Nghiên cứu chế tạo mô hình bãi đỗ xe ô tô tự động

Tính cấp thiết của đề tài Bãi đỗ xe hiện đã trở thành một trong những yếu tố cấu thành giá trị của bất kỳ một bất động sản nào tại các đô thị lớn “Có chỗ đỗ xe hay không ?” đang trở thà

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện – điện tử

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: Th.S Hà Duy Thái

Phú Thọ, 2017

ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến toàn thể Quý thầy

cô Trường Đại học Hùng Vương, Quý thầy cô khoa Kỹ thuật – Công nghệ đã dạy dỗ, truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt bốn năm học tập và rèn luyện tại trường Đặc biệt là thầy Hà Duy Thái, người đã tận tình giúp đỡ chỉ bảo để em có thể hoàn thiện được khóa luận này

Tuy nhiên thời gian có hạn cùng với nhiều nguyên nhân khác, mặc dù

em đã nỗ lực hết mình xong khóa luận của em vẫn còn nhiều thiếu sót và hạn chế Em rất mong nhận được sự thông cảm và sự chỉ bảo của Thầy Cô để em

có thể hoàn chỉnh được khóa luận của mình

Em xin chân thành cảm ơn !

Việt Trì, Tháng 5 năm 2017

Sinh Viên

Lê Trường Giang

ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 1

Danh mục các bảng 2

Danh mục các hình ảnh 3

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 9

1.1 Lịch sử hình thành bãi đỗ xe trên thế giới 9

1.1.1 Những bãi giữ xe tính phí đầu tiên 9

1.1.2 Nhà giữ xe thuở sơ khai 10

1.1.3 Hệ thống đỗ xe tự động APS 11

1.2 Một số gara trên thế giới 11

1.2.1 Autostadt Car Towers, Đức 11

1.2.2 Bãi đậu xe Eureka, Melbourne 12

1.2.3 Garage Dubai 13

1.2.4 Bãi đỗ xe Santa Monica Civic, Mỹ 13

1.2.5 Bãi đỗ xe cao tầng ở Hà Nội, Việt Nam 14

1.2.6 Bãi đỗ xe tại trung tâm thương mại Vincom, Việt Nam 14

1.3 Ý tưởng thiết kế mô hình bãi đỗ xe 15

1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 15

1.5 Các phương án thiết kế mạch điều khiển 15

1.5.1 Với mạch dùng IC rời 15

1.5.2 Với mạch dùng kỹ thuật vi điều khiển 16

1.5.3 Với mạch dùng PLC 16

1.6 Tổng quan hướng nghiên cứu của đề tài 17

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 19

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 19

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 19

2.2 Nội dung nghiên cứu 19

ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG

2.3 Phương pháp nghiên cứu 19

2.3.1 Tiến trình thực hiện nghiên cứu 19

2.3.2 Phương pháp thực hiện nội dung 1 20

2.3.3 Phương pháp thực hiện nội dung 2 21

2.3.4 Phương pháp thực hiện nội dung 3 40

2.3.5 Phương pháp thực hiện nội dung 4 48

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐẠT ĐƯỢC 49

3.1 Kết quả thiết kế, thi công và chế tạo phần cứng mô hình bãi đỗ xe 49

3.2 Kết quả thi công và lập trình phần mềm bãi đỗ xe 52

3.3 Kết nối phần mềm TIA Portal, WinCC với PLC S7-1200 58

3.4 Đánh giá sự ổn định của hệ thống 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 67

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

PID Proportional Integral Derivative

PLC Programmable Logic Controller

PTO Pulse Train Output

PWM Pulse Width Modulation

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Điện áp của các thiết bị trong đề tài 22

Bảng 2.2 Đặc tính của các CPU S7-1200 27

Bảng 2.3 Thông số các kiểu module của PLC S7-1200 28

Bảng 3.1 Hoạt động của các thiết bị cổng vào so với yêu cầu công nghệ 62

Bảng 3.2 Hoạt động của các thiết bị cổng ra so với yêu cầu công nghệ 63

Bảng 3.3 Đánh giá ổn định của hệ thống 63

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 Ô tô đậu nhiều trên vỉa hè và lòng đường tại TP.Việt Trì 6

Hình 1.1 Bãi giữ xe tính phí đầu tiên 9

Hình 1.2 Nhà giữ xe thuở sơ khai 10

Hình 1.3 Hệ thống đỗ xe tự động 11

Hình 1.4 Bãi đậu xe Autostadt Car Towers, Đức 12

Hình 1.5 Bãi đậu xe Eureka, Melbourne 12

Hình 1.6 Bãi đậu xe ở Dubai 13

Hình 1.7 Santa Monica Civic, Mỹ 13

Hình 1.8 Bãi đỗ xe cao tầng ở Hà Nội, Việt Nam 14

Hình 1.9 Bãi đậu xe tại Vincom 14

Hình 2.1 Giao diện phần mềm SolidWords 20

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống 21

Hình 2.3 Nguồn tổ ong 22

Hình 2.4 Cấu tạo cảm biến ánh sáng 24

Hình 2.5 Công tắc hành trình 25

Hình 2.6 PLC S7-1200 26

Hình 2.7 Các khối chức năng CPU S7-1200 26

Hình 2.8 Sơ đồ kết nối CM, SB, SM với PLC S7-1200 28

Hình 2.9 Kết nối vào/ra của PLC với các thiết bị ngoại vi 29

Hình 2.10 Giao diện phầm mềm TIA Portal 13 30

Hình 2.11 Khả năng mở rộng của S7-200 và S7-1200 30

Hình 2.12 Cấu hình I/O của S7-200 và S7-1200 31

Hình 2.13 Tín hiệu I/O và tín hiệu trên PLC của S7-200 và S7-1200 31

Hình 2.14 Cấu trúc lập trình trên S7-200 và S7-1200 32

Hình 2.15 Cấu trúc chương trình con trên S7-200 và S7-1200 32

Hình 2.16 Cấu trúc chương trình con FC 33

Hình 2.17 Cấu trúc dữ liệu kiểu mới trên S7-1200 33

Hình 2.18 Giao diện phần mềm WinCC Explorer 35

Hình 2.19 Cửa sổ soạn thảo Graphics Designer 37

Hình 2.20 Cấu tạo Module L298 37

Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý L298 38

Hình 2.22 Rơle trung gian 39

Hình 2.23 Đế của rơle trung gian 39

Hình 2.24 Cấu tạo động cơ DC 40

Hình 2.25 Máy cưa gỗ cầm tay, thước cuộn, bút và búa 41

Hình 2.26 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 41

Hình 2.27 Máy hàn thiếc, máy khoan 42

Hình 2.28 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 44

Hình 2.29 Lưu đồ thuật toán cửa vào 45

Hình 2.30 Lưu đồ thuật toán cửa ra 46

Hình 2.31 Lưu đồ thuật toán khởi động, dừng 47

Hình 3.1 Thiết kế 3D mô hình bãi đỗ xe trên SolidWords 49

Hình 3.2 Thiết kế 3D đế mô hình bãi đỗ xe trên SolidWords 49

Hình 3.3 Lắp các thiết bị khối cảm biến và khối trung gian, động cơ trên mô hình 50

Hình 3.4 Đi dây kết nối PLC với các thiết bị vào/ra 50

Hình 3.5 Lắp và đi dây khối nguồn 51

Hình 3.6 Hoàn thiện phần cứng mô hình 51

Hình 3.7 Giao diện tạo Project trên phần mềm TIA Portal 52

Hình 3.8 Chọn CPU S7-1200 52

Hình 3.9 Giao diện lập trình của TIA Portal 53

Hình 3.10.a Tạo project trên phần mềm WinCC Explorer 54

Hình 3.10.b Tạo project trên phần mềm WinCC Explorer 54

Hình 3.11.a Mở giao diện liên kết PLC với WinCC 55

Hình 3.11.b Liên kết PLC với WinCC 55

Hình 3.12.a Mở giao diện thiết kế trên WinCC Explorer 56

Hình 3.12.b Giao diện thiết kế trên phần mềm WinCC Explorer 56

Hình 3.13.a Mở phần lập trình Global Script trên WinCC Explorer 57

Hình 3.13.b Giao diện lập trình C trên WinCC Explorer 57

Hình 3.14 Kết quả thiết kế trên phần mềm WinCC Explorer 58

Hình 3.15 Kết nối máy tính với PLC qua cổng Ethernet 58

Hình 3.16.a Kết nối máy tính với PLC 59

Hình 3.16.b Kết nối máy tính với PLC 59

Hình 3.16.c Kết nối máy tính với PLC 60

Hình 3.17.a Kết nối phần mềm WinCC với PLC 60

Hình 3.17.b Kết nối phần mềm WinCC với PLC 61

Hình 3.17.c Kết nối phần mềm WinCC với PLC 61

Hình 3.18 Hệ thống hoạt động và màn hình giám sát 62

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bãi đỗ xe hiện đã trở thành một trong những yếu tố cấu thành giá trị của bất kỳ một bất động sản nào tại các đô thị lớn “Có chỗ đỗ xe hay không ?” đang trở thành một câu hỏi lớn đối với những người mua nhà, những người đi mua sắm, những người đến văn phòng, những người đến nhà hàng, hay đi vui chơi giải trí v.v… Việc có chỗ đỗ xe đã và đang trở thành một lợi thế đối với bất kì hoạt động kinh doanh nào tại trung tâm thành phố, hơn thế nữa việc có được một dịch vụ đỗ xe chuyên nghiệp sẽ lại càng là thế mạnh để các khu nhà

ở, khu mua sắm, khu văn phòng, khu ẩm thực cạnh tranh với các đối thủ của mình Do vậy, để giữ được lợi thế kinh doanh và thu hút khách hàng đến sử dụng dịch vụ và mua sản phẩm của mình, việc đáp ứng đủ chỗ đỗ xe cũng như dịch vụ trông giữ xe chuyên nghiệp sẽ luôn là một trong những yếu tố quan trọng Khảo sát thực tế cho thấy, tại thành phố Việt Trì chưa có bãi đỗ

xe nào dành cho ô tô, phần lớn ô tô đậu xe trên vỉa hè, lòng đường gây cản trở giao thông

Hình 1 Ô tô đậu nhiều trên vỉa hè và lòng đường tại TP.Việt Trì

Trên đường Nguyễn Du hay đường Đại Nải có rất nhiều cửa hàng, quán

ăn lớn nhưng không có lấy một bãi đỗ xe nào, phương tiện để tràn lan trên vỉa

hè, ô tô thì xếp dọc bên lòng đường Ở trung tâm thương mại lớn như Vincom cũng chỉ có hầm để xe cho xe máy, xe đạp, còn ô tô thì đỗ trật kín hai lề đường làm ảnh hưởng lưu thông trên đường phố và gây mất mỹ quan đô thị

Với mong muốn xây dựng một khái niệm mới, quan niệm mới và hình ảnh mới về dịch vụ đỗ xe trong thành phố, và việc vận dụng các công nghệ tiên tiến để quản lý, vận hành bãi đỗ xe một cách chuyên nghiệp, góp phần giải quyết áp lực về vấn đề giao thông trong thành phố Hệ thống áp dụng vào thực tế sẽ giải quyết vấn đề tiết kiệm chi phí chi trả cho nhân công trong quản

lý và đặc biệt là tính an toàn, tiện dụng của hệ thống

Hiện nay, cùng với sự phát triển của hệ thống hiện đại có các thiết bị điện ứng dụng công nghệ tân tiến thì vấn đề quản lý, giám sát, điều khiển hệ thống điện với sự trợ giúp đắc lực của các thiết bị tự động [4] Một trong những thiết bị đó là PLC, bộ điều khiển trung tâm PLC là thiết bị trung gian giúp cho người quản lý thu nhận dữ liệu, thông tin đầy đủ và điều khiển hệ thống

Bộ điều khiển PLC được ứng dụng rộng rãi ở nước ta, sử dụng nhiều trong công nghiệp hay những hệ thống tự động phức tạp PLC có thể khắc phục được những nhược điểm của bộ điều khiển bằng dây nối (bộ điều khiển bằng Rơle) [1]:

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được chương trình phức tạp

- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh như: máy tính, nối mạng, modul mở rộng

Từ những vấn đề trên, nên em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo

mô hình bãi đỗ xe ô tô tự động” để làm khóa luận tốt nghiệp của mình

2 Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Sử dụng PLC kết nối truyền thông với màn hình giám sát giúp người quản lý vận hành, điều khiển hệ thống một cách nhanh chóng, hiệu quả

- Làm mô hình học tập cho sinh viên thực hành trong xưởng điện của

bộ môn

3 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ứng dụng hệ thống tự động hóa vào các bãi đỗ xe giúp cho việc quản lý

xe chặt chẽ, hiệu quả Ngoài ra, còn góp phần vào việc xây dựng nếp sống văn minh đô thị, không còn tình trạng lấn chiếm vỉa hè, lòng đường hay ảnh hưởng đến giao thông đô thị Mô hình có thể áp dụng được ở những nơi có số lượng xe trung bình và giảm được số lượng nhân công

4 Mục tiêu của đề tài

Thiết kế thành công mô hình bãi đỗ xe ô tô tự động

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Lịch sử hình thành bãi đỗ xe trên thế giới

Tìm hiểu lịch sử ra đời và phát triển bãi đỗ xe tự động trên thế giới sẽ giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan về giải pháp công nghệ cao đang góp lớn vào cuộc sống hiện đại tiện nghi của con người Từ những năm 20 của thế kỷ trước, hệ thống đỗ xe ô tô tự động cũng đã xuất hiện nhằm đáp ứng nhu cầu

về chỗ đỗ xe ô tô Thời điểm đó, hệ thống đỗ xe tự động mới chỉ có tại các nước Bắc Mỹ, Tây Âu, đến nay chúng đã trở thành một phần không thể thiết trong giao thông công cộng ở các nước đang phát triển

1.1.1 Những bãi giữ xe tính phí đầu tiên

Trước khi các bãi giữ xe được xây dựng và trang bị công nghệ tự động thông minh thì mọi người đỗ chúng trên đường phố hoặc đỗ chúng ở bất cứ vị trí nào cho đến khi họ xong việc Tại các khu mua sắm hầu hết chỗ đậu xe đều

đã bị chiếm đóng bởi nhân viên làm việc, không có chỗ cho các khách hàng tiềm năng Vấn đề tắc nghẽn giao thông thường xuyên xảy ra tại các thành phố lớn Cho đến khi vấn đề này gây ra những thiệt hại về kinh tế một cách rõ rệt thì người ta mới bắt đầu nghĩ cách điều chỉnh thời gian đậu xe và xây dựng khu đỗ xe một cách bài bản

Hình 1.1 Bãi giữ xe tính phí đầu tiên

Vào những năm 20-30 của thế kỷ XX, tại thành phố Oklahoma của Hoa

Kỳ - một trong những thành phố đông dân nhất, khi các thương gia phàn nàn

về vấn đề giao thông, các nhà chức trách đã tổ chức cuộc thi thiết kế sản phẩm đồng hồ đỗ xe tại các bãi đỗ xe của trung tâm thành phố Cuối cùng, bãi đậu

xe tự động đầu tiên được thiết kế bởi Holger George Thuessen và Gerald A Hale Hale và Thuessen bắt đầu làm việc với các đồng hồ đỗ xe vào năm 1935

và các dự án được giao bởi Carl Magee Như vậy bãi đậu xe có đồng hồ đầu tiên được lắp đặt tại thành phố Oklahoma vào ngày 16 tháng 7 trong năm

1935 (Hình 1.1)

Những bãi đỗ xe có đồng hồ đếm giờ sẽ khiến mọi người phải trả phí khi muốn đỗ xe, từ đó họ có trách nhiệm hơn với việc dừng đỗ xe của mình

1.1.2 Nhà giữ xe thuở sơ khai

Khi xe hơi ngày một nhiều lên, sẽ cần có nhiều không gian hơn, một bãi

đỗ xe được xây dựng cẩn thận với đầy đủ trang thiết bị trở thành một vấn đề lớn và các nhà lãnh đạo lại bắt đầu đi tìm giải pháp

Hình 1.2 Nhà giữ xe thuở sơ khai

Những chiếc xe hơi đầu tiên không được làm từ các chất liệu cao cấp như ngày nay Vào thời đó, xe hơi rất “nhạy cảm” và không thể chống chịu với thời tiết mưa, nắng, lạnh giá thất thường Do đó họ phải đậu xe trong khu vực

có mái che được bảo vệ khỏi các điều kiện thời tiết Các bãi đậu xe được rào

chắn trong các khu phố, sẽ thấy nó rất sơ sài, chưa có trang thiết bị cao cấp nào được lắp đặt trong những nhà để xe sơ khai như thế này (Hình 1.2)

1.1.3 Hệ thống đỗ xe tự động APS (Automatic Parking Systems)

Hình 1.3 Hệ thống đỗ xe tự động

Các nhà đỗ xe tự động đầu tiên được xây dựng vào năm 1905 tại thủ đô Paris của Pháp Khi diện tích đất tại thành phố Paris ngày một bị thu hẹp bởi

sự phát triển chóng mặt của kinh tế, văn hóa thì thách thức đặt ra với các bãi

đỗ xe ngày càng lớn Người ta nghĩ rằng sẽ phải sử dụng một nhà đỗ xe tầng

là xe này chồng lên xe kia, việc di chuyển xe phải sử dụng thang máy Khách gửi xe chỉ việc giao xe tại khu vực chỉ định, nhân viên bãi giữ xe tự động sẽ

có nhiệm vụ sử dụng thang máy để đưa xe lên vị trí đỗ Không chỉ tiết kiệm

về mặt diện tích, mà sau này các APS còn được trang bị nhiều thiết bị hiện đại với mục đích bảo vệ môi trường, thanh lọc không khí do khí thải từ lượng xe

ô tô quá lớn

1.2 Một số gara trên thế giới

1.2.1 Autostadt Car Towers, Đức

Tháp để xe nằm trong khu vực dành cho khách tham quan gần nhà máy sản xuất của Volkswagen (Wolfsburg, Đức) Tháp cao 20 tầng với sức chứa

800 xe Autostadt Car Towers giống như một tác phẩm “ khoa học giả tưởng” Một bãi đậu xe khổng lồ 20 tầng, xe ô tô được nâng bằng thang máy và đưa vào chỗ đậu bằng hệ thống robot thông minh

Hình 1.4 Bãi đậu xe Autostadt Car Towers, Đức

1.2.2 Bãi đậu xe Eureka, Melbourne

Hình 1.5 Bãi đậu xe Eureka, Melbourne

Sự kết hợp độc đáo của những vạch kẻ sơn trên tường và sàn tạo nên một chức năng chỉ dẫn vị trí của bạn trong bãi xe Eureka Nhà thiết kế Axel Peemoeller đã phát triển “hệ thống chỉ đường” bằng cách đưa ra những chỉ dẫn cho khách và cũng là điểm nhấn trang trí cho hầm xe Những vạch kẻ dài kết hợp với màu sắc phù hợp như chỉ lối ra (out) màu đỏ, lối vào (in) màu xanh lá, đi lên (up) màu xanh, đi xuống (down) màu vàng, …

1.2.3 Garage Dubai

Hình 1.6 Bãi đậu xe ở Dubai

Lối vào của garage này tại Dubai trông như chỉ đủ chỗ cho một chiếc

xe Nhưng bên trong là bãi đỗ xe tự động rộng nhất thế giới với sức chứa 765

xe và có thể di chuyển 250 xe mỗi giờ Những chiếc xe được tự động xếp cạnh nhau sao cho càng tiết kiệm không gian càng tốt

1.2.4 Bãi đỗ xe Santa Monica Civic, Mỹ

Hình 1.7 Santa Monica Civic, Mỹ

Điểm nhấn đập vào mắt của bãi đỗ xe Santa Monica Civic chính là màu sắc bắt mắt Bãi đậu xe được gắn rất nhiều đèn LED nhấp nháy ấn tượng Đây

là bãi đậu xe thân thiện với môi trường nên được xây dựng bằng những vật liệu bền vững Bãi đỗ có thể chứa 900 xe thông thường Ngoài ra, còn có 14

chỗ dành cho ô tô điện và khu để xe đạp Năng lượng thắp sáng hệ thống LED lấy từ những tấm pin mặt trời nằm trên nóc tòa nhà

1.2.5 Bãi đỗ xe cao tầng ở Hà Nội, Việt Nam

Đây là bãi đỗ xe cao tầng đầu tiên của Hà Nội Gara rộng 126m2

, cao 5 tầng, gồm 4 block có sức chứa tổng cộng 30 xe, cùng lúc có thể lấy được xe tại các block trong khoảng thời gian từ 2-3 phút/xe; bãi đỗ xe này được sử dụng công nghệ của Hàn Quốc

Hình 1.8 Bãi đỗ xe cao tầng ở Hà Nội, Việt Nam

1.2.6 Bãi đỗ xe tại trung tâm thương mại Vincom, Việt Nam

Hình 1.9 Bãi đậu xe tại Vincom

Bãi đỗ xe tại tòa nhà Vincom đặt dưới tầng hầm, đây là tầng dành cho

xe ô tô, một thiết kế theo kiểu điển hình tại các toà nhà lớn, khu chung cư hay trung tâm thương mại…

1.3 Ý tưởng thiết kế mô hình bãi đỗ xe

Một số bãi đỗ xe ô tô hiện đại bậc nhất thế giới kể trên về thẩm mỹ cũng như tính năng tự động hóa của nó, qua đó chúng ta có thể tham khảo và ứng dụng Tuy nhiên với thời gian, kiến thức và kinh phí hạn hẹp việc thiết kế một mô hình bãi đỗ xe hiện đại là rất khó khăn vì vậy em sẽ thiết kế một mô hình bãi đỗ xe ô tô phù hợp, thiết kế theo bãi đỗ xe tòa nhà Vincom gồm một cửa vào và một cửa ra, cùng với đó là những thanh ngang chắn cửa một thiết

kế điển hình cho bãi đỗ xe trước đây Ngoài ra, hệ thống bãi đỗ xe ô tô được giám sát hiển thị thông báo bãi đỗ có bao nhiêu xe, vị trí chỗ còn trống và cảnh báo Thiết kế này rất phù hợp cho những bãi đỗ xe với số lượng xe trung bình như trung tâm thương mại, siêu thị, …

1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu

Thời điểm hiện tại, có rất nhiều đề tài nghiên cứu về mô hình bãi đỗ xe

Bộ điều khiển chính trong các đề tài nghiên cứu chủ yếu là vi điều khiển và PLC PLC sử dụng chủ yếu là dòng S7-200 của Siemen [2,3,5].Vi điều khiển chủ yếu là các IC thuộc họ vi điều khiển MCS51[6]

Một số đề tài nghiên cứu cùng lĩnh vực:

[1] Hà Duy Hải (2011), Xây dựng mô hình bãi gửi xe tự động, Đại học dân

lập Hải Phòng

[2] Đỗ Văn Mẫn (2011), Thiết kế mô hình bãi đậu xe tự động, Đại học Đà

Nẵng

[3] Nguyễn Tuấn Anh (2012), Điều khiển đóng mở cửa gara đếm số lượng

xe ô tô, Đại học dân lập Hải Phòng

1.5 Các phương án thiết kế mạch điều khiển

1.5.1 Với mạch dùng IC rời

- Ưu điểm:

+ Đảm bảo độ chính xác cao

Với việc sử dụng kỹ thuật số khó có thể đáp ứng được việc thay đổi

số đếm Muốn thay đổi một yêu cầu nào đó của mạch thì buộc phải thay đổi phần cứng Do đó mỗi lần phải lắp lại mạch dẫn đến tốn kém về kinh tế

mà nhiều khi yêu cầu đó không thực hiện được bằng phương pháp này vì việc tính toán các thuật toán rất phức tạp

1.5.2 Với mạch dùng kỹ thuật vi điều khiển [6]

- Ưu điểm:

Ngoài những ưu điểm như đã liệt kê trong phương pháp dùng IC rời thì mạch đếm sản phẩm dùng kỹ thuật vi điều khiển còn có những ưu điểm sau:

+ Mạch có thể thay đổi số đếm linh hoạt bằng việc thay đổi phần mềm, không cần thay đổi phần cứng

+ Số linh kiện sử dụng trong mạch ít hơn nên giá thành thấp hơn, công suất tiêu thụ thấp hơn

+ Mạch đơn giản, dễ thực hiện hơn nhưng vẫn đảm bảo được tính năng điều khiển mô hình

+ Có khả năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho việc sửa chữa nhanh chóng, dễ dàng

+ Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình

+ Giảm thiểu số lượng rơle, timer và không hạn chế số lượng tiếp điểm

sử dụng trong chương trình

+ Tốc độ xử lý cao, chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài ms + Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học + Dung lượng chương trình lớn, có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp

+ Dễ dàng kết nối được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng

+ Độ tin cậy cao, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp

1.6 Tổng quan hướng nghiên cứu của đề tài

Qua tìm hiểu về các đề tài nghiên cứu khoa học cùng lĩnh vực Về công nghệ, chủ yếu là đóng mở cửa tự động, đếm số lượng xe và cảnh báo, chưa có

đề cập đến giám sát bãi đỗ xe Về mô hình, các đề tài này dùng cảm biến để nhận biết xe vào ra, chưa sử dụng cảm biến để nhận biết vị trí chỗ còn trống trong bãi đỗ xe

Từ những vấn đề trên, đề tài của em sẽ tập trung nghiên cứu và sử dụng dòng PLC S7-1200 của hãng Siemens làm bộ điều khiển trung tâm điều khiển toàn bộ hệ thống và kết nối truyền thông với màn hình giám sát, thi công mô hình sử dụng cảm biến ở cổng vào/ra và từng vị trí chỗ để xe liên kết với PLC

để hiển thị thông tin và cảnh báo chính xác lên màn hình giám sát

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận gồm:

+ Hệ thống cảm biến

+ Bộ điều khiển PLC S7-1200

+ Vật liệu chế tạo mô hình và cơ cấu chuyển động động cơ

+ Phần mềm lập trình cho PLC TIA Portal V13 của Siemens

2.2 Nội dung nghiên cứu

+ Nội dung 1: Thiết kế xây dựng mô hình bãi đỗ xe ô tô

+ Nội dung 2: Tìm hiểu lựa chọn thiết bị sử dụng cho mô hình

+ Nội dung 3: Thi công mô hình hệ thống bãi đỗ xe

+ Nội dung 4: Chạy thử và đánh giá kết quả hoạt động của mô hình

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Tiến trình thực hiện nghiên cứu

Tiến trình nghiên cứu gồm có 5 bước:

Bước 1: Khảo sát thực tế mô hình bãi đỗ xe

Bước 2: Thiết kế hệ thống mô hình bãi đỗ xe

Bước 3: Xây dựng và thi công phần cứng của mô hình

Bước 4: Thiết kế, lập trình và thi công phần mềm mô hình

Bước 5: Chạy thử và đánh giá sự ổn định của hệ thống

2.3.2 Phương pháp thực hiện nội dung 1: Thiết kế xây dựng mô hình bãi

đỗ xe ô tô

Với ý tưởng xây dựng mô hình theo bãi đỗ xe ô tô của tòa nhà Vincom

Em đã thiết kế mô hình bãi đỗ xe bằng phần mềm SolidWords

Phần mềm Solidworks là một trong những phần mềm chuyên về thiết

kế 3D do hãng Dassault System phát hành dành cho những xí nghiệp vừa và nhỏ, đáp ứng hầu hết các nhu cầu thiết kế cơ khí hiện nay Solidworks được biết đến từ phiên bản Solidworks 1998 và được du nhập vào nước ta với phiên bản 2003 và cho đến nay với phiên bản 2012 và phần mềm này đã phát triển

đồ sộ về thư viện cơ khí, không những dành cho các xí nghiệp cơ khí mà còn dành cho các ngành khác như: kỹ thuật điện tử, kiến trúc, thiết kế nội thất, mỹ thuật …

Hình 2.1 Giao diện phần mềm SolidWords

SolidWords là phần mềm được xây dựng với công nghệ thích nghi cùng với các khả năng mô hình hóa, sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực cơ khí và

kỹ thuật SolidWords trang bị những công cụ mạnh, thông minh, quản lý các đối tượng, trợ giúp các quá trình thiết kế, làm tăng năng suất chất lượng thiết

kế, từ việc vẽ ban đầu cho đến việc hình thành các bản vẽ cuối cùng

2.3.3 Phương pháp thực hiện nội dung 2: Tìm hiểu lựa chọn thiết bị sử

dụng trong mô hình

Thiết bị sử dụng trong mô hình ứng với các phần trong sơ đồ khối như sau:

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống

Mỗi khối có một chức năng nhiệm vụ riêng:

+ Khối nguồn: gồm có nguồn 220V cấp nguồn cho PLC và 3 nguồn tổ ong cấp nguồn một chiều phù hợp cho từng thiết bị

+ Khối cảm biến: gồm có 8 cảm biến và 4 công tắc hành trình, khi cảm biến và công tắc hành trình bị tác động sẽ phản hồi tín hiệu về khối xử

lý trung tâm

+ Khối xử lý trung tâm: Bộ điều khiển PLC có nhiệm vụ nhận và xử lý tín hiệu đầu vào, sau đó gửi tín hiệu điều khiển đến khối trung gian và khối hiển thị

+ Khối hiển thị: là một màn hình giám sát trên máy tính hiển thị số xe, chỗ còn trống, cảnh báo

+ Khối trung gian: gồm có 1 module L298, 2 role trung gian Khối trung gian có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm để điều khiển động cơ

+ Động cơ: gồm có 2 động cơ DC, động cơ nhận tín hiệu điều khiển từ khối trung gian và chấp hành

a Khối nguồn

Trong đề tài, các linh kiện chủ yếu dùng nguồn điện một chiều, có điện

áp thấp Mỗi linh kiện dùng nguồn điện áp khác nhau:

Bảng 2.1 Điện áp của các thiết bị trong đề tài

lỗ lục giác giống với cấu tạo của tổ ong nên dân gian gọi vậy cho thân thuộc

dễ nhớ Nguồn xung là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung

+ Ưu điểm: Giá thành rẻ, gọn, nhẹ dễ tích hợp cho những thiết bị nhỏ gọn,

hiệu suất cao

+ Nhược điểm: Tuổi thọ thường không cao do cấu tạo chủ yếu bằng các

linh kiện bán dẫn

- Thông số kỹ thuật

+ Điện áp đầu vào: AC 220V ( Chân L và N )

+ Điện áp đầu ra: DC 5V - 12V - 24V

+ Dòng ra: nhỏ hơn 5A

+ Bảo vệ quá nhiệt độ: 70°C

+ Môi trường làm việc: -10 ℃ ~ 50 ℃

b Khối cảm biến

Khối cảm biến gồm 8 cảm biến ánh sáng và 4 công tắc hành trình

Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến với những tính năng, chất liệu, cấu tạo khác nhau từ đó giá thành cũng tùy thuộc vào từng loại sản phẩm Trong đề tài, em dùng “Module cảm biến ánh sáng + Relay DC12V”:

+ Thiết kế nhỏ gọn, đơn giản rất phù hợp để làm mô hình

+ Hoạt động khá ổn định

+ Giá thành rẻ, dễ mua

* Module cảm biến ánh sáng + Relay DC12V

* Công tắc hành trình

Công tắc hành trình là một công tắc tức là làm chức năng đóng mở mạch điện, nhưng nó được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu sao cho khi cơ cấu đến một vị trí nào đó sẽ tác động lên công tắc Hành trình có thể là tịnh tiến hoặc quay

Hình 2.5 Công tắc hành trình

Khi công tắc hành trình được tác động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạch điện do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác Có thể dùng công tắc hành trình vào mục đích như:

+ Giới hạn hành trình (khi cơ cấu đến vị trí giới hạn tác động vào công tắc sẽ làm ngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu nên cơ cấu đó không thể vượt qua vị trí giới hạn)

+ Hành trình tự động: Kết hợp với các rơle, PLC hay vi điều khiển để khi

cơ cấu đến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính cơ cấu đó)

Công tắc hành trình với kích thước nhỏ gọn thích hợp với các dự án robot,

c Khối xử lý trung tâm

Em sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200 Hãng Siemens vừa giới thiệu ra thị trường bộ điều khiển PLC cỡ nhỏ S7-1200, như là sự tiếp nối phát triển của S7-200 – bộ điều khiển đã quen thuộc với người sử dụng

Hình 2.6 PLC S7-1200

Với thiết kế theo dạng module, tính năng cao, SIMATIC S7-1200 thích hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, cấp độ từ nhỏ đến trung bình Đặc điểm nổi bật là S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC và các màn hình HMI Điều này hỗ trợ rất tốt trong quá trình thiết

kế, lập trình đúng với yêu cầu công nghệ, giúp cho việc lập trình, kết nối và thiết kế giao diện HMI nhanh chóng, đơn giản, hiệu quả

Hình 2.7 Các khối chức năng CPU S7-1200

Các đặc tính của CPU S7-1200 đƣợc thể hiện trong bảng sau:

Độ mở rộng của các module

Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)

Trong đề tài, em sử dụng CPU 1214C vì một số lý do:

+ Có 14 input/ 10 output đáp ứng đủ yêu cầu công nghệ 14 input/4 output + Hỗ trợ truyền thông PROFINET Ethernet communication port nên dễ dàng giao tiếp HMI

Bảng 2.3 Thông số các kiểu module của PLC S7-1200

Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp In/Out

Kiểu tương tự

Bảng tín

hiệu (SB)

Kiểu số _ _ 2 x DC In / 2 x DC Out Kiểu

* Cách kết nối module mở rộng, board tín hiệu mở rộng với PLC S7-1200:

Hình 2.8 Sơ đồ kết nối CM, SB, SM với PLC S7-1200

Số module truyền thông tối đa có thể kết nối với một PLC là 3, đƣợc chèn vào phía bên trái PLC ở các khe: 101, 102 và 103 Board tín hiệu (SB) tối đa là 1 đƣợc chèn vào CPU Số module mở rộng (SM) tối đa có thể kết nối đƣợc với PLC là 8, đƣợc chèn vào phía bên phải của PLC, đƣợc chèn vào các khe từ 2 đến 9

* Kết nối vào/ ra của PLC với các thiết bị ngoại vi:

Hình 2.9 Kết nối vào/ra của PLC với các thiết bị ngoại vi

Bộ xử lý trung tâm PLC là nơi xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại

vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài Tín hiệu vào có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến, các tế bào quang điện, … Tín hiệu ra có thể cung cấp cho các cuộn dây công tắc tơ, các rơ le, các van điện từ, các động cơ nhỏ,

… Tín hiệu vào/ra có thể là các tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic, … Ngoài ra còn kết nối truyền thông với máy tính, PLC – PLC

* Công cụ lập trình cho S7-1200 là phần mềm Step7 Professional đƣợc tích hợp trong phần mềm TIA Portal của Siemens

Nút bấm và

các công tắc

logic giới hạn

Bộ chuyển mạch, công tắc hành trình, giới hạn

Các tham số điều khiển nhƣ to, áp suất, áp lực

Các tín hiệu báo động …

Hình 2.10 Giao diện phầm mềm TIA Portal 13

* Ưu điểm của S7-1200 so với S7-200

- Về phần cứng:

Khả năng mở rộng: Nếu như S7-200 chỉ dừng lại ở khả năng mở rộng tối đa 7 module thì với S7-1200 cho phép mở rộng tối đa 8 module tín hiệu, 2 board tín hiệu và 3 module truyền thông

Hình 2.11 Khả năng mở rộng của S7-200 và S7-1200

Xét về cấu hình phần cứng, S7-1200 cho phép người dùng thay đổi địa chỉ vùng nhớ I/O, còn S7-200 không thể thay đổi được

Hình 2.12 Cấu hình I/O của S7-200 và S7-1200

Xét về tín hiệu I/O và tín hiệu trên PLC: S7-200 chỉ hỗ trợ tối đa 1 module analog output, 2 ngõ ra phát xung tốc độ cao PWM/PTO, 8 bộ PID thì với S7-1200 cho phép hỗ trợ tối đa 1 module analog output và 1 board analog output, 4 ngõ ra phát xung tốc độ cao PWM/PTO, và đến 16 bộ PID

Hình 2.13 Tín hiệu I/O và tín hiệu trên PLC của S7-200 và S7-1200

- Về phần mềm:

S7-200 chỉ cho phép lập trình trên một chương trình chính duy nhất, còn với S7-1200 cho phép người dùng lập trình trên nhiều chương trình chính độc lập, giúp người sử dụng quản lý lập trình dễ dàng và khoa học hơn

Hình 2.14 Cấu trúc lập trình trên S7-200 và S7-1200

S7-200 chỉ cho phép lồng chương trình con 8 lần, còn với S7-1200 thì khả năng lồng chương trình con lên đến 16 lần

Hình 2.15 Cấu trúc chương trình con trên S7-200 và S7-1200

Cấu trúc chương trình con trên S7-200 không cho phép lập trình với biến nhớ tạm thời, do đó chu trình quét của PLC sẽ kéo dài hơn do PLC phải quét hết các biến trên vùng nhớ mà PLC quản lý Còn với S7-1200, cấu trúc

chương trình con cho phép lập trình với biến nhớ tạm thời, khi tiến hành chu trình quét, PLC chỉ quét các giá trị điểm đầu và giá trị điểm cuối, không phải quét qua các giá trị biến nhớ trung gian tạm thời, chính điều này giúp giảm bớt thời gian quét của PLC giúp PLC xử lý công việc nhanh và mượt hơn

Hình 2.16 Cấu trúc chương trình con FC

Khi so sánh về cấu trúc dữ liệu, S7-1200 có cấu trúc dữ liệu kiểu mới, giúp người sử dụng có thể tiết kiệm dữ liệu hoặc mở rộng vùng dữ liệu một cách dễ dàng Kiểu Short giúp tiết kiệm dữ liệu và kiểu Unsigned giúp mở rộng dữ liệu

Hình 2.17 Cấu trúc dữ liệu kiểu mới trên S7-1200

d Khối hiển thị

Phần hiển thị được thể hiện trên màn hình máy tính qua giao diện MHI – thiết kế bằng phần mềm SIMATIC WinCC Explorer V7.4 trên máy tính HMI (Human Machine Interface) là giao diện giữa người và máy là một

hệ thống dùng để người dùng giao tiếp thông tin qua lại với hệ thống điều khiển thông qua bất kỳ mọi hình thức HMI cho phép người dùng theo dõi, ra lệnh điều khiển toàn bộ hệ thống và có giao diện đồ họa giúp cho người dùng

có cái nhìn trực quan về tình trạng của hệ thống

* Phần mềm SIMATIC WinCC Explorer V7.4

SIMATIC WinCC Explorer là phần mềm của hãng Siemens dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất Rõ hơn, WinCC là chương trình dùng để thiết kế các giao diện Người và Máy – HMI trong hệ thống Scada (Supervisory Control And Data Acquisition), chức năng chính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất Với WinCC, có thể trao đổi dữ liệu với PLC của nhiều hãng khác nhau như: Siemens, Mitsubishi, Allen braddly, Omron, thông qua cổng truyền thông của PLC

Với WinCC, có thể tận dụng nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết công việc, từ thiết kế cho hệ thống có quy mô nhỏ đến quy mô lớn WinCC có thể mô phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng chuỗi sự kiện Để đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng phát triển, WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thông báo, ghi báo cáo, xử lý thông tin đo lường, các tham số công thức…và là một trong những chương trình thiết kế giao diện Người và Máy – HMI được tin dùng nhất hiện nay

Khi sử dụng WinCC để thiết kế giao diện Người và Máy – HMI WinCC sử dụng các chức năng phổ biến sau:

Hình 2.18 Giao diện phần mềm WinCC Explorer

+ Computer: Quản lý tất cả các WorkStation và Server nằm trong

Project

+ Tag Managerment: là khu vực quản lý tất cả các kênh, các quan hệ

Logic, các Tag Process, Tag Internal và Tag Groups

+ Graphics Designer: Thực hiện dễ dàng các chức năng mô phỏng và

hoạt động qua các đối tượng đồ họa của chương trình WinCC, Windows, I/O và các thuộc tính hoạt động (Dynamic)

+ Alarm Logging: Thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các cảnh

báo khi hệ thống vận hành Nhận các thông tin từ các quá trình, hiển thị, hồi đáp và lưu trữ chúng Alarm Logging còn giúp ta phát hiện ra nguyên nhân của lỗi

+ Tag Logging: Thu thập, lưu trữ và xuất ra dưới nhiều dạng khác nhau

từ các quá trình đang thực thi

+ Report Designer: Tạo ra các thông báo, kết quả và các thông báo này

được lưu dưới dạng nhật ký sự kiện

+ Global Scrips: Cho phép tạo ra một dự án động đặc biệt theo yêu

cầu Trình soạn thảo này cho phép tạo ra các hàm giống như trong