2.5.7.2. Thông số kỹ thuật của cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4
− Kích thước: 18mm
− Chế độ: Phát hiện vật cản
− Khoảng cách có thể phát hiện: 10 đến 30cm có thể điều chỉnh − Điện áp làm việc: Sử dụng dòng DC 6-36VDC
− Dòng tiêu thụ: 8mA ở 12V, 15mA ở 24V − Dịng kích ngõ ra: nhỏ hơn 300mA − Loại cảm biến: NPN
2.5.7.3. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại là sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách tới vật cản, khi có vật đi ngang qua thiết bị, cảm biến sẽ xuất tín hiệu và tín hiệu sẽ được cảm biến thu lại xử lý để điều khiển thiết bị khác.
2.5.8. Relay trung gian OMRON MY4N_J
Relay trung gian (cịn có tên gọi khác là relay kiếng), là một thiết bị relay điện từ với kích thước nhỏ. Relay trung gian được lắp đặt ở vị trí trung gian để chuyển tiếp tín hiệu điều khiển sang các thiết bị khác có cơng suất lớn hơn, cũng có thể dùng relay trung gian để điều khiển các thiết bị đóng cắt động lực.
Hình 2.16. Relay trung gian OMRON MY4N_J
2.5.8.2. Thông số kỹ thuật của Relay trung gian OMRON MY4N_J
− Số chân: 14 chân dẹp
− Điện áp cho cuộn dây hoạt động: 24VDC − Các tiếp điểm: 4PDT, 5A
− Các cặp chân tiếp điểm: 4 cặp đóng, 4 cặp mở − Tiếp điểm: Silver alloy
− Số lần đóng cắt: 100.000 lần − Tích hợp đèn báo trên relay
2.5.8.3. Nguyên lý hoạt động
− Khi cấp nguồn cho relay dòng điện sẽ đi qua cuộn dây tạo nên từ trường hút các tiếp
điểm làm thay đổi trạng thái đóng cắt của relay. Relay có 2 mạch hoạt động độc lập, với 4 cặp tiếp điểm đóng và 4 cặp tiếp điểm mở, relay trung gian có thể thích hợp điều khiển nhiều thiết bị cùng lúc, tiện lợi, dễ sử dụng, đảm bảo an toàn.
− Nguyên tắc điều khiển relay cũng giống như là điều khiển cơng tắc có 2 trạng thái ON
hoặc OFF, có dịng điện đi qua cuộn dây thì relay hoạt động khơng thì sẽ dừng.
2.5.9. Cơng tắc hành trình OMRON V153-1C25
2.5.9.1. Tổng quan
Cơng tắc hành trình OMRON V153-1C25 hay cịn gọi cơng tắc giới hạn hành trình có thể chuyển đổi tín hiệu đưa đến PLC để tác động đến các hoạt động khác của chương trình. Cơng tắc hành trình khơng duy trì trạng thái của nó ln ln trở về vị trí đầu tiên
Với chức năng đóng, ngắt phù hợp trong các cơ cấu chuyển động cần đảm bảo an tồn, đối với đề tài này, cơng tắc hành trình có chức năng dừng động cơ đúng lúc để nó khơng phá hủy cấu trúc của các cơ cấu trong mơ hình.
2.5.9.2. Thơng số kỹ thuật − Hãng sản xuất: OMRON − Mẫu: + V-152-1C25 + V-153-1C25 + V-154-1C25 + V-155-1C25 + V-156-1C25
− Dòng điện tối đa: 15A
− Công suất AC: 15A /125-250VAC
− Công suất DC: 0.6A/125VDC-0.3A/250VDC − Tuổi thọ: trên 1 triệu lần nhấn
Hình 2.17. Cơng tắc hành trình OMRON V153-1C25
2.5.9.3. Ngun lý hoạt động
Cơng tắc hành trình là thiết bị chuyển đổi tín hiệu động cơ sang tín hiệu điện, thường dùng để đóng cắt mạch điện nó có tác dụng tương tự nút nhấn.
Ở điều kiện bình thường khi có lực tác động vào bộ phận nhận truyền động (cần gạc) các tiếp điểm của cơng tắc hành trình sẽ thay đổi trạng thái từ thường đóng sang thường hở và ngược lại.
Chương 3: THIẾT KẾ, TÍNH TỐN
3.1. Giới thiệu
Dựa trên các mục tiêu ban đầu, các thiết bị, phương án đã lựa chọn để thực hiện mơ hình bãi đỗ xe tự động cũng như các thông tin khác liên quan đến đề tài đã được đề cập tại chương 1 và chương 2 đề tài này, chương này trước tiên sẽ đi vào phân tích và lựa chọn qui trình cơng nghệ, sau đó đi vào thiết kế sơ đồ khối của hệ thống, thiết kế khung cơ khí, tủ điện của mơ hình, đưa ra ngun lý hoạt động và tính tốn trong các khâu của hệ thống, đảm bảo đáp ứng được các tiêu chí sau:
− Mơ hình thiết kế khơng q phức tạp, kích thước phù hợp với qui mô đồ án sinh viên,
đảm bảo khi đưa vào vận hành phải hoạt động theo yêu cầu công nghệ được
− Các sơ đồ, bản vẽ thiết kế đảm bảo tính thẩm mỹ, đầy đủ các q trình cơng nghệ − Sơ đồ khối đơn giản, đầy đủ các khối vào ra
3.2. Phân tích và lựa chọn qui trình cơng nghệ
3.2.1. Qui trình 1
Sử dụng 3 động cơ bước để điều khiển 3 trục X, Y, Z của tay nâng. Sử dụng 2 cảm biến hồng ngoại, 1 là để phát hiện khi nào có xe vào và 2 là để phát hiện xe đã được trả thành công hay chưa. Sử dụng 6 relay 5VDC với mỗi relay sẽ tương ứng với mỗi ô đỗ trong 6 ô đỗ. Thẻ từ RFID sẽ kích hoạt relay tương ứng với thẻ thơng qua Arduino. Sau khi quét thẻ, relay 5VDC sẽ kích hoạt đầu vào PLC tương ứng và hệ thống sẽ tự động phân tích nên thực hiện qui trình “Đưa xe vào”/“Lấy xe ra” ở ô nào dựa vào đầu vào được kích.
− Ưu điểm:
+ Tính tự động hố cao.
+ Độ chính xác tương đối cao do sử dụng động cơ bước để điều khiển − Nhược điểm:
+ Sử dụng nhiều relay 5VDC nên tốn khá nhiều chi phí + Tốn nhiều đầu vào của PLC
+ Không áp dụng được đối với hệ thống có nhiều ơ đỗ.
3.2.2. Qui trình 2
Sử dụng 3 động cơ bước để điều khiển 3 trục X, Y, Z của tay nâng. Sử dụng 2 cảm biến hồng ngoại, 1 là để phát hiện khi nào có xe vào và 2 là để phát hiện xe đã được trả
mã thẻ đồng thời kết hợp Module Ethernet Shield truyền thông gửi mã thẻ đã xử lý cho PLC S7-1200 thông qua giao thức Modbus TCP/IP. Sau khi quét thẻ, hệ thống sẽ tự động phân tích nên thực hiện “Đưa xe vào” hay “Lấy xe ra” dựa vào việc so sánh mã thẻ đã quét với mã thẻ đang có trong hệ thống.
− Ưu điểm:
+ Tính tự động hố cao
+ Có thể áp dụng đối với hệ thống có nhiều ơ đỗ, loại bỏ nhược điểm của qui trình 1. + Độ chính xác tương đối cao do sử dụng động cơ bước để điều khiển
− Nhược điểm:
+ Chi phí cao hơn qui trình 1 do việc sử dụng Ethernet shield
3.2.3. Lựa chọn qui trình cơng nghệ
Xét theo ưu, nhược điểm cũng như qui trình cơng nghệ của 2 qui trình ở trên ta sẽ chọn qui trình 2 do có nhiều ưu điểm và ít nhược điểm hơn qui trình 1
3.3. Thiết kế sơ đồ khối
Khối nguồn
Khối tín hiệu đầu vào
Khối cơ cấu
chấp hành Máy tính Arduino SWITCH Module RFID Khối xử lý trung tâm Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống
− Chi tiết các khối:
+ Khối nguồn: cung cấp điện đến tất cả các thiết bị trong các khối hệ thống
+ Khối xử lý trung tâm: sử dụng PLC Siemens S7 – 1200 có hiệu năng cao, có nhiệm
vụ nhận các tín hiệu đầu vào (như nút nhấn, cảm biến, cơng tắc hành trình) để xử lý và điều khiển các đầu ra
+ Khối tín hiệu đầu vào: bao gồm các nút nhấn, cảm biến, công tắc hành trình dùng
để phát tín hiệu bật, tắt, đưa hệ thống về trạng thái ban đầu hay dừng khẩn cấp hệ thống. Các tín hiệu này được đưa về khối PLC để xử lý
+ Khối cơ cấu chấp hành: bao gồm các driver điều khiển động cơ bước 24VDC, relay
trung gian, đèn báo. Khối này có tác dụng vận hành và báo hiệu hệ thống hoạt động.
+ Module RFID: sử dụng Module RFID RC522 để đọc mã thẻ RFID và đưa về
Arduino để xử lý
+ Arduino: sử dụng vi điều khiển Arduino mega 2560 có hiệu năng cao, giá thành
hợp lý và phổ biến trên thị trường để nhận và xử lý mã thẻ đọc được từ module RFID, sau đó kết hợp module Ethernet Shield để truyền thơng gửi dữ liệu đã xử lý vào PLC.
+ Máy tính: dùng để giao tiếp với PLC (nạp chương trình cho PLC và giám sát
WinCC) và Arduino (xử lý mã thẻ RFID) thông qua trung gian là Switch
+ Switch: dùng để chia tín hiệu ra nhiều cổng Ethernet (RJ45), làm trung gian phục
vụ cho việc giao tiếp giữa PLC, máy tính và Arduino được diễn ra.
3.4. Thiết kế bản vẽ khung cơ khí và tủ điện mơ hình
Tồn bộ phần thiết kế bản vẽ khung cơ khí và tủ điện của mơ hình bãi đỗ xe tự động này được thiết kế trên phần mềm autocad, bảo đảm phần khung mơ hình phần cứng cũng như tủ điện ngồi thực tế sẽ có kích thước và hình dạng tương đương như trên bản vẽ.
3.4.1. Thiết kế bản vẽ khung cơ khí
− Dựa vào tiêu chí ban đầu khi thiết kế, ở đây tiến hành đi vào thiết kế mơ hình sao cho
khơng q phức tạp, phù hợp với qui mô đồ án sinh viên, đảm bảo khi đưa vào vận hành phải hoạt động theo yêu cầu cơng nghệ được. Với qui mơ đồ án, kích thước mơ hình thiết kế khơng cần thiết phải q lớn, nhưng phải tạo ra khoảng trống phải đủ hợp lý để hệ thống thực hiện thao tác lấy, trả xe mà không va vào phần khung hay các phần cơ khí khác của mơ hình. Ở đây, kích thước tổng thể khung cơ khí của mơ hình có kích thước như sau:
+ Kích thước tổng thể mơ hình (Cao × rộng × sâu): 566 × 720 × 460 (𝑚𝑚)
− Vật liệu chính để làm khung có thể chọn các vật liệu như sắt, thép, nhôm, gỗ, nhựa,
mica,… Nhưng dù chọn loại vật liệu nào thì tiêu chí là phải đảm bảo được độ chắc chắn, cứng cáp để có thể di chuyển từ nhà tới trường mà khơng làm biến dạng mơ hình so với thiết kế ban đầu, ưu tiên những loại vật liệu dễ thi công bằng việc lắp ghép. Để đáp ứng được tiêu chí này, vật liệu phù hợp được chọn là nhơm, cụ thể là nhơm định hình với độ chắc chắc rất cao, có thể dễ dàng di chuyển mơ hình mà khơng lo bị biến dạng, việc thi
cần các thiết bị hỗ trợ như máy cắt hay máy khoang, cũng như độ chính xác khi thi cơng sẽ cao và sai số nhỏ hơn khi sử dụng nhôm định hình so với các loại vật liệu khác.
Hình 3.4. Hình chiếu cạnh khung cơ khí mơ hình bãi đỗ xe tự động
3.4.2. Thiết kế bản vẽ tủ điện
Phần tủ điện được thiết kế với kích thước vừa đủ để có thể lắp các thiết bị điện điều khiển vào. Ở đây tủ điện của mơ hình có kích thước như sau:
Hình 3.6. Bên trong tủ điện
3.5. Nguyên lý hoạt động hệ thống
Hệ thống được thiết kế hoạt động theo kiểu tuần tự, hoạt động này chạy xong thì hoạt động khác mới làm việc. Khi hệ thống đang chạy quá trình Đưa xe vào/Lấy xe ra thì khơng thực hiện q trình Đưa xe vào/Lấy xe ra kế tiếp cho tới khi hoạt động hiện tại đã xong để tránh tình trạng xung đột hệ thống. Quá trình Đưa xe vào/Lấy xe ra có thể được thực hiện tự động bằng cách quét thẻ từ hoặc điều khiển bằng tay thông qua WinCC.
− Đưa xe vào: Hành khách muốn đỗ xe, lái xe vào vị trí “Ơ chờ đỗ”, tắt máy, ra ngồi.
Lúc này, thông qua “Cảm biến vào” hệ thống kiểm tra xem đã có xe vào “Ơ chờ đỗ” hay chưa. Nếu đã có xe ở tại vị trí “Ơ chờ đỗ”, thao tác quét thẻ từ mới có hiệu lực. Bây giờ, người quản lý quét thẻ từ và giao lại cho khách. Sau khi quét thẻ xong, hệ thống thực hiện:
+ So sánh mã thẻ vừa quét với mã thẻ đang có trong hệ thống xem để biết đã có xe
trong bãi hay chưa, nếu chưa thì tự động di chuyển tay nâng đến vị trí “Ơ chờ đỗ”, thực hiện thao tác lấy xe. Sau khi đã lấy xe lên khỏi “Ô chờ đỗ”, hệ thống rút tay nâng về để tránh trường hợp tay nâng va vào xe khác hay va vào phần cơ khí của mơ hình rồi mới thực hiện việc di chuyển xe tới ô đỗ. Lúc này, tuỳ thuộc vào mã thẻ đã quét, hệ thống tự động xác định vị trí ơ đỗ theo mã thẻ và thực hiện đưa xe vào vị trí ơ đỗ tương ứng. Khi xe đã vào vị trí của ơ đỗ, hệ thống hiển thị trạng thái xe đã vào trên WinCC và hoàn thành việc đưa xe vào.
+ Trong quá trình thực hiện “Đưa xe vào” cho xe hiện tại, có tín hiệu u cầu “Đưa
xe vào” cho xe tiếp theo (lúc này xe tiếp theo đã vào vị trí “Ơ chờ đỗ” và đã quét thẻ) thì việc qt thẻ sẽ khơng có hiệu lực cho đến khi hệ thống hoàn thành “Đưa xe vào” cho xe hiện tại. Sau khi đã hoàn thành “Đưa xe vào” cho xe hiện tại, nếu tiếp tục có tín hiệu yêu cầu “Đưa xe vào” từ xe tiếp theo thì mới thực hiện việc “Đưa xe vào”.
− Lấy xe ra: Hành khách muốn lấy xe, đưa thẻ cho nhân viên quản lý bãi đỗ xe để quét.
Quét thẻ xong, hệ thống thực hiện:
+ So sánh mã thẻ vừa quét với mã thẻ đang có trong hệ thống để biết đã có xe trong
bãi hay chưa, nếu rồi thì tự động xác định vị trí đang đỗ của xe tương ứng với mã thẻ đã qt, sau đó di chuyển tay nâng đến vị trí mà xe đang đỗ và thực hiện thao tác lấy xe. Sau khi đã lấy xe lên khỏi ô đang đỗ, hệ thống lập tức xố xe tại vị trí ơ tương ứng trên WinCC, đồng thời rút tay nâng về để tránh trường hợp tay nâng va vào xe khác hay va vào phần cơ khí của mơ hình rồi mới thực hiện việc mang xe ra “Ô trả xe”. Tại vị trí “Ơ trả xe” có gắn “Cảm biến ra” để hệ thống xác định đã nhận được xe tại “Ơ trả xe”. Q trình “Lấy xe ra” hồn tất.
+ Trong lúc đang thực hiện “Lấy xe ra” cho xe hiện tại và tiếp tục nhận được tín hiệu
u cầu lấy xe tiếp theo thì thao tác quét thẻ sẽ khơng có hiệu lực cho đến khi hệ thống hoàn tất việc “Lấy xe ra” cho xe hiện tại. Khi đã hoàn tất việc “Lấy xe ra” cho xe hiện tại, nếu vẫn tiếp tục có tín hiệu u cầu lấy xe ra cho xe tiếp theo thì lúc này sẽ có 2 trường hợp có thể xảy ra:
• Trường hợp 1: Hệ thống sẽ không thực hiệu yêu cầu lấy xe ra cho xe tiếp theo nếu
xe hiện tại chưa rời khỏi “Ơ trả xe”
• Trường hợp 2: Hệ thống sẽ thực hiện yêu cầu lấy xe ra cho xe tiếp theo nếu xe
hiện tại đã rời khỏi “Ô trả xe” từ trước khi được quét thẻ.
Ở chế độ bằng tay: Thao tác quét thẻ cũng sẽ khơng có hiệu lực trong chế độ này
− Khi có sự cố trong lúc thực hiện Đưa xe vào/Lấy xe ra và người quản lý nhấn EMG,
lúc này việc Đưa xe vào/Lấy xe ra bằng cách quét thẻ ở chế độ tự động không thể thực hiện được nữa. Như vậy để tiếp tục Đưa xe vào/Lấy xe ra, phải sử dụng chế độ điều khiển bằng tay để Đưa xe vào/Lấy xe ra, sau đó tiến hành Hiển thị xe/xố xe tại vị trí ơ tương ứng trên màn hình WinCC. Việc di chuyển tay nâng qua lại, lên xuống hay vào ra sẽ phụ thuộc vào việc người điều khiển thông qua việc điều khiển qua WinCC với 2 tuỳ chọn điều khiển:
+ Tuỳ chọn điều khiển tự do: ở tuỳ chọn điều khiển tự do, người điều khiển có thể di
chuyển tay nâng đến bất cứ vị trí nào trong bãi đỗ, miến là nằm trong tầm hoạt động