[Khóa luận]thiết kế và xây dựng hệ thống tín hiệu đèn giao thông nút giao thông lê hồng phong và nguyễn bỉnh khiêm dùng PLC

Điều khiển giao thông tại các nút giao nhau bằng đèn tín hiệu từ lâu đã làmột giải pháp hữu hiệu nên được áp dụng rộng rãi và càng trở thành nhu cầucần thiết hầu như tại bất cứ nút giao

MỞ ĐẦU

Ở bất kỳ một quốc gia nào trên thế giới, giao thông vận tải cũng luôn làyếu tố quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế quốc dân, đặc biệt vớinhững nước phát triển và đang phát triển thì vấn đề này càng phải đặt lênhàng đầu

Điều khiển giao thông tại các nút giao nhau bằng đèn tín hiệu từ lâu đã làmột giải pháp hữu hiệu nên được áp dụng rộng rãi và càng trở thành nhu cầucần thiết hầu như tại bất cứ nút giao thông quan trọng nào

Nhiều số liệu điều tra cho thấy mỗi ngày ùn tắc giao thông làm thiệt hạihàng tỉ đồng, gây lãng phí thời gian do phải chờ đợi Hệ thống điều khiển giaothông bằng tín hiệu không chỉ hạn chế được hiện tượng tắc nghẽn giao thông,đảm bảo cho người tham gia giao thông đi lại dễ dàng, tiện lợi, an toàn màcòn kiểm soát được nạn đua xe trái phép, giảm thiểu tai nạn giao thông, gópphần ổn định Chính trị, ổn định Xã hội

Ở Việt Nam trước đây, hình thức giao thông chủ yếu là giao thôngđường sông: dựa vào hơn 3000 km bờ biển và hai con sông lớn – sông Hồng

ở phía Bắc, sông Mê Kông ở phía Nam Ngày nay, nhờ có đầu tư mạnh vàokết cấu hạ tầng, vào mạng lưới đường quốc lộ nên giao thông đường bộ đã vàđang phát triển nhanh chóng Đặc biệt trong 5 năm gần đây, sự nghiệp côngnghiệp hóa, hiện đại hóa đã và đang làm thay đổi cấu trúc mạng lưới đường,

số lượng và chất lượng mạng lưới giao thông đường bộ, đường tỉnh lộ đangđược hoàn thiện, đường nội thành cũng được nâng cấp

Trước sự phát triển của đất nước, Chính phủ Việt Nam và Ủy ban nhândân các cấp luôn ưu tiên cho các giải pháp về hệ thống giao thông đường bộ

và giải quyết các vấn đề an toàn giao thông

Hải Phòng là đô thị loại một cấp quốc gia, là khu trung tâm công nghiệpchính của cả nước Với diện tích 1515Km2 và xấp xỉ 1,8 triệu dân, trong đó

diện tích nội thành là 21Km2 và dân số 500 nghìn người, Hải Phòng đang pháttriển mạnh mẽ nhờ có 4 lĩnh vực kinh tế là:

-Cảng biển

-Các khu du lịch

-Khu công nghiệp

-Nguồn nguyên vật liệu sản xuất vật liệu xây dựng

Hải Phòng được biết đến như một thành phố có quy hoạch với lối kiếntrúc đẹp, một thành phố thanh lịch, mến khách

Hải Phòng có hệ thống giao thông đường bộ linh hoạt nhưng không chắcchắn Do trung tâm thành phố và cảng nằm sát nhau nên Hải Phòng là nơi tậptrung nhiều phương tiện giao thông vận tải lớn; những phương tiện này hoạtđộng trong thành phố đã gây hư ỏng trên mặt, nền đường, nền cầu, gây ônhiễm môi trường bởi tiếng ồn và khói thải Vào giờ cao điểm, các phươngtiện giao thông vận tải lớn làm giảm cường độ lưu thông, làm tắc nghẽn, cảntrở các phương tiện khác di chuyển trên dường Trong nội đô Hải Phòng, còntồn tại hai tuyến giao thông đường sắt: một chỉ phục vụ thương mại và côngnghiệp, một dành cho giao thông công cộng nối với Hà Nội Đây là nhượcđiểm lớn nhất của thành phố, cần có giải pháp đối với những đoạn qua nơiđông dân

Sự bùng nổ dân cư nội thành cùng sự gia tăng nhanh chóng của các loạiphương tiện giao thông cũng làm ảnh hưởng không nhỏ tới giao thông đô thị.Nếu vào năm 1998, mật độ giao thông không có số liệu ( tức là chưa phảithống kê ) thì ngày nay mật độ giao thông tại một giao cắt trong nội thành HảiPhòng đã có thể tương đương với một giao cắt trong nội thành Hà Nội,khoảng 400 phương tiện giao thông trong một phút tại một giao cắt

Kết cấu hạ tầng giao thông của thành phố được đầu tư qui mô, với nhữngđường bao hình elíp có tổng chiều dài trên 30 km Giao thông vận tải - vận

chuyển hàng hóa, cũng như các phương tiện giao thông vận tải lớn được đưa

ra hoạt động trên các tuyến đường bao vành đai Điều này đã được giải tỏaphần nào ách tắc giao thông và giảm thiểu sự ảnh hưởng đến kết cấu đườngtrong nội thành Hải Phòng Đây là sự đầu tư đúng đắn của thành phố - rất phùhợp cho sự phát triển trong mai sau

Có thể quan sát trên bản đồ thành phố Hải Phòng để dễ dàng nhận thấyđược: cụm ngã tư Lê Hồng Phong,Nguyễn Bỉnh Khiêm,cầu vượt Lạch Tray làtrục đường chính đi qua trung tâm thành phố Do vậy nút giao thông trọngđiểm trên tuyến đường huyết mạch này cần có một hệ thống điều khiển giaothông hiện đại, tiện nghi

Tóm lại, hệ thống đèn tín hiệu giao thông đang có hiện nay chưa đáp ứnghết được nhu cầu đi lại của người dân trong thành phố, chưa thỏa mãn đượcyêu cầu ngày cao, ngày càng phức tạp của một thành phố đô thị loại 1 cấpquốc gia, chưa giải phóng nhanh lòng đường, vẫn còn tình trạng tắc nghẽngiao thông mỗi khi tan tầm, Hệ thống chưa theo kịp xu thế chung của Thếgiới hiện nay, cũng như không còn phù hợp về mỹ quan đô thị, cần phải đượcphải thay thế

Xây dựng hệ thống giao thông hiện đại đáp ứng được yêu cầu thực tế,phù hợp với xu thế thời đại là vấn đề bức xúc Trong phạm vi đồ án tôi được

giao nhiệm vụ: “Thiết kế và xây dựng hệ thống tín hiệu đèn giao thông

nút giao thông Lê Hồng Phong & Nguyễn Bỉnh Khiêm dùng PLC” nhằm

mục đích góp phần cải thiện tình trạng giao thông trên những trục đường quantrọng của Thành phố

Tuy điều kiện thời gian có hạn, nhưng nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình của cácthày cô giáo trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng, đặc biệt là sự chỉ bảo tậntâm của thày giáo hướng dẫn - Thạc sỹ Đào Bá Bình, tôi đã cố gắng để có thể

áp dụng dùng trong thực tiễn

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

Đối với một công trình tín hiệu giao thông ta có thể sử dụng nhiềuphương pháp, thiết bị và linh kiện để thiết kế và xây dựng Nhưng trong phạm

vi đồ án ta chỉ sử dụng 2 thiết bị chính cơ bản là đèn LED và PLC S7-200

1.1 GIỚI THIỆU ĐÈN LED

1.1.1 Đèn Led là gì

LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫnloại n

1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển của đèn LED

Cách đây 12 năm, đèn LED quả là không tưởng cho tới khi khoa họccông nghệ xuất hiện Nó đã giải quyết mọi khó khăn còn vướng mắc Kể từ

đó, đèn LED đã tạo nên cuộc cách mạng nhanh chóng Chúng hiện đang đượclắp đặt trong rất nhiều thiết bị, bao gồm cả hệ thống chiếu sáng của bể bơi,đèn đọc v.v

Đèn LED đã có mặt từ những thập niên 60, nhưng mà hầu hết chỉ dùnghiển thị thời gian của đồng hồ báo thức hay dung lượng pin của máy ghi hình

Một thời gian dài, đèn LED đã không được dùng làm nguồn sáng bởi vìchúng chỉ cho ánh sáng đỏ, xanh lá cây và vàng mà không cho ánh sáng trắng.Đến năm 1993, công ty hoá chất Nichia của Nhật Bản cho ra đời loại đènLED xanh dương, là sự kết hợp giữa ánh sáng đỏ và xanh lá cây để cho ra ánhsáng trắng Sự kiện này đã mở ra một lĩnh vực mới về công nghệ LED

Đèn LED dựa trên công nghệ bán dẫn ngày càng tăng về độ chiếu sáng,hiệu suất và tuổi thọ, giống như bộ xử lý của máy tính, phát triển ngày càngnhanh và giá thành ngày càng giảm theo thời gian

1.1.3 Ứng dụng của đèn LED

Với các ưu điểm: ánh sáng lớn, độ bền cao và ít tiêu tốn điện năng, Ledđược ứng dụng rộng rãi trên các lĩnh vực: bảng quảng cáo ngoài trời , bảngquảng báo, đồng hồ cỡ lớn đặt tại các biển quảng cáo tấm lớn trên đường caotốc, hệ thống đèn giao thông, biển chỉ dẫn, và các sản phẩm khác như bảngchạy chữ điện tử, bảng hệ thống giờ, Bảng tỷ giá, bảng chứng khoán, hệ thốngxếp hàng tự động… Một số bảng hiệu của thương hiệu nổi tiếng đã được ứngdụng sản phẩm Led: Sacombank, Sơn Collection, bảng hiệu Mì Hàn Quốc,Happy Cook , Sam Sung…

Việc sử dụng rộng rãi thiết bị chiếu sáng bằng loại đèn này có thể giúpchúng ta tiết kiệm đuợc nhiều năng lượng

Hiện tại đèn LED trắng có tuổi thọ tới 50.000 giờ sử dụng, gấp 50 lần

so với bóng đèn 60W Điều này có nghĩa là chúng có thể thắp sáng liên tụctrong vòng 6 năm

Điểm hấp dẫn ở loại đèn này là nó có thể sử dụng để lắp đặt ở nhữngnơi khó thay lắp chẳng hạn như bên ngoài toà nhà, bể bơi v.v với nhiều mầusắc phong phú như: đỏ, xanh lá, xanh da trời, mầu hổ phách thay vì phải sửdụng bóng đèn thông thường

Ở Việt Nam, một trong những đơn vị đi đầu việc ứng dụng đèn LEDtiết kiệm năng lượng để phục vụ cho quảng cáo, chiếu sáng đô thị là Công ty

cổ phần tập đoàn quốc tế Kim Ðỉnh Ðiển hình là việc lắp đặt hệ thống đènLED tại cầu sông Hàn (27-3-2009) và Thuận Phước (TP Ðà Nẵng )

Trong đêm nhìn cầu Thuận Phước được chiếu sáng, thông qua hiệu ứngánh sáng của đèn LED theo một chương trình phần mềm viết sẵn, có cảm giác

như đang xem một màn phun nước với đủ loại sắc mầu Ðây là công nghệ lầnđầu được ứng dụng trong chiếu sáng công trình công cộng ở Việt Nam.

Đèn LED thay thế đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang bởi những ưu điểmnhư tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, kích cỡ nhỏ, nhiệt năng sinh ra trongquá trình hoạt động không đáng kể, hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độthấp, không sử dụng thủy ngân giống như các loại bóng huỳnh quang thôngthường

Ánh sáng phát của đèn LED có màu sắc phụ thuộc vào chất liệu làm ra

nó Ví dụ như đèn LED màu đỏ được làm từ các thành phần hóa học nhưnhôm,

gali, a-xen Đèn LED màu trắng được tạo ra bằng cách bao phủ một lớpphotphorơ màu vàng bên ngoài đèn LED xanh da trời

Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động của đèn LED cũng thấphơn rất nhiều (gần như không đáng kể) so với các loại bóng đèn thông thường

hiện nay, đó cũng chính là một trong những lý do khiến đèn LED tiết kiệmđiện năng hơn các loại bóng đèn khác

Cũng giống như tất cả các loại bóng đèn khác, hiệu năng của đèn LEDđược đo bằng công thức lumen/Watt Loại đèn LED ánh sáng trắng ấm cóhiệu năng vào khoảng 25-44 lumens/watt trong khi đó loại LED ánh sángtrắng lạnh có hiệu năng tốt hơn 47-64 lumens/watt, còn loại bóng đèn huỳnhquang thông thường được sử dụng trong các gia đình có hiệu năng thấp hơnvới 10-18 lumens/watt

Đèn LED không sử dụng nguồn điện xoay chiều 220V thông thường

mà chỉ sử dụng dòng điện một chiều với hiệu điện thế nhỏ nên thường có bộlọc và bộ điều khiển đi kèm

Bên cạnh đó đèn LED còn có những ưu điểm khác như khi hoạt độngkhông sinh ra các tia hồng ngoại hay tia cực tím Những ưu điểm của loại đènnày là không thể phủ nhận, những thiết kế với nhiều phong cách khác nhau đã vàđang biến đèn LED trở thành một thiết bị chiếu sáng đáng được lựa chọn chokhông gian sống của mỗi gia đình và các công trình xây dựng

1.1.4 Tính năng và đặc điểm của đèn LED

Tuổi thọ cực lâu: Vượt qua 50,000 giờ (tương đương với 6 năm thắp sángliên tục)

Hiệu quả ánh sáng cao

Nhiệt độ làm việc thấp: Nhiệt độ làm việc của bóng đèn LED cao hơnnhiệt độ môi trường khoảng 5 – 80C, thấp hơn so với đèn huỳnh quang thôngthường là khoảng 13 – 250C

Độ an toàn: Không nhấp nháy, hiển thị màu sắc tốt, có hiệu quả trongviệc làm giảm mệt mỏi khi nhìn và bảo vệ mắt

1.2 GIỚI THIỆU VỀ PLC

1.2.1 PLC là gì.

PLC (viết tắt của Programmable Logic Controller : Bộ điều khiểnlogic lập trình được ) là một thiết bị được phát minh để thay thế cho các dãymạch rơle liên tiếp để điều khiển máy móc PLC làm việc bằng cách quan sátcác đầu vào của nó và tùy theo trạng thái của chúng ,sẽ đóng mở đầu ra.Người sử dụng nhập vào chương trình ,thường là thông qua phần mềm để tạo

ra các kết quả mong muốn

PLC được sử dụng trong rất nhiểu ứng dụng thực tế Nếu có một ngànhcông nghiệp nào đang tồn tại mà muốn có cơ hội thành công thì ở đó có mặtPLC Nếu bạn đang ở trong những ngành công nghiệp như cơ khí,đóng gói,chế tạo vật liệu,lắp ráp tự động và rất nhiều ngành công nghiệp khác bạn cóthể đã sử dụng PLC Nếu bạn chưa từng sử dụng ,bạn đang lãng phí thời gian

và tiền bạc.Hầu hết mọi loại ứng dụng đều cần một vài loại điều khiển bằngđiện và cần thiết phải có PLC

Lấy ví dụ, hãy thử giả thiết rằng, chúng ta có 1 cái công tắc và muốn

mở 1 cuộn dây trong 5s và sau đó tắt nó mà không cần quan tâm tới công tắc

đó làm việc như thế nào Chúng ta có thể thực hiện bằng mạch thời gian đơngiản ở bên ngoài Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu quá trình này là cho 10 côngtắc và cuộn dây Chúng ta sẽ cần 10 mạch thời gian bên ngoài Nếu quá trìnhcần đếm sau bao nhiêu lâu , các công tắc riêng biệt sẽ được mở Chúng ta sẽcần rất nhiều mạch đếm bên ngoài.

Bạn có thể thấy rằng quá trình xử lý càng lớn thì chúng ta càng cầnthiết phải có một PLC Chúng ta có thể lập trình cho PLC chú ý đến đầu vào

và mở cuộn dây trong thời gian xác định

2.1.2 Lịch sử ra đời của PLC

PLC được giới thiệu lần đầu vào cuối những năm 1960 Lý do chính đểthiết kế những thiết bị như vậy là để giảm bớt chi phí lớn khi thay thế nhữngrơle phức tạp dựa trên hệ thống điều khiển cơ khí Bedford Associates(Bedford, MA) đã chế tạo thiết bị Modular Digital Controller (MODICON)cho những nhà sản xuất ôtô lớn của Mỹ Cũng lúc đó, một vài công ty đưa ra

mô hình dựa trên máy tính ,một trong số đó dựa trên PDP-8 MODICON 084

là PLC đầu tiên trên thế giới được đưa ra làm sản phẩm thương mại

Khi yêu cầu sản phẩm thay đổi, hệ thống điều khiển cũng thay đổitheo.Điều này trở nên rất đắt đỏ khi sự thay đổi là thường xuyên.Vì rơle làthiết bị cơ khí và chúng cũng có một thời gian sống giới hạn nên sẽ cần một

sự bảo dưỡng nghiêm ngặt đúng hạn.Sự sửa chữa sẽ là rất buồn tẻ nếu cónhiều role như vậy.Bây giờ ta có một bức tranh về một bảng điều khiển máymóc bao gồm rất nhiều , có thể hàng trăm , hàng nghìn role Kích cỡ lớn nhưvậy có thể làm chúng ta e ngại Thật phức tạp khi nối dây cho nhiều thiết bịriêng lẻ như vậy Những rơle này có thể nối với nhau theo các cách để tạođầu ra mong muốn

Những “bộ điều khiển mới “ cũng có thể dễ dàng lập trình bởi đội ngũ

kỹ sư của nhà máy Chu trình sống cũng dài hơn và lập trình thay đổi cũng dễ

nghiệt Có rất nhiều điều để hỏi Những câu trả lời là để sử dụng kỹ thuật lậptrình mà hầu hết mọi người đã quen thuộc và thay thế những bộ phận cơ khíbằng những bộ phận cố định.

Khoảng giữa những năm 70 sự thống trị của PLC là dẫn đến kết quả làmáy ký hiệu và mảng bit dựa trên CPU rất phát triển Lọai AMD 2901 và

2903 khá phổ biến trong MODICO và A-B PLC Khi công nghệ vi điện tửcàng phổ biến, thì càng có nhiều PLC đựoc thiết kế dựa trên chúng Thậm chíđến ngày hôm nay vẫn còn loại dựa trên 2903 Modicon (như PLC3 của A-B)

đã được xây dựng thành loại PLC nhanh hơn 984A/B/ X, loại dựa trên 2901

Khả năng giao tiếp bắt đầu được mở rộng vào năm 1973 Đó là hệthống Modbus của Modicon PLC bây giờ có thể ‘nói chuyện ới PLC khác vàchúng có thể ở xa máy mà chúng điều khiển Chúng có thể gửi và nhận nhiềuloại điện áp khác nhau , điều đó cho phép chúng thâm nhập vào thế giới tương

tự Không may, sự thiếu chuẩn hóa trong tình trạng công nghệ thay đổithường xuyên đã làm cho giao tiếp của PLC trở nên rất khó khăn khi khôngtương thích về giao tiếp và mạng vật lý Tuy nhiên đó vẫn là một thập kỷ nổibật của PLC

Vào những năm 80.đã có những cố gắng về chuẩn hóa giao tiếp nhưgiao thức tự động sản xuất (MAP) của General Motor Đó cũng là khoảngthời gian mà kích cỡ của PLC được giảm đi, và phần mềm của PLC đã có thểlập trình được qua những ký hiệu lập trình trên PC thay vì nhũng thiết bị lậptrình dành riêng hay lập trình bằng tay Ngày nay PLC nhỏ nhất thế giới cỡchỉ bằng 1 rơle điều khiển

Vào những năm 90 đã chứng kiến sự giảm dần của việc giới thiệunhững giao thức mới và sự hiện đại hóa lớp vật lý của một số giao thức phổbiến từ những năm 80.Chuẩn mới nhất (IEC-1131-3) đã cố gắng kết hợpnhững ngôn ngữ lập trình PLC vào 1 chuẩn quốc tế Chúng ta bây giờ có thểlập trình cho PLC bằng những sơ đồ khối chức năng, danh sách nhũng câu

lệnh, C và ngôn ngữ có cấu trúc, tất cả cùng 1 lúc PC bây giờ đã dùng đểthay thế cho PLC trong một vài ứng dụng Ngay cả những công ty đầu tiênđược trang bị MODICON 084 bây giờ cũng chuyển sang hệ thống điều khiểndựa trên PC.

CHƯƠNG II:

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐÈN GIAO THÔNG

Hình 2.1: Mô hình đèn giao thông ngã tư

2.1.CẤU TẠO

- Hệ thống đèn giao thông hay là đèn điều khiển giao thông gồm hai cột đènchính được lắp đặt tại hai đầu của hai làn đường khác nhau ở ngã tư Mỗi mộtcột đèn gồm 5 đèn đó là 3 đèn chính gồm: đèn xanh, đèn đỏ và đèn đỏ; 2 đènphụ là 2 đèn dùng điều khiển làn đường dành cho người đi bộ: đèn xanhngười đi bộ và đèn đỏ người đi bộ

Ngoài ra, mỗi một hệ thống đèn có một tủ điều khiển từ đó sẽ phát ra tín hiệu điều khiển đèn Tín hiệu điều khiển của đèn từ CPU thông qua các cổng

ra rồi đến các rơle, rồi qua hệ thống dây nối đến các đèn

Khi đv1 tắt thì đđ2, đđn1,đxn2 mới tắt cùng lúc đó đèn xanh 2(đx2) , đèn đỏ 1(đđ1),đèn đỏ cho người đi bộ 2(đđn2), đèn xanh cho người đi bộ 1(đxn1) được bật sáng

Lúc đèn vàng 2(đv2) được bật lên cũng là lúc đx2 tắt ,đv2 tắt chu kì được lập lại với đđ2,đx1…

2.3 GIẢN ĐỔ THỜI GIAN CHO TỪNG ĐÈN

Với một chu kỳ đèn bất kỳ ta có giản đồ thời gian hoạt động của từng đèn nhưsau:

Hình 2.2: Giản đồ thời gian cho từng đèn

0 30 33 56 59 60 t

CHƯƠNG III:

NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG GIAO THÔNG

3.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN

3.2 ỨNG DỤNG PLC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN

Trong công nghiệp sản xuất, để điều khiển một dây chuyền, một thiết bị máymóc công nghiệp … người ta thực hiện kết nối các linh kiện điều khiển rời(rơle, timer, contactor …) lại với nhau tuỳ theo mức độ yêu cầu thành một hệthống điện điều khiển Công việc này khá phức tạp trong thi công, sửa chữabảo trì do đó giá thành cao Khó khăn nhất là khi cần thay đổi một hoạt độngnào đó

Một hệ thống điều khiển ưu việt mà chúng ta phải chọn được điềukhiển cho một máy sản xuất cần phải hội đủ các yêu cầu sau: giá thành hạ, dễthi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt … Từ đó hệ thốngđiều khiển có thể lập trình được PLC (Programable Logic Control) ra đời đãgiải quyết được vấn đề trên

Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên đó được những nhà thiết kế cho rađời năm 1968 (Công ty General Moto - Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống này còn kháđơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vậnhành hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản,gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúcnày không có các thiết bị lập trình ngoại vi hỗ trợ cho công việc lập trình

Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay(programmable controller handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 Tronggiai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thaythế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển Qua quátrình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mớicho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: dạng lập trình dùng giản đồ hình thang Trongnhững năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năngvận hành với những thuật toán hổ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữ liệucập nhật” (data manipulation) Do sự phát triển của loại màn hình dùng chomáy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển

để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn Ngoài ra các nhà thiết

kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệthống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc độ xử lý của

hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC

xử lý tốt với những chức năng phức tạp, số lượng cổng ra/vào lớn

Một PLC có đầy đủ các chức năng như: bộ đếm, bộ định thời, các thanh

ghi (register) và tập lệnh cho phép thực hiện các yêu cầu điều khiển phức tạp

khác nhau Hoạt động của PLC hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình nằmtrong bộ nhớ, nó luôn cập nhật tín hiệu ngõ vào, xử lý tín hiệu để điều khiểnngõ ra

Việc sử dụng PLC vào các hệ thống điều khiển ngày càng thông dụng,

để đáp ứng yêu cầu ngày càng đa dạng này, các nhà sản xuất đã đưa ra hàngloạt các dạng PLC với nhiều mức độ thực hiện đủ để đáp ứng các yêu cầukhác nhau của người sử dụng

Để đánh giá một bộ PLC người ta dựa vào 2 tiêu chuẩn chính: dunglượng bộ nhớ và số tiếp điểm và năng như: bộ vi xử lý, chu kỳ xung clock,ngôn ngữ lập trình, khả năng mở rộng số ngõ vào/ra của nó Bên cạnh đócũng cần chú ý đến các chức năng như: bộ vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngônngữ lập trình, khả năng mở rộng số ngõ vào/ra.

3.2.1 Cấu hình cứng.

Cấu hình cứng

PLC viết tắt của Programmable Logic Control, là thiết bị điều khiển logic lậptrình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển thông quamột ngôn ngữ lập trình

S7 – 200 là thiết bị điều khiển khả trình loại nhỏ của hãng Siemens, cócấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở rộng Các modul này sử dụngcho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau Thành phần cơ bản của S7 – 200 làkhối vi xử lý CPU 212 hoặc CPU 214 Về hình thức bên ngoài, sự khác nhaucủa hai loại CPU này nhận biết được nhờ số đầu vào/ra và nguồn cung cấp

-CPU 212 có 8 cổng vào, 6 cổng ra và có khả năng được mở rộng thêmbằng 2 modul mở rộng

-CPU 214 có 14 cổng vào, 10 cổng ra và có khả năng được mở rộngthêm bằng 7 modul mở rộng

S7 – 200 có nhiều loại modul mở rộng khác nhau

-Cú 7 modul để mở rộng thêm cổng vào/ra bao gồm luôn cả modulanalog.

-Tổng số cổng vào/ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra

-128 Timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4 Timer 1ms,

I1.0 I.11 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5

I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7

SF RUN STOP

SIEMENS

SIMATIC S7 - 200

Các cổng vào Cổng truyền RS485

Cáccổng ra

Q1.0 Q1.1

Mô tả các đèn báo trên S7 -200 CPU 214:

SF Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng Đèn SF sáng lên khi PLC(đèn đỏ) có hỏng hóc

RUN Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thựchiện (đèn xanh) chương trình được nạp vào trong máy

STOP Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng Dừng(đèn vàng) chương trình đang thực hiện lại

Ix x Đèn xanh ở cổng vào chỉ định trạng thái tức thời của cổng Ix.x(đèn xanh) (x.x = 0.0  1.5).Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giátrị logic của cổng

Qy.y Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qy.y(đèn xanh)(y.y = 0.0 1.1).Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giátrị logic của cổng

Cổng truyền thông :

S7 – 200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạmPLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud Tốc độtruyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do là 300 đến 38.400

S7 – 200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạmPLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud Tốc độtruyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do là 300 đến 38.400

Hình 3.2 Sơ đồ của cổng truyền thông

Trong đó : Chân Giải thích

Công tắc chọn chế độ làm việc của PLC

Công tắc chọn chế độ làm việc nằm phía trên, bên cạnh các cổng ra củaS7 – 200 có ba vị trí cho phép chọn các chế độ làm việc khác nhau cho PLC

-RUN cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ PLC S7 –

200 sẽ rời khỏi chế độ RUN và chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có

sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP, thậm chí ngay cả khi công tắc

ở chế độ RUN Nên quan sát trạng thái thực tại của PLC theo đèn báo

5 4 3 2 1 1111

9 8 7 6 6

-STOP cưỡng bức PLC dừng thực hiện chương trình đang chạy vàchuyển sang chế độ STOP Ở chế độ STOP PLC cho phép hiệu chỉnh lạichương trình hoặc nạp một chương trình mới.

-TERM cho phép máy lập trình tự quyết định một trong các chế độ làmviệc cho PLC hoặc ở chế độ RUN hoặc ở chế độ STOP

Chỉnh định tương tự

Điều chỉnh tương tự (1 bộ trong CPU 212 và 2 trong CPU 214) chophép điều chỉnh các biến cần phải thay đổi và sử dụng trong chương trình.Núm chỉnh analog được lắp đặt dưới nắp đậy bên cạnh các cổng ra Thiết bịchỉnh định có thể quay 270o

Pin và nguồn nuôi bộ nhớ

Nguồn nuôi dùng để mở rộng thời gian lưu giữ cho các dữ liệu có trong

bộ nhớ Nguồn pin tự động được chuyển sang trạng thái tích cực nếu nhưdung lượng tụ nhớ bị cạn kiệt và nó phải thay thế vào vị trí đó để dữ liệutrong bộ nhớ không bị mất đi

3.2.2 Cấu trúc bộ nhớ

Bộ nhớ của S7 – 200 được chia thành 4 vùng với một tụ có nhiệm vụduy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn Bộ nhớcủa S7 – 200 có tính năng động cao, đọc và ghi được trong toàn vùng, loại trừphần bit nhớ đặc biệt được kí hiệu SM (Special Memory) chỉ có thể truy nhập

để đọc

Hình 3.3 Bộ nhớ trong và ngoài của S7-200 Vùng chương trình: là miền nhớ được sử dụng để lưu các lệnh chương

trình Vùng này thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được

Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như: từ khóa, địa chỉ trạm

… cũng như vùng chương trình, vùng tham số thuộc kiểu non-volatile đọc/ghiđược

Vùng dữ liệu: dùng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết

quả các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệmtruyền thông … một phần của vùng nhớ này thuộc kiểu non-volatile

Vùng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra

tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng Vùng này không kiểu volatile nhưng đọc/ghi được

non-3.2.3 Thực hiện chương trình:

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi

là một vòng quét (scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng gian đoạn đọc dữ

liệu từ các cổng vào vùng đệm ảo, tiếp theo là gian đoạn thực hiện chươngtrình Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên

và kết thúc bằng lệnh kết thúc (MEND) Sau giai đoạn thực hiện chương

trình là gian đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi Vòng quét được kếtthúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra.

Hình 3.4 Vòng quét (scan) trong S7-200

Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh khônglàm việc mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số Việc

truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 4 do CPU

quản lý Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ cho dừng mọi công

việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh này một cáchtrực tiếp với cổng vào/ra

Nếu sử dụng các chế độ xử lý ngắt, chương trình con tương ứng vớitừng tín hiệu ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương

trình Chương trình xử lý ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuấthiện tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất cứ điểm nào trong vòng quét

Cấu trúc chương trình của S7 – 200

Có thể lập trình cho S7 – 200 bằng cách sử dụng một trong những phần

mềm sau đây:

-STEP 7 – Micro/DOS-STEP 7 – Micro/WIN

vi vào bộ đệm ảo

2 Thực hiện chương trình

Những phần mềm này đều có thể cài đặt được trên các máy lập trình họPG7xx và các máy tính cá nhân (PC).

Các chương trình cho S7 – 200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình

chính (main program) và sau đó đến các chương trình con và các chương

trình xử lý ngắt được chỉ ra sau đây:

-Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình(MEND)

-Chương trình con là một bộ phận của chương trình Các chương trìnhcon phải được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính, đó là lệnh MEND

-Các chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình Nếu cần

sử dụng chương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương trìnhchính MEND

-Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sauchương trình chính Sau đó đến các chương trình xử lý ngắt Bằng cách viếtnhư vậy, cấu trúc chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọcchương trình sau này Có thể tự do trộn lẫn các chương trình con và chươngtrình xử lý ngắt đằng sau chương trình chính

Hình 3.6 Hình ảnh thực tế của PLC S7-200

Việc báo hiệu bằng ánh sáng tại các giao cắt có chức năng chính là bảođảm an toàn cho người đi bộ, đi xe và tăng lưu thông trong giao thông bằngviệc chia rẽ kịp thời các phương tiện, tránh đụng độ, va chạm của người đi bộhoặc phương tiện tham gia giao thông

Các hoạt động diễn ra trên một nút giao thông bao gồm các bước sau:

Vào

Ra

2 1

- Hoạt động của tín hiệu đèn điều khiển giao thông

- Hoạt động của các phương tiện giao thông tại nút

Khi xe đến nút, nếu gặp các tín hiệu đèn đỏ hoặc đèn vàng thì phải chờtrước đèn tín hiệu Nếu gặp tín hiệu đèn xanh thì được phép thông qua núttheo nguyên tắc:

- Xe đến trước thông qua nút trước

- Số xe thông qua nút trong một đơn vị thời gian không vượt quá khảnăng thông qua nút

- Xe vào nút từ một đường có thể rẽ ra ba hướng khác nhau Cụ thể:

Xe vào nút từ đường 1 có thể rẽ sang các đường 6, 7, 8

Xe vào nút từ đường 2 có thể rẽ sang các đường 5, 7, 8

Xe vào nút từ đường 3 có thể rẽ sang các đường 5, 6, 8

Xe vào nút từ đường 4 có thể rẽ sang các đường 5, 6, 7

4.1.1 Từ đây ta có những cách sau để giảm thiểu số điểm xung đột tại ngã tư.

a Khi không có tín hiệu điều khiển giao thông, tổng số điểm xung đột ở ngã

tư là 32:

Hình 4.2: Các điểm xung đột tại ngã tư khi không có đèn tín hiệu

Trong đó: 16 điểm cắt nhau ()

8 điểm trộn vào cùng chiều ()

8 điểm rẽ (O)

b Số điểm cắt ở các ngã tư sẽ giảm xuống 8 thay cho 16 nếu cấm rẽ trái (bằng biển báo hoặc đèn tín hiệu) từ một đường ít ưu tiên (nơi rẽ trái là rất nguy hiểm)

Hình 4.3: Các điểm xung đột tại ngã tư khi cấm rẽ trái

Ký hiệu (| chiều cấm)

Hoặc khi có đường một chiều và đường hai chiều giao nhau, số điểm cắtnhau chỉ cón 5, phương tiện cắt nhau ít hơn; Giảm số điểm xung đột là mộtphương pháp tăng thêm độ an toàn

c Nếu điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu:

Tổng số 32 điểm xung đột ở ngã tư được giảm còn 8 điều khiển hai kỳ ởnút giao thông Điểm các phương tiện cắt nhau chỉ còn 2

Khi điều khiển tín hiệu giao thông theo 2 kỳ, các điểm xung đột vẫn còntồn tại, dễ gây tai nạn, va chạm, ùn tắc, đặc biệt là vào giờ các điểm lượngphương tiện cơ giới tham gia giao thông rất lớn

Hình 4.4: Các điểm xung đột tại ngã tư khi có đèn tín hiệu

trường hợp có xe Cứu thương, Cảnh sát, Phái đoàn và đoàn hộ tống… thìtuyến đường có xe chạy qua được ưu tiên sử dụng phương pháp này (chế độ

ưu tiên)

Tuy nhiên, tại các nước láng giềng (như Trung Quốc, Thái Lan, Lào…)

do có mật độ ôtô, xe máy lớn người ta đã chọn giải pháp nay để loại bỏ hoàntoàn các điểm xung đột giữa phương tiện, phần đường và thời gian cho người

đi bộ cũng bị hạn chế nhằm thông nút nhanh, giảm ở mức thấp nhất nhữngyếu tố cản trở phương tiện, đảm bảo an toàn giao thông ở mức cao nhất

Sự điều khiển đa kỳ (nhiều hơn hai kỳ) có thể sử dụng:

+ Ở nơi không thể loại trừ được sự chuyển động có tính xung đột khó chịu.+ Ở nơi rẽ trái là rất nguy hiểm được đối phó bằng đặt điểm ngắt sớmhoặc khởi động muộn, hay là thời gian kéo dài giữa hai lần đèn xanh

+ Ở nút giao thông có 5 hướng trở lên

+ Ở nút giao thông cần có thời gian đi bộ riêng

Xu hướng trong tương lai, ở nước ta cũng sẽ như các nước bạn, hệ thốnggiao thông, mặt bằng các ngã tư phải được cải tạo để chuẩn bị tốt cho mai sau.Với đề tài thiết kế này tác giả cũng đưa ra giản đồ thời gian và phương ánđiều khiển 4 kỳ cho một ngã tư mà từ đó có thể đưa ra ứng dụng tuỳ theo điềukiện thực tế

4.1.2 Giản đồ thời gian tín hiệu cho hệ thống điều khiển đèn tại ngã tư

Với cùng một chu kỳ đèn nhưng có rất nhiều phương án khác nhau đểđiều khiển các phương tiện và con người tham gia vào giao thông Thời gianđèn tín hiệu Xanh - Vàng - Đỏ ở các hướng A và B (điều khiển 2 kỳ) được thểhiện trên các giản đồ trên hình 3.6a, 3.6b, 3.6c

Hình 4.6 Giản đồ thời gian điều khiển THGT(Điều khiển 2kỳ)