Báo cáo đề tài số 1: “Điều khiển hệ thống đèn giao thông”

Phiếu giao đề tài : Điều khiển hệ thống đèn giao thông Hoạt động ở 2 chế độ . Chế độ hoạt động bình thường . Chế độ nhấp nháy Ở chế độ hoạt động bình thường (chế độ 1) hoạt động từ 5 h sang đến 9h tối hàng ngày Đúng 5h sáng chế độ 1 hoạt động: Có 2 cột đèn Nam và Bắc. Mỗi cột có 3 đèn xanh , đỏ, vàng.Đèn xanh sáng trong 40 s sau đó đèn vàng sáng trong 5s đèn đỏ sáng 45s. Đến 9h tối chế độ 1 ngắt chuyến sang chế độ 2 hoạt động. Ở chế độ hoạt động ban đêm (chế độ 2) : Hoạt động từ 9h tối đến 5h sáng hôm sau. Đúng 9h tối chế độ 2 hoạt động,đèn xanh và đỏ ở cả 2 cột Nam và Bắc không sáng. Chỉ 2 đèn vàng thay phiên nhau nhấp nháy mỗi đèn sáng trong 5s.

Bộ công thương

Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Lê Quang Đạo

Phiếu giao đề tài :

Điều khiển hệ thống đèn giao thông

Ở chế độ hoạt động ban đêm (chế độ 2) : Hoạt động từ 9h tối đến 5h sáng hôm

sau

Đúng 9h tối chế độ 2 hoạt động,đèn xanh và đỏ ở cả 2 cột Nam và Bắc không sáng Chỉ 2 đèn vàng thay phiên nhau nhấp nháy mỗi đèn sáng trong 5s

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng ngành công nghệ kỹthuật điện điện tử, tự động hóa, điều khiển lập trình … vì thế cũng được ứngdụng rất nhiều trong công nghiệp,đời sống, xã hội

Cuộc sống nâng cao, mật độ dân cư ở các thành phố lớn càng đông đúchơn, vấn đề hỗ trợ cho người tham gia giao thông an toàn là việc cần làm ngay

Hệ thống điều khiển và phân luồng giao thông ở các điểm ngã ba, ngã tư ….đãđược đưa vào sử dụng Hệ thống này không những giảm xung đột giao thôngtrong thành phố mà còn giảm được ùn tắc bảo vệ người tham gia giao thônghướng dẫn người tham gia giao thông đi đúng làn đường

Xuất phát từ nhu cầu trên với mong muốn giảm thiểu tai nạn và tránh ùn tắc

trong giao chúng em đã tìm hiểu và thực hiện thực hiện đề tài “Điều khiển hệ

thống đèn giao thông”.

Trong thời gian thực hiện đề tài chúng em đã nhận được sự giúp đỡ của các

thầy cô, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy Hà Văn Phương để chúng

em có thể hoàn thành đề tài này Chúng em xin chân thành cảm ơn

Việc hoàn thành đề tài này sẽ không tránh được những sai lầm thiếu sót.Chúng em rất mong được sự phê bình đánh giá của các thầy cô để chúng em cóthể rút ra được kinh nghiệm và cũng nhằm bổ sung kiến thức cho mình

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC 1.1.Giới thiệu về PLC

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình,được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lý

từ đơn giản đến phức tạp, tùy thuộc vào người điều khiển

Kỹ thuật điều khiển đã được phát triển trong thời gian rất lâu Trước kiaviệc điều khiển hệ thống chủ yếu do con người thực hiện Gần đây, việc điềukhiển được thực hiện nhờ vào các ứng dụng của ngành điện, thực hiện bằngviệc đóng ngắt tiếp điểm relay Các relay sẽ cho phép đóng ngắt công suấtkhông cần dùng công tắc cơ khí Ta thường sử dụng relay để tạo nên các thaotác điều khiển đóng ngắt logic đơn giản Sự xuất hiện của máy tính điện tử đãtạo một bước tiến mới trong điều khiển– Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC

● Ưu điểm

- Giảm giá thành đối với các hệ thống phức tạp

- Mềm dẽo và dễ thay thế khi cần thay đổi hệ thống điềukhiển

- Khả năng kết hợp với máy tính cho phép điều khiển các hệ thống tinhvi

- Khả năng hỗ trợ xử lý sự cố làm cho việc lập trình dễ dàng và nhanhchóng

- Kết cấu chắc chắn và chính xác làm cho hệ thống hoạt động ổn định và tincậy

Các hệ thống điều khiển hiện đại ngày nay vẫn còn sử dụng relay, nhưngchúng không được dùng để tạo ra mức logic mà hoạt động như một thiết bị điện

ý đồ mà người lập trình đề ra nhằm đáp ứng những yêu cầu trong thựctiễn

Các PLC trước kia được lập trình bằng kỹ thuật sử dụng các sơ đồ nối dâyrelay Do đó không cần phải hướng dẫn nhiều cho các thợ điện, kỹ thuật viên,

kỹ sư cách lập trình trên máy tính, nên đây cũng là kỹ thuật lập trình thôngdụng cho PLC ngày nay

Hình 1.1: Sơ đồ logic bậc thang đơngiản

Nếu các ngõ vào đóng hoặc mở thì công suất sẽ chạy từ dây nóng qua cácngõ vào, kết hợp với dây trung tính cấp điện cho ngõ ra

Ngõ vào PLC có thể được kết nối với các cảm biến hoặc công tắc Ngõ raPLC sẽ nối với các thiết bị trung gian đóng ngắt các tải bên ngoài như đèn,động cơ Trong nhánh trên, công tắc A thường hở và B thường đóng, nghĩa lànếu A đóng và B mở thì dòng điện sẽ chạy qua công tắc A và B tác động đếnngõ ra X, các trạng thái khác của A và B sẽ làm X mất điện Tương tự như vậyngười đọc có thể giải thích tương tự cho hoạt động của nhánh bêndưới

Có nhiều phương pháp lập trình khác nhau cho PLC Một trong những kỹthuật đó là sử dụng lệnh gợi nhớ Các lệnh này xuất phát trực tiếp từ sơ đồlogic bậc thang và được nhập vào PLC bằng một thiết bị lậptrình

1.3.Cấu trúc của PLC

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải cótính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý CPU, một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và tao đổi thông tin với môi tường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm các

khối chức năng đặc biệt khác như đếm (Counter), bộ định thì (Time) … Và những khối hàm chuyên dụng.

1.3.1 Cấu trúc phần cứng

Cấu trúc phần cứng của một PLC gồm có các module nguồn ,module đầu vào , module đầu ra, trung tâm xử lý CPU module bộ nhớ, module quản lý phối ghép vào ra

Hình

một PLC

- Đơn vị xử lý trung tâm (CPU Central Processing Unit): CPU dùng để xử lý,

thực hiện những chức năng điều khiển phức tạp quan trọng của PLC MỗiPLC thường có từ một đến hai đơn vị xử lý trung tâm.CPU thường được chia làm hai loại: đơn vị xử lý “một bit” và đơn vị xử lý “từ ngữ”:

- Bộ nhớ: là nơi lưu trữ các thông tin cần xử lý trongchương trình của PLC Bộ

nhớ được thiết kế thành dạng module để cho phép dễ dàng thích nghi với các chức năng điềukhiển với các kích cỡ khác nhau Muốn mở rộng bộ nhớ chỉ cần cắm thẻ nhớ vào rãnh cắm chờ sẵn trênmodule CPU

Bộ nhớ có một tụ dùng để duy trì dữ liệu chương trình khi mất điện

- Khối vào/ra: Khối vào ra dùng để giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC (điện

áp 5/15VDC) với mạch côngsuất bên ngoài (điện áp 24VDC/220VAC)

Khối ngõ vào

Bộ nguồn Đơn vị xử lý trung

tâm

Quản lý ghépnối

Bộ nhớ

Khối ngõ ra

Khối ngõ vào thực hiện việc chuyển mức điện áp từ cao xuống mức tín hiệu tiêuchuẩn để đưa vàobộ xử lý.

Khối ngõ ra thực hiện việc chuyển mức tín hiệu từ tiêu chuẩn sang tín hiệu ngõ

ra và cách lyquang

- Bộ nguồn: Biến đổi từ nguồn cấp bên ngoài vào để cung cấp cho sự hoạt động

của PLC

- Khối quản lý ghép nối: Dùng để phối ghép giữa PLC với các thiết bị bên ngoài

như máy tính, thiết bị lập trình, bảng vận hành, mạng truyền thông công nghiệp

1.3.2 Cấu trúc bộ nhớ

Bộ nhớ của PLC thường được chia thành bốn vùng cơ bản và hầu hết có thể đọc ghi được chỉ trừ vùng nhớ đặc biệt (SM) chỉ có thể truy cập để đọc

- Vùng nhớ chương trình: Là miền nhớ được dùng để lưu trữ các lệnh được dùng

trong chươngtrình.Vùng này thuộc kiểu non-volatile có thể đọc và ghi được

- Vùng nhớ tham số: Dùng để lưu giữ các tham số như từ khóa, địa chỉ trạm…

Vùng này thuộckiểu non-volatile có thể đọc và ghi được

- Vùng dữ liệu: Dùng để cất giữ các dữ liệu của chương trình bao gồm kết quả

các phép tính, cáchằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm truyền thông…

- Vùng đối tượng: Bao gồm các bộ đếm, bộ định thì, các cổng vào ra tương tự

Vùng này không thuộc kiểu non-volatile nhưng có thể đọc và ghi được

Hai vùng nhớ cuối có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện một chương trình

Các loại bộ nhớ : các loại bộ nhớ được dùng phổ biến hiện nay bao gồm:

RAM, ROM, EPROM, EEPROM Tất cả PLC đều sử dụng RAM cho CPU vàdùng ROM để lưu hệ điều hành cho PLC

1.3.3.Các modul ra vào

Module ngõvào: Tùy vào loại tín hiệu của cảm biến là số hay tương tự

mà moudle ngõ vào của PLC cũng có hai loại là Module số (Digital Module) vàModule tương tự (AnalogModule)

Module ngõ vào số: Các loại cảm biến, công tắc, nút nhấn, encoder….

Có tín hiệu ngõ ra dạng số thì được đưa vào PLC thông qua module số Dướiđây trình bày một số dạng ngõ vào số của một vàiPLC

Module ngõ ra: Tùy thuộc vào từng loại cơ cấu chấp mà tín hiệu điều

khiển nó có thể là số hay tương tự mà PLC cũng có loại module ngõ ra số và module ngõ ra tương tự tương ứng để điềukhiển

1.5 Hoạt động PLC

Tất cả PLC đều hoạt động theo chu trình lặp, mỗi chu trình hoạt động gồm 4giai đoạn: Đọc ngõ vào, thực thi chương trình, chẩn đoán lỗi và kiểm tra truyềnthông, xuất kết quả ra để điều khiển thiết bị 4 giai đoạn này thường gọi là 1chu trình quét của PLC

Read Input (Đọc ngõ vào): PLC đọc trạng thái của toàn bộ các ngõ vào và

chứa vào bộ đệm ngõvào

Execute Program (Thực thi chương trình): PLC dựa vào các trạng thái ngõ

vào để thực thi theo chương trình đã được lưu trong bộ nhớ đệm ngõra

Diagnostics Communications (Chẩn đoán và truyền thông): PLC tiến hành

chẩn đoán lỗi và kiểm tra quá trình truyềnthông

Update Outputs (Xuất kết quả): PLC xuất kết quả trong vùng nhớ đệm ngõ ra

để điều khiển thiết bị ngoạivi

Hình 1.3 Chu trình quét của PLC

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ VÀ XÂY DỰNG

MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Tổng quan về hệ thống

2.1.1 Cấu tạo hệ thống

Hệ thống đèn giao thông gồm hai cột đèn chính được lắp đặt tại hai đầu của hai làn đường khác nhau ở ngã tư (2 cột Nam, Bắc) Mỗi một cột đèn gồm 3 đèn chính gồm: Đèn xanh, Đèn vàng và Đèn đỏ; 2 Đèn phụ là 2 đèn dùng để hiển thịthời gian sáng của các đèn

Ở chế độ hoạt động ban đêm (chế độ 2): Hoạt động từ 9h tối đến 5h sáng hôm

sau

Đúng 9h tối chế độ 2 hoạt động, đèn xanh và đỏ ở cả 2 cột Nam và Bắc không sáng Chỉ 2 đèn vàng thay phiên nhau nhấp nháy mỗi đèn sáng trong 5s

2.2 Sơ đồ khối của hệ thống

Khối nguồn: Cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống hoạt động

Khối đưa tin hiệu đầu vào: Sử dụng nút START, STOP để khởi động và dừng hệthống Khi ấn Start hệ thống hoạt động stop hệ thống sẽ ngừng hoạt động

Khối xử lý tín hiệu PLC: Sử dụng tập lệnh và các phần tử trong S7-200 để xâydựng mạch điều khiển cho hệ thống Sau đó đưa tín hiệu được xử lý vào khốihiển thị

Khối hiển thị: Hiển thị các đèn, và hiển thị thời gian sáng Các đèn sẽ được hiểnthị lần lượt và đúng với thời gian cho trước

Khối hiển thị xanh , vàng, đỏ

Khối xử lý tín hiệu PLC

Khối Nguồn

Khối đưa tin

hiệu đầu vào

Khối hiển thi thời gian đếm

2.3 Mô hình hệ thống

Mô hình hệ thống đèn giao thông

CHƯƠNG III : XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG

3.1 Tính chọn thiết bị

3.1.1 Thiết bị hiển thị thời gian

Hệ thống sử dụng 2 Led 7 thanh để hiển thị thời gian sáng cho từng đèn

LED7 thanh có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh và có thêm một ledđơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới bên phải của led 7 thanh

Bộ mã hoá này có 4 đầu vào tương ứng với 4 bit mã BCD và 7 đầu ra, mỗi đầu

sẽ điều khiển một vạch của đèn 7 thanh

Đèn led 7 thanh được sử dụng để hiển thị dữ liệu được xử lý bởi thiết bị điện

tử số Chúng có thể hiện thị các số từ 0 đến 9 và các chữ cái từ A đến F và mộtvài ký tự khác, chúng đượcđiều khiển bởi bộ giải mã mà sẽ chiếu sáng các vạch(đoạn - segment) của đèn phụ thuộc vào số BCD tại đầu vào

Các mã đầu vào từ 0 -9 hiển thị các chữ số của hệ thập phân Các mã đầu vào

từ 9 - 14 ứng với các ký hiệu

Về mặt điện, các LED hoạt động như diode chuẩn, chỉ khác là khi phâncực thuận đòi hỏi điện áp giữa Anode và Cathode cao hơn Để có cường độ sángkhông đổi, thiết bị hiển thị phải được cấp đủ dòng

Vì Led 7 đoạn bên trong nó chứa các led đơn do đó khi kết nối cần đảmbảo qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA- 20mA để bảo vệ led

Phân loiaj LED 7 thanh: LED 7 thanh thường được chia làm 2 loại

Nếu led 7 đoạn có Anode (cực +) chung, đầu chung này được nối với +Vcc, cácchân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sángkhi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0.

Nếu led 7 đoạn có Cathode (cực -) chung, đầu chung này được nối xuốngGround (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt củacác led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1

Hình 3.1.1 : Led 7 thanh có ca-tốt chung và A-nốt chung

3.1.2 Thiết bị điều khiển và phần mềm lập trình cho hệ thống mạch đèn giao thông

3.1.2.1 Giới thiệu về PLC s7- 200 CPU 226

Cấu trúc phần cứng

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng SIEMENS

(CHLB Đức) có cấu trúc theo kiểu Modul và có các modul mở rộng Các modulnày được sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau Thành phần cơ bảncủa S7-200 là khối vi xử lý CPU-226

Nguồn CPU Out put

modul Memory

In put modul

Link

Hình 3.1.2.1 Cấu trúc cơ bản của PLC

CPU 226 có các đặc điểm sau:

 CPU-226 bao gồm 24 ngõ vào và 16 ngõ ra, có khả năng thêm 7 modul

 Bộ nhớ dữ liệu: 10KB 2 PPI/FREEPORT PORTS

 Điều khiển PID: Có

 Kích thước: Rộng x Cao x Sâu : 196 x 80 x 62

 Loại AC/DC/Rơle: CPU 226: Mã 6ES7 216-2BD23-0XB0

 Nguồn: 100 tới 230 VAC; đầu vào: 24 VDC; đầu ra: Rơle

 Số đầu ra được tích hợp sẵn: 16 (Rơle)

 Thực hiện trọn gói những công việc kỹ thuật phức tạp

 Thêm cổng PPI làm tăng tính linh hoạt và lựa chọn truyền thông

 Ngoài ra, CPU 226 XM có bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu đượcnâng cao

 Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ kể

từ khi PLC bị mất nguồn cung cấp

Hình 3.1.2.2: Các cổng vào ra

Các đèn báo trên S7-200 CPU226:

thực hiện chương trình được nạp vào trong máy

dừng chương trình và đang thực hiện lại

cổng Ix.x Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị Logic củacông tắc

cổng Qx.x Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic củacổng

Chế độ làm việc:

PLC có 3 chế độ làm việc:

từ RUN sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặplệnh STOP

độ STOP

 TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC

hoặc RUN hoặc STOP

 Phần mền STEP7 Mico/win sofwarl.

Hình 3.1.2.3 Truyền thông trong S7-200

Đặc điểm kỹ thuật CPU 226

Dựa vào bảng bố trí đầu vào ta có sơ đồ đấu nối thiết bị ngoại vi với PLC:

Hình 3.2.1: Sơ đồ kết nối CPU 226

3.2.2 Mạch động lực

Hình 3.2.2: Sơ đồ mạch lực đèn LED giao thông

3.3 Giản đồ thời gian

3.3.1 Chế độ hoạt động bình thường

3.3.2 Chế độ nhấp nháy

3.4 Viết chương trình mô phỏng

Khai báo biến Vào/Ra

Chương trình

Hình 3.4.1: Mô phỏng trên PC_Simu

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN

Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu về đề tài Thiết kế “điều khiển hệ

thống đèn giao thông” dùng PLC, cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo

Hà Văn Phương chúng em đã hoàn thành đề tài Qua đây một phần nào cũng giúp chúng em được hiểu rõ về ứng dụng của PLC trong thực tế, đồng thời hiểu được những kiến thức cơ bản của PLC Qua quá trình thiết kế, mô phỏng không thể tránh khỏi những sai sót và khuyết điểm Vì vậy chúng em rất mong được sựđóng góp ý kiến của các thầy cô và bạn bè, từ đó chúng em có thể rút ra được những kinh nghiệm cho bản thân đồng thời tìm ra những nhược điểm của bài tậplớn Qua đó sẽ giúp bài tập lớn được hoàn chỉnh hơn, tối ưu hơn!

Chúng em xin chân thành cám ơn!

TÀI LIỆU THAM KHẢO

- Điều khiển và giám sát với S7-200, S7-300, PCACCESS và

WINCC

Tác giả: Lê Ngọc Bích - Trần Thu Hà & Phạm Quang Huy

- Giáo Trình Lập Trình Với PLC Logo, Easy Và S7-200

Tác giả: Nguyễn Tấn Phước

- Kỹ thuật lập trình, điều khiển PLC SIMATIC S7-200

Tác giả: Châu Chí Đức

- Điều khiển LOGIC lập trình PLC

Biên dịch: Tăng Văn Mùi – Hiệu chỉnh: Nguyễn Tiến Dũng