Đồ án Ứng dụng xử lý ảnh nhận dạng biển số xe và điều khiển mô hình nhà giữ xe ô tô tự động là một dự án thú vị và đầy tiềm năng trong lĩnh vực ứng dụng công nghệ thông tin vào việc quản lý và giám sát giao thông đô thị. Đây là một ứng dụng toàn diện kết hợp nhiều phần mềm và phần cứng hiện đại, giúp tối ưu hóa việc quản lý bãi đỗ xe và tăng cường tính an toàn. Ứng dụng này sử dụng công nghệ xử lý ảnh và trí tuệ nhân tạo để nhận dạng biển số xe, từ đó xác định và ghi nhận thời gian xe vào và ra khỏi bãi đỗ. Hệ thống cũng được trang bị mô hình nhà giữ xe ô tô tự động, giúp tiết kiệm không gian và tối ưu hóa việc sắp xếp xe. Với tính năng điều khiển mô hình nhà giữ xe ô tô tự động, người quản lý bãi đỗ có thể thực hiện các chức năng như mở cửa, đóng cửa, và di chuyển nhà giữ xe để tạo thêm không gian cho xe vào hoặc ra. Điều này giúp tăng cường hiệu suất và tiện ích cho người dùng. Đồ án này đánh dấu sự kết hợp hoàn hảo giữa công nghệ xử lý ảnh và trí tuệ nhân tạo với lĩnh vực quản lý giao thông, mang lại lợi ích lớn cho việc quản lý bãi đỗ xe và cải thiện trải nghiệm của người sử dụng.
Mở đầu
Xử lý ảnh trong máy tính, hay còn gọi là thị giác máy, là một lĩnh vực khoa học và công nghệ đang phát triển mạnh mẽ Khái niệm này liên quan đến nhiều ngành học và hướng nghiên cứu khác nhau Từ những năm 1970, khi năng lực tính toán của máy tính ngày càng mạnh mẽ, khả năng xử lý các tập dữ liệu lớn như hình ảnh và video đã thúc đẩy sự phát triển và nghiên cứu về thị giác máy.
Thị giác máy là lĩnh vực nghiên cứu bao gồm lý thuyết và kỹ thuật nhằm phát triển hệ thống nhân tạo có khả năng tiếp nhận và xử lý thông tin từ hình ảnh hoặc dữ liệu đa chiều.
Thị giác máy hiện nay đã phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm quân sự, khoa học, vũ trụ, y học, sản xuất và tự động hóa.
Khái quát về hệ thống thị giác và cảm biến thị giác
Hệ thống thị giác là các hệ thống nhận diện thông tin từ cảm biến thị giác, giúp máy móc đưa ra quyết định thông minh.
Thị giác máy là một ngành khoa học mới nổi, bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ những năm 1970 khi máy tính có khả năng xử lý khối lượng lớn dữ liệu hình ảnh Mặc dù đã có ứng dụng của xử lý ảnh số từ đầu thế kỷ XX, nhưng nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này chỉ thực sự bùng nổ khi công nghệ máy tính tiến bộ.
Thị giác máy là một lĩnh vực nghiên cứu đa dạng, không có một đề bài chung hay cách giải duy nhất Mỗi giải pháp đều mang lại kết quả cụ thể cho các trường hợp nhất định Lĩnh vực này liên quan đến nhiều ngành như tự động điều khiển, xử lý ảnh số, quang học, sinh học, toán học, máy học và trí tuệ nhân tạo Sự kết hợp giữa các ngành này mở rộng khả năng ứng dụng của thị giác máy trong nhiều lĩnh vực của khoa học, sản xuất và đời sống.
Có thể liệt kê một số ứng dụng của thị giác máy như sau:
Điều khiển tiến trình (ví dụ: trong các robot công nghiệp, hay các thiết bị, xe tự hành).
Phát hiện sự kiện (ví dụ: các thiết bị giám sát).
Tự động hóa tòa nhà
Mô hình hoá đối tượng (ví dụ: quá trình kiểm ra trong môi trường công nghiệp, xử lý ảnh trong y học).
Tương tác (đóng vai trò làm đầu vào cho thiết bị trong quá trình tương tác giữa người và máy).
Nhận dạng biển số xe, hình dạng vật thể, nhận dạng vân tay, mặt người …
Trong hệ thống máy CNC và các dây chuyền công nghệ, cảm biến thị giác thu thập và xử lý dữ liệu ảnh về đối tượng công nghiệp Sau khi tách đối tượng khỏi ảnh, hệ thống thị giác máy tính toán các đặc trưng như vị trí và hướng Điều này giúp cánh tay máy của robot công nghiệp thực hiện chính xác các thao tác gắp hoặc gia công đối tượng.
Hệ thống thị giác tích hợp camera độ phân giải cao và được lập trình chính xác giúp điều khiển tay máy thực hiện các thao tác trên vi mạch nhỏ với độ chính xác gần như tuyệt đối.
Xe tự hành trong môi trường phức tạp sử dụng hệ thống thị giác máy để phát hiện đối tượng, vị trí và khoảng cách Hệ thống này không chỉ là cảm biến thị giác mà còn thực hiện việc vẽ bản đồ đối tượng, giúp xe tự hành lựa chọn lộ trình tối ưu nhất.
Hệ thống thị giác máy được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp như một cảm biến kiểm soát lỗi bề mặt sản phẩm Camera thu thập hình ảnh bề mặt sản phẩm và truyền dữ liệu cho hệ thống xử lý để xác định lỗi, vị trí và kích thước của chúng Đặc biệt, với các hệ thống sử dụng camera hồng ngoại, người dùng có thể đo nhiệt độ sản phẩm và phân bố nhiệt độ trên bề mặt sản phẩm.
Trong ngành công nghiệp, thị giác máy và cảm biến thị giác có khả năng thay thế nhiều cảm biến vị trí truyền thống, giúp giảm chi phí và công sức lắp đặt trong dây chuyền sản xuất hoặc CNC Điều này không chỉ tối ưu hóa quy trình mà còn tạo ra một hệ thống xử lý thống nhất thông tin về quá trình và đối tượng công nghiệp Hơn nữa, trong lĩnh vực tự động hóa tòa nhà, hệ thống thị giác máy đang ngày càng trở nên quan trọng.
Với sự tiến bộ của các thuật toán xử lý dữ liệu hình ảnh và công nghệ trí tuệ nhân tạo, các cảm biến thị giác hiện nay có khả năng thực hiện nhiều chức năng thông minh như đếm số người trong phòng, nhận diện đối tượng di chuyển, nhận diện khuôn mặt, cảnh báo sự kiện và nhận diện vân tay.
Xu hướng phát triển của các cảm biến hiện nay tập trung vào độ chính xác cao, tính phân tán, thông minh và khả năng loại bỏ lỗi Hệ thống cảm biến thị giác đang ngày càng đáp ứng tốt các yêu cầu này, có khả năng thay thế nhiều cảm biến vị trí trong các ứng dụng cụ thể Ngoài ra, khả năng xử lý thông tin độc lập mà không cần sự điều khiển từ bộ điều khiển trung tâm giúp chúng dễ dàng tích hợp vào các hệ thống điều khiển phân tán Các cảm biến thị giác cũng rất linh hoạt, có thể ứng dụng trong nhiều bài toán đo đạc và giám sát khác nhau Đặc biệt, chúng hoạt động hiệu quả trong các môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, phóng xạ, bụi, điện trường và độ ẩm lớn.
Hệ thống thị giác máy và cảm biến thị giác đang trở nên phổ biến trong các hệ thống phức tạp và hiện đại, nhờ vào khả năng hoạt động liên tục và yêu cầu cao về độ chính xác cũng như khả năng xử lý thông tin.
Khái quát quá trình xử lý ảnh số
Các bước cơ bản của xử lý ảnh số được mô tả trong sơ đồ dưới đây:
Hình 1.1 Các bước cơ bản của xử lý ảnh số
Ảnh số được thu thập thông qua cảm biến ảnh, chuyển đổi thông tin về cường độ sáng và mức xám của ảnh thực thành tín hiệu điện áp analog Tín hiệu này sau đó được số hóa để tạo thành tín hiệu số.
Hiện nay, một số cảm biến ảnh không chỉ thu nhận tín hiệu cường độ sáng mà còn thực hiện số hóa tín hiệu Nếu cảm biến không có chức năng số hóa, cần sử dụng bộ biến đổi từ ảnh tương tự sang ảnh số Sau khi số hóa, tín hiệu ảnh sẽ được mã hóa theo các chuẩn video nhất định trước khi lưu trữ và xử lý.
Tiền xử lý ảnh là giai đoạn quan trọng sau khi thu thập ảnh số dưới dạng tín hiệu số Mục tiêu chính của quá trình này là cải thiện chất lượng ảnh và nâng cao các đặc tính của nó, từ đó hỗ trợ hiệu quả cho các bước xử lý tiếp theo.
Phân vùng ảnh là bước tiếp theo trong quá trình xử lý hình ảnh, giúp tách ảnh đầu vào thành các đối tượng và vật thể riêng biệt Sau khi cải thiện, ảnh sẽ dễ dàng hơn cho việc phân ngưỡng và phân vùng Kết quả của quá trình này là một tập hợp các điểm ảnh liên kết với nhau thành các đối tượng, được đánh số phân biệt, thuận tiện cho các bước xử lý tiếp theo Đầu ra của phân vùng ảnh bao gồm các pixel chưa được lọc, phản ánh liên kết của một vùng hoặc tất cả các điểm ảnh trong vùng đó, và cần được chuyển đổi thành định dạng phù hợp cho máy tính xử lý.
Phân tích ảnh là giai đoạn xử lý nâng cao trong hệ thống xử lý ảnh số Sau khi ảnh được phân vùng thành các đối tượng riêng biệt và đánh số, chúng sẽ được phân tích để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.
Xác định các đặc trưng hình học của đối tượng là bước quan trọng trong hệ thống thị giác máy, bao gồm việc phân tích vị trí, kích thước, và hướng của từng đối tượng Ngoài ra, việc tính toán số lượng và mật độ đối tượng trong ảnh cũng đóng vai trò thiết yếu trong quá trình nhận diện và phân loại.
Nhận dạng đối tượng bao gồm các vật thể có hình dạng nhất định, ký tự số, chữ cái và dấu vân tay Sau khi phân vùng, ảnh có thể được nhận dạng bằng các phương pháp như phương pháp neutral để xác định mẫu hình dạng của đối tượng Để điều hướng hoạt động của các khối xử lý, cần một hệ cơ sở kiến thức nhằm kiểm tra và tương tác giữa các khối Hệ thống này kiểm soát hoạt động và sắp xếp trình tự hoạt động của từng khối tại mỗi thời điểm, đồng thời giải quyết các xung đột phát sinh.
Các thành phần của hệ thống nhận dạng biến số xe
1.4.1 Thành phần thu thập ảnh, Camera và vấn đề định dạng ảnh
Camera là thiết bị quan trọng trong hệ thống xử lý ảnh số, có chức năng quan sát và thu nhận ảnh đầu vào Nó được xem như hộp đen, nơi diễn ra các quá trình biến đổi để chuyển đổi ảnh thành dạng lưu trữ trên máy tính Các bước xử lý bao gồm ánh sáng, thấu kính, cảm biến, các phần tử quang điện và bộ số hóa, phối hợp chặt chẽ để tạo ra ảnh số cuối cùng Đặc biệt, đặc tính thời gian của camera đóng vai trò quan trọng trong nhận dạng ảnh, làm cho quá trình xử lý ảnh trở thành bộ lấy mẫu trong hệ thống này.
Cảm biến bao gồm hai thành phần chính: một thành phần tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ với năng lượng nhận được và một bộ số hóa chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Tùy thuộc vào loại bộ chuyển đổi ADC, các tín hiệu có thể có số bit khác nhau như 4 bit, 8 bit, 10 bit, 12 bit, tương ứng với các mức xám khác nhau trong ảnh là 16, 256,
Trước đây, camera sử dụng thiết bị phóng tia điện tử và linh kiện bán dẫn thường cồng kềnh và không bền Tuy nhiên, từ những năm 1980, sensor ảnh như CMOS và CCD đã ra đời, mang lại sự cải tiến đáng kể Các sensor này có nhiều điểm ảnh (pixel) chứa thông tin về độ sáng, với độ phân giải phụ thuộc vào số lượng điểm ảnh Số điểm ảnh của sensor rất đa dạng, từ 32 x 32 đến 256 x 256, và có thể lên đến 640 x 480 hoặc cao hơn 1280 x.
Trong bối cảnh kinh tế hạn chế của sinh viên, nhóm đã quyết định sử dụng máy ảnh 7.2 Mp để chụp lại biển số xe, sau đó tải ảnh lên để tiến hành phân tích Bên cạnh đó, nhóm cũng thử nghiệm sử dụng Webcam để nhận dạng trực tiếp các ảnh biển số xe mẫu; tuy nhiên, chất lượng hình ảnh kém đã gây ra nhiều khó khăn trong quá trình phân tích.
1.4.2 Phần mềm lập trình xử lý ảnh
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng ứng dụng Matlab để phát triển chương trình xử lý ảnh biển số xe Kết quả từ chương trình này sẽ được truyền đến hệ thống giám sát của bãi đỗ xe tự động qua giao thức OPC, từ đó thực hiện các quy trình tiếp theo trong hệ thống.
Giao thức OPC được sử dụng để kết nối Matlab và WinCC, nhằm mục đích trao đổi và truyền dữ liệu giữa hai hệ thống Chi tiết về giao thức OPC sẽ được trình bày trong chương tiếp theo.
OPC được viết tắt là: OLE (Object Linking and Embeding) for Process Control Nghĩa là liên kết và nhúng đối tượng cho quá trình điều khiển.
Tổng quan về Matlab
Matlab là ngôn ngữ lập trình bậc cao, chuyên dụng cho việc giải quyết các bài toán kỹ thuật Với khả năng tích hợp tính toán và hiển thị kết quả, Matlab cung cấp môi trường lập trình thân thiện, giúp người dùng dễ dàng phát triển nhiều ứng dụng khác nhau.
Sử dụng các hàm có sẵn trong thư viện, các phép tính toán học thông thường.
Cho phép lập trình tạo ra những ứng dụng mới.
Cho phép mô phỏng các mô hình thực tế.
Phân tích, khảo sát và hiển thị dữ liệu.
Hỗ trợ công cụ đồ họa cực mạnh.
Cho phép phát triển, giao tiếp với một số phần mềm khác như C++, Fortran,
2.1.2 Cấu trúc dữ liệu của Matlab
Matlab là một hệ thống tương tác với dữ liệu được tổ chức dưới dạng mảng, không giới hạn về kích thước Nó hỗ trợ giải quyết các vấn đề lập trình máy tính, đặc biệt là thông qua các phép toán ma trận và vector.
Matlab có các kiểu dữ liệu được liệt kê sau đây:
Kiểu đơn (Single) là một kiểu dữ liệu tiết kiệm bộ nhớ, yêu cầu ít byte hơn so với các kiểu khác Tuy nhiên, kiểu này không được áp dụng trong các phép toán học và có độ chính xác thấp hơn.
Kiểu Double: là kiểu thông dụng nhất của các biến trong Matlab.
Kiểu Sparse là một phương pháp lưu trữ dữ liệu hiệu quả, đặc biệt khi phần lớn các phần tử là số zero Việc áp dụng kiểu dữ liệu này giúp giảm đáng kể dung lượng bộ nhớ cần thiết cho việc lưu trữ, mang lại lợi ích lớn trong quản lý tài nguyên.
Trong Matlab kiểu dữ liệu Double là kiểu mặc định sử dụng trong các phép tính số học
Công cụ Matlab cung cấp nhiều Toolbox hữu ích cho việc phân tích, thiết kế và mô phỏng các mô hình Một số Toolbox nổi bật bao gồm Simulink, Image Acquisition, Image Processing, Neural Network và OPC Toolbox.
Hình 2.1 Giao diện sử dụng của Matlab
Giao diện sử dụng của Matlab gồm có 5 vùng chính:
Trình điều khiển trung tâm của Matlab dùng để thực hiện các thao tác như: tạo hoặc mở các chương trình của matlab, các menu phím tắt …
Khung “Current Folder”: phía bên tay trái (hình 2.1) chứa các tập tin trong thư mục hiện hành.
Khung “Command Window”: là không gian thực hiện các lệnh trong matlab như gán, thực hiện phép tính…
Khung “Work Space”: thể hiện các biến và kiểu dữ liệu sử dụng.
Khung “Command History”: thể hiện các lệnh mà chúng ta đã sử dụng Khi cần thiết có thể tìm kiếm để tái sử dụng lại cho nhanh.
GUI trong Matlab
GUI là công cụ tạo giao diện tương tác người sử dụng được hỗ trợ bởi Matlab, cho phép người dùng thiết kế các thành phần như nút nhấn, hộp liệt kê, thanh trượt và menu một cách dễ dàng và hiệu quả Để mở giao diện thiết kế GUI trong Matlab, bạn chỉ cần thực hiện các bước: File > New > GUI, sau đó chọn tab trong hộp thoại hiện ra.
“Create New GUI” Hiện ra trình soạn thảo GUI (Hình 2.2)
Hình 2.2 Giao diện thiết kế cùa GUI
2.2.2 Thao tác trên giao diện thiết kế GUI
Công cụ GUI rất dễ sử dụng, cho phép người dùng kéo thả các nút chức năng cần thiết vào thiết kế Sau khi thêm các nút, bạn chỉ cần điều chỉnh kích thước cho phù hợp với giao diện của mình.
Để lập trình ứng dụng cho các nút chức năng, bạn cần chú ý đến thuộc tính của chúng Để truy cập vào thuộc tính, chỉ cần đúp chuột vào nút chức năng mà bạn đã thiết kế, như được minh họa trong hình 2.3.
Hình 2.3 Thao tác chọn bảng thuộc tính của đối tượng
Bảng dưới đây cung cấp nhiều thuộc tính chỉnh sửa như phông chữ và màu sắc Hai thuộc tính quan trọng cần lưu ý là tên đối tượng "String" và biến đối tượng "Tag", giúp quản lý hiệu quả trong lập trình (Hình 2.4)
Hình 2.4 Bảng thuộc tính của đối tượng
Sau khi điều chỉnh các thuộc tính, hãy thoát khỏi bảng thuộc tính và lưu lại trên giao diện người dùng Phần mềm sẽ tự động tạo tệp m-file trong thư mục lưu trữ để phục vụ cho lập trình ứng dụng.
Hình 2.5 Giao diện lập trình M-file của GUI
Sau khi lập trình điều khiển ứng dụng cho đối tượng, lưu lại và run-time để kiểm tra kết quả làm được.
Toolbox xử lý ảnh Matlab
2.3.1 Các loại kiểu dữ liệu ảnh trong Matlab
Ảnh Index được biểu diễn bằng hai ma trận: ma trận dữ liệu ảnh X và ma trận màu (bản đồ màu) map Ma trận dữ liệu có thể là uint8, uint16 hoặc double, trong khi ma trận màu có kích thước m x 3 với các thành phần kiểu double có giá trị từ 0 đến 1 Mỗi hàng trong ma trận màu xác định các thành phần red, green, blue của một trong m màu được sử dụng trong ảnh Giá trị của mỗi phần tử trong ma trận dữ liệu ảnh chỉ ra màu sắc của điểm ảnh tương ứng ở hàng nào trong ma trận màu.
Hình 2.6 Biểu diễn dữ liệu ảnh Index
Mỗi bức ảnh được thể hiện dưới dạng một ma trận hai chiều, trong đó giá trị của từng phần tử phản ánh độ sáng hoặc mức xám của điểm ảnh Ma trận này có thể thuộc các kiểu dữ liệu như uint8, uint16 hoặc double Loại ảnh này thường được gọi là ảnh trắng đen.
Ảnh nhị phân là loại ảnh được biểu diễn thông qua một ma trận hai chiều với kiểu dữ liệu logical Mỗi điểm ảnh trong ảnh nhị phân chỉ có thể nhận một trong hai giá trị: 0 (đen) hoặc 1 (trắng).
Ảnh truecolor, hay còn gọi là ảnh màu thực, được thể hiện qua một ma trận ba chiều kích thước m x n x 3, trong đó m x n là kích thước ảnh theo pixel Ma trận này xác định các thành phần màu đỏ, xanh lá và xanh dương cho mỗi pixel, với các phần tử có thể thuộc kiểu uint8, uint16 hoặc double.
Hình 2.9 Ảnh màu thực RGB
2.3.2 Các hàm xử lý ảnh cơ bản của Matlab
Đọc và ghi dữ liệu ảnh
Hàm imread trong Matlab cho phép đọc các file ảnh với mọi định dạng ảnh phổ biến hiện nay, và lưu trữ chúng dưới dạng ma trận biểu diễn ảnh.
Cú pháp : A=imread(filename,fmt)
Với fmt là định dạng của ảnh.
Hàm imwrite cho phép lưu một ảnh biểu diễn bằng một ma trận trong Matlab thành một file ảnh dưới một trong các định dạng đã biết.
Cú pháp : imwrite(A,filename,fmt)
Với A là nguồn dữ liệu để xuất ảnh
Hàm imfinfo dùng để xem các thông số của một file ảnh nào đó.
Cú pháp : imfinfo(filename,fmt)
Các thông tin được cung cấp bởi hàm iminfo là : filename, filemoddate, filesize, format, formatversion, width, height, bitdepth, colortype.
Chuyển đổi giữa các kiểu dữ liệu
Matlab cung cấp các hàm chuyển kiểu cho ma trận ảnh như im2double, im2uint8 và im2uint16 Khi chuyển đổi kiểu dữ liệu ảnh, cần lưu ý một số yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng hình ảnh và tính chính xác của dữ liệu.
Khi chuyển đổi từ kiểu dữ liệu nhiều bit sang kiểu dữ liệu ít bit hơn, một số thông tin chi tiết của bức ảnh gốc sẽ bị mất.
Chuyển đổi kiểu dữ liệu cho ảnh indexed không phải lúc nào cũng khả thi, vì các giá trị trong ma trận ảnh chỉ xác định địa chỉ trong bản đồ màu, không phải là giá trị màu thực tế Do đó, quá trình lượng tử hóa không thể thực hiện được.
Chuyển đổi giữa các định dạng ảnh
Matlab cung cấp nhiều hàm hữu ích để chuyển đổi giữa các định dạng ảnh, bao gồm Dither, Gray2ind, GraySlice, Im2bw, In2gray, Ind2rgb, Mat2gray, Rgb2gray và Rgb2ind.
Các hàm hiển thị ảnh trong Matlab
Matlab cung cấp hai hàm hiển thị cơ bản là imagevà imagesc Ngoài ra cũng có hai hàm hiển thị ảnh khác là imview và imshow.
Hàm image(X,Y,C) được sử dụng để hiển thị hình ảnh từ ma trận C có kích thước M x N trên trục tọa độ hiện tại Trong đó, X và Y là các vector xác định vị trí của các pixel C(1,1) và C(M,N) trong hệ trục tọa độ hiện hành.
Hàm imagesc hoạt động tương tự như hàm image, nhưng với tính năng nổi bật là dữ liệu ảnh được co giãn để tận dụng toàn bộ bản đồ màu hiện tại.
Hàm imview trong Java cho phép hiển thị hình ảnh trên một cửa sổ riêng, được gọi là Image Viewer Công cụ này cung cấp khả năng dò tìm và xác định các giá trị pixel một cách linh hoạt.
Hàm imshow tạo ra một đối tượng đồ họa kiểu image và hiển thị ảnh trên một figure Hàm này tự động thiết lập các giá trị cho đối tượng image, axes và figure để thể hiện hình ảnh một cách hiệu quả.
Để thực hiện phép quay ảnh, bạn có thể sử dụng hàm imrotate, cho phép xác định ảnh gốc và góc quay Ngoài ra, người dùng còn có thể chọn phương pháp nội suy và kích thước cho ảnh mới.
Cú pháp : b=imrotate(a,angle,method,Bbox)
Phương pháp mà MATLAB hỗ trợ cho việc quay ảnh là method, trong khi Bbox là thuộc tính quan trọng giúp xác định kích thước của ảnh Để tìm hiểu thêm về các thông số này, người dùng có thể sử dụng chức năng help của MATLAB.
Khi cần trích xuất một phần ảnh gốc, ta dùng hàm imcrop.
Xác định cụ thể vị trí của phần ảnh cần trích xuất (dạng hình chữ nhật)
Cú pháp : x2=imcrop(x,map,rect) % indexed x2=imcrop(a,rect) % grayscale or RGB trong đó rect=[Xmin Ymin width height]
Quy trình nhận dạng biển số xe
Ảnh chụp từ camera được xử lý để nâng cao chất lượng, làm rõ đường cạnh và lọc nhiễu Sau khi tiền xử lý, ảnh sẽ được trích xuất vùng biển số, cho phép chương trình nhận dạng xác định chính xác khu vực chứa biển số xe Tiếp theo, quá trình phân đoạn ảnh sẽ tách từng ký tự trong biển số và thực hiện nhận dạng kết quả Cuối cùng, kết quả sẽ được xử lý và lưu trữ để phục vụ cho các bước tiếp theo của hệ thống.
Thuật toán nhận dạng biển số xe
3.2.1 Tiền xử lý Để nâng cao chất lượng ảnh và làm giàu các đường cạnh của ảnh đầu vào ta chuyển ảnh sang ảnh xám tiến hành cần bằng lược đồ xám, dùng các bộ lọc để lọc nhiễu Sau đó dùng bộ lọc Sobel để xác định các đường nét cạnh có trong ảnh để chuẩn bị cho giai đoạn kế tiếp tự động trích vùng chứa biển số xe
Hình 3.1 Các khâu tiền xử lý ảnh để nâng cao chất lượng ảnh đầu vào
3.2.2 Tự động trích vùng bảng số xe Ở Việt Nam thông thường có hai loại biển số xe là biển số 1 hàng ký tự (Hình 3.2a) và biển số có 2 hàng ký tự (Hình 3.2b)
Hình 3.2 Các loại hình dáng biển số xe ở Việt Nam
Phương pháp trích vùng biển số xe:
Xác định tọa độ các đường thẳng chứa trong biển số xe dùng hàm chuyển đổi Hough, Houghpeaks và Houghlines của Matlab.
Dựa tỷ lệ kích thước chiều dài và chiều rộng của từng loại bảng số để xác định chính xác vùng chứa biển số.
Với biển số một hàng ký tự:
Kích thước thực tế của đối tượng là 47.5 cm chiều rộng và 11 cm chiều cao, với tỷ lệ Rộng/Cao là 4.32 Trong quá trình phân tích, chiều dài và chiều rộng có thể không hoàn toàn chính xác, do đó chúng ta chọn tỷ lệ kích thước nằm trong khoảng từ 3.5 đến 5 Kết quả phân tích cho thấy đối tượng cặp cạnh mà chúng ta tìm được là biển số xe.
Hình 3.3 Tự động trích vùng biển số xe kiểu 1 hàng ký tự
Đối với biển số hai hàng ký tự:
Kích thước thực tế của biển số xe là 28*21 cm, với tỷ lệ rộng/cao là 1.33 Để nhận diện biển số, ta chọn tỷ lệ kích thước nằm trong khoảng từ 1.2 đến 1.8 Dựa trên các kích thước này, ta có khả năng cao nhất để xác định được đối tượng là biển số xe và sẽ trích xuất vùng chứa bảng số xe tương ứng.
Hình 3.4 Tự động trích vùng biển số xe kiểu 2 hàng ký tự
Để tăng tốc độ trích xuất vùng biển số, nên sử dụng bộ lọc với khả năng xác định đường cạnh theo phương nằm ngang cho vùng biển số 1.
Và ngược lại với biển số có 2 hàng ký tự ưu tiên sử dụng bộ lọc xác định đường cạnh theo phương thẳng đứng
Hình 3.5 Phương pháp xác định cạnh theo phương ngang hoặc đứng
Sau khi trích được chính xác vùng biển số ta thực hiện việc chỉnh độ nghiêng
Hình 3.6 Biển số có độ nghiêng
Phương pháp chỉnh độ nghiêng rất đơn giản, chỉ cần xác định giá trị góc nghiêng và chiều nghiêng của biên ảnh hiện tại so với phương chuẩn thẳng đứng hoặc nằm ngang Sau đó, thực hiện xoay ảnh ngược lại theo giá trị góc đã tính toán.
Chỉnh độ nghiêng theo phương thẳng đứng (biển số 2 hàng ký tự)
Xác định góc lệch và chiều quay lệch giữa các cạnh phương đứng của biển số AB so với phương thẳng đứng AB’ Tiến hành xoay ảnh theo giá trị góc đã tính toán và ngược lại với chiều lệch đã xác định.
Hình 3.7 Chỉnh độ nghiêng theo phương thẳng đứng
Chỉnh độ nghiêng theo phương nằm ngang (biển số 1 hàng ký tự)
Xác định góc lệch và chiều quay lệch giữa các cạnh phương đứng của biển số AB so với phương thẳng đứng AB’ Tiến hành xoay ảnh theo giá trị góc đã tính và theo chiều ngược lại với chiều lệch đã xác định.
Hình 3.8 Chỉnh độ nghiêng theo phương nằm ngang
Hình ảnh kết quả của chương trình chỉnh độ nghiêng:
Biển số 1 hàng ký tự (Hình 3.9)
Hình 3.9 Chỉnh độ nghiêng cho biển số 1 hàng ký tự theo phương ngang
Biển số 2 hàng ký tự (Hình 3.10)
Hình 3.10 Chỉnh độ nghiêng cho biển số 2 hàng ký tự theo phương thẳng đứng
3.2.4 Phân đoạn các ký tự có trong vùng biển số
Quá trình phân đoạn các ký tự nhằm mục đích tách riêng từng ký tự có trong biển số để tiến hành nhận dạng
Chuyển vùng biển số trích được sang dạng ảnh nhị phân (Hình 3.11)
Xóa bỏ các phần tử thừa không phải là ký tự biển số như: ốc vít, gạch phân cách, các vết bẩn … (Hình 3.11)
Hình 3.11 Chuyển sang nhị phân và loại bỏ ốc vít trên biển số
Để nhận dạng biển số, cần tách từng hàng và từng ký tự trên biển số Dựa vào đặc điểm của ảnh nhị phân, quá trình tách ký tự có thể thực hiện dễ dàng theo các bước cụ thể.
Để tách từng hàng ký tự, chúng ta tiến hành quét dữ liệu điểm ảnh theo phương y cho đến khi tổng giá trị các điểm ảnh theo phương x bằng 0, lúc đó chúng ta đã trích xuất được hàng ký tự đầu tiên trong biển số.
Trích được hàng ký tự trong biển số
Với: o f (x,y) là tập ma trận ảnh. o k là giá trị độ dài của tập ảnh theo phương x. o m là giá trị độ dài của tập ảnh theo phương y.
Để tách từng ký tự của biển số, chúng ta quét dữ liệu theo phương x, tìm kiếm các vùng điểm ảnh có giá trị 1 liên tiếp Qua việc đánh dấu và trích xuất từng vùng, ta có thể tách rời từng ký tự trong biển số.
Hình 3.12 Phân đoạn từng ký tự có trong biển số xe
Sơ đồ tổng quan nhận dạng ký tự
Mỗi ký tự sau khi trích là đầu vào của khâu nhận dạng Quá trình nhận dạng ký tự được thực hiện như sau:
Tiến hành lấy mẫu ký tự có kích thước chuẩn 42x24 điểm ảnh để tạo tập mẫu chuẩn, bao gồm các chữ cái từ A-Z và chữ số từ 0-9 Dữ liệu mẫu được lưu trữ dưới định dạng tập tin “*.mat” của Matlab.
Hình 3.13 Bảng dữ liệu mẫu lưu trữ trong Matlab
Chuyển kích thước của mỗi ký tự được về kích thước chuẩn để nhận dạng là 42*24 điểm ảnh.
Để nhận dạng ký tự, chúng ta so sánh từng ký tự cần nhận diện với cơ sở dữ liệu trong tập mẫu chuẩn Kết quả nhận dạng sẽ được xác định dựa trên vị trí mẫu dữ liệu có tỷ lệ phần trăm giống cao nhất.
Ký tự cần nhận dạng
Hình ảnh kết quả nhận dạng
3.3.1 Nhận dạng biển số 1 hàng ký tự (Hình 3.14)
Hình 3.14 Nhận dạng biển số 1 hàng ký tự
3.3.2 Nhận dạng biển số 2 hàng ký tự (Hình 3.15)
Hình 3.15 Các khâu nhận dạng biển số xe hoàn chỉnh
3.3.3 Nhận dạng biển số xanh với 2 hàng ký tự (Hình 3.16)
Hình 3.16 Các khâu nhận dạng biển số xe hoàn chỉnh
3.3.4 Nhận dạng biển số nhiều ký tự (Hình 3.16)
Hình 3.16 Nhận dạng biển số nhiều ký tự
Tổng quan về giao thức OPC (Hình )
OPC: OLE (Object Linking and Embedding) FOR PROCESS CONTROL
OPC: ĐƯỢC GỌI LÀ LIÊN KẾT VÀ NHÚNG ĐỐI TƯỢNG CHO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Hình 4.1 Mô tả giao tiếp Matlab và WinCC qua OPC
OPC là giao thức dùng để liên kết các phần mềm, ứng dụng của các hãng khác nhau nhằm mục đích trao đổi dữ liệu qua lại cho nhau
Nhiệm vụ của đồ án tốt nghiệp là nhận dạng biển số xe bằng Matlab, với tín hiệu ngắt từ WinCC kích hoạt chương trình Kết quả nhận dạng được truyền từ Matlab về WinCC để điều khiển, giám sát và lưu trữ dữ liệu OPC đóng vai trò là công cụ trung gian kết nối dữ liệu giữa hai phần mềm này.
OPC WinCC cần được cấu hình để thiết lập các biến dữ liệu trao đổi, đảm bảo rằng khi giá trị của bất kỳ biến nào trong OPC WinCC thay đổi, các biến tương ứng trong Matlab cũng sẽ tự động cập nhật theo.
Để khai báo OPC Matlab, cần sử dụng các lệnh đã được định nghĩa sẵn trong Matlab Để truy xuất dữ liệu từ WinCC, bạn phải thực hiện các hàm đọc và ghi mà Matlab hỗ trợ Cấu hình cho OPC WinCC và OPC Matlab sẽ được trình bày chi tiết trong các mục tiếp theo.
OPC WinCC
Để kết nối được với Matlab ta cần cấu hình chức năng OPC trong WinCC
Add new driver OPC cho Tag Management (Hình 4.2)
Hình 4.2 Tạo OPC cho WinCC
Tạo OPC Groups, OPC Server WinCC và các biến dữ liệu (Hình 4.3)
Hình 4.3 Tạo OPC server và biến dữ liệu
OPC Matlab
4.3.1 Tạo kết nối OPC trong Matlab
Khác với OPC của WinCC, để tạo OPC trong Matlab ta cần thực hiện các dòng lệnh trong như sau: da = opcda('localhost','OPCServer.WinCC.1'); connect(da);
Lệnh “opcda” để tạo kết nối với OPC WinCC
Lệnh “connect” để kết nối với OPC đã được tạo ra
“localhost” là cú pháp lệnh được định nghĩa sẵn.
“OPCServer.WinCC.1” là tên OPC đã cấu hình trong phần mềm WinCC.
4.3.2 Tạo nhóm biến dữ liệu liên kết với WinCC
Cú pháp lệnh: nhom_bien = addgroup(da,'ExReadAsync'); biensoxe=additem(nhom_bien,'biensoxe'); cameraditem(nhom_bien,'camera');
Lệnh “addgroup” để tạo nhóm biến chung tên là “nhom_bien”
Lệnh “additem” tạo liên kết chuyển các biến WinCC thành biến Matlab
“ExReadAsync” là thuộc tính của lệnh addgroup.
“biensoxe” là tên biến của WinCC.
4.3.3 Đọc và ghi dữ liệu giữa Matlab và WinCC Để có thể giao tiếp được dữ liệu từ WinCC và Matlab ta cần các lệnh đọc và ghi dữ liệu để truy xuất trạng thái hoặc ghi giá trị các biến của WinCC.
Cú pháp lệnh: wincc_takeimage= read(camera); write(biensoxe,word);
Lệnh “read” để đọc giá trị biến của WinCC.
Lệnh “write” ghi giá trị cho biến WinCC.
“word” là giá trị cần gán cho biến “biensoxe”.
Tổng quan
Trong những năm gần đây, sự phát triển kinh tế của Việt Nam đã dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng về số lượng phương tiện giao thông cá nhân Điều này yêu cầu một diện tích đất lớn hơn cho bãi đậu xe, nhưng tại các thành phố lớn như Hồ Chí Minh, Hà Nội, Đà Nẵng và Cần Thơ, việc đáp ứng nhu cầu này trở nên khó khăn do giá đất tăng cao và thiếu hụt đất cho các mục đích quan trọng khác Giải pháp tạm thời là sử dụng một phần diện tích mặt đường làm chỗ đậu xe, nhưng điều này vẫn không đủ để đáp ứng nhu cầu thực tế.
Hiện nay, tại trung tâm thành phố Hồ Chí Minh, tình trạng ôtô dừng đậu trên vỉa hè và lòng đường đang gia tăng, gây cản trở giao thông nghiêm trọng.
Để giải quyết vấn đề chỗ đậu xe tại TP Hồ Chí Minh, nhiều quốc gia như Nhật Bản, Hàn Quốc, Ấn Độ, Singapore, Trung Quốc, Mỹ và các nước Châu Âu đã áp dụng hệ thống nhà đậu xe nhiều tầng tự động Tại đây, nhiều công ty chuyên cung cấp dịch vụ bãi đậu ô tô, trong đó hệ thống đậu xe tự động rất phổ biến Các công ty sản xuất hệ thống này không trực tiếp kinh doanh bãi đậu xe mà chỉ cung cấp và lắp đặt thiết bị cho các nhà đầu tư, đồng thời cũng cung cấp các thiết bị phụ trợ như hệ thống lấy vé tự động và thanh toán tự động.
Bãi đỗ xe tự động mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với bãi đỗ xe truyền thống, không chỉ về tốc độ và sự tiện lợi Một trong những ưu điểm quan trọng là khả năng bảo vệ xe khỏi những va chạm, xô xát và trầy xước, nhờ vào việc bãi đỗ xe được cách ly hoàn toàn với môi trường bên ngoài.
Vào đầu năm 2006, Ủy Ban Nhân Dân thành phố Hồ Chí Minh đã kêu gọi các tổ chức và cá nhân tham gia đầu tư xây dựng 7 bãi đậu xe ngầm tại trung tâm thành phố Trong số đó, bãi đậu xe ngầm thứ 8 tại công viên Lê Văn Tám được giao cho Công ty cổ phần Đầu tư phát triển không gian ngầm IUS làm chủ đầu tư.
Các bãi đậu xe nói trên được thiết kế theo công nghệ xếp xe tự động gồm:
Bãi đậu xe ngầm tại số 116 Nguyễn Du có diện tích xây dựng trên mặt đất là
560 m 2 , diện tích xây dựng dưới mặt đất 3.950 m 2 gồm 8 tầng ngầm.
Bãi đậu xe ngầm bờ sông Sài Gòn có tổng diện tích xây ngầm 45.540 m 2 , xây trên mặt đất 900 m 2 , gồm 5 tầng, có thể chứa 5.000 ô tô, 5.000 xe máy.
Bãi tại sân bóng đá Tao Đàn có tổng diện tích 40.000 m 2 gồm 4 tầng ngầm.
Bãi tại công viên Chi Lăng có tổng diện tích ngầm 3.560 m 2 , diện tích xây trên mặt đất 210 m 2 gồm 7 tầng.
Bãi đậu tại công viên Bách Tùng Diệp gồm 5 tầng, 5.200 m 2 xây ngầm và 300 m 2 xây trên mặt đất.
Bãi đậu ngầm tại công trường Lam Sơn gồm 8 tầng, 2.110 m 2 xây ngầm và
Bãi đậu xe tại sân vận động Hoa Lư gồm 5 tầng, tổng diện tích 49.838m 2
Dự án bãi đậu xe tại công viên Lê Văn Tám gồm 5 tầng ngầm diện tích sàn là 72.321 m 2 , với mức đầu tư 1.748 tỉ đồng.
Hiện nay, các bãi đỗ xe ngầm tại TPHCM vẫn chưa được khởi công, do đó, để đáp ứng nhu cầu đậu xe tại khu vực trung tâm, thành phố đang xem xét xây dựng các bãi đậu xe nổi nhiều tầng với thiết bị tự động Đề xuất này được ông Phan Thanh Nam, Giám đốc Công ty Đầu tư phát triển công nghiệp và vận tải (Tracodi), đưa ra trong buổi báo cáo về các dự án bãi đậu xe tại Sở Giao thông vận tải TPHCM vào ngày 23-3 Ông Nam cũng kiến nghị UBND TPHCM và Sở Giao thông vận tải nghiên cứu xây dựng 5 bãi đậu xe ở khu vực trung tâm, tập trung vào những nơi có mật độ phương tiện cao.
- Công trường Quách Thị Trang.
- Điểm đậu ở đường Tôn Đức Thắng và Ngô Văn Năm.
- Điểm đậu ở cuối đường Nguyễn Huệ gần sông Sài Gòn.
5.2 Các giải pháp nhà giữ xe ô tô tự động
Sau đây là một số giải pháp đã được triển khai ở các nước khác:
5.2.1 Giải pháp “Xếp chồng” (Hình 5.2)
Hệ thống thủy lực cho phép nâng tối đa bốn ôtô xếp cạnh nhau, tạo không gian cho các xe khác bên dưới Tuy nhiên, giải pháp này có hiệu quả kinh tế không cao và chỉ phù hợp với quy mô nhỏ, như một hoặc vài hộ gia đình Ưu điểm của hệ thống này là gọn nhẹ, dễ vận chuyển và lắp đặt nhanh chóng.
Hình 5.2 Giải pháp đậu xe “xếp chồng”
5.2.2 Giải pháp “Nhà gửi xe nhiều tầng” (Hình 5.3)
Nhà gửi xe nhiều tầng với các đường dốc cho phép khách tự lái xe vào và ra, nhưng mức độ tự động hóa còn hạn chế, chủ yếu chỉ có máy bán vé và hệ thống đóng/mở cổng tự động Mặc dù giải pháp này phổ biến, nhưng vẫn chưa tối ưu về sử dụng không gian và không đáp ứng tốt một số yêu cầu khác như an toàn cho xe và người, cũng như vấn đề ô nhiễm do khói thải từ ô tô.
Hình 5.3 Mô hình nhà gửi xe nhiều tầng
5.2.3 Giải pháp “Nhà gửi xe tự động lộ thiên” (Hình 5.4) Đây là một bước cải tiến so với giải pháp nhà gửi xe nhiều tầng Sức chứa có thể tăng gấp hai lần so với kiểu drive-in parking có cùng diện tích sàn nhờ: loại bỏ các đường dốc và lối chạy ôtô trong nhà Bố trí các xe sát nhau và thu hẹp khoảng cách giữa các tầng (Hình 5.4)
Hình 5.4 Giải pháp nhà gửi xe tự động
Quy trình gửi và nhận xe hoàn toàn tự động hóa giúp đơn giản hóa việc bảo quản và trả xe Khách hàng không cần tự lái xe vào khu vực đậu, mà chỉ cần nhận thẻ gửi xe tại ngõ vào Sau khi quét thẻ vào máy đọc, khách chỉ việc đậu xe vào cabin, nơi các màn hình video sẽ kiểm tra vị trí đậu xe chính xác.
Khách hàng chỉ cần tắt máy và rời khỏi xe, sau đó hệ thống tự động sẽ đóng cửa cabin và điều khiển băng tải cùng thang máy để đưa xe vào vị trí đậu thích hợp Thông tin về vị trí đậu được ghi nhận bởi máy tính Khi khách trở lại, họ chỉ cần thanh toán tại quầy thu tiền và quét thẻ, hệ thống sẽ nhanh chóng định vị và trả xe tại lối ra trong khoảng 2 phút.
Ngoài ra có thể thiết kế theo dạng hình trụ để tăng thêm diện tích để xe và tiết kiệm được thời gian lấy xe ra vào (Hình 5.5)
Hình 5.5 Mô hình nhà gửi xe tự động hình trụ
Ưu điểm của giải pháp này là:
Tận dụng không gian hiệu quả với hệ thống thang máy ôtô theo phương thẳng đứng, loại bỏ nhu cầu về đường dốc và lối đi cho xe Điều này giúp tối đa hóa khả năng chứa xe bằng cách giảm diện tích cần thiết để đậu, đồng thời thu hẹp khoảng cách giữa các tầng để xe.
Khách hàng sẽ được hưởng lợi từ việc gửi xe thuận tiện, khi toàn bộ quy trình gửi và nhận xe diễn ra nhanh chóng tại tầng trệt Điều này giúp đảm bảo xe không bị va chạm hay trầy xước trong suốt quá trình.
Lợi ích cho chủ sở hữu nhà xe bao gồm chi phí bảo trì và bảo quản thấp do không cần lái xe trong khu vực đậu, giúp giảm thiểu chiếu sáng và yêu cầu thông gió Hệ thống này cũng ngăn chặn trộm cắp, giảm chi phí an ninh Đầu tư hiệu quả với diện tích sử dụng đất thấp, thời gian và chi phí xây dựng nhanh chóng hơn so với nhà giữ xe tầng ngầm, đáp ứng nhu cầu đỗ xe hiện tại.
5.2.4 Giải pháp “Nhà gửi xe tự động dạng ngầm” ( H ì n h 5 6 )
Giải pháp nhà để xe tự động hóa ngầm dưới đất sử dụng cấu trúc giếng, tạo thành hệ thống đậu ôtô nhiều tầng, tương tự như mô hình lộ thiên.
Hình 5.6 Mô hình nhà gửi xe tự động dạng ngầm
Lựa chọn phương án nhà giữ xe ô tô tự động
Xây dựng nhà để xe tự động là giải pháp tối ưu cho vấn đề chỗ đậu xe tại các thành phố lớn ở Việt Nam Trong bối cảnh hiện tại, việc lựa chọn giữa nhà gửi xe tự động ngầm và lộ thiên cần xem xét tính khả thi của từng phương án Đặc biệt, điều kiện xây dựng công trình ngầm tại thành phố Hồ Chí Minh cũng cần được đánh giá kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả và an toàn cho dự án.
Luật quy hoạch đô thị hiện nay chưa đầy đủ trong việc quy định về công trình ngầm, dẫn đến việc các đô thị Việt Nam chưa có quy hoạch không gian ngầm cụ thể Hơn nữa, quy chuẩn kỹ thuật cho các loại công trình ngầm cũng chưa được thống nhất, gây khó khăn trong việc phát triển hạ tầng đô thị.
Nguồn nhân lực trong lĩnh vực công trình ngầm tại Việt Nam còn hạn chế, dẫn đến nhiều sự cố kỹ thuật nghiêm trọng Gần đây, tại thành phố Hồ Chí Minh, đã xảy ra một số tai nạn trong quá trình thi công các công trình cao tầng có tầng ngầm, điển hình là sự cố sập toàn bộ Viện Khoa học trong quá trình xây dựng cao ốc Pacific.
Xã hội và Nhân văn vùng Nam bộ, công trình xây dựng tòa cao ốc Sài Gòn Residences làm nứt chung cư số 5 Nguyễn Siêu, quận 1.
- Việc xây các bãi đậu xe ngầm phía dưới công viên khó có phương án bảo tồn cây xanh hiệu quả, ảnh hưởng đến hiệu quả xã hội.
- Thời gian thi công và chi phí đầu tư tầng hầm cao hơn nhiều so với công trình nổi trên mặt đất.
Ủy Ban Nhân Dân thành phố Hồ Chí Minh đã giao Sở Giao thông vận tải quy hoạch các bãi đậu xe ngầm Đồng thời, cơ quan này cũng nghiên cứu và đề xuất chuyển hướng xây dựng bãi đậu xe ngầm sang hình thức cao tầng trên mặt đất.
Dựa trên phân tích tính khả thi của các dự án tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu quyết định thi công mô hình nhà gửi xe tự động lộ thiên hình trụ.
Hình 5.9 Nhà gửi xe tự động hình trụ
Động cơ bước
Động cơ bước là thiết bị phổ biến trong công nghiệp, được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển số vị trí, đặc biệt là trong các hệ thống điều khiển vòng hở Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng như điều khiển van, máy công cụ CNC và tay máy công nghiệp.
6.1.1 Phân loại và cấu tạo Động cơ bước (Stepper Motor) được chia làm 3 loại chủ yếu là động cơ bước nam châm vĩnh cửu, động cơ bước biến từ trở và động cơ bước hỗn hợp
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Hình 6.1)
Còn gọi là động cơ bước kiểu tác dụng, các cực từ được chế tạo dạng móng.
- Stator gồm nhiều cuộn dây, được quấn lên các cực từ làm bằng các lá sắt mỏng dập nhiều hình móng, ghép sát nhau.
- Rotor làm từ nhiều lá nam châm vĩnh cửu, cũng được dập rãnh để ghép lại thành hình trụ có nhiều rãnh tạo nên các cực từ.
Để tăng số cực từ của động cơ, có thể xẻ nhiều rãnh hơn trên mỗi đầu cực, giúp giảm góc bước xuống nhiều lần Hiện nay, động cơ nam châm vĩnh cửu phổ biến có khả năng đạt được góc bước nhỏ tới 1.8 hoặc 3.2 độ/bước.
Hình 6.1 Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Tùy thuộc vào cách nối dây Stator có thể phân biệt các loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu:
Đấu dây stator động cơ bước lưỡng cực (Hình 6.2)
Hình 6.2 Đấu dây động cơ bước lưỡng cực
Đấu dây stator Động cơ bước đơn cực (Hình 6.3)
Hình 6.3 Đâu dây stator động cơ bước đơn cực
Đấu dây stator động cơ nhiều pha 3-Phase, 5-pha (Hình 6.4)
Hình 6.4 Đấu dây stator động cơ nhiều pha
Động cơ kiểu này ít phổ biến hơn so với hai loại khác, thường được chế tạo với các cuộn dây quấn nối tiếp thành một vòng kín Thiết kế phổ biến nhất là sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha.
Loại động cơ nam châm vĩnh cửu này tạo ra moment xoắn lớn nhất trong ba loại, nhưng cũng có cấu trúc điều khiển phức tạp nhất Điều này là do cần nhiều mạch cầu để điều khiển các cuộn dây, mỗi cuộn lại có hai cực tính.
Động cơ bước từ trở thay đổi (Hình 6.5)
Hình 6.5 Động cơ bước từ trở thay đổi Đặc điểm của động cơ này là có số cực từ Rotor ít hơn Stator Stator động cơ có
Động cơ này bao gồm 3 cuộn dây 1, 2 và 3, kết nối chung tại điểm ra C, với mỗi cuộn dây quấn trên 2 hoặc 4 cực từ đối diện nhau Rotor được chế tạo từ vật liệu dẫn từ, cụ thể là sắt non chưa bão hòa, có thiết kế rãnh và được ghép lại Từ trở trên rotor thay đổi theo mỗi góc quay, giúp cả Stator và rotor đạt được góc quay rất nhỏ trong mỗi bước nhờ vào nhiều rãnh trên mỗi mặt cực Đặc điểm nổi bật của loại động cơ này là chuyển động êm ái, tốc độ quay lớn, số bước trên mỗi vòng cao và tần số làm việc cũng khá cao, không bị ảnh hưởng bởi từ trường vĩnh cửu của rotor.
Động cơ bước hỗn hợp (Hình 6.6)
Loại động cơ này kết hợp giữa động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước từ trở thay đổi, mang lại đặc tính ưu việt với moment lớn và số bước/vòng cao.
Loại này có kết cấu Stator tương tự như động cơ bước biến từ trở, với 2, 4 hoặc
5 pha Rotor gồm có 2 tầng, tầng 1 có nhiều răng như rotor loại biến từ trở, tầng
2 là loại nam châm vĩnh cửu
Hình 6.6 Động cơ bước hỗn hợp
Sự kết hợp này làm cho Rotor được kích thích mạnh hơn, và kết cấu phân tầng cho phép đạt được góc bước rất bé : khoảng 0.18 – 0.27 độ/bước
6.1.2 Đặc tính của động cơ bước Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ hoạt động dưới tác động của các xung dòng/áp rời rạc và kế tiếp nhau Khi có 1 xung dòng/áp đặt vào Stator động cơ thì Rotor sẽ quay 1 góc nhất định gọi là bước của động cơ Và nếu các xung này đặt vào Stator liên tục thì Rotor sẽ quay liên tục
Độ chính xác trong điều khiển động cơ tăng lên khi kích thước bước của động cơ giảm Kích thước bước này phụ thuộc vào số pha của cuộn dây stator, số cực từ và số răng của Stator và Rotor, cũng như phương pháp điều khiển được sử dụng, bao gồm bước đủ, nửa bước và vi bước.
Chiều quay của động cơ không bị ảnh hưởng bởi chiều dòng điện trong phần ứng, mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung điều khiển cho các cuộn dây Vị trí trục động cơ được xác định qua số bước (hay số xung vào Stator), trong khi vận tốc của động cơ tỷ lệ thuận với tần số xung (số bước/giây).
Tính năng làm việc của động cơ được xác định bởi bước thực hiện, đặc tính góc và tần số xung giới hạn Khi thực hiện một bước, các quá trình quá độ phải tắt để thực hiện bước mới Tính năng mở máy được thể hiện qua số xung cung cấp cực đại khi khởi động mà không làm mất đồng bộ động cơ Tần số xung giới hạn mà động cơ có thể tiếp nhận dao động từ 10 đến 10.000 KHz, tùy thuộc vào kết cấu của từng loại động cơ.
Các thông số động cơ bước:
- Điện áp làm việc định mức (V).
- Điện trở cuộn dây (Ohm).
- Góc bước (độ/bước): góc quay của động cơ ứng với 1 bước điều khiển.
- Moment hãm (đối với động cơ nam châm vĩnh cửu): moment trên trục rotor do nam châm gây ra khi không có xung điều khiển.
- Moment duy trì: moment lớn nhất do cuộn dây kích thích tạo ra trên trục động cơ.
Các phương pháp điều khiển động cơ bước
Phương pháp điều khiển động cơ cơ bản bao gồm việc cấp xung điều khiển đến các cuộn dây Stator theo một thứ tự xác định Tần số của các xung này quy định tốc độ quay, trong khi thứ tự cấp xung xác định chiều quay của động cơ.
Lấy ví dụ động cơ lưỡng cực minh họa các phương pháp điều khiển sau đây:
6.2.1 Chế độ điều khiển bước đủ kiểu 1 pha
Mã xung điều khiển như sau (Hình 6.8):
Hình 6.8 Mã xung điều khiển bước đủ kiểu 1 pha Hoạt động điều khiển đủ bước kiểu 1 pha (Hình 6.9)
Hình 6.9 Biểu diễn hoạt động điều khiển đủ bước kiểu 1 pha
6.2.2 Chế độ điều khiển bước đủ kiểu 2 pha
Mã xung điều khiển như sau: (Hình 6.10)
Hình 6.10 Mã xung điều khiển bước đủ kiểu 2 pha
Hoạt động điều khiển đủ bước kiểu 2 pha (Hình 6.11)
Hình 6.11 Biểu diễn hoạt động điều khiển đủ bước kiểu 2 pha
Chế độ điều khiển theo số bước tương tự như chế độ điều khiển 2 pha, nhưng vị trí bước của chúng khác nhau Ngoài ra, kiểu 2 pha tiêu tốn nhiều năng lượng hơn kiểu 1 pha, vì kiểu 1 pha chỉ cần cung cấp điện cho 1 cực, trong khi kiểu 2 pha cần cấp điện cho cả 2 cực.
6.2.3 Chế độ điều khiển nửa bước
Là sự kết hợp giữa chế độ điều khiển đủ bước kiểu 1 pha và 2 pha
Mã xung điều khiển như sau: (Hình 6.12)
Hình 6.12 Mã xung điều khiển kiểu nửa bước Hoạt động điều khiển nửa bước (Hình 6.13)
Hình 6.13 Biểu diễn hoạt động điều khiển kiểu nửa bước
Mạch điều khiển động cơ bước
6.3.1 Sơ đồ nguyên lý (Hình 6.14)
Hình 6.14 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước
Sơ đồ nguyên lý của động cơ bước cho thấy cấu tạo cuộn dây bên trong, giúp hiểu rõ cách tín hiệu điều khiển qua 4 dây nhận tín hiệu kích hoạt động cơ Hai dây cấp nguồn 5V hoặc 12V (tùy thuộc vào loại động cơ) duy trì hoạt động của nó.
6.3.2 Mạch lái động cơ bước (Hình 6.15)
Hình 6.15 Mạch lái động cơ bước
Tín hiệu điều khiển từ PLC (24V) được đưa vào opto để cách ly điện áp, trong khi điện áp đầu ra 5V từ OPTO kích hoạt FET dẫn Nguồn điện 5V hoặc 12V cung cấp cho động cơ sẽ đi vào hai chân chung của động cơ step, sau đó tuần tự đi qua các cuộn dây ABCD và trở về mass qua FET.
Bốn tín hiệu xung điều khiển từ PLC được gửi đến 4 dây điều khiển của động cơ bước theo quy luật đã đề cập Mỗi lần truyền xung điều khiển, chúng ta sẽ thiết lập một khoảng thời gian trì hoãn nhất định trước khi tiếp tục truyền tín hiệu, giúp động cơ bước hoạt động hiệu quả.
Tổng quan PLC S7 – 300
PLC S7-300 cấu trúc dạng module gồm các thành phần sau:
- CPU các loại khác nhau: 312IFM, 312C, 313, 313C, 314, 314IFM, 314C,
- Module tín hiệu SM xuất nhập tín hiệu tương đồng: SM321, SM322, SM323, SM331, SM332,SM334, SM338, SM374.
- Module nguồn PS307 cấp nguồn 24VDC cho các module khác, dòng 2A, 5A, 10A.
- Module ghép nối IM: IM360, IM361, IM365.
Các module được lắp đặt trên thanh ray, tối đa 8 module SM/FM/CP có thể được kết nối bên phải CPU, tạo thành một rack Chúng kết nối với nhau qua bus connector ở mặt sau của từng module Mỗi module được đánh số theo thứ tự từ trái sang phải, với module nguồn ở slot 1, module CPU ở slot 2, và module kế tiếp mang số 3.
Hình 7.1 Các module được gắn trên cùng 1 thanh ray
Khi có nhiều module, cần bố trí chúng thành nhiều rack, ngoại trừ CPU312IFM và CPU313 chỉ sử dụng một rack CPU được đặt ở rack 0, slot 2, tiếp theo là module phát IM360 ở slot 3, có chức năng kết nối rack 0 với các rack 1, 2, 3 Mỗi rack sẽ có module kết nối thu IM361, bên phải mỗi module IM là các module SM/FM/CP Cáp nối giữa hai module IM không vượt quá 10m Các module được đánh số theo slot, từ đó xác định địa chỉ cho các module ngõ vào ra tín hiệu Riêng với CPU 315-2DP, 316-2DP, 318-2, có thể gán địa chỉ tùy ý cho các module.
Hình 7.2 Định nghĩa địa chỉ cho các module
Hình 7.3 Hình các module được gắn trên nhiều rack
Mỗi địa chỉ trong hệ thống tương ứng với một byte, với các module số, địa chỉ ngõ vào hoặc ra được định dạng là x.y, trong đó x là địa chỉ byte và y có giá trị từ 0 đến 7 Ví dụ, module SM321 DI 32 có khả năng xử lý nhiều địa chỉ khác nhau.
Các ngõ vào gắn kế CPU slot 4 được đánh dấu bằng các địa chỉ I0.y, I1.y, I2.y, I3.y, I, thể hiện các ngõ vào số Đối với module analog, địa chỉ được xác định theo word, chẳng hạn như module SM332 AO4.
4 ngõ ra analog gắn ở slot 5 rack 1 có địa chỉ PQW400, PQW402, PQW404, PQW406, ngõ ra số có ký hiệu là Q còn ngõ vào analog ký hiệu là PIW
Các CPU 312IFM, 314 IFM, 31xC có tích hợp sẵn một số module mở rộng:
- CPU 312IFM, 312C: 10 ngõ vào số địa chỉ I124.0 …I124.7, I125.1; 6 ngõ ra số Q124.0…Q124.5.
- CPU 313C: 24 DI I124.0 126.7, 16DO Q124.0 125.7, 5 ngõ vào tương đồng AI địa chỉ 752 761, hai ngõ ra AO 752 755.
- CPU 314IFM: 20 ngõ vào số I124.0 … I126.3; 16 ngõ ra số Q124.0
…Q125.7; 4 ngõ vào tương đồng PIW128, PIW130, PIW132, PIW134; một ngõ ra tương đồng PQW128.
Module CPU (Hình 7.4)
Các module CPU có sự khác biệt về hình dạng chức năng và tốc độ xử lý lệnh Các loại 312IFM và 314IFM không được trang bị thẻ nhớ, trong khi loại 312IFM và 313 không có pin nuôi Đối với các loại 315-2DP, 316-2DP và 318-2, chúng được tích hợp cổng truyền thông DP Các đèn báo trên các module này có ý nghĩa quan trọng trong việc theo dõi trạng thái hoạt động.
- SF (đỏ) lỗi phần cứng hay mềm.
- BATF (đỏ) lỗi pin nuôi.
- DC5V (lá cây) nguồn 5V bình thường.
- FRCE (vàng ) force request tích cực.
- RUN (lá cây) CPU mode RUN ; LED chớp lúc start-up tần suất 1 Hz; mode HALT tần suất 0.5 Hz.
- STOP mode (vàng) CPU mode STOP hay HALT hay start-up; LED chớp khi memory reset request.
Khóa mode có 4 vị trí:
- RUN-P chế độ lập trình và chạy.
- RUN chế độ chạy chương trình.
- STOP ngừng chạy chương trình.
Thẻ nhớ có thể có dung lượng từ 16KB đến 4MB, chứa chương trình từ PLC chuyển qua và chuyển chương trình ngược trở lại cho CPU
Pin nuôi giữ cho chương trình và dữ liệu hoạt động khi mất nguồn trong thời gian tối đa một năm, đồng thời duy trì đồng hồ thời gian thực Đối với các loại CPU không có pin nuôi, vẫn có một phần vùng nhớ được duy trì hoạt động.
The MultiPoint Interface (MPI) allows for the connection of programming computers, operator panels, and PLCs equipped with MPI ports, such as the S7-300 and M7 with CPU 318-2, operating at 10.2 kbps with S7-200 Additionally, the Profibus-DP port connects devices within a Profibus network, facilitating data transmission speeds of up to 12 Mbps.
Các vùng nhớ của PLC:
Vùng nhớ chương trình (load memory) lưu trữ chương trình người dùng mà không bao gồm địa chỉ ký hiệu và chú thích, có thể được lưu trữ trong RAM, EEPROM trong CPU hoặc trên thẻ nhớ.
Vùng nhớ làm việc (working memory) tương tự như RAM trong máy tính, nơi lưu trữ các chương trình được chuyển từ vùng nhớ chương trình Chỉ những phần chương trình cần thiết mới được chuyển vào vùng nhớ làm việc, trong khi các phần không cần thiết sẽ vẫn ở lại trong vùng nhớ chương trình.
Vùng nhớ hệ thống (system memory) phục vụ cho chương trình người dùng, bao gồm timer, counter, vùng nhớ dữ liệu M, bộ nhớ đệm xuất nhập…
Trên các CPU 312IFM và 314IFM, vùng nhớ chương trình sử dụng RAM và EEPROM, trong khi các CPU khác sử dụng pin nuôi với RAM và thẻ nhớ Khi nguồn bị mất hoặc ở chế độ MRES (reset bộ nhớ), RAM sẽ bị xóa Tuy nhiên, một số vùng nhớ của RAM như timer, counter, vùng nhớ M và khối dữ liệu có thể được khai báo là lưu giữ (retentive) thông qua phần mềm S7, cho phép chuyển các vùng này sang bộ nhớ lưu giữ (NVRAM non-volatile) mà không cần pin nuôi, kích thước của bộ nhớ lưu giữ tùy thuộc vào từng loại CPU.
Hình 7.5 Các thông số của các vùng nhớ của PLC
Module IM (Hình 7.6)
Module IM360 được lắp đặt ở rack 0 gần CPU, có chức năng kết nối với module IM361 tại các rack 1, 2, 3, cho phép mở rộng số lượng module vượt quá 8 Cáp kết nối giữa hai rack là loại 368, trong khi trường hợp chỉ sử dụng hai rack, chúng ta sẽ dùng loại IM365.
Module vào số có các loại sau:
- SM 322; DO 16 _ 120 VAC ReLay, 8*2 nhóm.
- SM 322; DO 8 _ 230 VAC Relay, 4*2 nhóm.
- SM 322; DO 8 _ 230 VAC/5A Relay,1*8 nhóm.
Module analog in có nhiều ngõ vào dùng để đo điện áp, dòng điện , điện trở
Có nhiều tầm đo với độ phân giải, thời gian chuyển đổi khác nhau Cài đặt thông số hoạt động cho Module bằng phần mềm S7 Simatic 300 Station Hardware
SM331 AI 2*12 là một module chuyển đổi hai kênh vi sai áp hoặc dòng, hoặc một kênh điện trở với cấu hình 2/3/4 dây Sản phẩm sử dụng phương pháp tích phân, với thời gian chuyển đổi từ 5ms đến 100ms và độ phân giải đạt 9, 12, 14 bit cộng với dấu Các tầm đo của module này rất đa dạng, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển.
80 mV; 250 mV; 500 mV; 1000 mV; 2.5 V; 5 V;1 5 V; 10 V; 3.2 mA; 10 mA; 20 mA; 0 20 mA; 4 20 mA Điện trở 150 ; 300 ;
600 ; Đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt E, N, J, K, L, nhiệt kế điện trở Pt 100, Ni
Các thông số mặc định trên module đã được cài sẵn, cho phép người dùng sử dụng ngay mà không cần thay đổi, kết hợp với việc đặt vị trí của module tầm đo ở bốn vị trí A, B, C, D.
Hình 7.7 Cấu tạo của Module SM331 AI 2*12
Hình 7.8 Tầm đo và phương pháp đo cho các loại module
- SM331, AI 8*12 bit, 8 kênh vi sai chia làm hai nhóm, độ phân giải 9
- SM331, AI 8*16 bit, 8 kênh vi sai chia làm 2 nhóm, độ phân giải 15 bit + dấu.
Cung cấp áp hay dòng phụ thuộc số nhị phân phụ hai
- SM332 AO 4*12 bit: 4 ngõ ra dòng hay áp độ phân giải 12 bit, thời gian chuyển đổi 0.8 ms.
- FM350-2 : đếm xung tám kênh.
- FM351, 353, 354, 357-2 : điều khiển định vị.
- FM352: bộ điều khiển cam điện tử.
- FM355: bộ điều khiển hệ kín.
Khái quát hệ thống SCADA (Hình )
Trong thời đại công nghệ sản xuất hiện đại, hệ thống SCADA ngày càng được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy tự động Hệ thống này cho phép giám sát và thu thập dữ liệu, kết nối với nhiều thiết bị đo đạc và điều khiển các thiết bị chấp hành từ khoảng cách xa, lên đến hàng ngàn cây số.
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu, cho phép điều khiển và giám sát từ xa Để hoạt động hiệu quả, hệ thống SCADA cần có giao thức truy cập, truyền tải dữ liệu, cùng với giao diện giữa người và máy (HMI - Human Machine Interface).
Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và giám sát, trong đó giao diện người và máy là thành phần thiết yếu cho việc quan sát và thao tác ở cấp điều khiển cục bộ Để tối ưu hóa chi phí và phù hợp với đặc điểm kỹ thuật, các thiết bị như màn hình vận hành (OP), bảng điều khiển cảm ứng (TP) và Multi Panel chuyên dụng thường được sử dụng.
Hệ thống SCADA được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thủy điện, xử lý và phân phối nước, cũng như khí tự nhiên SCADA cho phép kết nối từ xa với các thiết bị điều khiển, cung cấp dữ liệu cần thiết cho quá trình vận hành Khi khoảng cách đến các địa điểm xa tăng lên, việc truy cập trở nên khó khăn hơn, vì vậy SCADA trở thành giải pháp tối ưu cho người điều hành trong việc giám sát và điều chỉnh hoạt động.
Mô hình phân cấp chức năng
8.2.1 Mô hình phân cấp (Hình 8.2)
Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống SCADA giúp sắp xếp và phân loại các chức năng tự động hóa trong hệ thống điều khiển và giám sát Ở cấp dưới, các chức năng yêu cầu độ nhạy và thời gian phản ứng cao hơn, trong khi các chức năng ở cấp trên dựa vào các chức năng cấp dưới nhưng cần xử lý một lượng thông tin lớn hơn nhiều.
Cấp chấp hành đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu khi cần thiết Hầu hết các thiết bị cảm biến và chấp hành đều tích hợp chức năng điều khiển riêng, giúp thực hiện quá trình đo lường và truyền động một cách chính xác và nhanh nhạy Ngoài ra, các thiết bị thông minh với bộ vi xử lý riêng có khả năng xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi truyền lên cấp điều khiển cao hơn.
Cấp điều khiển có nhiệm vụ nhận và xử lý thông tin từ các bộ cảm biến theo thuật toán nhất định, sau đó truyền đạt kết quả xuống các bộ chấp hành Máy tính thực hiện việc theo dõi các công cụ đo lường và tự động hóa các thao tác như mở/đóng van, điều chỉnh cần gạt và núm xoay Đặc điểm nổi bật của cấp điều khiển là khả năng xử lý thông tin Cấp điều khiển và cấp chấp hành thường được gọi chung là cấp trường (Field level) vì chúng được lắp đặt trực tiếp tại hiện trường, gần gũi với hệ thống kỹ thuật.
Cấp điều khiển giám sát đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và vận hành các quá trình kỹ thuật, hỗ trợ người dùng trong cài đặt ứng dụng và theo dõi xử lý tình huống bất thường Bên cạnh đó, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức, giúp nâng cao hiệu quả hoạt động.
Trong một hệ thống điều khiển và giám sát, ba cấp dưới thường được xem là các thành phần chính Tuy nhiên, việc biểu thị hai cấp trên cùng, bao gồm Quản lý công ty và Điều hành sản xuất, sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể của các công ty sản xuất công nghiệp.
Chức năng của mỗi cấp SCADA cung cấp những dịch vụ sau:
Đầu tiên, việc thu thập từ xa các số liệu về sản xuất là rất quan trọng, bao gồm việc tổ chức và lưu giữ nhiều loại cơ sở dữ liệu như số liệu lịch sử về sản xuất, sự kiện thao tác và báo động.
Thứ hai: cung cấp các dịch vụ về điều khiển, giám sát hệ sản xuất.
Vào thứ ba, hệ thống sẽ hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất, bao gồm các trang màn hình, đồ thị, sự kiện, báo động và báo cáo sản xuất.
Thứ tư: điều khiển từ xa quá trình sản xuất (đóng cắt các máy móc thiết bị …).
Vào thứ năm, các dịch vụ truyền số liệu trong hệ thống và ra ngoài sẽ được thực hiện, bao gồm việc đọc và viết số liệu từ PLC/RTU, cũng như gửi phản hồi cho các bản tin yêu cầu từ cấp trên liên quan đến số liệu và thao tác trong hệ thống.
Hình 8.3 Một hệ thống SCADA điển hình
Các chức năng của SCADA yêu cầu các bộ phận phần cứng, phần mềm và chuyên trách phải đáp ứng những tiêu chuẩn đặc biệt Cụ thể, phần đo và giám sát từ xa cần đảm bảo thu thập và hiển thị dữ liệu đầy đủ cho quản lý kỹ thuật Phần điều khiển thao tác xa phải thực hiện kiểm tra đóng cắt một cách an toàn và chính xác Đồng thời, phần truyền tin xa cần quy định rõ nhiệm vụ truyền số liệu từ hiện trường, đặc biệt là quy trình truyền dữ liệu với các hệ thống SCADA cấp trên.
Hiện nay, nhiều hệ thống SCADA có khả năng tích hợp với các hệ thống thương mại cấp cao, cho phép thực hiện các thao tác đọc và ghi dữ liệu trên các cơ sở dữ liệu chuẩn như Oracle, Access và Microsoft SQL.
Cấu trúc hệ SCADA (Hình 8.4)
Cấu trúc chung của hệ SCADA được minh hoạ như sau: (Hình 8.4)
Hình 8.4 Cấu trúc chung của một hệ scada
Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm:
Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi và các cơ cấu chấp hành.
Thiết bị điều khiển tự động bao gồm các bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), các thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính kèm theo phần mềm điều khiển tương ứng.
Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện giữa người và máy HMI, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp.
Hệ thống truyền thông: bus cảm biến/ chấp hành, bus trường, bus hệ thống.
Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn.
Ví dụ cho một hệ thống scada cho nhà máy đường: (Hình 8.5)
Hình 8.5 Hệ thống Scada thiết kế cho nhà máy đường
Hệ thống SCADA bao gồm các thiết bị RTU (Remote Terminal Unit) có nhiệm vụ thu thập và truyền dữ liệu đến các trạm chủ thông qua các chuẩn truyền thông Các trạm chủ hiển thị dữ liệu thu được và cho phép người vận hành thực hiện các tác vụ điều khiển từ xa.
Dưới đây là mô hình của một hệ thống SCADA (Hình 8.6)
Hình 8.6 Mô hình một hệ SCADA Ứng với mô hình phân cấp chức năng, một hệ SCADA sẽ có 5 cấp thiết bị phần cứng sau:
Các thiết bị đo lường và chấp hành ở hiện trường.
Các thiết bị đầu cuối RTU.
Hệ thống máy tính phân tích xử lý số liệu.
Truyền thông giữa trạm chủ và các khu vực xa được thực hiện qua nhiều phương tiện như cáp đồng trục, cáp đôi dây xoắn, cáp quang, sóng radio, vi sóng và vệ tinh.
Trạm chủ và trạm phụ (submaster) đóng vai trò quan trọng trong việc tập hợp dữ liệu từ các RTU khác nhau, cung cấp giao diện cho người vận hành để hiển thị thông tin và điều khiển từ xa Trong một hệ thống đo lường từ xa quy mô lớn, trạm phụ tổng hợp thông tin từ các vị trí xa xôi và gửi về trạm chủ để thực hiện các điều khiển cần thiết.
Hình 8.7 Cấu trúc của thiết bị đầu cuối (RTU)
RTU (Remote Terminal Unit) là thiết bị đầu cuối có chức năng thu thập và truyền dữ liệu tới các trạm chủ, đồng thời cung cấp khả năng giao tiếp với các tín hiệu số và tương tự từ các vị trí xa.
Phần mềm SCADA có hai loại chính: phần mềm có bản quyền và phần mềm mã nguồn mở Phần mềm có bản quyền thường đi kèm với hệ thống phần cứng do các nhà sản xuất cung cấp, nhưng chi phí mua khá cao Ngược lại, phần mềm mã nguồn mở ngày càng được ưa chuộng hơn nhờ khả năng tương thích tốt với nhiều hệ thống từ các nhà sản xuất khác nhau, giúp người dùng tiết kiệm chi phí và linh hoạt trong việc lựa chọn giải pháp.
Citect và WonderWare là hai phần mềm mã nguồn mở phổ biến trong lĩnh vực SCADA, cung cấp giải pháp quản lý và giám sát hệ thống hiệu quả Những phần mềm này không chỉ hỗ trợ việc thu thập dữ liệu mà còn chứa thông tin quản lý tài nguyên của hệ thống SCADA, giúp tối ưu hóa quy trình vận hành.
Hình 8.8 Cấu trúc phần mềm của hệ thống SCADA
Một phần mềm SCADA bao gồm: (Hình 8.8)
Hiển thị dạng đồ họa.
Lập báo cáo tự động.
Đặc tính chính của hệ thống SCADA
Hiện nay, các hệ thống SCADA thế hệ mới được thiết kế theo kiến trúc phân bố, với công suất máy chủ được phân bổ trên nhiều bộ xử lý kết nối qua mạng cục bộ (LAN) Mỗi bộ xử lý đảm nhận các nhiệm vụ cụ thể như thu thập và xử lý dữ liệu, tạo hiển thị, và thiết lập báo cáo, trong khi một số bộ xử lý khác được sử dụng cho mục đích dự phòng.
Nhờ vào các công nghệ mạng diện rộng (WAN), hệ thống SCADA có thể được phân bố trên một miền địa lý rộng
Hệ thống được thiết kế theo hệ thống mở và cơ cấu Server_Client
Hình 8.9 Kiến trúc phân bố tiêu biểu của một hệ SCADA
IOS Data Input/Output Module
HDC Historical Data Collection and Storage Module
GW Gateway for inter LAN communications
APPS Application Calculations and Processing Module
SCADA được trang bị các VDU (Đơn vị hiển thị trực quan) với đồ họa đầy đủ, kèm theo chuột và bàn phím Các nút điều khiển vật lý đã được thay thế bằng các biểu tượng trên màn hình, cho phép người dùng tương tác dễ dàng thông qua chuột hoặc bàn phím Những công cụ này hỗ trợ người điều hành trong việc quản lý và điều khiển hệ thống một cách hiệu quả.
Nhanh chóng hoán đổi giữa các màn hình hiển thị.
Nhanh chóng xem được chi tiết các thông tin.
Tạo và sửa đổi các màn hình hiển thị trực tiếp ở hệ thống.
Các hiệu ứng đặc biệt có thể được sử dụng để nâng cao khả năng phân biệt dữ liệu, chẳng hạn như việc áp dụng các màu sắc khác nhau cho các lô hàng trong một đường ống dẫn dầu.
Với các VDU hoạt động trong môi trường Windows, người điều hành cũng có thể:
Xem trên cùng một VDU nhiều mảng thông tin mà thường trải ra trên nhiều màn hình hiển thị.
Trên cùng màn hình, truy cập được các dữ liệu nằm rải rác theo vùng hoặc các dữ liệu thuộc các cơ sở dữ liệu khác nhau.
Do đó, những phương tiện HMI hiện đại cho phép người điều hành truy cập số lượng thông tin lớn dễ hơn và nhanh hơn
8.4.2 Các đơn vị đo lường từ xa RTU (Remote Terminal Unit)
RTU hiện nay không chỉ là thiết bị thụ động mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và lưu trữ dữ liệu khu vực Chúng thực hiện nhiều mức xử lý dữ liệu và điều khiển, nâng cao hiệu quả quản lý và giám sát hệ thống.
Nhiều loại thiết bị có thể được nối vào các RTU như: PLC, máy đo lưu lượng, thiết bị lấy chuẩn và đo bồn chứa…
Các RTU có thể được sắp xếp theo kiến trúc phân bố hoặc phân cấp Dữ liệu của các RTU được xử lý tại trạm chủ
Dữ liệu lưu trữ trong hệ thống SCADA bao gồm không chỉ các số liệu đo đạc từ xa và tính toán, mà còn chứa các thông số liên quan đến sự kiện và cảnh báo Bởi vì hệ thống SCADA có cấu trúc phân bố, nên cơ sở dữ liệu cũng được phân bố tương ứng.
Về vấn đề bảo mật thì cho nhiều cấp truy cập sử dụng: điều hành viên, giám sát viên, huấn luyện, kỹ sư
Cơ sở dữ liệu cũng liên hệ với hệ thông tin quản trị MIS (Geographic Information System)
Truyền thông giữa các máy tính trong mạng LAN (mạng cục bộ) và WAN (mạng diện rộng) tuân theo các tiêu chuẩn công nghiệp tương thích với mô hình OSI (Kết nối Hệ thống Mở).
Hiện nay đã có các công nghệ: Fast Internet, FDDI (Fiber Distributed Data Interface), Frame Relay…
Ứng dụng của hệ thống SCADA
SCADA được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: tàu biển, công nghiệp nặng, trong các tòa nhà hiện đại…
8.5.1 Ưu điểm của hệ thống SCADA
Tăng khả năng điều khiển và xử lý của hệ thống.
Hệ thống vận hành nhanh hơn, chính xác hơn.
Bảo đảm an toàn cho người vận hành.
Bảo vệ tốt các thiết bị khi xảy ra lỗi trong hệ thống.
Tăng năng suất, độ tin cậy.
Tốn ít chi phí vận hành hơn.
8.5.2 Nhược điểm của hệ thống SCADA
Tốn nhiều chi phí đầu tư xây dựng và thiết kế.
Trình độ chuyên môn đòi hỏi cao.
Giới thiệu WinCC
WinCC (Windows Control Center) is a SCADA software developed by Siemens for monitoring, data collection, and controlling automation systems It enables programmers to design Human-Machine Interface (HMI) interfaces within SCADA systems, facilitating the supervision, control, and data acquisition of manufacturing processes.
WinCC 7.0 hoạt động trên nền hệ điều hành Windows 2000, Windows XP, Windows Vista Các hệ điều hành đều có khả năng thực hiện đa nhiệm vụ, đảm bảo phản ứng nhanh với việc xử lý ngắt và độ an toàn chống mất dữ liệu bên trong ở mức độ cao WinCC đã và đang là chương trình HMI được sử dụng rộng rãi nhất tại Việt Nam
Hình 9.1 Tạo một dự án WinCC
Đặc trưng cơ bản
WinCC được ứng dụng rộng rãi trong tự động hóa quá trình điều khiển và giám sát sản xuất Hệ thống sử dụng WinCC có khả năng thu thập dữ liệu và mô phỏng các sự kiện trong quy trình thông qua sơ đồ và hình ảnh trực quan.
WinCC không chỉ linh hoạt trong việc xây dựng các hệ thống quy mô nhỏ và vừa, mà còn dễ dàng tích hợp với các ứng dụng lớn như hệ thống quản lý thực hiện sản xuất MES và hệ thống ERP.
Chức năng của WinCC
Khi sử dụng WinCC để thiết kế giao diện người- máy HMI và mạng SCADA, WinCC cung cấp các chức năng sau (Hình 9.2)
Hình 9.2 Cửa sổ làm việc WinCC Explorer
Graphics Designer: thực hiện dễ dàng các chức năng mô phỏng thông qua các đối tượng đồ họa của chương trình như Windows, OLE, I/O,… với nhiều thuộc tính động.
Alarm Logging là chức năng hiển thị thông báo và báo cáo trong quá trình vận hành hệ thống Nó nhận và lưu trữ thông báo từ các quá trình, đồng thời cho phép hồi đáp nhanh chóng Chức năng này được thiết kế để giúp người dùng dễ dàng xác định nguyên nhân gây ra lỗi.
Tag Logging cho phép thu thập dữ liệu quan trọng về tiêu chuẩn công nghệ từ các quy trình khác nhau, đồng thời lưu trữ và nén các giá trị đo dưới nhiều định dạng khác nhau.
Report Designer: có nhiệm vụ tạo các thông báo, báo cáo và các kết quả này được lưu trữ dưới dạng các trang nhật ký sự kiện.
User Archives cho phép người dùng lưu trữ dữ liệu từ ứng dụng và trao đổi với các thiết bị tự động hóa khác Điều này có nghĩa là các công thức và thông số trong chương trình WinCC có thể được soạn thảo, lưu trữ và sử dụng trong hệ thống một cách hiệu quả.
Text Library : chứa các văn bản tùy thuộc ngôn ngữ do người dùng tạo ra.
Global Scripts: sử dụng ngôn ngữ C-Script để tạo các hàm, các thao tác giúp cho việc xử lý các sự kiện một cách mềm dẻo và linh hoạt.
User Administrator: cho phép phân quyền các nhóm người sử dụng.
9.4 Một dự án mẫu của WinCC
Hình 9.3 Một giao diện HMI được tạo từ WinCC
Giao diện WinCC thiết kế cho đề tài – Bãi đỗ xe tự động
9.5.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống nhà giữ xe ô tô tự động (Hình 9.4)
Hình 9.4 Sơ đồ tổng quan hệ thống nhà giữ xe ô tô tự động
9.5.2 Giao diện đăng nhập điều khiển hệ thống (Hình 9.5)
Hình 9.5 Giao diện đăng nhập điều khiển hệ thống
9.5.3 Giao diện điều khiển hệ thống bán tự động (Hình 9.6)
Hình 9.6 Giao diện điều khiển hệ thống bán tự động
9.5.4 Giao diện điều khiển hệ thống tự động (Hinh 9.7)
Hình 9.7 Giao diện điều khiển hệ thống bán tự động
Giải thuật xác định vị trí có xe gần nhất để di chuyển tay máy về lấy xe (Hình )
Chương trình con điều khiển động cơ bước (Hình )
Hình 10.1 Giải thuật chương trình chính điều khiển nhà giữ xe ô tô tự động
THEO CHẾ ĐỘ TỰ ĐỘNG
NHẬP CHỌN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH
VẬN HÀNH HỆ THỐNG THEO CHẾ ĐỘ BÁN TỰ ĐỘNG
THOÁT CHẾ ĐỘ BÁN TỰ ĐỘNG
NHẬP THOÁT CHẾ ĐỘ TỰ ĐỘNG
NHẬP THOÁT CHẾ ĐỘ BÁN TỰ ĐỘNG
SAI ĐANG CHẠY CHẾ ĐỘ TỰ ĐỘNG ĐANG CHẠY CHẾ ĐỘ BÁN TỰ ĐỘNG ĐÚNG ĐÚNG
BẮT ĐẦUCHẾ ĐỘ BÁN TỰ ĐỘNG
NHẬP LỰA CHỌN LẤY/GỬI XE
NHẬP TRẠNG THÁI XE VÀO
CÓ XE VÀO ĐÃ CHỌN PHÒNG
NHẬP MÃ XE ĐỂKIỂM TRA
MÃ XE ĐÚNG KHÔNG CHỌN PHÒNG
TÍNH TOÁN LƯU TRỮ DỮ LIỆU,
CHUẨN BỊ QUY TRÌNH GỬI XE
THỰC HIỆN QUY TRÌNH GỬI/
BÁO KẾT THÚC QUY TRÌNH, NGHI NHẬN VỊ TRÍ TAY MÁY
TÍNH TOÁN LƯU TRỮ DỮ LIỆU, CHUẨN BỊ QUY TRÌNH LẤY XE
SAI ĐÚNG ĐÚNG ĐÚNG ĐÚNG ĐÚNG ĐÚNG
DI CHUYỂN TAY MÁY VỀ
DI CHUYỂN TAY MÁY VỀ
CẢM BIẾN PHÁT HIỆN CÓ XE
CÓ XE VÀO GỬI? ĐÃ TỚI VỊ TRÍ CÓ
NHẬP MÃ XE ĐỂ KIỂM TRA
TÍNH TOÁN LƯU TRỮ DỮ LIỆU,
CHUẨN BỊ QUY TRÌNH GỬI XE
NHẬP CHẠY QUY TRÌNH ĐÃ TÍNH TOÁN LƯU TRỮ XONG?
THỰC HIỆN QUY TRÌNH GỬI/
BÁO KẾT THÚC QUY TRÌNH, NGHI NHẬN VỊ TRÍ TAY MÁY
TÍNH TOÁN LƯU TRỮ DỮ LIỆU, CHUẨN BỊ QUY TRÌNH LẤY XE
SAI ĐÚNG ĐÚNG ĐÚNG ĐÚNG ĐÚNG ĐÚNG
Hình 10.4 Giải thuật xác định vị trí có xe gần nhất để di chuyển tay máy về lấy xe
CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI XÁC ĐỊNH XE Ở CÁC VỊ TRÍ XE VÀO
XÁC ĐỊNH CHIỀU QUAY ĐỂ TỚI VỊ TRÍ ĐƯỢC CHỌN NHANH NHẤT ĐÚNG
GÁN CÁC HIỆU SỐ GIỮA ĐỊA CHỈ
PHÒNG HIỆN TẠI CỦA TAY MÁY
VỚI CÁC ĐỊA CHỈ PHÒNG CỦA VỊ
TRÍ KHÔNG CÓ XE VÀO 0
TÍNH CÁC HIỆU SỐ GIỮA ĐỊA CHỈ
PHÒNG HIỆN TẠI CỦA TAY MÁY
VỚI CÁC ĐỊA CHỈ PHÒNG CỦA VỊ
SO SÁNH TÌM RA HIỆU SỐ NHỎ NHẤT, RỒI GÁN ĐỊA CHỈ VỊ TRÍ PHÒNG MÀ TAY MÁY SẺ TỚI ỨNG VỚI VỊ TRÍ CÓ HIỆU SỐ NHỎ NHẤT
GÁN ĐỊA CHỈ LẦU TỚI LÀ 0
TÍNH CÁC HIỆU SỐ GIỮA ĐỊA CHỈ PHÒNG HIỆN TẠI CỦA TAY MÁY VỚI CÁC ĐỊA CHỈ PHÒNG CỦA VỊ TRÍ KHÔNG CÓ XE VÀO
Với F là ký hiệu của tầng; Fđích : là tầng cần điều khiển đi đến; Fhiện tại : là tầng hiện tại đang đứng
Với R là ký hiệu của khoang; Rđích : là khoang cần đi đến; Rhiện tại : là khoang hiện tại đang đứng
CW : là ký hiệu của sự quay cùng chiều kim đồng hồ
NW : là ký hiệu của sự quay ngược chiều kim đồng hồ.
Hình 10.5 Chương trình con chọn đường đi ngắn nhất cho khoang
Chiều quay động cơ nâng hạ: nghịch Khoàng cách tầng: |F|
Chiều quay động cơ nâng hạ: thuận Khoàng cách tầng: |F| Đ Đ
Chiều quay động cơ xoay phòng: thuận
Chiều quay động cơ xoay phòng: nghịch
Chiều quay động cơ xoay phòng: nghịch
Chiều quay động cơ xoay phòng: thuận Khoàng cáchphòng: R
TĂNG SỐ VÒNG QUAY DEYLAY 200MS
KẾT THÚC CHƯƠNG TRÌNH CON
Hình 10.6 Chương trình con điều khiển động cơ bước
Thiết kế mạch lái động cơ bước (Hình )
Hình 11.1 Mạch lái điều khiển 3 động cơ bước
Thiết kế cánh tay máy lấy xe (Hình )
Hình 11.2 Mạch lái điều khiển 3 động cơ bước
Mô hình nhà giữ xe ô tô tự động (Hình )
Hình 11.3 Mô hình nhà giữ xe ô tô tự động
Kết quả đạt được
Nhận dạng được bảng số xe ô tô ở Việt Nam.
Liên kết được Matlab và WinCC thông qua giao thức OPC.
Thiết kế và thi công mạch lái điều khiển động cơ bước.
Lập trình điều khiển nhà giữ xe ô tô tự động bằng PLC S7 – 300.
Thiết kế giao diện SCADA WinCC để điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống nhà giữ xe ô tô tự động.
Thiết kế và thi công mô hình nhà giữ xe ô tô tự động nhiều ngõ vào.
Xuất Excel thống kê báo cáo thu chi của hệ thống nhà giữ xe ô tô tự động.
Hạn chế của đề tài
Do kiến thức chuyên môn còn hạn chế và thời gian thực hiện đề tài gấp rút, bài viết này không tránh khỏi những thiếu sót và vẫn còn nhiều khía cạnh cần được cải thiện.
Hệ thống nhà giữ xe trong đề tài chỉ có một cổng trả xe, dẫn đến tình trạng chờ đợi khi có nhiều xe cần trả cùng lúc.
Chưa tính toán được cơ cấu chi tiết của hệ thống nhà giữ xe ô tô thực tế.
Thiếu thiết bị camera chuyên dụng có độ phân giải cao dùng để chụp ảnh đầu vào nhận dạng biển số xe.
12.3 Hướng phát triển đề tài Để hệ thống có thể ứng dụng tốt trong thực tiễn ta cần phải phát triển thêm một số đặc điểm sau:
Xây dựng hệ thống có nhiều cửa trả xe khi trường hợp thực hiện nhiều thao tác trả xe ngay cùng một thời điểm.
Thay thế mã lấy xe bằng hệ thống in thẻ từ giúp mã hóa thông tin xe, nâng cao tính bảo mật cho hệ thống Đồng thời, việc tích hợp thanh toán phí gửi xe hoàn toàn tự động là cần thiết, cụ thể là áp dụng công nghệ RFID (Nhận dạng tần số Radio) để triển khai.
Tính toán thông số kỹ thuật và chọn thiết bị cho một hệ thống nhà giữ xe. ô tô tự động trong thực tế.