Đề tài Nghiên cứu thiết kế bãi đỗ xe tự động hệ xoay vòng đứng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài Nghiên cứu thiết kế bãi đỗ xe tự động hệ xoay vòng đứng
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BÃI ĐÕ XE TỰ ĐỘNG
Lịch sử nghiên cứu
Bãi đỗ xe công nghệ cao đã ra đời để đáp ứng nhu cầu của cuộc sống đô thị hiện đại, đồng thời giải quyết nhiều vấn đề của bãi đỗ xe thủ công Việc tìm hiểu lịch sử và sự phát triển của bãi đỗ xe tự động trên thế giới sẽ mang đến cái nhìn tổng quan về giải pháp công nghệ cao, góp phần nâng cao tiện nghi trong cuộc sống hàng ngày.
* Những bãi đỗ xe tính phí đầu tiên
Trước khi bãi giữ xe thông minh ra đời, người dân thường đỗ xe trên đường phố hoặc bất kỳ vị trí nào cho đến khi hoàn thành công việc Tại các khu mua sắm, chỗ đậu xe thường bị chiếm đóng bởi nhân viên, dẫn đến tình trạng thiếu chỗ cho khách hàng tiềm năng.
Tắc nghẽn giao thông là vấn đề phổ biến ở các thành phố lớn, và chỉ khi nó gây ra thiệt hại kinh tế rõ rệt, người ta mới bắt đầu xem xét việc điều chỉnh thời gian đậu xe và xây dựng khu đỗ xe một cách có hệ thống.
Hình 1.1 Bãi giữ xe đầu tiên
Vào những năm 20-30 của thế kỷ XX, tại thành phố Oklahoma của Hoa
Kỳ, một trong những thành phố đông dân nhất tại Mỹ, đã tổ chức cuộc thi thiết kế đồng hồ đỗ xe để giải quyết vấn đề giao thông mà các thương gia phàn nàn Cuối cùng, bãi đậu xe tự động đầu tiên do Holger George Thuessen và Gerald A Hale thiết kế được ra đời Hai nhà thiết kế này bắt đầu làm việc với đồng hồ đỗ xe từ năm 1933 theo dự án của Carl Magee Bãi đậu xe có đồng hồ đếm giờ đầu tiên được lắp đặt tại thành phố Oklahoma vào ngày 16 tháng 7 năm 1935.
Bãi đỗ xe có đồng hồ đếm giờ yêu cầu người dùng phải trả phí khi đỗ xe, từ đó khuyến khích họ có trách nhiệm hơn trong việc lựa chọn thời gian dừng đỗ.
* Những nhà giữ xe sơ khai
Hình 1.2 Nơi giữ xe thuở sơ khai
Những chiếc xe hơi đầu tiên không được chế tạo từ chất liệu cao cấp như hiện nay, khiến chúng rất nhạy cảm với thời tiết Do đó, xe thường phải đậu trong khu vực có mái che để bảo vệ khỏi mưa, nắng và lạnh giá Các bãi đậu xe thời kỳ đầu thường đơn giản, không có thiết bị hiện đại Năm 1905, nhà để xe tự động đầu tiên được xây dựng tại Paris, Pháp, trong bối cảnh diện tích đất tại thành phố này ngày càng hạn hẹp do sự phát triển kinh tế và văn hóa.
Hình 1.3 Bãi đỗ xe tự động
Trong suốt lịch sử, bãi đỗ xe đã trải qua nhiều cải tiến công nghệ hiện đại, giúp tiết kiệm diện tích và thời gian Những tiến bộ này không chỉ nâng cao khả năng lấy xe dễ dàng mà còn giảm thiểu nguy cơ va chạm với các xe khác.
Việc xây dựng và phát triển bãi đỗ xe tự động đang trở thành giải pháp hiệu quả cho tình trạng thiếu bãi đỗ xe tại Việt Nam Do đó, nhóm nghiên cứu đã đề xuất thực hiện đề tài về bãi đỗ xe tự động kiểu xoay vòng đứng.
Các vấn đề đặt ra
- Tìm hiểu lí thuyết về bãi đỗ xe tự động: các khái niệm cơ bản, lịch sử hình thành, các loại bãi đỗ xe tự động.
- Chọn một loại bãi đỗ xe phù hợp để thực hiện: bãi đỗ xe dạng xoay.
- Thiết kế hệ thống cơ khí đảm bảo công năng của bãi đỗ xe tự động: sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế hệ thống cơ khí.
- Tính toán được công suất động cơ, bộ truyền.
- Thiết kế hệ thống điện, lựa chọn module nguồn.
Hệ thống điều khiển được thiết kế nhằm tối ưu hóa công năng và đảm bảo an toàn, sử dụng phần mềm TIA Portal để phát triển và triển khai các giải pháp điều khiển hiệu quả.
Đối tượng nghiên cứu
- Có rất nhiều loại bãi đỗ xe tự động khoanh vùng tìm hiểu về bãi đỗ xe tự động dạng xoay vòng.
- Thiết kế hệ thống có sức chứa tối đa là 8 xe
- Mô hình thiết kế mô phỏng sử dụng các phần mềm hỗ trợ cho việc thiết kế.
- Tìm hiểu nguyên lí hoạt động của PLC và kết nối PLC với HMI.
- Áp dụng công nghệ thẻ từ RFID giao tiếp với PC để kết hợp điều khiển hệ thống.
Phương pháp thực hiện
- Cảm biến thu các thông tin của xe.
- Phân tích mã hõa thông tin.
- Khối điều khiển PLC kết nối với HMI và thẻ từ RFID để điều khiển hệ thống.
- Từ các tín hiệu điều khiển động cơ hoạt động
- Thông qua hệ thống truyền động bánh răng, xích vận chuyển các pallet chứa xe tới các vị trí vào ra.
- Khi ô tô đến bãi đỗ xe cảm biến hoạt động nhận vào các tín hiệu từ xe nhờ cảm biến điện quang.
- Hoàn thành chuỗi các hoạt động và tiếp tục các hoạt động tương tự với các xe tiếp theo.
Bộ điều khiển PLC nhận tín hiệu từ cảm biến để xác định vị trí của xe và vị trí đích cần đến Sau đó, nó tự động điều khiển động cơ hoạt động, giúp đưa xe đến đúng vị trí mong muốn một cách chính xác.
Dự kiến kết quả đạt được
Qua quá trình thực hiện nghiên cứu về đề tài này, nhóm dự kiến những kết quả có thể đạt được như sau:
- Phân tích, lựa chọn được phương án và giải pháp phù hợp cho hệ thống bãi đỗ xe tự động.
- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm.
- Thi công mô hình sản phẩm bãi đỗ xe xoay vòng đứng.
TỔNG QUAN VỀ BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG XOAY VÒNG ĐỨNG
Nguyên lí làm việc, quy trình công nghệ của hệ thống
Khách hàng sử dụng thẻ từ để gọi pallet hạ xuống nhằm đưa xe vào bãi Hệ thống sẽ kiểm tra tính hợp lệ của mã thẻ; nếu thẻ chưa có trong cơ sở dữ liệu, nó sẽ được cập nhật Sau đó, khách hàng quẹt thẻ một lần nữa để xác nhận xem có xe nào trong bãi hay không Nếu chưa có xe, hệ thống sẽ hạ pallet gần nhất xuống để hỗ trợ đưa xe vào bãi Quá trình cất xe sẽ hoàn tất sau khi xe được đưa vào vị trí an toàn.
Để lấy xe ra, khách hàng quẹt thẻ để hệ thống kiểm tra mã thẻ trong bãi Nếu mã thẻ đã tồn tại, hệ thống sẽ hạ pallet chứa xe xuống vị trí lấy xe Quá trình lấy xe kết thúc sau khi xe được đưa ra.
Khi khách hàng vô tình làm mất thẻ, quá trình lấy xe sẽ không thể thực hiện Nhân viên sẽ kiểm tra kỹ giấy tờ và đối chiếu thông tin trước khi tiến hành lấy xe bằng phương pháp thủ công Có hai hình thức lấy xe: Thứ nhất, nhân viên sử dụng nút điều khiển trên màn hình HMI để thao tác lấy xe Thứ hai, nhân viên sử dụng hai nút bấm điều khiển động cơ, bao gồm một nút start để bắt đầu và một nút stop để dừng hệ thống khi xe đến vị trí lấy Cuối cùng, nhân viên sẽ xóa mã thẻ trong hệ thống bằng phương pháp thủ công.
2.1.2 Quy trình công nghệ của hệ thống
Khi chọn chế độ Auto, người dùng chỉ cần quẹt thẻ khi có xe vào, hệ thống sẽ tự động gửi dữ liệu mã thẻ vào máy tính Sau đó, hệ thống sẽ tự động điều hướng xe vào chỗ trống gần nhất.
Chọn chế độ Manual: Bấm nút để chọn pallet mong muốn hoặc thao tác trên màn HMI.
Chọn chế độ Auto: Khi quẹt thẻ thì hệ thống sẽ tự động lấy xe tương ứng đã gửi trước đó ra vị trí out.
Chọn chế độ Manual: Bấm nút để chọn pallet mong muốn Sau đó tiến hành xóa mã thẻ bằng tay rồi cập nhật lên cơ sở dữ liệu.
Sau khi xác nhận giấy tờ của khách hàng bị mất thẻ xe, nhân viên sẽ tiến hành kiểm tra xem biển số xe có trong cơ sở dữ liệu hay không Nếu có, nhân viên sẽ truy xuất vị trí đỗ xe bằng chế độ điều khiển tay.
2.1.3 Giới thiệu một số phần mềm sử dụng
Hình 2.4 Giao diện của phần mềm TIA Portal V15
TIA Portal (Total Integrated Automation Portal) là phần mềm tích hợp tất cả các công cụ lập trình cho hệ thống tự động hóa và truyền động điện, bao gồm PLC, HMI và Inverter của Siemens Với giao diện thân thiện, phần mềm này có thể gây khó khăn cho người mới bắt đầu do nhiều tính năng và tác vụ, nhưng khi đã quen, nó mang lại sự tiện lợi vượt trội TIA Portal V15 cho phép cấu hình đồng bộ tất cả các bộ điều khiển PLC, HMI và Inverter, tạo ra sự nhất quán trong quá trình lập trình và cấu hình sản phẩm.
* Các gói phần mềm có trong TIA Portal
-SIMATIC STEP7 Professional V15 và SIMATIC STEP7 V15 PLCSIM dùng để lập trình và mô phỏng PLC S7-1200, S7-300, S7-200.
-SIMATIC WinCC Professional V15: Lập trình giao diện HMI và IPC.
-SIMATIC Start Driver V15: Cấu hình biến tần Siemens.
Hình 2.5 Giao diện phần mềm Visual Studio
Visual Studio là công cụ lập trình nổi tiếng của Microsoft, hiện chưa có phần mềm nào thay thế được Được phát triển bằng hai ngôn ngữ C# và VB+, Visual Studio giúp người dùng lập trình hệ thống một cách dễ dàng và nhanh chóng.
Bên cạnh đó, Visual Studio còn cho phép người dùng có thể tự chọn lựa giao diện chính cho máy của mình tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng.
* Tính năng của Visual Studio
Visual Studio là một IDE tích hợp có trình soạn thảo mã với tính năng tô sáng cú pháp và hoàn thiện mã thông minh Nó hỗ trợ IntelliSense cho không chỉ các hàm, biến và phương pháp, mà còn cho các cấu trúc ngôn ngữ như truy vấn và vòng điều khiển.
Visual Studio sở hữu một trình gỡ lỗi mạnh mẽ, hỗ trợ cả gỡ lỗi cấp máy và gỡ lỗi cấp mã nguồn Tính năng này có khả năng làm việc với mã quản lý tương tự như ngôn ngữ máy, cho phép gỡ lỗi các ứng dụng được phát triển bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau mà Visual Studio hỗ trợ.
* Phần mềm Microsoft SQL Server
Hình 2.6 Giao diện phần mềm Microsoft SQL Server
SQL Server, viết tắt của Structure Query Language, là một công cụ quản lý dữ liệu phổ biến trong nhiều lĩnh vực Hầu hết các ngôn ngữ lập trình bậc cao như Visual Basic, Oracle và Visual C đều hỗ trợ SQL Các ứng dụng và công cụ quản trị cơ sở dữ liệu cho phép người dùng truy cập cơ sở dữ liệu mà không cần sử dụng trực tiếp SQL, nhưng thực tế, những ứng dụng này vẫn phải sử dụng SQL để hoạt động.
* Đặc điểm của SQL server
- SQL là ngôn ngữ tựa tiếng Anh.
- SQL là ngôn ngữ phi thủ tục, nó không yêu cầu ta cách thức truy nhập cơ sở dữ liệu như thế nào.
- SQL cung cấp tập lệnh phong phú cho các công việc hỏi đáp dữ liệu
- Chèn, cập nhật, xoá các hàng trong một quan hệ.
- Tạo, sửa đổi, thêm và xoá các đối tượng trong cơ sở dữ liệu
Kiểm soát quyền truy cập vào cơ sở dữ liệu và các đối tượng liên quan là rất quan trọng để bảo vệ tính bảo mật của hệ thống dữ liệu.
- Đảm bảo tính nhất quán và sự ràng buộc của cơ sở dữ liệu
- Yêu cầu duy nhất để sử dụng cho các hỏi đáp là phải nắm vững được các cấu trúc sơ sở dữ liệu của mình.
Hình 2.7 Giao diện phần mềm Arduino IDE
Các thiết bị Arduino được lập trình bằng ngôn ngữ riêng, dựa trên Wiring, một ngôn ngữ thiết kế cho phần cứng Wiring là biến thể của C/C++, và mặc dù có những cách gọi khác nhau, đội ngũ phát triển Arduino chính thức gọi đó là ngôn ngữ Arduino.
Arduino IDE là phần mềm lập trình cho Arduino, hỗ trợ ba nền tảng phổ biến: Windows, Macintosh OSX và Linux Với tính chất mã nguồn mở, Arduino IDE hoàn toàn miễn phí và cho phép người dùng có kinh nghiệm mở rộng thêm tính năng Ngôn ngữ lập trình trong Arduino IDE có thể được mở rộng thông qua các thư viện C++, và người dùng cũng có thể nhúng mã AVR vào chương trình nhờ vào nền tảng ngôn ngữ C của AVR.
Hệ thống điều khiển
2.2.1 Bộ điều khiển logic PLC S7 1200
Hình 2.8 Bộ điều khiển PLC S7 1200
- Bộ điều khiển tích hợp, phù hợp cho các ứng dụng từ thấp đến trung bình.
- Tất cả thu gọn trong một bộ xử lý, tiết kiệm không gian và năng lượng.
- Kết nối thời gian thực với chuẩn giao tiếp Profinet
- Các CPU có thể được sử dụng trong chế độ độc lập hay kết nối thành một mạng lưới nhất định.
- Cài đặt, lập trình và vận hành cực kì đơn giản.
- Tích hợp web-server với những trang web tiêu chuẩn dễ dàng cho người sử dụng
- Có khả năng ghi dữ liệu để lưu trữ khi chạy chương trình.
- Tích hợp các chức năng mạnh mẽ như đếm, đo, điều khiển vòng kín, điều khiển chuyển động.
- Có các đầu vào/ra tín hiệu số và tín hiệu tương tự.
2.2.2 Nguyên lí hoạt động PLC S7 1200
Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và lưu trữ trong bộ nhớ đệm, bao gồm các thành phần như ROM, EPROM, và EEPROM PLC thực hiện các lệnh logic dựa trên trạng thái này và cập nhật ngõ ra thông qua chương trình trạng thái Trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm sau đó được sử dụng để điều khiển các tiếp điểm, kích hoạt thiết bị tương ứng Nhờ vậy, mọi hoạt động của thiết bị được tự động hóa hoàn toàn theo chương trình đã được nạp vào PLC thông qua các thiết bị lập trình chuyên dụng.
PLC là thiết bị quan trọng và không thể thiếu trong công nghiệp hiện nay, với nhiều ưu điểm nổi bật và ứng dụng rộng rãi Các thương hiệu lớn như Schneider, Delta, và Mitsubishi cung cấp PLC rất phổ biến Khác với các bộ điều khiển thông thường chỉ có một thuật toán cố định, PLC cho phép người dùng lập trình và thay đổi thuật toán điều khiển, mang lại khả năng thực hiện linh hoạt cho mọi bài toán điều khiển.
* Các dạng ngôn ngữ lập trình phổ biến ở PLC
- Ngôn ngữ lập trình LAD – Dạng hình thang (Ladder logic).
- Ngôn ngữ lập trình FBD – Khối chức năng (Funtion Block Diagram).
- Ngôn ngữ lập trình STL – Liệt kê lệnh (Statement).
– S7-1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200.
– S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. Các thành phần của PLC S7 – 1200:
– 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như điều khiển AC, RELAY hoặc DC phạm vi rộng
– 2 mạch tương tự và số mở rộng ngõ vào/ra trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm.
– 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau bao gồm (module SM và SB) – 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP
– Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24V
Các dòng chính của PLC S7-1200
S7-1200 có 5 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C và CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C.
PLC S7-1200 CPU 1211C có bộ nhớ làm việc 50KB work memory.
PLC S7-1200 CPU 1212C có bộ nhớ làm việc 75KB work memory.
PLC S7-1200 CPU 1214C có bộ nhớ làm việc 100KB work memory.
PLC S7-1200 CPU 1215C có bộ nhớ làm việc 125KB work memory.
PLC S7-1200 CPU 1217C có bộ nhớ làm việc 150KB work memory
2.2.3 Bộ điều khiển Arduino Uno R3
* Các đặc điểm của Arduino Uno R3:
- Giá thành rẻ, dễ dàng mua trên thị trường.
- Dễ dàng nạp chương trình vào mạch xử lí.
- Dễ chỉnh sửa các thông số trên mạch xử lí.
Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển dựa trên chip Atmega328P.
Nó có 14 chân I/O digital (trong đó có 6 chân xuất xung PWM), 6 chân Input analog, 1 thạch anh 16MHz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn DC, 1 nút reset.
Các loại cảm biến
Cảm biến điện quang là thiết bị phát ra chùm tia sáng với tần số nhất định để phát hiện vật thể Khi có vật thể đi qua, tần số của bộ thu sáng sẽ bị ảnh hưởng, cho phép xác định sự hiện diện của vật thể đó.
Sự thay đổi này được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện từ ở cực catot khi có một lượng ánh sáng chiếu vào.
Cảm biến điện quang gồm có 3 phần chính:
Bộ phát sáng có chức năng phát ra ánh sáng dạng xung với tần số được thiết kế đặc biệt Tần số này giúp bộ thu ánh sáng phân biệt rõ ràng giữa ánh sáng từ cảm biến và ánh sáng từ các nguồn bên ngoài như ánh sáng tự nhiên hoặc bóng đèn.
- Bộ thu phát sáng: Có nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng từ bộ phát sáng, nó được gọi là phototransistor
Mạch xử lý tín hiệu nhận tín hiệu từ bộ thu ánh sáng, sau đó chuyển đổi tín hiệu tỷ lệ từ tranzito quang thành tín hiệu ON/OFF được khuyếch đại.
* Công nghệ thẻ từ RFID
Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) đang ngày càng trở nên phổ biến, mang lại những trải nghiệm mới mẻ cho người dùng RFID sử dụng sóng vô tuyến để tự động xác định và theo dõi các thẻ nhận dạng gắn vào vật thể, cho phép nhận biết và quản lý các đối tượng một cách hiệu quả thông qua hệ thống thu phát sóng radio.
Trong bãi đỗ thì thẻ từ có chức năng:
Kiểm soát điều khiển ra vào là hệ thống quản lý hiệu quả số lượng xe trong bãi, theo dõi số xe vào và ra trong ngày, và cảnh báo khi có sự không khớp giữa xe vào và ra Hệ thống cũng hiển thị kiểu dáng xe để dễ dàng so sánh, giúp nâng cao tính chính xác và an toàn trong việc quản lý bãi đỗ xe.
Kiểm soát điều khiển ra vào giúp quản lý số lượng xe trong bãi đỗ, theo dõi số xe vào và ra trong ngày, đồng thời cảnh báo khi có sự không khớp giữa xe ra vào Hệ thống còn hiển thị kiểu dáng xe để dễ dàng so sánh và xác minh.
Hệ thống quản lý thẻ sử dụng thẻ thay vé, với mỗi loại thẻ có thể được cài đặt các tính năng riêng như loại xe, biển số xe và thẻ tháng Thẻ sẽ được quét qua đầu đọc để phát cho người gửi xe và sẽ được thu hồi khi xe rời khỏi bãi Mỗi thẻ được cấp một mã thẻ và số thẻ riêng, và có khả năng khóa theo yêu cầu.
- Quản lí phí trông giữ: Các chính sách phí, chương trình giảm giá, đăng kí miễn phí gửi xe được quản lí chặt chẽ.
- Báo cáo tình hình gửi xe: Báo cáo số lượng quẹt thẻ, số xe còn trong bãi, số lượng xe ra vào trong ngày.
- Báo cáo doanh thu: Báo cáo doanh thu tổng và doanh thu chi tiết theo từng khu vực, loại xe.
- Quản lí hệ thống: Quản lí các máy trạm, các điểm kiểm soát, chức năng khởi động khi chạy phần mềm, đặt danh sách xe cảnh báo mất trộm,…
Trên thị trường có rất nhiều loại thẻ từ:
- Đọc thẻ cảm ứng tầm xa Mifare 13.56Mhz
- Tiếp xúc trực tiếp RFID125 khz
Trong học tập và nghiên cứu thì ta sẽ sử dụng thẻ từ tiếp xúc trực tiếp vì nó có giá thành rẻ và dễ sử dụng.
Cơ cấu chấp hành
2.4.1 Động cơ một chiều có hộp giảm tốc Động cơ giảm tốc một chiều được lắp ráp bởi bộ giảm tốc và động cơ điện một chiều Động cơ bánh răng hành tinh là thiết bị giảm tốc được lắp ráp từ động cơ truyền động tích hợp hộp bánh răng hành tinh và hộp giảm tốc bánh răng con sâu là thiết bị truyền giảm tốc được lắp ráp từ động cơ tích hợp hộp số bánh răng hành tinh Các kịch bản ứng dụng của các loại động cơ giảm tốc Không giống nhau Động cơ giảm tốc thường được sản xuất bởi các nhà sản xuất hộp giảm tốc và hộp giảm tốc chuyên nghiệp Sau khi chúng được tích hợp và lắp ráp, chúng được cung cấp như một bộ hoàn chỉnh với động cơ, điều này có thể tránh thất thoát và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Động cơ giảm tốc DC là loại động cơ được cải tiến từ động cơ DC thông thường, kết hợp với hộp giảm tốc để cung cấp tốc độ thấp hơn và mô-men xoắn lớn hơn Hộp giảm tốc với tỷ lệ giảm khác nhau cho phép điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn theo nhu cầu Việc này đã nâng cao đáng kể khả năng sử dụng động cơ DC trong ngành công nghiệp tự động hóa Động cơ giảm tốc, thường được gọi là động cơ bánh răng, là sản phẩm tích hợp giữa bộ giảm tốc và động cơ, thường được sản xuất bởi các nhà chế tạo chuyên nghiệp dưới dạng bộ hoàn chỉnh Loại động cơ này được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thép và máy móc, mang lại lợi ích về việc đơn giản hóa thiết kế và tiết kiệm không gian.
2.4.2 Cơ cấu truyền tải động năng
* Cơ cấu vít me – đai ốc trượt Ưu điểm:
- Độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn.
- Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn.
- Thiết kế nhỏ gọn, gia công đơn giản.
- Bánh răng bị mòn bởi ma sát theo thời gian làm giảm hiệu suất hoạt động.
Hình 2.14 Trục vít me – đai ốc trượt
Cơ cấu truyền động bằng dây đai hoạt động dựa vào lực ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc của bánh dẫn và bánh bị dẫn, bao gồm ba bộ phận chính: bánh dẫn, bánh bị dẫn và dây đai Khi bánh dẫn quay, lực ma sát giữa dây đai và bánh bị dẫn khiến cho bánh bị dẫn cũng quay theo Dây đai có thể có răng hoặc không có răng, được làm từ vật liệu có khả năng tạo ma sát tốt Đây là một trong những bộ truyền cơ khí đầu tiên và vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng hiện nay, như máy in 3D, máy khâu, và các hộp số vô cấp trong xe máy, ô tô.
Hình 2.15 Truyền động đai Ưu điểm:
- Có thể truyền động giữa các trục xa nhau.
- Hiệu suất truyền động tốt.
- Hoạt động êm, giá thành rẻ, chi phí bảo dưỡng thấp.
- Kết cấu vận hành đơn giản.
- Không cần phải bôi trơn.
- Khi vận hành nhiều thì dây đai có thể bị kéo dãn.
- Có thể xuất hiện hiện tượng trượt đàn hồi giữa dây đai và pulley hoặc ròng rọc dẫn đến tỉ số truyền bị thay đổi.
- Nhiệt độ ứng dụng bị giới hạn.
Truyền động xích bao gồm dây xích và nhông xích, có chức năng dẫn truyền lực Loại truyền động này thường được sử dụng để truyền chuyển động từ các động cơ, như băng chuyền, băng tải, hộp giảm tốc, hoặc trong bộ truyền động của xe máy.
Hình 2.16 Truyền động xích Ưu điểm:
- Có thể làm việc khi quá tải đột ngột, hiệu suất cao hơn, không có hiện tượng trượt.
- Không đòi hỏi phải căng xích.
- Khi vào khớp và ra khớp, các mắt xích xoay tương đối với nhau và bản lề xích bị mòn, gây nên tải trọng phụ thụ động.
-Khi làm việc tạo ra tiếng ồn.
-Cần phải bôi trơn thường xuyên và phải có bộ phận điều chỉnh xích.
Các khối nguồn
Nguồn cung cấp cho hệ thống là nguồn tổ ong 24V để cung cấp nguồn cho động cơ, PLC và các thiết bị như cảm biến, đèn báo,
Hình 2.17 Nguồn tổ ong Ưu điểm của sản phẩm:
- Chỉnh lưu từ lưới điện xoay chiều thành điện 1 chiều cung cấp cho các thiết bị điện tử
- Dùng trong các mạch ổn áp, cung cấp dòng áp đủ tranh trường hợp sụt áp, dòng ảnh hưởng tới mạch
- Hiệu quả cao, giá thành thấp, độ tin cậy cao
- Cung cấp dòng điện chuẩn thông số kỹ thuật.
- An toàn, chống cháy nổ.
Sử dụng nguồn điện từ cổng USB của máy tính cung cấp cho Arduino dòng điện ổn định và an toàn, giúp dễ dàng kết nối Arduino với máy tính.
Hình 2.18 Cổng USB máy tính
TÍNH TOÁN VỀ BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG XOAY VÒNG ĐỨNG
Tính toán hệ thống cơ khí
Khối lượng của hệ thống M = 10kg
Khối lượng mỗi pallet có chứa xe m = 0.5kg
Thời gian để hệ thống xích đi hết 1 vòng t = 7.5s
Khoảng cách cánh tay đòn từ trục bánh xích đến trục chịu tải d = 0,075m
Chu vi bánh răng tiếp xúc d .0,075 0, 2355
Số vòng quay để xích đi hết 1 vòng là:
Tốc độ của bánh răng là
Trường hợp không chịu tải hệ thống ở trạng thái cân bằng F = 0 vì trục được thiết kế đối xứng
Trường hợp chịu tải lớn nhất khi đó lực tác động lên động cơ là 0 vì hệ thống ở trạng thái cân bằng
Trường hợp chịu tải tối đa khi đó công suất cực đại (có 4 xe cùng 1 phía) m = 4.0,5 = 2kg
* Trạng thái chuyển động không ổn định: m1 = mcơ bản +mhệ xích mcơ bản = 0 vì hệ đang cân bằng m = 0+1,5 = 1,5 kg
Chuyển động tăng tốc từ 0
Trong hệ thống này quãng đường hệ thống xích đi tối đa trong 1 lượt là:
Giả sử trong quá trình di chuyển hết quãng đường S với quy trình:
Với gia tốc tăng bằng gia tốc giảm và thời gian tăng tốc bằng thời gian giảm tốc là 3,75s, với quãng đường đi là 0,722m
t Để phù hợp với chuyển động trong 3,75s ta có Vổn định >Vtb tổn định = ttăng tốc = tgiảm tốc = 1,25s
Chọn Vổn định = 0,29 m/sduy trì ổn định trong 1,25s
Lực để cần tăng tốc là Ftt = m.a = 10.0,232 = 2,32 N
Tính toán hệ thống điều khiển
3.2.1 Tổng quan về hệ thống
Hình 3.19 Sơ đồ khối hệ thống bãi đỗ xe tự động
* Phân tích các thành phần trong sơ đồ
- Khối nguồn: Nguồn 5V cấp cho Arduino, nguồn 24V cấp cho PLC.
- Khối cảm biến: Xác định vị trí của pallet và chiều quay.
- Khối động cơ: Vận hành hệ thống.
- Khối xử lí trung tâm PLC: Nhận tín hiệu từ cảm biến và PC điều khiển động cơ hoạt động
- Hệ xích: Quay theo chiều của động cơ di chuyển các pallet.
- Thẻ từ RFID: Kết nối hệ thống qua PC giúp xác định pallet cần thiết.
- PC: Giao tiếp với RFID và PLC để điều khiển hệ thống.
3.2.2 Mô tả quy trình hoạt động của hệ thống
Chương trình điều khiển chính xác định chế độ hoạt động của mô hình, có thể là “Bằng tay” hoặc “Điều khiển tự động” Trong chế độ “Bằng tay”, người vận hành sẽ thực hiện các thao tác điều khiển và vận hành Ngược lại, khi chọn chế độ “Điều khiển tự động”, hệ thống sẽ được điều khiển thông qua thẻ từ, máy tính (PC) và bộ điều khiển lập trình (PLC).
Hình 3.20 Sơ đồ tự động
* Quy trình công nghệ và lưu đồ thuật toán điều khiển bằng tay.
Chương trình điều khiển bằng tay cho phép người vận hành trực tiếp điều khiển mô hình và thiết bị thông qua các nút bấm cơ học, gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng Khi động cơ quay đúng chiều và vị trí cần thiết, hệ thống sẽ được dừng lại.
Bước 1: Bấm START để khởi động hệ thống.
Bước 2: Bấm nút DC_thuan hoặc DC_nghich để động cơ quay thuận hoặc quay nghịch.
Bước 3: Khi pallet đến vị trí gốc, bấm nút Start/Stop để dừng động cơ rồi lấy xe ra.
Sau mỗi lần di chuyển thành công, hệ thống sẽ tự động cập nhật, xác định lại các vị trí trống, vị trí đã có xe và vị trí hiện tại của xe.
Khi xảy ra sự cố, động cơ sẽ ngừng hoạt động ngay lập tức Để dừng hệ thống, hãy nhấn nút STOP Sau khi sự cố được khắc phục, nhấn nút START để khởi động lại hệ thống.
* Lưu đồ điều khiển bằng tay để kiểm tra hoạt động thiết bị.
Hình 3.21 Lưu đồ bằng tay kiểm tra hoạt động thiết bị
* Lưu đồ thuật toán điều khiển Pallet bằng tay.
Hình 3.22 Lưu đồ thuật toán điều khiển pallet bằng tay
* Lưu đồ tối ưu vị trí xe
Hình 3.23 Tối ưu vị trí xe
* Điều khiển qua màn hình HMI và WinCC
Khi hoạt động trong chế độ tự động, quy trình gửi và lấy xe sẽ được tự động hóa hoàn toàn Nếu có khách hàng gửi hoặc lấy xe tại bãi đỗ, quy trình công nghệ sẽ hỗ trợ thực hiện các thao tác này một cách hiệu quả và nhanh chóng.
* Quy trình công nghệ gửi xe:
Khi bắt đầu sử dụng hệ thống Pallet, bước đầu tiên là kiểm tra số lượng xe đang gửi trong hệ thống Nếu số lượng xe đang gửi bằng hoặc nhiều hơn 8 xe, hệ thống sẽ không hoạt động Tuy nhiên, nếu số lượng xe đang gửi ít hơn 8 xe, hệ thống sẽ tiếp nhận và sẵn sàng phục vụ khách hàng.
Khi khách hàng gửi xe, họ cần di chuyển đến gần vị trí gốc, nơi hệ thống hành lang hỗ trợ di chuyển xe hoạt động Khách hàng sẽ đưa xe vào Pallet trống có sẵn tại vị trí gốc và nhớ vị trí của xe mình, cụ thể là "Vị trí Pallet số…", hoặc có thể nhận thẻ ghi số Pallet để dễ dàng nhận diện.
Khách hàng cần di chuyển ra ngoài và quan sát bảng điều khiển, sau đó nhấn nút “Gửi xe vào” Hệ thống sẽ tự động cập nhật và di chuyển Pallet cho đến khi có một Pallet trống hạ xuống vị trí gốc, nhờ vào tín hiệu từ cảm biến quang và cảm biến từ được lắp đặt tại vị trí này.
Bước 4: Kết thúc quá trình gửi xe vào.
* Quy trình công nghệ lấy xe
Bước 1: Yêu cầu khách hàng báo số Pallet đã gửi xe (hoặc xuất trình thẻ gửi xe được phát).
Bước 2: Khách hàng di chuyển tới Màn hình điều khiển và nhấn vào số định dang của Pallet mà khách hàng đã gửi xe vào.
Bước 3: Bấm nút “Lấy xe ra”, và đợi Pallet đang có xe của khách di chuyển xuống vị trí gốc.
Bước 4: Sau khi Pallet xuống vị trí gốc Khách hàng lấy xe, lúc này Pallet trống sẽ dừng ở vị trí gốc Chương trình kết thúc.
* Lưu đồ điều khiển tự động qua màn HMI và WinCC.
Hình 3.24 Lưu đồ điều khiển tự động qua màn HMI và WinCC
* Lưu đồ thuật toán cho xe vào
Hình 3.25 Lưu đồ thuật toán cho xe vào
* Lưu đồ thuật toán cho xe ra
Hình 3.26 Lưu đồ thuật toán cho xe ra
* Lưu đồ chương trình quay thuận nghịch của động cơ
Hình 3.27 Lưu đồ chương trình quay thuật nghịch của động cơ
*Lưu đồ chương trình tìm Pallet trống
Hình 3.28 Lưu đồ tìm pallet trống
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
Thiết kế và thi công cơ khí cho hệ thống
4.1.1 Thiết kế hệ thống cơ khí
Hệ thống bãi đỗ xe tự động kiểu xoay vòng đứng được mô phỏng thiết kế trên phần mềm SolidWorks 2016.
Hình 4.29 Hình ảnh 3D trên hệ thống trên phầm mềm Solid Work
Khung hệ thống được chọn làm bằng vật liệu nhôm định hình theo cơ cấu đứng với hai thành để tăng kết cấu chịu lực cho hệ thống.
Hình 4.30 Thông số kích thước khung hệ thống
- Ưu, nhược điểm của nhôm định hình Ưu điểm:
+ Chịu lực tốt: Đây là thanh nhôm hợp kim có thiết kế khoang rỗng giúp tăng độ cứng và chiều dài của nhôm
Vách nhôm định hình không chỉ có độ dày mỏng hơn so với các thương hiệu khác, mà còn sở hữu kết cấu lớn hơn, mang lại tính thẩm mỹ cao Điều này giúp tăng cường vẻ đẹp cho không gian mà vẫn đảm bảo khả năng chịu lực hiệu quả.
+ Cách nhiệt và cách âm tốt: Có thể chịu nhiệt độ cao, các phần tử nhôm liên kết chặt chẽ cũng giúp cách âm tốt hơn.
+ Trọng lượng nhẹ: Có thể làm giảm tải trọng và sức ép cho công trình, giúp dễ dàng vận chuyển.
Hệ thống này dễ dàng lắp ráp mà không cần khoan lỗ, sử dụng ke góc để liên kết các thanh nhôm một cách chắc chắn.
+ Chưa có nhiều mẫu mã cho khách hàng lựa chọn.
+ Sau nhiều năm sử dụng nhôm định hình cần được bảo dưỡng.
Hệ truyền động trong hệ thống bãi đỗ xe bao gồm 8 pallet làm từ xốp cứng, mô phỏng thực tế Mỗi pallet được đánh số từ 1 đến 8 và kết nối trực tiếp với hệ thống xích truyền động Hệ thống này chịu trách nhiệm truyền tải động lực cho toàn bộ hệ thống, bao gồm 2 vòng dây xích và 4 bánh răng được bố trí dọc theo khung thép Các bánh răng được sắp xếp đối xứng, giúp tạo ra chuyển động mượt mà cho các pallet.
* Hệ thống xích và bánh răng
Hình 4.32 Thông số kích thước bánh răng và xích
Hệ thống động lực bao gồm một động cơ một chiều kết hợp với hộp giảm tốc, giúp điều khiển tốc độ động cơ một cách hiệu quả Hộp giảm tốc đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ, đảm bảo phù hợp với yêu cầu và mong muốn của người thiết kế.
4.1.2 Thi công hệ thống cơ khí
Hình 4.35 Hệ thống thực tế
STT Tên sản phẩm Ảnh Số lượng
3 Gối đỡ vòng bi lỗ
4 Thanh trục 15mm 2 thanh 15mm
8 Động cơ điện 1 chiều giảm tốc 1 chiếc
10 Bánh răng động cơ 2 chiếc
Bảng 4.1 Bảng chi tiết các thành phần cơ khí trong hệ thống
Hình 4.36 Thi công khung hệ thống
* Trục được liên kết với bánh răng
Hình 4.38 Trục được liên kết với bánh răng
Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển
4.2.1 Thiết kế hệ thống điều khiển
* Bộ điều khiển PLC S7 1200 CPU 1212 DC/DC/RL
Hình 4.39 Bộ điều khiển PLC S7 1200
STT Đặc điểm kĩ thuật Thông số kĩ thuật
3 Hãng sản xuất Simens AG
4 Bộ nhớ làm việc 75 KB
6 Bộ nhớ giữ lại 2 KB
STT Đặc điểm kỹ thuật Thông số kỹ thuật
1 Điện áp đầu vào 220V AC
3 Điện áp đầu ra 24VDC
6 Điện áp ra điều chỉnh +/- 10%
7 Phạm vi điện áp đầu vào 85-132V AC
8 Nhiệt độ hoạt động và độ ẩm -10 ~ + 60 , 20% ~ 90% RH℃ ~ + 60 ℃, 20% ~ 90% RH ℃ ~ + 60 ℃, 20% ~ 90% RH
Bảng 4.3 Thông số nguồn tổ ong
Sử dụng aptomat dạng nhỏ LS/MCB-BKN
STT Đặc điểm kỹ thuật Đơn vị Thông số kỹ thuật
1 Dòng điện định mức (In) A 32
2 Dòng cắt ngắn mạch kA 6
3 Điện áp làm việc định mức (Ue)
4 Số lần đóng cắt cơ khí Lần 3.5.105
5 Số chân đầu vào Cái 2
6 Nhà sản xuất LS Industrial.
STT Đặc điểm kĩ thuật Thông số
2 Số dây tín hiệu 3 dây
3 Chân tín hiệu ngõ ra NPN-open collector
7 Dòng kích ngõ ra 300mA
Bảng 4.5 Thông số cảm biến quang
Hình 4.43 Rơle trung gian 14 chân
STT Đặc điểm kĩ thuật Thông số
3 Kích thước 34mm x 27mm x20mm
Bảng 4.6 Thông số rơle trung gian 14 chân
* Nút nhấn có đèn báo
Hình 4.44 Nút nhấn có đèn báo
STT Đặc điểm kỹ thuật Thông số
3 Công suất tiếp điểm Ui: AC 660V-Ith: 10A
Bảng 4.7 Thông số nút nhấn kết hợp với đèn báo
Hình 4.45 Sơ đồ mạch đấu nối
STT Đặc điểm kỹ thuật Thông số kỹ thuật
3 Điện áp cấp (hoạt động tốt) 7 – 12 V
4 Chân I/O digital 14 ( có 6 chân xuất xung PWM)
6 Dòng điện mỗi chân I/O 20 mA
7 Tốc độ xung nhịp 16 MHz
Bảng 4.8 Thông số Arduino Uno R3
STT Đặc điểm kỹ thuật Thông số kỹ thuật
3 Khoảng cách hoạt động 0 – 60mm
* Mạch đấu nối Arduino với RC 522
Hình 4.48 Mạch Arduino kết hợp với RC 522
* Cơ sở dữ liệu SQL Sever
Hình 4.49 Bảng cơ sở dữ liệu SQL sever
* Giao diện HMI điều khiển hệ thống
* Giao diện Winform điều khiển trên Vistual Studio
Hình 4.51 Giao diện Winform điều khiển trên Visual
4.2.2 Thi công hệ thống điều khiển
STT Tên sản phẩm Ảnh Số lượng
3 Cầu đấu nối điện 1 cái
4 Rơle trung gian 14 chân 2 cái
5 Giảm áp DC LM2596 1 cái
6 Đèn báo kết hợp với nút nhấn 4 cái
7 Nút dừng khẩn cấp 1 cái
10 Dây kết nối máy tính với PLC 1 cái
Bảng 4.10 Bảng chi tiết các thành phần điều khiển cho thi công
Hình 4.53 Tủ điện được đấu nối
KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG XOAY VÒNG ĐỨNG
Kết quả đạt được
- Thiết kế thành công mô hình bãi đỗ xe tự động xoay vòng đứng trên phần mềm SolidWorks 2016 và hoàn thành hệ thống trên sản phẩm thực tế.
- Xây dựng được hệ thống đấu nối mạch điện trong thực tế sử dụng các linh kiện điện tử kết hợp với PLC S7 1200.
- Mô phỏng được hệ thống trên phần mềm TIA Portal đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống.
- Ứng dụng được công nghệ thẻ từ RFID giao tiếp với PLC điều khiển hệ thống.
Nhóm đã nắm vững kiến thức về bãi đỗ xe tự động kiểu xoay vòng đứng thông qua đồ án tốt nghiệp Giải pháp này có thể được ứng dụng thực tế với nhiều công nghệ hiện đại, giúp tối ưu hóa diện tích và mặt bằng, đồng thời rút ngắn thời gian lấy xe.
Đánh giá
- Mô hình do nhóm thiết kết, chế tạo và lắp đặt đáp ứng được các yêu cầu đặt ra.
- Kết cấu cơ khí chắc chắn giúp mô hình chạy ổn định.
- Hệ thống mạch điện hoạt động tốt, an toàn không có hiện tượng chập cháy xảy ra giúp an toàn cho người sử dụng.
Hạn chế và phương pháp giải quyết
- Mô hình chưa đc đẹp tính thẩm mỹ chưa cao.
- Khi hệ thống hoạt động vẫn có hiện tượng rung lắc nhẹ.
- Khi hệ thống hoạt động pallet trống rung lắc do quán tính.
- Tủ điện còn nhỏ, đấu nối mạch điện chưa được đẹp mắt.
- Áp dụng sử dụng thêm cảm biến hồng ngoại để phát hiện người có trong bãi.Phương án này giúp ngăn ngừa sự cố đáng tiếc xảy ra.
- Kết nối hệ thống thông qua Web Server để quản lí hệ thống từ xa.
- Sử dụng Camera để xử lí biển số xe nhằm tăng sự an toàn cho hệ thống và dễ dàng đối chiếu khi xảy ra sự cố.
