Tổng quan về đề tài
Giới thiệu đề tài
Ngày nay, sự phát triển công nghệ đã thúc đẩy nền kinh tế các nước tăng trưởng nhanh chóng, kéo theo nhu cầu vận chuyển hàng hóa và hành khách gia tăng Tuy nhiên, hệ thống hạ tầng chưa đáp ứng kịp, dẫn đến tình trạng ùn tắc giao thông thường xuyên, đặc biệt tại các khu vực trung tâm đông dân cư và các ngã tư Giải pháp hiệu quả là sử dụng đèn tín hiệu để điều khiển giao thông, nhưng hầu hết hệ thống đèn giao thông ở Việt Nam hiện nay vẫn còn nhiều bất cập, với chu kỳ hoạt động cứng và độc lập Việc này làm giảm hiệu quả của hệ thống, gây ùn tắc và có thể dẫn đến tai nạn Tình hình giao thông ngày càng nghiêm trọng, đặc biệt vào giờ cao điểm, vì vậy tôi quyết định nghiên cứu và xây dựng một hệ thống đèn giao thông nhằm cải thiện tình trạng này.
Hệ thống điều khiển đèn giao thông mà tôi đề xuất sẽ bao gồm nhiều chế độ hoạt động nhằm tối ưu hóa hiệu suất trong cả giờ cao điểm và giờ bình thường Đèn giao thông sẽ được lắp đặt tại các giao lộ chính và có khả năng hoạt động tự động hoặc điều khiển bằng tay Hệ thống này sẽ được mô phỏng trên giao diện WinCC, giúp việc giám sát và điều chỉnh thời gian trở nên linh hoạt và đơn giản hơn.
Mục đích nghiên cứu
Hiểu và áp dụng kiến thức từ chương trình học vào thực tế là rất quan trọng Điều này giúp bạn nắm rõ hơn về PLC và cách ứng dụng nó để lập trình cho hệ thống hoạt động hiệu quả.
Thiết kế, xây dựng, mô phỏng hệ thống điều khiển đèn giao thông hoàn chỉnh trên WinCC.
Hệ thống điều khiển giao thông hoạt động ổn định và chính xác, giúp phương tiện lưu thông dễ dàng hơn Điều này không chỉ giảm tình trạng ùn tắc giao thông mà còn hạn chế các sự cố tai nạn không mong muốn.
Đối tượng nghiên cứu
Bộ lập trình PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, cơ sở dữ liệu SQL cho hệ thống.
Sử dụng phần mềm Tia Portal v16 để nghiên cứu các Bit logic, bao gồm tập lệnh tiếp điểm, bộ Timer, bộ Counter, lệnh so sánh, lệnh Move và các phép toán học Thực hiện các thao tác này giúp điều khiển đèn tín hiệu giao thông và quản lý hoạt động của phương tiện lưu thông hiệu quả.
Phạm vi nghiên cứu
Tìm hiểu cấu trúc, tính năng và nguyên lý hoạt động của PLC và các bộ phận linh kiện khác.
Nghiên cứu và mô phỏng thiết kế giao diện hệ thống đèn giao thông tại 3 ngã tư.Điều khiển xe cộ di chuyển khi có tín hiệu đèn.
Dự kiến kết quả
Thiết kế giao diện bảng điều khiển và mô phỏng lập trình trên Wincc.
Lập trình chương trình PLC điều khiển đèn giao thông tại nhiều ngã tư với nhiều chế độ:
-Chế độ 1 (chế độ bình thường)
-Chế độ 2 (chế độ đèn vàng chớp sáng liên tục)
-Chế độ 3 (chế độ giờ cao điểm)
-Chế độ 4 (chế độ kết hợp với thời gian thực)
Cho phép điều chỉnh thời gian các đèn sáng theo mong muốn.
Thiết kế và thi công
Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống
- Khối nguồn: Bộ nguồn tổng 24 VDC - 5A.
Bộ điều khiển PLC S7-1200 có khả năng tiếp nhận và xử lý các tín hiệu tương tự, đồng thời áp dụng các thuật toán đã được lập trình sẵn để điều khiển hoạt động của hệ thống đèn một cách hiệu quả.
- Khối xử lý: Bao gồm các nút nhấn Start, Stop, Reset và Switch nhiều chế độ.
- Khối thực hiện: Hệ thống đèn giao thông: hiển thị đèn xanh, đèn vàng, đèn đỏ hoạt động thông qua nhiều chế độ.
Màn hình HMI (Giao diện Người-Máy) cho phép lập trình, điều khiển và giám sát hệ thống đèn giao thông một cách hiệu quả Thông qua mô phỏng trên phần mềm WinCC, người dùng có thể dễ dàng theo dõi và điều chỉnh hoạt động của hệ thống đèn giao thông, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao trong quản lý giao thông.
2.1.1 Bộ Nguồn Tổ Ong 24 VDC - 5A Meanwell a Giới thiệu:
- Đây là bộ nguồn có công suất 100W.
- Đáp ứng tốt với những hệ thống tủ điện vừa và nhỏ
- Nó đủ khả năng cung cấp điện cho: LED, PLC, Camera, màn hình HMI,
Bộ nguồn có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường nhiệt độ của tủ điện nhờ vào thiết kế vỏ bọc hình tổ ong, giúp tản nhiệt tốt cho các linh kiện bên trong và kéo dài tuổi thọ sản phẩm Tuy nhiên, để đảm bảo bộ nguồn hoạt động ổn định và hiệu quả nhất, nên lắp đặt ở những vị trí thoáng mát và ít bụi bẩn.
Hình 2.1.1 Bộ nguồn tổ ong 24 VDC - 5A b Thông số kỹ thuật:
- Điện áp ngõ vào: 220VAC
- Điện áp ngõ ra: 24VDC
- Dòng điện ra hiện tại: 4.5A
- Bảo vệ: Ngắn mạch, quá áp.
2.1.2 Bộ điều khiển PLC S7 – 1200 a Giới thiệu:
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 cung cấp khả năng linh hoạt và sức mạnh trong việc điều khiển nhiều thiết bị khác nhau, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa Với thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ, S7-1200 trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển hiện đại.
1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau.
Bằng cách tích hợp bộ vi xử lý, nguồn điện và các mạch ngõ vào, ngõ ra vào một cấu trúc gọn gàng, CPU của S7-1200 đã tạo nên một PLC mạnh mẽ và hiệu quả.
Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ tích hợp mạch logic cần thiết để giám sát và điều khiển các thiết bị trong ứng dụng Nó theo dõi các ngõ vào và điều chỉnh ngõ ra dựa trên logic của chương trình, thực hiện các hoạt động như logic Boolean, đếm, định thì, phép toán phức hợp và giao tiếp với các thiết bị thông minh khác.
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển:
Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU.
Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm trong một khối xác định.
CPU tích hợp cổng PROFINET cho phép giao tiếp qua mạng PROFINET, đồng thời hỗ trợ các chuẩn Ethernet và TCP/IP Ngoài ra, các module truyền thông cũng được cung cấp để kết nối qua các mạng RS232 và RS485.
Để thực hiện một dự án với S7-1200, bạn chỉ cần cài đặt TIA Portal, vì phần mềm này tích hợp cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.
Cấu tạo gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lí, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất/nhập:
Bộ xử lý, hay còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là thành phần quan trọng chứa vi xử lý, có chức năng biên dịch tín hiệu đầu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển dựa trên chương trình lưu trữ trong bộ nhớ PLC Nó truyền đạt các quyết định dưới dạng tín hiệu điều khiển đến các thiết bị xuất.
- Bộ nguồn có nhiệm vụ cấp nguồn điện cần cho thiết bị xử lý và các mạch điện trong module giao tiếp nhập và xuất hoạt động.
- Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lí.
Các thành phần nhập và xuất (input/output) đóng vai trò quan trọng trong việc bộ nhớ tiếp nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền đạt dữ liệu đến các thiết bị điều khiển.
Hình 2.1.2.1 Cấu tạo của PLC S7-1200 b Thông số kỹ thuật của PLC S7-1200 SIEMENS CPU 1214C DC/DC/DC
- Bộ nhớ người dùng: o Bộ nhớ làm việc: 50Kb o Bộ nhớl ưu trữ: 2Mb o Bộ nhớ Retentive: 2Kb
- Ngõ vào ra số: 14 In/10 Out
- Ngõ vào ra tương tự: 2 in
- Vùng nhớ Truy suất bit (M): 4096Byte
- Module tín hiệu mở rộng: 8
- Board tín hiệu/truyền thông:1
- Bộ đếm tốc độ cao: o 1 Pha 3 x 100 KHz/3 x 30 KHz o 2 Pha 3 x 80 KHz/3 x 20 KHz
- Ngõ ra xuất xung tốc độ cao: 2
- Thời gian thực khi mất nguồn nuôi: 10 ngày
- Thực thi lệnh nhị phân: 0.1 micro giây/lệnh
Nút nhấn dùng để đóng và ngắt các thiết bị điện, động cơ, máy móc trong quá trình điều khiển hệ thống.
Thường nó sẽ đặt ở tủ điện, trên bảng điều khiển và trên hộp nút nhấn,…
Nhấn nút START để khởi động hệ thống, sử dụng nút Stop để tạm dừng hoạt động, và nút nhấn khẩn để ngắt hệ thống khẩn cấp, đồng thời tắt tất cả thiết bị điện điều khiển.
Hình 2.1.3 Nút nhấn b Thông số kỹ thuật:
- 2 cặp tiếp điểm: 1 thường đóng và 1 thường mở
- Nhiệt độ hoạt động: -20oC đến 70oC.
Hình 2.1.4 Đèn báo hiển thị
- Dòng tiêu thụ: Nhỏ hơn 18mA.
- Tuổi thọ: Trên 100.000 giờ sáng liên tục.
- Nhiệt độ hoạt động: -25~70 độ C.
- Tiêu chuẩn kín nước: IP65 chống nước và chống bụi.
2.1.5 Relay trung gian Ecnko Hh62p a Giới thiệu:
Ngày nay, rơ le được sử dụng rộng rãi trong điều khiển tự động, giúp đóng cắt dòng điện lớn mà các hệ thống mạch điều khiển không thể can thiệp trực tiếp.
Relay điện từ hay còn gọi khác là Relay trung gian chuyên dụng để điều khiển bật hoặc tắt một thiết bị đang sử dụng dòng điện lớn hơn.
Hình 2.1.5 Relay trung gian Ecnko Hh62p b Thông số kỹ thuật:
- Số chân: gồm 8 chân dẹp và 8 chân đế ra
- Số cặp tiếp điểm: 2 cặp NC (thường đóng), 2 cặp NO (thường mở)
- Số lần đóng cắt: 100.000 lần
- Dòng đóng cắt trên 1 tiếp điểm: 10A / 220VAC – 10A / 28VDC
- Có đèn báo hiển thị khi đóng ngắt trên mỗi Relay
Sơ đồ nối dây
Hình 2.4 Sơ đồ nối dây của hệ thống
Bảng quy ước tín hiệu
Tên Địa chỉ Chú thích
START %I0.0 Nút nhấn bắt đầu
AUTO %Q0.7 Điều khiển tự động, từ xa
MAN %Q1.0 Điều khiển tại chỗ
TG_V1 %MD10 Thời gian đèn vàng 1
TG_V2 %MD22 Thời gian đèn vàng 2
Thiết kế mô phỏng
2.4.1 Kết nối PLC với WinCC RT Prof
Hình 2.3.1 Kết nối PLC và WinCC
Kết nối PLC CPU 1214C với phần mềm mô phỏng Wincc thông qua cổng mạng Profinet.
2.4.2 Giao diện thiết kế hệ thống Đây là giao diện màn hình chờ, chính và bảng điều khiển của hệ thống được mô phỏng trên WinCC:
Giải thuật và điều khiển
Hoạt động của hệ thống
Hệ thống đèn giao thông hoạt động với nhiều chế độ khác nhau Để bắt đầu, người dùng chỉ cần nhấn nút Start trên bảng điều khiển, sau đó chọn chế độ Auto Trong chế độ 1, hệ thống sẽ hoạt động theo giản đồ thời gian đã được cài đặt sẵn.
Hình 3.1 Giản đồ thời gian
Dựa trên giản đồ thời gian, có thể nhận diện rõ ràng thời gian hoạt động của đèn giao thông tại ngã tư giữa tuyến đường 1 và tuyến đường 2 Thời gian hoạt động của các đèn tại những tuyến đường còn lại cũng sẽ được đồng bộ hóa.
Để cài đặt giá trị thời gian cho các đèn, chúng ta chọn chế độ Manu và thiết lập thời gian cho đèn xanh và đèn vàng, với thời gian đèn đỏ bằng tổng thời gian của đèn xanh và đèn vàng Khi chuyển sang chế độ 2, nhấn ON để kích hoạt, tất cả đèn xanh và đỏ sẽ tắt, trong khi đèn vàng sẽ sáng trong 2 giây và tắt liên tục.
Chế độ 3 được kích hoạt trong giờ cao điểm, hệ thống điều khiển đèn giao thông sẽ thiết lập thời gian đèn xanh dài hơn so với đèn vàng và đèn đỏ, nhằm tạo điều kiện cho xe cộ lưu thông thuận lợi và giảm thiểu tình trạng tắc đường.
Chế độ 4: ta nhấn chọn time thực để cài đặt thời gian thực cho hệ thống từ 6h< t
