51 Trang 16 xiv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt PLC Programmable Logic Controller Thiết bị cho phép lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic S
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Theo Hiệp hội Các nhà sản xuất ô tô Việt Nam (VAMA), doanh số bán ô tô năm 2022 đạt 404.635 xe, tăng 33% so với năm 2021 Mức tăng chủ yếu đến từ phân khúc xe du lịch với tỷ lệ tăng 48%, trong khi xe thương mại và xe chuyên dụng giảm lần lượt 1,5% và 14%.
Năm 2022, doanh số bán ô tô tại Việt Nam đạt 509.141 xe, tăng 19,4% so với năm 2021, tương đương với 98.751 xe Số liệu này bao gồm doanh số của VinFast và TC Motor, nhưng chưa tính đến các thương hiệu ô tô nhập khẩu như Mercedes-Benz, Audi, Jaguar Land Rover, Volvo, Nissan và MG.
Bảng 1 1 Bảng thống kê 10 thương hiệu ô tô bán chạy nhất Việt Nam năm 2022
10 THƯƠNG HIỆU Ô TÔ BÁN NHIỀU XE NHẤT VIỆT NAM 2022
Mẫu xe bán chạy nhất năm 2022
1 Toyota 9.624 xe 91.115 xe Tăng 23.582 xe
2 Hyundai 9.454 xe 81.582 xe Tăng 11.064 xe
3 Kia 2.945 xe 60.729 xe Tăng 15.197 xe
4 Mitsubishi 3.056 xe 39.861 xe Tăng 12.618 xe
5 Mazda 2.500 xe 36.025 xe Tăng 27.286 xe
6 Honda 2.322 xe 30.645 xe Tăng 8.947 xe
7 Ford 4.811 xe 28.847 xe Tăng 5.139 xe
Truck 964 xe 21.107 xe Giảm 1.734 xe
10 Suzuki 1.615 xe 16.209 xe Tăng 2.469 xe
Nhu cầu mua ô tô tại Việt Nam vẫn rất lớn do sự phát triển xã hội và nhu cầu đi lại, kinh doanh tăng cao Tuy nhiên, sự phát triển này dẫn đến vấn đề quá tải trong việc đáp ứng nhu cầu gửi xe, khi nhiều phương tiện phải đỗ trên vỉa hè và lòng đường, gây cản trở giao thông và tắc đường, đặc biệt vào giờ cao điểm Tình trạng này cũng ảnh hưởng đến mỹ quan đô thị và an toàn cho người dân Do đó, việc xây dựng các bãi giữ xe tự động là cần thiết, giúp đáp ứng nhu cầu lớn của người dân, đồng thời mang lại vẻ đẹp kiến trúc và làm phong phú thêm cảnh quan đô thị.
Mục tiêu
Viết chương trình đỗ xe tự động cho một hệ thống nhà xe thông minh hoạt động thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Hệ thống tự động tìm vị trí thích hợp để gửi xe
- Xe ra vào được lưu trữ thông tin đầy đủ.
Nội dung đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Chương 4: Thi công hệ thống
Chương 5: Kết quả thực hiện
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Hiện nay, tình hình sử dụng xe ô tô tại Việt Nam đang gia tăng mạnh mẽ, với số liệu cho thấy lượng xe ô tô lưu thông ngày càng nhiều Lý do chọn đề tài này là để phân tích thực trạng và những tác động của sự gia tăng này đến giao thông và môi trường Mục tiêu của nghiên cứu là cung cấp cái nhìn sâu sắc về xu hướng sử dụng xe ô tô, từ đó đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện tình hình giao thông và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Bài viết phân tích ưu nhược điểm của các bãi giữ xe hiện có trên thị trường, từ đó giúp người đọc hiểu rõ hơn về tình hình và hiệu quả của các dịch vụ này Đồng thời, bài viết cũng trình bày một số lý thuyết liên quan, cung cấp cơ sở lý luận vững chắc để thực hiện đề tài một cách hiệu quả Việc nắm bắt những thông tin này không chỉ hỗ trợ cho các nhà đầu tư mà còn giúp người tiêu dùng lựa chọn bãi giữ xe phù hợp với nhu cầu của mình.
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Bài viết này sẽ trình bày các sơ đồ khối và bản thiết kế mô hình cùng với nguyên lý hoạt động của hệ thống Đồng thời, chúng tôi cũng sẽ giới thiệu các thiết bị được sử dụng trong đề tài, nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan và chi tiết về cấu trúc cũng như chức năng của hệ thống.
Chương 4: Thi công hệ thống
Trình bày quá trình thực hiện mô hình phần cứng và cấu hình phần mềm phù hợp với yêu cầu đề tài
Chương 5: Kết quả thực hiện
Trình bày những kết quả đạt được từ thực nghiệm Phân tích, đánh giá và so sánh với mục tiêu ban đầu đặt ra
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Trình bày kết luận sau khi thực hiện đề tài và hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
Giới hạn
Nhóm nghiên cứu đã phát triển quy trình đỗ xe tự động cho hệ thống nhà xe thông minh và áp dụng quy trình này vào mô hình thực nghiệm Do tính chất của mô hình, nhóm chỉ thực hiện thí nghiệm trên hệ thống đỗ xe với 4 vị trí.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các bãi đỗ xe hiện nay
Bãi đỗ xe đóng vai trò quan trọng trong hệ thống giao thông, phục vụ cho việc lưu giữ các phương tiện như xe máy, ô tô, xe tải và xe khách Hiện nay, có nhiều mô hình bãi đỗ xe khác nhau, vì vậy tiêu chuẩn kích thước của bãi đỗ ô tô sẽ phụ thuộc vào từng loại bãi và diện tích không gian cụ thể.
2.1.1 Bãi đỗ xe truyền thống
Sự phát triển của khoa học công nghệ đã dẫn đến sự ra đời của các bãi đỗ xe tự động, trong khi trước đó, bãi đỗ xe truyền thống là lựa chọn duy nhất cho con người.
Hệ thống đỗ xe ô tô truyền thống phổ biến trong các gia đình, văn phòng và trung tâm giải trí, giúp tăng cường tổ chức và giảm lưu lượng giao thông nhờ vào không gian đỗ xe riêng biệt Ưu điểm lớn nhất của chúng là tiêu tốn ít năng lượng, với yêu cầu duy nhất là chiếu sáng, và đặc biệt, chúng rất đáng tin cậy vì không bị ảnh hưởng bởi sự cố mất điện.
Thiết kế đơn giản và chi phí đầu tư thấp, cùng với chi phí vận hành tối ưu, là những ưu điểm nổi bật Chiến lược bảo vệ xe hơi có thể được triển khai hiệu quả thông qua việc phân chia nhiều lô cho các cá nhân cụ thể quản lý.
Không gian hạn chế nên người lái xe phải tìm chỗ trống trước khi đỗ xe Không có tính tự động cao
Sức chứa của bãi đỗ xe truyền thống thấp hơn so với các bãi giữ xe nhiều tầng có cùng diện tích Trong bối cảnh đất đô thị ngày càng khan hiếm và số lượng ô tô gia tăng, cần thiết phải tìm kiếm một giải pháp bền vững và hiệu quả hơn.
Hình 2 1 Bãi giữ xe kiểu truyền thống
2.1.2 Bãi đỗ xe tự động
Bãi đỗ xe đã xuất hiện từ khi ô tô ra đời và trải qua nhiều biến đổi Ban đầu, chỉ có bãi đậu xe truyền thống, nhưng với sự phát triển công nghệ, bãi đỗ xe tự động đã được ra mắt, mang lại nhiều tiện ích cho người sử dụng.
Hệ thống bãi đỗ xe tự động tiết kiệm diện tích và loại bỏ sự can thiệp của người lái trong quá trình đỗ xe Hệ thống này có thể hoạt động hoàn toàn tự động hoặc theo chế độ bán tự động.
Chiếc xe cần được lái đến điểm nhập cảnh, nơi người lái và hành khách sẽ rời khỏi xe Sau đó, xe sẽ được di chuyển tự động hoặc bán tự động đến vị trí đỗ đã được phân bổ Hệ thống bãi đỗ xe tự động giúp tối đa hóa không gian hạn chế, mang lại lợi ích đặc biệt trong các khu vực có diện tích hạn chế.
Hệ thống đỗ xe tự động hiện nay thường được chế tạo từ kim loại có khả năng chịu lực và căng thẳng cao Để vận hành hiệu quả, các bãi đỗ xe tự động cần một nguồn điện ổn định và đáng tin cậy Mặc dù cần đầu tư một khoản vốn ban đầu lớn, nhưng về lâu dài, hệ thống này sẽ mang lại hiệu quả chi phí vượt trội.
Khi nhu cầu chỗ đỗ xe gia tăng và bãi đỗ truyền thống không đáp ứng đủ, bãi đỗ xe tự động ngày càng trở nên phổ biến Trong tương lai gần, các mô hình bãi đỗ xe tự động cao tầng và ngầm sẽ xuất hiện nhiều hơn tại các khu vực công cộng và công trình xây dựng như nhà ở, khách sạn Các loại bãi đỗ xe tự động như bãi đỗ xếp hình, bãi đỗ cao tầng dạng tháp và bãi đỗ pallet đang được ưa chuộng.
Hệ thống bãi đỗ xe tự động xếp hình
Bãi đỗ xe xếp hình (Puzzle parking), hay còn gọi là bãi đỗ xe cao tầng, là một mô hình đỗ xe thông minh ngày càng phổ biến tại các đô thị lớn trên thế giới Mô hình này có sự đa dạng về kích thước và chủng loại, phù hợp với nhiều loại địa hình như mặt đất và tầng hầm Những ưu điểm nổi bật của bãi đỗ xe tự động này bao gồm khả năng tiết kiệm không gian và tối ưu hóa quy trình đỗ xe.
- Dễ dàng cất / lấy xe, xe có thể vào ra tại bất kỳ vị trí nào giống như bãi đỗ xe thông thường
- Thao tác đơn giản, các sàn pallet chuyển động tự động để sàn pallet chứa xe cần lấy xuống vị trí tầng vào ra
Thiết kế linh hoạt với đa dạng số tầng và số dãy để xe, phù hợp cho nhiều vị trí lắp đặt, bao gồm cả dưới tầng hầm và lắp nổi, cũng như thích ứng với nhiều diện tích khác nhau.
- Hệ thống đỗ xe tự động xếp hình được trang bị hệ thống chống rơi, dừng khẩn cấp nên rất an toàn cho người và phương tiện
- Dễ dàng lắp đặt và tháo dỡ (khi cần chuyển sang vị trí khác)
- Nguyên lý vận hành đơn giản, dễ dàng bảo trì, bảo dưỡng
- Thời gian lấy xe/gửi xe có thể lâu hơn so với để xe tại các bãi đỗ xe thông thường
- Hệ thống vận hành theo kiểu bán tự động nên lái xe vẫn phải tự lái xe vào đúng vị trí pallet đỗ xe
- Một số chi phí bảo trì có thể phát sinh thêm sau khi hết thời gian bảo hành
Hệ thống bãi đỗ xe quay vòng đứng
Hình 2 3 Bãi đỗ xe quay vòng đứng
Hệ thống đỗ xe quay vòng đứng là giải pháp đỗ xe cơ khí tối ưu, giúp tiết kiệm không gian một cách hiệu quả Đây là lựa chọn tiết kiệm chi phí nhất, chỉ yêu cầu diện tích nhỏ để hoạt động.
36 m2 và cung cấp chỗ đậu cho tối đa 16 xe, trong diện tích chỉ bằng hai chỗ đậu xe truyền thống Ưu điểm:
Hệ thống được thiết kế gọn gàng, phù hợp cho những khu vực có diện tích đất sử dụng hạn chế, nhưng vẫn cần đảm bảo diện tích tối thiểu để lắp đặt bãi đỗ xe kiểu này.
- Kích thước thiết bị nhỏ gọn phù hợp với khu vực đô thị phát triển có mật độ dân cư cao
Thời gian lắp đặt nhanh cho hệ thống này chỉ từ 10-15 ngày, trong khi đó, đối với các hệ thống khác, việc lắp đặt khoảng 10-14 xe cần tối thiểu 20 ngày với cùng một lượng lao động.
- Việc di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác rất linh hoạt, thao tác tháo lắp đơn giản
- Cơ cấu xoay vòng 2 chiều giúp việc lấy xe trở nên nhanh chóng và thuận tiện, chỉ mất từ 2-3 phút
- Chi phí bảo hành bảo dưỡng thấp
Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của bãi đỗ xe cao tầng dạng tháp
Hệ thống đỗ xe tự động dạng tháp là giải pháp hiện đại được thiết kế với nhiều tầng, thường từ 20-35 tầng, có khả năng chứa đến 70 xe, tùy thuộc vào cấu trúc của tháp Hệ thống này thường được xây dựng bên cạnh các khu chung cư lớn, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng và góp phần giải quyết vấn đề đỗ xe trong các khu đô thị đông dân.
Dựa trên tình hình thực tế, có thể thiết kế bãi đỗ xe thông minh dạng tháp, có thể xây dựng riêng biệt bên ngoài hoặc tích hợp ngay trong tòa nhà cao tầng Tuy nhiên, việc lắp đặt bãi đỗ xe độc lập bên ngoài thường đòi hỏi chi phí xây dựng cao hơn do cần xây dựng móng kiên cố và chắc chắn.
Hệ thống bãi đậu xe tháp bao gồm nhiều hàng ô tô xếp chồng lên nhau, với thang máy chuyên dụng ở giữa Thang máy này có sàn nâng bằng khung thép thẳng đứng và cơ cấu quay, giúp di chuyển xe lên xuống Khi lấy xe ra hoặc đưa vào, cơ cấu đặc biệt kéo Pallet nằm ngang để khớp với khung nâng của thang máy, đảm bảo quá trình hoạt động hiệu quả và an toàn.
Hình 2 5 Mô hình bãi đỗ xe cao tầng dạng tháp
Hệ thống đỗ xe cao tầng kiểu tháp cột đứng hoạt động hoàn toàn tự động nhờ vào kỹ thuật thang máy, cho phép nhận và đưa xe vào vị trí Sau khi tài xế lái xe vào tháp, họ chỉ cần đóng cửa và ra ngoài, trong khi mâm xoay tự động sẽ quay xe vào hướng xác định.
Hệ thống thang máy sẽ đưa xe lên vị trí tầng được cài đặt sẵn, sau đó cánh tay cơ giới thông minh sẽ đưa xe đến vị trí để xe, hoàn thành thao tác nhập xe một cách nhanh chóng và chính xác Với công nghệ hiện đại, cánh tay thông minh cơ giới hóa giúp cho việc lấy xe trở nên dễ dàng và an toàn hơn Đặc biệt, kiểu bãi đỗ xe này rất phù hợp với những nơi có mật độ xe dừng đỗ cao nhưng diện tích mặt bằng hạn chế, chẳng hạn như các khu văn phòng, chung cư cao cấp, trung tâm thương mại và cơ quan nhà nước.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Thiết kế mô hình phần cứng
Dựa trên những yêu cầu về quy trình vận hành của hệ thống, nhóm tiến hành thiết kế mô hình phần cứng như bên dưới
3.2.1 Thiết kế phần cơ khí
Hệ thống gửi xe ô tô cao tầng dạng tháp đáp ứng tối ưu các tiêu chí về số lượng chỗ gửi xe trong một diện tích hạn chế, đồng thời mang lại hình ảnh hiện đại và tăng tính mỹ quan cho thành phố Thời gian lấy và cất xe nhanh chóng, tính tự động cao và chất lượng gửi xe được đảm bảo, khiến giải pháp này trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc giữ xe ô tô.
Hình 3 1 Bản vẽ mô hình hệ thống gửi xe tự động dạng tháp
Hình 3 2 Bản vẽ mô hình hệ thống gửi xe tự động dạng tháp
Hệ thống cất xe được thiết kế với hai tầng đối xứng, trong khi cơ cấu nâng nằm ở giữa hai tầng Cấu trúc này yêu cầu một cơ cấu truyền động hiệu quả để đảm bảo hoạt động ổn định cho toàn bộ hệ thống.
- Một chuyển động theo phương ngang (Y)
- Một chuyển động lên xuống theo chiều cao (X)
Cơ cấu nâng xe đều là chuyển động tịnh tiến và có rất nhiều cơ cấu truyền động tạo ra chuyển động tịnh tiến như:
Hình 3 3 Truyền động đai Ưu điểm:
- Có thể truyền động giữa các trục xa nhau
- Hiệu suất truyền động tốt
- Hoạt động êm, giá thành rẻ, chi phí bảo dưỡng thấp
- Kết cấu vận hành đơn giản
- Không cần phải bôi trơn
- Khi vận hành nhiều thì dây đai có thể bị kéo dãn
- Có thể xuất hiện hiện tượng trượt đàn hồi giữa dây đai và pulley hoặc ròng rọc dẫn đến tỉ số truyền bị thay đổi
- Nhiệt độ ứng dụng bị giới hạn
Cơ cấu vitme – đai ốc trượt
Cơ cấu vitme đai ốc là một bộ truyền động quan trọng, bao gồm rãnh xoắn ốc cho các viên bi trong ổ bi, giúp chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Khi trục vitme đai ốc quay, các viên bi sẽ thay đổi hướng và di chuyển vào ống hồi bi Bộ truyền động này mang lại nhiều ưu điểm nổi bật trong các ứng dụng cơ khí.
- Độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn
- Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn
- Thiết kế nhỏ gọn, gia công đơn giản
Hình 3 4 Vitme – đai ốc trượt
Ray trượt vuông (Linear Guideways)
Sự luân chuyển tuần hoàn của các viên bi thép giữa thanh ray hình chữ nhật và hộp trượt tạo ra chuyển động tuyến tính Thanh trượt thường được gắn chặt trên bề mặt máy, trong khi con trượt được lắp vào chi tiết cần di chuyển.
Hình 3 5 Hình Ray trượt vuông Ưu điểm:
- Chuyển động thẳng mượt, ma sát thấp
- Chi phí mua sản phẩm đắt
Ray trượt tròn bao gồm ba thành phần chính: ray trượt, con trượt và gối đỡ Ray trượt được cố định tại một vị trí nhất định, cho phép thiết bị di chuyển hiệu quả Con trượt đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ chuyển động của các bộ phận thiết bị.
Hình 3 6 Ray trượt tròn Ưu điểm:
- Cấu trúc đơn giản, dễ lắp đặt
- Hiệu quả truyền động cao
- Chi phí tương đối cao
Nhóm quyết định chọn cơ cấu truyền động đai qua pulley và dây curoa kết hợp với vít me đai ốc trượt cho hệ thống Lựa chọn này được đưa ra vì tính đơn giản, dễ lắp đặt và chi phí thấp, đồng thời phù hợp với khả năng của nhóm và yêu cầu của hệ thống.
Khi lựa chọn giải pháp cho động cơ, động cơ bước và động cơ servo là hai loại phổ biến được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao Nhóm nghiên cứu đã tiến hành so sánh các thông số của cả hai loại động cơ để xác định loại động cơ phù hợp nhất cho hệ thống.
Bảng 3.2 1 So sánh động cơ bước và động cơ servo Động cơ bước Động cơ servo
Bộ điều khiển (Driver) Đơn giản Phức tạp
Chế độ điều khiển Vị trí Tốc độ, vị trí, momen
Kích thước Kishc thước nhỏ Kích thước lớn
Phương pháp điều khiển Điều khiển vòng kín Điều khiển vòng hở
Giá thành Rẻ Đắt Độ bền Đơn giản, nhỏ gọn, ít bảo dưỡng
Thiết bị phức tạp, phải bảo dưỡng định kỳ Độ bền Đơn giản, nhỏ gọn, ít bảo dưỡng
Thiết bị phức tạp, phải bảo dưỡng định kỳ Độ phân giải Thấp (từ 0.36-15°) Rất cao, lên đến 13bit (phụ thuộc vào encoder)
Hệ thống truyền động trong bãi đỗ xe tự động được thiết kế với phương pháp dây đai và vít me, cho phép di chuyển chính xác đến từng vị trí Mặc dù động cơ Servo là lựa chọn hàng đầu cho cơ cấu nâng, nhưng chi phí cao của nó không phù hợp với quy mô đồ án tốt nghiệp Do đó, nhóm quyết định sử dụng động cơ bước đơn giản để giảm chi phí và dễ dàng trong việc điều khiển.
3.2.2 Thiết kế phần điện Để đáp ứng những tiêu chí mà quy trình vận hành của hệ thống đề ra, nhóm tạo ra sơ đồ khối của hệ thống như bên dưới
Hình 3 7 Sơ đồ khối của hệ thống
Công đoạn xe vào bắt đầu khi máy đọc thẻ chỉ nhận diện thẻ hợp lệ đã được thêm vào hệ thống, từ đó chương trình sẽ xử lý và cho phép đóng/mở barrier Để đảm bảo nhận diện chính xác, camera được lắp đặt ở khoang nâng nhằm ghi lại hình ảnh biển số xe một cách rõ ràng, không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố xung quanh.
Cơ cấu nâng gửi xe được lắp đặt với các cơ cấu truyền động kết nối với động cơ, đảm bảo động cơ xoay đồng bộ với hệ thống truyền động Vị trí của cơ cấu nâng gửi được đặt ở giữa hệ thống để thuận tiện cho việc lấy xe và giảm thiểu quảng đường di chuyển.
Trong công đoạn xe ra, bàn xoay được lắp đặt dưới cơ cấu di chuyển pallet, đảm bảo không va chạm với các chi tiết xung quanh như cơ cấu truyền động Cảm biến nhận biết xe ra cũng cần được lắp đặt hợp lý để phát hiện xe một cách hiệu quả.
Thiết bị được sử dụng trong đề tài
Sau khi có được sơ đồ khối như trên thì nhóm lựa chọn những thiết bị phù hợp với đề tài
3.3.1 Bộ điều khiển trung tâm Để điều khiển 1 hệ thống ta có thể dùng các bộ điều khiển như là Adruino, vi điều khiển,… Các bộ điều khiển này có đặc tính như là dễ điều khiển, có tính phổ biến cao và giá thành hợp lý Nhưng các bộ điều khiển này chỉ phù hợp với các quá trình sản xuất nhỏ
Trong các quy trình sản xuất quy mô lớn, vi điều khiển không còn đáp ứng được yêu cầu về độ tin cậy và độ bền, do đó PLC trở thành thiết bị phổ biến hơn Nhiều hãng sản xuất PLC nổi tiếng như ABB, Siemens, Omron, Mitsubishi, và Delta Đối với đề tài này, nhóm đã lựa chọn PLC S7-1200 1214 DC/DC/DC của Siemens vì tính phổ biến tại Việt Nam, giá thành hợp lý và hỗ trợ lập trình tốt.
Dưới đây là hình ảnh và thông số của PLC S7-1200 1214 DC/DC/DC
Hình 3 8 PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC Thông số kĩ thuật:
Bảng 3.3 1Thông số kĩ thuật PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC
I/O tích hợp cục bộ Kiểu số Kiểu tương tự
Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Bộ nhớ bit (M) 8192 byte Độ mở rộng các module tín hiệu 8
Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)
PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)
3.3.2 Vi điều khiển Adruino Uno Để đọc dữ liệu từ module RFID MFRC522 NFC 13.56MHz thì nhóm em sử dụng Arduino Uno R3 Vì chuẩn truyền của module này là SPI nên Arduino có thể đáp ứng được Ngoài ra đây là loại Arduino phổ biến nhất trên thị trường và có chi phí rẻ
Hình 3 9 Vi điều khiển Adruino Uno Thông số kỹ thuật:
- Vi điều khiển: ATmega328 họ 8bit
- Tần số hoạt động: 16 MHz
- Dòng tiêu thụ khoảng: 30mA
- Điện áp vào khuyên dùng: 7-12V DC
- Điện áp vào giới hạn: 6-20V DC
- Số chân Digital I/O: 14 (6 chân hardware PWM)
- Số chân Analog: 6 (độ phân giải 10bit)
- Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA
- Dòng ra tối đa (5V): 500 mA
- Dòng ra tối đa (3.3V): 50 mA
- Bộ nhớ flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Chân giao tiếp SPI bao gồm 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK) Bên cạnh các chức năng thông thường, bốn chân này còn có khả năng truyền phát dữ liệu thông qua giao thức SPI với các thiết bị khác.
3.3.3 Phần mềm điều khiển và giám sát Để vận hành và thao tác với máy dễ dàng đồng thời có thêm nhiều thông tin về quá trình hoạt động và yêu cầu về hiển thị linh hoạt hơn ta có thể sử dụng phần mềm WinCC
WinCC (Windows Control Center) là phần mềm của Siemens dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong sản xuất Chương trình này thiết kế giao diện Người và Máy (HMI) trong hệ thống Scada (Supervisory Control and Data Acquisition), với chức năng chính là thu thập số liệu và điều khiển quá trình sản xuất WinCC cho phép người dùng trao đổi dữ liệu với PLC của nhiều hãng như Siemens, Mitsubishi, Allen-Bradley, và Omron thông qua cổng COM chuẩn RS232 và RS485.
Hình 3 10 Giao diện WINCC của Siemen
WinCC cung cấp những khả năng sau:
Quá trình được quan sát và hiển thị đồ hoạ trên màn hình, với các cập nhật liên tục mỗi khi trạng thái trong quá trình thay đổi.
- Cho phép vận hành quy trình Ví dụ, bạn có thể chỉ ra một điểm đặt từ giao diện người dùng hoặc bạn có thể mở một van
Giám sát quá trình cho phép nhận diện kịp thời các trạng thái nghiêm trọng Khi có sự cố xảy ra, một cảnh báo tự động sẽ được kích hoạt, thông báo ngay trên màn hình nếu giá trị đã được định nghĩa trước bị vượt quá.
WinCC cho phép lưu trữ quá trình, giúp người dùng in ra hoặc lưu trữ các giá trị quá trình theo kiểu điện tử Tính năng này tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu thập thông tin quy trình và truy cập vào dữ liệu lịch sử một cách dễ dàng.
Module Ethernet W5500 sử dụng chip W5500 với hai giao thức TCP/IP, giúp kết nối internet cho các hệ thống nhúng qua giao tiếp SPI dễ dàng hơn Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu áp dụng module Ethernet W5500 để thiết lập giao tiếp giữa Arduino Uno và PLC S7-1200 DC/DC/DC.
Hình 3 11 Module Ethernet W5500 Thông số kỹ thuật:
- Điện áp cấp nguồn: 5V hoặc 3.3 VDC
- Mức tín hiệu giao tiếp: SPI TTL
3.3.5 Switch TP-Link TL-SF1005D 5-Port
Hình 3 12 Switch TP-Link TL-SF1005D 5-Port Thông số kỹ thuật:
- 5 cổng chia tín hiệu Desktop 10/100 Mbps
- Điện năng tiêu thụ: Tối đa: 1.87W (220V/50Hz)
3.3.6 Mạch RFID NFC 13.56MHz RC522
Mạch RFID NFC 13.56MHz RC522 sử dụng IC MFRC522 để đọc và ghi dữ liệu cho thẻ RFID/NFC tần số 13.56MHz Với thiết kế nhỏ gọn, mạch này rất phổ biến trong các ứng dụng với Arduino và các loại vi điều khiển khác, phục vụ cho việc ghi và đọc thẻ RFID/NFC.
Hình 3 13 Mạch RFID NFC 13.56MHz RC522 Thông số kỹ thuật:
- Tần số hoạt động: 13.56Mhz
- Khoảng cách hoạt động: 0~60mm（mifare1 card)
- Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10Mbit/s
- Các loại card RFID hỗ trợ: mifare1 S50, mifare1 S70, mifare UltraLight, mifare Pro, mifare Desfire
3.3.7 Mạch điều khiển động cơ bước TB6600
Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước TB6600 là giải pháp lý tưởng để điều khiển động cơ bước hai pha một cách chuyên nghiệp và dễ dàng Thiết bị này tương thích với Arduino và các bộ vi điều khiển khác có khả năng xuất tín hiệu xung kỹ thuật số 5V Trong dự án này, nhóm em đã sử dụng 2 Driver TB6600 để điều khiển 2 động cơ bước NEMA 17 với kích thước 42 x 48mm và 42 x 40mm.
Hình 3 14 Mạch điều khiển động cơ bước TB6600 Thông số kỹ thuật:
- Dòng cấp tối đa là 4A
- Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao
- Có tích hợp đo quá dòng quá áp
Nối dây cho driver TB6600:
- DC+: Nối với nguồn điện từ 9 – 12VDC
- DC-: Nối với điện áp âm của nguồn
- A+ và A-: Nối vào cặp cuộn dây của động cơ bước
- B+ và B-: Nối vào cặp cuộn dây còn lại của động cơ bước
PUL+: Tín hiệu điều khiển tốc độ cho TB6600 được cung cấp ở mức +5V Khi sử dụng tín hiệu +5V, kết nối trực tiếp là đủ Tuy nhiên, nếu tín hiệu cấp xung là +24V từ PLC, cần mắc nối tiếp với điện trở 2k Ohm trước khi kết nối vào chân điều khiển.
- PUL-: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (-) cho TB6600
- DIR+: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (+5V) cho TB6600 Mắc dây tương tự như chân PUL+ nếu tín hiệu điều khiển là +24V
- DIR-: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (-) cho TB6600
- ENA+ và ENA-: Tín hiệu cho phép
3.3.8 Step motor NEMA 17 size 42 x 48mm và size 42 x 40mm
Cơ cấu truyền động lên xuống theo trục X sử dụng Step motor NEMA 17 size
42 x 48mm có các thông số:
Kích thước mặt bích 48x42 mm
Đường kính trục 5mm, đầu trục được vát phẳng giúp puli khớp nối đỡ bị lỏng trong quá trình hoạt động
Hình 3 15 Step motor NEMA 17 size 42 x 48mm
Cơ cấu truyền động lên xuống theo trục Y sử dụng Step motor NEMA 17 size
Hình 3 16 Step motor NEMA 17 size 42 x 40mm Thông số kỹ thuật:
- Kích thước mặt bích: 42×42 mm
- Đường kính trục 5mm Đầu trục vát phẳng, giúp puli/khớp nối không đỡ bị lỏng khi hoạt động
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại webcam với giá cả và chất lượng đa dạng Để chọn một webcam tầm trung có giá hợp lý, độ phân giải cao và chất lượng tốt, nhóm em đã lựa chọn webcam Logitech C270 720p Webcam này thích hợp để chụp ảnh biển số xe và gửi hình ảnh qua máy tính thông qua cổng USB.
Hình 3 17 Webcam Logitech c270 Thông số kỹ thuật:
- Tự đô ̣ng chỉnh sáng thông minh
- Công nghệ Fluid Crystal cho hình ảnh mượt hơn
- Dây dài 1.5m, kết nối qua USB
Bộ nguồn tổ ong 24V 5A được dùng để cấp nguồn cho PLC S7-1200 DC/DC/DC và 2 drvier TB6600 và các thiết bị khác
Hình 3 18 Bộ Nguồn tổ ong 24V 5A Thông số kỹ thuật:
- Đầu vào: 110VAC -220VAC (chỉnh bằng công tắc gạt)
Hình 3 19 MCB Chint NXB-63 2P 6A 6KA Thông số kỹ thuật:
- Dòng cắt ngắn mạch : 6KA
3.3.12 Xi lanh quay khí nén AIRTAC HRQ10
Xi lanh quay khí nén được nhóm em sử dụng để xoay bàn xoay từ vị trí xe vào đến vị trí xe ra một góc 90° Điều này giúp thuận tiện cho việc lấy xe ra của khách hàng.
Hình 3 20 Xi lanh quay khí nén AIRTAC HRQ10 Thông số kỹ thuật:
3.3.13 Van điện từ 5/2 1 đầu coil
Van điện từ 5/2 được sử dụng để cấp khí nén và đóng mở cho xi lanh quay AIRTAC HRQ10 theo lập trình
Hình 3 21 Van điện từ 5/2 1 đầu coil 24V Thông số kỹ thuật:
- Kích thước cổng xả: 1/2” (ren 21)
- Áp suất hoạt động: 0.15 – 0.8 MPa
- Loại van hơi 5 cửa 2 vị trí (1 đầu điện)
Hình 3 22 Động cơ Servo SG90
- Điện áp hoạt động: 4.8-5VDC
3.3.15 Cảm biến tiệm cận LJ12A3-4-Z/BX NPN NO-A1H11
Cảm biến tiệm cận được sử dụng để tìm vị trí set home (vị trí 0) của trục ngang
Y cơ cấu nâng gửi xe
Hình 3 23 Cảm biến tiệm cận LJ12A3-4-Z/BX NPN NO-A1H11
- Dây màu nâu(Brown) là: +VCC
- Dây màu xanh dương(Blue) là: GND
- Dây màu đen (Black) là: Data
- Điện áp hoạt động: 6VDC – 36VDC
- Dòng điện ngõ ra: 300mA
- Khoảng cách phát hiện: 4 mm
- Phát hiện các đối tượng: kim loại / sắt
3.3.16 Cảm biến khoảng cách E3F-DS30C4 30CM NPN 6-36V
Sơ đồ kết nối
Bảng 3.4 1 Bảng địa chỉ các ngõ vào và ra PLC
Module Địa chỉ Thiết bị
I0.4 Công tắc hành trình Home step 1 I0.5 Công tắc hành trình Home step 2
Q0.5 Cuộn coil van điện từ
Sơ đồ kết nối của hệ thống
Hình 3 34 Bản vẽ kết nối ngõ vào PLC
Hình 3 35 Bản kết nối ngõ ra PLC
Hình 3 36 Bản vẽ kết nối PLC với Adruino Uno R3
Hình 3 37 Bản vẽ kết nối Uno R3 với MFRC522 & SG90
THI CÔNG HỆ THỐNG
Thi công phần cứng
Theo thiết kế ban đầu của nhóm và các thiết bị được sử dụng trong đề tài, nhóm đã tổng hợp lại tất cả thiết bị được sử dụng
Bảng 4 1 Danh sách các thiết bị
STT Tên thiết bị Số lượng
1 Bộ điều khiển trungtaam PLC S7-1200 DC/DC/DC 1
2 Vi điều khiển Aduino Uno 1
4 Switch TP-Link TL-SF1005D 5-Port 1
5 Mạch RFID NFC 13.56MHz RC522 1
6 Mạch điều khiển động cơ bước TB6600 2
7 Step motor NEMA 17 size 42 x 48mm 1
8 Step motor NEMA 17 size 42 x 40mm 1
12 Xi lanh quay khí nén AIRTAC HRQ10 1
13 Van điện từ 5/2 1 đầu coil 1
15 Cảm biến tiệm cận LJ12A3-4-Z/BX NPN NO-A1H11 1
16 Cảm biến khoảng cách E3F-DS30C4 30CM NPN 6-36V 1
18 Cơ cấu truyền động (dây đai, vitme, pulley) 1
19 Nút nhấn nhả LA38-11 22mm -J5H15 2
21 Công tắc xoay 2 vị trí LA38-11X2 1
22 Nút nhấn dừng khẩn CHINT - NP2-ES 1
Cơ cấu nâng gửi xe
Cơ cấu nâng gửi xe trong mô hình được thiết kế với hệ thống truyền động đai qua pulley và dây curoa, kết hợp với vít me và đai ốc trượt, tạo ra hiệu suất hoạt động tối ưu.
Bàn trượt được thiết kế với cơ cấu truyền động đai qua pulley và dây curoa, điều khiển bởi động cơ Step motor NEMA 17 kích thước 42 x 40mm, giúp di chuyển xe theo phương ngang vào các ô trống bên cạnh tháp giữ xe và đưa xe ra khỏi các ô Hệ thống sử dụng cảm biến tiệm cận LJ12A3-4-Z/BX NPN NO-A1H11 để xác định vị trí set home (vị trí 0) và có khả năng mở rộng thêm 15cm mỗi bên.
Cơ cấu di chuyển lên xuống được thiết kế với hệ thống truyền động vitme đai ốc, điều khiển bởi động cơ Step motor NEMA 17 kích thước 42 x 48mm, cho phép di chuyển theo phương thẳng đứng để đưa xe lên các ô trống ở hai bên tháp giữ xe và hạ xe xuống lối ra Hệ thống cũng tích hợp cảm biến công tắc hành trình V-153-1C25 để xác định vị trí set home (vị trí 0) và có khả năng vươn dài tối đa 40cm.
Thi công khung mô hình
Khung mô hình được lắp ghép từ nhôm định hình 20x20mm, sử dụng các bộ ke góc, con chạy, ốc vặn và bulông để kết nối các thanh nhôm với nhau.
Khung có kích thước chiều cao 60cm, chiều rộng 65cm và chiều cao so với mặt phẳng gỗ là 23cm Thiết kế khung bao gồm 2 ô để xe ở mỗi bên, mỗi ô cao 9,5cm, với khoảng cách giữa 2 tháp để xe là 27cm, nhằm đảm bảo cơ cấu nâng gửi xe và bàn xoay hoạt động hiệu quả.
Khi xe vào, tài xế sẽ quẹt thẻ từ và bấm nút để mở barrier Sau đó, xe sẽ di chuyển đến vị trí pallet để bắt đầu quy trình gửi xe tự động.
Camera chụp biển số xe được sử dụng để ghi lại thông tin khi xe vào bãi đỗ, kết hợp với phần mềm xử lý ảnh giúp nhận diện và lưu trữ biển số vào cơ sở dữ liệu Điều này hỗ trợ hiệu quả trong việc quản lý thông tin bãi đỗ xe.
Hình 4 6 Bàn xoay khí nén
Xi lanh quay khí nén sử dụng để xoay bàn xoay 1 góc 90° từ hướng xe vào so với hướng xe ra để thuận tiện việc xe ra
Hình 4 7 Tủ điện của mô hình phía ngoài và trong
Phía bên trong tủ điện bao gồm các thiết bị:
- MCB Chint NXB-63 2P 6A 6KA đóng ngắt nguồn điện cho hệ thống
- PLC S7-1200 DC/DC/DC bộ điều khiển trung tâm
- Bộ nguồn tổ ong 24V 5A cung cấp nguồn điện cho các thiết bị trong hệ thống
- 2 Driver điều khiển động cơ bước TB6600
Phía bên ngoài gồm các nút nhấn Start, Stop, nút gạt Auto/Manual, nút nhấn dừng khẩn cấp và đèn báo hoạt động
Hình 4 8 Mô hình hoàn chỉnh của hệ thống
KẾT QUẢ THỰC HIỆN
Kết quả thực nghiệm
Hệ thống thu được hình ảnh từ thực nghiệm cho thấy ở trạng thái ban đầu, khi chưa hoạt động, đèn hệ thống chưa sáng và cơ sở dữ liệu trống, không có mã thẻ nào Màn hình giám sát trên WinCC hiển thị rằng hiện tại không có xe nào trong bãi.
Hình 5 1 Tủ điện khi chưa hoạt động
Khi nhấn nút Start trên tủ điện, đèn hệ thống sẽ sáng, cho phép hệ thống tìm vị trí set home (vị trí 0) cho cơ cấu nâng gửi xe Đồng thời, hệ thống sẽ lấy pallet ở vị trí số 1 và đưa xuống vị trí bàn xoay để chờ xe đến gửi.
Hình 5 4 Tủ điện sau khi nhấn nút Start
Hình 5 5 Hệ thống tìm vị trí set home (vị trí 0)
Hệ thống lấy pallet tại ô gửi số 1 sẽ hạ pallet xuống vị trí bàn xoay để chờ xe vào Khi có xe đến, tài xế sẽ quẹt thẻ để mở barrier và tiến vào khu vực gửi hàng.
Hình 5 7 Quẹt thẻ xe để mở barrier
Sau khi di chuyển xe đến vị trí pallet, người lái xe quẹt thẻ và bấm nút gửi xe để đóng barrier Camera ghi lại biển số xe, và hệ thống nâng hoạt động để gửi xe vào ô trống số 1.
Hình 5 8 Nhấn nút gửi xe
Hình 5 9 Camera chụp biển số xe
Hình 5 10 Biển số xe được nhận diện bằng Python
Hình 5 11 Quá trình gửi xe
Sau khi hoàn tất việc gửi xe, hệ thống sẽ xác định lại vị trí set home (vị trí 0) để chuẩn bị lấy pallet từ ô gửi xe trống, tạo thành pallet chờ cho các xe gửi sau.
Hình 5 12 Cơ câu nâng gửi xe ở vị trí set home ( vị trí 0) sau khi gửi xe vào ô số 1
Hình 5 13 Lấy pallet ở ô số 2 đang trống để làm pallet chờ cho các xe gửi sau
Khi tiến hành lấy xe, người dùng sẽ quẹt thẻ để khởi động hệ thống Hệ thống sẽ cất pallet chờ nếu có pallet trên bàn xoay và tiếp tục tìm vị trí set home (vị trí 0) cho cơ cấu nâng gửi xe, chuẩn bị cho việc lấy xe ra.
Hình 5 14 Quẹt thẻ để lấy xe ở vị trí ô số 1
Hình 5 16 Hình Quá trình lấy xe
Sau khi xe được đưa vào vị trí bàn xoay, xilanh xoay sẽ hoạt động để hướng xe ra lối ra, đồng thời barrier sẽ mở để người lái có thể vào xe.
Khi xe di chuyển qua lối ra bãi đỗ xe, hệ thống sẽ kích hoạt cảm biến để phát hiện chuyển động Khi phát hiện xe rời khỏi lối ra, hệ thống sẽ tự động điều khiển bàn xoay trở về vị trí ban đầu đồng thời barrier sẽ đóng lại để đảm bảo an ninh và an toàn cho bãi đỗ xe.
Hình 5 18 Cảm biến phát hiện xe ra và đóng barrier
Giao diện điều khiển và giám sát
Giao diện tổng quan cho thấy bãi đỗ xe hiện có 4 xe, điều này có nghĩa là bãi đã đầy Đèn báo hiệu trạng thái bãi đỗ xe đang nhấp nháy để người dùng dễ dàng nhận biết Dữ liệu RFID và biển số của xe gần nhất được cập nhật và hiển thị một cách chính xác.
Hình 5 20 Theo dõi dữ liệu thông tin hệ thống trên SQL
Theo dõi thông tin xe bao gồm mã thẻ, vị trí gửi xe, trạng thái khi lấy và đưa xe vào, thời gian thực hiện các hoạt động, cùng với biển số xe.