T×m hiÓu vµ x©y dùng hÖ thèng ®iÒu khiÓn
thang m¸y nhê bé ®iÒu khiÓn khả tr×nh PLC S7300 CPU314

Tủ sách Free4vn.org


11


Chương i

Tổng quan về thiết bị và phương pháp đIều khiển thang máy
I. Giới thiệu thiết bị hợp thành thang máy
I.1. Mở đầu
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp,
tại các trung tâm công nghiệp và thương mại phát sinh nhu cầu
lớn về xây dựng các nhà cao tầng. Bởi lẽ tại các khu công
nghiệp và thương mại tập trung nhiều cơ quan, xí nghiệp, thêm
vào đó là sự gia tăng dân số và lực lượng lao động tập trung về
đây lớn, tốc độ đô thị hoá ngày càng nhanh. Đất đai thì ngày
càng thu hẹp lại do nhu cầu về xây dựng và sản xuất quá lớn.
Chính vì vậy mà việc xây dựng những toà nhà cao tầng tại
thành phố và các khu công nghiệp là rất cần thiết. Đi đôi với
việc xây dựng những toà nhà cao tầng thì thang máy là bộ phận
không thể tách rời, chúng ta giả sử rằng với một toà nhà cao
tầng mà không có thang máy thì năng xuất lao động sẽ giảm đi
rất nhiều, còn về mặt thời gian thì không thể chấp nhận được,
trong công cuộc công nghiệp hoá đất nước hiện nay thì yếu tố
thời gian quyết định đến thành công. Thang máy không những
sử dụng trong các toà nhà cao tầng mà còn được sử dụng rộng
rãi trong các nghành công nghiệp như việc nâng hạ, vận chuyển

Thang máy là loại thiết bị vận tải dùng để vận chuyển
người và hàng theo phương thẳng đứng. Thang máy nói riêng
và máy nâng nói chung ngày càng được sử dụng rộng rãi với
các yêu cầu khắt khe về kỹ thuật nhằm đảm bảo cho thang máy
có tính phục vụ cao. Trong quá trình cơ giới hoá thì đòi hỏi
thang máy phải nâng cao năng xuất và giảm được thời gian vận
chuyển giữa các bộ phận khác nhau trong cùng một quá trình
sản xuất, đối với thang máy dùng trong các toà nhà cao tầng thì
đòi hỏi phải phục vụ hàng khách một cách toót nhất và thuận
lợi nhất, đảm bảo an toàn tốt nhất cho hành khách.
I.2.1. Các thiết bị hợp thành thang máy
I.2.2.1 Các thiết bị cơ khí
1. Cáp thép:
Cáp thép là chi tiết rất quan trọng được sử dụng hầu hết
trong các máy nâng nói chung và thang máy nói riêng.
Yêu cầu chung đối với cáp phải là:
- An toàn trong sử dụng
- Độ mềm cao dễ uốn cong, đảm bảo nhỏ gọn của cơ cấu và
máy, đảm bảo độ êm dịu không gây ồn khi làm việc trong cơ
cấu và máy nói chung.
- Trọng lượng riêng nhỏ, giá thành thấp, đảm bảo độ bền lâu,
thời hạn sử dụng lớn.
Cáp thép được chế tạo từ sợi thép các bon tốt (ít lưu huỳnh và
phốt pho), được chế tạo bằng công nghệ kéo nguội có đường
kính từ 0.5 á 2.3mm. Các sợi này được bện thành cáp chuyên
dùng. Để chống rỉ, người ta tráng lớp kẽm, bôi dầu mỡ, sau khi
tráng kẽm thì dộ bền của cáp giảm 10%. Trong thang máy thì
người ta dùng từ 3á5 sợi làm cáp treo, treo buồng thang.
2. Puly-Puly ma sát.
Puly là chi tiết dùng để dẫn cáp bằng ma sát(gọi tắt là Puly

lớp cáp. Khi tang quay đã biến chuyển động quay thành chuyển
động tịnh tiến và truyền lực dẫn động tới cáp và các bộ phận
khác.
Tang ma sát là một loại tang có đặc điểm là không cố định
đầu cáp trên tang mà cuốn lên tang một số vòng, khi tang quay
thì thì một nhánh cáp cuốn vào với lực căng Fc = Fmax và
nhánh kia nhả ra với lực căng Fn = Fmin.
Tang truyền chuyển động nhờ ma sát giữa cáp và tang. Tang
ma sát gồm loại hình trụ và loại có đường kính thay đổi.
15


Khả năng kéo cần thiết của tang ma sát U để dịch chuyển tải
trọng được tính từ lực cản dịch chuyển tải trọng và các điều
kiền làm việc với hệ số an toàn cần thiết. Lực căng cáp nhỏ nhất
Fmin trên nhánh nhả được tính từ điều kiện lực căng ban đầu
để truyền lực bằng ma sát hoặc từ điều kiện độ võng cho phép
của cáp. Vậy lực căng cáp lớn nhất Fmax trên nhánh cuốn cần
thiết để dịch chuyển tải trọng là:
Fmax = U + Fmin
Sốvòng cáp cần thiết cuốn lên tang ma sát được tính từ điều
kiện cáp không bị trượt trên tang theo công thức Euler :
Fmax = Fmin. ef2p n
Trong đó:
f: hệ số ma sát giữa cáp và tang.
Hệ số an toàn:
n = lg F max - lg F min
2p . f . lg e

Tang ma sát hình trụ thường dược xẻ rãnh cáp theo hình

thay đổi với hai bậc khác nhau.
Các đường kính Dmax và Dmin của loại tang này xác định
từ các tốc độ cho trước vmzx , vmin . Để thay cáp được tiện lợi và
do tang ngắn, tang ma sát có đường kính thay đổi thường được
lắp côngxôn với trục dẫn động của nó.
Để tăng lực bám giữa cáp và tang, có thể làm các gân nhỏ
trên bề mặt tang dọc theo trục tang.
4. Phanh an toàn.
Để tránh cho ca bin rơi trong giếng thang khi đứt cáp hoặc
hạ với tốc độ vượt quá giá trị cho phép, phanh an toàn tự động
dừng và giữ ca bin tựa trên các ray dẫn hướng. Ca bin của tất
cả các loại thang máy đều phải được trang bị phanh an toàn.
Phanh an toàn còn được được trang bị cho đối trọng khi đối
trọng nằm trên lối đi hoặc phần diện tích có người đứng. Theo
nguyên tắc làm việc có loại phanh dừng đột ngột và phanh
dừng êm dịu, phanh dừng đột ngột thường được áp dụng đối với
loại thang máy có vận tốc cỡ 0.71m/s, theo kết cấu có các loại
phanh như phanh kiểu nêm và kiểu cam. Đối với loại thang
máy có tốc độ trên 1m/s và các loại thang máy được sử dụng
trong bệnh viện thì thường dùng loại phanh dừng êm dịu với bộ
phận công tác là nêm hoặc kẹp. Phanh an toàn thường lắp với
cáp nâng(được sử dụng cho thang máy dùng tang cuốn cáp) và
mắc với bộ hạn chế tốc độ(dùng cho thang máy sử dụng Puly
ma sát)
a> Phanh dừng đột ngột mắc với cáp nâng:
Loại phanh này thường dùng cho thang máy với tang cuốn
cáp và thang máy chở hàng. Có nhiều phương pháp dẫn động
17



Khi treo ca bin cáp nâng có độ căng kéo các tay đòn (4) làm các
quả nêm
ở đầu kia của tay đòn đi xuống tạo khe hở gữa nêm và ray dẫn
hướng và ca bin có thể chuyển động bình thường. Khi đứt hoặc
chùngcáp nâng, thiết bị treo có thể dịch xuốngvà các lò xo(5)
kéo tay đòn(4) làm các quả
nêm (6) dịch lên trong vỏ của nó, đi hết khe hở và ép chặt vào
thanh dẫn hướng (7),thực hiện một quá trình tự nêm để phanh
ca bin tựa trên các thanh dẫn hướng.
b>Phanh dừng đột ngột mắc với bộ hạn chế tốc độ:
Tất cả các loại thang máy dùng Puly ma sát đều phải mắc
phanh an toàn với bộ hạn chế tốc độ. Sơ đồ nguyên lí đơn giản
của cách mắc này như sau:

(Hình vẽ)

19


Khi làm việc ở chế độ bình thường lò xo (8) kéo tay đòn (4)
xuống để đảm bảo cho quả nêm (6) không tiếp xúc với ray dẫn
hướng (7) và ụ tì (10) đảm bảo khe hở giữa chúng. Do đầu
cánhtay đòn (4) nối với cáp hạn chế tốc độ màkhi ca bin chuyển
động nó kéo cáp (3) và quay bộ hạn chế tốc độ (9). Khi ca bin
hạ với tốc độ lớn hơn giá trị cho phép, tốc độ quay của bộ hạn
chế tốc độ cũng tăng và tự dừng làm cáp (3) cũng dừng theo
nhưngca bin vẫn tiếp tục đi xuống. Do vậy mà cáp (3) của bộ
hạn chế tốc độ qua đầu nối (2) tác động lên tay đòn (4), tay treo
(5) và quả nêm (6) làm chúng có chuyển động tương đối đi lên
so với ca bin. Quả nêm ăn hết khe hở với thanh dẫn hướng và


(Hình vẽ)
Trên vỏ (15) có gắn cứngtrục nhờ đai ốc (16). Trên trục có
lắp đĩa (1) cùngcác Puly (13) và (14) bằng ổ bi để chúng có thể
quay tự do quanh trục. Trên đĩa (1) có các chốt (2) để lắp các
quảvăng (6). Các quả văng này liên hệ với nhau bằng thanh kéo
(9) trên có lắp lò xo chịu nén (5). Lò xo (5) có một đầutì lên vấu
(4) gắn trên đĩa (1), đầu kia tì lên vòng đệm (7) và đai ốc (8)
trên thanh kéo (9) để có thể điều chỉnh độ nén của lò xo. Như
vậy, do vấu (4) gắn cố định trên đĩa nên lò xo (5) luôn có xu
hướng đẩy thanh kéo (9) sang trái để đầu các quả văng (6)
không chạm vào các vấu (3) của vỏ khi quay đĩa. Với tốc độ
quay bình thường, ứng với tốc độ danh nghĩa của ca bin, đĩa (1)
quay dễ dàng và các quả văng ở vị trí không chạm vào vấu (3)
trên vỏ. Khi tốc độ ca bin vượt quá giới hạn cho phép, qua cáp
hạn chế tốc độ vắt trên rãnh Puly (14), đĩa (1) cũng quay
nhanh ứng với tốc độ tương ứng và lực li tâm của các quả
văng tăng lên, ép lò xo (5) và tách các quả văng ra xa tâm quay
làm đầu quả văng mắc vào vấu (3) và đĩa cùng Puly (13), (14)
dừng lại. Puly có rãnh hình thang nên với hệ số ma sát tính toán
lớn nên khi nó dừng lại nó làm cho cáp hạn chế tốc độ vắt qua
Puly dừng theo, cabin vẫn tiếp tục đi xuống nên cáp hạn chế tốc
111


độ tác động lên hệ tay đòn để phanh an toàn hoạt động. Lò xo
(5) càng bị nén thì lực ly tâm cần thiết để tách quả văng ra càng
lớn, Nếu lực nén lò xo nhỏ thì dễ gây ra hiện tượng dừng ngẫu
nhiên khi nó chuyển động với tốc độ danh nghĩa dẫn đến cần
phải điều chỉnh lò xo sao cho bộ hạn chế tốc độ hoạt động với

G: khối lượng hàng
112


a: Hệ số cân bằng (a=0.3á0.6)
8. Một số thiết bị cơ khí khác.
Ngoài các thiết bị cơ khí đã kể trên trong thang máy còn
một số thiết bị cơ khí khác như:
Ray dẫn hướng
Bệ đặt động cơ
Các hệ thống liên động
I.2.1.2 Thiết bị điện trong thang máy
Mạch điện của thang máy bao gồm những mạch sau:
1. Mạch động lực :
Là hệ thống điều khiển cơ cấu dẫn động thang máy để đóng
mở động cơ dẫn động và phanh cơ khí của cơ cấu. Hệ thống
phải đảm bảo việc điều chỉnh tốc độ chuyển động của ca bin sao
cho quá trình mở máy và phanh được êm dịu và dừng chính xác
trước cửa tầng.
2. Mạch điềukhiển :
Là hệ thống điều khiển tầng có tác dụng thực hiện một
chương trình điều khiển phức tạp, phù hợp với chức năng yêu
cầu của thang máy. Hệ thống điều khiển tầng có nhiệm vụ lưu
trữ các lệnh di chuyển từ ca bin, các lệnh gọi tầng của hành
khách và thực hiện các lệnh di chuyển hoặc dừng theo một thứ
tự ưu tiên nào đó của mạch điều khiển. Sau khi thực hiện xong
lệnh điều khiển thì xoá bỏ ; xác định và ghi nhận thường xuyên
vị trí ca bin và hướng chuyển động của nó.
Hiện nay, hệ thống điều khiển bán tự động bằng tay gạt có
người điều hành rất ít sử dụng, tất cả các hệ thống điều khiển

- Đứt cáp hoặc tốc độ hạ ca bin vượt quá giới hạn cho phép
(bộ hạn chế tốc độ và phanh an toàn làm việc ).
- Một trong các cáp nâng chùng quá giới hạn cho phép (bộ
căng cáp ).
- Cửa ca bin hoặc một trong các cửa tầng không đóng hẳn.
Ngoài ra, thang máy còn có cửa đẩy, đóng mở tự động. Khi
đóng Nếu gặp chướng ngại vật thì mở cửa ra rồi đóng lại hoặc
quá tải sẽ không đóng. Thang máy chở người có nút bấm cấp
cứu trong trường hợp khẩn cấp như: khi có hoả hoạn, hành
khách bị mắc các chứng bệnh đột ngột (tim, huyết áp cao)
tức là khi bấm nút này thì ca bin hạ xuống tầng một và mở cửa.
I.2.1.3 Các thiết bị dẫn động
Ngày nay hệ truyền động trong thang máy là dùng động cơ
một chiều và xoay chiều. Xu hướng hiện nay người ta thường
chế tạo hệ truyền động với động cơ xoay chiều vì nó hiệu quả
114


kinh tế hơn và đáp ứng được yêu cầu về điều khiển và khởi
động động cơ. Đi đôi với hệ truyền động thang máy bằng động
cơ xoay chiều là các bộ biến tần, hệ thống này có ưu điểm là làm
việc rất tin cậy vì không có tiếp điểm và có thể điều khiển được
tốc độ động cơ để đạt được biểu đồ tốc độ tốt nhất của cabin.
Yêu cầu chung đối với động cơ điện là ít ồn, Roto của động cơ
có mô men quán tính lớn(để hạn chế gia tốc khi mở máy).
* Tính toán công suất động cơ truyền động thang máy:
Để tính chọn công suất động cơ thang máy cần phải có các
thông số kỹ thuật sau.
- Tốc độ và gia tốc lớn nhất cho phép
- Trọng tải

Khi hạ.
ộ
1ự
Ph = ờ(G + Gbt ).h + Gdt . ỳ.v.g .k .10 -3 (kw)
hỷ
ở

Trong đó:
115


k: Là hệ số tính đến ma sát giữa thanh dẫn hướng và
đối trọng
k = 1.15 á 1.3
Gđt: Khối lượng của đối trọng
Phần lớn các thang máy chở khách chỉ vận hành đầy tải
trọng ở những giờ cao điểm, thời gian còn lại luôn làm việc non
tải. Cho nên đối với thang máy chở khách nên chọn a =0.35
0.4, còn đối với thang máy chở hàng, khi nâng thường là đầy tải
và khi hạ là không tải nên chọn a= 0.5
Tuy nhiên trong quá trình tính toán ta phải tính đến các lực
cản trong quá trình truyền động.
+ Lực vòng trên Puly ma sát do sự chênh lệch lực căng trên 2
nhánh cáp.
+ Lực ma sát giữa ngàm dẫn hướng và ray dẫn hướng, lực này
phụ thuộc vào ngàm dẫn hướng, độ chính xác khi lắp ráp và bôi
trơn.
+ Đối với thang máy tốc độ cao xuất hiện lực cản không khí
trong giếng khi cabin chuyển động.
Nhìn chung các lực này là không đáng kể do đó khi chọn thiết

cửa ra vào. Buồng thang có trang bị bộ phanh bảo hiểm. Phanh
bảo hiểm giữ buồng thanh tại nơi đứt cáp, mất điện và khi tốc
độ vượt quá tốc độ cho phép, trước đây người ta hay sử dụng
loại phanh bảo hiểm kiểu nêm nhưng hiện nay thì loại phanh
kiểu kìm được sử dụng rộng rãi hơn, nó đảm bảo cho buồng
thang dừng êm dịu hơn. Phanh bảo hiểm kìm được lắp ở dưới
buồng thang. Khi tốc độ của thang bình thường thì 2 gọng kìm
sẽ trượt theo thanh dẫn hướng cùng với buồng thang. Nằm giữa
hai cánh tay đòn của kìm có một cái nêm, khi tốc độ thang máy
tăng thì nêm sẽ chin vào giữa 2 cánh tay đòn của kìm để hãm
tốc độ nhờ được gắn với hệ thống truyền động bánh vit trục vít.
117


Cùng với phanh bảo hiểm thang máy còn bố trí thêm cơ cấu
hạn chế tốc độ. Khi buồng thang di chuyển sẽ làm cho cơ cấu
hạn chế tốc độ kiểu ly tâm quay. Khi tốc độ buồng thang tăng,
cơ cấu truyền đai sẽ làm cho hệ bánh vít-trục vít quay và gang
kìm sẽ áp chặt buồng thang vào thanh dẫn hướng do đó đã làm
hạn chế được tốc độ của buồng thang.
I.2.3. Phân loại
Tuỳ thuộc vào chức năng của thang máy có thể phân loại theo
các nhóm sau:
- Thang máy chở người trong các toà nhà cao tầng. Đây là loại
thang máy có yêu cầu kỹ thuật rất cao, nó buộc phải có những
tính năng kỹ thuật vượt trội so với các loại thang máy khác để
đáp ứng yêu cầu đó. Loại thang máy này có thể cùng một lúc
phục vụ nhiều tín hiệu trong một hành trình.
- Thang máy dùng trong bệnh viện: Yêu cầu tính năng kỹ
thuật cao. Ngoài các tính năng như chạy êm thì nó còn phải đáp

= M Mt
375 dt

Trong đó:
GD2 - mômen vôlăng tương đương của cơ cấu quy về
trục động cơ (gồm các chi tiết máy quay và phần chuyển động
tịnh tiến).
n - tốc độ quay của trục độnh cơ
Mt- mômen cản tĩnh do trọng lượng các phần trong hệ
thống cân bằng và do lực ma sát giữa ngàm và ray dẫn hướng
quy về trục động cơ
M - mômen ở máy của động cơ (Mm) trong quá trình mở
máy hoặc momen phanh trong quá trình phanh cabin (Mph)
I.2.4.1 Quá trình mở máy.
Khi mở máy, động cơ điện thường có Mm ạ const và khi đó
phương trình vi phân trên có lời giải phức tạp. Trong phép tính
thực tế, người ta coi Mm=const và quá trình mở máy là quá
trình chuyển động nhanh dần đều. Khi đó phương trình có
dạng:
dt m =

GD 2
dn
375(M m M t )

Dẫn đến thời gian mở máy:
GD 2
tm =
no
375(M m M t )


am =

Dấu của mô men tĩnh phụ thuộc vào trạng thái làm việc của ca
bin.
- Mở máy để nâng ca bin đầy tải hoặc hạ ca bin không tải
:Mt lấy dấu(-)
- Mở máy để hạ ca bin đầy tải hoặc nâng ca bin không tải
:Mt lấy dấu(+)
Mô men tĩnh quy về trục động cơ được tính theo công thức:
Mt =

P.D
2i0 .h

Trong đó :
h : hiệu suất chung của truyền động.
P= F2 F1 : lực vòng tĩnh trên Puly ma sát được xác
định như sau
Cabin đầy tải
Mở
máy
Phanh
nâng cabin
cabin
hạ
ở vị trí dưới
xuống vị trí
cùng
dưới cùng


a,va,va-,v

F1
2
FF
2
a
aa-

I.2.4.2.Quá trình phanh.
Để đảm bảo mức độ êm dịu và độ dừng chính xác khi phanh,
trong các thang máy chở người, trước khi phanh cơ khí làm
việc, người ta thường hạ tốc độ quay của động cơ xuống tốc độ
quay nhỏ n0 . Ta xét hai trường hợp : Động cơ một tốc độ và
động cơ hai tốc độ. Đối với động cơ có thể điều chỉnh nhiều tốc
độ, ta có thể tính với cách tính tương tự.
Mô men phanh cơ khí của cơ cấu dẫn động được tính từ điều
kiện treo ca bin ở trạng thái thử tải tĩnh:
M ph =

P.D
h.k
2i0

Trong đó:
P : lực vòng ở trạng thái thử tải
k : hệ số an toàn phanh ( k =1.25 đến 1.3).
+Động cơ một một tốc độ.
Phương trình của quá trình phanh có dạng:

Dấu của mô men tĩnh cũng lấy theo trạng làm việc như sau:
- Phanh ca bin đầy tải khi hạ hoặc ca bin không tải khi nâng
M t' lấy dấu (-)
- Phanh ca bin đầy tải khi nâng hoặc ca bin không tải khi hạ
M t' lấy dấu (+).
M t' : mômen tĩnh khi phanh quy về trục động cơ.

n
n0

0
tph
Hình

t

: Quá trình phanh đối với động cơ 1 tốc độ

+Động cơ hai tốc độ.
ở giai đoạn 1, động cơ tự sinh ra mô men phanh
năng) để giảm tốc độ quay từ n0 xuống nn
Các thông số đặc trưng của giai đoạn 1:
t ph1 =
S ph1 =

M ph (

hãm động

GD 2 .(n0 - nn )

a ph 2 =

n

2 g .D.( M ph M t' )
i0 .GD 2

tph1

n0
nn
0
tph2

Hình : Quá trình phanh đối vớiđộng cơ hai tốc độ

I.2.4.3 ảnh hưởng của tốc độ, gia tốc và độ dật đối với hệ truyền
động thang máy.
Một trong những yêu cầu quan trọng đối với hệ truyền động
của thang máy là phải đảm bảo độ êm diụ khi chuyển động.
Cabin thang khi chuyển động êm hay không phụ thuộc chính
vào gia tốc khi mở máy và khi hãm máy(phanh). Các tham số
chính đặc trưng cho các quá trình mở máy và hãm là: tốc độ di
chuyển v(m/s), gia tốc a(m/s2), độ giật J(m/s3)
Tốc độ di chuyển của buồng thang quyết định năng suất của
thang máy và có ý nghĩa 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=3,5 m/s), giảm thời gian quá độ và tốc độ di chuyển
trung bình của thang đạt gần bằng tốc độ định mức. Nhưng
123

0.5 0.8 1.0 1.
2
( m/s )
0

3.
5
2.
0
1.
5

Độ giật là đại lượng đặc trưng cho tốc độ tăng của gia tốc khi
mở máy và độ giảm của gia tốc khi hãm, hay nói cách khác đó
là đạo hàm bậc nhất của gia tốc và là đạo hàm bậc 2 đối với vận
tốc J= da/dt. Độ giật có ảnh hưởng lớn đến đệ êm dịu của cabin.
Khi gia tốc a
trong mạch điều khiển) là một trong các yếu tố quan trọng trong
yêu cầu kỹ thuật điều khiển thang máy. Nếu buồng thang dừng
không chính xác sẽ gây ra các hiện tượng sau :
- Đối với thang máy chở khách thì sẽ làm cho hành khách ra
vào khó khăn, tăng thời gian ra vào của hành khách dẫn đến
125