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

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

TỔNG QUAN VỀ THANG MÁY

Tổng quan

1.1.1 Khái niệm chung về thang máy a Lịch sử phát triển thang máy

Thang hoặc tời nâng thô sơ đã xuất hiện từ thế kỷ III TCN, hoạt động chủ yếu bằng sức người, sức vật hoặc cơ cấu cơ khí chạy bằng nước Thang máy hiện đại đầu tiên được phát triển vào thế kỷ 19, sử dụng hơi nước hoặc sức nước để nâng chuyển Chất lỏng, thường là nước, được đưa vào thùng để tạo áp lực, giúp cabin di chuyển lên Thang máy công suất lớn đầu tiên ra đời vào thế kỷ XIX tại Hoa Kỳ, với tời nâng hàng đơn giản hoạt động giữa hai tầng trong các công trình ở New York.

Vào thế kỷ XIX, với sự phát triển của điện học, động cơ điện đã được tích hợp vào kỹ thuật thang máy nhờ nhà phát minh Werner Von Siemens người Đức Động cơ này được lắp đặt trong máy cabin, truyền động bánh răng để kết nối với cơ cấu thanh răng trên tường Năm 1887, thang máy điện đầu tiên được phát triển tại Baltimore, sử dụng thiết kế trống xoay tròn để quấn cáp.

Ngày nay, hệ thống điều khiển tốc độ thang máy ngày càng phức tạp, đảm bảo sự phối hợp đóng ngắt để kiểm soát an toàn tốc độ cabin trong mọi tình huống Các nút nhấn được tích hợp trong bàn phím nhỏ gọn, và hầu hết các thang máy tự động hiện nay đều được thiết kế cho mục đích thương mại.

Thang máy là thiết bị chuyên dụng dùng để vận chuyển người, hàng hóa và vật liệu lên cao theo phương thẳng đứng hoặc với góc nghiêng nhỏ hơn 15 độ, di chuyển trên một tuyến đã được xác định trước.

Thang máy là thiết bị thiết yếu trong các khách sạn, công sở, chung cư, bệnh viện và các công trình cao tầng, giúp tiết kiệm thời gian di chuyển với chu kỳ vận chuyển ngắn và tần suất lớn So với các phương tiện vận chuyển khác, thang máy cho phép người dùng di chuyển liên tục mà không cần phải leo cầu thang, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả Do đó, việc đảm bảo yêu cầu chung về an toàn và hiệu suất cho thang máy là rất quan trọng trong các công trình hiện đại.

Thang máy là thiết bị vận chuyển yêu cầu an toàn nghiêm ngặt, ảnh hưởng trực tiếp đến tài sản và tính mạng con người Do đó, việc thiết kế, chế tạo, lắp đặt, vận hành, sử dụng và sửa chữa thang máy phải tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn Thang máy cần được trang bị đầy đủ các thiết bị an toàn như điện chiếu sáng dự phòng, điện thoại nội bộ, chuông báo, bộ hãm bảo hiểm, an toàn cabin, công tắc an toàn cabin, khóa an toàn cửa tầng và bộ cứu hỏa khi mất điện.

Thang máy là thiết bị vận tải thiết yếu, phục vụ việc di chuyển hàng hóa và con người theo phương thẳng đứng Sự phát triển của thang máy đáp ứng nhu cầu đi lại nhanh chóng giữa các tầng, góp phần nâng cao năng suất lao động và tiết kiệm thời gian cũng như sức lực cho người sử dụng.

Thang máy hiện nay được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế, đặc biệt trong công nghiệp để vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu và đưa công nhân đến các vị trí cao Trong các ngành như khai thác hầm mỏ, xây dựng và luyện kim, thang máy đóng vai trò thiết yếu Ngoài ra, thang máy cũng rất quan trọng trong các tòa nhà cao tầng, cơ quan, bệnh viện và khách sạn, giúp tiết kiệm thời gian và sức lực, từ đó nâng cao năng suất công việc Do đó, thang máy trở thành yếu tố cạnh tranh quan trọng trong xây dựng và kinh doanh.

Thang máy hiện nay được thiết kế đa dạng với nhiều kiểu loại khác nhau, phù hợp với mục đích sử dụng của từng công trình Việc phân loại thang máy có thể dựa trên các nguyên tắc và đặc điểm cụ thể.

1.1.2.1 Theo công dụng a Thang máy chở khách (có ký hiệu là P (Passenger))

Hệ thống thang máy được thiết kế đặc biệt để đáp ứng nhu cầu sử dụng tần suất cao, phục vụ việc chuyên chở người và vận chuyển hành khách trong các khu chung cư, tòa nhà văn phòng, trung tâm thương mại, khách sạn cao cấp và nhà khách.

Hình 1.1: Thang máy chở người b.Thang máy bệnh viện (có ký hiệu là B (Bed))

Thang máy bệnh viện là hệ thống được thiết kế đặc biệt cho ngành y tế, phục vụ cho các bệnh viện, khu điều dưỡng và trạm y tế xã phường Với kích thước rộng rãi, thang máy này có khả năng chuyên chở băng ca và giường bệnh, đồng thời đảm bảo đủ không gian cho bác sĩ, y tá và các thiết bị y tế đi kèm Đặc biệt, thang máy vận hành êm ái, không rung lắc, giúp bệnh nhân được cố định và đảm bảo an toàn tuyệt đối trong suốt quá trình di chuyển.

Hình 1.2 : Thang máy bệnh viện c Thang máy tải chở hàng (có ký hiệu là F (Freight))

Thang máy chuyên dụng với tải trọng lên đến 10 tấn được sử dụng phổ biến trong các khu công nghiệp, khu chế xuất, nhà xưởng và kho bãi Thiết kế của thang chở hàng có cabin rộng rãi, cho phép xe nâng ra vào dễ dàng, đồng thời hoạt động êm ái, không gây lắc hay giật cục, đảm bảo an toàn cho hàng hóa trong quá trình vận chuyển.

Hình 1.3: Thang máy chở hàng

1.1.2.2 Theo hệ thống dẫn động cabin a Thang máy dẫn động điện

Thang máy cabin sử dụng động cơ điện để di chuyển lên xuống thông qua hộp giảm tốc và puli ma sát hoặc tang cuốn cáp, cho phép hành trình không bị giới hạn nhờ vào hệ thống cáp treo Ngoài ra, còn có loại thang máy sử dụng bánh răng và thanh răng, thường được thiết kế để vận chuyển người phục vụ trong các công trình cao tầng.

Thang máy điện có bộ tời đặt trên giếng thang, với hai phương pháp dẫn động cabin là puli masat và tang cuốn Ngược lại, thang máy dẫn động thủy lực sử dụng pít tông để đẩy cabin từ dưới lên, nhưng hành trình bị hạn chế tối đa chỉ 18m, không phù hợp cho các công trình cao tầng Mặc dù có kết cấu đơn giản và tiết diện giếng thang nhỏ hơn so với thang máy cáp, thang máy thủy lực vẫn mang lại chuyển động êm ái, an toàn và giảm chiều cao tổng thể của công trình khi phục vụ cùng số tầng, do buồng thang máy được đặt ở tầng trệt.

Hình 1.5: Thang máy thủy lực

1.1.2.3 Theo vị trí đặt bộ tời treo Đối với thang máy điện:

Thang máy có bộ tời kéo đặt dưới giếng thang

Hình 1.6 Thang máy điện có bộ tời đặt phía dưới giếng thang a, cáp treo trực tiếp vào dầm trên của cabin b, cáp vòng qua đáy cabin

1.1.2.4 Theo hệ thống vận hành a Theo mức độ tự động

+ Loại tự động + Loại bán tự động b Theo tổ hợp điều khiển

+ Điều khiển kép + Điều khiển theo nhóm c Theo vị trí điều khiển

+ Điều khiển trong ca bin + Điều khiển ngoài ca bin

+ Điều khiển cả trong và ngoài ca bin

1.1.2.5 Theo các thông số cơ bản a Theo tốc độ di chuyển của ca bin

+ Loại tốc độ thấp: V< 1m/s + Loại tốc trung bình: V=1-2,5m/s + Loại tốc độ cao: V=2,5-4m/s

+ Loại tốc độ rất cao: V> 4m/s b Theo khối lượng vận chuyển của ca bin

+ Loại nhỏ: Q 00kg + Loại trung bình: Q P0-1000kg + Loại lớn: Q 00-1600kg + Loại rất lớn: Q >1600kg

Cấu trúc điển hình của thang máy

Thang máy có cấu trúc phức tạp (hình 1.7) nhưng nhìn chung được cấu tạo gồm một số bộ phận như sau:

+ Cơ cấu nâng hạ bao gồm: Đ/C KĐB đảo chiều

+ Puly (tang cuốn cáp nâng hạ)

+ Hệ thống phanh giữ (phanh từ)

+ Bộ phận dẫn hướng (gồm một hệ thống ray)

+ Bộ phận treo ca bin (hệ thống cáp)

+ Bộ phận hạn chế tốc độ

+ Bộ giảm chấn đáy hầm

+ Hệ thống các thiết bị an toàn và phục vụ khác

+ Tủ điện và hệ thống điều khiển

Tất cả các thiết bị của thang máy được lắp đặt trong giếng buồng thang, bao gồm không gian từ trần tầng cao nhất đến mức sâu nhất của tầng 1, trong buồng máy trên sàn tầng cao nhất, và trong hố buồng thang dưới mức sàn tầng 1.

Hình 1.7 Kết cấu và bố trí thiết bị của thang máy

Các hệ truyền động trong thang máy

Hiện nay, có nhiều loại hệ truyền động được sử dụng cho thang máy, trong đó trước đây, hệ truyền động với động cơ một chiều là phổ biến Tuy nhiên, với sự phát triển của biến tần công nghiệp, động cơ không đồng bộ cũng ngày càng được áp dụng rộng rãi Việc lựa chọn hệ truyền động cần dựa trên các yêu cầu cụ thể.

- Độ dừng chính xác buồng thang

- Tốc độ di chuyển buồng thang

- Trị số gia tốc lớn nhất cho phép

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ yêu cầu

Hệ truyền động với động cơ không đồng bộ thường được áp dụng trong thang máy và máy nâng có tốc độ thấp đến trung bình Đối với động cơ không đồng bộ, người sử dụng có thể lựa chọn nhiều phương án truyền động khác nhau để phù hợp với nhu cầu cụ thể.

- Hệ truyền động với động cơ không đồng bộ, roto lồng sóc thường dùng trong các thang máy và máy nâng có tốc độ thấp và tải trọng nhỏ

Hệ truyền động xoay chiều với động cơ không đồng bộ roto dây quấn thường được sử dụng cho thang máy và máy nâng có tải trọng lớn, giúp nâng cao chất lượng hệ thống truyền động Việc này cho phép tăng, giảm tốc một cách hiệu quả và nâng cao độ chính xác khi dừng.

Hệ truyền động xoay chiều với động cơ không đồng bộ roto lồng sóc hai cấp độ thường được sử dụng trong các thang máy có tốc độ trung bình Động cơ này có hai dây quấn stato độc lập kết nối theo sơ đồ hình sao, với số đôi cặp cực dây quấn stato thường chọn là 2p = 6 đến 2p = 24 hoặc 2p = 4 đến 2p = 20 Tương ứng, tốc độ đồng bộ của động cơ đạt từ 1000 đến 250 vòng/phút hoặc 1500 đến 300 vòng/phút.

Hệ truyền động xoay chiều với động cơ không đồng bộ roto lồng sóc, được cung cấp năng lượng từ bộ biến tần, được sử dụng trong các thang máy tốc độ cao (v > 1,5m/s) Giải pháp này giúp hạn chế gia tốc và độ giật trong giới hạn cho phép, đồng thời đạt được độ chính xác cao khi dừng.

Hệ truyền động với động cơ đồng bộ được sử dụng phổ biến trong các thang máy có tải trọng lớn, với công suất động cơ truyền động P > 300kW Loại hệ thống này thường được áp dụng chủ yếu trong ngành khai thác mỏ.

- Hệ truyền động với động cơ một chiều thường dùng trong các thang máy có tốc độ cao (V ≥ 1,5m/s) Có hai dạng hệ truyền động thường được ứng dụng:

Hệ F-Đ là hệ máy phát một chiều kết hợp với động cơ một chiều có khuếch đại trung gian, cung cấp nguồn cho cuộn kích từ của máy phát Hệ thống này thường được sử dụng cho thang máy cao tốc, giúp đảm bảo sơ đồ chuyển động hợp lý và nâng cao độ chính xác khi dừng Tuy nhiên, nhược điểm của hệ F-Đ là công suất lắp đặt cao, gấp 3 đến 4 lần so với hệ xoay chiều, cùng với độ phức tạp trong vận hành và sửa chữa.

Hệ T-Đ máy phát một chiều đã được thay thế bằng bộ chỉnh lưu thyristor, phản ánh sự tiến bộ trong lĩnh vực điện tử công suất lớn Hiện nay, loại hệ truyền động này được áp dụng rộng rãi và đã trở thành sự lựa chọn phổ biến thay cho hệ F-Đ.

Hệ truyền động trong thang máy rất đa dạng, bao gồm cả động cơ một chiều và động cơ xoay chiều Tuy nhiên, động cơ điện xoay chiều đang dần thay thế động cơ một chiều nhờ vào thiết kế đơn giản, dễ chế tạo và khả năng linh hoạt trong việc lựa chọn hệ truyền động phù hợp với yêu cầu công nghệ Hơn nữa, về mặt kinh tế, hệ thống sử dụng động cơ không đồng bộ có giá thành thấp hơn và yêu cầu bảo trì ít hơn so với động cơ điện một chiều.

Trong các loại thang máy chở người, động cơ không đồng bộ điều khiển bằng bộ biến tần được ưa chuộng do không yêu cầu công suất động cơ quá lớn Bộ biến tần mang lại ưu điểm về khả năng điều khiển đơn giản, chất lượng điều chỉnh cao và ổn định Nhờ vào bộ biến tần, tốc độ động cơ có thể được điều chỉnh trong dải rộng, đồng thời khả năng hãm và dừng với độ chính xác cao đáp ứng yêu cầu quan trọng của thang máy.

Kết Luận

Thang máy hiện nay có cấu trúc đa dạng, yêu cầu lựa chọn khắt khe về kinh tế và an toàn cho người sử dụng Những kiến thức lý thuyết này rất cần thiết cho nhóm đồ án trước khi thực hiện khảo sát thực tế Việc nắm vững thông tin tổng quan về thang máy sẽ hỗ trợ nhóm hoàn thành tốt các công việc khảo sát chi tiết trong các chương tiếp theo.

CẤU TRÚC, MÔ HÌNH HÓA THANG MÁY

Cấu trúc thang

Giếng thang là không gian cho thang máy hoạt động lên xuống, bao gồm các rail dẫn hướng, cáp chịu lực và truyền động cho cabin Ở đáy hố thang, có các giảm chấn như lò xo, cao su hoặc thủy lực Khối lượng của đối trọng được thiết kế bằng khối lượng cabin cộng với 1/2 khối lượng định mức hoạt động của thang.

Hệ thống điện dọc hố thang bao gồm các giới hạn hành trình trên cùng và dưới cùng, với cabin được gắn thanh cam để tác động vào các tiếp điểm của hộp giới hạn Khi cabin chạm vào hộp đầu tiên, tốc độ sẽ phải giảm, và nếu tiếp tục chạm vào hộp thứ hai, chiều điều khiển sẽ bị cắt Khi tác động vào hộp cuối cùng, toàn bộ hệ thống điều khiển sẽ ngắt Hộp điều khiển đầu tiên còn được sử dụng để reset bộ đếm Ngoài ra, hệ thống còn bao gồm đèn chiếu sáng dọc hố, các tiếp điểm cửa tại các tầng, mạch hiển thị, nút nhấn, đèn nhớ và thiết bị an toàn, được gọi chung là Govenor Govenor gồm puly chính ở phòng máy và puly đối trọng dưới hố thang, giúp giữ cho sợi cáp luôn căng và di chuyển Sợi cáp này được nối với tay giật ổ thắng lắp theo cabin.

Tại mỗi tầng, chúng ta sẽ thấy cửa thang máy cùng với hộp điều khiển, bao gồm hiển thị trạng thái hoạt động của thang (tầng hiện tại, chiều phục vụ, chế độ kiểm tra bảo dưỡng, và thông báo lỗi) Hộp điều khiển còn có nút nhấn gọi thang với đèn nhớ và ổ khóa hoạt động hoặc khóa gọi sử dụng thang.

Hình 2.2: a) Cửa tầng thiết kế trên NX b) Cửa tầng chế tạo thực tế

Trong trạng thái bình thường, các cửa tầng của thang máy đều được đóng kín và có cơ cấu khóa cơ khí bên trong, yêu cầu chìa khóa để mở từ bên ngoài Mỗi cửa được trang bị tiếp điểm điện để xác nhận trạng thái đóng kín Thang máy chỉ hoạt động khi tất cả các cửa đều được đóng kín; khi thang ngang bằng tầng, cửa cabin sẽ mở ra và kéo theo cửa tầng mở Nếu cửa đã đóng nhưng tiếp điểm không nhận tín hiệu đóng, bộ điều khiển sẽ không cho thang hoạt động Tùy thuộc vào thiết kế, cửa tầng có thể có một hoặc nhiều cánh, và các cánh cửa này được liên kết để mở đồng bộ.

2.1.3 Phòng điều khiển Đa số máy kéo thang máy hiện nay sử dụng động cơ 3 pha 380V được kết nối với hộp số (giảm tốc độ, tăng hệ số chịu tải), máy kéo có tiêu chuẩn riêng cho từng loại thang và được sản xuất đồng bộ Đối với thang tốc độ cao người ta sử dụng trực tiếp tốc độ của động cơ (gọi là động cơ không hộp số, Gearless) Mỗi loại máy kéo sẽ có thông số chịu tải và tốc độ kéo cabin nhất định Thông thường ngoài puly chính của máy kéo, còn có các puly đỡ phụ, dùng để thay đổi hướng đi của cáp tải, vị trí và kích thước của các puly đỡ phụ này được tính toán sao cho góc ôm là hợp lý, nếu góc ôm nhỏ quá sẽ sinh ra hiện tượng trượt cáp, còn nếu góc ôm lớn quá thì cáp mau mỏi, ma sát với puly lớn làm giảm tuổi thọ cáp tải Tùy vào thiết kế riêng của từng thang mà máy kéo có thể lắp đặt ngay trên giếng thang, sàn tầng dừng trên cùng hoặc sàn tầng dùng thấp nhất, hay bố trí bên trong hố thang (thang không phòng máy)

Phần điều khiển được sử dụng để điều khiển toàn bộ hoạt động của thang máy Kết hợp điều khiển bằng PLC và VĐK

Khi thang đang hoạt động, có thể xảy ra hiện tượng đứt cáp truyền động hoặc cáp trượt trên puly kéo, dẫn đến việc cabin di chuyển với tốc độ cao hơn quy định hoặc đứt cáp treo Trong trường hợp này, switch an toàn trên puly Govenor sẽ ngắt toàn bộ hệ thống điều khiển thang Ngoài ra, một switch an toàn phụ được lắp tại tay giật ổ thắng sẽ nhận biết sự dịch chuyển của tay giật Nếu cabin vẫn tiếp tục di chuyển sau khi hệ thống điều khiển đã ngắt, cơ cấu lực ly tâm của puly Govenor sẽ hoạt động, nêm chặt sợi cáp lại Khi bị nêm lại, quán tính sẽ kéo tay giật của ổ thắng, khiến cơ cấu ổ thắng ép chặt rail dẫn hướng, giữ cabin lại an toàn.

Hệ thống phanh cơ khí được lắp đặt cạnh máy kéo, bao gồm thắng đĩa hoặc thắng càng Trong trạng thái bình thường, lực ma sát tĩnh của thắng cơ khí giữ cho trục moto không quay, giúp giữ thang cố định Để thang có thể di chuyển, cần mở thắng cơ khí bằng cách cấp dòng điện vào cuộn thắng.

Bảng điều khiển ngoài cabin của thang máy bao gồm hai nút nhấn với các mũi tên chỉ hướng đi lên và đi xuống Khi người sử dụng ấn nút mũi tên hướng lên, thang sẽ di chuyển lên các tầng trên, trong khi ấn nút mũi tên hướng xuống sẽ yêu cầu thang di chuyển xuống các tầng dưới Tại tầng trệt, bảng điều khiển chỉ có mũi tên đi lên, và tại tầng trên cùng, chỉ có mũi tên đi xuống.

Hình 2.3: Điều khiển ngoài cabin

*Bảng điều khiển trong cabin (hình 2.4)

Trên bảng điều khiển của thang máy, số lượng nút nhấn tương ứng với số tầng của tòa nhà, với tầng trệt được ký hiệu là G Khi thang máy di chuyển xuống, hệ thống chỉ nhận tín hiệu cho các tầng thấp hơn, và ngược lại, khi thang đi lên, chỉ nhận tín hiệu cho các tầng cao hơn Những tín hiệu không phù hợp sẽ được lưu vào bộ nhớ để thực hiện trong lộ trình tiếp theo.

Ngoài các nút ấn đánh số các tầng, trên bảng điều khiển trong buồng thang còn có một số nút nhấn khác:

 Nút nhấn Open Door (kí hiệu: ) và nút nhấn Close door (kí hiệu: >