Thiết kế hệ thống điều khiển và cảnh báo tai nạn tại các nút giao thông đường bộ và đường sắt.Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, yêu cầu ứng dụng tựđộng hóa ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều khiểntự động, linh hoạt, chính xác, tiện lợi, gọn nhẹ...). Mặt khác nhờ sự phát triển nhanhchóng của công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã tạo ra một loại thiết bị điềukhiển lập trình nhằm thực hiện công việc một cách khoa học, đạt được độ chính xáccao, giảm sức lao động và giảm chi phí kinh tế. Trạm barie tự động thay thế sức laođộng của người trực, công việc đạt hiệu quả, mà thời gian lại nhanh chóng, độ chínhxác cao đáp ứng kịp thời cho đời sống xã hội. Đồ án tốt nghiệp của em sẽ tìm hiểu về lập trình PLC và hiểu hơn ứng dụng của nó vào các lĩnh vực này trong đời sống. 1. Mục tiêu: • Ứng dụng điều khiển động cơ servo vào mô hình điều khiển và giám sát trạm barie đường tàu hỏa tự động. • Ứng dụng động cơ servo để xác định vị trí mong muốn, mô phỏng hệ thống hoạt động trên phần mềm TIA portal. 2. Phạm vi nguyên cứu: • Điều khiển và giám sát các thiết bị trong hệ thống điều khiển và giám sát trạm barie đường tàu hỏa tự động. • Xây dựng thuật toán điều khiển. • Xây dựng phần mềm trên PLC S7-1200. • Tính toán thiết kế phần cứng MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI.........................................................................4 1.1: Tổng quan về đường sắt việt nam ....................................................................4 1.2: Hệ thống barie ..................................................................................................5 1.2.1: Tổng quan về barie ....................................................................................5 1.2.2: Chức năng của barie tự động .....................................................................6 1.2.3: Ưu điểm .....................................................................................................6 1.2.4: Nhược điểm ...............................................................................................6 1.2.5: Phân loại barie ...........................................................................................6 1.3: Barie tàu tự động ..............................................................................................7 1.3.1: Định nghĩa barie tàu tự động .....................................................................7 1.3.2: Chức năng của barie tàu tự động ...............................................................8 1.3.3: Ưu điểm của barie tàu................................................................................8 1.3.4: Nhược điểm của barie tàu..........................................................................8 1.4: Lên phương án xây dựng mô hình ...................................................................9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................10 2.1: Tổng quan về PLC..........................................................................................10 2.1.1: Giới thiệu về PLC....................................................................................10 2.1.2: PLC S7-1200 ...........................................................................................11 2.2: Giới thiệu về động cơ Servo...........................................................................13 2.2.1: Cấu tạo của động cơ Servo ......................................................................14 2.2.2: Điều khiển động cơ Servo .......................................................................14 2.2.3: Các ứng dụng của động cơ Servo ............................................................16 2.3: Giới thiệu về Arduino và Arduino Uno R3....................................................16 2.3.1: Arduino Uno R3 chíp dán......................................................................16 2.4: Giới thiệu phần mềm Tia portal v17 ..............................................................20 2.5: Giới thiệu phần mền Arduino IDE .................................................................21 CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ MÔ HÌNH.......................................................................22 3.1: Giới thiệu về hệ thống ....................................................................................22 3.2: Tính chọn thiết bị cho mô hình ......................................................................24 3.2.1: Hệ thống đường ray và tàu hỏa................................................................24 3.2.2: Bộ điều khiển trung tâm ..........................................................................25 3.2.3: động cơ Servo ..........................................................................................26 3.2.4: Cảm biến quang phát hiện vật .................................................................27 3.2.5: Nguồn ......................................................................................................283.2.6: Còi báo động buzzer 3-24V.....................................................................29 3.2.7: Modul điều khiển Arduino ......................................................................30 3.2.8: Modul ethernet.........................................................................................31 3.2.9: Modul sim................................................................................................32 3.2.10: Module Ghi Âm ISD1820 V2 ..............................................................33 3.2.11: Modul hạ áp..........................................................................................34 3.2.12: Đèn báo..................................................................................................36 3.2.13: Mạch opto cách ly 4 kênh pc817 ...........................................................36 3.2.14: Bộ chia cổng lan Tplink SF1005D ........................................................37 3.2.15: Nút nhấn và dừng khẩn cấp ...................................................................37 3.3: Thiết kế các bộ phận của hệ thống .................................................................38 3.3.1: Khối nguồn ..............................................................................................38 3.3.2: Hệ thống đường ray .................................................................................38 3.3.3: Cơ cấu động cơ servo xoay......................................................................39 3.3.4: Hệ thống đèn và chuông cảnh báo...........................................................40 3.3.5: Hệ thống cảnh báo từ xa ..........................................................................41 3.3.6: Cụm nút nhấn và dừng khẩn cấp .............................................................42 3.3.7: Lắp đặt mô hình ......................................................................................43 3.3.8: Tổng quan toàn mô hình:.........................................................................44 CHƯƠNG 4 : LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MÔ HÌNH................46 4.1. Sơ đồ đấu dây .................................................................................................46 4.2: Phân công đầu vào, đầu ra của hệ thống ........................................................47 4.3: Lưu đồ thuật toán ...........................................................................................47 4.4: Chương trình điều khiển PLC ........................................................................50 4.5: Giao diện giám sát..........................................................................................56 4.6: Chương trình điều khiển Arduino ..................................................................58 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ........................................................................................60 5.1: Mục tiêu..........................................................................................................60 5.2: Kết quả thực hiện ...........................................................................................60 5.3: Hướng phát triển.............................................................................................60 5.4: Đánh giá kết quả thực hiện.............................................................................60 5.4.1: Ưu điểm ...................................................................................................62 5.4.2: Nhược điểm .............................................................................................62 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................63
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về PLC
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình, cho phép người dùng lập trình để thực hiện các trình tự sự kiện được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) hoặc các sự kiện có độ trễ như thời gian định thời hoặc đếm sự kiện PLC được dùng để thay thế mạch relay (rơ le) trong thực tế và hoạt động theo phương thức quét trạng thái trên đầu vào và đầu ra; khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder (ladder diagram) hoặc State Logic Hiện nay nhiều hãng sản xuất PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron và Honeywell.
Trong bối cảnh đầu tư và phát triển của ngành giao thông vận tải nói chung và ngành vận tải đường sắt nói riêng, việc lắp đặt barie thanh chắn và rào chắn trở nên cần thiết để quản lý phương tiện và bảo đảm an toàn Để điều khiển được thiết bị này, người ta thường kết nối các linh kiện điều khiển như relay, timer, contactor với nhau thành một hệ thống điện điều khiển đồng bộ nhằm đáp ứng các yêu cầu vận hành.
Để chọn một hệ thống điều khiển tối ưu cho ngành giao thông vận tải hiện đại, nó phải hội tụ các yếu tố then chốt như tự động hóa cao, kích thước và khối lượng nhỏ gọn, chi phí thấp, dễ thi công và sửa chữa, cùng chất lượng làm việc ổn định và tính linh hoạt trong vận hành Những tiêu chí này đảm bảo hệ thống điều khiển đáp ứng nhu cầu vận hành hiệu quả, tối ưu chi phí và dễ bảo trì.
PLC, hay Programmable Logic Controller, ra đời năm 1968 từ hệ thống điều khiển được General Motors (Mỹ) phát triển, mở ra kỷ nguyên tự động hóa trong sản xuất Ban đầu hệ thống PLC còn khá đơn giản và cồng kềnh, khiến người dùng gặp nhiều khó khăn trong vận hành và bảo trì Qua nhiều năm cải tiến và phát triển liên tục, những nhược điểm được khắc phục đáng kể, giúp bộ điều khiển PLC ngày nay hoạt động ổn định, linh hoạt và dễ vận hành hơn Nhờ các ưu điểm hiện đại như lập trình dễ dàng, mở rộng linh hoạt, độ bền cao và tối ưu chi phí vận hành, PLC đã giải quyết các vấn đề trước đó và đẩy mạnh tự động hóa trong quy trình sản xuất.
• Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
• Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa
• Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa những chương trình phức tạp hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mở rộng
Các thiết kế ban đầu nhằm thay thế phần cứng Relay và các logic thời gian truyền thống, giảm phức tạp hệ thống và tăng tính ổn định của quá trình điều khiển Tuy nhiên, để PLC dễ vận hành và có khả năng mở rộng, cần tăng dung lượng nhớ và cải thiện tính linh hoạt cùng tốc độ xử lý, đồng thời giữ mức giá cạnh tranh nhằm đáp ứng yêu cầu tự động hóa ngày càng cao.
Chính điều này đã tạo ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnh PLC ngày càng nhanh chóng mở rộng từ các lệnh logic đơn giản sang các lệnh đếm và xử lý khối lượng dữ liệu lớn, đồng thời tăng cường số lượng I/O Nhờ đó, tự động hóa trở nên linh hoạt và hiệu quả hơn trong các quy trình sản xuất, đáp ứng nhu cầu điều khiển phức tạp và quy mô lớn.
Trong PLC, phần cứng gồm CPU và chương trình là hai đơn vị cơ bản quyết định quá trình điều khiển và xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện được xác định bằng một chương trình, chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ PLC và PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa trên chương trình đó Khi muốn thay đổi hoặc mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng này diễn ra một cách dễ dàng, không cần sự can thiệp vật lý so với các bộ dây nối hay Relay.
HÌNH 2- 1: Cấu trúc bên trong plc
Hiện nay tại Việt Nam, hai dòng PLC được sử dụng phổ biến nhất là Siemens và Mitsubishi Sản phẩm của hai hãng này nổi bật với nhiều ưu điểm vượt trội như hiệu suất ổn định, khả năng tích hợp linh hoạt với hệ thống tự động hóa và độ tin cậy cao, giúp tối ưu vận hành và giảm chi phí bảo trì cho các nhà máy Bên cạnh đó, giá cả của PLC Siemens và PLC Mitsubishi được đánh giá là phù hợp và có sức cạnh tranh, phù hợp với điều kiện kinh tế tại Việt Nam và giúp doanh nghiệp tiếp cận công nghệ tự động hóa một cách dễ dàng Lựa chọn giữa Siemens và Mitsubishi phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể về hiệu năng, khả năng mở rộng, mạng lưới hỗ trợ kỹ thuật và tính tương thích với các thiết bị hiện có.
- S7-1200 ra đời năm 2009 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội hơn
- S7-1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200
Bộ điều khiển gọn nhẹ có dải hiệu suất từ thấp đến trung bình
- Tích hợp quy mô lớn, tiết kiệm không gian, mạnh mẽ
- Với đường đặc tính thời gian thực đặc biệt và tùy chọn truyền thông lớn
Bộ điều khiển tích hợp giao diện PROFINET IO cho phép truyền thông giữa bộ điều khiển SIMATIC, hệ thống HMI, thiết bị lập trình và các thành phần tự động khác, tối ưu hóa liên lạc trong mạng công nghiệp và quá trình tự động hóa.
- Các CPU có thể sử dụng chế độ độc lập trong mạng hoặc trong các cấu trúc được phân phối
- Rất đơn giản trong việc lắp đặt, lập trình và vận hành
- Tích hợp Web sever với tiêu chuẩn đặc thù người dùng trang web
- Chức năng ghi dữ liệu để lưu trữ dữ liệu trong thời gian chạy từ khi sử dụng chương trình
- Công suất lớn, các chức năng tích hợp công nghệ như đếm, đo lường, điều khiển vòng kín, điều khiển chuyển động
- Tích hợp đầu ra/ đầu vào số và tương tự
- Các phương tiện mở rộng linh hoạt
- Các bo mạch tín hiệu được sử dụng trực tiếp trong bộ điều khiển
- Có thể mở rộng bộ điều khiển bằng các modun tín hiệu vào/ra a Ứng dụng Ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng như:
• Điều khiển đèn chiếu sáng
• Điều khiển bơm cao áp
• Máy trộn v.v b Các dòng chính của CPU S7 - 1200
• S7-1200 có 5 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C và CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C
• PLC S7-1200 CPU 1211C có bộ nhớ làm việc 50KB work memory
• PLC S7-1200 CPU 1212C có bộ nhớ làm việc 75KB work memory
• PLC S7-1200 CPU 1214C có bộ nhớ làm việc 100KB work memory
• PLC S7-1200 CPU 1215C có bộ nhớ làm việc 125KB work memory
• PLC S7-1200 CPU 1217C có bộ nhớ làm việc 150KB work memory
HÌNH 2- 2: PLC S7 - 1200 - 1214C DC/DC/DC
❖ PLC có các thông số như sau:
• Power supply (Nguồn nuôi) 24VDC
• Digital Inputs (Ngõ vào số) 14 DI DC
• Digital outputs (Ngõ ra số) 10 DO DC
• Expansion Analog module (Khả năng mở rộng Analog) 2 AI
• Program language (Ngôn ngữ lập trình) Ladder / STL
• RTC (thời gian thực) Tích hợp sẵn
• Communication (truyền thông) RS485 qua cáp PC/PPI
• Communication Expansion (truyền thông mở rộng) Modbus, Profibus, Devicenet
Giới thiệu về động cơ Servo
Động cơ servo là một trong những loại động cơ được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng công nghiệp như sản xuất và phát triển tự động hóa Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu của chúng khá cao, lợi ích mà servo mang lại lại vượt trội với các đặc tính nổi bật như điều khiển chuyển động để định vị chính xác cao, khả năng đảo chiều nhanh và hiệu suất vận hành vượt trội Nhờ cơ chế điều khiển vòng kín và phản hồi từ encoder, động cơ servo đảm bảo độ lặp lại và vị trí cực kỳ chính xác, phù hợp cho các hệ thống tự động hóa và dây chuyền sản xuất hiện đại.
Động cơ servo là một thiết bị điện từ sử dụng cơ chế phản hồi để biến tín hiệu điện thành chuyển động có kiểm soát Về cơ bản, động cơ servo hoạt động như một bộ truyền động cho phép kiểm soát chính xác vận tốc, gia tốc và vị trí, dù ở dạng tuyến tính hay góc, nhờ hệ thống phản hồi và điều khiển liên tục.
- Các bánh răng của động cơ servo thường được làm bằng nhựa nhưng trong các động cơ servo công suất cao, nó được tạo thành từ kim loại
- Các động cơ tương tự được vận hành qua tín hiệu PWM (Điều chế độ rộng xung) và phạm vi của tín hiệu là 4,8V đến 6V
Ở loại servo này, PWM được tắt khi servo ở trạng thái nghỉ, khiến động cơ không nhận điện áp khi nghỉ Ngoài ra, một servo tương tự có thể chỉ gửi tối đa khoảng 50 xung mỗi giây.
2.2.1: Cấu tạo của động cơ Servo Động cơ Servo là động cơ DC có 5 phần sau:
HÌNH 2- 3: Cấu tạo động cơ Servo
• Stator: Đây là phần đứng yên của động cơ Nó còn được gọi là cuộn dây trường của động cơ
• Roto: Đây là loại cuộn dây quấn trên phần quay của động cơ Nó cũng được gọi là cuộn dây phần ứng của động cơ
• Ổ trục: Có hai phần, tức là, ổ trục trước và ổ trục sau Được sử dụng cho chuyển động ổ trục
• Trục: cuộn dây phần ứng được ghép trên thanh sắt được gọi là trục động cơ
• Bộ mã hóa: Nó có cảm biến tiệm cận xác định tốc độ quay của động cơ và vòng quay mỗi phút của động cơ
2.2.2: Điều khiển động cơ Servo
Các động cơ servo có thể được điều khiển bằng phương pháp PWM, tức là điều chế độ rộng xung Trong PWM, tín hiệu điện gửi tới động cơ có độ rộng duty cycle thay đổi theo yêu cầu, cho phép điều khiển vị trí và tốc độ quay của servo một cách chính xác Việc áp dụng PWM cho servo mang lại điều khiển mượt mà và ổn định, tối ưu hiệu suất và đáp ứng nhanh trong các hệ thống tự động hóa và robotics.
Trong điều khiển servo bằng xung PWM, độ rộng xung được điều chỉnh từ 1 ms đến 2 ms và được gửi tới động cơ servo với tần suất lặp lại 50 lần mỗi giây, nhằm điều khiển vị trí góc của trục quay Độ rộng của xung trực tiếp quyết định vị trí góc mong muốn, vì vậy quá trình này dựa trên PWM để thiết lập vị trí Ba thuật ngữ quan trọng mô tả cách điều khiển động cơ servo là xung tối đa, xung tối thiểu và tốc độ lặp lại.
HÌNH 2- 4: Xung PWM động cơ servo
Ví dụ: Động cơ servo di chuyển với xung 1 mili giây để quay động cơ về 0˚ trong khi xung
Động cơ servo được quay tới 180° trong 2 mili giây Giữa các vị trí góc, độ rộng xung PWM được tính toán để xác định từng vị trí mong muốn Do đó, servo sẽ ở 90° với xung có chiều rộng 1,5 mili giây.
Động cơ servo thường có ba dây hoặc một nhóm dây; hai dây được dùng để cấp nguồn và dây thứ ba để điều khiển tín hiệu.
HÌNH 2- 5: Ví dụ động cơ Servo
2.2.3: Các ứng dụng của Động cơ Servo
Dưới đây là một số ứng dụng sử dụng động cơ servo để kiểm soát, điều khiển tốc độ:
• Chúng được sử dụng để điều khiển vị trí và chuyển động của thang máy trong điều khiển vô tuyến
• Chúng đóng một vai trò quan trọng trong cơ chế chuyển động của robot; vì bật hoặc tắt xung trơn tru và định vị chính xác
• Chúng được sử dụng trong các hệ thống thủy lực để duy trì chất lỏng thủy lực trong ngành hàng không vũ trụ
• Chúng được sử dụng để điều khiển tốc độ các động cơ trong ngành công nghiệp ô tô.
Giới thiệu về Arduino và Arduino Uno R3
Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, nền tảng điện tử mã nguồn mở dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P Với Arduino, người dùng có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau nhờ sự kết hợp giữa phần mềm và phần cứng được hỗ trợ.
Trước khi Arduino ra đời, để thực hiện một dự án điện tử nhỏ liên quan đến lập trình và biên dịch, chúng ta phải nhờ vào các thiết bị biên dịch và hỗ trợ bên ngoài Ví dụ, khi dùng vi điều khiển PIC hoặc các IC vi điều khiển thuộc họ 8051, ta phải tự thiết kế các chân nạp trên board hoặc mua các mạch nạp và thiết bị biên dịch như mạch nạp 8051, mạch nạp PIC để nạp chương trình và kiểm tra hoạt động của hệ thống.
Arduino tại Việt Nam hiện được biết đến rộng rãi từ học sinh THPT đến sinh viên và người đi làm Các dự án Arduino, dù nhỏ hay lớn, được triển khai nhanh nhờ cộng đồng mã nguồn mở chia sẻ trên các diễn đàn trong nước và quốc tế Nhờ sự phổ biến này, Arduino hỗ trợ đam mê nghiên cứu và chế tạo những sản phẩm có ích cho xã hội, đồng thời thúc đẩy giáo dục và đổi mới công nghệ ở Việt Nam.
Để hiện thực hóa các yêu cầu từ đơn giản đến phức tạp, bạn cần sử dụng ngôn ngữ lập trình Arduino dựa trên sơ đồ mạch và hệ thống do bạn thiết kế, thông qua phần mềm Arduino IDE, nhằm triển khai các chức năng và gửi lệnh tới bộ xử lý trung tâm Arduino.
Arduino Uno R3 là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử nguồn mở nổi tiếng, chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P.
Phiên bản Arduino Uno R3 hiện tại đi kèm với giao diện USB tiện dụng, gồm 6 chân analog và 14 cổng I/O kỹ thuật số để kết nối với các mạch điện tử và thiết bị bên ngoài Trong đó, 14 cổng I/O cho phép nhận và điều khiển tín hiệu, còn 6 chân PWM trên các cổng I/O cho phép điều khiển trực quan các thiết bị ngoại vi bằng tín hiệu xung PWM.
Arduino Uno R3 được kết nối trực tiếp với máy tính qua USB để giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, macOS và Linux, trong đó Windows được xem là môi trường phổ biến nhất Trong IDE, các ngôn ngữ lập trình như C và C++ được sử dụng để lập trình cho Arduino Uno R3.
• Ngoài USB, người dùng có thể dùng nguồn điện ngoài để cấp nguồn cho bo mạch
Bo mạch Arduino Uno có cách sử dụng và chức năng khá giống với các loại Arduino khác, tuy nhiên Uno không đi kèm với chip điều khiển FTDI USB to Serial.
Arduino Nano V3 và Arduino Uno là hai phiên bản chính thức nổi bật của bo mạch Uno, đi kèm với vi điều khiển Atmega328 8-bit AVR Atmel và có RAM 32KB.
Khi tính chất và chức năng của nhiệm vụ trở nên phức tạp, thẻ nhớ SD Micro có thể được kết nối với Arduino để mở rộng dung lượng lưu trữ và ghi nhận thêm thông tin, từ đó quản lý dữ liệu cho các dự án nhúng một cách hiệu quả.
HÌNH 2- 6: Arduino Uno R3 chíp dán CH340
❖ Các tính năng Arduino trên Board
Vi điều khiển Atmega328 trên bo mạch đi kèm tích hợp đầy đủ các chức năng thiết yếu như hẹn giờ, bộ đếm, ngắt và các chân PWM, cùng CPU và các chân I/O, hoạt động dựa trên xung nhịp 16 MHz giúp tạo ra nhiều tần số và số lệnh hơn trong mỗi chu kỳ xử lý Nhờ các tính năng này, người dùng có thể điều khiển thời gian, xử lý sự kiện và điều khiển PWM một cách linh hoạt, đồng thời tận dụng nhiều chân I/O để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và mở rộng ứng dụng nhúng.
Chân reset Arduino cho phép thiết lập lại toàn bộ hệ thống, đưa chương trình đang chạy trở về trạng thái ban đầu và khởi động lại từ đầu Đây là giải pháp hữu ích khi Arduino bị treo hoặc đóng băng giữa chừng, giúp người dùng khôi phục hoạt động nhanh chóng mà không cần rút nguồn hoặc ngắt mạch phức tạp.
Arduino tích hợp 14 chân I/O kỹ thuật số và 6 chân analog, cho phép kết nối bên ngoài với bất kỳ mạch nào sử dụng Arduino Các chân I/O này mang lại sự linh hoạt và易 dễ sử dụng khi kết nối các thiết bị ngoại vi qua chúng, giúp mở rộng khả năng điều khiển và tự động hóa cho các dự án với Arduino.
6 chân analog được đánh dấu từ A0 đến A5 có độ phân giải 10 bit Các chân này đo từ 0–5V, nhưng có thể được cấu hình ở phạm vi tham chiếu cao hơn bằng cách sử dụng hàm analogReference() và chân AREF.
- Bộ nhớ flash 13KB được sử dụng để lưu trữ số lượng hướng dẫn dưới dạng mã
Để sử dụng Arduino, bạn chỉ cần nguồn 5V hoặc cấp từ cổng USB Arduino có thể nhận nguồn điện từ nguồn ngoài lên tới 12V và có thể được điều chỉnh và giới hạn ở mức 5V hoặc 3,3V tùy thuộc vào yêu cầu của dự án.
❖ Các chân input - output của Arduino Uno R3
Có một số chân I / O Digital và analog được đặt trên bo mạch hoạt động ở mức logic 5V với dòng từ khoảng từ 20mA đến 40mA
HÌNH 2- 7: Sơ đồ chân của Arduino Uno R3
Giới thiệu phần mềm Tia portal v17
TIA Portal là tên gọi quen thuộc trong lĩnh vực tự động hóa, viết tắt của Total Integrated Automation Portal Đây là nền tảng phần mềm cơ sở tích hợp đầy đủ các công cụ cấu hình và lập trình cho hệ thống tự động hóa và truyền động điện của Siemens, bao gồm PLC, HMI và biến tần (Inverter) Việc quản lý dự án và thiết kế đồng bộ diễn ra trên một giao diện duy nhất, giúp rút ngắn thời gian triển khai, giảm sai sót và nâng cao hiệu quả vận hành Với TIA Portal, người dùng được sự nhất quán giữa các thiết bị Siemens, từ cấu hình đến bảo trì, đảm bảo tính linh hoạt và mở rộng cho các hệ thống tự động hóa.
HÌNH 2- 8: Giới thiệu phần mền TIA Portal
- Ưu điểm: tích hợp tất cả trong 1 phần mềm, 1 giao diện, tạo ra sự nhất quán trong việc cấu hình hệ thống
- Nhược điểm: dung lượng phần mềm lớn, yêu cầu cấu hình máy tính cao, ban đầu khó làm quen đối với người mới học
TIA Portal V17 là một ứng dụng tiện ích cung cấp quyền truy cập không giới hạn vào một loạt dịch vụ tự động hóa số hóa, từ kỹ thuật tích hợp và lập kế hoạch kỹ thuật số đến vận hành minh bạch Nền tảng này hỗ trợ quá trình thiết kế, triển khai và quản lý hệ thống tự động hóa một cách hiệu quả, giúp tối ưu hóa chu trình làm việc, nâng cao tính đồng bộ giữa các công cụ kỹ thuật số và đảm bảo thông tin vận hành được trình bày rõ ràng và dễ dàng theo dõi.
Việc sử dụng công cụ mô phỏng giúp rút ngắn thời gian tiếp thị, đồng thời tăng năng suất nhờ các đường chéo bổ sung và các chức năng quản lý năng lượng Cổng thông tin SIMATIC TIA Portal mang lại sự linh hoạt cao hơn bằng cách kết nối với cấp quản lý.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH
Giới thiệu về hệ thống
- Hệ thống điều khiển, giám sát trạm Barie đường tàu hỏa tự động gồm có các phần sau:
• Hệ thống đường ray và tàu
• Đèn báo và chuông báo tàu đến
• Loa cảnh báo đứng gần thanh chắn
• Tàu chạy đến trạm qua cảm biến tàu 1 phát hiện vật cản
Trạm barie bật đèn cảnh báo và phát còi; sau 0,5 giây cánh tay chắn quay xuống ở góc 90 độ để ngăn giao thông giữa đường tàu và đường bộ Sau 5 giây, còi cảnh báo tắt Khi tàu qua cảm biến tàu 2, cánh tay chắn quay lên ở góc 90 độ và đèn tắt.
• Tàu chạy theo hướng ngược lại qua trạm và đến cảm biến quang 2 phát hiện vật cản tương tự như trên
Khi barie đóng xuống nhưng vẫn có người hoặc xe đứng gần thanh chắn gây tác động lên cảm biến, hệ thống còi cảnh báo ở gần thanh chắn sẽ được kích hoạt để cảnh báo người và phương tiện Còi cảnh báo sẽ tắt khi cảm biến không còn tác động.
• Khi tàu đã đến tác động vào cảm biến phát hiện tàu, barie đã đóng những có vật chắn làm cảm biến tác động quá 1s thì bật đèn cảnh báo và gọi cho lái tàu để phanh cho tàu đứng kịp
• Hệ thống điều khiển trạm barie đóng lại khi có tàu sắp đi qua đường giao nhau Tàu hỏa sẽ chạy trên đường ray và khi đến vị trí cảm biến quang để nhận biết có tàu đến Tàu đi qua cảm biến tàu 1 (CB2), cảm biến tàu 1 phát hiện có vật cản và đưa tín hiệu về PLC PLC S7 - 1200 nhận thông tin tín
Hình 3-2 mô tả tổng quan hệ thống điều khiển và đưa vào chương trình để xử lý thông tin Sau khi xử lý, PLC xuất tín hiệu tới trạm Barie để điều khiển đèn và còi báo hiệu trước; tiếp đó động cơ hoạt động và cửa hạ xuống, ngăn giữa đường bộ với đường tàu Khi tàu đến vị trí cảm biến tàu 2 (CB6) thì cửa Barie sẽ quay mở lên Trong trường hợp tàu chạy theo hướng ngược lại qua trạm và tác động cảm biến tàu 2 (CB6) trước, quá trình này diễn ra tương tự như với cảm biến tàu 1.
Hệ thống gồm hai cảm biến 5m CB1 và CB5 được lắp đặt để báo động khi barrier đã đóng xuống nhưng vẫn có người hoặc xe ở gần tàu hơn khoảng cách an toàn Khi cảm biến CB1 hoặc CB5 bị tác động, thông tin được gửi về PLC và PLC sẽ phát tín hiệu kích hoạt loa báo động; không được đứng gần cho đến khi cảm biến trở về trạng thái bình thường và loa sẽ ngắt tự động khi hết tác động.
Hai cảm biến phát hiện tai nạn CB3 và CB4 được đặt gần đường ray nhằm phát hiện xe hoặc vật chắn ngang đường ray; khi cảm biến tác động quá 1 giây và tàu chạy qua, một trong hai cảm biến sẽ phát hiện tàu, barie đóng xuống và gửi tín hiệu về PLC PLC S7-1200 nhận tín hiệu, xử lý thông tin bằng chương trình, sau đó xuất tín hiệu bật đèn cảnh báo và truyền thông tin qua Arduino để kích hoạt module SIM gọi điện cảnh báo từ xa cho lái tàu nhằm phanh kịp thời.
Tính chọn thiết bị cho mô hình
3.2.1: Hệ thống đường ray và tàu hỏa
HÌNH 3- 3: Hệ thống đường ray và tàu
Để thiết kế mô hình điều khiển và giám sát trạm Barie trong hệ thống đường tàu hỏa tự động, em sử dụng mô hình hệ thống ray và tàu đồ chơi để mô phỏng trước khi triển khai trên mô hình ngoài thực tế Việc mô phỏng giúp thử nghiệm luồng điều khiển, đảm bảo an toàn vận hành và đánh giá độ tin cậy của cả phần cứng lẫn phần mềm, đồng thời tối ưu hóa quy trình đóng mở Barie và giảm thiểu rủi ro, chi phí khi thử nghiệm Nhờ mô hình mô phỏng dựa trên ray và tàu đồ chơi, ta có thể quan sát trạng thái trạm Barie, hiệu suất điều khiển và cải thiện đáp ứng của hệ thống đường tàu tự động một cách hiệu quả và có căn cứ thực nghiệm.
• Không gian mô hình nhỏ gọn
• Dễ điều khiển và vận hành
• Kết cấu cơ khí không quá phức tạp
• Dễ điều chỉnh và sữa chửa
Nguyên lý hoạt động của hệ thống đường ray và tàu hỏa là tự động: khi khởi động, tàu sẽ chạy trên đường ray nhờ nguồn điện dự trữ trong pin; cảm biến đặt ở hai đầu trạm barie phát hiện sự có mặt của tàu và gửi tín hiệu đến trạm barrier, từ đó thanh chắn được nâng lên hoặc hạ xuống để cho tàu đi qua hoặc dừng lại.
3.2.2: Bộ điều khiển trung tâm
Để điều khiển mô hình này, tôi chọn dòng PLC S7-1200 với CPU 1214C-DC/DC/DC (mã 6ES7 214-1AG40-0XB0) làm bộ điều khiển trung tâm, vì đây là dòng phổ biến trên thị trường và có cấu hình phù hợp để lập trình và điều khiển CPU 1214C-DC/DC/DC cho phép xử lý nhanh, tích hợp giao tiếp và mở rộng I/O dễ dàng, từ đó tối ưu hóa quá trình vận hành và bảo trì cho hệ thống mô hình.
❖ Thông số kỹ thuật dòng PLC S7-1200 CPU1214C-DC/DC/DC 6ES7 214 - 1AG40 - 0XB0:
• 14DI/10DO (14 đầu vào số và 10 đầu ra số)
• PROGRAM/DATA MEMORY: 100KB (Bộ nhớ nội)
• 6 bộ đếm tốc độ cao HSC 100khz
• Board tín hiệu: SM1232AQ
• AO (1 đầu ra analog 12bit)
• AO (2 đầu ra analog 14bit và 12bit)
• Module truyền thông: CM1241-RS48
3.2.3: động cơ Servo: a Cấu tạo
Động cơ servo là cơ cấu cơ khí chủ đạo trong hệ thống truyền động, đóng vai trò biến đổi tín hiệu điều khiển thành chuyển động có kiểm soát Nó được thiết kế để truyền tải lực từ đó thực hiện các thao tác nâng, hạ và di chuyển một vật từ vị trí này sang vị trí khác Với khả năng điều khiển chính xác về vị trí, vận tốc và mô-men, động cơ servo mang lại độ tin cậy và hiệu suất cao cho các ứng dụng tự động hóa như robot, máy gia công và hệ thống điều khiển tự động.
HÌNH 3- 5: Cấu tạo động cơ servo
HÌNH 3- 6: động cơ servo MG996R
❖ Thông số kỹ thuật của động cơ Servo Mg996R:
• Servo MG996R (nâng cấp MG995) có momen xoắn lớn
• Momen làm việc: 11kg/cm (tại điện áp 6V), 9.4kg/cm (tại điện áp 4.8V)
• Đây là bản nâng cấp từ servo MG995 về tốc độ, lực kéo và độ chính xác
• Phù hợp với máy bay cánh quạt loại 50 - 90 methanol và máy bay cánh cố định xăng 26cc-50cc
• So với MG946R, MG996R nhanh hơn, nhưng hơi nhỏ hơn
• Tốc độ xoay: 0.17 giây / 60 độ (4.8 v) 0.14 giây / 60 độ (6 v)
• Chiều dai dây: 30cm, dây nâu đỏ là 2 dây nguồn, dây vàng là dây tín hiệu
• Vật liệu bánh răng: Kim loại
• Việc điều khiển servo thường yêu cầu xung với thời gian khoảng 20ms, xung điều khiển góc trong phạm vi 0.5 – 2.5ms, với tổng thời gian là 2ms
Để điều khiển hệ thống, kết nối dây đỏ với nguồn 5V, dây nâu với mass và dây cam với chân phát xung của PLC Tại chân phát xung, cấp một xung có độ rộng từ 0,5 ms đến 2,5 ms để điều khiển góc quay theo ý muốn.
Động cơ servo có chức năng chính là đạt được góc quay chính xác trong phạm vi từ 90 độ đến 180 độ, nhờ đó hệ thống kiểm soát vị trí có thể vận hành ổn định và chính xác Khả năng điều khiển góc quay này cho phép ứng dụng rộng rãi như lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống, và quay một cảm biến để quét khắp phòng, phục vụ cho tự động hóa và theo dõi môi trường Việc tích hợp động cơ servo giúp tăng độ nhạy và độ tin cậy của các hệ thống điều khiển, từ robot đến thiết bị quan sát, mang lại khả năng điều chỉnh vị trí nhanh chóng và chính xác theo yêu cầu của người vận hành hoặc chương trình.
Ưu điểm nổi bật của hệ thống là điều khiển tốc độ tốt và trơn tru trên toàn bộ vùng tốc độ, hầu như không dao động, với hiệu suất trên 90% và sinh nhiệt ở mức rất thấp Hệ thống còn cho phép điều khiển tốc độ ở mức cao và điều khiển vị trí chính xác, nhờ độ chính xác của bộ mã hóa.
Nhược điểm lớn nhất của động cơ có cấu tạo gồm bộ phận chổi than nằm ở chính đặc điểm đó: dễ gây ra tiếng ồn trong quá trình vận hành do ma sát với cổ góp, nhiệt độ tăng cao khiến máy nóng lên và quán tính cao khi giảm tốc độ làm giảm khả năng điều khiển và phản ứng tải Do sự hiện diện của chổi than, quá trình hao mòn và bảo trì có thể cao hơn, khiến chi phí vận hành tăng lên so với các công nghệ không sử dụng chổi.
3.2.4: Cảm biến quang phát hiện vật
Cảm biến quang điện NPN dùng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách tới vật cản, mang lại phản hồi nhanh và rất ít nhiễu nhờ cách tách biệt mắt nhận và phát tia hồng ngoại ở tần số riêng biệt Mắt nhận và nguồn phát tia hồng ngoại hoạt động ở hai tần số khác nhau, giúp giảm nhiễu từ môi trường Cảm biến có thể chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở, cho phép thiết lập vùng phát hiện linh hoạt cho các ứng dụng tự động hóa.
• Nguồn điện cung cấp: 6 ~ 36VDC
• Khoảng cách phát hiện: 0 ~ 300mm
• Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở
• Dòng kích ngõ ra: 300mA
• Chất liệu sản phẩm: nhựa
• Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ
Cảm biến quang điện hình trụ chống nhiễu tốt nhờ công nghệ Photo-IC, mang lại hiệu suất ổn định và độ nhạy cao trong môi trường công nghiệp Khoảng cách phát hiện lên tới 30 cm được tối ưu hóa bởi bộ điều khiển độ nhạy cho bộ khuếch tán, cho phép người dùng điều chỉnh phạm vi và độ nhạy theo yêu cầu ứng dụng.
HÌNH 3- 8: Bộ nguồn nguồn tổ ong 24V-5A
• Điện áp hoạt động: 3 ~ 24VDC
• Dòng điện tiêu thụ: 30mA 12V, 40mA 24V
• Biên độ âm thanh: lên đến 100dB
• Kích thước: 27 x 15mm • Khối lượng: 10g
❖ Thông số kỹ thuật của arduino uno:
• Arduino Uno được xây dựng với phần nhân là vi điều khiển ATmega328P sử dụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz
Với vi điều khiển này, tổng cộng có 14 pin I/O được đánh số từ 0 đến 13, trong đó có 6 pin PWM được đánh dấu bằng ký hiệu ~ trước mã pin Song song đó có thêm 6 pin nhận tín hiệu analog được đánh ký hiệu từ A0 đến A5, 6 pin này cũng có thể được sử dụng như các pin I/O số bình thường (như pin 0-13) Trong các pin kể trên, pin 13 là pin đặc biệt vì được nối trực tiếp với LED trạng thái trên board.
• Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và
1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn
BẢNG 3- 1: Thông số kỹ thuật Arduino Uno
Vi điều khiển ATmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp vào khuyên dùng 7-12V Điện áp vào giới hạn 6-20V
Digital I/O pin 14 (trong đó 6 pin có khả năng băm xung)
Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA
Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA
0.5 KB được sử dụng bởi bootloader
• Để sử dụng phải có board mạch Arduino đi kèm
• Hoạt động tại điện áp 5V (được cấp từ mạch Arduino)
• Chip Ethernet: W5100 với buffer nội 16K
• Tốc độ kết nối: 10/100Mb
• Kết nối với mạch Arduino qua cổng SPI
• Thư viện và code mẫu có sẵn trong phần mềm Arduino IDE
HÌNH 3- 12: Kết nối Arduino với modul Ethernet 3.2.9: Modul sim
• Mạch phát triển GSM GPRS SIM 800L MICROSIM SIM800L
Nguồn cấp cho mạch là 3.8–4.2 V DC; có thể sử dụng nguồn dòng thấp từ 500 mA trở lên (như cổng USB hoặc nguồn từ board Arduino) Nên chọn nguồn có thể cung cấp 4.2 V và tối thiểu 1 A để đảm bảo mạch hoạt động ổn định.
• TXD: Chân truyền Uart TX
• RXD: Chân nhận Uart RX
• DTR: Chân UART DTR, thường không xài
• SPKP, SPKN: ngõ ra âm thanh, nối với loa để phát âm thanh
• MICP, MICN: ngõ vao âm thanh, phải gắn thêm Micro để thu âm thanh
• Reset: Chân khởi động lại Sim800L (thường không xài)
• RING: báo có cuộc gọi đến
HÌNH 3- 14: Module Ghi Âm ISD1820 V2
• Kích thước module ghi âm: 38.5 (mm) x 43 (mm)
• Chất lượng cao, giảm tiếng nói tự nhiên
• Có thể sử dụng như loa phát trực tiếp
HÌNH 3- 15: Sơ Đồ Module Ghi Âm ISD1820
• IO : Các Jum kết nối và Jum nguồn
• RPL Jumper: kiểm soát chế độ vòng lặp, vòng lặp
• FT jumper: kiểm soát quyền truy cập trực tiếp, microphone cho phép truy cập trực tiếp đến phát lại giọng nói
• Rec : Nút thu âm (bấm và giữ lại )
• Playe : Phát âm vừa thu
• Playl : Nhấn và giữ nút để phát lại âm.(âm sẽ tắt nếu nhả nút )
• SP1 : Chân kết nối với loa
• Loa : Loa đi kèm module (8 om , 0.5w)
• Dây : Kết nối với loa
HÌNH 3- 16: Mạch Giảm Áp DC LM2596 có hiển thị Led 7 đoạn
• Dùng IC LM2596 với tần số lên đến 150Khz
• Có nút nhấn chuyển chế độ hiển thị ngõ ra/vào
• Điện áp đầu vào: Từ 4V đến 30V
• Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 29V
• Dòng ngõ ra tối đa là 3A
Module Hạ Áp Buck DC-DC là giải pháp chuyển đổi nguồn cung cấp cho các thiết bị điện tử với đầu vào 4.5–30V và đầu ra có thể điều chỉnh được qua biến trở từ 1.25–30V, công suất tối đa 150W Với kích thước nhỏ gọn và dễ lắp đặt, Buck DC-DC được ứng dụng rộng rãi trong điện tử, công nghiệp và các ứng dụng gia đình.
• Điện áp cung cấp: 4.5 ~ 30V (không vượt quá 30V)
• Dòng điện ngõ ra: khoảng 12A với lò sưởi
• Công suất ngõ ra: 100w, có thể nâng lên 200W ở điều kiện nhiệt tốt
• Tần số hoạt động: 300KHz
• Hoạt động nhiệt độ: -40 đến 850C
• Ưu tiên: Hạn chế cháy, nổ khi sử dụng quá tải
Hình 3-17 mô tả Module Hạ Áp Buck DC-DC 150W, với quy trình điều chỉnh gồm hai bước: trước tiên chỉnh điện áp, sau đó chỉnh dòng Nếu dòng ra vượt quá dòng chỉnh, module sẽ hạ điện áp đầu ra để dòng ra bằng dòng chỉnh; ngược lại, nếu dòng ra thấp hơn dòng chỉnh thì điện áp đầu ra được điều chỉnh lên để đạt điện áp chỉnh.
• Điện áp hoạt động: 24v Dc
• Chất liệu: nhựa + kim loại
• Màu sắc: đỏ, vàng, xanh
3.2.13: Mạch opto cách ly 4 kênh pc817
• Port điều khiển tín hiệu điện áp: 3.6-24V
• Đầu jumper đầu ra có thể được kéo lên hoặc kéo xuống
• Onboard 4-Channel 817 hoạt động độc lập: có thể điều khiển điện áp khác nhau tại thời điểm đó
HÌNH 3- 19: Mạch opto cách ly 4 kênh pc817
Với 4 opto 817, bạn có thể thiết kế để có được tín hiệu điều khiển và tín hiệu điều khiển cách ly trong cùng một mạch Việc này cho phép bạn kết nối trực tiếp với vi điều khiển hoặc cổng IO của các thiết bị khác để thực hiện điều khiển cách ly điện áp, từ đó có thể kiểm soát điện áp ở mức nhỏ một cách an toàn và hiệu quả.
3.2.14: Bộ chia cổng lan Tplink SF1005D
HÌNH 3- 20: Bộ chia cổng lan Tplink SF1005D
• 5 cổng RJ45 tự động tương thích tốc độ 10/100Mbps (Auto-Negotiation) và hỗ trợ chuyển đổi MDI/MDIX
• Công nghệ Ethernet xanh giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ
• Kiểm soát lưu lượng IEEE 802.3x mang lại khả năng truyền tải dữ liệu đáng tin cậy
• Thiết kế để bàn với vỏ nhựa nhỏ gọn
• Không yêu cầu cấu hình, chỉ cần cắm và và sử dụng
3.2.15: Nút nhấn và dừng khẩn cấp
HÌNH 3- 21: Nút nhấn và dừng khẩn cấp
Thiết kế các bộ phận của hệ thống
❖ Sử dụng nguồn 24V - 5A với các thông số sau:
- Nhiệm vụ: cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống mô hình
- Sử dụng modul Mạch Giảm Áp DC LM2596 có hiển thị Led 7 đoạn để hạ áp nguồn từ 24v DC xuống còn 3.8 - 4.2v DC cấp nguồn cho modul sim800L
- Sử dụng Module Hạ Áp Buck DC-DC 150W để hạ áp nguồn từ 24v DC xuống còn 5v DC cấp nguồn cho modul Arduino, Servo, …………
HÌNH 3- 23: Hệ thống đường ray
- Nhiệm vụ: Hỗ trợ cho tàu chạy qua các cảm biến và trạm barie trên hệ thống
3.3.3: Cơ cấu động cơ servo xoay
HÌNH 3- 24: Cơ cấu động cơ servo xoay và thanh chắn cần thẳng
• Khi cảm biến phát hiện có tàu đến, động cơ servo nhận tín hiệu từ cảm biến đóng điện và xoay thanh chắn cần thẳng xuống 90 o
• Khi cảm biến phát hiện có tàu đi khỏi, động cơ servo nhận tín hiệu từ cảm biến đóng điện và xoay thanh chắn cần thẳng lên 90 o
3.3.4: Hệ thống đèn và chuông cảnh báo
HÌNH 3- 25: Hệ thống đèn cảnh báo
HÌNH 3- 26: chuông và loa cảnh báo
Khi cảm biến nhận diện tàu đến, hệ thống sẽ kích hoạt cảnh báo bằng hai đèn đỏ nháy liên tục và còi hú vang lên, nhằm cảnh báo nguy hiểm cho người tham gia giao thông trên đường bộ và yêu cầu họ dừng lại để đảm bảo an toàn.
• khi cảm biến phát hiện đứng gần, loa cảnh báo sẽ phát ra âm thanh cảnh báo cho đến khi hết bị tác động
• khi cảm biến phát hiện có tai nạn hay sự cố chắn cảm biến lâu thì sẽ bật sáng đèn đặt xa trạm bên đường ray
3.3.5: Hệ thống cảnh báo từ xa
HÌNH 3- 28: Modul Sim + Sim HÌNH 3- 27: Arduino + Ethernet
Nhiệm vụ của hệ thống là gọi điện cảnh báo từ xa cho lái tàu, để người điều khiển tàu có thể phanh từ khoảng cách an toàn và dừng lại trước các vật chắn tại trạm chắn Cảnh báo từ hệ thống giúp lái tàu nhận tín hiệu khẩn cấp kịp thời, giảm nguy cơ va chạm và tăng cường an toàn cho hoạt động đường sắt Hệ thống đóng vai trò kết nối giữa thông tin cảnh báo và hành động phanh, đảm bảo tàu tuân thủ khoảng cách an toàn trước vật chắn trên tuyến đường.
3.3.6: Cụm nút nhấn và dừng khẩn cấp
HÌNH 3- 30: Cụm nút nhấn và dừng khẩn cấp HÌNH 3- 29: Bộ chia cổng LAN Tplink
HÌNH 3- 31: Lắp đặt khung mô hình
3.3.8: Tổng quan toàn mô hình
HÌNH 3- 32: Tổng quan mô hình đang lắp ráp
HÌNH 3- 33: Tổng quan mô hình sau khi hoàn thiện
LẬP TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MÔ HÌNH
Sơ đồ đấu dây
HÌNH 4- 1: Sơ đồ đấu nối dây toàn hệ thống
Phân công đầu vào, đầu ra của hệ thống
BẢNG 4- 1: Input và Output của hệ thống Đầu vào INPUT Địa chỉ chân Chú thích
CB2 I0.1 CB tàu đến, tàu đi
CB6 I0.5 CB tàu đến, tàu đi
Start I0.6 Nút nhấn bắt đầu
Stop I0.7 Nút nhấn qua chế độ tay Ấn lên I1.0 Nút ấn mở barrie Ấn hạ I1.1 Nút ấn đóng barrie Đầu ra OUTPUT Địa chỉ chân Chú thích
Báo ra Âm Thanh Q0.7 Loa phát ra tiếng nói
Lưu đồ thuật toán
HÌNH 4- 2: Sơ đồ nguyên lý của nút ấn
HÌNH 4- 3: sơ đồ nguyên lý tàu chạy qua trạm
HÌNH 4- 4: Sơ đồ nguyên lý tình huống tai nạn tại nút
HÌNH 4- 5: Sơ đồ nguyên lý lúc có vật đứng gần 5m
Chương trình điều khiển PLC
• Network 1 là Khối giao tiếp kết nối giữa PLC và arduino
• Network 2 là nếu “khẩn cấp” đóng thì MOVE giá trị 1 cho Arduino để gọi Sim
• Còn không thì MOVE giá trị 0 cho Arduino
• Network 3 là 2 khối băm xung cho 2 servo
• Khối CTRL_PWM_DB là băm xung dùng cho servo 1 tương ứng với chân Q0.0 của PLC
• Tên “Pulse_1” tương ứng với chân Q0.0, địa chỉ bắt đầu là 1020(Tag_4), địa chỉ kết thúc là 1021
• Khối CTRL_PWM_DB_1 là băm xung dùng cho servo 2 tương ứng với chân Q0.1 của PLC
• Tên “Pulse_2” tương ứng với chân Q0.1, địa chỉ bắt đầu là 1022(Tag_5), địa chỉ kết thúc là 1023
• Tag_3(%MD104) là 1 tag trung gian để MOVE giá trị tạo nên góc quay 90 0 của Servo
• ở đây em MOVE giá trị vào địa chỉ cả 2 như nhau vì cả 2 cùng chạy 1 góc lên xuống như nhau
• Start và Stop là 2 nút nhấn tay, Run là 1 tag trung gian
Nhấn Start sẽ cấp điện cho chế độ Run và giữ điện tại nút giữ phía dưới, đồng thời đóng điện cho tất cả các tiếp điểm thường mở của các Network ở phía dưới và mở các tiếp điểm thường đóng.
• Nhấn stop thì Run sẽ mất điện
• Khi nhấn Start thì Run đóng sẵn sàng cho các cảm biến tác động
• Timer_3 sẽ chạy đếm đủ 2s để mở tiếp điểm giữ ở tag_12 và tag_13
• Time_4 sẽ chạy đếm đủ 1s đóng 2 tiếp điểm Timer_4.Q ở trên
• Khi cảm biến 2 tác động Tag_13 sẽ có điện, đồng thời Timer_3 mất điện nối giữ tag_13 luôn có điện
• Khi cảm biến 2 tác động Tag_13 sẽ có điện đóng tiếp điểm xung sườn lên ở trên 1 lần làm SET biến trung gian “VaoHuongAB”
• “VaoHuongAB” được SET lên thì tiếp điểm thường đóng bên dưới mở ra ngắt điện Time_4 => tiếp điểm Timer_4.Q ở trên mở ra
• “VaoHuongAB” được SET lên thì 2 tiếp điểm “VaoHuongAB” ở Network7 đóng điện
• Tương tự như cảm biến 2 ta có cảm biến 6
• Khi cảm biến 6 tác động Tag_12 sẽ có điện, đồng thời Timer_3 mất điện nối giữ tag_12 luôn có điện
• Khi cảm biến 6 tác động Tag_12 sẽ có điện đóng tiếp điểm xung sườn lên ở trên 1 lần làm SET biến trung gian “VaoHuongBA”
• “VaoHuongBA” được SET lên thì tiếp điểm thường đóng bên dưới mở ra ngắt điện Time_4 => tiếp điểm Timer_4.Q ở trên mở ra
• “VaoHuongBA” được SET lên thì 2 tiếp điểm “VaoHuongBA” ở Network7 đóng điện
• Khi nhấn Start thì Run đóng sẵn sàng
• Khi “VaoHuongAB” hoặc “VaoHuongBA” đóng điện thì biến trung gian
“Tàu vào” được SET lên đóng điện cho tiếp điểm thường mở ở Network8 và mở tiếp điểm thường đóng bên dưới
• Khi “VaoHuongAB” đóng điện thì chỉ có cảm biến 6 tác động mới có tác dụng RESET toàn bộ 3 biến trung gian “VaoHuongAB”, “VaoHuongBA”,
• Khi “VaoHuongBA” đóng điện thì chỉ có cảm biến 2 tác động mới có tác dụng RESET toàn bộ 3 biến trung gian “VaoHuongAB”, “VaoHuongBA”,
• Khi Run được đóng thì MOVE giá trị 20 vào Tag_3(%MD104) để MOVE vào Tag_4(%QW1020) và Tag_5(%QW1022) để thực hiện quay 2 Servo về góc quay thẳng đứng
• Khi Run và “Tàu vào” đã được đóng điện thì đèn đỏ 1(D1) sáng 200ms theo Timer_1 rồi tắt đến đèn đỏ 2(D2) sáng 200ms theo Timer_2
• Sau khi Timer_2 chạy xong 200ms thì tiếp điểm thường đóng Timer_2.Q sẽ mở ra ngắt điện cả 2 đèn và 2 Timer
Sau khi bị ngắt điện, hai tiếp điểm thường đóng của hai Timer quay về trạng thái đóng như cũ, cấp điện cho đèn đỏ 1 và Timer_1, và chu kỳ sáng-tắt của hai đèn được lặp lại.
Khi Run và Tàu vào đã được đóng điện, hệ thống thực hiện một khoảng trễ 0,5 giây rồi MOVE giá trị 70 vào Tag_3(%MD104) để MOVE vào Tag_4(%QW1020) và Tag_5(%QW1022), nhằm hạ hai Servo xuống góc 90 độ.
Khi Run và "Tàu vào" đã được đóng điện, còi báo hiệu vang lên; hệ thống dùng bộ hẹn giờ Timer_12 để ngắt còi báo sau một khoảng thời gian cố định, và khi tiếp điểm thường đóng Timer_12.Q mở ra sẽ ngắt nguồn điện cấp cho còi báo.
• Khi Run và “Tàu vào” đã được đóng điện sẵn sàng
• Sau 0.5s Timer_9 đóng điện, tức là barrie đã đóng xuống, Timer_9.Q đóng điện sẵn sàng cho các cảm biến
• Cảm biến 3 và cảm biến 4 là 2 cảm biến tai nạn, được đặt bên trong barrie gần đường ray
Cảm biến 1 và cảm biến 5 là hai cảm biến cảnh báo khi xe cộ hoặc người đi gần rào chắn, hoạt động khi đèn báo sáng và còi hú vang lên Lúc này thanh chắn chuẩn bị hạ xuống hoặc đã hạ xuống, và hệ thống được đặt ở phía ngoài rào chắn để tăng cường an toàn và nhận diện sự cố sớm.
Khi cảm biến 3 hoặc cảm biến 4 tác động, Timer_11 sẽ chạy 1 giây; sau khi quá 1 giây vẫn còn tác động, hai trụ đèn vàng sẽ sáng lên báo hiệu tai nạn tại nút, đồng thời tín hiệu khẩn cấp được gửi đến Arduino để kích hoạt Module SIM800L gọi cho người lái tàu và yêu cầu phanh Khi tác động kết thúc, đèn sẽ tắt.
• Khi cảm biến 3 hoặc cảm biến 4 tác động thì loa sẽ phát ra âm thanh cảnh báo, khi hết tác động thì sẽ ngưng cảnh báo
• Khi chưa nhấn Start hoặc đã nhấn thì nhấn Nút Stop thì tiếp điểm thường đóng Run sẽ cấp điện
• Nhấn “ấn lên” thì MOVE giá trị 20 vào Tag_3(%MD104) để MOVE vào Tag_4(%QW1020) và Tag_5 (%QW1022) để thực hiện quay 2 Servo về góc quay thẳng đứng
• Nhấn “ấn hạ” thì MOVE giá trị 70 vào Tag_3(%MD104) để MOVE vào Tag_4(%QW1020) và Tag_5 (%QW1022) để hạ 2 Servo xuống 1 góc 90 0
Giao diện giám sát
• Giao diện giám sát khi chưa có cảm biến nào được tác động
• Tất cả các đèn, còi, loa đều ở trạng thái tắt, thanh chắn ở vị trí thẳng đứng
• Giao diện giám sát khi có tàu chạy qua tác động vào cảm biến
• Đèn báo sáng, còi vang lên và thanh chắn hạ xuống 1 góc 90 0
• Giao diện giám sát khi có tàu chạy qua làm tác động vào cảm biến và có vật làm tác động cảm biến khoảng cách
• Loa bật phát ra âm thanh
• Giao diện giám sát khi có tàu chạy qua làm tác động vào cảm biến và có vật làm tác động cảm biến tại nạn quá 1s
• 2 trụ đèn vàng bật sang