Thông tin chung
Tên đề tài: “Thiết kế hệ thống mạng công nghiệp điều khiển, giám sát các cụm đèn giao thông trên toàn tuyến phố Trần Duy Hưng”
Sinh viên thực hiện: Cao Thị Mỹ Linh
Lớp: Tự động hóa I – Khoa: Điện – Điện Tử
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trịnh Lương Miên.
Mục tiêu
Xây dựng hệ thống mạng công nghiệp để điều khiển và giám sát các cụm đèn giao thông, bao gồm việc tính toán và lựa chọn mạng cũng như các thiết bị điều khiển và đấu nối cho toàn bộ hệ thống Đồng thời, thiết kế mô phỏng toàn bộ hệ thống trên giao diện HMI, đảm bảo việc truyền dữ liệu hiệu quả giữa các module điều khiển.
Kết quả nghiên cứu
Đã áp dụng kiến thức từ các môn học để xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển đèn giao thông trên phố Trần Duy Hưng Hệ thống được thiết kế với mạng truyền thông phù hợp, bao gồm các module điều khiển và thiết bị đấu nối Đồng thời, đã lập trình hệ thống mạng để điều khiển truyền thông và mô phỏng qua HMI trên phần mềm TIA PORTAL V16.1.
Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, kĩ thuật công nghệ và khả năng áp dụng của đề tài
Thay thế các bảng mạch điện tử đang được sử dụng điều khiển các cụm đèn giao thông trên các tuyến phố
Có thể điều khiển, giám sát các cụm đèn trên cùng một tuyến phố qua một màn hình cảm ứng một cách hiệu quả
Luôn ổn định, hoạt động linh hoạt, dễ dàng sữa chữa, cài đặt và bảo trì bảo dưỡng
Trong bối cảnh hiện nay, việc truyền thông giữa các thiết bị trong hệ thống điều khiển tự động hóa đóng vai trò quan trọng, giúp các công ty tối ưu hóa quá trình điều khiển và giám sát từ xa, thay thế cho các phương pháp thủ công kém hiệu quả.
Đề tài “Thiết kế hệ thống mạng công nghiệp điều khiển, giám sát các cụm đèn giao thông trên tuyến phố Trần Duy Hưng” nhằm nâng cao độ ổn định và chính xác của hệ thống đèn tín hiệu Hệ thống này có khả năng tự động sửa lỗi và chuyển sang phương án dự phòng khi gặp sự cố Ngoài ra, thiết kế cho phép Ban quản lý hạ tầng giao thông đường bộ dễ dàng kiểm soát các cụm đèn qua màn hình HMI, cài đặt thời gian tín hiệu, và thực hiện bảo trì, bảo dưỡng một cách linh hoạt.
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và dân số đông đúc đang tạo ra nhu cầu di chuyển và vận chuyển gia tăng, dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thông nghiêm trọng Tắc nghẽn giao thông không chỉ gây thiệt hại cho nền kinh tế quốc gia mà còn làm giảm hiệu suất lao động và gia tăng chi phí sản xuất Trong bối cảnh lạm phát hiện nay, tình trạng lãng phí trong giao thông càng làm tăng gánh nặng cho đời sống người dân Nguyên nhân chính của vấn đề này là hạ tầng giao thông chưa đáp ứng nhu cầu và hệ thống đèn giao thông tại các giao lộ chưa được phân chia và định thời gian hợp lý Để giải quyết tình trạng này, nhóm nghiên cứu đề xuất xây dựng một hệ thống điều tiết giao thông tự động, nhằm phân luồng hiệu quả và giảm thiểu ùn tắc, đồng thời củng cố kiến thức và kỹ năng trong quá trình học tập.
Chủ đề của bài viết này là "Thiết kế hệ thống mạng công nghiệp điều khiển và giám sát các cụm đèn giao thông trên toàn tuyến phố Trần Duy Hưng" Mục tiêu của đề tài là giải quyết bài toán khó khăn trong việc điều khiển và giám sát hệ thống tín hiệu đèn giao thông, đặc biệt trong các giờ cao điểm khi lưu lượng giao thông tăng cao.
Đề tài này giúp chúng em đánh giá khả năng tích lũy và áp dụng kiến thức từ các môn học vào thực tế, đồng thời nắm vững kiến thức chuyên ngành để có thể linh hoạt áp dụng trong công việc sau này.
Khảo sát tuyến phố và lưu lượng giao thông trên tuyến phố Trần Duy Hưng Xây dựng giải pháp, phát thảo nội dung thiết kế cho toàn hệ thống
Tính toán và lựa chọn mạng truyền thông, thiết bị đấu nối, module điều khiển, giám sát cho toàn hệ thống
Thiết kế Topoloy mạng, cài đặt cấu hình mạng lập trình chương trình điều khiển, giám sát cho toàn hệ thống trên phần mềm TIA PORTAL V16.1
Kiểm tra, tinh chỉnh hoàn thiện và mô phỏng hệ thống
Thực hiện báo cáo ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Hệ thống đèn tín hiệu giao thông trên tuyến phố Trần Duy Hưng
Mạng truyền thông công nghiệp, Module điều khiển, thiết bị truyền dẫn
Hệ giám sát SCADA, mô phỏng trên HMI.
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÈN TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG TRÊN TUYẾN PHỐ TRẦN DUY HƯNG VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MẠNG
Sơ lược về hệ thống tín hiệu đèn giao thông trên tuyến phố Trần Duy Hưng
1.1.1 Khảo sát tuyến phố Trần Duy Hưng
− Trên bản đồ địa lý Thành phố Hà Nội, phố Trần Duy Hưng có chiều dài khoảng
1,6km về phía Đông Nam thuộc phường Trung Hoà, quận Cầu Giấy Đường Trần
Duy Hưng nằm tại nút giao của bốn tuyến đường lớn, với phía Đông Bắc tiếp giáp phố Đường Láng và đường Nguyễn Chí Thanh, trong khi phía Tây Nam giao với hai tuyến phố Khuất Duy Tiến và phố Phạm Hùng.
Phố Trần Duy Hưng kết nối với nhiều tuyến đường quan trọng như phố Trung Kính và phố Hoàng Minh Giám Đồng thời, nó còn được xem là cửa ngõ rộng rãi, nối liền khu vực phía Tây với đại lộ Láng - Hòa Lạc.
Khu vực phố Trần Duy Hưng, quận Cầu Giấy, nổi bật với nhiều địa danh và công trình lớn của Hà Nội, bao gồm Trung tâm hội nghị quốc gia, Siêu thị Big C, và Sân vận động Quốc gia Mỹ Đình.
Tuyến phố Trần Duy Hưng thường xuyên đông đúc phương tiện di chuyển và gặp tình trạng ùn tắc kéo dài vào giờ cao điểm Để giải quyết vấn đề này và điều chỉnh lưu lượng xe cộ, Ban quản lý hạ tầng đường bộ Thành phố Hà Nội đã lắp đặt 4 nút đèn tín hiệu giao thông, bao gồm 3 ngã tư và 1 ngã ba trên toàn tuyến phố.
• Nút 1: Nút giao thông Trần Duy Hưng - Đường Láng
• Nút 2: Nút giao thông Trần Duy Hưng - Hoàng Đạo Thúy
• Nút 3: Nút giao thông Trần Duy Hưng - Nguyễn Chánh & Hoàng Minh Giám
• Nút 4: Nút giao thông Trần Duy Hưng – Khuất Duy Tiến & Phạm Hùng
1.1.2 Cơ chế hoạt động của các nút tín hiệu đèn trên tuyến phố
STT Chiều dài từ nút giao thông Khoảng cách L (m)
❖ Cấu tạo của hệ thống đèn giao thông:
Hệ thống đèn giao thông bao gồm hai cột đèn chính được lắp đặt ở hai đầu của các làn đường tại ngã tư, mỗi cột gồm 6 đèn: 3 đèn chính (đèn xanh, đèn đỏ, đèn vàng) và 2 đèn phụ cho người đi bộ (đèn xanh và đèn đỏ) Mỗi hệ thống đèn được điều khiển thông qua một tủ điều khiển, phát tín hiệu cho các đèn Hiện nay, việc điều khiển tín hiệu đèn giao thông thường sử dụng các board mạch vi xử lý và rơle.
❖ Cơ chế hoạt động của đèn giao thông:
Cơ chế hoạt động của đèn giao thông khá đơn giản: Khi đèn xanh của làn đường 1 (đx1) sáng, đèn đỏ của làn đường 2 (đđ2), đèn đỏ cho người đi bộ ở làn đường 1 (đđn1), và đèn xanh cho người đi bộ ở làn đường 2 (đxn2) cũng được bật Sau một thời gian, đèn xanh 1 (đx1) tắt và đèn vàng 1 (đv1) sáng lên Khi đèn vàng 1 (đv1) tắt, đèn đỏ của làn đường 2 (đđ2), đèn đỏ cho người đi bộ ở làn đường 1 (đđn1), và đèn xanh cho người đi bộ ở làn đường 2 (đxn2) mới tắt, cùng lúc đó đèn xanh 2 (đx2), đèn đỏ 1 (đđ1), đèn đỏ cho người đi bộ 2 (đđn2), và đèn xanh cho người đi bộ 1 (đxn1) sẽ được bật sáng Chu kỳ này sau đó sẽ được lặp lại.
Đánh giá và lựa chọn giải pháp Mạng cho hệ thống
1.2.1 Lựa chọn giải pháp mạng
Tuyến đường Trần Duy Hưng dài khoảng 1,6km và có 4 nút tín hiệu đèn giao thông Để nâng cao hiệu quả trong việc điều khiển và giám sát hệ thống tín hiệu trên toàn tuyến, chúng tôi quyết định lựa chọn mạng truyền thông Frofinet.
Mạng Profinet là một trong bốn giao thức chính của mạng Industrial Ethernet, được chúng em nghiên cứu và tìm hiểu trong quá trình học môn Mạng truyền thông công nghiệp.
Mạng Frofinet không giới hạn số lượng trạm tối đa, mà số lượng trạm phụ thuộc vào cấu trúc mạng, loại cáp truyền và đặc tính điện học của bộ thu phát Chiều dài mạng có thể mở rộng lên đến 150km cho cáp quang và 5km cho cáp xoắn, phù hợp với chiều dài tuyến đường Trần Duy Hưng là 1,6km với chỉ 4 nút giao.
Mạng Frofinet tận dụng đầy đủ những ưu điểm vượt trội của Ethernet và Frofibus công nghiệp, bao gồm khả năng hoạt động ở chế độ Full-duplex, truyền thông I/O với tốc độ cao, đảm bảo an toàn dữ liệu và hỗ trợ chức năng chẩn đoán.
❖ Khái niệm về mạng FROFINET
PROFINET (hay PROFINET, viết tắt của Process Field Net) là một tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp cho phép truyền dữ liệu qua Ethernet công nghiệp Tiêu chuẩn này được thiết kế nhằm thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị trong các hệ thống công nghiệp, đặc biệt mạnh mẽ trong việc cung cấp dữ liệu với độ trễ thời gian chặt chẽ (dưới 1ms) PROFIBUS & PROFINET International (PI), có trụ sở tại Karlsruhe, Đức, là tổ chức duy trì và hỗ trợ tiêu chuẩn này.
Frofinet là một trong bốn giao thức của mạng truyền thông công nghiệp Industrial Ethernet, tận dụng tối đa các ưu điểm vượt trội của Ethernet và Frofibus công nghiệp.
Theo khảo sát của SIEMENS, số lượng thiết bị kết nối FROFINET đã tăng từ khoảng 2.500 vào năm 2010 lên 10.000 vào năm 2014, cùng với 150 trạm điều khiển, cho thấy sự phát triển không ngừng của công nghệ này.
FROFINET và FROFIsafe là hai công nghệ được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, nhờ vào khả năng đảm bảo chất lượng dữ liệu và tính năng thời gian thực trên cùng một cáp kết nối.
❖ Cáp và Jack kết nối
Khác với mạng FROFIBUS sử dụng chuẩn truyền RS485, thì FROFINET sử dụng chuẩn truyền theo tiêu chuẩn mạng Ethernet : 100 Base-TX, 100 Base-FX
Cáp kết nối có hai dạng : Cáp quang và cắp cặp xoắn (đồng) 4 dây
Jack kết nối bao gồm : 100 Base-FX, 1000 Base SX, 1000 Base LX và RJ45
Jack đầ u n ố i 1000 Base SX and 1000 Base LX
Kiểu truyền: truyền theo chế độ Full – duplex
❖ Tốc độ truyền và chiều dài mạng
Tốc độ truyền của PROFINET có thể thay đổi tùy thuộc vào từng hệ thống, nhưng trong một hệ thống cụ thể, tốc độ truyền sẽ đồng nhất và cố định, đạt mức tối đa.
100Mbps – FULL DUPLEX Tốc độ truyền còn tùy thuộc vào chiều dài đường truyền, giới hạn về khoảng cách dây với 100m/cáp đồng
Ta có bảng so sánh tốc độ truyền và chiều dài mạng trên các dây mạng:
Mạng cặp xoắn Mạng cáp quang
Mạng liên tòa nhà Yes No Yes
Tính phù hợp với tốc độ truyền tải cao
Tối đa Mở rộng mạng
Tối đa Khoảng cách giữa hai mạng Điểm giao
100 PCF 3000m Đa chế độ Chế độ đơn 15km
Tối đa Kết nối chiều dài cáp
100 PCF 3000m Đa chế độ Chế độ đơn 15km
Lắp ráp tại chỗ Không có công cụ đặc biệt
Với công cụ đặc biệt
Cấu trúc mạng dự phòng
Sử dụng khác nhau Tần suất (2,4Ghz / 5Ghz)
Các kiểu cấu trúc mạng: Line, Star, Ring
Kết nối không dây Wireless là ưu điểm lớn nhất của mạng Profinet
❖ Số trạm trên đường truyền mạng
Mạng Profinet không có giới hạn về số lượng trạm tối đa, mà phụ thuộc vào cấu trúc mạng, loại cáp truyền và đặc tính điện học của bộ thu phát Mặc dù có thể mở rộng số trạm bằng cách sử dụng bộ lặp (repeater), nhưng điều này sẽ dẫn đến việc giảm tốc độ dữ liệu.
❖ Mã hóa tín hiệu truyền
Trước khi được chuyển đổi thành tín hiệu trên đường truyền, Profinet sử dụng phương pháp :
Nhồi bit (bit stuffing) là quá trình mà sau năm bit liên tiếp giống nhau, bộ phát tự động thêm một bit nghịch đảo vào cuối chuỗi Quá trình này giúp bên nhận phát hiện và tái tạo lại thông tin ban đầu một cách chính xác.
− Mã hóa bit: NRZ-I- Non return to zero invert:
+ Bít 0 tương ứng với không chuyển mức ở đầu thời gian bít
+ Bít 1 tương ứng với chuyển mức ở đầu thời gian bít
+ Là một phương pháp điều chế vi sai :
• 0 và 1 tương ứng với chuyển mức, không phải với mức giá trị
• Tin cậy/đơn giản hơn ủiều chế theo mức
• Không phụ thuộc vào cực của tín hiệu
− Phương pháp truy cập đường truyền
PROFINET employs the Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CA) method for data transmission Before sending a message, a PROFINET node checks if the bus is busy, which helps in detecting potential collisions.
− Nguyên tắc truyền của PROFINET :
Trước và sau khi gửi thông điệp, nút PROFINET sẽ kiểm tra xem bus có bận không
Thông điệp được gán một mã nhận dạng (ID) duy nhất trên toàn mạng, giúp tất cả các nút nhận diện và kiểm tra tính liên quan của thông điệp Mỗi nút sẽ xác minh mã ID để xác định xem thông điệp có phù hợp hay không; nếu có, thông điệp sẽ được xử lý, ngược lại, nó sẽ bị bỏ qua.
ID là duy nhất và xác định mức độ ưu tiên của thông điệp, với giá trị số của mã ID càng thấp thì mức độ ưu tiên càng cao Điều này giúp phân xử khi hai hoặc nhiều nút cạnh tranh để truy cập vào bus cùng một lúc.
Các thông điệp ưu tiên cao sẽ được đảm bảo quyền truy cập vào bus như thông điệp duy nhất Trong khi đó, các thông điệp có mức ưu tiên thấp hơn sẽ được tự động truyền lại trong chu kỳ bus tiếp theo.
+ Khung dữ liệu (MAC Frame)
Preamble: Để đồng bộ hóa các xung đồng hồ của văn phòng
Bắt đầu mẫu cho đầu khung
Destination/ source address Địa chỉ nguồn / đích Ethernet (MAC)
Length : Số byte trong trường dữ liệu
Type: Loại giao thức của lớp cấp cao hơn (ví dụ :IPv4 0x0800)
+ Cấu trúc của PROFINET TELEGRAM.
• Định dạng điện tín chuẩn hóa theo IEEE 802.3
• Loại Ether theo IEEE cho PROFINET điện báo thời gian thực
+ Truyền thông – TCP/IP và đóng gói.
• PROFINET sử dụng cấu trúc chuẩn của các gói tin Ethernet
• TCP/IP là một giao thức mạng
• TCP: Giao thức kiểm soát truyền tải, để vận chuyển dữ liệu an toàn
• IP: Giao thức Internet, để gửi dữ liệu qua các phân đoạn mạng
• Khai báo quan trọng nhất là địa chỉ IP
• Các phương pháp kiểm tra:
- Theo dõi mức tín hiệu truyền đi và so sánh với tín hiệu nhận được trên bus
- Kiểm soát lỗi CRC: Bộ nhận tính toán lại chuỗi CRC rồi so sánh với chuỗi CRC của bộ truyền Nếu khác nhau là lỗi
- Thực hiện nhồi bit (Bit Stuffing): nhồi một bit nghịch đảo sau 5 bit giống nhau
- Kiểm soát khung thông báo
• Hiệu quả bảo toàn dữ liệu:
- Phát hiện tất cả các lỗi toàn cục
- Phát hiện các lỗi cục bộ tại trạm phát
- Phát hiện tới 5 bit phân bố ngẫu nhiên trong 1 bức điện
- Phát hiện các lỗi đột ngột có chiều dài nhở hơn 15 bit trong 1 thông báo
- Phát hiện các lỗi có số bit lỗi là chẵn
❖ Bảng so sánh giữa mạng PROFIBUS và PROFINET
CHƯƠNG 2 : T Ì M HI Ể U THI Ế T B Ị PH Ầ N C Ứ NG V À PH Ầ N M Ề M TRONG
2.1 Các thiết bị phần cứng
THIẾT KẾ, CẤU HÌNH, LẬP TRÌNH TTCN CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG
ĐIỀ U KHI Ể N, GI Á M S Á T T Í N HI ỆU ĐÈ N GIAO THÔNG
3.1 Cấu trúc, sơ đồ khối các trạm trong hệ thống mạng
− Master là trạm điều khiển cho cụm đèn giao thông nút Hoàng Đạo Thúy
− Slave là trạm điều khiển cho cụm đèn giao thông nút Láng - Trần Duy Hưng
− Slave 1 là trạm điều khiển cho cụm đèn giao thông nút Big C - Trần Duy Hưng
− Slave 2 là trạm điều khiển cho cụm đèn giao thông nút Phạm Hùng - Trần Duy
− HMI là màn hình điều khiển, giám sát của cả bốn trạm và được đặt tại nút Hoàng Đạo Thúy
3.2 Lựa chọn các thành phần thiết bị, Module cho hệ thống mạng
Gồm có tất cả bốn Module PLC S7-1200 CPU 1215 AC/DC/RL và 1 màn hình
HMI 9-inch Comfort như đã đề đạt ở phần 2.2.1
Do tuyến đường Trần Duy Hưng có mật độ dân cư đông đúc và lưu lượng xe cộ lưu thông nhộn nhịp hàng ngày, chúng tôi đã quyết định lựa chọn cáp cặp xoắn đồng 4 dây của Siemens để đảm bảo hiệu suất và độ bền.
AG sản xuất để phù hợp với môi trường, chịu được nắng mưa, va chạm, bụi bẩn nếu phải kéo cáp chôn xuống lòng đất
− Mã sản xuất: 6XV1840-2AH10
− Hãng sản xuất: Siemens AG
− Cáp Ethernet FC TP tiêu chuẩn công nghiệp, GP 2 × 2 (PROFINET Loại A), cáp cài đặt TP để kết nối với IE FC RJ45 2 × 2, để sử dụng phổ biến, CAT 5E 4 lõi
− Gồm 3 lớp bảo vệ: lớp lưới nhôm chống nhiễu, lớp lá nhôm giúp bảo vệ và lớp
3.2.3 Jack kết nối Để có thể truyền thông giữa các Module, ta cần sử dụng các Jack kết nối vật lý giữa các thiết bị lại với nhau Để phù hợp với dây cáp cặp xoắn đã lựa trên bên trên, chúng em lựa chon Jack kết nối - Đầu cắm Ethernet FastConnect RJ45 do SIMEMS AG sản xuất
− Mã sản xuất: 6GK1901-1BB10-2AA0
− Hãng sản xuất: Siemens AG
− Đầu cắm Ethernet FastConnect RJ45 công nghiệp 180 2x 2 đầu nối phích cắm RJ45 (10/100 Mbit / s)
− Vỏ bọc kim loại chắc chắn và hệ thống kết nối FC, dành cho Cáp IE FC 2x 2
3.3 Cấu hình hệ thống mạng
❖ Cấu hình địa chỉ mạng cho Master
❖ Cấu hình địa chỉ mạng cho Slave
❖ Cấu hình địa chỉ mạng cho HMI TP900 Comfort
❖ Cấu hình địa chỉ mạng cho Slave1
❖ Cấu hình địa chỉ mạng cho Slave2
3.5 Lập trình trao đổi dữ liệu trong mạng
❖ Lập trình chương trình PLC Master:
❖ Chương trình trên PLC Slave:
