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 điều khiển, giám sát các cụm đèn giao thông
Tính toán, lựa chọn mạng, các thiết bị điều khiển, đấu nối cho toàn hệ thống
Thiết kế mô phỏng toàn bộ hệ thống trên HMI, truyền dữ liệu 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 Việc tính toán và lựa chọn mạng truyền thông, các module điều khiển, cũng như thiết bị đấu nối cho toàn hệ thống đã được thực hiện Hệ thống mạng đã được lập trình để điều khiển truyền thông và mô phỏng bằng 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
Tình hình hiện nay về bài tập thiết kế môn học cho thấy rằng truyền thông giữa các thiết bị trong hệ thống điều khiển tự động hóa đóng vai trò quan trọng Việc này giúp các công ty giải quyết hiệu quả vấn đề 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 sự ổn định và độ chính xác của hệ thống đèn tín hiệu Hệ thống này sẽ tự động phát hiện và sửa lỗi, đồng thời chuyển sang phương án dự phòng khi gặp sự cố Việc thiết kế này hỗ trợ Ban quản lý hạ tầng giao thông đường bộ kiểm soát các cụm đèn qua màn hình HMI, cho phép cài đặt thời gian tín hiệu đèn và thực hiện bảo trì, bảo dưỡng một cách dễ dàng và linh hoạt.
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và dân số đông đúc đã dẫn đến nhu cầu đi lại và vận chuyển gia tăng, kéo theo vấn đề tắc nghẽn giao thông Tình trạng ùn tắc này không chỉ gây thiệt hại cho sự phát triển kinh tế quốc gia mà còn làm giảm hiệu suất lao động và tăng chi phí không cần thiết trong quá trình sản xuất.
Trong bối cảnh kinh tế lạm phát, lãng phí trong giao thông gây thêm gánh nặng cho đời sống người dân Nguyên nhân chủ yếu là do cơ sở hạ tầng không đáp ứng nhu cầu lưu thông và hệ thống đèn giao thông chưa hợp lý, dẫn đến ùn tắc Để giải quyết vấn đề này, nhóm đề xuất xây dựng hệ thống điều tiết giao thông tự động nhằm phân luồng hiệu quả, giảm tình trạng ùn tắc Đồng thời, việc này cũng giúp tiếp cận và củng cố kiến thức trong quá trình học tập.
Em chọn 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” nhằm giải quyết bài toán khó khăn trong việc điều khiển và giám sát hệ thống tín hiệu đèn giao thông cũng như lưu lượng giao thông trong các giờ cao điểm.
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 củng cố kiến thức chuyên ngành và khả năng linh hoạt trong công việc tương lai.
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
Phố Trần Duy Hưng, dài khoảng 1,6km, nằm ở phường Trung Hòa, quận Cầu Giấy, Hà Nội, là một phần quan trọng của nút giao giữa bốn con đường lớn Phía Đông Bắc, phố này giáp với đường Đường Láng và Nguyễn Chí Thanh, trong khi phía Tây Nam giao với hai tuyến phố Khuất Duy Tiến và Phạm Hùng.
Phố Trần Duy Hưng không chỉ giao cắt với các con phố như Trung Kính và Hoàng Minh Giám, mà còn được xem là một cửa ngõ rộng lớn, kết nối từ khu vực phía Tây ra 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 với lưu lượng phương tiện cao và thường xảy ra ùn tắc vào giờ cao điểm Để giải quyết tình trạng 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 khác nhau tại ngã tư Mỗi cột đèn có 6 đèn, bao gồm 3 đèn chính: đèn xanh, đèn đỏ và đèn vàng; cùng với 2 đèn phụ dành cho người đi bộ: đèn xanh cho phép đi bộ và đèn đỏ cảnh báo không được đi bộ.
Mỗi hệ thống đèn giao thông đều đi kèm với một tủ điều khiển, nơi phát ra tín hiệu điều khiển đèn Hiện nay, việc điều khiển tín hiệu đèn giao thông thường được thực hiện thông qua các board mạch vi xử lý và relays.
❖ Cơ chế hoạt động của đèn giao thông:
Cơ chế hoạt động của đèn giao thông rất đơn giản: Khi đèn xanh của làn đường 1 (đx1) bật 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 khoảng thời gian nhất định, đèn xanh của làn đường 1 (đx1) tắt, và đèn vàng 1 (đv1) được bật 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, sau 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) 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 sử dụng mạng truyền thông Frofinet vì những lý do hợp lý.
Mạng Profinet là một trong bốn giao thức quan trọng của mạng Industrial Ethernet, đã được chúng em tìm hiểu và nghiên cứu trong quá trình học môn Mạng truyền thông công nghiệp.
Mạng Frofinet không đặt ra giới hạn về 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 cáp quang có thể mở rộng lên tới 150km, trong khi cáp xoắn chỉ mở rộng được 5km Tuyến đường Trần Duy Hưng dài 1,6km và chỉ có 4 nút giao.
Mạng Frofinet tận dụng đầy đủ các 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 chẩn đoán hiệu quả.
❖ Khái niệm về mạng FROFINET
PROFINET, viết tắt của Process Field Net, là một tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp cho việc truyền dữ liệu qua Ethernet công nghiệp Tiêu chuẩn này được thiết kế để thu thập và điều khiển thiết bị trong các hệ thống công nghiệp, đặc biệt mạnh mẽ trong việc cung cấp dữ liệu với thời gian phản hồi chặt chẽ, dưới 1ms PROFIBUS & PROFINET International (PI), tổ chức có trụ sở tại Karlsruhe, Đức, là đơn vị 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 liên tục của công nghệ này.
FROFINET và FROFIsafe là hai công nghệ quan trọng được áp dụng trong hầu hết các hệ thống điều khiển công nghiệp, nhờ vào khả năng đảm bảo chất lượng dữ liệu và tính 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 đầu nối 100 Base FX
Jack đầu nối 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 giữa các hệ thống khác nhau, nhưng trong mỗi 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 số lượng này phụ thuộc vào cấu trúc mạng, loại cáp truyền và các đặc tính điện học của bộ thu phát.
Thông thường hạn chế Có thể sử dụng bộ lặp (repeater) để mở rộng số trạm tuy nhiên sẽ làm 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 khi có năm bit liên tiếp giống nhau, bộ phát sẽ tự động thêm vào một bit nghịch đảo ở cuối Bộ nhận sẽ nhận diện bit nhồi này và tái tạo thông tin gốc 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 áp dụng kỹ thuật Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CA) Trước khi gửi thông điệp, nút PROFINET sẽ kiểm tra tình trạng bận của bus và cũng sử dụng phương pháp này để phát hiện khả năng trùng lặp.
− 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 nhãn bằng một mã nhận dạng (ID) duy nhất trên toàn mạng, giúp tất cả các nút nhận diện và kiểm tra tính chấp nhận của thông điệp Mỗi nút sẽ xác định xem thông điệp có liên quan đến mình hay không thông qua mã ID.
Nếu thông điệp có liên quan, nó sẽ được xử lý, nếu không thì nó bị bỏ qua
ID là duy nhất và xác định mức độ ưu tiên của thông điệp, với giá trị số ID thấp hơn tương ứng với mức độ ưu tiên cao hơn Điều này giúp phân xử khi hai hoặc nhiều nút cạnh tranh để truy cập vào bus cùng một lúc.
THIẾT KẾ, CẤU HÌNH, LẬP TRÌNH TTCN CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG
ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT TÍN HIỆU ĐÈN 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 Hưng
− 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 giao thông đông đúc và lưu lượng xe cộ lưu thông tấp nập hàng ngày, chúng tôi đã quyết định lựa chọn cáp cặp xoắn đồng 4 dây của Siemens để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong việc truyền tải dữ liệu.
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:
