NGHIÊN cứu, CHẾ tạo và lập TRÌNH điều KHIỂN mô HÌNH bãi đỗ XE tự ĐỘNG

TỔNG QUAN

Tổng quan về vấn đề đỗ xe trong các đô thị hiện nay

Trong thời gian đại dịch Covid-19, kinh tế và thị trường đều bị ảnh hưởng nghiêm trọng, nhưng sau khi mở cửa lại vào nửa cuối năm 2022, thị trường ô tô bắt đầu phục hồi với doanh số bán xe tăng nhanh Nhu cầu sử dụng ô tô trong nước vẫn lớn và có xu hướng tiếp tục tăng trưởng Tuy nhiên, tình trạng tắc đường, đặc biệt vào giờ cao điểm, vẫn là vấn đề nan giải Để giải quyết tình trạng này, cần thiết phải xây dựng các bãi đỗ xe quy mô lớn và tự động, nhằm giảm thiểu việc lấn chiếm vỉa hè công cộng để đỗ xe.

1.1.2 Thực tế tình hình giao thông chung

Tình hình giao thông tại Việt Nam đang gặp nhiều vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt là ý thức tham gia giao thông của người dân Việt Nam đứng thứ hai trong khu vực Đông Nam Á về tỷ lệ tử vong do tai nạn giao thông, với 26,1 người chết trên 100.000 dân Năm 2018, có tới 24.970 người thiệt mạng vì tai nạn giao thông Malaysia theo sau với tỷ lệ 23,3/100.000 người Bên cạnh đó, tình trạng đường xá xuống cấp, đặc biệt ở những khu vực đông phương tiện và khu dân cư thưa thớt, cũng góp phần làm gia tăng nguy hiểm trong giao thông.

Lấn chiếm vỉa hè, lề đường để kinh doanh buôn bán hàng hóa, đậu đỗ xe

Sự phát triển của công nghệ làm các phương tiện xe tham gia giao thông tăng trưởng mạnh

Tình trạng ùn tắc giao thông ở các đô thị lớn là hệ quả của nhiều vấn đề khác nhau, đòi hỏi giải pháp khẩn cấp Việc triển khai mô hình bãi đỗ xe thông minh không chỉ cần thiết cho các thành phố lớn mà còn cho toàn xã hội, nhằm cải thiện thực trạng giao thông hiện nay.

1.1.3 Thực tế bãi đỗ xe tự động hiện nay Ở nhiều thành phố lớn với mật độ dân cư tập trung đông đúc, phương tiện giao thông dày đặc luôn là mối lo về giao thông cũng như việc thiếu hụt bãi đỗ xe trầm trọng Việc người dân đậu đỗ xe lấn chiếm lề đường luôn có dấu hiệu tăng mang lại nhiều khó khăn cho nước nhà

Bãi đỗ xe thông minh và tự động đang trở thành giải pháp quan trọng cho nhiều thành phố, mang lại nhiều lợi ích đáng kể trong việc nâng cao chất lượng đô thị hóa Giải pháp này không chỉ giúp tiết kiệm diện tích đất mà còn giảm chi phí quản lý, đồng thời mang lại sự tiện lợi tối đa cho người sử dụng.

Bãi đỗ xe tự động không chỉ giải quyết nhu cầu đỗ xe công cộng trong thành phố mà còn có thể được lắp đặt tại các chung cư, công ty và xí nghiệp, mang lại nhiều lợi ích vượt trội.

Khảo sát, đánh giá một bãi đỗ xe thông minh hiện có tại thành phố Đà Nẵng 4 1.3 Phân tích một số phương án thực hiện bãi đỗ xe tự động

Thành phố Đà Nẵng, với sự phát triển vượt bậc, đã khẳng định vị thế là thành phố đáng sống nhất Việt Nam Quy mô dân số đông và sự phát triển mạnh mẽ của ngành du lịch là những thế mạnh nổi bật của Đà Nẵng Do đó, việc sử dụng các phương tiện giao thông như ô tô và xe máy trở thành lựa chọn thiết yếu cho cư dân và du khách khi khám phá thành phố này.

Trung tâm thành phố thường xuyên đối mặt với tình trạng ùn tắc giao thông do việc đậu đỗ xe lấn chiếm vỉa hè và lề đường Điều này đã trở thành một mối lo ngại lớn cho nhiều thành phố trên cả nước Để giải quyết vấn đề này, nhiều bãi đỗ xe đã được xây dựng với quy mô khác nhau, tuy nhiên, vẫn chưa có bãi đỗ xe nào hoàn toàn tự động và thông minh Do đó, bãi đỗ xe thông minh đầu tiên tại Đà Nẵng đã ra đời, hứa hẹn sẽ mang lại giải pháp hiệu quả cho tình hình giao thông hiện tại.

Dự án tại 255 đường Phan Châu Trinh đã hoàn thành và chính thức đi vào hoạt động, mang đến diện mạo mới cho thành phố và tạo sự tiện lợi cho người sử dụng.

Bãi đỗ xe thông minh 6 tầng tại Đà Nẵng, với 50 vị trí đỗ ô tô được thiết kế theo công nghệ Nhật Bản dạng xếp hình cao tầng, sử dụng kết cấu thép lắp ghép gồm 2 block với 5 khoang và mỗi block có 6 tầng Dự án này không chỉ nâng cao văn minh giao thông đô thị mà còn góp phần hiện đại hóa và phát triển thành phố Đà Nẵng.

Hình 1.1 Bãi đỗ xe thông minh ở Đà Nẵng

Dự án này mang lại nhiều lợi ích công nghệ, giúp giảm thiểu lượng xe đậu đỗ trên đường phố, từ đó cải thiện tình hình giao thông cho người dân Hệ thống phòng cháy chữa cháy được trang bị đầy đủ cùng với tính năng thu phí tự động, đảm bảo an toàn và thuận tiện cho người sử dụng.

+ Quy mô lớn có sức chứa gấp nhiều lần so với bãi đỗ xe truyền thống

+ Ứng dụng công nghệ quét thẻ để ra vào xe

+ Là hệ thống mới với công nghệ thiết bị được nhập khẩu nên việc bảo quản sửa chữa sẽ gây nhiều khó khăn

+ Cần có thời gian để làm quen và sử dụng công nghệ

+ Ý thức chấp hành đậu đỗ xe của người dân cũng là một điều quan trọng và khó giải quyết

Nhận thấy tình hình giao thông và bãi đỗ xe đang gặp nhiều vấn đề, nhóm đã quyết định thực hiện đề tài nghiên cứu về bãi đỗ xe tự động sau khi tham khảo thực tế tại Đà Nẵng Mặc dù quy mô đồ án còn hạn chế, nhóm đã nghiên cứu kỹ lưỡng các ưu nhược điểm để thiết kế một bãi đỗ xe tự động, nhằm góp phần giải quyết các vấn đề xã hội Qua đó, nhóm cũng mong muốn học hỏi và tích lũy thêm kiến thức mới, củng cố kiến thức đã học trong suốt 4 năm đại học.

1.3 Phân tích một số phương án thực hiện bãi đỗ xe tự động

1.3.1 Bãi đỗ xe dạng xếp hình

Bãi đỗ xe thông minh dạng xếp hình ngày càng được ưa chuộng trên toàn cầu nhờ vào sự đa dạng về kích thước và mẫu mã, phù hợp với nhu cầu của các chung cư, bệnh viện và khách sạn.

Hệ thống có thể lắp đặt từ 2 đến 7 tầng phù hợp với các dự án các tòa nhà chung cư ít diện tích

Hình 1.2 Bãi đỗ xe dạng xếp hình [9]

− Ưu điểm: Chi phí thấp dễ thi công và bảo trì, tiết kiệm thời gian lấy xe, có nhiều lựa chọn xe để gửi

− Nhược điểm: Là hệ thống bán tự động còn nhiều điểm thiếu sót so với các mô hình bãi đỗ xe khác Hoạt động xếp hình khá phức tạp

1.3.2 Hệ thống bãi đỗ xe xoay vòng đứng

Bãi đỗ xe nhỏ gọn được thiết kế theo kiểu nhiều tầng, tối ưu hóa không gian và diện tích, sử dụng nguyên lý xoay vòng để luân chuyển xe một cách hiệu quả.

Với công nghệ thông minh hiện đại, nó có thể chứa khoảng 12 đến 17 chiếc tùy loại xe Hệ thống hoạt động có tính tự động cao

Hình 1.3 Hệ thống bãi đỗ xe xoay vòng đứng

Hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như tiết kiệm diện tích, hoạt động hoàn toàn tự động và độc lập, dễ dàng bảo trì và sửa chữa Ngoài ra, nó còn giúp tiết kiệm thời gian trong việc đậu và lấy xe.

Hệ thống này có nhược điểm là yêu cầu đầu tư chi phí cao và tốn kém Ngoài ra, nó chỉ được thiết kế cho các loại xe nhất định, do đó các mẫu xe lớn không thể sử dụng được.

1.3.3 Bãi đỗ xe thông minh dạng trụ

Hệ thống bãi đỗ xe dạng tháp trụ mang lại sự chuyên nghiệp và tính thẩm mỹ cao trong việc đậu xe Với thiết kế nhiều tầng xoay quanh trục nâng hạ, hệ thống này tối ưu hóa không gian và thuận tiện cho việc lấy xe.

Hình 1.4 Bãi đỗ xe dạng trụ

− Nhược điểm: Hệ thống chứa được số lượng nên chi phí lắp đặt thi công rất cao

1.3.4 Bãi đỗ xe di chuyển bằng thang nâng

Hệ thống cần trục xếp dỡ vận hành bằng 3 trục động cơ độc lập, cho phép di chuyển linh hoạt theo chương trình điều khiển Được xây dựng từ khung thép hoặc bê tông, hệ thống này kết hợp thiết bị tự động hóa để tạo thành bãi đỗ xe tự động hiệu quả.

Hệ thống bãi đỗ xe có sức chứa từ 100 đến 500 xe, tùy thuộc vào khả năng đầu tư Mô hình bãi đỗ xe di chuyển bằng thang nâng rất phù hợp cho các tòa chung cư cao tầng và bệnh viện.

Hệ thống thang nâng thông minh được điều khiển tự động qua màn hình cảm ứng, giúp dễ dàng quản lý và giám sát.

Bãi đỗ xe thang nâng có 2 loại: Thang nâng lắp ngầm hoặc lắp nổi tùy theo nhu cầu phù hợp và tiết kiệm không gian

Là một hệ thống đỗ xe thông minh dễ quản lý, bảo dưỡng và sửa chữa

Hình 1.5 Bãi đỗ xe di chuyển bằng thang nâng

Xây dựng hệ thống đỗ xe thông minh là giải pháp lý tưởng cho những khu vực đô thị có diện tích đất hạn chế Hệ thống này sử dụng thang nâng với ba trục động cơ độc lập, giúp quá trình đỗ và trả xe trở nên linh hoạt và tự động hóa cao.

+ Độ phức tạp cho việc lập trình hệ thống cao do hệ thống thang nâng phải sử dụng

3 trục động cơ để hoạt động

+ Cần nhiều thời gian để bảo trì, sữa chữa khi gặp sự cố và cần phải bảo dưỡng hệ thống thường xuyên

Lựa chọn phương án thực hiện mô hình bãi đỗ xe tự động

Sau khi phân tích và thảo luận, nhóm đã quyết định lựa chọn phương pháp bãi đỗ xe dạng tháp di chuyển bằng thang nâng dựa trên các tiêu chí tiết kiệm diện tích, hiệu quả kinh tế và tính tự động cao.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu về công nghệ RFID

RFID (Nhận dạng tần số vô tuyến) là công nghệ sử dụng sóng radio để nhận diện đối tượng So với công nghệ mã vạch, RFID mang lại nhiều lợi ích vượt trội trong việc giám sát và quản lý đối tượng Hệ thống RFID chủ yếu bao gồm hai thành phần chính: thẻ từ (tag) và đầu đọc (reader).

+ Chỉ sử dụng sóng điện từ, tùy vào đặc điểm cấu tạo mà việc truyền phát tín hiệu cũng sẽ khác nhau

+ Thẻ RFID vẫn có thể phát hiện và quét được ngay cả khi bị che

+ Tùy thuộc vào từng loại thẻ mà tầm đọc có thể sẽ khác nhau

+ Đem lại lợi ích lớn hơn sử dụng mã vạch, có thể kết nối công nghệ RFID và công nghệ mã vạch để tạo nên một mô hình mới

Thiết bị đọc RFID (RFID reader) phát ra sóng điện từ với tần số xác định, cho phép thẻ RFID (RFID tag) nhận diện và phản hồi lại sóng này, cung cấp mã số của mình Nhờ đó, đầu đọc RFID có thể xác định được thẻ nào đang hoạt động trong vùng sóng điện từ đó.

Công nghệ RFID cho phép xác nhận đối tượng từ khoảng cách xa, phù hợp cho các hệ thống đảm bảo theo dõi chính xác và nhanh chóng Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống máy tự động, đặc biệt trong quản lý kho và vận chuyển hàng hóa.

Giới thiệu về giao thức truyền thông Modbus

Giao thức là tập hợp quy tắc và tiêu chuẩn dùng để biểu diễn, báo hiệu, xác thực và truyền tải dữ liệu một cách chính xác Hiện nay, các giao thức phổ biến bao gồm Modbus TCP/IP, Modbus RTU và Profinet.

Giao thức modbus là giao thức truyền nhận thông tin có thể truyền thông qua các mô-đun mở rộng hoặc cáp truyền

Truyền thông nhận truyền dữ liệu thông qua mô hình Master – Slave (chủ - tớ) như bên dưới:

Mô hình truyền thông Modbus Master/Slave cho phép mỗi thiết bị tớ (Slave) có một địa chỉ duy nhất từ 1 đến 254 Khi người dùng yêu cầu dữ liệu, thiết bị chủ (Master) sẽ gửi tín hiệu yêu cầu (request) đến các thiết bị tớ để thu thập thông tin cần thiết.

Khi tớ được chỉ định nhận gói tin này sẽ trả lời cho chủ, và nó sẽ được thu thập và báo cáo lại cho người sử dụng

− Các loại Modbus truyền thông được sử dụng trong công nghiệp:

Dữ liệu mã hóa nhị phân yêu cầu 1 byte để truyền và 1 byte để nhận, phù hợp với các mô-đun RS232 và RS485 Công nghệ này có tốc độ nhanh và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

Mô hình này sử dụng giao thức TCP/IP truyền qua Ethernet, trong đó TCP kiểm soát đường truyền và IP đảm nhận vai trò địa chỉ Internet Hệ thống kết nối theo cấu trúc Master-Slave, với dữ liệu được truyền tải qua các gói tin.

Dữ liệu truyền nhận gấp đôi so với Modbus TCP và Modbus RTU vì được chuyển đổi sang hệ thập lục phân và sử dụng mã ASCII

Không giống như Modbus RTU, trong quá trình giám sát người dùng có thể đọc được nội dung tin nhắn

Modbus ASCII có tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn so với Modbus RTU và Modbus TCP/IP do chứa nhiều thông tin mã hóa lệnh hơn, dẫn đến việc nó không được sử dụng phổ biến trong thực tế.

Giới thiệu về giao thức truyền thông Modbus TCP/IP

Modbus - TCP/IP là một trong các giao thức có thể kết nối với PLC, mạng truyền thông công nghiệp modbus là mạng Ethernet

− Phương thức truyền thông Modbus TCP/IP:

Modbus TCP là một phương pháp truyền thông chủ-tớ đặc biệt, sử dụng giao thức TCP/IP Khác với các phương pháp truyền thông khác, Modbus TCP cho phép giao tiếp ngang hàng thông qua Ethernet, cho phép tất cả các tớ tự động gửi thông tin về chủ Điều này giúp quản lý hiệu quả hơn bằng cách sử dụng địa chỉ IP của chủ.

− Có 2 kiểu Modbus TCP hiện nay:

Modbus TCP là giao thức truyền thông hiệu quả, hoạt động trên nền tảng TCP/IP, giúp tăng tốc độ xử lý và loại bỏ độ trễ Hình ảnh dưới đây minh họa sự kết hợp giữa Modbus TCP và Modbus RTU, thể hiện khả năng giao tiếp linh hoạt và nhanh chóng giữa các thiết bị.

Hình 2.3 Kết nối Modbus TCP/IP với Modbus RTU [8]

Cách truyền thông này đều sử dụng Ethernet và cần cổng hỗ trợ kết nối như là swich mạng.

Giới thiệu một số phần mềm lập trình trong đề tài

Phần mềm TIA Portal là công cụ chính để lập trình hệ thống cho đề tài, cho phép điều khiển PLC S7-1200 và thiết kế màn hình giám sát hệ thống bãi đỗ xe TIA Portal tích hợp tất cả các phần mềm trên một nền tảng, giúp dễ dàng quản lý và chia sẻ dữ liệu Hiện nay, phần mềm này có nhiều phiên bản khác nhau, người dùng có thể lựa chọn cài đặt phiên bản phù hợp với nhu cầu sử dụng Tuy nhiên, phần mềm yêu cầu bộ nhớ lớn, khó tiếp cận và cần thời gian để làm quen; đồng thời, các phiên bản cao hơn thường đòi hỏi cấu hình máy tính tốt hơn để thực hiện lập trình hiệu quả.

Hình 2.4 Giao diện phần mềm Tia Portal

2.4.2 Phần mềm Arduino IDE Đây là phần mềm dùng để lập trình cho Arduino sử dụng ngôn ngữ lập trình C hoặc C++ Trong đề tài này phần mềm chủ yếu dùng để viết chương trình giao tiếp truyền thông và quét thẻ RFID Phần mềm được miễn phí và người dùng có thể sửa đổi, cải tiến, nâng cấp trong phạm vi cho phép

Hình 2.5 Giao diện phần mềm Arduino IDE

Giới thiệu một số thiết bị sử dụng trong đề tài

Ngày nay, tự động hóa đang phát triển mạnh mẽ và trở thành yếu tố then chốt trong đời sống và ngành công nghiệp Sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ đã góp phần nâng cao hiệu quả và năng suất trong nhiều lĩnh vực.

Kỹ thuật Điện – Điện tử và Công nghệ thông tin đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống tự động, đặc biệt là bộ điều khiển và lập trình PLC, với khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) là thiết bị điều khiển có khả năng thực hiện các thuật toán linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể dễ dàng tạo chương trình bằng các thao tác trực quan PLC hoạt động dựa trên chương trình đã được lập trình sẵn, với nguyên lý rằng khi trạng thái các chân đầu vào thay đổi, các chân đầu ra cũng sẽ thay đổi tương ứng.

PLC Siemens S7-1200 với nhiều tính năng tiên tiến là sự lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống tự động hóa Thiết bị này hỗ trợ các module truyền thông mở rộng, giúp kết nối linh hoạt và tiết kiệm thời gian cũng như không gian lắp đặt.

Với nhiều cải tiến mới hơn sản phẩm trước Siemens đã phát triển nhiều sản phẩm có nhiều tính năng vượt trội hơn như là S7-1200 hay S7-1500

S7-1200 bao gồm chân cấp nguồn, các chân vào ra, nhiều tính năng bảo mật có thể bảo vệ chương trình điều khiển

Sản phẩm này được trang bị cổng Profinet và hỗ trợ nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, bao gồm TCP/IP Đặc biệt, người dùng có thể mở rộng kết nối dễ dàng bằng cách thêm các module mở rộng khác.

Phần mềm lập trình cho S7-1200 là phần mềm TIA Portal hỗ trợ ba ngôn ngữ lập

− Cấu trúc chung của PLC gồm có:

Cấu trúc chung của PLC bao gồm phần đầu vào/ra, nơi tín hiệu điều khiển được đưa vào thông qua các thiết bị ngoại vi như cảm biến, switch và nút nhấn Những tín hiệu này sau đó được sử dụng để điều khiển các thiết bị ở đầu ra PLC, chẳng hạn như động cơ và đèn.

Trong PLC, CPU là phần cứng chủ chốt kết hợp với chương trình để thực hiện quá trình điều khiển và xử lý hệ thống Chương trình xác định các chức năng mà bộ phận điều khiển cần thực hiện và được nạp vào bộ nhớ của PLC Qua đó, PLC thực hiện việc điều khiển dựa trên chương trình đã được cài đặt.

+ Thiết bị lập trình: Là máy tính hoặc thiết bị chuyên dụng có thể sử dụng để lập trình viết chương trình điều khiển PLC

+ Bộ nhớ làm việc: 75kB

+ Bộ nhớ giữ lại: 10kB

+ Chân đầu vào/ra: 14 in/10 out

− Giới hạn dưới cho phép: 20.4VDC

− Giới hạn trên cho phép: 28.8VDC

+ Dòng điện tiêu thụ: 500mA cho duy nhất CPU

+ Dòng điện tiêu thụ tối đa: 1500mA cho CPU và tất cả module mở rộng

Hình 2.8 PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC

Khi PLC nhận tín hiệu từ các đầu vào như cảm biến hoặc nút nhấn, nó sẽ tiến hành xử lý tín hiệu này và xuất ra tín hiệu để điều khiển các thiết bị ở đầu ra.

Vòng quét của chương trình diễn ra trong khoảng thời gian ngắn từ 1ms đến 10ms Tốc độ vòng quét nhanh hay chậm phụ thuộc vào hiệu suất xử lý của PLC, cấu trúc chương trình và tốc độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị.

Arduino là nền tảng mã nguồn mở kết hợp vi điều khiển và phần mềm lập trình (IDE), cho phép người dùng viết và tải chương trình lên bo mạch một cách dễ dàng.

Arduino Mega 2560 là một lựa chọn phổ biến cho các dự án từ lớn đến nhỏ nhờ tính đơn giản và dễ sử dụng Nó sở hữu nhiều tính năng vượt trội so với các loại vi điều khiển khác Đặc biệt, người dùng có thể nạp chương trình vào phần cứng thông qua cáp USB mà không cần sử dụng phần cứng riêng để tải mã.

Phần mềm Arduino IDE cung cấp nhiều phiên bản thân thiện với người dùng, cho phép lập trình bằng ngôn ngữ C và C++ Cùng với sự hỗ trợ mạnh mẽ từ cộng đồng Arduino toàn cầu, việc học tập và tiếp cận cho học sinh và người mới bắt đầu trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết.

Arduino có nhiều phiên bản, mỗi phiên bản phục vụ một mục đích sử dụng riêng Arduino Nano nổi bật với thiết kế nhỏ gọn và tiện lợi, trong khi Arduino Mega với nhiều chân tín hiệu phù hợp cho các dự án phức tạp hơn Arduino Uno là lựa chọn lý tưởng cho nhiều loại dự án khác nhau, đáp ứng linh hoạt nhu cầu của người dùng.

Hình 2.9 Một số dòng Arduino hiện nay

− IC nạp cũng như giao tiếp là: ATmega16U2

− Nguồn nuôi: 5VDC (có thể cắm trực tiếp từ USB) hay 9V (nếu cắm qua giắc cắm nguồn DC)

− Nguồn khuyên dùng: 7-9VDC (Nếu cắm trên 12VDC thì sẽ gây hỏng mạch)

− Số lượng chân Digital: 54 (trong đó có 15 chân PWM)

− Số lượng chân Analog: 16 (độ phân giải 10bit ↔ 2 10-1 )

− Giao tiếp UART: 4 bộ UART

− Giao tiếp SPI: từ chân 50-53 sử dụng với thư viện SPI Arduino

− Tính năng Shield của Arduino Uno đều có thể sử dụng trên Mega

− Bộ nhớ: 256KB cho Flash sử dụng (8KB trong tổng 256KB được sử dụng bởi bootloader)

The Arduino Mega features 54 digital pins, of which 15 can be used for Pulse Width Modulation (PWM) output, along with 16 analog pins It also includes 4 hardware UARTs for serial communication and a USB port for connectivity.

1 jack cắm điện, 1 đầu ICSP, 1 nút reset

− Trong đó lên tới 5 chân GND, 3 chân 5V, 1 chân 3.3V và không thể thiếu 1 chân reset

− Cơ bản các tính năng của Arduino Mega đều giống với Arduino Uno, chỉ khác về quy mô số lượng chân

− Arduino Mega 2560 đã có thể kết nối với thế giới bên ngoài, đưa thông tin lên Wed…

Ethernet Shield là một mạch giao tiếp mở giúp kết nối Arduino với internet, cho phép truyền thông tin dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả qua khoảng cách lớn Thiết bị này đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực IoT và điều khiển giám sát, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với việc sử dụng sóng RF hay các phương thức truyền tin nhắn khác.

Với phiên bản này, để lưu trữ tin, Ethernet Shield đã được tích hợp thêm khe cắm

THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN

Giới thiệu

Chương này sẽ phân tích và lựa chọn qui trình công nghệ cho mô hình bãi đỗ xe tự động dựa trên các mục tiêu ban đầu và thông tin từ chương 1 và chương 2 Sau đó, sẽ thiết kế sơ đồ khối của hệ thống, khung cơ khí, tủ điện và trình bày nguyên lý hoạt động cùng với các tính toán cần thiết, nhằm đảm bảo đáp ứng các tiêu chí đã đề ra.

Mô hình thiết kế đơn giản và kích thước phù hợp với quy mô đồ án sinh viên, đảm bảo hoạt động hiệu quả khi đưa vào vận hành theo yêu cầu công nghệ.

− Các sơ đồ, bản vẽ thiết kế đảm bảo tính thẩm mỹ, đầy đủ các quá trình công nghệ

− Sơ đồ khối đơn giản, đầy đủ các khối vào ra

Phân tích và lựa chọn qui trình công nghệ

Hệ thống điều khiển tay nâng sử dụng 3 động cơ bước để điều khiển 3 trục X, Y, Z, kết hợp với 2 cảm biến hồng ngoại để phát hiện sự có mặt của xe và xác nhận quá trình trả xe Để quản lý 6 ô đỗ, hệ thống sử dụng 6 relay 5VDC, mỗi relay tương ứng với một ô đỗ Thẻ từ RFID được sử dụng để kích hoạt relay thông qua Arduino, cho phép hệ thống tự động phân tích và thực hiện quy trình “Đưa xe vào” hoặc “Lấy xe ra” dựa vào đầu vào từ relay được kích hoạt.

+ Tính tự động hoá cao

+ Độ chính xác tương đối cao do sử dụng động cơ bước để điều khiển

+ Sử dụng nhiều relay 5VDC nên tốn khá nhiều chi phí

+ Tốn nhiều đầu vào của PLC

+ Không áp dụng được đối với hệ thống có nhiều ô đỗ

Hệ thống điều khiển tay nâng sử dụng 3 động cơ bước để quản lý 3 trục X, Y, Z, kết hợp với 2 cảm biến hồng ngoại để phát hiện xe vào và xe đã trả mã thẻ Module Ethernet Shield được sử dụng để truyền thông tin mã thẻ đã xử lý đến PLC S7-1200 qua giao thức Modbus TCP/IP Sau khi quét thẻ, hệ thống tự động phân tích và quyết định thực hiện “Đưa xe vào” hoặc “Lấy xe ra” dựa trên sự so sánh mã thẻ quét được với mã thẻ hiện có trong hệ thống.

+ Tính tự động hoá cao

Hệ thống có nhiều ô đỗ có thể áp dụng để khắc phục nhược điểm của quy trình 1, mang lại hiệu quả cao hơn Đặc biệt, độ chính xác của hệ thống được cải thiện đáng kể nhờ vào việc sử dụng động cơ bước để điều khiển.

+ Chi phí cao hơn qui trình 1 do việc sử dụng Ethernet shield

3.2.3 Lựa chọn qui trình công nghệ

Dựa trên việc phân tích ưu và nhược điểm, cũng như quy trình công nghệ của hai quy trình đã đề cập, chúng ta quyết định lựa chọn quy trình 2 vì nó mang lại nhiều lợi ích hơn và ít hạn chế hơn so với quy trình 1.

Thiết kế sơ đồ khối

Khối tín hiệu đầu vào

Khối cơ cấu chấp hành Máy tính

Khối xử lý trung tâm

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

+ Khối nguồn: cung cấp điện đến tất cả các thiết bị trong các khối hệ thống

Khối xử lý trung tâm sử dụng PLC Siemens S7-1200 với hiệu năng cao, có nhiệm vụ nhận tín hiệu đầu vào từ các thiết bị như nút nhấn, cảm biến và công tắc hành trình, nhằm xử lý và điều khiển các đầu ra một cách hiệu quả.

Khối tín hiệu đầu vào bao gồm các nút nhấn, cảm biến và công tắc hành trình, có chức năng phát tín hiệu để bật, tắt, đưa hệ thống về trạng thái ban đầu hoặc dừng khẩn cấp Những tín hiệu này sẽ được gửi về khối PLC để tiến hành xử lý.

Khối cơ cấu chấp hành bao gồm driver điều khiển động cơ bước 24VDC, relay trung gian và đèn báo, có chức năng vận hành và báo hiệu trạng thái hoạt động của hệ thống Đồng thời, module RFID RC522 được sử dụng để đọc mã thẻ RFID và truyền dữ liệu về Arduino để xử lý.

Arduino Mega 2560 là một vi điều khiển hiệu năng cao, giá thành hợp lý và phổ biến, được sử dụng để nhận và xử lý mã thẻ từ module RFID Sau đó, nó kết hợp với module Ethernet Shield để truyền dữ liệu đã xử lý vào PLC.

Máy tính đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp với PLC để nạp chương trình và giám sát hệ thống qua WinCC, đồng thời kết nối với Arduino để xử lý mã thẻ RFID thông qua thiết bị trung gian là Switch.

+ Switch: dùng để chia tín hiệu ra nhiều cổng Ethernet (RJ45), làm trung gian phục vụ cho việc giao tiếp giữa PLC, máy tính và Arduino được diễn ra.

Thiết kế bản vẽ khung cơ khí và tủ điện mô hình

Toàn bộ thiết kế khung cơ khí và tủ điện cho mô hình bãi đỗ xe tự động được thực hiện trên phần mềm AutoCAD, đảm bảo rằng kích thước và hình dạng của khung mô hình và tủ điện thực tế sẽ tương ứng với bản vẽ.

3.4.1 Thiết kế bản vẽ khung cơ khí

Dựa vào tiêu chí thiết kế ban đầu, mô hình được xây dựng với độ phức tạp vừa phải, phù hợp với quy mô đồ án sinh viên và đảm bảo hoạt động theo yêu cầu công nghệ Kích thước mô hình không cần quá lớn, nhưng phải đủ không gian để hệ thống thực hiện thao tác lấy và trả xe mà không va chạm với khung hoặc các bộ phận cơ khí khác Kích thước tổng thể của khung cơ khí mô hình được xác định như sau:

+ Kích thước tổng thể mô hình (Cao × rộng × sâu): 566 × 720 × 460 (𝑚𝑚)

Khi chọn vật liệu làm khung, các lựa chọn phổ biến bao gồm sắt, thép, nhôm, gỗ, nhựa và mica Tuy nhiên, tiêu chí hàng đầu là đảm bảo độ chắc chắn và cứng cáp để mô hình không bị biến dạng khi di chuyển từ nhà đến trường Nhôm, đặc biệt là nhôm định hình, là vật liệu lý tưởng vì độ bền cao và khả năng di chuyển dễ dàng mà không lo biến dạng Việc thi công nhôm định hình cũng yêu cầu các thiết bị hỗ trợ như máy cắt và máy khoan, giúp tăng độ chính xác và giảm sai số so với các vật liệu khác.

Hình 3.2 Hình chiếu đứng khung cơ khí mô hình bãi đỗ xe tự động

Hình 3.3 Hình chiếu bằng khung cơ khí mô hình bãi đỗ xe tự động

Hình 3.4 Hình chiếu cạnh khung cơ khí mô hình bãi đỗ xe tự động

3.4.2 Thiết kế bản vẽ tủ điện

Tủ điện được thiết kế với kích thước phù hợp, đảm bảo đủ không gian để lắp đặt các thiết bị điện điều khiển Mô hình tủ điện này có kích thước cụ thể như sau:

− Kích thước tổng thể tủ điện (HxWxD): 500x300x200

Hình 3.5 Mặt ngoài tủ điện

Hình 3.6 Bên trong tủ điện

Nguyên lý hoạt động hệ thống

Hệ thống hoạt động theo kiểu tuần tự, nghĩa là một hoạt động chỉ diễn ra khi hoạt động trước đó đã hoàn tất, nhằm tránh xung đột Trong quá trình Đưa xe vào hoặc Lấy xe ra, hệ thống sẽ không cho phép thực hiện các thao tác tiếp theo cho đến khi quá trình hiện tại kết thúc Quá trình này có thể được thực hiện tự động thông qua việc quét thẻ từ hoặc điều khiển bằng tay qua WinCC Ở chế độ tự động, hệ thống sử dụng thẻ từ để xác định vị trí ô đỗ hoặc lấy xe.

Khi hành khách muốn đỗ xe, họ cần lái xe vào vị trí “Ô chờ đỗ” và tắt máy trước khi ra ngoài Hệ thống sẽ sử dụng “Cảm biến vào” để kiểm tra xem có xe nào đã vào “Ô chờ đỗ” hay chưa Nếu vị trí đã có xe, thao tác quét thẻ từ mới có hiệu lực Người quản lý sẽ quét thẻ từ và giao lại cho khách Sau khi quét thẻ xong, hệ thống sẽ tiến hành các bước tiếp theo.

Hệ thống so sánh mã thẻ vừa quét với mã thẻ trong cơ sở dữ liệu để xác định xem xe đã có trong bãi hay chưa Nếu chưa, tay nâng tự động di chuyển đến “Ô chờ đỗ” để lấy xe Sau khi xe được nâng lên khỏi “Ô chờ đỗ”, tay nâng sẽ được rút về để tránh va chạm với xe khác hoặc các bộ phận cơ khí Tiếp theo, hệ thống xác định vị trí ô đỗ tương ứng dựa trên mã thẻ đã quét và di chuyển xe đến vị trí đó Khi xe đã vào đúng ô đỗ, trạng thái xe sẽ được hiển thị trên WinCC, hoàn tất quá trình đưa xe vào.

Trong quá trình thực hiện việc "Đưa xe vào" cho xe hiện tại, nếu có tín hiệu yêu cầu từ xe tiếp theo khi xe đó đã vào vị trí "Ô chờ đỗ" và đã quét thẻ, thì việc quét thẻ của xe tiếp theo sẽ không có hiệu lực cho đến khi hệ thống hoàn tất việc "Đưa xe vào" cho xe hiện tại Chỉ sau khi hoàn thành quy trình này, hệ thống mới tiếp tục thực hiện yêu cầu "Đưa xe vào" từ xe tiếp theo.

− Lấy xe ra: Hành khách muốn lấy xe, đưa thẻ cho nhân viên quản lý bãi đỗ xe để quét Quét thẻ xong, hệ thống thực hiện:

Hệ thống so sánh mã thẻ vừa quét với mã thẻ trong cơ sở dữ liệu để xác định xem xe đã có trong bãi hay chưa Nếu có, hệ thống tự động xác định vị trí đỗ của xe và di chuyển tay nâng đến đó để thực hiện thao tác lấy xe Sau khi xe được lấy ra khỏi vị trí đỗ, hệ thống sẽ xóa thông tin xe tại vị trí tương ứng trên WinCC và rút tay nâng về để tránh va chạm với xe khác hoặc phần cơ khí Cuối cùng, tại "Ô trả xe", cảm biến ra sẽ xác nhận việc nhận xe, hoàn tất quá trình "Lấy xe ra".

Trong quá trình thực hiện thao tác “Lấy xe ra” cho xe hiện tại, hệ thống sẽ không chấp nhận tín hiệu quét thẻ cho xe tiếp theo cho đến khi hoàn tất việc lấy xe hiện tại Sau khi hoàn thành thao tác này, nếu vẫn có yêu cầu lấy xe cho xe tiếp theo, sẽ xảy ra hai trường hợp khác nhau.

• Trường hợp 1: Hệ thống sẽ không thực hiệu yêu cầu lấy xe ra cho xe tiếp theo nếu xe hiện tại chưa rời khỏi “Ô trả xe”

Hệ thống sẽ tiến hành yêu cầu lấy xe cho xe tiếp theo nếu xe hiện tại đã rời khỏi “Ô trả xe” trước khi quét thẻ Trong chế độ bằng tay, thao tác quét thẻ sẽ không có hiệu lực.

Khi xảy ra sự cố trong quá trình Đưa xe vào hoặc Lấy xe ra và người quản lý nhấn nút EMG, chế độ tự động quét thẻ không còn khả năng hoạt động Để tiếp tục quá trình này, người điều khiển phải chuyển sang chế độ điều khiển bằng tay Sau đó, cần thực hiện việc Hiển thị hoặc Xoá xe tại vị trí tương ứng trên màn hình WinCC Việc điều khiển tay nâng sẽ được thực hiện qua WinCC với hai tùy chọn điều khiển, cho phép di chuyển lên xuống hoặc vào ra theo yêu cầu.

Tùy chọn điều khiển tự do cho phép người điều khiển di chuyển tay nâng đến bất kỳ vị trí nào trong bãi đỗ, miễn là nằm trong tầm hoạt động của thiết bị.

Tuỳ chọn điều khiển an toàn giúp giới hạn khoảng cách di chuyển của tay nâng, đảm bảo an toàn cho cả tay nâng và phương tiện trong bãi đỗ Tính năng này giúp người điều khiển tránh va chạm với các xe đã đỗ hoặc các phần cơ khí khác, từ đó đảm bảo an toàn tuyệt đối trong quá trình điều khiển bằng tay.

Tính toán

Để lựa chọn bộ nguồn phù hợp, trước tiên cần xác định điện áp mong muốn là U1 = 24VDC, vì đây là điện áp chủ yếu cho các thiết bị Tiếp theo, cần liệt kê các thiết bị sẽ sử dụng nguồn năng lượng này và tính toán mức tiêu thụ năng lượng của chúng, từ đó giúp chọn bộ nguồn thích hợp.

Chúng tôi sử dụng 3 động cơ bước với dòng định mức mỗi động cơ là 2A, được điều khiển thông qua 3 driver có dòng cấp tối đa 3A Do mỗi động cơ chỉ cần dòng định mức 2A, nên chúng tôi cài đặt cho driver dòng tối đa là 2A Như vậy, mức dòng tiêu thụ chung cho cả 3 driver là I1 = 2A.

Cảm biến hồng ngoại có dòng tiêu thụ 15mA ở 24VDC, trong khi dòng kích ngõ ra đạt 300mA Do đó, ta chọn mức dòng cao nhất là I2 = 300mA = 0,3A.

+ 1 relay trung gian: dòng định mức I3= 36,3mA = 0,0363 A

+ PLC S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC: dòng tiêu thụ tối đa: I4 = 1500mA = 1,5A

⟹Tổng công suất tiêu thụ nếu các thiết bị này hoạt động cùng một lúc:

Như vậy ta cần chuẩn bị một bộ nguồn như sau:

Hình 3.7 Nguồn tổ ong 24VDC – 10A

+ Điện áp đầu vào (AC): 110V/220V 50/60hz (Chân L và N)

+ Điện áp đầu ra (DC): 24V (Chân V+, V- hoặc COM)

+ Bảo vệ: quá áp, ngắn mạch

+ Tiêu chuẩn: loại tốt, giá rẻ, đủ ampe

+ Đường kính ốc vặn :2,5mm

+ Số lượng ốc vào ra: 9

3.6.2 Các tính toán liên quan đến việc lập trình điều khiển động cơ bước Ở đây, ta sẽ chỉ sử dụng động cơ trục X (ĐCX) - là động cơ thực hiện di chuyển để điều khiển động cơ đi hết 1 vòng, và 1 vòng thì động cơ đi được bao nhiêu mm trước khi đi vào lập trình Việc tính toán cho các động cơ còn lại được thực hiện tương tự như tính toán cho ĐCX

− Từ nhãn của động cơ ta có thể truy xuất được các thông số cơ bản ban đầu sau: + Số pha: 2 pha

Từ các thông số cơ bản ban đầu của ĐCX ta tính được:

Ta có công thức tính góc bước [6]: Gb = 360

𝐺 𝑏 𝑆ố 𝑝ℎ𝑎 = 1,8 2 360 = 100 (Cực từ) Trong đó: Gb : Góc bước

SCrx : số cực rotor của động cơ X

3.6.2.2 Tính số xung cần có để động cơ thực hiện quay hết 1 vòng (ở chế độ full step)

Góc bước của động cơ là Gb = 1,8°, tương ứng với góc dịch chuyển của trục động cơ trong mỗi bước Điều này có nghĩa là mỗi bước của động cơ sẽ dịch chuyển một góc 1,8°, tương ứng với 1 xung trong chế độ full step.

⟺ Với 1 xung: ĐCX dịch chuyển 1,8 0 Vậy để động cơ quay hết 1 vòng 360 0 ta cần cấp số xung tương ứng Pul360x là:

1,8 = 200 (xung/vòng) Trong đó: Pul360x : số xung để ĐCX quay hết 1 vòng 360 0

⟹ Vậy với Pul360x = 200 (xung) thì động cơ quay hết 1 vòng 360 0

3.6.2.3 Tính quãng đường mà động cơ đi được nếu cấp 1 xung

Ta có: Kích thước trục ĐCX là 5mm Và trục ĐCX được gắn vào một Puly có thông số như sau:

− Đường kính bánh răng: Dx = 12mm

Để tính chu vi của Puly bánh răng có đường kính Dx mm gắn vào trục động cơ, chúng ta cần xác định chu vi của Puly trước Chu vi này chính là quãng đường mà trục động cơ di chuyển khi quay một vòng.

Cách 1: Áp dụng công thức tính chu vi hình tròn:

Cx = Dx.𝜋 = 12.𝜋 ≈ 38 (mm) Trong đó: Cx : chu vi hình tròn của Puly gắn trục ĐCX

Dx: đường kính của Puly

𝜋 là 3,14 Cách 2: Dựa vào các thông số như số răng, bước răng của Puly

Cx = Số răng Bước răng = 20 2 = 40 (mm) Trong đó: Cx : chu vi hình tròn của Puly gắn trục động cơ X

Số răng: 20 răng Bước răng: 2mm

⟹ với kết quả của 2 cách tính trên, ta chọn kết quả của cách 2 vì cách tính đơn giản Vậy chu vi của Puly là Cx = 40 (mm)

Với chu vi Cx = 40 mm, động cơ X quay 1 vòng 360 độ sau mỗi 200 xung Do đó, quãng đường mà động cơ di chuyển trong 1 vòng là 40 mm Khi được cấp 1 xung, quãng đường mà động cơ X dịch chuyển được sẽ tương ứng với khoảng cách đã được tính toán.

200 = 0,2 (mm/xung) Trong đó: S1x : Quãng đường ĐCX dịch chuyển được khi được cấp 1 xung

3.6.2.4 Tính số xung phát ra để ĐCX truyền động đưa cơ cấu khớp tịnh tiến di chuyển qua lại chính xác giữa các cột trong mô hình

Sử dụng hình chiếu bằng như hình dưới để tả lại kích thước giữa các cột trong mô hình

Hình 3.8 minh họa hình chiếu bằng khung cơ khí, thể hiện kích thước giữa các cột trong mô hình Vị trí gốc được xác định là 0, từ đó chúng ta định nghĩa vị trí của các cột như được trình bày trong Hình 3.6.

Cột 1: tại vị trí chính giữa của cột 1, ta gọi vị trí này là vị trí gốc (hay vị trí xuất phát) = 0

Cột 2: từ vị trí gốc của cột 1 đến vị trí chính giữa cột 2, ta gọi vị trí này là cột 2 và có khoảng cách so với vị trí gốc là 175 (mm)

Cột 3: từ vị trí chính giữa của cột 2 đến vị trí chính giữa cột 3, ta gọi vị trí này là cột 3 và có khoảng cách so với vị trí gốc là 350 (mm)

Cột 4: từ vị trí chính giữa của cột 3 đến vị trí chính giữa cột 4, ta gọi vị trí này là cột 4 và có khoảng cách so với vị trí gốc là 525 (mm)

⟹Ta thấy rằng khoảng cách di chuyển qua lại giữa 2 cột liền kề nhau đều có sự tương đồng, đều bằng 175 (mm)

− Vậy bài toán đặt ra để điều khiển ĐCX như sau:

Để tính số xung Pul cần phát ra cho ĐCX 2 pha với góc bước 1,8° và chế độ Full step, ta cần xác định số bước cần thiết để di chuyển khớp trượt từ vị trí gốc (0) đến vị trí cột 2, cách vị trí gốc 175 mm Trên trục ĐCX gắn một Puly bánh răng có đường kính Dx mm và 20 răng, với bước răng 2 mm Số xung Pul cần phát ra được tính bằng cách chia khoảng cách cần di chuyển (175 mm) cho bước di chuyển của mỗi xung, tương ứng với số răng và bước răng của bánh răng.

Cách giải quyết: Áp dụng cách tính toán từ Tiểu mục 3.6.2.2 ; Tiểu mục 3.6.2.3 đã thực hiện từ trước là đã có thể giải quyết bài toán này

Ta có: ĐCX hoạt động ở chế độ Full Step có góc bước Gb = 1,8 0

− Áp dụng cách tính từ Tiểu mục 3.6.2.2 ta có:

+ Số xung Pulx cần cấp để động cơ quay hết 1 vòng 360 0 là:

− Áp dụng cách tính từ Tiểu mục 3.6.2.3 ta có:

+ Chu vi hình tròn của Puly gắn trục ĐCX:

Cx = Số răng Bước răng = 20 2 = 40 (mm) + Quãng đường mà động cơ dịch chuyển được khi được cấp 1 xung 1,8 0 là:

⟹ số xung Pul12 cần phải phát ra để ĐCX đưa khớp trượt từ vị trí gốc đến vị trí cột

0,2 = 875 (xung) Trong đó: 𝑃𝑢𝑙 12 : số xung để ĐCX đưa khớp trượt từ cột 1 sang cột 2

𝑆 1𝑥 : Quãng đường ĐCX dịch chuyển được khi được cấp 1 xung

Khoảng cách từ vị trí gốc đến vị trí cột 2 (S12) là một yếu tố quan trọng trong việc điều khiển động cơ bước Các phép tính trong phần này chỉ mang tính chất tham khảo, giúp giải đáp thắc mắc về cách dịch chuyển động cơ đến vị trí mong muốn thông qua việc phát xung Sử dụng phần mềm TIA Portal, người lập trình có thể dễ dàng tính toán các thông số mà không cần lập trình phức tạp Chỉ cần cấu hình và nhập vị trí cần đến, phần mềm sẽ tự động điều chỉnh số xung phát ra để động cơ di chuyển đến vị trí chính xác theo cấu hình đã thiết lập.

THI CÔNG HỆ THỐNG VÀ LẬP TRÌNH

Giới thiệu

Sau khi hoàn tất quá trình tính toán và thiết kế, chương này sẽ tiến hành thi công và lập trình cho hệ thống Một số nội dung quan trọng sẽ được thực hiện trong chương này bao gồm việc triển khai các giải pháp kỹ thuật và đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

+ Về phần cứng: Tiến hành lắp ráp các thiết bị (đã được giới thiệu ở Chương 2 đề tài này) vào mô hình

Để thực hiện phần điện, trước tiên cần vẽ sơ đồ đấu nối giữa PLC và các thiết bị Sau khi hoàn thành sơ đồ, tiến hành đấu nối PLC với các thiết bị trong mô hình theo đúng sơ đồ đã thiết kế.

Trước khi bắt đầu lập trình hệ thống, việc diễn giải nguyên lý hoạt động thông qua lưu đồ là rất quan trọng Điều này giúp lập trình viên hình dung rõ ràng các bước xử lý trong chương trình, từ đó dễ dàng phát hiện và điều chỉnh những điểm chưa hợp lý để tối ưu hóa quy trình lập trình.

Chương trình được thiết kế dựa trên nguyên lý hoạt động và lưu đồ giải thuật của hệ thống từ cấp nguồn đến khi ngắt nguồn Tất cả quy trình hoạt động cần tuân thủ chặt chẽ theo giải thuật và nguyên lý để đảm bảo mô hình hoạt động hiệu quả Một số tiêu chí quan trọng bao gồm việc xây dựng lưu đồ giải thuật ngắn gọn, nhưng vẫn đầy đủ các bước xử lý và thực hiện, giúp người đọc có cái nhìn tổng quan và rõ ràng về hệ thống.

+ Giữa lưu đồ giải thuật và nguyên lý hoạt động phải có mối liên kết chặt chẽ với nhau

Chương trình điều khiển đơn giản cần có sự liên kết chặt chẽ giữa các khâu, đảm bảo không xảy ra xung đột trong quá trình vận hành Đồng thời, khả năng dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển cũng là một yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu quả hoạt động.

Thi công hệ thống

− Thi công hệ thống tay nâng XYZ:

+ Lắp ráp động cơ và công tắc hành trình vào trục X Trục X có mục đích di chuyển tay nâng theo chiều ngang (trái/phải)

Hình 4.1 Lắp ráp động cơ và công tắc hành trình cho trục X của cơ cấu tay nâng XYZ

• Trong đó: 1: Công tắc hành trình X

2: Động cơ trục X + Lắp ráp động cơ và công tắc hành trình vào trục Y Trục Y có mục đích di chuyển tay nâng đi ra/về

Hình 4.2 Lắp ráp động cơ và công tắc hành trình vào trục Y của cơ cấu tay nâng XYZ

• Trong đó: 1: Công tắc hành trình Y

2: Động cơ trục Y + Lắp ráp động cơ và công tắc hành trình vào trục Z Trục Z có mục đích di chuyển tay nâng đi lên/xuống

Hình 4.3 Lắp ráp động cơ và công tắc hành trình vào trục Z của cơ cấu tay nâng XYZ

• Trong đó: 1: Công tắc hành trình Z

2: Động cơ trục Z Dưới đây là hình ảnh tay nâng XYZ hoàn chỉnh:

Hình 4.4 Tay nâng XYZ hoàn chỉnh

− Lắp ráp cảm biến vào, cảm biến ra vào mô hình:

Hình 4.5 Lắp ráp cảm biến vào lên mô hình

Hình 4.6 Lắp ráp cảm biến ra lên mô hình

− Hình ảnh tổng quan mô hình thực tế:

Hình 4.7 Tổng quan mô hình thực tế

4.2.2 Thi công phần điện Để phần cơ khí hoạt động được thì phần điện đóng vai trò tiên quyết cho toàn bộ hệ thống, nó có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện để các thiết bị điện có thể hoạt động được Các thao tác đấu nối các thiết bị điện với nhau đều phải chuẩn xác Nếu đấu sai, các thiết bị điện có thể không hoạt động hoặc khiến hệ thống gặp lỗi khi vận hành hay tệ hơn là dẫn tới hư hỏng thiết bị

Việc thi công phần điện cần được thực hiện theo sơ đồ đã được kiểm tra và sửa lỗi kỹ càng trước khi tiến hành đấu nối thực tế Đầu tiên, cần xây dựng bảng phân công đầu vào và đầu ra để xác định thiết bị nào sử dụng đầu vào hay đầu ra của bộ xử lý trung tâm PLC S7-1200.

Bảng 4.1 Bảng phân công đầu vào, đầu ra

Tên Kiểu dữ liệu Địa chỉ Mô tả

DC X_Xung Bool %Q0.0 Đầu ra phát xung điều khiển ĐCX

DC Y_Xung Bool %Q0.1 Đầu ra phát xung điều khiển ĐCY

DC Z_Xung Bool %Q0.2 Đầu ra phát xung điều khiển ĐCZ

DC X_Chieu Bool %Q0.3 Đầu ra phát xung điều khiển chiều quay ĐCX

DC Y_Chieu Bool %Q0.4 Đầu ra phát xung điều khiển chiều quay ĐCY

DC Z_Chieu Bool %Q0.5 Đầu ra phát xung điều khiển chiều quay ĐCZ

Xanh tu Bool %Q0.6 Đèn xanh tủ

Do tu Bool %Q0.7 Đèn đỏ tủ

Vang tu Bool %Q1.0 Đèn vàng tủ

START Bool %I0.0 Nút nhấn START

STOP Bool %I0.1 Nút nhấn STOP

EMG Bool %I0.2 Nút nhấn EMG

RESET Bool %I0.3 Nút nhấn RESET

HT_X Bool %I0.4 Công tắc hành trình trục X

HT_Y Bool %I0.5 Công tắc hành trình trục Y

HT_Z Bool %I0.6 Công tắc hành trình trục Z

CB vao Bool %I0.7 Cảm biến vào (Ô chờ đỗ)

CB ra Bool %I1.0 Cảm biến ra (Ô trả xe)

Bảng 4.2 Bảng mô tả một số ký hiệu của các thiết bị trên sơ đồ

E Nút dừng khẩn cấp EMG

R Nút nhấn RESET H1 Đèn xanh tủ H2 Đèn vàng tủ H3 Đèn đỏ tủ R1 Relay trung gian OMRON

Sau khi hoàn thành sơ đồ đi dây, bước tiếp theo là thực hiện đấu nối các thiết bị điện Dưới đây là hình ảnh minh họa kết quả của quá trình đấu nối thực tế.

Hình 4.9 Thiết bị bên trong tủ điện sau khi được đấu nối

Hình 4.10 Thiết bị ở cửa tủ sau khi được đấu nối

Lập trình hệ thống

Lập trình là quá trình tư duy logic để giải quyết vấn đề, trong đó giải thuật đóng vai trò quan trọng Lưu đồ (Flowchart) là hình ảnh biểu diễn giải thuật và các bước xử lý của chương trình, giúp lập trình viên hình dung nguyên lý hoạt động của hệ thống Sử dụng lưu đồ không chỉ kích thích ý tưởng sáng tạo mà còn giúp dễ dàng phát hiện những điểm chưa hợp lý trong nguyên lý hoạt động.

Dựa trên nguyên lý hoạt động của hệ thống từ Chương 3, chúng ta sẽ xây dựng lưu đồ giải thuật nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan về các bước và thứ tự giải quyết các vấn đề cụ thể trong hệ thống Điều này sẽ tạo tiền đề cho việc lập trình hệ thống hiệu quả hơn.

4.3.1.1 Lưu đồ giải thuật cho toàn hệ thống

Tất cả các đèn nhấp nháy chu kỳ 0,2s

Reset biến Hoạt động và đợi 5s rồi tắt đèn đỏ tủ

Bật đèn đỏ tủ Tắt đèn vàng, xanh tủ Đợi hết chu trình, đèn đỏ tủ nhấp nháy chu kỳ 0,2s

Bật đèn vàng tủ Hệ thống quay về vị trí ban đầu (0;0;0) - tới khi 3 CTHT tác động

Nhấn chuyển chế độ Bằng tay trên WinCC?

Chuyển sang màn hình điều khiển, giám sát bằng tay trên WinCC

Biến Đã lấy xe lên khỏi ô

Bật cảnh báo trên WinCC: Bắt buộc chọn 1 trong 2 tuỳ chọn

Chọn huỷ bỏ trên WinCC?

Reset biến Đã lấy xe lên khỏi ô Tắt cảnh báo trên WinCC

Reset biến Đã lấy xe lên khỏi ô

Tắt cảnh báo trên WinCC

Tắt màn hình điều khiển, giám sát bằng tay trên WinCC

Xe đã có trong ô (theo mã thẻ)?

Không chấp nhận thẻ đã quẹt

Lấy xe ra Đưa xe vào

Hình 4.12 Lưu đồ giải thuật mô tả hoạt động của toàn hệ thống

4.3.1.2 Lưu đồ giải thuật chương trình con khởi động

Lần lượt 3 đèn tủ sáng với chu kỳ

0,1s theo thứ tự từ phải sang trái, bắt đầu từ đèn vàng.

Trục Y rút về (vị trí Y1) - đến khi CTHT Y tác động

Trục Z hạ xuống vị trí chờ (vị trí Z1) - đến khi CTHT Z tác động

Trục X quay về vị trí ban đầu (vị trí cột 1) - đến khi CTHT X tác động

Tắt tất cả các đèn tủ Kết thúc

Hình 4.13 Lưu đồ giải thuật chương trình con khởi động

4.3.1.3 Lưu đồ giải thuật chương trình con đưa xe vào

Hệ thống quay về vị trí ban đầu (0;0;0) - tới khi 3 CTHT tác động

Trục Z nâng xe lên khỏi ô Chờ đỗ (vị trí Z2)

Set biến Đã lấy xe lên khỏi ô

Trục Y rút về - đến khi tác động CTHT Y

Vị trí ô đỗ ở ô số 1 (theo mã thẻ)? ĐCX di chuyển tay nâng tới cột có ô đỗ tương ứng với mã thẻ đã quẹt

Trục Z hạ xe xuống vị trí ô đỗ ở tầng 1 (vị trí Z1) - tới khi tác động vào CTHT Z

Trục Z nâng xe lên vị trí trên của ô đỗ ở tầng 2 (vị trí Z4)

Trục Z hạ xe xuống vị trí ô đỗ ở tầng 2 (vị trí Z3)

Reset biến Đã lấy xe lên khỏi ô

Reset biến Đã lấy xe lên khỏi ô 1

Trục Y rút về - đến khi tác động CTHT Y

Trục Y rút về - đến khi tác động CTHT Y

Trục Z hạ xuống (vị trí Z1)

- đến khi tác động CTHT Z

Hình 4.14 Lưu đồ giải thuật chương trình con đưa xe vào

4.3.1.4 Lưu đồ giải thuật chương trình con lấy xe ra

Hệ thống đưa trục Y và trục Z về vị trí ban đầu - tới khi nó tác động vào 2 CTHT Y và Z

Trục X di chuyển tay nâng tới cột có ô đỗ tương ứng với mã thẻ đã quẹt

Vị trí xe cần lấy ở tầng 1?

Trục Y chạy ra sẵn sàng lấy xe Trục Z đi lên tới vị trí dưới so với ô đỗ hàng 2 (vị trí Z3)

Trục Z nâng xe lên khỏi ô đỗ

(vị trí Z2) Trục Y chạy ra sẵn sàng lấy xe

Trục Z nâng xe lên khỏi ô đỗ (vị trí Z4)

Set biến Đã lấy xe lên khỏi ô

Trục Y rút về - tới khi tác động vào CTHT Y

Trục X di chuyển tới cột có ô Trả xe

Trục Z hạ xe xuống vị trí trên so với ô trả xe (vị trí Z2)

Trục Y ra vị trí sẵn sàng trả xe Đ S Đ

Trục Z hạ xe xuống ô Trả xe

- tới khi tác động vào CTHT Z

Reset biến Đã lấy xe lên khỏi ô

Trục Y rút về - tới khi tác động vào CTHT Y

Trục Z nâng xe lên khỏi ô đỗ (vị trí

Trục Y chạy ra sẵn sàng lấy xe

Hình 4.15 Lưu đồ giải thuật chương trình con lấy xe ra

4.3.2 Viết chương trình điều khiển, giám sát cho PLC

Chương trình điều khiển, giám sát được viết bằng ngôn ngữ LAD cho PLC S7-

1200, với sự hỗ trợ của phần mềm TIA Portal Điểm qua chương trình chính của hệ thống bằng các hình ảnh dưới đây

− Chương trình điều khiển, giám sát cho PLC S7 – 1200:

Hình 4.16 Chương trình điều khiển, giám sát cho PLC S7-1200 (phần 1)

Hình 4.17 Chương trình điều khiển, giám sát cho PLC S7-1200 (phần 2)

Hình 4.18 Chương trình điều khiển, giám sát cho PLC S7-1200 (phần 3)

− Giao diện điều khiển, giám sát WinCC được thiết kế bằng phần mềm TIA Portal:

Hình 4.19 Màn hình mở đầu trên WinCC

Hình 4.20 Màn hình điều khiển, giám sát ở chế độ tự động

Hình 4.21 Màn hình điều khiển, giám sát ở chế độ bằng tay

4.3.3 Viết chương trình đọc thẻ RFID cho vi điều khiển Arduino mega 2560 và truyền thông với PLC S7-1200 Để hoạt động của hệ thống diễn ra một cách hoàn toàn tự động, nhanh chóng chỉ bằng một thao tác quét thẻ, thì việc sử dụng một vi điều khiển, cụ thể là Arduino Mega

Việc sử dụng Arduino Mega 2560 để xử lý tín hiệu quét thẻ là rất cần thiết, đồng thời giao tiếp với PLC S7–1200 trở nên dễ dàng nhờ Module Ethernet Shield và thư viện Modbus từ cộng đồng Arduino Arduino Mega 2560 đáp ứng tiêu chí đơn giản và dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển khi cần thiết Dưới đây là chương trình lập trình xử lý quét thẻ từ RFID của Arduino Mega.

2560 cộng với truyền thông gửi dữ liệu đã xử lý cho PLC S7–1200:

ModbusIP mb; const int thanhghi_0 = 0; const int thanhghi_1 = 1;

String mathequet; int KTmathe, TTmathe; void setup()

Serial.begin(9600); pinMode(loa,OUTPUT);

SPI.begin(); rc522.PCD_Init(); byte mac[] = {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xED}; byte ip[] = {192,168,1,120}; mb.config(mac,ip); mb.addHreg(thanhghi_0); mb.addHreg(thanhghi_1);

Serial.println("sẵn sàng, xin mời quét thẻ");

KTmathe = 0; mb.Hreg(thanhghi_0, 0); mb.Hreg(thanhghi_1, 0);

Serial.print("Mã thẻ vừa quét là:"); if(rc522.PICC_ReadCardSerial())

{ for(byte i = 0; i < rc522.uid.size; i++)

{ mathequet.concat(String(rc522.uid.uidByte[i] < 0x10 ? " 0" : " ")); mathequet.concat(String(rc522.uid.uidByte[i], HEX));

Serial.print(rc522.uid.uidByte[i] < 0x10 ? " 0" : " ");

Serial.print(rc522.uid.uidByte[i], HEX);

Serial.println(); digitalWrite(loa, HIGH); delay(100); digitalWrite(loa, LOW); mathequet.toUpperCase(); sosanhmathe();

TTmathe = 2; if(mathequet.substring(1) == mathe[3])

KTmathe++; mb.Hreg(thanhghi_0, TTmathe); mb.Hreg(thanhghi_1, 1);

Serial.print("Đã ghi vào thanh ghi 0 giá trị là: ");

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Sau một kỳ học đầy nỗ lực và cố gắng, nhóm đã hoàn thành đề tài "Nghiên cứu, chế tạo và lập trình điều khiển mô hình bãi đỗ xe tự động" dưới sự hướng dẫn tận tình của giảng viên Kết quả đạt được từ dự án này không chỉ thể hiện sự học hỏi và nghiên cứu sâu sắc mà còn khẳng định khả năng làm việc nhóm và ứng dụng kiến thức vào thực tiễn.

+ Đề tài được hoàn thành đúng thời hạn và đáp ứng các mục tiêu ban đầu

+ Kích thước mô hình (Cao × rộng × sâu): 566×720×460 (mm) ; với tổng cộng 8 vị trí đỗ, trong đó 2 vị trí dùng để nhận và trả xe

+ Thiết kế thành công giao diện WinCC để điều khiển và giám sát ở cả 2 chế độ tự động và bằng tay

Nhóm đã mở rộng kiến thức qua đề tài, đồng thời áp dụng những kiến thức mới vào việc điều khiển, lập trình và vận hành mô hình thực tế Điều này không chỉ giúp củng cố các kiến thức đã học mà còn nâng cao kỹ năng thực hành của các thành viên trong nhóm.

Ứng dụng công nghệ RFID thành công kết hợp với truyền thông Arduino và PLC S7-1200 qua giao thức Modbus TCP/IP trong đề tài Qua đó, người đọc sẽ hiểu rõ hơn về lập trình các thiết bị phần cứng và cách thức hoạt động của chúng.

Sinh viên ngành tự động hóa cần rèn luyện và nâng cao các kỹ năng thiết yếu như thiết kế thuật toán, lập trình và mô phỏng Bên cạnh đó, kỹ năng làm việc nhóm và khả năng tìm kiếm, chắt lọc thông tin từ sách, báo và internet cũng rất quan trọng để phát triển toàn diện trong lĩnh vực này.

− Qua quá trình thực hiện đề tài trên thực tế, nhóm đã rút ra được một số ưu, nhược điểm của mô hình như sau:

• Bằng việc sử dụng động cơ bước, hệ thống vận hành với độ chính xác tương đối cao, đáp ứng mục tiêu của đề tài

Hệ thống đỗ xe tự động hóa cao giúp tối ưu hóa thời gian đỗ và trả xe cho khách hàng Người sử dụng không cần tốn nhiều thời gian tìm kiếm vị trí đỗ xe hay tìm xe của mình trong bãi đỗ như ở các bãi đỗ truyền thống.

Xe được trang bị chế độ điều khiển bằng tay với tính năng an toàn, mang lại sự yên tâm cho khách hàng khi đỗ xe trong bãi.

• Có khả năng cảnh báo tới người điều khiển, giám sát nếu phát hiện xe đã được lấy

Giao diện điều khiển và giám sát của WinCC được thiết kế với tính thẩm mỹ cao, đơn giản và dễ sử dụng, giúp người điều khiển và giám sát dễ dàng làm chủ các chức năng cần thiết.

• Mô hình chạy chưa êm, còn hơi rung lắc trong quá trình hoạt động

Khi hệ thống hoạt động trong thời gian dài, sẽ xuất hiện sai số về vị trí, dẫn đến việc va chạm với các giá đỡ xe trong quá trình đỗ và lấy xe tại các ô đỗ.

Hầu hết các thiết bị hiện đang được sử dụng chủ yếu phục vụ cho học tập và nghiên cứu, với mức giá phải chăng Tuy nhiên, do không phải là thiết bị chuyên dụng cho công nghiệp, tín hiệu đôi khi còn không ổn định và chỉ đạt mức độ ổn định tương đối.

+ Có thể mở rộng quy mô bãi đỗ xe

+ Giải quyết các vấn đề còn tồn đọng của đề tài, đặc biệt là vấn đề sai số vị trí khi hệ thống hoạt động về lâu về dài

Bổ sung cảm biến tại các ô đỗ và trên tay nâng giúp nâng cao khả năng phát hiện xe trong các ô đỗ và xe trên tay nâng một cách chính xác hơn.

Hệ thống được nâng cấp với các tính năng mới, bao gồm khả năng cảnh báo cháy kịp thời và chức năng tự chữa cháy, giúp xử lý sự cố cháy hiệu quả ngay tại bãi đỗ.

+ Nâng cấp hệ thống có thể điều khiển trên wed hay điện thoại