Phần 1: TÍN HIỆU HÓA VÀ LÝ THUYẾT CHUNG VỀ TỐI ƯU LUẬT ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY

Tối ưu hóa chương trình điều khiển thang máy

Vấn đề tối ưu hoá trong điều khiển thang máy 

Như đã biết, trong các thang máy các nút ấn gọi thang được bố trí ở các tầng, tuỳ theo thiết kế mạch mà mỗi tầng sẽ có 1 hoặc 2 nút gọi thang. Ở phương án này, tất cả các tầng ( trừ tầng thượng chỉ có nút gọi xuống và tầng 1 chỉ có nút gọi lên ) đều bố trí 2 nút ấn gọi thang, một nút gọi lên và một nút gọi xuống. Trong buồng thang cũng có một bàn phím gồm các nút ấn đến tầng, đóng mở cửa nhanh, dừng khẩn cấp, báo chuông khi cần thiết.

Các tín hiệu đó tác động vào hệ điều khiển thang máy không theo một quy luật nào cả. Do đó vấn đề đặt ra là: thang máy phải có một luật điều khiển sao cho vừa thỏa mãn được các yêu cầu công nghệ, vừa đáp ứng được sự tối ưu về quãng đường mà buồng thang phải dịch chuyển, thời gian phục vụ cũng như năng lượng tiêu tốn, đồng thời mọi hành khách cảm thấy thoải mái khi sử dụng thang máy.

Như vậy, một vấn đề nữa đặt ra là làm thế nào để có thể phục vụ được tất cả hành khách một cách tối ưu nhất, có thể nhớ được nhiều tín hiệu gọi Cabin và xử lý các tín hiệu nhớ này theo một luật tối ưu. Trong trường hợp này ta sử dụng lý thuyết hàng đợi.

Lý thuyết hàng đợi

Khái niệm chung về hệ thống hàng đợi

Hệ thống hàng đợi (Queueing System) là hệ thống có các bộ phận phục vụ (Services) và các khách hàng đi đến hệ thống (Arriving Customers) để được phục vụ. Nếu khi khách hàng đến mà các bộ phận phục vụ đều bận thì các khách hàng phải sắp hàng để đợi được phục vụ. Chính vì vậy mà hệ thống này có tên là hệ thống hàng đợi. Lý thuyết toán học để khảo sát các hệ thống hàng đợi được gọi là lý thuyết phục vụ đám đông (các khách hàng được coi là một đám đông được phục vụ).

Các đặc trưng cho hàng đợi

  • Chiều dài hàng đợi: là số khách hàng có trong hàng đợi (hạn chế hoặc không hạn chế).
  • Thời gian đợi: là khoảng thời gian từ khi khách hàng đến hệ thống cho đến khi bắt đầu được phục vụ. Thời gian đợi có thể hạn chế hoặc không hạn chế.
  • Luật sắp hàng: là phương thức chọn khách hàng trong hàng đợi. Thông thường có các luật sắp hàng như sau :
  1. Đến trước phục vụ trước
  2. Đến trước phục vụ sau
  3. Ngẫu nhiên
  4. Ưu tiên …

Các thành phần chính của hệ thống hàng đợi

Hệ thống hàng đợi có ba bộ phận chính là :

  • Dòng khách hàng: là các phần tử, yêu cầu, sự kiện đi đến hệ thống để được phục vụ – được gọi chung là khách hàng. Đặc trưng cho dòng khách hàng là cường độ dòng khách hàng Ayđơn vị thời gian. Dòng khách hàng là một dòng sự kiện ngẫu nhiên, do đó khoảng cách thời gian giữa các khách hàng cũng là một đại lượng ngẫu nhiên.
  • Kênh phục vụ: là các cơ cấu để phục vụ khách hàng, thực hiện các yêu cầu của khách hàng. Thời gian phục vụ (Service time) và khoảng thời gian giữa  các lần phục  vụ là những đại lượng ngẫu nhiên. Tuỳ theo hệ thống có một hay nhiều điểm phục vụ mà người ta gọi là hệ thống có một hoặc nhiều kênh phục vụ. Đặc trưng cho kênh phục vụ là dòng phục vụ với cường độ là μ/đơn vị thời gian. Cường độ phục vụ là số khách hàng được phục vụ xong trên một đơn vị thời gian.
  • Hàng đợi (Queue): là số khách hàng chờ đến lượt được phục vụ. Tuỳ theo số khách hàng đến nhiều hay ít (cường độ λ lớn hay bé), khả năng phục vụ (số kênh phục vụ, thời gian phục vụ) mà số khách hàng phải đợi trong hàng đợi nhiều hay ít. Vì vậy, độ dài hàng đợi cũng là một đại lượng ngẫu nhiên.
  • Luật sắp hàng: trong hệ thống hàng đợi có một kênh phục vụ thường có luật sắp hàng điều chỉnh sau đây:

1/ FIFO (First – In First – Out) : Khách hàng đến trước phục vụ trước . Luật FIFO thường được dùng ở những nơi như :

+ Sắp hàng trước quầy tính tiền của siêu thị.
+ Sắp hàng vào cơ sở dịch vụ , phương tiện vận tải.
+ Các thiết bị sắp hàng trên băng tải chờ đến lượt được lắp ráp…

2/ LIFO (Last – In First – Out) : Khách hàng đến sau được phục vụ trước luật LIFO thường được dùng ở những nới như:

+ Ra khỏi buồng thanh máy : người nào vào sau cùng sẽ được ra trước tiên.
+ Đọc giữ liệu trên băng từ : dữ liệu ghi sau sẽ được đọc trước.
+ Hàng hoá được xếp vào thùng chứa : hàng xếp sau cùng (phía trên của hàng chứa sẽ đựơc lấy ra trước …

3/ Ngẫu nhiên: các khách hành đều có chế độ ưu tiên như nhau và được phục vụ một cách ngẫu nhiên. Luật này thường đựợc lấy ở các trường hợp sau như :

+ Phụ nữ trẻ em và người tàn tật được ưu tiên phục trước.
+ Luật FIFO cũng là trường hợp đặc biệt với đầu ưu tiên là đến trước.
+ Thời gian phục vụ ngắn được phục vụ trước (shortest job first). Ví dụ trên nút giao thông xe nhỏ gọn nhanh được ưu tiên đi trước so với xe to cồng kềnh di chuyển chậm v.v…

  • Chiều dài hàng đợi: số khách hàng đứng đợi để được phục vụ. Nếu số vị trí để đứng đợi không hạn chế thì chiều dài hàng đợi có thể dài bất kỳ. Ngược lại nếu số vị trí đứng đợi là hạn chế thì thì chiều dài hàng đứng đợi không vượt quá số đã cho trước. Trong trường hợp này nếu khách hàng đến đúng vào lúc chiều dài hàng đợi đã đầy thì phải rời bỏ hệ thống và hệ thống sẽ bị mất khách hàng. Chiều dài hàng đợi là một đại lượng ngẫu nhiên phụ thuộc vào cường độ dòng khách hàng và dòng phục vụ.
  • Thời gian sắp hàng: quãng thời gian khách hàng đứng đợi trong hàng đợi chờ để chờ đến lượt phục vụ. Có loại khách hàng có thể đợi bao lâu cũng đựơc, ngựơc lại có loại khách hàng chỉ có thể đợi trong một thời gian nhất định, hết thời gian đó khách hàng sẽ rời bỏ hệ thống mặc dầu vẫn còn chỗ để đứng đợi. Trong trường hợp này hệ thống sẽ mất khách hàng. Để giảm khả năng mất khách hàng hệ thống phải tăng cường độ dòng phục vụ hoặc tăng số kênh phục vụ.

Thuật toán tối ưu điều khiển thang máy

Khi thiết kế thuật toán tối ưu điều khiển thang máy với hệ thống hàng đợi ta thấy có những đặc điểm cần lưu ý như sau:

  • Nếu chiều dài hàng đợi lớn quá có thể xảy ra trường hợp hành khách không đợi được đã không đi thang máy. Trong khi đó, đến lượt được phục vụ thang máy vẫn chạy đến đúng vị trí gọi. Như vậy sẽ dẫn đến lãng phí thời gian và giảm hiệu suất hoạt động của thang. Do đó trong trường hợp này ta chọn chiều dài hàng đợi là 60.
  • Khi xắp xếp hàng đợi, một vấn đề đặt ra là có thể ở một tầng có nhiều tín hiệu gọi thang của nhiều người. Vì vậy, mỗi khi có tín hiệu gọi thang cần phải duyệt toàn bộ hàng đợi xem tín hiệu này đã có mặt trong hàng đợi hay chưa, trước khi thêm vào hàng đợi.
  • Khi hành khách đi vào thang máy và ấn nút gọi tầng, sau quá trình chuyển động, thang máy sẽ dừng lại ở vị trí tầng đã gọi. Tuy nhiên, có thể tầng này đã có mặt trong hàng đợi và như vậy, coi như tín hiệu gọi thang này đã được phục vụ. Vì vậy, cần phải loại tín hiệu này ra khỏi danh sách hàng đợi để quá trình phục vụ của thang máy không bị nhầm lẫn.
  • Trong quá trình phục vụ có thể có những trường hợp thang máy không phục vụ kịp thời, dẫn đến tình trạng mất khách hàng do thang máy đã chuyển động đến tầng gọi nhưng không có người đi vào thang máy. Vì vậy cần phải có tín hiệu cảm biến sàn Cabin hoặc đặt thời gian trễ để sau khi cửa buồng thang đã khép lại nhưng không có người thì tín hiệu gọi thang tiếp theo trong hàng đợi sẽ được phục vụ.

Tín hiệu hóa cho hệ thống điều khiển Logic khả trình

Thiết kế bộ tạo mã phím cho các công tắc và nút ấn 

Bàn phím gọi tầng

Khi số tầng ít, việc tạo mã phím cho các nút ấn gọi tầng, gọi thang và các tín hiệu cảm biến vị trí rất đơn giản. Các tín hiệu này sẽ tác động đến một bộ phát xung để phát ra các xung tương ứng với phím gọi. Các xung này sẽ được đưa đến một bộ đếm để có được mã phím. Tuy nhiên, khi số tầng nhiều, việc tạo mã như trên sẽ rất phức tạp và phải có rất nhiều dây dẫn tín hiệu. Vì vậy, chúng ta sẽ lựa chọn phương án thiết kế cho thang máy nhiều tầng với các bộ tạo mã theo ma trận phím dưới dạng các mã quét (Scan code).

Trong thực tế có nhiều loại phím mà khi tiếp xúc sẽ gây ra những hiện tượng như :

  • Thay đổi điện trở của phím.
  • Thay đổi điện dung của phím.
  • Thay đổi dòng điện chạy qua phím theo định luật

Để giảm số lượng dây dẫn phải biến đổi số thứ tự của các phím (mã hoá các phím) thành dạng nhị phân hoặc dạng số Hexa. Trong trường hợp này, người ta sử dụng một bộ đếm quét bàn phím. Khi có một phím được ấn bộ đếm sẽ được lệnh dừng lại và ở đầu ra của các bộ đếm sẽ thu được một mã nhị phân tương ứng với số thứ tự của phím. Mã này được gọi là mã quét bàn phím.

Nguyên tắc tạo mã quét cho bàn phím được minh họa như sơ đồ hình 1.

Sơ đồ tạo mã bàn phím

Hình 1: Sơ đồ tạo mã bàn phím

Người ta đưa ra các giá trị 1 lần lượt quét vào các cột, sau đó đọc vào các giá trị ứng với các cột khác nhau ở thanh ghi hàng từ đó có thể biết được mã của phím.

Sơ đồ cụ thể tạo mã quét của bảng 64 nút ấn như hình 1.

Vi mạch 4001 ( 4 cổng NOR ) 2 lối vào ) được mã thành mạch phát xung đồng hồ 50Hz có thể điều khiển chạy hoặc dừng được. Khi bộ phát xung chạy, hai tầng đếm nhị phân (dùng IC4520) sẽ đếm liên tục và thể hiện kết quả bằng xung điện áp ở các lối ra của chúng. Tầng đếm thứ hai đưa kết quả vào A2B2C2 của vi mạch giải mã 4051 (demultiplexer 1-8) khống chế các cột của bàn phím.

Bảng các chế độ làm việc của 4051 như sau:

Bảng chế độ làm việc của 4051

Tầng đếm thứ nhất đưa kết quả vào A1B1C1 của vi mạch 4051 khống chế hàng của bàn phím.

Khi ấn phím, hai đầu dây hàng và cột của phím đó được nối với nhau tạo nên điện áp +5V từ Z2 đưa sang Z1 để làm dừng bộ phát xung đồng hồ. Trên các lối ra 1..6 sẽ giữ nguyên trạng thái của hai tầng đếm lúc dừng và đó cũng chính là mã nhị phân tương ứng với ký tự ghi trên phím ấn.

Ví dụ khi ấn phím số “12” (hàng 3, cột 1), bộ phát xung đồng hồ tiếp tục chạy, các lối ra của bộ đếm cứ liên tục thay đổi và chỉ dừng khi A1B1C1=110 (Z1 nối với 3) và A2B2C2 = 100 (Z2 nối với 1). Như vậy ở đầu ra ta sẽ có mã nhị phân tương ứng với số 12 là 00001100.

Khi nhả phím, hai bộ đếm lại tiếp tục biến đổi quay vòng chờ đến khi có một phím khác được ấn. Nếu có một phím thứ 2 được ấn trong khi phím thứ nhất chưa được nhả thì vẫn không có gì thay đổi cho đến khi phím thứ nhất được nhả. Sau đó quá trình biến đổi quay vòng lại được tiếp tục và chỉ dừng lại ứng với mã nhị phân của phím thứ hai.

Do thực tế đề tài thiết kế thang máy cho cao ốc 60 tầng, bàn phím chỉ đưa ra số nhị phân lớn nhất là 63, tức là chỉ sử dụng hết 6 đường truyền dữ liệu nên chỉ cần sử dụng 6 đầu vào ( INPUT ) của PLC.

Bàn phím gọi thang

Bàn phím gọi thang có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động tương tự như bàn phím gọi tầng. Tuy nhiên do số lượng phím tăng lên gấp đôi nên kết cấu của bàn phím gọi thang có khác đôi chút, tức là phải tăng thêm số linh kiện để có thể đưa ra mã quét của các số từ 0 đến 127; trong đó các phím có mã từ 1 đến 59 dùng để gọi thang lên tương ứng với các tầng từ 1 đến 59, còn các phím có mã từ 62 đến 120 dùng để gọi thang xuống tương ứng với các tầng từ 2 đến 60. Các tín hiệu ra từ bàn phím gọi thang được đưa vào 7 đầu vào của PLC.

bảng mã phím gọi tầng

Hình 2: Bảng mã phím gọi tầng

 

Thiết kế mạch cho các sensor

Như trên đã đề cập, để dừng chính xác buồng thang thì phải có tín hiệu báo giảm tốc trước khi phanh hãm đến sàn. Tại vùng dừng, người ta bố trí 5 sensor được bố trí như trên hình vẽ 3 dưới đây. Tất cả 5 sensor này được đấu song song và đưa vào một đầu vào ngắt số 0 của PLC. Chương trình ngắt sẽ phải giải mã để xác định thứ tự các tín hiệu để báo cho chương trình chính biết để có các phản ứng phù hợp.

Vùng dừng cho thang máy

Hình 3: Vùng dừng cho thang máy

 

Xem tiếp phần 2Ứng Dụng PLC Cho Hệ Thống Điều Khiển Thang Máy (Phần 2)

Ứng dụng PLC cho hệ thống điều khiển thang máy (phần 1)
5 (100%) 3 votes