Thiết kế và xây dựng hệ thống tín hiệu đèn giao thông nút giao thông Lê Hồng Phong và Nguyễn Bỉnh Khiêm dùng PLC

giao thông làm thiệt hại hàng tỉ đồng, gây lãng phí thời gian do phải chờ đợi. Hệ thống điều khiển giao thông 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 mà còn kiểm soát được nạn đua xe trái phép, giảm thiểu tai nạn giao thông, ... góp phần ổn định Chính trị, ổn định Xã hội. Ở Việt Nam trước đây, hình thức giao thông chủ yếu là giao thông đường 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 vào kết cấu hạ tầng, vào mạng lưới đường quốc lộ nên giao thông đường bộ đã và đang phát triển nhanh chóng. Đặc biệt trong 5 năm gần đây, sự nghiệp công nghiệp 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 đang được hoàn thiện, đường nội thành cũng được nâng cấp. Trước sự phát triển của đất nước, Chính phủ Việt Nam và Ủy ban nhân dân 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 nghiệp chính 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 phát triển 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 kiến trúc đẹp, một thành phố thanh lịch, mến khách. Hải Phòng có hệ thống giao thông đường bộ linh hoạt nhưng không chắc chắn. Do trung tâm thành phố và cảng nằm sát nhau nên Hải Phòng là nơi tập trung nhiều phương tiện giao thông vận tải lớn; những phương tiện này hoạt động trong thành phố đã gây hư ỏng trên mặt, nền đường, nền cầu, gây ô nhiễm môi trường bởi tiếng ồn và khói thải. Vào giờ cao điểm, các phương tiện giao thông vận tải lớn làm giảm cường độ lưu thông, làm tắc nghẽn, cản trở các phương tiện khác di chuyển trên dường. Trong nội đô Hải Phòng, còn tồn tại hai tuyến giao thông đường sắt: một chỉ phục vụ thương mại và công nghiệp, một dành cho giao thông công cộng nối với Hà Nội. Đây là nhược điểm lớn nhất của thành phố, cần có giải pháp đối với những đoạn qua nơi đông dân. Sự bùng nổ dân cư nội thành cùng sự gia tăng nhanh chóng của các loại phương 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 phải thống kê ) thì ngày nay mật độ giao thông tại một giao cắt trong nội thành Hải Phòng 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 những đường 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 tỏa phần nào ách tắc giao thông và giảm thiểu sự ảnh hưởng đến kết cấu đường trong nội thành Hải Phòng. Đây là sự đầu tư đúng đắn của thành phố - rất phù hợp cho sự phát triển trong mai sau. Có thể quan sát trên bản đồ thành phố Hải Phòng để dễ dàng nhận thấy được: cụm ngã tư Lê Hồng Phong,Nguyễn Bỉnh Khiêm,cầu vượt Lạch Tray là trục đường chính đi qua trung tâm thành phố. Do vậy nút giao thông trọng điểm trên tuyến đường huyết mạch này cần có một hệ thống điều khiển giao thông hiện đại, tiện nghi. Tóm lại, hệ thống đèn tín hiệu giao thông đang có hiện nay chưa đáp ứng hết được nhu cầu đi lại của người dân trong thành phố, chưa thỏa mãn được yêu cầu ngày cao, ngày càng phức tạp của một thành phố đô thị loại 1 cấp quốc gia, chưa giải phóng nhanh lòng đường, vẫn còn tình trạng tắc nghẽn giao thông mỗi khi tan tầm,... Hệ thống chưa theo kịp xu thế chung của Thế giới hiện nay, cũng như không còn phù hợp về mỹ quan đô thị, cần phải được phải 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 quan trọng của Thành phố. Tuy điều kiện thời gian có hạn, nhưng nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình của các thày cô giáo trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng, đặc biệt là sự chỉ bảo tận tâm 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 nhiều phương 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. GIỚI THIỆU ĐÈN LED 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 dẫn loại 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 học công 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 được lắp 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 dùng hiển 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 vì chúng 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 đèn LED xanh dương, là sự kết hợp giữa ánh sáng đỏ và xanh lá cây để cho ra ánh sáng 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 càng nhanh 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, Led được ứng dụng rộng rãi trên các lĩnh vực: bảng quảng cáo ngoài trời , bảng quảng báo, đồng hồ cỡ lớn đặt tại các biển quảng cáo tấm lớn trên đường cao tốc, hệ thống đèn giao thông, biển chỉ dẫn, và các sản phẩm khác như bảng chạy chữ điện tử, bảng hệ thống giờ, Bảng tỷ giá, bảng chứng khoán, hệ thống xếp hàng tự động… Một số bảng hiệu của thương hiệu nổi tiếng đã được ứng dụng 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 giúp chúng 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 tục trong vòng 6 năm.  Điểm hấp dẫn ở loại đèn này là nó có thể sử dụng để lắp đặt ở những nơi khó thay lắp chẳng hạn như bên ngoài toà nhà, bể bơi v.v.. với nhiều mầu sắc phong phú như: đỏ, xanh lá, xanh da trời, mầu hổ phách... thay vì phải sử dụng bóng đèn thông thường. Ở Việt Nam, một trong những đơn vị đi đầu việc ứng dụng đèn LED tiết 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 đèn LED 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 ứng ánh 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 lần đầu 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 điểm như tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, kích cỡ nhỏ, nhiệt năng sinh ra trong quá trình hoạt động không đáng kể, hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ thấp, không sử dụng thủy ngân giống như các loại bóng huỳnh quang thông thường. 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 như nhôm, gali, a-xen. Đèn LED màu trắng được tạo ra bằng cách bao phủ một lớp photphorơ màu vàng bên ngoài đèn LED xanh da trời. Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động của đèn LED cũng thấp hơn 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 kiệm điện năng hơn các loại bóng đèn khác. Cũng giống như tất cả các loại bóng đèn khác, hiệu năng của đèn LED được đo bằng công thức lumen/Watt. Loại đèn LED ánh sáng trắng ấm có hiệu năng vào khoảng 25-44 lumens/watt trong khi đó loại LED ánh sáng trắng lạnh có hiệu năng tốt hơn 47-64 lumens/watt, còn loại bóng đèn huỳnh quang thông thường được sử dụng trong các gia đình có hiệu năng thấp hơn với 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 bộ lọc và bộ điều khiển đi kèm. Bên cạnh đó đèn LED còn có những ưu điểm khác như khi hoạt động không sinh ra các tia hồng ngoại hay tia cực tím. Những ưu điểm của loại đèn này là không thể phủ nhận, những thiết kế với nhiều phong cách khác nhau đã và đang biến đèn LED trở thành một thiết bị chiếu sáng đáng được lựa chọn cho không gian sống của mỗi gia đình và các công trình xây dựng. 1.1.4. Tính năng và đặc điểm của đèn LED +Tính năng và đặc điểm Tiết kiệm điện: Tiết kiệm mức thấp nhất, hiệu suất chiếu sáng cao hơn nữa tiết kiệm khoảng 75% điện so với đèn chiếu sáng thông thường. Bảo vệ màu xanh môi trường: Không tia cực tím, không bức xạ tia hồng ngoại, phát nhiệt của ánh sánh thấp, không chứa thuỷ ngân và những chất có hại…, không gây ô nhiễm môi trường. Tuổi thọ cực lâu: Vượt qua 50,000 giờ (tương đương với 6 năm thắp sáng liên tục) Hiệu quả ánh sáng cao. Nhiệt độ làm việc thấp: Nhiệt độ làm việc của bóng đèn LED cao hơn nhiệt độ môi trường khoảng 5 – 80C, thấp hơn so với đèn huỳnh quang thông thường là khoảng 13 – 250C. Độ an toàn: Không nhấp nháy, hiển thị màu sắc tốt, có hiệu quả trong việc 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 khiển logic lập trình được ) là một thiết bị được phát minh để thay thế cho các dãy mạch rơle liên tiếp để điều khiển máy móc. PLC làm việc bằng cách quan sát các 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 ngành công nghiệp nào đang tồn tại mà muốn có cơ hội thành công thì ở đó có mặt PLC. 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 có thể 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 bằng điện 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 đơn giản ở bên ngoài. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu quá trình này là cho 10 công tắc và cuộn dây. Chúng ta sẽ cần 10 mạch thời gian bên ngoài. Nếu quá trình cần đếm sau bao nhiêu lâu , các công tắc riêng biệt sẽ được mở. Chúng ta sẽ cần rất nhiều mạch đếm bên ngoài. Bạn có thể thấy rằng quá trình xử lý càng lớn thì chúng ta càng cần thiết 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 để thiết kế những thiết bị như vậy là để giảm bớt chi phí lớn khi thay thế những rơle 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 đổi theo.Điều này trở nên rất đắt đỏ khi sự thay đổi là thường xuyên.Vì rơle là thiết 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 có nhiều role như vậy.Bây giờ ta có một bức tranh về một bảng điều khiển máy móc bao gồm rất nhiều , có thể hàng trăm , hàng nghìn role. Kích cỡ lớn như vậy có thể làm chúng ta e ngại. Thật phức tạp khi nối dây cho nhiều thiết bị riêng lẻ như vậy. Những rơle này có thể nối với nhau theo các cách để tạo đầu 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 dàng hơn. Chúng có thể tồn taị trong những môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Có rất nhiều điều để hỏi. Những câu trả lời là để sử dụng kỹ thuật lập trình mà hầu hết mọi người đã quen thuộc và thay thế những bộ phận cơ khí bằng những bộ phận cố định. Khoảng giữa những năm 70 sự thống trị của PLC là dẫn đến kết quả là máy 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 tử càng phổ biến, thì càng có nhiều PLC đựoc thiết kế dựa trên chúng. Thậm chí đến 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 hệ thống Modbus của Modicon. PLC bây giờ có thể ‘nói chuyện ới PLC khác và chúng có thể ở xa máy mà chúng điều khiển. Chúng có thể gửi và nhận nhiều loại 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 đổi thường xuyên đã làm cho giao tiếp của PLC trở nên rất khó khăn khi không tương thích về giao tiếp và mạng vật lý. Tuy nhiên đó vẫn là một thập kỷ nổi bật của PLC. Vào những năm 80.đã có những cố gắng về chuẩn hóa giao tiếp như giao thức tự động sản xuất (MAP) của General Motor. Đó cũng là khoảng thời gian mà kích cỡ của PLC được giảm đi, và phần mềm của PLC đã có thể lập trình được qua những ký hiệu lập trình trên PC thay vì nhũng thiết bị lập trình dành riêng hay lập trình bằng tay. Ngày nay PLC nhỏ nhất thế giới cỡ chỉ bằng 1 rơle điều khiển. Vào những năm 90 đã chứng kiến sự giảm dần của việc giới thiệu những giao thức mới và sự hiện đại hóa lớp vật lý của một số giao thức phổ biến từ những năm 80.Chuẩn mới nhất (IEC-1131-3) đã cố gắng kết hợp những ngôn ngữ lập trình PLC vào 1 chuẩn quốc tế. Chúng ta bây giờ có thể lập 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 để thay thế cho PLC trong một vài ứng dụng. Ngay cả những công ty đầu tiên được trang bị MODICON 084 bây giờ cũng chuyển sang hệ thống điều khiển dựa 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 đèn chính được lắp đặt tại hai đầu của hai làn đường khác nhau ở ngã tư. Mỗi một cột đèn gồm 5 đèn đó là 3 đèn chính gồm: đèn xanh, đèn đỏ và đèn đỏ; 2 đèn phụ là 2 đèn dùng điều khiển làn đường dành cho người đi bộ: đèn xanh người 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. 2.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Cơ chế hoạt động của đèn giao thông: Khi đèn của làn đường 1(đx1) được bật sáng thì cùng lúc đó đèn đỏ của làn đường 2 (đđ2), đèn đỏ cho người đi bộ ở làn đường 1(đđn1), đèn xanh người đi bộ làn đường 2 (đxn2) cũng được bật sáng.Sau một khoảng thời gian nhất định đx1 tắt,đèn vàng 1(đv1) được bật lên . 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 như sau: 0 30 33 56 59 60 t Đ1 đx1 đv1 đđ1 đđn1 đxn2 Đ2 đđ2 đx2 đv2 đxn2 đđn1 Hình 2.2: Giản đồ thời gian cho từng đèn 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 máy móc 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 hệ thống điện điều khiển. Công việc này khá phức tạp trong thi công, sửa chữa bảo trì do đó giá thành cao. Khó khăn nhất là khi cần thay đổi một hoạt động nào đó. Một hệ thống điều khiển ưu việt mà chúng ta phải chọn được điều khiển cho một máy sản xuất cần phải hội đủ các yêu cầu sau: giá thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt … Từ đó hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC (Programable Logic Control) ra đời đã giải quyết được vấn đề trên. Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên đó được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Moto - Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành 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 lúc này 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. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: dạng lập trình dùng giản đồ hình thang. Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hổ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (data manipulation). Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy 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 hệ thống 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 nằm trong bộ nhớ, nó luôn cập nhật tín hiệu ngõ vào, xử lý tín hiệu để điều khiển ngõ ra. Những đặc điểm của PLC: -Thiết bị chống nhiễu. -Có thể kết nối thêm các modul để mở rộng ngõ vào/ra. -Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu. -Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển bằng máy lập trình hoặc máy tính. -Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ. -Bảo trì dễ dàng. Do các đặc điểm trên, PLC cho phép người điều hành không mất nhiều thời gian nối dây phức tạp khi cần thay đổi chương trình điều khiển, chỉ cần lập chương trình mới thay cho chương trình cũ. 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 hàng loạt các dạng PLC với nhiều mức độ thực hiện đủ để đáp ứng các yêu cầu khác nhau của người sử dụng. Để đánh giá một bộ PLC người ta dựa vào 2 tiêu chuẩn chính: dung lượng 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 đó cũng cần chú ý đến các chức năng như: bộ vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngôn ngữ 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 lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình. S7 – 200 là thiết bị điều khiển khả trình loại nhỏ của hãng Siemens, có cấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở rộng. Các modul này sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7 – 200 là khối vi xử lý CPU 212 hoặc CPU 214. Về hình thức bên ngoài, sự khác nhau của 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 thêm bằng 2 modul mở rộng. -CPU 214 có 14 cổng vào, 10 cổng ra và có khả năng được mở rộng thêm bằng 7 modul mở rộng. S7 – 200 có nhiều loại modul mở rộng khác nhau. CPU 214 bao gồm: -2048 từ đơn (4K byte) thuộc miền nhớ đọc/ghi non-volatile để lưu chương trình (vựng nhớ có giao diện với EEPROM). -2048 từ đơn (4K byte) kiểu đọc/ghi để lưu dữ liệu, trong đó 512 từ đầu thuộc miền nhớ non-volatile. -14 cổng vào và 10 cổng ra logic. -Cú 7 modul để mở rộng thêm cổng vào/ra bao gồm luôn cả modul analog. -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, 16 Timer 10ms và 108 Timer 100ms. -128 bộ đếm chia làm 2 loại: chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa đếm lùi. -688 bit nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc. -Các chế độ ngắt và xử lý ngắt bao gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung. -3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2 KHz và 7KHz. -2 bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM. -2 bộ điều chỉnh tương tự. -Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ khi PLC bị mất nguồn nuôi.Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 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 Các cổng ra Q1.0 Q1.1 Hình 3.1.Bộ điều khiển lập trình được(khả trình)S -200 với khối vi xử lý CPU 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 thực hiện (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 giá trị 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 giá trị logic của cổng. Cổng truyền thông : S7 – 200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác. Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud. Tốc độ truyền 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 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác. Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud. Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do là 300 đến 38.400. 5 4 3 2 1 1111 9 8 7 6 6 Hình 3.2. Sơ đồ của cổng truyền thông Trong đó : Chân Giải thích 1 Đất 2 24 VDC 3 Truyền và nhận dữ liệu 4 Không sử dụng 5 Đất 6 5 VDC (điện trở trong 100W) 7 24 VDC (120 mA tối đa) 8 Truyền và nhận dữ liệu 9 Không sử dụng Để ghép nối S7 – 200 với máy lập trình PG702 hoặc với các loại máy lập trình thuộc họ PG7xx có thể sử dụng cáp nối thẳng qua MPI .Cáp đó đi kèm theo máy lập trình. Ghép nối S7 – 200 với máy tính PC qua cổng RS-2 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485. Công tắc chọn chế độ làm việc của PLC Công tắc chọn chế độ làm việc nằm phía trên, bên cạnh các cổng ra của S7 – 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. -STOP cưỡng bức PLC dừng thực hiện chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP. Ở chế độ STOP PLC cho phép hiệu chỉnh lại chương trình hoặc nạp một chương trình mới. -TERM cho phép máy lập trình tự quyết định một trong các chế độ làm việc 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) cho phép 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 bị chỉnh 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 như dung lượng tụ nhớ bị cạn kiệt và nó phải thay thế vào vị trí đó để dữ liệu trong 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 vụ duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn. Bộ nhớ của S7 – 200 có tính năng động cao, đọc và ghi được trong toàn vùng, loại trừ phần 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/ghi được. 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 đệm truyền 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 non-volatile nhưng đọc/ghi được 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 chương trình. 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 kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra. 3.Truyền thông và tự kiểm tra lỗi. 4. Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi 2. Thực hiện chương trình. 1. Nhập dữ liệu từ ngoại vi vào bộ đệm ảo Hình 3.4. Vòng quét (scan) trong S7-200 Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm 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 cách trực tiếp với cổng vào/ra. Nếu sử dụng các chế độ xử lý ngắt, chương trình con tương ứng với từng 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 xuất hiện 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 Những phần mềm này đều có thể cài đặt được trên các máy lập trình họ PG7xx 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 trình con 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 trình chính MEND. -Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình chính. Sau đó đến các chương trình xử lý ngắt. Bằng cách viết như vậy, cấu trúc chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình sau này. Có thể tự do trộn lẫn các chương trình con và chương trình xử lý ngắt đằng sau chương trình chính. Hình 3.6. Hình ảnh thực tế của PLC S7-200 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THÔNG 4.1. MỞ ĐẦU Đèn tín hiệu là một thiết bị phát sáng sơ cấp cung cấp thông tin như: dừng, đi, rẽ, đường cấm… cho người đi đường và được phân biệt bởi màu sắc: Xanh - Vàng - Đỏ. Việc báo hiệu bằng ánh sáng tại các giao cắt có chức năng chính là bảo đảm an toàn cho người đi bộ, đi xe và tăng lưu thông trong giao thông bằng việc ._.