên đĩa nên lò xo 5 có xu hướng đẩy thanh kéo 9 sang trái để đầu các quả văng 6 không chạm vào các vấu cố định 3 trên vỏ 15 khi đĩa 1 cùng các puly 13 và 14 quay. Với tốc độ quay bình thường, ứng với tốc độ chuyển động danh nghĩa của cabin, đĩa quay dễ dàng và các quả văng ở vị trí không chạm vào vấu 3 trên vỏ 15. Khi cabin nâng hoặc hạ với tốc độ vượt quá giới hạn cho phép, qua cáp hạn chế tốc độ vắt trên rãnh puli 14, đĩa 1 cũng quay và đạt tới vòng quay tới hạn ly tâm của quả văng đủ lớn để ép lò xo 5 và tách quả văng ra xa tâm quay làm đầu các quả văng mắc vào vấu 3 và đĩa 1 cùng puli 13,14 dừng lại. Puli thường có rãnh cáp hình thang với hệ số ma sát tính toán cao nên khi nó dừng lai làm cáp hạn chế tốc độ vắt qua rãnh puli dừng theo, cabin tiếp tục đi xuống nên cáp hạn chế tốc độ tác động lên hệ tay đòn lắp trên cabin để bộ hãm bảo hiểm hoạt động dừng cabin trên các ray dẫn hướng. Lực nén lò xo 5 càng lớn thì lực ly tâm cần thiết dễ tách các quả văng ra xa càng lớn vì vậy có thể điều chỉnh lực nén lò xo 5 bằng cách vít vặn đai ốc 8 để bộ hạn chế tốc độ làm việc chính xác với tốc độ quay cần thiết. Nếu lực nén lò xo quá nhỏ thì rất dễ xẩy ra hiện tượng ngừng ngẫu nhiên ngay cả khi cabin chuyển động với tốc độ danh nghĩa. Vì vậy cần điều chỉnh lò xo sao cho bộ hạn chế tốc độ hoạt động ứng với giá trị tốc độ quy định trong quy phạm cho từng loại thang máy. Việc điều chỉnh kiểm tra và thử nghiệm bộ hạn chế tốc độ do nhà chế tạo tiến hành và sau đó kẹp chì lại. Puly 13 có đường kính nhỏ dùng để thử nghiệm, kiểm tra bộ hạn chế tốc độ, nếu vắt cáp hạn chế tốc độ qua rãnh của puli 13 thì khi cabin chuyển động với tốc độ danh nghĩa, bộ hạn chế tốc độ vẫn làm việc và tác động lên bộ hãm bảo hiểm để dừng cabin vì tốc độ quay của đĩa 1 vấn đạt tới số vòng quay tới hạn do đường kính của puly 13 nhỏ. Ngoài ra người ta còn lắp vấu 10 xuyên qua vỏ 15 và trên vấu có lò xo 11 cùng chốt hãm 12. Trong điều kiện làm việc bình thường (cáp hạn chế tốc độ vắt qua puly 14 cabin chuyển động với tốc độ danh nghĩa). Nếu ấn lên vấu 10 thì đầu quả văng mắc vào nó để dừng đĩa 1 cùng các puli 13, 14 (măc dù số vòng quay của đĩa chưa đạt tới giá trị tới hạn và lực ly tâm chưa đủ lớn để tách quả văng ra xa). Khi đó nếu bộ hãm bảo hiểm làm việc để dừng cabin thì điều đó chứng tỏ rằng độ căng của cáp hạn chế tốc độ, hệ số ma sát tính toán giữa cáp và rãnh puly 14 đạt giá trị yêu cầu và hệ thống tay đòn cùng bộ hãm bảo hiểm làm việc bình thường. 15 1.5 - THUYẾT MINH NGUYÊN LÝ CÔNG NGHỆ Để làm rõ bài toán công nghệ về khách hàng đợi và ưu tiên về chiều chuyển động cũng như ưu tiên theo khoảng cách, ta đi thuyết minh một trường hợp phục vụ hành khách thoả mãn được các yêu cầu công nghệ của thang máy 7 tầng như sau: Giả sử thang máy đang dừng ở tầng 1. Có một hành khách A đang ở tầng 2 và muốn lên tầng 7. Muốn vậy, khách A phải ấn nút gọi thang ở tầng 2 và thang đi lên với tốc độ cao. Khi thang đến gần tầng 2 thì thang máy chuyển tốc độ thấp và dừng lại đón khách A. Khách A vào cabin ấn nút đến tầng 7. Sau thời gian định sẵn cabin tiếp tục đi lên tầng 7. Giả sử lúc này có một hành khách B đang ở tầng 3 và muốn đi xuống tầng 1. muốn vậy khách B phải ấn nút gọi thang ở tầng 3. Lúc này thang đang đi lên, khi đi qua tầng 3 nó sẽ không dừng lại. Tuy nhiên nút gọi thang tầng 3 đã được nhớ, nó sẽ có tác dụng khi thang quay ngược hành trình. Lúc này thang vẫn tiếp tục đi lên. Giả sử lúc này lại có một hành khách C ở tầng 4 muốn đi lên tầng 7. Muốn vậy hành khách C này lại ấn nút goi tầng ở tầng 4. Như vậy, tầng 4 đã được nhớ, khi thang máy đi qua tầng này thang sẽ dừng lại như dừng ở tầng 2 và đón khách C vào cabin. Hành khách này lại ấn nút dừng 7 trùng với hành khách A và thang tiếp tục đi lên. Vì tầng 7 đã được nhớ nên khi đến tầng này thang sẽ chuyển tốc độ thấp và dừng lại mở của trả khách A và C. Như vậy, yêu cầu của khách A và C đã được phục vụ, còn lại yêu cầu của khách B đang ở tâng 3 muốn đi xuống tầng 1 chưa được đáp ứng. Khi thang dừng ở tầng 7 trả khách song, sau thời gian định sẵn nó sẽ quay ngược hành trình chuyển động và đi xuống. Khi đi đến gần tầng 3 nó sẽ giảm tốc độ và dừng lại mở cửa đón khách B. Khách B đi vào thang máy và ấn nút đến tầng 1, tầng 1 lại được nhớ và khi đi xuống thang sẽ dừng lại ở tầng 1 đáp ứng song yêu cầu của khách hàng B. Phần 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 2.1 - CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THANG MÁY Khi thiết kế trang bị điện - điện tử cho thang máy, việc lựa chọn một hệ truyền động, loại động cơ phải dựa trên các yêu cầu sau : - Độ chính xác khi dừng - Tốc độ di chuyển buồng thang - Gia tốc lớn nhất cho phép - Phạm vi điều chỉnh tốc độ 2.1.1 - Tính chọn công suất động cơ truyền động thang máy Để tính chọn được công suất động cơ truyền động thang máy cần có các điều kiện và tham số sau: - Sơ đồ động học của thang máy - Tốc độ và gia tốc lớn nhất cho phép - Trọng tải - Trọng lượng buồng thang. Công suất tĩnh của động cơ khi nâng tải không dùng đối trọng được tính theo công thức sau: , [KW] (1-12) Trong đó : Gbt - Khối lượng buồng thang [kg] G - Khối lượng hàng, [kg] v - Tốc độ nâng , [m/s] g - Gia tốc trọng trường, [m/s2] h - Hiệu suất của cơ cấu nâng (0,5¸0,8). Khi có đối trọng công suất tĩnh của động cơ lúc nâng tải được tính theo biểu thức sau: , [KW] (1-13) Và khi hạ tải: , [KW] (1-14) Trong đó : Pcn - Công suất tĩnh của động cơ khi nâng có dùng đối trọng PCh - Công suất tĩnh của động cơ khi hạ có dùng đối trọng Gdt - Khối luợng của đối trọng, [kG] k - Hệ số tính đến ma sát giữa thanh dẫn hướng và đối trọng ( k = 1,15 ¸1,3 ). Khối lượng của đối trọng được tính theo biểu thức sau đây: Gđt = Gbt + aG , [Kg] (1-15) Trong đó : a - hệ số cân bằng (a = 0,3 ¸ 0,6). Phần lớn các thang máy chở khách chỉ vận hành đầy tải trọng những giờ cao điểm, thời gian còn lại luôn làm việc non tải. Vì vậy, đối với thang máy trở khách nên chọn hệ số a = 0,35 ¸ 0,4. Đối với thang máy trở hàng, khi nâng thường là đầy tải và khi hạ thường là không tải, nên chọn a = 0,5. Dựa trên hai biểu thức (1-2) và (1-3) có thể xây dựng được biểu đồ phụ tải và chọn sơ bộ công suất của động cơ theo sổ tay tra cứu. Muốn xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác, cần phải tính đến thời gian mở máy, thời gian hãm thời gian đóng , mở cửa và số lần dừng của buồng thang khi chuyển động. Thông số tương đối để tính toán các thời gian trên được đưa ra trong bảng 3.1. Thời gian ra / vào buồng thang được tính gần đúng 1s/1người. Số lần dừng (được tính theo xác suất) của buồng có thể được tìm theo các đường cong trên hình 3.9. Bảng 3.1 Tốc độ di chuyển (m/s) Thời gian mở máy và hãm máy với khoảng cách giữa tầng (s) Tổng thời gian còn lại (s) Buồng thang có cửa rộng dưới 800mm (mở bằng tay) Buồng thang có cửa rộng dưới 800 mm (mở tự động) Buồng thang có cửa rộng dưới 1000mm (mở tự động) 3,6 ≥ 7,2 m 0,5 1,6 1,6 12,0 7,0 - 0,75 1,6 1,6 12,0 7,0 - 1,0 1,8 1,8 13,0 7,0 6,3 1,5 1,8 1,8 - 7,2 6,3 2,5 2,0 2,0 - - 6,5 3,5 2,5 2,5 - - 7,0 E = 21 người E = 16 người E = 13 người E = 10 người E = 5 người t Hình 3.9. Đường cong để xác định số lần dừng ( theo xác suất ) của buồng thang. md - Số lần dừng ; mt - Số tầng ; E - Số người trong buồng thang Phương pháp tính chọn công suất động cơ truyền động thang máy tiến hành theo các bước sau đây : 1. Tính lực kéo đặt lên puli cáp kéo buồng thang ở tầng dưới cùng và các lần dừng tiếp theo : F = (G + Gbt - K1 . DG1 - Gđ t ) g, [N] (1-16) Trong đó : K1 - Số lần dừng của buồng thang. DG1 = G/mđ - Thay đổi (giảm) khối lượng tải sau mỗi lần dừng. g - Gia tốc trọng trường, [m/s2] . 2. Tính mômen tương ứng với lực kéo : , [N.m] nếu F > 0 , [N.m] nếu F < 0 Trong đó : R - Bán kính của puli, [m]. i - Tỷ số truyền của cơ cấu. h - Hiệu suất của cơ cấu. 3. Tính tổng thời gian hành trình nâng và hạ của buồng thang : Tổng thời gian này bao gồm: thời gian buồng thang di chuyển với tốc độ ổn định, thời gian mở máy, hãm máy và tổng thời gian còn lại ( thời gian đóng mở cửa buồng thang, thời gian ra vào buồng thang của hành khách) theo bảng 3-1: 4. Dựa trên kết quả của các bước tính toán trên, tính mômen đẳng trị và tính chọn công suất động cơ. 5. Xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác của động cơ truyền động có tính đến các quá trình quá độ và tiến hành kiểm nghiệm công suất động cơ đã chọn theo điều kiện phát nóng, quá tải. 2.1.2 - Các hệ truyền động điều khiển thang máy Như đã giới thiệu ở phần trên, trong các thang máy tốc độ thấp và chất lượng truyền động có yêu cầu không cao lắm, người ta thường sử dụng các hệ truyền động trong đó phần dẫn động là động cơ không đồng bộ - rôto lồng sóc nhiều cấp tốc độ có sơ đồ khối đã được mô tả ở trên. Hệ truyền động này có ưu điểm là đơn giản dẫn đến giá thành hạ, dễ dàng trong vận hành và sửa chữa. Tuy nhiên, nó lại không thể đáp ứng được về mặt chất lượng đối với các thang máy có yêu cầu cao vế tốc độ, gia tốc và độ giật. Để khắc phục những hạn chế của hệ thống trên, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, ngày nay người ta có xu hướng sử dụng phương pháp điều khiển vô cấp tốc độ động cơ. Trên thực tế tồn tại 2 hệ thống chủ yếu sau đây: Hệ thống sử dụng bộ biến đổi Thyristor - động cơ một chiều. Hệ thống sử dụng bộ biến tần - động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc. 2.1.2.1- Hệ thống sử dụng bộ biến đổi Thyristor - động cơ một chiều Hình 3.10. Hệ thống TĐ sử dụng bộ biến đổi Thyristor - động cơ một chiều Hệ thống BBĐ - ĐCMC là hệ thống sử dụng bộ biến đổi tĩnh biến đổi dòng xoay chiều có tần số công nghiệp thành dòng điện một chiều cung cấp cho động cơ Đ. Ưu điểm của hệ thống là làm việc êm, tin cậy, tuổi thọ cao, chất lượng dải điều chỉnh tốc độ có thể đáp ứng được với yêu cầu của các thang máy cao tốc. Tuy nhiên hệ thống vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như : động cơ một chiều là thiết bị cần phải được bảo dưỡng thường xuyên nên có thể làm gián đoạn quá trình phục vụ của thang máy; BBĐ sử dụng thyristor có khả năng chịu quá tải kém, mạch điều khiển thyristor rất phức tạp đòi hỏi phải có công nhân lành nghề khi cần sửa chữa, bảo dưỡng v.vv... * Hệ thống tự động khống chế thang máy cao tốc với hệ truyền động một chiều sử dụng bộ biến đổi Thyristor - Động cơ một chiều, có sử dụng các phần tử lôgic : Để nâng cao độ tin cậy trong quá trình hoạt động của thang máy, hệ thống tự động khống chế truyền động điện thang máy đã dùng các phần tử phi tiếp điểm (phần tử lôgic). Việc ứng dụng các phần tử lôgic trong mạch điều khiển cho phép xây dựng một hệ thống điều khiển với số lượng phần tử là ít nhất. Hệ thống tự động khống chế truyền động điện thang máy dùng các phần tử phi tiếp điểm có thể khắc phục được các nhược điểm trên, ngoài ra còn có các ưu điểm đáng kể như : Giảm được số lượng các dây dẫn điều khiển nối với buồng thang và chuyển động cùng với buồng thang. Có thể thiết kế các nút ấn gọi tầng và phần hiển thị, báo hiệu nhỏ, gọn, kết cấu đẹp nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy. Dễ dàng thay đổi để sử dụng cho các thang máy khác nhau, vì chỉ cần thêm các tiếp điểm gọi tầng và viết lại phần mềm điều khiển mà không cần thay đổi phần cứng. Để truyền động thang máy có tốc độ di chuyển buồng thang v ³ 3m/s thường dùng hệ truyền động một chiều. Trong mạch điều khiển thang máy cao tốc, công tắc chuyển tầng có tay gạt cơ khí làm việc không tin cậy và gây tiếng ồn lớn. Vì vậy, chúng được thay thế bằng công tắc phi tiếp điểm. Công tắc chuyển đổi tầng phi tiếp điểm thường dùng bộ cảm biến vị trí kiểu cảm ứng và bộ cảm biến vị trí dùng tế bào quang điện. Trên hình 4-6 là sơ đồ khối hệ truyền động một chiều cho thang máy dùng Thyristor. Hình 4-6: Sơ đồ khối hệ truyền động thang máy dùng Thyristor Trong đó, các cuộn kháng 1CK, 2CK dùng để hạn chế dòng điện cân bằng. Hai khối KĐKN và KĐKH điều khiển hai cầu chỉnh lưu 1BTh và 2BTh. Trong mỗi khối điều khiển bao gồm các khâu : khâu đồng pha, khâu tạo điện áp răng cưa, khâu so sánh, tạo xung và khuyếch đại xung. Điện áp đặt được lấy từ đầu ra của khâu hạn chế gia tốc HCGT. Độ lớn và cực tính của điện áp đặt do khâu điều hành ĐH quyết định. Điện áp của khâu HCGT tăng dẫn theo hàm tuyến tính bậc nhất khi thay đổi tín hiệu đầu vào. Điều chỉnh tốc độ động cơ truyền động bằng bộ điều chỉnh tốc độ Rw. Tín hiệu đầu vào của bộ điều chỉnh tốc độ Rw là tổng đại số của hai tín hiệu : tín hiệu chủ đạo (điện áp ra của khâu HCGT) và tín hiệu phản hồi âm tốc độ tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ (điện áp ra của khâu Kw). Khâu Rw dùng bộ khuyếch đại một chiều (hàm tỷ lệ P) . Tín hiệu ra của Rw là tín hiệu đầu vào RiN (khi thang máy đi lên) và RiH (khi thang máy đi xuống). Cả hai khâu RiN và RiH dùng bộ khuyếch đại một chiều (hàm tỷ lệ, tích phân PI). Ngoài ra, tín hiệu phản hồi âm dòng lấy từ đầu ra của khâu 1Ki (tỷ lệ với dòng của động cơ) đưa vào đầu vào của RiN và từ khâu 2Ki đưa vào RiH. Tín hiệu ra của khâu RiN hoặc RiH chính là tín hiệu điều khiển đưa vào khối điều khiển tương ứng KĐKN hoặc KĐKH. Để thực hiện dừng chính xác buồng thang, hệ thống sẽ chuyển từ chế độ điều chỉnh tốc độ sang chế độ điều chỉnh vị trí. Tín hiệu ra của khâu cảm biến dừng chính xác CBDCX đưa vào khâu điều chỉnh vị trí. Tín hiệu ra từ khâu CBDCX đưa vào khâu điều chỉnh vị trí Rvt . Khi buồng thang nằm ngang với sàn tầng, tín hiệu ra của khâu CBDCX sẽ bằng 0. 2.1.2.2 - Hệ thống sử dụng bộ biến tần - động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc Trên thị trường hiện nay tồn tại rất nhiều loại biến tần sử dụng các phương pháp điều chỉnh tần số theo các phương thức khác nhau, chủ yếu là 2 kiểu: Biến tần điều chỉnh theo phương pháp U/f. Biến tần điều chỉnh từ thông ( FCC - Flux Current Control ). Biến tần điều chỉnh từ thông ( FCC - Flux Current Control ) lại sử dụng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp được coi là tiên tiến hiện nay là thực hiện điều chỉnh trực tiếp mômen. a. Biến tần thực hiện điều chỉnh trực tiếp mômen *Nội dung phương pháp Điều chỉnh trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ là phương pháp rất mới, trong đó việc phối hợp điều khiển bộ biến tần và động cơ không đồng bộ là rất chặt chẽ. Lôgic chuyển mạch của biến tần dựa trên trạng thái điện từ của động cơ mà không cần đến điều chế độ rộng xung áp của biến tần. Do sử dụng công nghệ bán dẫn tiên tiến và các phần tử tính toán có tốc độ cao mà phương pháp điều chỉnh trực tiếp mômen cho các đáp ừng đầu ra thay đổi rất nhanh, cỡ vài phần nghìn giây. Phần cốt lõi của phương pháp được mô tả trên hình 3-11, gồm các khối như sau: bộ điều chỉnh có trễ với lôgic chuyển mạch tối ưu, mô hình động cơ cho phép tính toán nhanh và chính xác các giá trị thực của mômen, tốc độ quay của rotor và từ thông stator với tín hiệu vào là dòng điện các pha động cơ và giá trị tức thời của điện áp mạch một chiều. Các giá trị thực này được so sánh với các giá trị đặt để tạo ra tác động điều khiển bởi các bộ điều chỉnh mômen và các mạch vòng bên ngoài. Điều khiển y,M có trễ Logic chuyển mach tối ưu Mô hình động cơ Tính các đại lượng Nhận dạng thD÷ liÖu ông số Bit M Bit y Mđ Bit đk U lưới » công nghiệp = BT Ui S1,S2,S3 Is ASIC » ĐC Mđ Mđ w we Hình 3-11. Điều khiển trực tiếp mômen Logic chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu sẽ được xác định trong từng chu kỳ điều khiển ( 25ms ) và được thực hiện bởi các mạch điện tử chuyên dụng ( ASIC ). Thông tin về trạng thái của các khoá bán dẫn lực ( S1, S2, S3 ) được dùng để tính vector điện áp stator. Điều khiển trực tiếp mômen dựa trên lý thuyết điều khiển trường định hướng máy điện không đồng bộ, trong đó các đại lượng điện từ được mô tả bởi các vector từ thông, vector dòng điện và vector điện áp được biểu diễn trong hệ toạ độ stator. Mômen điện từ là tích vector từ thông stator và vector từ thông rôtor hoặc giữa vector dòng điện stator và vector từ thông: Biên độ vector từ thông stator thường được giữ không đổi và do đó mômen được điều chỉnh bởi góc g giữa các vector từ thông. Các động cơ bình thường có hằng số thời gian điện từ của mạch rotor cỡ hàng trăm miligiây, như vậy có thể coi từ thông rotor là ổn định và biến đổi chậm hơn từ thông stator. Vì thế có thể đạt được mômen yêu cầu bằng cách quay từ thông stator theo hướng nào càng nhanh càng có hiệu quả. Kỹ thuật điều khiển trực tiếp mômen như sau: Logic chuyển mạch của các khoá bán dẫn lực thực hiện việc tăng hay giảm mômen còn giá trị tức thời của từ thông stator được điều chỉnh sao cho mômen động cơ đạt được giá trị mong muốn. Vector từ thông stator này lại được điều chỉnh nhờ điện áp cung cấp cho nghịch lưu. Hay nói cách khác là logic chuyển mạch tối ưu xác định cho ta vector điện áp tối ưu tuỳ thuộc vào sai lệch mômen. Biên độ của vector từ thông stator cũng được tính đến khi chọn logic chuyển mạch. b. Mô hình động cơ Mô hình động cơ thành lập theo các mô hình cơ bản mô tả toán học động cơ không đồng bộ và sử dụng các phần tử tính toán có tốc độ cao. Mô hình động cơ tính toán ra các giá trị thực của mômen và từ thông dùng cho việc điều chế, nó cũng tính ra được tốc độ quay của rôtor và tần số dòng stator để dùng cho các mạch vòng điều chỉnh bên ngoài. Mô hình động cơ còn có chức năng nhận dạng thông số của động cơ dùng cho việc tính toán, hiệu chỉnh. Độ chính xác của mô hình là rất quan trọng, bởi vì trong hệ thống không dùng thiết bị đo tốc độ trục động cơ, tín hiệu đo lường chỉ gồm dòng điện 2 pha của động cơ và giá trị tức thời của điện áp mạch một chiều . 2.1.3. chọn phương án truyền động Qua các phân tích ở trên và dựa vào yêu cầu công nghệ đặt ra; đồng thời căn cứ vào số tầng phục vụ mà lựa chọn hệ thống truyền động tối ưu sao cho thoả mãn được một cách hài hoà nhất giữa các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật. Do tính chất của phụ tải trong truyền động thang máy yêu cầu có khả năng đảo chiều với tải thế năng. Hơn nữa đối với toà nhà cao 7 tầng thì không yêu cầu thang máy phải có tốc độ cao lắm. Vì vậy trong bản đồ án này ta sử dụng hệ thống Bộ biến tần - Động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc, làm phương án truyền động cho thang máy. 2.2 – CÁC HỆ THỐNG KHỐNG CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY 2.2.1. Tín hiệu hoá cho hệ thống điều khiển thang máy Để việc điều khiển vận hành thang máy diễn ra chính xác thì các tín hiệu đưa về phải đảm bảo phản ánh được chính xác tình trạng hệ thống. Căn cứ vào các tín hiệu này, hệ điều khiển sẽ xử lý và đưa ra các tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành trong hệ thống. Các tín hiệu này được mô tả như sau : - Để ghi nhận mọi tín hiệu gọi thang cũng như các tín hiệu yêu cầu đến tầng, người ta bố trí các các nút ấn gọi thang ở các tầng và các nút ấn đến tầng được bố trí trong Cabin. Trừ tầng thượng chỉ có nút gọi xuống và tầng 1 chỉ có nút gọi lên. Trong Cabin nút ấn đến tầng, đóng mở cửa nhanh, báo động ... được bố trí vào một bảng điều khiển. Tuỳ theo hệ điều khiển, các công tắc này có thể là thường đóng hoặc thường mở. Khi bị tác động chúng sẽ đóng cắt mạch điện, từ đó tác động về hệ điều khiển. - Để thông tin cho người sử dụng biết trạng thái hoạt động của thang người ta sử dụng các mạch hiển thị. Đó có thể đơn giản là các đèn LED hay các mạch hiển thị 7 thanh ... được bố trí ở các tầng cũng như trong Cabin nhằm hiển thị vị trí hiện tại của thang, chiều chuyển động lên hay xuống, trạng thái của các nút ấn, thứ tự ưu tiên ... - Để xác định vị trí hiện tại của thang, người ta sử dụng các Sensor báo vị trí phi tiếp điểm. Trong đó, phần tĩnh của Sensor được gắn dọc theo chiều chuyển động của thang, còn phần động được gắn với buồng thang. - Để lấy tín hiệu về cho việc dừng động cơ khi xảy ra trường hợp đứt cáp, trượt cáp, người ta bố trí các cảm biến trong bộ điều tốc. Để lấy tín hiệu cho các thiết bị tự động khống chế dừng và thiết bị hạn chế người ta bố trí các Sensor ở đỉnh và đáy thang. Vị trí của các Sensor phụ thuộc vào phản ứng của hệ thống điều khiển khi nhận được tín hiệu từ các Sensor đó, vào thời gian trễ của hệ thống, cơ cấu chấp hành và quán tính của hệ thống. - Để đảm bảo việc dừng chính xác tại một tầng thì ngoài Sensor báo vị trí tầng còn phải sử dụng các Sensor thông báo về yêu cầu tốc độ. Nói cách khác, ở mỗi một tầng phải tồn tại vùng dừng mà ở đó dù Cabin đang ở trên hay dưới tầng đều phải giảm tốc độ để thực hiện dừng chính xác. Độ lớn của vùng này phụ thuộc vào tốc độ của thang (xem phần dừng chính xác buồng thang) . Để cho việc xác định vị trí và điều khiển thang chính xác thì ở mỗi tầng thường bố trí nhiều Sensor. - Để đảm bảo thang không chuyển động khi quá tải có thể bố trí Sensor dưới sàn Cabin. Khi khối lượng vượt quá giới hạn cho phép, sàn thang dưới tác động đủ lớn của trọng lượng sẽ tác động lên các Sensor, từ đó đưa tín hiệu đến phần bảo vệ của hệ điều khiển. - Ngoài ra, thang máy còn sử dụng các khoá liên động để đảm bảo thang chỉ có tín hiệu khởi động khi cửa tầng và cưả buồng thang đã đóng, không cho phép gọi tầng khi thang không có người, lập tức dừng thang khi buồng thang đang chạy mà vì một lý do nào đó cửa thang bị mở ra... 2.2.2. Hệ thống điều khiển thang máy sử dụng các phần tử có tiếp điểm 2.2.2.1 Các loại cảm biến có tiếp điểm và nhược điểm của chúng Trong thang máy tốc độ trung bình và thấp, người ta thường sử dụng các công tắc hành trình. Đây là một thiết bị cơ-điện có tay gạt với 3 tiếp điểm, tương ứng với 3 trạng thái đầu ra. Công tắc hành trình có ưu điểm là các trạng thái đầu ra rất rõ ràng. Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của nó là tuổi thọ giảm khi hoạt động ở tốc độ cao và gây tiếng ồn lớn. Do những nhược điểm trên nên trong thang máy tốc độ cao người ta không sử dụng công tắc hành trình mà thay vào đó là các loại cảm biến không tiếp điểm được trình bày trong phần dưới đây. 2.2.2.2 Hệ thống tự động khống chế thang máy tốc độ trung bình sử dụng các phần tử cơ khí, phần tử điều khiển có tiếp điểm : Hệ truyền động điện dùng cho thang máy có tốc độ chậm và trung bình thường là hệ truyền động xoay chiều với động cơ không đồng bộ. Hệ này thường dùng cho các thang máy trở khách trong các nhà cao tầng (5 ¸ 10 tầng) với tốc độ di chuyển buồng thang dưới 1 m/s. Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động thang máy được giới thiệu trên hình 4-1. Trong đó : C1 ¸ C7 là là các công tắc cửa của các tầng. Ck là công tắc cửa Cabin. DB và DK là các công tắc dự phòng trong Cabin. DP1 và DP2 là các công tắc dự phòng thang trôi được đặt trong hố thang. D1 ¸ D7 là các công tắc điểm cuối của các tầng. RCT1 ¸ RCT7 là các rơle chuyển tầng. R1 ¸ R7 là các rơle chuyển tầng. CTT công tắc từ chuyển tầng. N1 ¸ N7 là các nút ấn gọi thang ở các tầng. NK1 ¸ NK7 là các nút ấn đến tầng trong Cabin. T1 ¸ T7 là các tiếp điểm thường kín của các rơle chuyển tầng. CTK là công tắc đèn trong Cabin. RN và RH là cuộn dây của các rơle nâng và rơle hạ. KN và KH là cuộn dây của công tắc tơ nâng và công tắc tơ hạ. Hệ thống được cấp nguồn qua aptomát AP. Các cuộn dây Stato của động cơ được nối vào nguồn cung cấp nhờ các tiếp điểm của các côngtắctơ nâng KL hoặc côngtắctơ hạ KX. Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển được lấy từ một pha qua biến áp cách ly và chỉnh lưu để được điện áp một chiều +15V. Khi AP đóng, nếu cả 3 pha đều có điện áp thì các cuộn dây của các côngtắctơ KA và KB có điện, các tiếp điểm thường mở của nó đóng lại và cấp nguồn cho biến áp BA. Khi đó mới có điện áp một chiều đưa đến toàn bộ mạch điều khiển. Các cửa tầng được trang bị các công tắc liên động C1 ¸ C7 và công tắc cửa Cabin Ck. Hình 4-1 Hệ thống tự động khống chế thang máy tốc độ trung bình Khi buồng thang đang ở tầng 1. Khi đó, công tắc điểm cuối D1 và công tắc từ CTT đóng, rơle chuyển tầng RCT1 có điện làm cho tiếp điểm thường kín RCT1 mở ra. Điều này đảm bảo rằng : nếu cố tình ấn các công tắc gọi thang N1 hoặc công tắc gọi tầng 1 NK1 thì công tắc tơ hạ KH và rơle hạ RH đều không được cấp điện và sẽ không có một thao tác nào được thực hiện. Tương tự, khi buồng thang đang ở tầng 7 thì D7 và CTT đóng, RCT7 có điện, tiếp điểm thường kín RCT7 mở ra làm mất tác dụng của các nút ấn gọi thang N7 và gọi tầng 7 NK7. Giả sử buồng thang đang ở tầng 2, D2 đóng, RCT2 có điện. Các tiếp điểm thường kín của nó mở ra làm cho các cuộn dây của công tắc tơ KN, KH và rơle RN, RH đều hở mạch. Xét nguyên lý làm việc của sơ đồ khi cần lên tầng 4 : Hành khách đi vào buồng thang, đóng cửa tầng và cửa Cabin và ấn nút gọi tầng NK4, rơle tầng R4 có điện, các tiếp điểm thường mở của nó đóng lại. Các cuộn dây của công tắc tơ nâng KN và rơle nâng RN được cấp điện qua KH, RCT5, RCT4 và R4. Các tiếp điểm thường mở của chúng đóng lại, động cơ được cấp điện và thang chuyển động đi lên. Khi nhả NK4 thì các cuộn dây này vẫn được duy trì nguồn cung cấp nhờ các tiếp điểm RN và R4 vẫn đóng. Khi buồng thang đến gần ngang sàn tầng 4, công tắc điểm cuối D4 đóng lại, cuộn dây RCT4 có điện, tiếp điểm thường kín RCT4 mở ra làm cho các cuộn dây KN và RN mất điện, động cơ chính và động cơ phanh mất điện. Cơ cấu hãm điện từ sẽ tác động làm dừng buồng thang. Để đảm bảo dừng động cơ một cách chắc chắn, khi mà vì một lý do nào đó mà tiếp điểm thường kín RCT4 không mở ra, người ta bố trí các tiếp điểm thường kín T1¸T7 nối tiếp với các rơle chuyển tầng R1 ¸ R7. Lúc này, (do rơle chuyển tầng RCT4 có điện) T4 mở ra, làm cho R4 mất điện, các tiếp điểm R4 mở ra, sẽ làm hở mạch cuộn KN và RN. Trong sơ đồ có 7 đèn báo tầng L16 ¸ L76 và đèn báo thang máy đang chuyển động lên LBN6, xuống LBH6 lắp ở trên mỗi cửa tầng và trong Cabin. LK là đèn chiếu sáng Cabin. Hệ thống truyền động thang máy với các tiếp điểm cơ khí tuy đơn giản nhưng có các nhược điểm sau : Độ tin cậy thấp. Có tiếng ồn do các tiếp điểm cơ khí gây ra. Tác động chậm, độ chính xác thấp nên không được sử dụng trong các thang máy tốc độ cao (các thang máy chở hàng). 2.2.3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY SỬ DỤNG CÁC PHẦN TỬ PHI TIẾP ĐIỂM 2.2.3.1. Các loại cảm biến không tiếp điểm : Các bộ cảm biến không tiếp điểm có rất nhiều loại, được ứng dụng trong rất nhiều hệ thống điều khiển, đo lường, điều khiển và bảo vệ. Trong phần này sẽ mô tả một số phần tử cảm biến không tiếp điểm được sử dụng trong thực tế. a. Công tắc vị trí kiểu cảm ứng : Cấu tạo và đặc tuyến của công tắc chuyển đổi tầng dùng cảm biến vị trí kiểu cảm ứng có dạng như hình 2-1. Cấu tạo của nó bao gồm : mạch từ hở 2, cuộn dây 3. Khi mạch từ hở, do điện kháng của cuộn dây bé, dòng xoay chiều qua cuộn dây tương đối lớn. Khi thanh sắt động 1 làm kín mạch từ, từ thông sinh ra trong mạch từ tăng làm tăng điện cảm L của cuộn dây và dòng đi qua cuộn dây sẽ giảm xuống. Hình 4-2 Cảm biến vị trí kiểu cảm ứng Hình 4-3 Transistor quang Nếu đấu nối tiếp với cuộn dây của bộ cảm biến một rơle ta sẽ được một phần tử phi tiếp điểm dùng trong hệ thống điều khiển. Tuỳ theo mục đích sử dụng có thể dùng nó làm công tắc chuyển đổi tầng, cảm biến dừng chính xác buồng thang hoặc cảm biến chỉ thị vị trí buồng thang ... b. Transistor quang : Đây là loại Transistor loại PNP hoặc NPN. Dưới tác dụng của ánh sáng nó phát sinh một dòng điện tương ứng với lượng ánh sáng. c. Phần tử HALL : Phần tử HALL là một chất bán dẫn. Nếu dòng điện B+ được cung cấp một cách không đổi đến phần tử HALL và từ trường được đưa vào thẳng góc với chiều của dòng điện này thì điện áp sẽ được phát sinh thẳng góc với chiều dòng điện. d. Bộ cảm biến hồng ngoại : Các bộ cảm biến hồng ngoại lợi dụng sự toả nhiệt của cơ thể người phát ra một năng lượng hồng ngoại yếu. Các bộ cảm biến kiểu này có độ nhạy rất cao, thuận tiện, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Bộ cảm biến hồng ngoại HN911L là một linh kiện có chất lượng tốt có mạch điện ứng dụng như hình 4-5. Điện áp Dòng điện Phần tử HALL Hình 4-4 Phần tử HALL +12V Đầu ra 100 470 K1 HC205 HN911L 3 4 5 1 2 6 Hình 4-5: Bộ cảm biến hồng ngoại HN911L 2.2.4. KHÁI NIỆM HỆ ĐIỀU KHIỂN RƠLE 2.2.4.1. Hệ điều khiển rơle Vào thời điểm ban đầu của cuộc cách mạng công nghiệp, đặc biệt là vào những thập niên 60 & 70, các hệ thống máy móc tự động được điều khiển bởi các hệ thống rơle điện/cơ. Các rơle này được “ nối cứng ” với nhau đặt trong một tủ điều khiển. Trong một số trường hợp, nó lớn đến mức có thể chiếm cả một căn phòng. Tất cả các đường kết nối trong hệ thống rơle đều phải được nối lại với nhau. Việc làm này tốn rất nhiều thời gian. Đặc biệt là khi phải giải quyết các sự cố của hệ thống. Và bất lợi lớn nhất là các rơle chỉ có số tiếp hạn chế nhất định. Khi cần có sự thay đổi thì máy móc phải ngừng làm việc, có khi phải cần thay đổi cả vị trí lắp đặt. Tủ điều khiển chỉ có thể phục vụ cho một quá trình hoạt động nhất định nào đó của hệ thống; có nghĩa là nó không thể thay đổi ngay lập tức để phục vụ một quá trình hoạt động khác mà cần phải có sự thay đổi lại cách đấu dây trong hệ thống. Việc làm đó đòi hỏi người vận hành phải được đào tạo để có kỹ năng thành thạo trong việc xử lý hệ thống. Nói chung, hệ thống điều khiển bằng rơle có tiếp điểm là rất phức tạp. 2.2.4.2. Các nhược điểm của hệ điều khiển rơle có tiếp điểm: Hệ điều khiển rơle có tiếp điểm có các nhược điểm sau: Có quá nhiều dây nối trong tủ điều khiển. Việc thay đổi cấu trúc tủ điều khiển là rất khó khăn. Việc khắc phục các sự cố đòi hỏi người công nhân phải có tay nghề cao. Năng lượng do các cuộn dây tiêu thụ là khá lớn. Thời gian dừng máy để sửa chữa khi có sự cố là khá dài do phải tốn thời gian để tìm sự cố trong tủ điều khiển. Sơ đồ mạch không được cập nhật sau nhiều năm vận hành trong khi vẫn có sự thay đổi sơ đồ đấu dây trong tủ điều khiển, điều này làm kéo dài thời gian sửa chữa khi có sự cố. 2.2.5. KHÁI NIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH 2.2.5.1. Hệ thống điều khiển sử dụng thiết bị điều khiển logic khả trình Nhìn một cách tổng thể thì một hệ thống điều khiển (Control System) là một tập hợp các linh kiện và thiết bị điện tử được lắp đặt để đảm bảo sự làm việc ổn định, chính xác và trơn tru của một quá trình hoặc một hoạt động sản xuất nào đó. Nó được phân ra thành rất nhiều loại với nhiều mức độ khác nhau, từ các nhà máy sản xuất năng lượng lớn đến các máy móc sử dụng công nghệ bán dẫn. Do sự phát triển như vũ bão của công nghệ, các hoạt động điều khiển phức tạp được thực hiện bởi các hệ thống điều khiển tự động chất lượng cao, có thể là thiết bị điều khiển khả trình (Programable Logic Controller - PLC) hoặc có thể là một máy tính chủ v.v... Bên cạnh khả năng giao tiếp với các thiết bị thu nhận tín hiệu (tủ điều khiển, các động cơ, các sensor, các công tắc, các cuộn dây rơle v.v... ), hệ thống điều khiển hiện đại còn có thể nối thành mạng để điều khiển các quá trình có mức độ phức tạp cao cũng như các quá trình có liên hệ mật thiết với nhau. Mỗi một thiết bị đơn lẻ trong hệ thống điều khiển có một vai trò quan trọng riêng không phụ thuộc vào kích thước của nó. Trong ví dụ được chỉ ra trên hình 1-1 (Chương 1 – Phần II), thiết bị PLC không thể biết được những gì đang xảy ra xung quanh nó nếu thiếu những sensor báo tín hiệu. Nó cũng không thể kích hoạt một chuyển động cơ khí nếu không có động cơ chấp hành. Và nếu cần thiết thì một máy tính chủ phải được lắp đặt để điều khiển đồng bộ các hoạt động có liên hệ mật thiết với nhau. Cũng có những ứng dụng mà trong đó chỉ cần một thiết bị PLC đơn lẻ điều khiển một hoặc một vài thiết bị khác. 2.2.5.2. Các ưu điểm của hệ thống điều khiển sử dụng thiết bị điều khiển logic khả trình Hệ thống điều khiển sử dụng thiết bị điều khiển logic khả trình có các ưu điểm sau: Việc đấu dây có thể giảm được 80% so với hệ thống điều khiển sử dụng rơle thông thường. Lượng năng lượng tiêu thụ được giảm đáng kể do PLC tiêu thụ công suất không đáng kể. Các chức năng tự phân tích chương trình điều khiển hệ thống giúp cho việc kiểm soát hệ thống một cách dễ dàng. Việc thay đổi trình tự thực hiện chương trình hoặc thay đổi cả chương trình ứng dụng rất dễ dàng bằng cách lập trình thông qua thiết bị lập trình hoặc phần mềm chạy trên máy vi tính mà không phải thay đổi cách đấu dây, không cần thêm bớt các thiết bị vào/ra ( I/O ). Các bộ định thời được tích hợp bên trong PLC làm giảm phần lớn các rơle và mạch cứng định thời gian so với hệ thống điều khiển sử dụng rơle thông thường. Thời gian thực hiện chu kỳ máy được cải thiện một cách đáng kể do tốc độ hoạt động của PLC chỉ cỡ mili giây ms. Do đó năng suất lao động tăng lên một cách đáng kể. Giá thành hệ thống hạ hơn một cách đáng kể so với hệ thống điều khiển sử dụng rơle thông thường trong trường hợp các đầu vào/ra là rất lớn và hoạt động điều khiển rất phức tạp. Tính tin cậy của PLC cao hơn so với các rơle và các bộ định thời cơ khí. Chương trình trong PLC có thể in ra một cách dễ dàng trong vài phút. Do đó ta có thể cập nhật chương trình trong PLC một cách dễ dàng. 2.3. CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG CHO THANG MÁY Dựa vào yêu cầu công nghệ đặt ra và căn cứ vào những phân tích các phương án ở trên ta chọn phương án truyền động cho thang máy trong đồ án này là: Sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha điều khiển bằng PLC ghép nối qua biến tần. Vì hệ thống này có nhiều ưu điểm, đáp ứng các yêu cầu về vận tốc, gia tốc, độ giật, hãm dừng chính xác . . . Phần 3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BIẾN TẦN VÀ PLC S7 - 200 SIEMENS 3.1. GIỚI THIỆU PLC S7-200 3.1.1 - Giới thiệu phần cứng. PLC, viết tắt của Programmaable Logic Control, là thiết bị điều khiển logic lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển thông qua ngôn ngữ lập trình. S7-200 là thiết bị điều khiển khả trình loại nhỏ của hang siemens có cấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở rộng. Các modul này được sử dụng cho nhiều những ứng dụng lập trình khác nhau. 3.1.1.1 - Sơ đồ cấu trúc. Hình 4.1: Cấu trúc của PLC. Cấu trúc PLC S7-200 gồm 3 phần chính: + Bộ xử lý trung tâm (CPU) + Bộ nhớ (Memory Area) + Bộ vào và ra (Input Area và Output Area) Bộ xử lý trung tâm (CPU). Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU 212 hoặc CPU 214 vv... +) CPU 212 bao gồm. Hình 4.2: CPU 212 họ S7-200 của SIEMENS. - 512 từ đơn tức là 1kbyte để lưu giữ chương trình thuộc miền nhớ đọc ghi được và không bị mất dữ liệu nhờ có giao diện với EEPROM. Vùng nhớ với tính chất như vậy gọi là vùng nhớ non-volatile. - 8 cổng vào và 6 cổng ra logic - Có thể ghép nối mở rộng thêm hai modul mở rộng để tăng thêm số cổng vào ra, bao gồm cả cổng vào ra tương tự. - Tổng số cổng vào ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra - 64 bộ định thời gian (timer) trong đó có 2 bộ có độ phân giải là 1ms, 8 bộ có độ phân giải 10ms và 54 bộ có độ phân giải 100ms. - 64 bộ đếm (counter) chia làm hai loại : loại chỉ đếm tiến là loại vừa đếm tiến vừa đếm lùi. - 368 bit nhớ đặc biệt, sử dụng các bít trạng thái hoặc các bit đặt chế độ làm việc. - Có các chế độ ngắt và xử lý tín hiệu ngắt khác bao gồm : ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc sườn xuống, ngắt theo thời gian và ngắt báo hiệu của bộ đếm tốc độ cao (2kHz). - Bộ nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 50 giờ kể từ khi PLC bị mất nguồn nuôi. +) CPU 214. Hình 4.3: CPU 214 họ S7-200 của SIEMENS. CPU 214 bao gồm : - 4 kbyte từ đơn thuộc bộ nhớ đọc ghi được (non-volatile) để lưu chương trình ( nhờ có giao diện với bộ nhớ EPROM). - 4 kbyte từ đơn thuộc bộ nhớ đọc ghi được để lưu dữ liệu, trong đó 1kbyte từ đầu thuộc vùng nhớ non-volatile. - 14 cổng vào và 10 cổng ra logic - Có thể mở rộng được 7 modul vào ra bao gồm cả modul tương tự. - Tổng số cổng vào ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra. - 128 bộ định thời gian chia ra làm ba loại theo độ phân giải khác nhau : 4 bộ có độ phân giải 1ms, 16 bộ có độ phân giải 10ms, 108 bộ có độ phân giải 100ms. - 128 bộ đếm chia làm hai loại : loại chỉ đếm tiến và loại vừa đếm tiến vừa đếm lùi, 3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2 kHz và 7 kHz - 688 bít nhớ dùng để thay đổi trạng thái và đặt chế độ làm việc. - Các chế độ ngắt và xử lý ngắt bao gồm : ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc sườn xuống, ngắt theo thời gian và ngắt báo hiệu của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung. - 2 bộ phát xung nhanh cho kiểu xung PTO hoặc kiểu xung PWM - Bộ nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ kể từ khi PLC bị mất nguồn nuôi. * Hệ thống các đèn báo trên CPU 214 : - SF : đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng, đèn sáng lên khi PLC có hỏng hóc. - RUN : đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào trong máy. - STOP : đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng, dừng chương trình đang thực hiện lại. - Ix. x : đèn xanh ở cổng nào chỉ định trạng thái tức thời ở cổng Ix. x, đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng vào. - Qx. x : đèn xanh ở cổng nào chỉ định trạng thái tức thời ở cổng Q x. x, đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng ra. * Công tắc chọn chế độ làm việc cho PLC : Công tắc chọn chế độ làm việc cho PLC nằm phía trên, bên cạnh các cổng ra của CPU, có ba vị trí cho phép chọn các chế độ làm việc khác nhau cho PLC. SF RUN STOP I0. 0 I0. 1 IO. 2 I0. 3 I0. 4 I0. 5 I0. 6 I0. 7 I1. O I1. 1 I1. 2 I1. 3 I1. 4 I1. 5 Q0. 0 Q0. 1 Q0. 2 Q0. 3 Q0. 4 Q0. 5 Q0. 6 Q0. 7 Q1. 0 Q1. 1 SIEMENS SIMATIC S7-200 SIMATIC Cổng truyền thông(RS485) Các cổng vào UUS-Protocal Analog out Các cổng ra Hình 4.4: Bộ điều khiển khả lập trình S7-200 với khối vi xử lý CPU214. - RUN : cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ, PLC sẽ rời khỏi chế độ RUN và chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP, thậm chí ngay cả khi công tắc ở chế độ RUN. - STOP : cưỡng bức PLC dừng công việc thực hiện chương trình đang chạy mà chuyển sang chế độ STOP. ở chế độ này PLC cho phép hiệu chỉnh lại chương trình hoặc nạp một chương trình mới. - TERM : cho phép máy lập trình quyết định một chế độ làm việc cho PLC hoặc ở RUN hoặc ở STOP. Hình 4.5: Sơ đồ các chân đầu vào và ra của CPU 214 AC/DC/Relay. Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS-232 với cáp nối PC/PPI và cạc chuyển đổi RS-232 /RS-485 Hình 4.6: Kết nối CPU 214 với máy tính qua cáp PC/PCI. * Pin và các nguồn nuôi: Sử dụng nguồn nuôi để ghi chương trình hoặc nạp chương trình mới có thể là nguồn trên mạng hoặc nguồn pin. * Nút điều chỉnh tương tự : Điều chỉnh tương tự cho phép điều chỉnh các biến cần thay đổi và sử dụng trong chương trình. Nút chỉnh Analog được nắp dưới nắp đậy bên cạnh các cổng ra. Thết bị chỉnh định có thể quay 270 độ. Bộ nhớ. * Bộ nhớ của S7-200 được chia làm 4 vùng có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn nuôi. Bộ nhớ S7-200 có tính năng động cao, đọc và ghi được trong toàn vùng loại trừ phần bit nhớ đặc biệt ký hiệu bởi SM (Specical memory) có thể truy nhập để đọc. * Phân chia bộ nhớ gồm : +) Vùng chương trình có tác dụng lưu chương trình điều khiển (chỉ có 1 chương trình) - Vùng dữ liệu có tác dụng lưu giữ các dữ liệu trong quá trình tính toán cũng như các kết quả trung gian. Dữ liệu có thể ghi ở dạng bit, byte, word, từ kép tuỳ theo kiểu tín hiệu thông qua kí hiệu địa chỉ. - Vùng dữ liệu được chia làm nhiều vùng nhỏ: + Vùng nhớ biến (variable memory): V + Vùng nhớ đầu vào (input image register): I + Vùng nhớ đầu ra (input image register): Q + Vùng nhớ lưu giữ (Intermal memory bits): M + Vùng nhớ đặc biệt (Spencia memory): SM * Để truy cập vùng nhớ ta phải tuân thủ theo đúng quy ước: +) Dữ liệu kiểu bit quy ước như sau: - Kí hiệu vùng nhớ + chỉ số byte + (.) + chỉ số bit Ví dụ: V150.4 : Chỉ bits 4của byte 150 thuộc miền V. - Dữ liệu kiểu byte quy ước như sau: Tên miền + B +địa chỉ byte trong miền Ví dụ: QB6, MB14 - Dữ liệu kiểu Word quy ước như sau: Tên miền + W + địa chỉ byte cao của từ trong miền. Ví dụ: VW12 (lấy địa chỉ ở byte 12, 13) - Muốn truy nhập 32 bit ta kí hiệu như sau: Tên miền + D + chỉ số byte cao Ví dụ: MD1 (lấy địa chỉ ở byte 1, 2, 3, 4) - Vùng tham số có tác dụng chứa các kí hiệu của câu lệnh các kí hiệu địa chỉ và các từ khoá. - Vùng đối tượng có tác dụng tạo ra các rơle thời gian, các bộ đếm, mỗi rơle thời gian và bộ đếm có một vùng nhớ 16 bit để ghi số đếm thời gian, và 1 bit để ghi giá trị logic vì vậy số đếm trong thanh ghi tối đa là 32767. Ngoài ra vùng này còn chứa vùng nhớ đệm cửa vào ra tương tự, và các thanh ghi cũng như các bộ đếm tốc độ cao và được kí hiệu các vùng theo các chữ: + Rơle thời gian: T + Bộ nhớ : C + Đệm cửa vào tương tự: AIW + Vùng đệm cửa ra tương tự: AQW + Thanh ghi: AC + Bộ đếm tốc độ cao: HC Bộ vào ra. PLC S7- 200 bao gồm các đầu vào tín hiệu số, các đầu ngắt và các đầu vào tương tự . Các đầu ra tín hiệu số kiểu rơ le và đầu ra tương tự . - Các cổng truyền thông : PLC S7-200 sử dụng cổng truyền thống nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác. Để ghép nối S7-200 với máy lập trình PC 702 hoặc với máy thuộc họ PC7 xx khác có thể sử dụng một cáp nối thẳng qua cổng MPI. Chân Chức năng 1 Đất 2 Nguồn 24 VDC 3 Truyền nhận dữ liệu 4 Không sử dụng 5 Đất 6 Nguồn 5 VDC 7 Nguồn 24 VDC 8 Truyền nhận dữ liệu 9 Không sử dụng Hình 4.8: Sơ đồ chân cổng truyền thông RS 485. 5 1 2 4 3 7 6 8 9 Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS-232 với cáp nối PC/PPI và cạc chuyển đổi RS-232 /RS-485 3.1.1.2 - Mở rộng vào ra cho PLC. Hình 4.9 : Modul mở rộng EM 222 của PLC. Để tăng số lượng đầu vào đầu ra hoặc các cửa vào ra tương tự ta sử dụng thêm khối mở rộng. Số lượng khối mở rộng được quyết định bởi CPU, các khối này luôn được ghép bên phải khối cơ sở thông qua giắc cắm. Trên khối mở rộng không ghi địa chỉ mà địa chỉ phải được xác định thông qua kiểu khối mở rộng và vị trí của khối mở rộng với các khối cùng loại về phía bên trái. Vì vậy cách xác định địa chỉ như sau: - Địa chỉ được tính tăng dần chỉ số bắt đầu từ khối cơ sở. - Các byte đã sử dụng nhưng chưa hết các bít khi chuyển ra khối mới bắt đầu tính từ byte tiếp theo. Với các khối vào ra tương tự luôn để hai byte để phân cách. CPU 214 được lắp cố định chắc chắn trên rail cùng với các modul mở rộng kết nối với nhau bằng hệ thống bus. Hình 5.1: CPU 214 với các modul mở rộng. Địa chỉ đặt cho các modul mở rộng trên CPU 214 cho theo bảng dưới đây : CPU 214 Modul 0 4 vào/4 ra Modul 1 8 vào Modul 2 3 vào analog/ 1 ra analog Modul 3 8 ra Modul 4 3 vào analog/ 1 ra analog I0. 0 Q0. 0 . . . I0. 7 Q0. 7 I1. 0 Q1. 0 . . . I1. 5 Q1. 1 I2. 0 . . . I2. 3 Q2. 0 . . . Q2. 3 I3. 0 . . . I3. 7 AIW0 AIW2 AIW4 AQW0 Q3. 0 . . . Q3. 7 AIW8 AIW10 AIW12 AQW4 3.1.2 - Giới thiệu ngôn nhữ lập trình của S7-200. 3.1.2.1 - Phương pháp lập trình. - S7-200 biểu diễn một mạch vòng logic cứng khác một dãy các lệnh lập trình. Chương trình bao gồm 1 tập dãy các lệnh S7-200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnh lập trình đầu tiên và kết thúc ở tập lệnh cuối trong một vòng. Một vòng như vậy gọi là vòng quét (Scan). Chu trình thực hiện là một chu trình lặp . Cách lập trình cho S7-200 nói riêng và cho các PLC của SIEMENS nói chung dựa trên 2 phương pháp cơ bản : - Phương pháp hình thang (Laddes logic:viết tắt là LAD) - Phương pháp liệt kê lệnh (Statement List: Viết tắt là STL) Nếu chương trình viết tắt theo kiểu LAD thiết bị lập trình sẽ tự tạo ra 1 chương trình theo kiểu STL tương ứng. Ngược lại không phải mọi chương trình được viết theo kiểu STL cũng có thể chuyển sang dạng LAD được. Bộ lệnh của phương pháp STL có chức danh tương ứng như các tiếp điểm, các cuộn dây và các trường hợp dùng trong LAD. Những lệnh này phải độc và phối hợp được trang thái đầu ra hoặc 1 giá trị logic cho phép, hoặc không cho phép thực hiện chức năng của một hay nhiều hộp. Phương pháp lập trình LAD. LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ hoạ. Những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành phần của bảng điều khiển kiểu role. Trong chương trình LAD các phần tử biểu diễn lệnh như sau : - Tiếp điểm là biểu tượng (Symbol) mô tả các tiếp điểm kiểu role. Các tiếp điểm đó có thể là thường đóng hoặc thường mở. - Cuộn dây (Coil) là biểu tượng mô tả rơ le được mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho role . - Hộp (Box) là biểu tượng mô tả hàm khác nhau, nó làm việc khi có dòng điện chạy đến hộp. Những dạng hàm thường được biểu diễn bằng hộp là các bộ thời gian, bộ đếm và các hàm toán học. Cuộn dây và các hộp phải được mắc đúng chiều dòng điện. Mạng LAD là đường nối các phần tử thành 1 mạch hoàn thiện đi từ đường nguồn bên trái là dây nóng, đường nguồn bên phải là dây trung hoà hay là đường trở về của nguồn cung cấp. Dòng điện chạy từ trái qua phải các tiếp điểm đóng đến các cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn. Phương pháp lập trình STL. Phương pháp liệt kê lệnh STL là phương pháp thể hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh, mỗi câu lệnh trong chương trình kể cả những lệnh hình thức biểu diễn một chức năng PLC. Để tạo ra một chương trình STL, người lập trình cần hiểu rõ phương thức sử dụng ngăn xếp logic của S7-200. Ngăn xếp logic là một khối bit chồng lên nhau. Tất cả các thuật toán liên quan đến ngăn xếp đều chỉ làm việc với bit đầu tiên hoặc với đầu và bit thứ 2 của các ngăn logic. Bit đầu tiên của ngăn xếp S0 Bít thứ 2 của ngăn xếp S1 Bít thứ 3 của ngăn xếp S2 Bít thứ 4của ngăn xếp S3 Bít thứ 5 của ngăn xếp S4 Bít thứ 6 của ngăn xếp S5 Bít thứ 7của ngăn xếp S6 Bít thứ 8 của ngăn xếp S7 Bít thứ 9 của ngăn xếp S8 Giá trị logic mới đều có thể được gửi vào ngăn xếp. Khi phối hợp 2 bit đầu tiên của ngăn xếp thì ngăn xếp sẽ được kéo thêm 1 bit. 3.1.2.2 – Cú pháp hệ lệnh của S7-200. Lệnh vào/ra. - Lệnh LD (load) nạp giá trị logic của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xếp. Các giá trị cũ còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống 1 bit. - Lệnh = (OUTPUT) sao chép nội dung của bit đầu tiên trong ngăn xếp vào bit được chỉ định trong lệnh nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi . Phương pháp chung của 2 lệnh trên là truy nhập theo bit. I1.O QO.1 VD: LD I1.0 = Q0.1 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 cC8 I1.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 I1.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 Trước LD I1.0 Q1.0 Các lệnh logic đại số Boolean. Các lệnh đại số Boolean cho phép tạo được các mạch logic ( không có nhớ ). Trong LAD các lệnh này được biểu diễn thông qua cấu trúc mạch mắc nối tiếp hay song song các tiếp điểm thường đóng hay thường mở . STL có thể sử dụng các lệnh A(and) và 0 (or) cho các hàm hở hoặc các lệnh AN (and not ), ON ( ornot ) cho các hàm kín. Giá trị ngăn xếp thay đổi phụ thuộc vào từng lệnh, toán hạng các lệnh trên I, Q, M ,N ,T , C , V. - Lệnh A (and ). Kiểm tra các điều kiện có thoả mãn hay không. làm phép toán and giữa mạch logic của tiếp điểm và giá trị bit đầu tiên trong ngăn xếp, kết quả được ghi vào bit đầu tiên trong ngăn xếp. I0.0 I0.1 Q1.0 m=I0.0^I0.1 LD I0.0 A I0.1 = Q1.0 VD: Trước LD I0.0 A I0.1 =Q 1.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 m C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 m C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 - Lệnh AN (and-not ) Thực hiện toán tử and giữa giá trị stack 0 với giá trị lôgic nghịch đảo của tiếp điểm. Kết quả ghi được ghi vào stack 0. I1.0 I1.1 Q0.1 LD I1.0 AN I1.1 = Q0.1 VD: - Lệnh O (or ). Thực hiện toán tử V(0 )giữa các giá trị logic của stack 0 và giá trị logic của tiếp điểm. Kết quả được ghi vào stack 0. - Lệnh ON (or-not). Thực hiện toán tử V(0) giữa giá trị nghịch đảo của tiếp điểm và giá trị logic của stack0. Kết quả được ghi vào stack0. - Lệnh LPS(logic push). Sao chụp giá trị của bit đầu tiên vào bit thứ hai trong ngăn xếp. giá trị còn lại đẩy lùi xuống một bit, bit cuối cùng bị đẩy lùi xuông ngăn xếp. - Lệnh LRD(logic read). Sao chép giá trị của bít thứ hai vào bit đầu tiên trong ngăn xếp, giá trị còn lại thì giữ nguyên trong vị trí. - LPP (logic POP). Kéo ngăn xếp lên 1 bit giá trị của bit sau được chuyển lên bit trước. Toán hạng của 5 lệnh OLD, ALD, LPS,LRS, LPP, là không có. I0.0 I0.1 Q0.0 Q0.0 I1.0 Q0.1 LD I 0.0 LPS LD I 0.1 O I 1.0 ALD = Q 0.0 LRD LPP A I 0.3 = Q 0.1 I0.3 VD: ALD Trước LDI0.0 LPS LD I0.1 O I1.0 Q 0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 I0.0 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 I0.1 I0.0 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 m1 I0.0 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 m1 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 I0.0 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 m2 C0 C1 C2 C3 C4 C5 m2 C0 C1 C2 C3 C4 C5 LRD LPP A I0.3 =Q0.1 * Chú ý: Sơ đồ LAD này không soạn thảo được các phần mềm hiện có . Nó được dùng ở đây để mô tả mạch logic của chương trình STL tương ứng bên cạnh. Khi dùng các lệnh LPS, LPP, LRD bắt buộc phải viết trong STL. - Các lệnh ghi - xoá giá trị cho tiếp điểm. Lệnh S (Set) / R(Reset) dùng để đóng ngắt các tiếp điểm gián đoạn đã được thiết kế. Dùng để lưu giữ các kết quả của phép toán logic. Trong LAD , logic điều khiển dòng điện đóng hoặc ngắt những cuộn dây đầu ra. Khi dòng điều khiển đến các cuộn đây thì các cuộn đây đóng mở tiếp điểm ( hoặc một dây tiếp điểm ). Nếu Stack 0 có giá trị bằng ''1'' các lệnh S/R sẽ đóng ngắt tiếp điểm hoặc một dây tiếp điểm ( giới hạn từ 1 đến 55 ). Nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi giá trị này. Phương pháp truy nhập của 2 giá trị này là Byte, bit. - Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét. Dùng để kết thúc chương trình đang thực hiện và kéo dài khoảng thời gian một vòng quét. - Lệnh END. Lệnh kết thúc chương trình chính hiện hành có điều kiện Stack 0 có giá trị logic bằng "1". - Lệnh MEND. Lệnh kết thúc không điều kiện chương trình chính hiện hành . - Lệnh STOP. Lệnh kết thúc chương trình hiện hành , chuyển sang chế độ STOP - lệnh WDR. Lệnh khởi tạo đồng hồ quan sát . - Lệnh NOP. Lệnh rỗng, không có hiệu lực trong chương trình hiện hành. Lệnh này phải được đặt bên trong chương trình chính, chương trình con hoặc trong chương trình xử lý ngắt . - Các lệnh điều khiển Timer. Timer là bộ thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nên trong điều khiển vẫn được gọi là khâu trễ. S7-200 có 64 Timer cới CPU 212 hoặc 128 Timer với CPU214 được chia làm 2 loại khác nhau đó là: - Timer tạo thời gian trễ không có nhớ (on delay Timer): TON. - Timer tạo thời gian trễ có nhớ (Retentive on delaytimer): TONR Hai kiểu Timer của S7-200 (TON và TONR) phân biệt với nhau ở phản ứng của nó với tín hiệu đầu vào . - Lệnh TON. Khai báo Timer kiểu TON để tạo thời gian trễ tính từ đầu vào IN được kích . Nếu như giá trị đếm tức thời lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước PT thì T bit có giá trị logic bằng 1 . Có thể Reset Timer kiểu TON bằng lệnh R hoặc bằng giá trị logic O tại đầu vào IN. Tạo thời gian trễ trong khoảng thời gian (miền liên thông ) Độ phân giải Giá trị cực đại CPU 212 và CPU214 CPU214 1ms 32,767 s T32 T96 10ms 327,67 s T33-T36 T97-T100 100ms 3276,7 s T37-T63 T101-T127 Phương pháp truy nhập theo WORD I0.0 TON T37 IN K 100 PT T37 Q0.0 NETWORK 1 LD I0.0 TON T37 NETWORK 2 K100 LD T37 = Q0.0 +Timer T33 có độ phân giải 10ms + Thời gian trễ T = 100. 10 ms = 1s. + Khi I0.0 đặt trạng thái "1"thì sau 1s Q0.0 sẽ có trạng thái "1" + Giản đồ thời gian tương ứng. I0.0 T37 (word) T37 ( bit) và Q0.0 PT=100 PT=100 RESET nhớ tín hiệu vào - Lệnh TONR Khai báo Timer kiểu TONR để tạo thời gian trễ tính từ khi đầu vào IN được kích . Nếu như giá trị đếm tức thời lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước PT thì T bit có giá trị logic 1. Chỉ có thể logic Timer kiểu TONR bằng lệnh R cho T bit. Tạo thời gian trễ trong nhiều trường hợp khác nhau: Độ phân giải Giá trị cực đại CPU 212 và CPU214 CPU214 1ms 32,767 s T0 T64 10ms 327,67 s T1 - T4 T65 - T68 100ms 3276,7 s T5-T31 T69 -T95 I0.0 TONR T1 IN PT T 1 K 100 +- = w R I1.0 T1 K150 TONR T1 R T1 K1 K100 IN PT == w NETWORK 1 LD I 1.0 TONR T1 K100 NETWORK 2 LDW= T1 K150 R T1 K1 Giản đồ thời gian tương ướng: CT1 có độ phân giải =100ms. Khoảng thời gian đặt trước T1+T2 =100*10ms +150*10ms. I0.0 T1 T2 Giá trị đếm tức thời = 100 Giá trị đếm tức thời =150 T1 (bit) T1 (word) Phần 4 ỨNG DỤNG PLC VÀ BIẾN TẦN VÀO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN 4.1.1. Vector không gian của các đại lượng 3 pha. 4.1.1.1. Xây dựng vector không gian: Động cơ đồng bộ hay không đồng bộ đều có ba cuộn dây với dòng điện ba pha bố trí như sau: Trong đó 3 dòng điện isa, i sb, i sc là 3 dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ. Khi chạy động cơ bằng biến tần thì đó là 3 dòng ở đầu ra của biến tần, ba dòng đó thoả mãn phương trình: isa(t) + isb(t) + isc(t) = 0 (3.1) Và từng dòng điện đó thoả mãn công thức sau: isa =| is| . cos(t) isb =| is| . cos(t +1200) (3.2 isc =| is| . cos(t +2400) Trên mặt phẳng cơ học động cơ xoay chiều 3 pha có 3 cuộn dây đặt lệch nhau một góc 1200. Nếu trên mặt phẳng cắt đó ta thiết lập một hệ toạ độ phức với trục thực đi qua cuộn dây a của động cơ ta có thể xây dựng vector không gian sau đây: is(t) = .[isa(t) + isb(t).ej120 + isc(t).ej240] = | is|.ej  (3.3) Theo công thức trên thì vector is(t) là một vector có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc . fs và tạo với trục thực một góc pha s(t). Trong đó fs là tần số mạch stator. Việc xây dựng véc tơ is(t) được mô tả trong hình sau. Hình 3.1: Thiết lập các vector không gian từ các đại lượng pha. Qua hình vẽ ta thấy dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng. Ta đặt tên cho trục thực có mặt phẳng phức là và trục ảo là , hình chiếu của vector dòng xuống hai trục đó là is, và is: Hình 3.2: Biểu diễn dòng stator dưới dạng vector không gian với các phần tử is, is, và thuộc hệ toạ độ stator cố định. Dễ dàng nhận thấy rằng và là hai dòng hình sin do đó ta có thể hình dung ra một động cơ điện tương ứng với hai cuộn dây cố định , thay thế cho 3 cuộn dây a, b, c. Hệ toạ độ này là hệ toạ độ stator cố định ta có: (3.4) Trên cơ sở công thức (3.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính của 3 cuộn dây không nối đất ta chỉ cần đo 2 trong 3 dòng điện stator là đã có đầy đủ thông tin về is(t) với các thành phần trong công thức (3.4). Tương tự với các vector dòng stator, các vector điện áp stator us, dòng rotor ir, từ thông stator , từ thông rotor đều có thể biểu diễn bằng các phần tử thuộc hệ toạ độ stator cố định. (3.5) 3.1.1.2. Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian. Mục đích của ta ở đây là đưa cách quan sát các đại lượng vector trên hệ toạ độ stator cố định , sang hệ toạ độ xy nào đó quay đồng bộ với từ thông stator. Ta xét hệ toạ độ tổng quát xy và hệ toạ độ x*y* có chung điểm gốc và nằm lệch đi 1 góc so với hệ xy. Quan sát véc tơ bất kỳ ta thu được: - Trên hệ xy : - Trên hệ x*y* : Hình 3.3: Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian bất kỳ. Từ hình vẽ và qua vài biến đổi ta có công thức chuyển đổi hệ toạ độ như sau: (3.6) Từ đó ta thấy hai hệ toạ độ x*y* và xy được coi là hai hệ toạ độ cố định hay nói cách khác góc được coi là không đổi. Nhưng trong thực tế có thể là một góc biến thiên với tốc độ góc. Trong trường hợp ấy hệ toạ độ x*y* là hệ toạ độ quay tròn với tốc độ góc là xung quanh gốc của hệ toạ độ xy . Giả sử ta quan sát một động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc đang quay với vận tốc góc trong đó là góc tạo bởi trục rotor và trục quay cuộn dây pha a. Hình vẽ biểu diễn hai vector dòng stator is và từ thông rotor với modul và một góc pha bất kỳ. Hình 3.4: Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ từ thông rotor. Vector từ thông quay với tốc độ góc Trong đó fs là tần số mạch điện stator. Từ hình vẽ (3.5) ta thấy sự chênh lệch đó tạo nên dòng điện rotor với tần số fr, dòng điện đó cũng có thể biểu diễn dưới dạng vector ir với tốc độ góc và gốc trùng với gốc của hệ toạ độ , và đặt tên cho trục của hệ mới là d và q ta dễ dàng nhận thấy rằng hệ toạ độ mới định nghĩa là một hệ toạ độ quay xung quanh điểm gốc chung với tốc độ góc với vector is có các phần tử mới là isd và isq. Để dễ nhận biết được vector đang quan sát ở hệ toạ độ nào ta quy ước thêm hai chỉ số mới được viết bên phải trên cao: f thay cho hệ toạ độ dq và s thay cho hệ toạ độ , ta sẽ có: (3.7) Nếu biết được ta có thể dễ dàng tính được theo công thức. (3.8). hay (3.9) Quá trình trên được tổng hợp đầy đủ trong hình vẽ sau. Hình 3.5: Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ trục toạ độ từ thông rotor( còn gọi là hệ toạ độ dq ). Ưu điểm của hệ toạ độ mới là do các vector is và cũng như bản thân hệ toạ độ dq quay đồng bộ với nhau với tốc độ góc quanh điểm gốc, các phần tử của vector (isd, isq) là các đại lượng một chiều. Trong chế độ vận hành xác lập các phần tử đó thậm chí có thể là không đổi. Quá trình quá độ chúng có thể biến thiên theo một thuật toán đã định trước. Khó khăn thực tiễn của việc tính isdvà isq là việc xác định góc , trong trường hợp động cơ đồng bộ góc đó được xác định dễ dàng bằng thiết bị đo tốc độ vòng quay(máy phát xung kèm vạch o, resolver). Trường hợp động cơ không đồng bộ góc được tạo nên bởi tốc độ góc , trong đó chỉ có là có thể đo được, ngược lại với fr là tần số mạch rotor ta chưa biết. Vậy phương pháp mô tả trên hệ toạ độ dq đòi hỏi phải tính được một cách chính xác đó là cơ sở của hệ thống điều khiển / điều chỉnh kiểu tựa theo từ thông rotor (T4R). Một cách tương tự như đối với vector dòng stator ta có thể biểu diễn tất cả các vector còn lại trên hệ toạ độ dq. (3.10). Ta thấy trong phương trình có do trục q bản thân đứng vuông góc với tuy nhiên trên thực tế ta rất khó tính chính xác góc do đó ta vẫn giữ để đảm bảo tính khách quan khi quan sát. 3.1.2. Nguyên tắc điều chế vector: Phương pháp điều chế vector không gian là phương pháp mạnh phổ cập trong các hệ truyền đã hoá số toàn phần dùng để điều khiển biến tần. Khâu điều khiển biến tần là khâu ghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển / điều chỉnh bằng số với khâu chấp hành: biến tần / động cơ. Trong hệ thống này sơ đồ nguyên lý của động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc được nuôi bởi biến tần dùng van bán dẫn, hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cao, các van bán dẫn ở đây chủ yếu là tranzitor(IGBT, MOSFET). Thông thường các đôi van được vi xử lý vi tính điều khiển sao cho điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như góc pha cho trước được đặt lên 3 cực của động cơ theo đúng yêu cầu biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều UMC: STT Cuôn dây pha 0 1 2 3 4 5 6 7 Pha a 0 1 1 0 0 0 1 1 Pha b 0 0 1 1 1 0 0 1 Pha c 0 0 0 0 1 1 1 1 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc nuôi bởi biến tần nguồn áp. Ta thấy mỗi pha của động cơ có thể nhận một trong hai trạng thái 1(nối với cực dương của UMC) hoặc 0 (nối với cực âm của UMC) do đó các van bán dẫn sẽ có 23 = 8 trạng thái, khả năng nối pha của động cơ với UMC. Như trong bảng sau: Pha a 0 1 1 0 0 0 1 1 Pha b 0 0 1 1 1 0 0 1 Pha c 0 0 0 0 1 1 1 1 Bảng 3.1. Các khả năng nối pha động cơ Để tìm được vector điện áp chuẩn cho các cặp van bán dẫn của biến tần tạo nên, ta xét kỹ một khả năng trong tám khả năng trên, ví dụ như khả năng thứ tư trong bảng 1 với sơ đồ nối dây như hình vẽ sau: (a) (b) Hình 3.7 : a. Sơ đồ 3 cuộn dây theo khả năng thứ 4 của bảng 3.1 b. Vector không gian ứng với khả năng thứ 4 của bảng 3.1 Từ hình vẽ trên ta có thể tính được điện áp rơi trên từng quận dây pha a, b, c. Xét bố trí hình học của ba quận dây trên mặt phẳng tương tự như đối với khả năng thứ tư, ta dễ dàng xây dựng được vector điện áp tương ứng cho tất cả các trường hợp còn lại (Hình 3.9) các vectơ đó được đánh số từ 07 như số thứ tự của bảng 3.1. Ở đây còn lưu ý đến hai trường hợp đặc biệt. u0: Cả ba pha đều nối với cực (-) của UMC u7: Cả ba pha đều nối với cực (+) của UM. Cả hai vector này có mođul = 0 và có ý nghĩa rất quan trọng sau này. Hình 3.8: Vector điện áp của cuộn dây a, b, c Từ trên hình cho thấy rõ ràng vị trí của từng vector chuẩn trong hệ toạ độ , ta ghi nhớ rằng modul của tổng vector đó luôn có giá trị = . Ngoài quy ước thông thường về các góc phần tư Q1 đến Q4 phân chia bởi 2 trục hệ toạ độ , . Các vector chuẩn chia toàn bộ không gian thành các góc phần 6 S1 đến S6 chỉ bằng 8 vector chuẩn (Hình 3.9) ta phải tạo nên điện áp stator với biên độ góc pha bất kỳ mà khâu ĐCD sau này yêu cầu. 3.1.3. Nguyên lý của phương pháp điều chế vector không gian. Giả sử ta phải thực hiện vector us bất kỳ như trong hình 3.10 vector đó có thể nằm ở góc phần 6 bất kỳ nào đó. Trong ví dụ này us nằm ở S1. us có thể thành tổng của hai vector up,ut tựa theo hai hướng của vector chuẩn u1,u2 các chữ viết bên phải (thấp) có nghĩa như sau. t: vectơ biên trái. p: vectơ biên phải. Hình3.9: Thực hiện vector us bất kỳ bằng 2 vector chuẩn. Ta đã biết rằng điện áp sẽ được quy đổi bằng thời gian đóng ngắt xung trong một chu kỳ nào đó, giả thiết toàn bộ chu kỳ đó là chu kỳ có ích được phép dùng để thực hiện vector khi này modul tối đa cũng không thể vượt quá 2/3 UMC do vậy ta có công thức. . (3.11) Thời gian tối đa là t ta có các nhận xét đầu tiên như sau: + us là tổng vector của 2 vector biên up, ut: us = up + ut + Hai vector biên có thể thực hiện bằng cách thực hiện u1 (cho up) và u2 (cho ut) trong khoảng thời gian sau: (3.12) Vấn đề ở đây là ta phải tính được các khoảng thời gian Tp, Tt để tính được Tp, Tt ta phải biết được modul của vector biên phải up và modul của vector biên trái ut . Xuất phát điểm để tính modul của vector us là do khâu điều chỉnh dòng yêu cầu. Ta đã xét đến thời gian để thực hiện các vector Tp, Tt trong khoảng thời gian còn lại T – (Tp + Tt) biến tần sẽ thực hiện 1 trong 2 vector có modul = 0, u0 và u7 bằng cách đó trên thực tế ta thực hiện phép cộng vector sau: (3.13) Đến đây ta phải xem xét trình tự thực hiện 3 vector u1,u2,u7 (u0). Ta có bảng xung mẫu của 4 vector trên như bảng 3.1. Thông qua bảng xung mẫu ta thấy trình tự sẽ là có lợi nhất nếu trong một chu kỳ các cặp van phải chuyển mạch ít nhất. Cụ thể ở đây các cặp van sẽ phải chuyển mạch một lần. - Nếu như trạng thái cuối cùng là u0 trình tự thực hiện sẽ là: - Nếu như trạng thái cuối cùng là u7 trình tự thực hiện sẽ là: Bằng cách thực hiện như vậy ta sẽ gây tổn hao đóng cắt các van của biến tần ở mức thấp nhất. Nếu ta vẽ ghép tượng trưng 2 chu kỳ nối tiếp nhau thuộc góc phần 6 thứ nhất S1 ta sẽ thu được biểu đồ xung như sau. Hình3.10: Biểu đồ xung điện áp Bằng cách thực hiện hoàn toàn tương tự như góc phần 6 thứ nhất S1 cho các góc phần 6 còn lại ta có biểu đồ xung các vector điện áp đó. 3.1.4. Cách tính và thực hiện thời gian đóng cắt van bán dẫn của biến tần: Bảng các số liệu về góc pha cũng như về vị trí (góc 1/4, góc 1/6) vector của điện áp ta sẽ biết được quá trình đóng cắt của các van, còn việc tính toán thời gian đóng cắt của các van hoàn toàn phụ thuộc vào thông tin về modul của các vector up, ut.. Vector điện áp stator us thường được cho biết trước dưới 1 trong 2 dạng sau: + Hai thành phần một chiều usd, usq trên hệ toạ độ từ thông rotor góc pha gồm có góc của hệ toạ độ dq cộng với góc riêng của us (so với trục dq theo công thức sau): (4.1) + Hai thành phần hình sin, ở dạng này thông tin về góc pha được ẩn trong . Do đó ta cũng có hai phương pháp tính modul của up, ut giả sử ta xét vector us bất kỳ thuộc góc phần 6 thứ nhất. II.2.1 Phương pháp 1: Công thức (4.1) ta tính được và do đó ta tính được modul của vector biên phải, biên trái được tính như sau: (4.2) (4.3) (4.4) Hình3.11: Các khả năng cho biết trước về vector điện áp stator us II.2.2. Phương pháp 2: Các vector up, ut được tính trực tiếp từ theo công thức sau: (4.5) (4.6) Phương pháp 1 chỉ cần ba công thức (4.2, 4.3, 4.4) cho toàn bộ không gian song ở phương pháp 1 có 2 phép chia () cũng nhưphần dư và ba phép tính lượng giác(sin, cos, tg) trong điều khiển/ điều chỉnh thực của chu kỳ tính toán T ở vài phần trăm , cần cân nhắc khi xuất hiện thêm các phép chia. Các phép tính lượng giác có thể được gia tốc bằng cách tính sẵn các bảng giá trị cất trong RAM, thời gian tính thực tế chỉ còn là thời gian xâm nhập bảng đọc. Ngược lại ở phương pháp 2 các công thức (4.5, 4.6) chỉ có giá trị với góc s1 trong phương pháp này ta phải tuỳ theo góc phần tư và góc phần 6 cụ thể mà áp dụng công thức ở bảng sau: S1 Q1 S2 Q1 Q2 S3 Q2 S4 Q3 S5 Q3 Q4 S6 Q4 Bảng 3.2: Bảng giá trị cất trong RAM. Việc áp dụng phương pháp 2 tưởng chừng phức tạp hơn do phải dùng nhiều công thức khác nhau như trong bảng 2 tuy vậy quan sát kỹ ta sẽ thấy tất cả quy tụ về chỉ có 3 công thức sau. a = b = c = Trong cả 3 công thức đều không có phép chia cũng như phép tính lượng giác vì vậy áp dụng chúng sẽ có lợi nhiều về thời gian tính toán. Vấn đề còn lại là phải biết được us nằm ở góc phần tư, phần sáu nào của không gian vector để lựa chọn cho đúng công thức. Ta có thể sử dụng các suy nghĩ sau: + Xét dấu , ta nhận biết được us nằm ở góc phần tư thứ mấy. + Biểu thức sẽ đổi dấu mỗi khi us đi qua danh giới của góc phần sáu bất kỳ. Sau khi biết được góc phần tư bằng việc xét dấu b ta sẽ biết được góc phần sáu cụ thể thuộc góc phần tư đó. 3.1.5. NHẬN XÉT CHUNG : Như đã phân tích ở trên ta chọn động cơ truyền động là động cơ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc và phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ là phương pháp điều chỉnh tần số dựa vào phương pháp điều chế vector không gian, ở các hệ truyền động một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ ta dùng các bộ biến đổi van, bộ biến đổi máy điện và bộ biến đổi xung áp. Ngày nay trong hệ truyền động xoay chiều để điều chỉnh tốc độ cơ theo phương pháp trên người ta thường dùng một thiết bị là biến tần. ỨNG DỤNG BIẾN TẦN CHO TRUYỀN ĐỘNG THANG MÁY