Thiết kế hệ thống giữ xe tự động sử dụng plc s7 1200

TỔNG QUAN

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Theo kết quả nghiên cứu của Ủy ban An toàn Giao thông Quốc gia mới được công bố tại một hội thảo ở Hà Nội, nhu cầu về ôtô tại Việt Nam đang ngày càng tăng, nhất là các thành phố lớn, nơi tỷ lệ tăng trưởng ôtô đã vượt qua xe máy Tỷ lệ tăng trưởng của xe máy trên cả nước hiện là 7,3% và ôtô là 6,5% Trong khi đó, đối với các đô thị lớn, mức tăng trưởng của xe máy là 10%, còn ôtô lên tới 15%.

Như vậy, qua các số liệu thống kê nhu cầu mua xe hơi của người Việt đang tăng mạnh trong những năm gần đây Tuy nhiên số lượng người sở hữu xe ô tô vẫn tập trung chủ yếu ở các thành phố lớn: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng v.v Điều này dẫn đến hậu quả tất yếu cơ sở hạ tầng giao thông sẽ không phát triển kịp Dễ thấy nhất là tình trạng thiếu bãi đỗ xe hơi ngày càng nghiêm trọng tập trung tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh. Để giải quyết tình trạng này, hàng loạt sáng kiến về hệ thống bãi đỗ xe thông minh đã được các công ty trên thế giới phát triển với rất dạng khác nhau như: Hệ thống bãi đỗ xe tự động từng tầng di chuyển độc lập (Rollpark System), hệ thống bãi đỗ xe tự động dạng xếp hình (Puzzle Parking), hệ thống tháp đỗ xe cao tầng và hệ thống bãi đỗ xe quay vòng đứng.

Trong đó, hệ thống đỗ xe tự động kiểu xếp hình (Puzzle Parking) là một hệ thống bãi đỗ xe tự động được thiết kế đơn giản rất thuận tiện trong quá trình lắp đặt cũng như chi phí bỏ ra phù hợp với nhiều loại công trình khác nhau Có thể nói bãi đỗ xe dạng xếp hình được đánh giá là một trong những giải pháp đỗ xe phù hợp nhất đối với các thành phố lớn có lượng xe đang trở nên quá tải tại Việt Nam.[9]

Hình 1.4 : Mô hình bãi giữ xe ô tô dạng Puzzle

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Tình trạng thiếu bãi giữ xe gần như là tình trạng chung của mọi đô thị, nhất là những đô thị đông dân và hạ tầng chưa phát triển Suốt một thời gian dài, người ta tìm cách nâng diện tích bãi xe, mở thêm các điểm đỗ, nhưng tình hình vẫn không được cải thiện, trong khi đó nạn kẹt xe trở nên trầm trọng hơn và lãng phí tài nguyên đất đai cũng tăng cao hơn.

Từ những năm 1990, các nhà qui hoạch ở những thành phố lớn đã bắt đầu đánh giá lại và tìm các giải pháp tổng thể từ gốc rễ Điều họ mong muốn giờ đây không phải là một thành phố thuận tiện cho mọi xe cơ giới lưu thông bởi như thế quá khó khả thi, mà là một nội ô có trật tự với các phương tiện giao thông chủ yếu là phương tiện công cộng, xe đạp, và đi bộ Xuất phát từ quan điểm đó, tất nhiên, các thành phố bắt đầu các giải pháp hoàn thiện hạ tầng giao thông công cộng, tăng diện tích cây xanh, vỉa hè, và làn đường dành cho xe đạp Nhưng vai trò của các bãi giữ xe cũng được đánh giá lại, và kết luận gần như đảo ngược: cần giảm bãi xe, để đô thị phát triển bền vững!

Mặc dù thiếu chỗ gửi xe, tuy nhiên ở rất nhiều bãi xe ở hầu hết các thành phố, tình trạng dư thừa công suất bãi vẫn xảy ra, đặc biệt trong những giờ đặc trưng như tại các bãi xe gần khu dân cư vào ban ngày hay tại các bãi giữ xe gần khu văn phòng vào ban đêm Để quản lý bãi xe hiệu quả hơn, nhiều thành phố đã áp dụng công nghệ cao như công nghệ số hóa, công nghệ thông minh kết nối các bãi xe và kết nối với các phương tiện giao thông nhằm điều tiết lưu lượng xe gửi tại bãi. Không chỉ dừng lại ở việc giúp các bãi xe hoạt động hiệu quả hơn, những ứng dụng công nghệ còn giúp nhà chức trách điều tiết bãi xe và lượng xe lưu thông vào nội đô tại những thời điểm nhất định, xây dựng bãi giữ xe ô tô tự động. Đi đầu trong lĩnh vực này chính là Sanfrancisco, thủ phủ công nghệ của Mỹ Sau khi ứng dụng các giải pháp quản lý bãi xe, kết nối hệ thống xe, thu phí linh hoạt theo giờ và theo thời gian thực gửi, người ta ước tính thời gian tìm bãi gửi xe giảm xuống 43%, đặc biệt lượng xe trống trong bãi giảm 75% so với trước đó.

Kết quả tích cực cũng thu được ở rất nhiều thành phố khác, chẳng hạn như Munich (Đức) đã giảm được 14% lượng xe hơi cá nhân trong trung tâm thành phố và tăng 16% lượng người đi bộ, tăng 75% lượng người đi xe đạp Hay như thủ đôVienna, công nghệ với các giải pháp linh hoạt đã giúp thủ đô này giảm 25% lượng xe cá nhân lưu thông ở 4 quận trung tâm. Đó là những giải pháp chính bên cạnh hàng loạt các chính sách quản lý, phát triển đô thị, đặc biệt là phát triển và hoàn thiện hệ thống giao thông công cộng cũng như hạ tầng giao thông tại các thành phố lớn trên thế giới.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Cùng với sự phát triển của một nền kinh tế năng động đòi hỏi một nền kỹ thuật công nghệ cũng phải phát triển, đáp ứng kịp thời và đầy đủ những nhu cầu cần thiết của sự phát triển đó Điều này được thể hiện qua thực trạng tình hình phương tiện giao thông ở nước ta, “Theo số liệu thống kê sơ bộ của Tổng cục Hải quan, nhập khẩu ô tô nguyên chiếc vào Việt Nam: Trung Quốc là thị trường chính cung cấp trong 7 tháng/ 2015 với hơn 18 nghìn chiếc, tăng mạnh 204%; tiếp theo là Hàn Quốc: 14,2 nghìn chiếc, tăng 54,3%; Thái Lan: 12,1 nghìn chiếc; tăng 99,2%; Ấn Độ: 8,5 nghìn chiếc; tăng 77,5% so với cùng kỳ năm 2014 (theo thống kế Hải Quan cập nhật 20/08/2015 5:00 PM)[14] Chứng tỏ tình hình số lượng xe ô tô ở nước ta tăng khá nhanh Từ những số liệu trên đòi hỏi những yếu tố cơ sở hạ tầng phải đáp ứng cho sự tăng trưởng đó, đặc biệt là vấn đề về bãi đậu xe Một trong những phương pháp nhằm giải quyết những khó khăn đó, việc ứng dụng sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ cao vào trong xây dựng cơ sở hạ tầng rất cần thiết Cụ thể hơn, cần xây dựng những bãi đậu xe mang tính hiện đại, tự động cao và tính an toàn được đặt lên hàng đầu Đồng thời, những bãi đậu xe như vậy cần phải đáp ứng vừa mang tính kinh tế, vừa phù hợp với thực tiễn như tiết kiệm quỹ đất xây dựng, tính cảnh quan,…

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài “Thiết kế hệ thống giữ xe tự động sử dụng PLC S7-1200” cần đạt được những mục tiêu sau đây:

 Nắm rõ được cách lập trình, cấu hình phần cứng và kết nối DI, DO của PLC S7-1200; điều khiển động cơ, xử lý và nhận dạng biển số.

 Gắn motor, module điều khiển,… lên mô hình có sẵn và đi dây phù hợp.

 Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển mô hình hoạt động.

 Liên kết truyền nhận dữ liệu với PLC S7-1200.

 Thử nghiệm chương trình và hiệu chỉnh để đạt kết quả tốt nhất.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Thực hiện đề tài sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp các lý thuyết liên quan đến truyền động, động cơ DC, động cơ AC, PLC để từ đó thiết kế mô hình và viết chương trình điều khiển các động cơ đáp ứng yêu cầu đề tài; sử dụng phương pháp thực nghiệm để hiệu chỉnh các thông số cho nghiên cứu tốt nhất.

Giới hạn đề tài: Với một số yếu tố khách quan về điều kiện tài chính, kinh nghiệm thực tế, thời gian thực hiện đề tài, nên đề tài này thực hiện trong phạm vi sau đây:

 Lập trình điều khiển bằng phần mềm TIA – PORTAL.

 Tạo giao diện điều khiển và giám sát trên WINCC và lập trình cho giao diện điều khiển bằng phần mềm TIA – PORTAL.

 Tạo tool code để truy xuất biển số xe, giá tiền cùng thời gian gửi xe bằng phần mềm Microsoft Visual Studio

BỐ CỤC ĐỒ ÁN

Đồ án được chia thành sáu chương, mỗi chương trình bày lần lượt từ tổng quan đến chi tiết công việc thiết kế mô hình và chương trình điều khiển, chi tiết như sau:

 Chương 1: Tổng quan – Giới thiệu về lý do chọn đề tài, tình hình nghiên cứu trong nước, mục tiêu nghiên cứu và các giới hạn thực hiện đề tài.

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết – Trình bày tổng thể về nền tảng và cơ sở lý thuyết.

 Chương 3: Tính toán và thiết kế – Trình bày yêu cầu của hệ thống, quy trình công nghệ, lưu đồ giải thuật điều khiển mô hình các yêu cầu của mô hình điều khiển cũng như thiết kế, thi công và lựa chọn thiết bị cho mô hình phù hợp với các yêu cầu đưa ra trước đó.

 Chương 4: Thi công hệ thống – Thi công

 Chương 5: Mạch động lực và giao diện thiết kế

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển – Các mặt hạn chế và hướng phát triển trong quá trình thi công đồ án

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TỔNG QUAN VỀ PLC

PLC là viết tắt của Programable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được ( khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt đông có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện đếm.

Hình 2.1: PLC của hãng Siemens

Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển sẽ tiếp tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất hiện ở các ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối ( điều khiển bằng relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

 Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.

 Gọn nhẹ, dễ sữa chữa, bảo quản.

 Tin cậy trong công nghiệp.

 Giao tiếp với các thiết bị thông minh khác như : máy tính, mạng truyền thông, module mở rộng.

 Giá cả cá thể cạnh tranh được.

Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của một PLC

RFID

Công nghệ thẻ từ cho phép một thiết bị đọc thông tin chứa trong chip không cần tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa Công nghệ này cho ta phương pháp truyền nhận dữ liệu từ một điểm đến điểm khác.

Các thành phần cơ bản của hệ thống thẻ từ:

 Tag: là thành phần không thể thiếu trong hệ thống, còn gọi là thẻ từ.

 Reader: là thành phần bắt buộc trong hệ thống, bên ngoài còn gọi là bộ phận đọc thẻ từ.

 Reader anten: cũng là thành phần bắt buộc của hệ thống, và ngày nay thì bộ phận này tích hợp sẵn trong bộ reader.

 Ngoài ra, còn có các bộ phận quan trọng trong hệ thống như: mạch điều khiển, cảm biến, các thiết bị truyền thông, …

Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động của công nghệ RFID

Tần số thấp (100 – 500kHz) Sử dụng trong phạm vi ngắn và trung bình

Chi phí thấp Tốc độ đọc dữ liệu thấp Tần số trung bình (10 – 15 MHz) Sử dụng trong phạm vi ngắn và trung bình

Tốc độ đọc dữ liệu trung bình Tần số cao(850 – 950MHz, 2.4 –

Sử dụng trong phạm vi bán kính rộng Chi phí cao

Tốc độ đọc dữ liệu cao

Bảng 2.4: Ba giải truyền thông dựa trên tần số của sóng radio của RFID

XỬ LÝ ẢNH NHẬN DẠNG BIỂN SỐ XE

Trong xu thế của cuộc cách mạng công nghệ 4.0 đã kéo theo sự phát triển nhanh của các ngành khoa học công nghệ Trí tuệ nhân tạo (AI – Artificial Intelligence) là một lĩnh vực phát triển vượt bậc và tạo ra nhiều ứng dụng phục vụ cuộc sống con người Trên thế giới và Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu các hệ thống thông minh ứng dụng trí tuệ nhân tạo như bệnh viện thông minh, giao thông thông minh, nhà thông minh, xe tự lái,… Trong đó, ứng dụng nhận dạng biển số xe ô tô được sử dụng rộng rãi trong các bãi giữ xe cấp phát vé tự động, các trạm thu phí, hệ thống theo dõi phương tiện tham gia giao thông và phát hiện các phương tiện vi phạm.

2.3.1 Tổng quan về nhận dạng ảnh

Xử lý và nhận dạng ảnh là một lĩnh vực còn tương đối mới chưa được áp dụng rộng rãi như những lĩnh vực khoa học khác Nó còn có mối quan hệ mật thiết với nhiều nghành khoa học khác như lý thuyết thông tin, lý thuyết thống kê, nhận dạng, dùng để nhận dạng chữ số, ký tự, vân tay.mặt người

Xử lý ảnh số có rất nhiều công đoạn cần phải giải quyết như: khôi phục ảnh, thu nhận ảnh, tăng cường ảnh, phân tích ảnh , biến đổi ảnh các quá trình này cần phải thực hiện nhiều bởi thuật toán khác nhau

Nhận dạng là thực hiện phân loại các đối tượng được biểu diễn theo một mô hình nào đó và chúng được gán vào một lớp dựa theo những mẫu chuẩn và quy luật của nó.

Quá trình xử lý và nhận dạng ảnh số tùy thuộc vào điều kiện ứng dụng thực tế mà có nhiều cách áp dụng các thuật toán khác nhau tuy vậy việc xử lý và nhận dạng đều quy về một cách thể hiện như sau :

Hình 2.4 : Sơ đồ nhận dạng ảnh tổng quát

 Thu nhận ảnh: Thu nhận ảnh từ ảnh có sẵn Ảnh thu được là tín hiệu tương tự.

 Mã hóa: là quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu rời rạc.Sau đó số hóa bằng lượng tử hóa trước khi chuyển sang giai đoạn xử lý.

 Phân tích ảnh: bao gồm nhiều công đoạn nhỏ:

 Trước hết nâng cao chất lượng ảnh, do chất lượng ảnh thu được không đạt yêu cầu với nhiều nguyên nhân khác nhau.Sau đó khôi phục ảnh để làm nổi bật một số đặc tính chính của ảnh, hay làm cho ảnh giống nhất với trạng thái gốc.

 Kế tiếp là phát hiện các đặc tính như: biên, phân vùng ảnh, trích chọn các đặc tính,

TỔNG QUAN VỀ SCADA

SCADA là từ viết tắt của Supervisory control and data acquisition là hệ thống giám sát và điều khiển từ xa vận hành theo các tín hiệu đã được mã hóa qua kênh truyền thông ( thường sử dụng một kênh truyền thông cho mỗi thiết bị từ xa).

Một hệ thống SCADA thường bao gồm các thiết bị sau :

 Remote terminal unit (thường được goi tắt là RTU) : kết nối với cảm biến (sensor) và chuyển các tín hiệu từ các cảm biến này thành tín hiệu số.

 Programmable Logic Controller (thường gọi là PLC) : có khả năng điều khiển cao hơn RTU và trong một số tình huống được sử dụng thay thế cho RTU vì tính linh động, kinh tế và tùy biến cao hơn.

 Hệ thống viễn thông : dùng để kết nối các thiết bị RTU/PLC về trung tâm điều khiển/giam sát.

 Không dây là các vệ tinh, các thiết bị radio…Ở hệ thống điện lực Việt nam dùng cáp quang để truyền dữ liệu SCADA.

 Server thu thập dữ liệu : là phần mềm sử dụng các giao thức công nghiệp để kết nối các dịch vụ phần mềm, kết nối RTU/PLC Cho phép các clients truy xuất dữ liệu ở các thiết bị từ xa bằng các giao thức chuẩn.

 Giao diện người-máy (HMI) : là thiết bị thể hiện dữ liệu xử lý cho người vận hành , và thông qua giao diện này, người vận hành có thể tương tác với hệ thống.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG

Hệ thống quản lý bãi giữ xe ô tô tự động được thực hiện một cách tự động nhờ vào việc lập trình cho PLC và các thiết bị khác như: RFID, công tắc hành trình, động cơ,… nhằm tự động hóa quá trình tiếp nhận và đưa xe ra vào.

Hệ thống bãi giữ xe ô tô tự động phải có khả năng an ninh thông qua RFID và xử lý ảnh thông qua camera Bên cạnh đó hệ thống cũng cần phải xử lý các tín hiệu từ cảm biến để điều khiển các động cơ một cách chính xác để hệ thống hoạt động trơn tru tránh gây tổn thất cho các ô tô.

Việc giám sát trong hệ thống cũng quan trọng không kém, hệ thống SCADA cũng được ứng dụng trong hệ thống này nhằm giám sát quá trình vận hành cũng như là giám sát trong quá trình bảo trì, sửa chữa khi gặp sự cố Không những vậy, việc giám sát cũng được đưa lên Internet, để người dùng có thể giám sát một cách linh hoạt hơn.

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Với yêu cầu của hệ thống quản lý bãi giữ xe ô tô tự động như trên thì phương án thiết kế cho chương trình quản lý như sau :

Phần quản lý an ninh của hệ thống thì sẽ dùng RFID để lưu lại mã ra vào sau đó sẽ dùng camera chụp ảnh biển số xe và xử lý nhận dạng biển số xe thông qua phần mềm chạy trên máy tính sau đó tự động lưu biển số xe lại.

Phần xử lý trung tâm của hệ thống được xử lý và điều khiển bởi PLC S7-1200, tín hiệu được thu thập từ các công tắc hành trình.

Phần giám sát của hệ thống được giám sát trên WinCC và Web giúp quan sát quá trình hoạt động và sự cố của hệ thống.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

Nguyên lý hoạt động của hệ thống bãi giữ xe ô tô tự động như sau : Đầu tiên, người lái xe ô tô phải đưa xe vào vị trí đỗ quy định sau đó người lái xe ra khỏi xe và lại quầy lấy một thẻ từ và quét vào máy đọc thẻ Sau đó hệ thống sẽ cho băng trượt chạy ra để lấy xe vào, khi xe được đưa vào bên trong hệ thống thì sẽ chụp ảnh biển số xe và nhận dạng biển số xe sau đó đưa xe vào vị trí trống đồng thời lưu lại giá trị của biển số xe đó Các xe vô kế tiếp cũng hoạt động tương tự.

Hoạt động khi lấy xe ra, người lái lấy thẻ và quẹt vào máy đọc thẻ, máy đọc thẻ sẽ gửi giá trị của thẻ cho PLC và PLC sẽ hoạt động đưa băng trượt đến vị trí xe đỗ và tiến hành lấy xe ra.

Chờ nh n diện ận diện biển số

Vị trí gốc Di chuyển về vị trí gốc

Nh n ận diện diện biển số

Nh p biển số ận diện xe

Bấm xác nh n gửi ận diện

Di chuyển xe đến vị trí gửi

Di chuyển cơ cấu về gốc ban đầu

Bắt đầu nh n ận diện xe

Di chuyển về vị trí gốc

Xác nh n lấy xe ận diện

Di chuyển tới vị trí lấy xe

Di chuyển xe về vị trí gốc ban đầu

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI

Chức năng của khối nguồn là cung cấp nguồn điện cho các thiết bị hoạt động trong hệ thống.

Nguồn 220VAC lấy từ điện nhà cung cấp cho PLC và biến tần.

Nguồn tổ ong chuyển điện áp 220VAC thành 24VDC.

Thông số nguồn tổ ong:

 Dòng ngõ ra: 10A DC

 Điện áp ngõ ra: 12 VDC

 Bảo vệ ngắn mạch, quá tải

 Điều chỉnh điện áp ngõ ra: 10%

3.4.2 Khối xử lý trung tâm

Chức năng của khối xử lý trung tâm: xử lý các tín hiệu từ khối thu thập dữ liệu và khối điều khiển gửi cho khối cơ cấu chấp hành và gửi cho thông tin cho hệ thống giám sát.

Dòng sản phẩm SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC

Mã sản phẩm 6ES7214-1AG40-0XB0

Tích hợp đầu vào số 14 DI 24 V DC

Tích hợp đầu ra số 10 DO 24 V DC

Tích hợp đầu vào tương tự 2 AI 0-10 V DC

Nguồn cung cấp DC 20.4-28.8V DC

Bộ nhớ chương trình/ dữ liệu 100 KB

Kích thước (RxCxS) 110x100x75 mm

Hình 3.3 Công Tắc Hành Trình OV-156-1C25 15A 250V

- Kích thước của công tắc T125: 2.8x1x1.6 cm.

- Trọng lượng: 10g. Đầu đọc thẻ RFID

Hình 3.4 Bộđọc mã thẻ RFID 125Khz R20D-USB-8H10D

 Tần số làm việc: 125KHz

 Tốc độ truyền dữ liệu: 106Kbit/s

 Điện áp hoạt động: 5VDC (± 5%)

 Dòng điện tiêu thụ: < 100mA.

 Thời gian đọc tín hiệu: