Khi PLC nhận tín hiệu từ chân đầu vào (cảm biến, nút nhấn,…), tín hiệu này sẽ được PLC xử lý và xuất ra tín hiệu để điều khiển các thiết bị ở phía chân đầu ra.
Vịng quét của chương trình được thực hiện trong thời gian rất ngắn (1ms đến 10ms). Thời gian vòng quét nhanh hay chậm phụ thuộc vào tốc độ xử lý của PLC, cấu trúc chương trình, tốc độ giao tiếp của PLC với các thiết bị.
2.5.2. Arduino mega 2560
2.5.2.1. Tổng quan
Arduino là một nền tảng mã nguồn trong đó đã bao gồm vi điều khiển và phần mềm lập trình (IDE) dùng để viết và tải chương trình lên bo mạch.
Arduino mega 2560 được sử dụng trong nhiều dự án từ quy mô lớn đến nhỏ nhờ sự đơn giản dễ tiếp cận. Có nhiều tính năng vượt trội so với các dòng vi điều khiển khác. Arduino có thể nạp chương trình vào phần cứng chỉ bằng cáp USB không thông qua phần cứng riêng để tải mã.
Phần mềm lập trình Arduino IDE với nhiều phiên bản dễ dàng tiếp cận và sử dụng ngơn ngữ lập trình C, C++. Đi kèm với đó là sự hỗ trợ rất nhiều từ cộng đồng Arduino trên toàn thế giới, giúp cho việc tiếp cận của học sinh hay người mới bắt đầu trở nên đơn giản hơn bao giờ hết.
Với nhiều phiên bản Arduino được ra mắt, mỗi Arduino đều có một mục đích sử dụng khác nhau. Từ sự nhỏ gọn tiện lợi của Arduino Nano đến thiết kế lớn hơn sử dụng nhiều chân tín hiệu như Arduino Mega, Arduino Uno đáp ứng được yêu cầu của mỗi dự án khác nhau.
Hình 2.9. Một số dịng Arduino hiện nay
2.5.2.2. Thơng số kỹ thuật
− IC nạp cũng như giao tiếp là: ATmega16U2.
− Nguồn ni: 5VDC (có thể cắm trực tiếp từ USB) hay 9V (nếu cắm qua giắc cắm
nguồn DC)
− Nguồn khuyên dùng: 7-9VDC (Nếu cắm trên 12VDC thì sẽ gây hỏng mạch) − Số lượng chân Digital: 54 (trong đó có 15 chân PWM)
− Số lượng chân Analog: 16 (độ phân giải 10bit ↔ 210-1 )
− Giao tiếp UART: 4 bộ UART
− Giao tiếp SPI: từ chân 50-53 sử dụng với thư viện SPI Arduino. − Giao tiếp I2C: 1 bộ
− Ngắt ngoài: 6 chân − Xung clock: 16 MHz
− Tính năng Shield của Arduino Uno đều có thể sử dụng trên Mega.
Hình 2.10. Arduino mega 2560
2.5.2.3. Bộ nhớ
− Bộ nhớ: 256KB cho Flash sử dụng (8KB trong tổng 256KB được sử dụng bởi
bootloader)
− SRAM: 8 KB − EEPROM: 4 KB
2.5.2.4. Các chân vào ra
− Arduino Mega có: 54 chân digital (15 chân có thể sử dụng làm chân ngõ ra điều chế
độ rộng xung PMW), 16 chân analog, 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), 1 cổng USB, 1 jack cắm điện, 1 đầu ICSP, 1 nút reset.
− Trong đó lên tới 5 chân GND, 3 chân 5V, 1 chân 3.3V và không thể thiếu 1 chân reset. − Cơ bản các tính năng của Arduino Mega đều giống với Arduino Uno, chỉ khác về quy
mô số lượng chân
− Arduino Mega 2560 đã có thể kết nối với thế giới bên ngồi, đưa thơng tin lên Wed…
2.5.3. Module Ethernet Shield W5100
2.5.3.1. Tổng quan
Ethernet Shield là một mạch giao tiếp mở, kết nối Arduino với mạng internet. Ứng dụng truyền thông tin dữ liệu với tốc độ nhanh và khoảng cách lớn, phù hợp trong các lĩnh vực IoT, điều khiển giám sát. Ưu điểm vượt trội hơn khi sử dụng sóng RF hay cách truyền bằng tin nhắn.
Với phiên bản này, để lưu trữ tin, Ethernet Shield đã được tích hợp thêm khe cắm SD. Ethernet Shield tương thích với những dịng Arduino mới như Uno và Mega. Có thể sử dụng khe thẻ cắm SD và sử dụng được thư viện SD có sẵn trong phần mềm Arduino IDE.
Nhờ vào IC điều khiển W5100 tích hợp trên Ethernet Shield, việc truyền thơng và truyền dữ liệu sẽ thông qua 2 giao thức là TCP và UDP. Số đường truyền dữ liệu song song ở mức tối đa là 4. Với nhiều ưu điểm vượt trội, khả năng song song cùng 4 luồng dữ liệu giúp board có khả năng nhận dữ liệu với tỉ lệ lỗi rất thấp.
2.5.3.2. Thông số kỹ thuật
− Dùng được với Arduino Mega và Uno.
− Điện áp nuôi cho Shield: 5V (được cấp từ bo mạch Arduino). − Chíp: W5100 với buffer nội 16K.
− Tốc độ kết nối: 10/100Mb.
− Kết nối: Được kết nối với mạch Arduino qua cổng SPI.
Hình 2.11. Ethernet Shield kết nối với Arduino Mega 2560
2.5.3.3. Nguyên lý hoạt động
Sau khi kết nối Ethernet Shield với Arduino Mega cùng với việc sử dụng cáp truyền thông dữ liệu trong Arduino sẽ được chia sẻ lên wed hoặc các thiết bị kết nối mạng khác để điều khiển thông qua giao thức Modbus TCP/IP.
2.5.4. Module RFID RC522
2.5.4.1. Tổng quan
Module RFID RC522 hỗ trợ giao tiếp nhiều chuẩn như I2C, SPI và UART và thường được vận chuyển cùng với thẻ RFID và thẻ khóa. Nó thường được sử dụng trong các hệ thống chấm công và các ứng dụng nhận dạng người, vật thể khác.
RC522 bao gồm một đầu đọc RFID, thẻ RFID và một chùm chìa khóa. Mơ-đun hoạt động 13,56MHz, là băng tần cơng nghiệp (ISM) và do đó có thể được sử dụng mà khơng gặp vấn đề gì về giấy phép. Nó thường được sử dụng trong ứng dụng mà người / đối tượng nhất định phải được xác định bằng một ID(mã số) duy nhất.
Đầu đọc RC522 có khả năng vừa đọc và ghi dữ liệu trong cùng một thời điểm do sử dụng chuẩn giao thức SPI. Nó chỉ có thể đọc dữ liệu ở dạng thẻ thụ động với tần số hoạt động trên 13,56MHz.
RC522 được sử dụng nguồn cấp và giao tiếp 3,3V. Tuy nhiên, các chân giao tiếp của mơ-đun này có khả năng chịu được 5V và do đó nó có thể được sử dụng với các bộ vi điều khiển 5V cũng như Arduino mà không cần bất kỳ phần cứng bổ sung nào. Có khả năng giao tiếp nhiều chuẩn SPI, I2C, UART với tốc độ tối đa đạt được là 10Mbps.
Vì trong ứng dụng, hầu hết thời gian mơ-đun trình đọc sẽ chờ thẻ đến gần. Bằng cách sử dụng chân IRQ trên mơ-đun, điều này có thể đạt được. Dịng điện tối thiểu mà mơ-đun tiêu thụ trong chế độ tắt nguồn sẽ chỉ là 10uA.
Bằng việc sử dụng mô-đun RFID RC522 này giao tiếp với Arduino để truyền thông Modbus TCP/IP với PLC S7-1200 nhóm có thể tìm hiểu và luyện tập thêm về mảng lập trình truyền thơng trong cơng nghiệp.
2.5.4.2. Thông số kỹ thuật
− Nguồn: 3,3 VDC, 13 – 26mA − Tần số sóng mang: 13,56 MHz
− Khoảng cách hoạt động: 0~60mm (mifare1 card) − Giao tiếp: SPI
− Tốc độ truyền dữ liệu: lên tới 10Mbit/s
− Các loại card RFID hỗ trợ: mifare1 S50(hoặc S70), mifare UltraLight(hoặc Pro hay
Desfire).
Hình 2.12. Module RFID RC522 và thẻ từ
2.5.4.3. Nguyên lý hoạt động
Thiết bị đầu đọc RFID phát ra sóng điện từ ở tần số nhất định. Khi thiết bị RFID tag (thẻ từ) trong vùng hoạt động, nó sẽ nhận được sóng điện từ đồng thời thu năng lượng và phát lại cho đầu đọc RFID biết mã số của nó. Từ đó đầu đọc có thể biết được thẻ nào đang trong vùng hoạt động.
2.5.5. Động cơ bước
2.5.5.1. Tổng quan
Động cơ bước (stepper motor) là loại động cơ dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện các chuyển động góc quay hoặc chuyển động của rotor. Động cơ bước step có thể định dạng được tần số góc quay, tùy thuộc vào góc bước trên mỗi vịng quay chúng ta sẽ thu được tín hiệu khác nhau. Trong mơ hình bãi đỗ xe tự động, động cơ bước có tác dụng nâng/hạ, đưa xe ra/vào và di chuyển trái/phải với mỗi trục là một động cơ bước.
Động cơ có các góc bước đạt cao nhất ở 900 và nhỏ nhất ở 0,720. Những kiểu góc bước phổ biến hay sử dụng là: 1,80 ; 2,50 ; 150
2.5.5.2. Thông số kỹ thuật
− Loại động cơ bước: 2 phase − Dòng định mức: 2A
− Độ phân giải: 1,80 trên mỗi bước
Hình 2.13. Động cơ bước
2.5.5.3. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động động cơ bước là quay theo từng bước một đem lại độ chính xác cao trong xử lý. Động cơ bước được thiết kế để các tín hiệu ở khu vực điều khiển chạy vào stato theo thứ tự và lần lượt theo tần số nhất định.
Động cơ bước step thay đổi được chiều quay và tốc độ phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi, tổng số góc quay tương đương với tổng số lần chuyển mạch.
− Dưới đây là 4 phương pháp điều khiển được sử dụng phổ biến nhất:
+ Điều khiển động cơ bước dạng sóng (Wave): Với phương pháp này bộ điều khiển
sẽ được cấp xung và hoạt động lần lượt theo thứ tự nhất định của từng cuộn dây pha.
+ Điều khiển động cơ bước đủ (Full step): Phương pháp full step cho phép cấp xung
cùng lúc và các cuộn dây pha sắp xếp cùng kế tiếp.
+ Điều khiển động cơ nửa bước (Half step): Phương pháp này là sự kết hợp của Wave
và Full step vừa điều khiển động cơ dạng sóng vừa điều khiển động cơ bước đủ. Với phương pháp này giá trị góc bước của động cơ sẽ nhỏ đi 2 lần và sẽ tăng 2 lần số góc bước so với điều khiển thơng thường. Nhược điểm của phương pháp này sử dụng bộ phát xung rất phức tạp khó sử dụng và chỉnh sửa.
+ Điều khiển động cơ vi bước (Microstep): Với phương pháp mới này, cho phép định
vị khoảng cách giữa các bước đủ với nhau nhưng chỉ áp dụng được trong quá trình điều khiển động cơ bước.
2.5.6. Driver TB6560
2.5.6.1. Tổng quan
Với nhiều tính năng mới và được sử dụng rộng rãi, trình điều khiển động cơ bước Driver TB6560 là bộ phận không thể thiếu để điều khiển động cơ bước 2 pha
10÷35VDC. Phổ biến rộng rãi và được sử dụng nhiều trong một số hệ thống tự động, hệ thống CNC, hệ thống máy cắt,...
Driver TB6560 có thể điều khiển nhiều chế độ vi bước và được cài đặt ở phần cứng. Hạn dòng cho motor (Decay): Mỗi khi có dịng điện chạy qua IC bên trong sẽ được cấp nguồn. IC làm việc liên tục theo chu kỳ cấp hoặc ngưng, dao động liên tục nhờ vào tụ xả C5, tầng số cao thì IC kiểm tra và thay đổi cũng xảy ra nhanh.
2.5.6.2. Thông số kỹ thuật
− Điện áp hoạt động: 10÷35V − Dịng điện: tối đa lên đến 3A
− Cách ly quang học: Chống nhiễu, an tồn, xử lý tín hiệu tốc độ cao. − Có tích hợp tản nhiệt.
− Thích hợp cho nhiều loại động cơ bước khác nhau như: 43, 57, 86
− Điều khiển được các động cơ bước 2 pha (4 dây hoặc 6 dây) hay 4 pha (4 dây hoặc 6
dây)
− Có thể điều chỉnh dịng tải tối đa 3A
− Có thể điều chỉnh vi bước 1:1, 1:2, 1:3, 1:6 − Có thể điều chỉnh lực giữ vị trí
− Đơn giản dễ sử dụng, thiết kế mẫu mã đẹp và hoạt động ổn định.
Hình 2.14. Driver TB6560
2.5.6.3. Nguyên lý hoạt động
Module TB6560 sử dụng nguồn cấp 12V hoặc 24V cấp cho động cơ bước hoạt động và tạo ra điện áp 5V cho các khối còn lại.
Với 6 chân đầu vào: 1 chân EN-, 1 chân EN+, 1 chân CW-, 1 chân CW+, 1 chân CLK- và 1 chân CLK+. Bao gồm 2 chân điều khiển chiều quay (CW- và CW+) và 2 chân để điều khiển bước quay (CLK- và CLK+), module TB6560 cho phép tùy chọn tín
hiệu điều khiển là 0 hoặc 1. Với 4 chân đầu ra A+, A-, B+, B- cho phép kết nối với 4 đầu dây của động cơ bước lưỡng cực.
Cho phép người dùng thiết lập các chế độ tự chọn như: chọn dòng quá áp động cơ, điều chỉnh độ rộng góc bước,..
2.5.7. Cảm biến hồng ngoại E3F–DS30C4
2.5.7.1. Tổng quan
Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 NPN 6-36V cũng giống như cách thức hoạt động chung đều dùng ánh sáng hồng ngoại để phát hiện vật cản. Trong đề tài này thì cảm biến rất phù hợp để phát hiện xe vào ra, đem lại tính tự động cao, phù hợp với PLC.
Hình 2.15. Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4
2.5.7.2. Thơng 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. Thơng 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 khi khơng hoạt động.
Với chức năng đóng, ngắt phù hợp trong các cơ cấu chuyển động cần đảm bảo an toàn, 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. 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: