2.5.9.3. Nguyên 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 thông 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 ơ 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
+ Khơng 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 thành công hay chưa. Sử dụng thẻ từ RFID để xác định ô đỗ, sử dụng Arduino để xử lý
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, cơng 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 thông 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 công nghệ được. Với qui mơ đồ án, kích thước mơ hình thiết kế khơng cần thiết phải quá 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 cơng mơ hình cũng có thể thực hiện được chỉ bằng việc lắp ghép với ốc, vít mà khơng
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 nhơm 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. Q 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, thơng 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 qt 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 qt 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 u 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 quét, 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 “Ơ 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” hoàn tất.
+ Trong lúc đang thực hiện “Lấy xe ra” cho xe hiện tại và tiếp tục nhận được tín hiệu
yêu cầu lấy xe tiếp theo thì thao tác qt 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 qt 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 mà tay nâng có thể đi được.
+ Tuỳ chọn điều khiển an toàn: ở tuỳ chọn điều khiển an toàn, khoảng cách di chuyển
của tay nâng sẽ bị giới hạn, đủ để đảm bảo an toàn cho tay nâng cũng như phương tiện trong bãi đỗ, giúp người điều khiển tránh việc điều khiển quá đà có thể va vào xe đã đỗ ở trong bãi hay va vào các phần cơ khí khác của mơ hình, đảm bảo an tồn tuyệt đối trong quá trình điều khiển ở chế độ bằng tay.
3.6. Tính tốn
3.6.1. Tính chọn bộ nguồn
− Đầu tiên, ta cần phải xác định bộ nguồn mong muốn cần phải cung cấp được điện áp
là U1 = 24VDC vì các thiết bị sử dụng chủ yếu là nguồn 24VDC và ta cần xác định các thiết bị nào sẽ sử dụng năng lượng từ nguồn này, sau đó tính tốn lượng năng lượng mà các thiết bị này tiêu thụ, từ đó chọn bộ nguồn cho hợp lý:
+ Ta có: 3 Động cơ bước có dịng định mức mỗi động cơ là 2A được điều khiển thơng
qua 3 driver có dịng cấp tối đa là 3A. Vì mỗi động cơ bước chỉ có dịng định mức là 2A nên ta chỉ cài đặt cho driver cấp dòng tối đa là 2A. Vậy sẽ lấy một mức chung cho cả 3 driver với dòng tiêu thụ là: I1 = 2A
⟺ công suất tiêu thụ P1 = U1 . I1 = 24 . (3. 2) = 144 (W)
+ 2 cảm biến hồng ngoại: dịng tiêu thụ là 15mA/24VDC, nhưng dịng để kích ngõ ra
của cảm biến lại là 300mA. Ta chọn mức dòng cao nhất là: I2 = 300mA = 0,3 A
+ 1 relay trung gian: dòng định mức I3 = 36,3mA = 0,0363 A
⟺ công suất tiêu thụ P3 = U1 . I3 = 24 . 0,0363 ≈ 0,9 (W)
+ PLC S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC: dòng tiêu thụ tối đa: I4 = 1500mA = 1,5A
⟺ công suất tiêu thụ P4 = U1 . I4 = 24 . 1,5 = 36 (W)
⟹Tổng công suất tiêu thụ nếu các thiết bị này hoạt động cùng một lúc: P = P1 + P2 + P3 + P4 = 144 + 14,4 + 0,9 + 36 = 195,3 (W)
Như vậy ta cần chuẩn bị một bộ nguồn như sau:
Hình 3.7. Nguồn tổ ong 24VDC – 10A
− Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp đầu vào (AC): 110V/220V 50/60hz (Chân L và N) + Điện áp đầu ra (DC): 24V (Chân V+, V- hoặc COM) + Dòng ra: 10A
+ Công suất: 240W
+ Bảo vệ: quá áp, ngắn mạch
+ Tiêu chuẩn: loại tốt, giá rẻ, đủ ampe + Đường kính ốc vặn :2,5mm
+ Số lượng ốc vào ra: 9
+ Kích thước (L x W x D): 159 x 100 x 43 mm
3.6.2. Các tính tốn liên quan đến việc lập trình điều khiển động cơ bước
Ở đây, ta sẽ chỉ sử dụng động cơ trục X (ĐCX) - là động cơ thực hiện di chuyển ngang giữa các cột, để thực hiện tính tốn các thơng số cần thiết như góc bước, số xung