LỜI MỞ ĐẦUĐèn giao thông còn được gọi tên khác là đèn tín hiệu giao thông, đèn điều khiển giao thông, hay đèn xanh đèn đỏ là một thiết bị được dùng để điều khiển giao thông ở những giao
TỔNG QUAN CHUNG
Lý do chọn đề tài
Thế giới không ngừng phát triển với sự ra đời của hàng triệu mạch điện tử tự động thông minh Những công nghệ điện tử này đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa, giúp con người hiện đại hóa cuộc sống, giảm bớt sức lao động và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Vi điều khiển là một thành phần quan trọng trong công nghệ vi xử lý, mang lại nhiều lợi ích vượt trội, như thay thế các mạch điện phức tạp bằng vi mạch nhỏ gọn và tiết kiệm chi phí, đồng thời tiết kiệm năng lượng và tăng tốc độ vận hành Một trong những ứng dụng nổi bật của vi mạch điện tử là đèn giao thông, giúp người dùng tiếp cận gần gũi hơn với lĩnh vực điện tử và tự động hóa.
Dựa trên kiến thức học được tại trường và kinh nghiệm thực tập, em đã quyết định nghiên cứu đề tài “Tìm hiểu mạch điều khiển tín hiệu đèn giao thông bằng PLC” với mong muốn góp phần giảm thiểu tình trạng ùn tắc giao thông.
Mục đích nghiên cứu
Thiết kế, xây dựng mô hình điều khiển đèn giao thông;
Lập trình PLC điều khiển đèn giao thông
+ Điều khiển các đèn ở ngã tư giao thông
+ Điều khiển các đèn cho người đi bộ ở ngã tư
+ Xây dựng màn hình điều khiển, giám sát hệ thống đèn giao thông trên Wincc;
Phương pháp thực hiện đề tài
Các bước thực hiện đề tài:
Phân tích đề bài là bước đầu tiên để xác định yêu cầu dự án Tiếp theo, tính chọn thiết bị phù hợp giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Sau đó, vẽ sơ đồ tổng quan để hình dung cấu trúc tổng thể Tiến hành vẽ sơ đồ thuật toán để xác định quy trình hoạt động của hệ thống Lập trình mô phỏng hệ thống là bước quan trọng để kiểm tra tính khả thi Kết nối linh kiện là giai đoạn thực hiện các kết nối vật lý Cuối cùng, chạy mô hình để đánh giá và điều chỉnh hệ thống cho đạt hiệu quả tối ưu.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Bộ điều khiển PLC S7-1200
2.1.1 Giới thiệu chung về PLC S7-1200
Bộ điều khiển PLC S7-1200 là một giải pháp linh hoạt và dễ mở rộng, lý tưởng cho các hệ thống tự động hóa vừa và nhỏ.
PLC S7-1200 với thiết kế nhỏ gọn và cấu hình linh động là giải pháp tối ưu cho công việc điều khiển, mang lại hỗ trợ mạnh mẽ cho các tập lệnh trong ứng dụng thực tế.
Hình 2.1 Bộ điều khiển PLC S7 – 1200
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 chính chứa vi xử lý, có nhiệm vụ biên dịch tín hiệu đầu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ PLC Nó cũng truyền đạt các quyết định dưới dạng tín hiệu để điều khiển 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 tải dữ liệu đến các thiết bị điều khiển.
Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
- Kiểu số - 6DI/4DO - 8DI/6DO - 14DI/10DO
- Kiểu tương tự - 2AO - 2AO - 2 AO
Số module mở rộng Không 2 8
Số module truyền thông 3 ( mở rộng về phía bên trái)
Bộ đếm tốc độ cao 3 4 6
Ngõ ra xung tần số cao 2
Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (Tùy chọn)
Bảng 2.1 Một số PLC S7-1200 thông dụng
2.1.3 Ứng dụng của PLC trong báo cáo:
Trong bài viết này, chúng tôi đã chọn bộ điều khiển PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC làm thiết bị chính để nhận và xử lý các tín hiệu điều khiển Bộ điều khiển này sẽ thực hiện theo chương trình đã được lập trình sẵn nhằm điều khiển hệ thống đèn giao thông.
TIA Portal
SIMATIC STEP 7 Professional là phần mềm lập trình cho các bộ điều khiển SIMATIC như S7-1200, S7-1500, S7-300, S7-400 và WinAC Được phát triển trên nền tảng TIA Portal, STEP 7 Professional mang đến giải pháp tự động hóa đồng nhất, hiệu quả và trực quan cho người dùng.
Cấu hình yêu cầu tối thiểu khi sử dụng SIMATIC STEP 7 Professional V16
Hình 2.2 Cấu hình sử dụng SIMATIC STEP 7
Type of license Floating license
Windows 7 (64-bit) Windows 7 Professional SP1 Windows 7 Enterprise SP1 Windows 7 Ultimate SP1 Windows 10 (64-bit) Windows 10 Professional Version 1809, 1903 Windows 10 Enterprise Version 1809, 1903 Windows 10 IoT Enterprise 2015 LTSB Windows 10 IoT Enterprise 2016 LTSB Windows 10 IoT Enterprise 2019 LTSC Windows Server (64-bit)
Windows Server 2012 R2 StdE (full installation) Windows Server 2016 Standard (full installation) Windows Server 2019 Standard (full installation)
Computer SIMATIC Field PG M5 Advanced or higher (or comparable PC) Processor Intel Core i5-6440EQ (up to 3.4 GHz)
RAM 16 GB or more (min 8 GB, 32 GB for large projects) Hard disk SSD with at least 50 GB storage space available
Network 1 Gbit (for multi-user)
Screen 15.6″ full HD display (1920 x 1080 or higher)
Bảng 2.2 Cấu hình sử dụng SIMATIC STEP 7
Danh sách mã sản phẩm cho phần mềm STEP 7 Professional
Hình 2.3 Danh sách mã sản phẩm cho phần mềm STEP 7 Professional
2.2.2 Giao thức kết nối Để có thể kết nối giữa thiết bị và phần mềm tia Portal cần có kết nối TCP/IP. Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau.
2.2.3 Làm việc với TIA Portal V13
Khởi động chương trình TIA Portal :
Click mở file “TIA Portal V13” trên Desktop của máy tính và click vào “Create new project”
Hình 2.4 Giao diện ban đầu của TIA Portal V13
Sau khi tạo project sẽ xuất hiện giao diện với các lựa chọn về thiết bị lập trình :
Devices & Networks: Chọn thiết bị lập trình, xem và thay đổi thiết bị lập trình (bao gồm: PLC, HMI, PC system).
Lập trình PLC bao gồm việc cập nhật và xem các chương trình mới, trong khi cấu hình giao diện HMI giúp nâng cao khả năng trực quan hóa Ngoài ra, việc kết nối trực tuyến với PLC cho phép chẩn đoán lỗi một cách hiệu quả.
Nhấp chọn Devices & Networks nhấp “Add new device” để chọn thiết bị để lập trình như sau:
Hình 2.5 Giao diện TIA Portal_1
Click vào “Configure a device” => Click vào “Add new device” và chon thiết bị.
Hình 2.6 Giao diện TIA Portal_2
Sau khi nhấp vào CPU cần kết nối, giao diện sẽ hiển thị nhiều cửa sổ cho phép người dùng thiết lập kết nối, chọn các cấu hình và màn hình lập trình chính.
Hình 2.7 Màn hình lập trình chính TIA Portal Để viết chương trình cho PLC ta làm như sau:
Trên “Project tree” => PLC_1 [ CPU 1214C DC/DC/DC] => Program blocks => Main [OB1].
Trên thanh công cụ bên phải, bạn có thể tìm thấy các lệnh cơ bản và chọn lệnh tắt từ Favorites => Empty box Sau đó, bạn chỉ cần kéo thả chuột hoặc sử dụng phím tắt để chọn nhóm lệnh cần thiết.
Hình 2.8 Màn hình lập trình chính TIA Portal Để nạp chương trình cho PLC ta làm như sau:
Click vào biểu tượng dowload “ ” trên màn hình
Chọn Realtek PCIe GBE Family Controller, sau đó chọn Start search.
Hình 2.9 Nạp chương trình cho PLC từ TIA Portal_1
Search xong thì máy tính sẽ tìm được PLC như hình bên dưới, ta chọn Load để máy tính nạp chương trình xuống cho PLC.
Hình 2.10 Nạp chương trình cho PLC từ TIA Portal_2
Tiếp theo cửa sổ Load preview xuất hiện, tiếp tục chọn Load để nạp chương trình cho PLC.
Hình 2.11 Nạp chương trình cho PLC từ TIA Portal_3 Đến đây thì chương trình đã được nạp xong, ta nhấp chọn Finish.
Hình 2.12 Nạp chương trình cho PLC từ TIA Portal_4
WinCC
WinCC (Windows Control Center) là phần mềm ứng dụng dùng để giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển tự động quá trình sản xuất Được biết đến như một chương trình HMI (Giao diện Người-Máy), WinCC cho phép người dùng thiết kế giao diện điều khiển để dễ dàng quan sát các hoạt động trong quá trình tự động hóa Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal, giúp việc trao đổi dữ liệu trực tiếp với PLC trở nên thuận tiện hơn.
Trong màn hình giao diện của TIA Portal ta nhấn “Add new device”.
Hình 2.13 Khởi tạo màn hình WinCC_1
Xuất hiện cửa sổ, ta chọn “PC systerms” => “SIMATIC HMI application”=>
Hình 2.14 Khởi tạo màn hình WinCC_2
Kết nối WinCC với PLC:
After creating a project, the device interface (Device view) will appear We need to select the device's communication network by clicking on "Communications module," then choosing "PROFINET/Ethernet," and finally selecting "IE general."
Hình 2.15 Kết nối WinCC với PLC_1
Tiếp theo, nhấn “Network view” => “Connections” , và Kéo thả chuột từ module PLC sang module WinCC để kết nối.
Hình 2.16 Kết nối WinCC với PLC_1
Tạo giao diện giám sát, điều khiển trên WinCC:
Nhấn “PC-System_1” => “HMI_RT_1” => “Add new creen” Màn hình giao diện chính xuất hiện,
Để lập trình và xây dựng màn hình giám sát điều khiển trong WinCC, người dùng cần sử dụng các công cụ trên thanh Toolbox và thực hiện các thiết lập trong phần Properties.
Một só thiết bị khác
2.4.1.1 Giới thiệu về đèn LED Đèn LED là viết tắt của Light – Emiting – Diode (điốt phát sáng), là nguồn phát sáng mỗi khi được dòng điện tác động lên Đèn LED tưởng chừng như một công nghệ mới ra đời gần đây, thế nhưng trong thực tế thì loại đèn này đã được manh nha ra đời và phát triển hơn 100 năm qua. Đèn LED ban đầu được sinh ra là để thay thế cho đèn sợi tóc, đèn neon hay màn hình bảy đoạn màu Ban đầu thì đèn LED có giá khá đắt đỏ, tuy nhiên thì trải qua thời gian, đèn LED được sản xuất đại trà hơn và được ứng dụng rất nhiều vào đời sống hằng ngày.
Ngày nay, đèn LED đã phát triển vượt bậc từ những bóng chip nhỏ thành nhiều mẫu mã đa dạng như đèn LED bulb, đèn trần, đèn tuýp, đèn vườn, đèn đường và đèn nhà xưởng Với hàng loạt ưu điểm vượt trội, đèn LED đang dần thay thế các loại đèn truyền thống.
Hình 2.18 Giới thiệu đèn led
2.4.1.2 Cấu tạo đèn LED Đèn LED có cấu tạo cơ bản gồm các thành phần như sau:
- Phần tử phát sáng: một diot để giúp đèn LED tạo ra ánh sáng.
Mạch in bóng đèn là một thành phần quan trọng quyết định độ bền của sản phẩm Chất lượng mạch in kém có thể dẫn đến việc đèn không sáng sau một thời gian sử dụng nhất định.
Bộ nguồn cần có tuổi thọ phù hợp với tuổi thọ của đèn LED để đảm bảo cung cấp điện áp và dòng điện ổn định, giúp duy trì hiệu suất chiếu sáng tốt nhất.
Bộ phận tản nhiệt của đèn LED với thiết kế tròn giúp hạ nhiệt độ cho tinh thể phát sáng một cách nhanh chóng, đặc biệt quan trọng đối với đèn LED công suất lớn Nếu bộ phận này không tương thích, tuổi thọ của bóng LED sẽ giảm, làm giảm hiệu suất phát sáng đáng kể.
Vỏ đèn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo đèn hoạt động bền bỉ và ổn định Thường được làm từ các chất liệu chống thấm nước và có khả năng tỏa nhiệt nhanh chóng như nhôm, vỏ đèn giúp bảo vệ các linh kiện bên trong khỏi tác động của môi trường.
Hình 2.19 Cấu tạo của đèn led
2.4.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của đèn LED a Ưu điểm của đèn LED: Đèn cho ánh sáng đa dạng, rất thân thiện với môi trường.
Quang thông của đèn bền bỉ, không gị suy giảm dần theo năm tháng Hiệu suất phát sáng lớn.
Tuổi thọ rất cao, Đèn LED có độ tỏa nhiệt ít, rất an toàn cho người dùng. Độ hoàn màu vượt trội.
Khả năng tiết kiệm điện năng vô cùng lớn.
Hình 2.20 Ưu điểm của đèn led b Nhược điểm của đèn LED:
- Chất lượng của các loại đèn trên thị trường rất khác xa nhau khiến người dùng bị nhầm lẫn.
- Giá của đèn hơi cao so với các loại đèn khác.
2.4.1.4 Cách hoạt động của đèn LED chiếu sáng
Chip LED hoạt động dựa trên công nghệ bán dẫn, trong đó bóng LED chứa một diode với chip bán dẫn được pha tạp chất để tạo ra tiếp giáp P-N Kênh P chứa lỗ trống, trong khi kênh N chứa điện tử.
Khi điện tử chuyển từ kênh P sang kênh N, ánh sáng được phát ra Màu sắc của các bước sóng phát ra sẽ khác nhau tùy thuộc vào các tạp chất có trong chip bán dẫn.
Hình 2.21 Cách hoạt động của đèn led
Hiện nay thì trên thị trường đang phổ biến một số loại LED chính như sau:
- Đèn LED thu nhỏ: Loại đèn tín hiệu ở trên các thiết bị điều khiển từ xa, máy ảnh, điện thoại di động, vv…
Hình 2.22 Các loại đèn led
Đèn LED ứng dụng cụ thể (AS-LED) được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hiển thị công cộng và bảng hiệu kỹ thuật số Loại đèn AS-LED này thường có khả năng phối hợp nhiều màu sắc, mang lại hiệu quả thị giác cao.
Dây đèn LED là loại đèn linh hoạt, được thiết kế thành dây dài, phù hợp cho chiếu sáng trong nhà và trang trí cho các công trình có nhiều góc cạnh.
2.4.1.6 Ký hiệu của đèn LED Đèn LED được ký hiệu bằng biểu tượng di-ot có 2 cực âm và dương cùng với 2 mũi tên để thể hiện sự phát sáng.
Hình 2.23 Ký hiệu của đèn led
Trước khi đi vào nội dung chính, chúng ta cần tìm hiểu về relay, hay còn gọi là rơ-le, là một công tắc điện từ hoạt động bằng dòng điện nhỏ để bật hoặc tắt dòng điện lớn hơn Relay hoạt động dựa trên nguyên lý của nam châm điện, với một cuộn dây trở thành nam châm tạm thời khi có dòng điện chạy qua, cùng với hệ thống tiếp điểm đóng cắt dễ dàng lắp đặt Có thể hình dung relay như một đòn bẩy điện, khi được kích hoạt bởi dòng điện nhỏ, nó sẽ điều khiển một thiết bị sử dụng dòng điện lớn hơn.
Rơ-le là một thiết bị điện phổ biến, nhỏ gọn và có giá thành phải chăng, được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày Điện áp và dòng điện mà rơ-le chuyển mạch rất khác biệt so với tín hiệu dùng để kích hoạt hoặc cấp điện cho nó.
Cấu tạo của relay (rơ – le) là gì ?
Cấu trúc cơ bản của relay bao gồm một cuộn dây kim loại (đồng hoặc nhôm) quấn quanh lõi sắt từ, với phần tĩnh gọi là ách từ (Yoke) và phần động là phần cứng (Armature) Phần cứng kết nối với tiếp điểm động, trong khi cuộn dây hút thanh tiếp điểm để tạo ra trạng thái NO và NC Mạch tiếp điểm (mạch lực) có nhiệm vụ đóng cắt thiết bị tải với dòng điện nhỏ và được cách ly bởi cuộn hút.
Nguyên lý làm việc của relay (rơ – le) là gì ?
Khi dòng điện chạy qua mạch đầu tiên, nam châm điện sẽ được kích hoạt, tạo ra từ trường để thu hút tiếp điểm và kích hoạt mạch thứ hai Khi nguồn điện tắt, lò xo sẽ kéo tiếp điểm về vị trí ban đầu, ngắt mạch thứ hai.
THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG PLC
Yêu cầu công nghệ
Hệ thống đèn giao thông ngã tư làm việc với chế độ hoạt động mặc định: Đèn giao thông hoạt động theo bảng sau:
Xanh 1 Vàng 1 Đỏ 1 Xanh 2 Vàng 2 Đỏ 2
Bảng 3.1 Yêu cầu công nghệ
Sơ đồ khối mô hình
Màn hình điều khiển, giám sát: Hệ thống được lập trình hiện thị trên màn hình
Wincc, chúng ta có thể giám sát, cài đặt và điều khiển hệ thống trực tiếp trên Wincc.
Hệ thống điều khiển: hệ thống những nút nhấn và switch để ta chọn các chế độ điều khiển.
Bộ điều khiển PLC là thiết bị nhận tín hiệu điều khiển và sử dụng thuật toán do người dùng lập trình để phát tín hiệu cho hệ thống đèn.
Hệ thống đèn giao thông: Là đối tượng được điều khiển, để hiểu thị tín hiệu đèn giao thông.
Lưu đồ thuật giải
Hình 3.2 Lưu đồ thuật giải
Sơ đồ nối dây
Hình 3.3 Sơ đồ nối dây
Mô hình mạch điều khiển tín hiệu đèn giao thông
Hình 3.4 Mô hình đồ án điều khiển đèn giao thông ngã tư.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Mô hình thực nghiệm
Hình 4.1 Mô hình trên Wincc
Kết quả vận hành chế độ tự động
Đầu tiên: Xanh1 , Đỏ 2 hoạt động
Sau 5s: Xanh 1 tắt, Vàng 1 và Đỏ 2 hoạt động
Sau 3s: Vàng 1, Đỏ 2 tắt, Đỏ 1, Xanh 2 hoạt động
Sau 5s: Xanh 2 tắt, Đỏ 1 và Vàng 2 hoạt động
Sau 3s: Hệ thống quay lại quá trình, Đỏ 1 và Vàng 2 tắt, Xanh 1 và Đỏ 2 hoạt động