Khám phá công nghệ định vị vị trí cabin thang máy

1. Cảm biến bằng tầng là gì?

Cảm biến bằng tầng (levelling sensor) là thiết bị cung cấp tín hiệu giúp bộ điều khiển nhận biết vị trí cabin trong khu vực tiếp cận và dừng tại tầng. Dựa vào tín hiệu này cùng dữ liệu của hệ truyền động, bộ điều khiển điều chỉnh chuyển động để sàn cabin dừng ngang bằng với sàn tầng.

Theo phương pháp truyền thống, cảm biến này gồm hai loại:

(1) Cảm biến quang học/quang điện kết hợp cờ bằng tầng (Optical or photoelectric sensors) hay còn gọi là cảm biến dạng móng ngựa.

(2) Cảm biến từ kết hợp nam châm (Magnetic/reed sensors), hay còn gọi là cảm biến hình bút chì.

Với những hạn chế về tính chính xác, ổn định cũng như ứng dụng cho thang máy tốc độ cao, cao tầng, các nhà sản xuất đã phát triển dòng sản phẩm hệ thống định vị và đo lường vị trí tuyệt đối bằng từ tính cho thang máy.

(3) Hệ thống định vị tuyệt đối trong giếng thang bằng băng từ (absolute magnetic tape based shaft copying system) hoặc công nghệ băng từ/thước từ - công nghệ hiện đại nhất hiện nay.

2. Công nghệ cảm biến bằng tầng truyền thống

2.1. Cảm biến quang kết hợp cờ tầng và Cảm biến từ kết hợp nam châm

Đối với phương pháp truyền thống, hệ thống thang máy sử dụng tín hiệu xung nhờ cảm biến quang kết hợp cờ bằng tầng hoặc cảm biến từ kết hợp nam châm.

Trong đó, cảm biến quang điện dạng chữ U thường được gọi là cảm biến “móng ngựa”. Hai phía của khe cảm biến bố trí bộ phát và bộ thu ánh sáng. Khi cabin đến gần tầng dừng, cờ bằng tầng đi vào khe, che tia sáng và làm thay đổi tín hiệu gửi về bộ điều khiển trung tâm.

Đối với cảm biến từ kết hợp nam châm, thiết bị cảm biến từ được gắn trên cabin, kết hợp với các nam châm đặt trên ray dẫn hướng tại các vị trí bằng tầng dọc giếng thang. Khi cảm biến đi vào vùng tác động của nam châm, từ trường tác động để đóng/mở mạch điện bên trong thiết bị cảm biến làm tín hiệu đầu ra thay đổi, giúp tủ điều khiển nhận biết cabin đã đến mốc tương ứng.

Với cả hai phương pháp cảm biến bằng tầng truyền thống nói trên, mỗi tầng dừng đều cần phải bố trí số lượng cờ tầng hoặc nam châm tương ứng. Với các công trình cao tầng, thì số lượng cờ bằng tầng hoặc nam châm cần lắp đặt, kiểm tra cũng tăng tương ứng. Ví dụ công trình có 25 tầng sẽ tương ứng với 25 mốc cờ tầng hoặc nam châm.

Đặc biệt, đối với phương pháp cảm biến bằng tầng truyền thống, hệ thống định vị vị trí cabin trong giếng thang cần trang bị thêm cụm công tắc giảm tốc trên, dưới giếng thang; và cụm giới hạn trên, dưới giếng thang máy.

2.2. Cụm công tắc giảm tốc và giới hạn hành trình

Cảm biến bằng tầng giúp bộ điều khiển nhận biết cabin đã đến vùng bằng tầng. Với cấu hình truyền thống sử dụng cảm biến quang kết hợp cờ tầng hoặc cảm biến từ kết hợp nam châm, hệ thống phải bố trí thêm các công tắc giảm tốc, các công tắc giới hạn hành trình ở hai đầu giếng thang, tương ứng với tầng thấp nhất và tầng cao nhất.

Trong quá trình vận hành, công tắc giảm tốc được lắp đặt tại hai đầu hành trình giúp bộ điều khiển thực hiện giảm tốc cưỡng bức nếu cabin tiến gần tầng trên cùng hoặc dưới cùng với tốc độ không phù hợp hoặc thông tin vị trí bị sai lệch, hạn chế nguy cơ vượt hành trình. Số lượng và vị trí công tắc phụ thuộc tốc độ, quãng đường giảm tốc và thiết kế thang máy.

Công tắc giới hạn trên/dưới giúp kiểm soát phạm vi, ngăn cabin tiếp tục di chuyển theo chiều tương ứng khi tới vị trí giới hạn. Nếu cabin vẫn tiếp tục vượt qua vị trí này, công tắc giới hạn cuối cùng sẽ tác động ngắt mạch an toàn để dừng thang, bảo vệ cabin khỏi nguy cơ vượt hành trình, gây nguy hiểm cho người sử dụng.

2.3 Các hạn chế của các cảm biến bằng tầng truyền thống

- Không cung cấp chính xác vị trí cabin thang máy: Các tín hiệu vị trí theo phương pháp truyền thống không cung cấp tọa độ liên tục trên toàn bộ hành trình. Hệ thống cảm biến và cờ tầng/nam châm bằng tầng chỉ cung cấp thông tin theo từng mốc xác định. Để theo dõi chuyển động trong khoảng giữa các tầng, bộ điều khiển cần kết hợp những nguồn thông tin khác, chẳng hạn tín hiệu từ bộ đếm xung encoder của động cơ.

- Khối lượng lắp đặt, bảo trì lớn: Số tầng dừng càng nhiều, số cờ và nam châm cần lắp đặt, căn chỉnh càng lớn. Trong quá trình sử dụng, mốc tác động bị xê dịch, cảm biến hỏng hoặc tín hiệu không ổn định có thể gây lỗi nhận biết tầng. Công tác bảo trì vì thế phải kiểm tra nhiều chi tiết phân bố dọc giếng thang.

- Điều kiện làm việc ảnh hưởng tới độ chính xác: Với cảm biến quang, môi trường khói bụi có thể ảnh hưởng đến đường truyền ánh sáng có thể làm tín hiệu không ổn định. Với cảm biến từ kết hợp nam châm, khoảng cách, hướng tiếp cận, cực tính nam châm và ảnh hưởng của vật liệu sắt từ xung quanh là những yếu tố cần kiểm soát.

- Hạn chế trong ứng dụng thang máy tốc độ cao, cao tầng: Với cả cảm biến quang và cảm biến từ truyền thống kết hợp với các mốc bằng tầng rời rạc, tốc độ thang máy di chuyển càng cao thì thời gian đi qua vùng tác động càng ngắn. Về nguyên lý, nếu tín hiệu quá ngắn so với thời gian đáp ứng của cảm biến và khả năng tiếp nhận của tủ điều khiển, nguy cơ bỏ sót tín hiệu có thể xuất hiện.

3. Hệ thống định vị tuyệt đối trong giếng thang bằng băng từ

Cùng với những hạn chế trong lắp đặt, vận hành, cũng như việc phát triển các hệ thống thang máy tốc độ cao tại các toà nhà siêu cao tầng, các nhà sản xuất thiết bị đo lường đã phát triển công nghệ đo đạt, giám sát vị trí cabin trong giếng thang thế hệ mới.

Hệ thống định vị tuyệt đối trong giếng thang bằng băng từ (absolute magnetic tape based shaft copying system) hay còn gọi là công nghệ băng từ/thước từ được phát triển đầu tiên bởi Tập đoàn ELGO (Đức) vào những năm 2000, giúp hệ thống thang máy có thể đi nhanh hơn, cao hơn với độ chính xác và an toàn nhất.

Thay vì các mốc bằng tầng riêng lẻ chạy dọc giếng thang, công nghệ định vị băng từ gồm hai bộ phận chính: 01 dải băng từ mã hóa chạy dọc giếng thang và 01 đầu đọc gắn trên cabin. Khi cabin di chuyển, đầu đọc nhận biết mã từ và truyền tọa độ về tủ điều khiển. Nhờ đó, hệ thống xác định được vị trí cabin trên toàn bộ hành trình, kể cả khoảng giữa các tầng.

Với công nghệ băng từ, hệ thống thang máy có thể loại bỏ hoàn toàn các bộ phận cảm biến dọc giếng thang như cảm biến bằng tầng, các mốc cờ tầng/nam châm bằng tầng; cụm công tắc giảm tốc trên/dưới; công tắc giới hạn hành trình… giúp tối ưu không gian hố thang và giảm độ phức tạp, rút ngắn thời gian khi lắp đặt, bảo trì.

Thiết bị băng từ được thiết kế hoạt động ổn định trong môi trường bụi bẩn, ẩm ướt thậm chí là khói đặc mà không ảnh hưởng tới kết quả theo dõi của thiết bị, đạt tiêu chuẩn lên tới IP 67 về khả năng kháng nước và chống bụi.

Hiện nay, ngoài ELGO (Đức), cũng có một số nhà sản xuất băng từ nổi tiếng trên thế giới như Kübler (Đức); CEDES (Thuỵ Sỹ). Hiện công nghệ băng từ cũng đang được phần lớn các nhà sản xuất thang máy như Otis, Orona, Kone, Schindler, TKE,... ứng dụng.

Với nhiều hệ thống điều khiển thang máy cũ, dù công nghệ băng từ mang lại nhiều lợi ích vượt trội trong lắp đặt, bảo trì và sửa chữa, một số hệ điều khiển vẫn chưa tích hợp tính năng xác định vị trí cabin bằng băng từ.

Tại Việt Nam, công nghệ băng từ LIMAX của ELGO (Đức) được tích hợp trong hệ điều khiển VILEA-INT, phát triển từ hợp tác chuyển giao công nghệ giữa Viện Kỹ thuật Ứng dụng Thang máy và INTEC GmbH của Đức. Hệ điều điển VILEA-INT được phát triển để phù hợp cho lắp mới và hiện đại hoá hệ thống thang máy.

Với các dòng sản phẩm băng từ của ELGO được tích hợp trong hệ thống tủ điện VILEA-INT, công nghệ băng từ có thể ứng dụng cho thang máy tốc độ cao tới 18 m/s và cho các toà nhà siêu cao tầng với chiều cao giếng thang lên tới 1.500m.

Hệ thống băng từ và đầu đọc đạt Tiêu chuẩn IP67 có thể duy trì hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt với giếng thang nhiều bụi bẩn, khói hoặc có độ ẩm cao. Khả năng chịu nhiệt cao, có thể hoạt động ở nhiệt độ -10 đến +70°C, độ ẩm không ngưng tụ tương đối tới 95%.