Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng bộ điều khiển plc

Ngoài việc giao tiếp tín hiệu với các trường thiết bị vào – ra như các bảng vận hành, động cơ, cảm biến, van, …, khả năng giao tiếp truyền thông dữ liệu trên mạng giữa các thành phần điề

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội – Năm 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MỤC LỤC

HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU - 5 -

HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ - 5 -6 LỜI CAM ĐOAN - 5 -9 LỜI CẢM ƠN - 5 -10 PHẦN MỞ ĐẦU - 5 -11 1 Lý do chọn đề tài - 11 -

2 Lịch sử nghiên cứu - 12 -

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu - 12 -

4.Tóm tắt những luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả - 12 -

5 Phương pháp nghiên cứu………- 13

- Chương I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIAO THÔNG……… 14

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN……….14

1.1 Lịch sử phát triển……….14

1.2 Nguyên tắc điều khiển…… ………15

II GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GIAO THÔNG VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI 17

2.1 Một số hình ảnh giao thông ở Việt Nam… ……… 17

2.2 Một số hình ảnh giao thông trên thế giới………17

III TỔNG QUAN VỀ PLC………18

3.1 Hệ thống điều khiển là gì?……….18

3.2 Vai trò của bộ lập trình điều khiển PLC………18

3.3 Ưu điểm của một số dạng điều khiển………19

3.4 Khái niệm PLC……… 20

3.5 Ứng dụng của PLC………23

IV KẾT LUẬN - 5

-………25 Chương II:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO

THÔNG……… 26

I.PHÂN TÍCH HỆ THỐNG CẦN ĐIỀU KHIỂN………26

1.1.Đặc điểm……….………26

1.2.Thời gian các đèn………27

1.2.1 Thời gian khi làm việc ở chế độ 3 pha………27

1.2.2 Thời gian khi làm việc ở chế độ 2 pha………27

II NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG ……….… 28

2.1 Nguyên tắc hoạt động………28

2.2 Phương án điều khiển………29

2.2.1 Hàm trạng thái của hệ thống điều khiển……….29

2.2.2 Giản đồ thời gian của các đèn.… ………30

2.2.3 Hàm thời gian liên hệ các tuyến khi thay đổi thời gian các trạng thái………34

III CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN……… 43

3.1 Phần đèn điều khiển……… 43

3.1.1 Đèn Đỏ………43

3.1.2 Đèn Vàng………44

3.1.3 Đèn Xanh………45

3.1.4 Hệ thống 3 đèn………46

3.1.5 Đèn cho người đi bộ………47

3.1.6 Bộ hiển thị thời gian (đếm giây ngược )……….47

3.2 Camera giao thông……….48

3.2.1 Giới thiệu chung ………48

3.2.2 Kết nối mạng Camera ……… 49

3.2.3 Các thiết bị trong mạng Camera giao thông ……….51

3.2.4 Trung tâm điều khiển hệ thống thông qua Camera giám sát giao thông … 60

3.3 Bộ phận điều khiển.…… ………61

3.3.1 Mô đun nguồn…… ……… 61

3.3.2 Bộ điều khiển PLC ……… 61

3.3.3 Mô đun giao tiếp IM……… 62

3.3.4 Mô đun vào số DI (SM 321)……… 63

3.3.5 Mô đun ra số DO (SM 322)………64

3.3.6 Lắp đặt thiết bị lên thanh Rails……… 66

IV THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN………….……….67

4.1 Phân tích các sơ đồ điều khiển……… 67

4.1.1 Sơ đồ thiết bị vào ra……… 67

4.1.2 Phân tích sơ đồ thuật toán điều khiển……….70

4.1.3 Phân tích sơ đồ thuật toán khởi tạo……….71

4.1.4 Phân tích sơ đồ thuật toán kiểm tra trạng thái đèn……… 73

4.1.5 Phân tích sơ đồ thuật toán xử lý khi có tàu……….74

4.1.6 Phân tích sơ đồ thuật toán điều khiển chương trình chính……… 75

4.1.7 Phân tích sơ đồ thuật toán điều khiển chương trình chính mở rộng……… 77

4.2 Lập trình điều khiển……….……… 85

4.2.1 Ngôn ngữ lập trình……… 85

4.2.2 Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ……….……… 85

4.2.3 Cấu trúc lệnh và trạng thái kết quả……… ……… 87

4.2.4 Các lệnh điều khiển chương trình……….……… 90

4.2.5 Kỹ thuật lập trình……… ……….91

V THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN………….……… 94

5.1 Phân tích sơ đồ lắp đặt các thiết bị điều khiển……… 94

5.2 Phân tích sơ đồ mạch điện điều khiển………96

5.3 Phân tích sơ đồ mạch đầu ra các thiết bị………98

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VÀ THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG……….101

I MỘT SỐ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG……… 101

1.1 Chương trình mô phỏng S7 - PLC SIM……….101

1.1.1 Giới thiệu chương trình S7- PLC SIM………101

1.1.2 Các bước thực mô phỏng bằng chương trình S7- PLC SIM ………101

1.2 Chương trình mô phỏng SPS-VISU ………103

II MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG VISUAL BASIC 6.0………104

2.1 Giới thiệu chương trình Visual Basic 6.0………104

2.1.1 Các thanh công cụ chính của chương trình………105

2.1.2 Soạn thảo chương trình điều khiển……….106

2.1.3 Sơ lược về thiết kế chương trình điều khiển ………107

2.2 Chương trình mô phỏng tín hiệu giao thông.….………108

2.2.1 Thiết kế bảng hệ thống điều khiển ………….………109

2.2.2 Thiết kế giao diện hệ thống điều khiển ………….………109

2.2.3 Một số trường hợp làm việc của hệ thống điều khiển ………….………….110

III KẾT LUẬN……….111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……….……….112

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….……….114

HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: mô tả so sánh các hệ điều khiển rơle, mạch số, máy tính, PLC……… 20

Bảng 2.1 Thời gian làm việc bình thường với chu kì là 90s……….27

Bảng 2.2 Thời gian làm việc khi cao điểm với chu kì là 120s……….27

Bảng 2.3 Thời gian làm việc ở chế độ 2 pha với chu kì là 90s 27

Bảng 2.4 Bảng trạng thái làm việc của các đèn……… 30

Bảng 2.5: Số lượng đèn tương ứng với đường kính đèn đỏ……….… 44

Bảng 2.6: Thông số kĩ thuật đèn đỏ ……… ………….…… …… 44

Bảng 2.7: Kích thước tương ứng số led đèn vàng……… ………….… 45

Bảng 2.8: Thông số kĩ thuật đèn vàng………… ……… … 45

Bảng 2.9: Số lượng đèn xanh theo kích thước………… ……… ….45

Bảng 1.10: Thông số kĩ thuật đèn xanh……… ………45

Bảng 2.11: Thông số kĩ thuật bố trí đèn 3 đèn ………… ………46

Bảng 2.12: Số kích thước tương ứng số lượng đèn led……… ……46

Bảng 2.13: Kích thước đèn tương ứng số lượng led đèn đi bộ…… ………… 47

Bảng 1.14: Thông số kĩ thuật đèn đi bộ……… ……… … 47

Bảng 2.15: Số lượng led tương ứng kích thước đèn thời gian ….47

Bảng 2.16: thông số kĩ thuật của đèn thời gian……… …….47

Bảng 2.17: Thông số kỹ thuật của Camera IP7161……… ………54

Bảng 1.18: Thông số kỹ thuật đầu ghi hình NR740………… ……… 57

Bảng 2.19: Cổng vào tương ứng trên PLC và mô đun vào số DI… ……… ……67

Bảng 2.20: Cổng ra tương ứng trên PLC và các mô đun ra số DO………… ……68

HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Quang cảnh giao thông ở các ngã tư tại Hà Nội.……… 17

Hình 1.2: Quang cảnh 1nút giao thông tại Trung Quốc………….……… ……17

Hình 1.3: Quang cảnh 1 nút giao thông tại Anh……… … ……18

Hình 1.4: Cấu trúc của PLC ……… ………… ……… …21

Hình 1.5: Sơ đồ hoạt động của PLC……… ………… … 22

Hình 1.6: Chu kỳ vòng quét của PLC……… …… ….….….22

Hình 1.7: Một số hình ảnh ứng dụng của PLC……… …….…24

Hình 2.1: Sơ đồ bố trí các tuyến của ngã tư……… …… ……… 26

Hình 2.2: Giản đồ trạng thái làm việc của các đèn với chu kỳ 90s…… …… …32

Hình 2.3: Giản đồ trạng thái làm việc của các đèn với chu kỳ 120s……… ………33

Hình 2.4: Giản đồ trạng thái làm việc của các đèn khi tăng t x1 lên 5s…… ….40

Hình 2.5: Giản đồ trạng thái làm việc của các đèn khi tăng t x2 lên 5s ………….41

Hình 2.6: Giản đồ trạng thái làm việc của các đèn khi tăng t x2 lên 5s … …… 42

Hình 2.7: Thông số kích thước lắp đặt 3 đèn ………… ……….…….…… … 46

Hình 2.8: Sơ đồ kết nối mạng Camera ……… ……… ……50

Hình 2.9: Sơ đồ kết nối các Camera và các thiết bị tại một nút giao thông… ……50

Hình 2.10: Sơ đồ kết nối các Camera và các thiết bị tại các nút giao thông……….51

Hình 2.11: Sơ đồ cấu tạo một network camera………… ……… 52

Hình 2.12: Ảnh Camera IP7161……… ………….……… 52

Hình 2.13: Sơ đồ tổng quát chuyển đổi Analog sang IP……… 55

Hình 2.14: Ảnh đầu ghi hình NR7401……… ….… ….……….56

Hình 2.15: Sơ đồ đấu nối đầu ghi hình NR7401……… … … ……56

Hình 2.16: Sơ đồ đấu nối một số loại đầu ghi hình khác……….…………58

Hình 2.17: Sơ đồ thành phần ST7501……… ……… 59

Hình 2.18: Trung tâm giám sát tại Nhật Bản ……… …… ………… 60

Hình 2.19: Trung tâm giám sát tại Anh … 60

Hình 2.20: Tủ Camera giao thông……… ……60

Hình 2.21: Tủ điện trung tâm của hệ thống…… ….….60

Hình 2.22: Mô đun nguồn điều khiển……….………… 61

Hình 2.23: Bộ điều khiển PLC 312IFM……….………… 62

Hình 2.24: Sơ đồ mạch bộ điều khiển PLC……….….…………62

Hình 2.25: Sơ đồ địa chỉ và sơ đồ mạch SM 321……….…….……….63

Hình 2.26: Sơ đồ địa chỉ và sơ đồ mạch SM 322……….…….………….65

Hình 2.27: Sơ đồ bố trí các thiết bị……….………… 66

Hình 2.28: Sơ đồ thiết bị vào ra………….……….…… 67

Hình 2.29: Sơ đồ thuật toán điều khiển……… ……… 71

Hình 2.30: Sơ đồ khởi tạo………….……….…… 72

Hình 2.31: Sơ đồ chương trình kiểm tra trạng thái đèn……… ….…………73

Hình 2.32: Sơ đồ thuật toán kiểm tra………….……… ….74

Hình 2.33: Sơ đồ hoạt động với t ck = 120s……….……… 76

Hình 2.34: Sơ đồ hoạt động với t ck = 90s……….….……… 76

Hình 2.35: Sơ đồ ở t ck = 90s tăng ∆t x14 ……….……… 79

Hình 2.36: Sơ đồ ở t ck = 90s tăng ∆t x25 ……….….……… 79

Hình 2.37: Sơ đồ ở t ck = 90s tăng ∆t x36 ……… ……….80

Hình 2.38: Sơ đồ ở t ck = 120s tăng ∆t x14 ……….80

Hình 2.39: Sơ đồ ở t ck = 120s tăng ∆t x25 ……… ….……… 81

Hình 2.40: Sơ đồ ở t ck = 120s tăng ∆t x36 ……….……….81

Hình 2.41: Sơ đồ ở t ck =90s tăng ∆t x14 =5s ……….….……….82

Hình 2.42: Sơ đồ ở t ck =90s tăng ∆t x25 = 5s……… ……….82

Hình 2.43: Sơ đồ ở t ck =90s tăng ∆t x36 =5s ……….……….83

Hình 2.44: Sơ đồ ở t ck =120s tăng ∆t x14 =5s……….……….83

Hình 2.45: Sơ đồ ở t ck =120s tăng ∆t x25 =5s……….……….84

Hình 2.46: Sơ đồ ở t ck =120s tăng ∆t x36 =5s ……… ……… 84

Hình 2.47: Các kiểu ngôn ngữ lập trình………….……….….85

Hình 2.48: Nguyên tắc hoạt động của bộ định thời (Timer) ……….…… 89

Hình 2.49: Độ phân giải của bộ định thời………….……….… 89

Hình 2.50: Nguyên tắc hoạt động của bộ đếm (Counter) ………….………90

Hình 2.51: Cấu trúc gọi các khối chương trình………….……… … 92

Hình 2.52: Tổ chức bộ nhớ………….……….92

Hình 2.53: Sơ đồ khối local block………….……….93

Hình 2.54: Sơ đồ lập trình phân bố………….……… 93

Hình 2.55: Sơ đồ lắp đặt các thiết bị của hệ thống điều khiển ………….………… 95

Hình 2.56: Sơ đồ mạch điện của hệ thống điều khiển………….……… 97

Hình 2.57: Sơ đồ đấu nối ra các thiết bị của hệ thống điều khiển………….……… 99

Hình 3.1: Màn hình S7 – PLC SIM……… 102

Hình 3.2: Các cửa sổ vào, ra và timer………….……… 102

Hình 3.3: Màn hình mô phỏng S7 – PLC SIM………….………103

Hình 3.4: Mô phỏng dùng sơ đồ LAD.………103

Hình 3.5: Mô phỏng dùng sơ đồ FBD.………103

Hình 3.6: Giao diện SPS-VISU………….……….104

Hình 3.7: Màn hình khởi động VB6.0………….………104

Hình 3.8: Giao diện chương trình VB6.0………….……… 105

Hình 3.9: Thanh công cụ Toolbox………….……… 106

Hình 3.10: Cửa sổ Properties……… 106

Hình 3.11: Bảng điều khiển ………….………109

Hình 3.12: Quang cảnh ngã tư cần điều khiển ………….……… 110

Hình 3.13: Chế độ kiểm tra các trạng thái đèn………….………… ……….110

Hình 3.14: Chế độ làm việc ban đêm………….……….…………110

Hình 3.15: Chương trình có thể thay đổi thời gian điều khiển………….……… 111

Hình 3.16: Chế độ làm việc khi có tàu………….……… 111

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Ngoài phần tài liệu tham khảo đã được liệt kê đầy đủ, các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Hà Nội, Ngày 24 tháng 02 năm 2012

Tác giả luận văn

Trần Thế Văn

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô

và các bạn đồng nghiệp trong quá trình thực hiện

Em xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Cơ Khí Trường Đại Học Bách Hà Nội

đã nhiệt tình hướng dẫn em trong thời gian học tập, nghiên cứu tại trường và các

thầy trong Khoa Cơ Khí Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên đã góp

nhiều ý kiến, động viên để em hoàn thành luận văn

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô TS Trần Thị Thanh Hải, đã tận tâm

hướng dẫn em làm luận văn trong suốt thời gian qua

Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng trong luận văn không tránh khỏi những sai

sót Bởi vậy em rất mong nhận được sự góp ý của của các Thầy - Cô cũng như các

bạn đồng nghiệp quan tâm đến vấn đề này để luận văn hoàn thiện hơn

Em xin trân thành cảm ơn!

Hưng Yên, Ngày 24 tháng 02 năm 2012 Học viên thực hiện

Trần Thế Văn

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong các lĩnh vực đời sống và sản xuất hiện nay, việc tự động hoá quá trình sản xuất là hết sức quan trọng, điều đó góp phần nâng cao năng suất, chất lượng và giảm giá thành sản phẩm Chính vì vậy tự động hóa đã và đang được ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực, từ đời sống sinh hoạt tới các quá trình sản xuất Yêu cầu đặt ra là phải tự động hóa tối đa các quá trình điều khiển, từ các công việc đơn giản trong đời sống thường ngày của con người cho đến các quá trình sản suất phức tạp Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu và cho ra nhiều phương pháp và thiết bị điều khiển tối ưu Hơn nữa với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện

tử, tin học, cơ khí cho phép các kỹ sư có nhiều lựa chọn khác nhau khi thiết kế Một trong những lựa chọn mang lại hiệu quả cao khi thiết kế hệ thống điều khiển tự động hoá là sử dụng bộ điều khiển PLC (Programmer Logic Control) làm phần tử trung tâm của hệ thống điều khiển

Với Việt Nam hiện nay, một nước đang phát triển thì việc ứng dụng tự động hóa ngày càng được chú trọng và đầu tư nhằm thúc đẩy hiệu quả sản xuất và cải thiện cuộc sống Một trong những ứng dụng to lớn của điều khiển tự động hóa trong cuộc sống ta không thể không nhắc đến đó là điều khiển tự động hệ thống giao thông Một lĩnh vực quan trọng của cuộc sống ,một vấn đề quốc gia Góp một phần không nhỏ trong sự phát triển kinh tế-xã hội phục vụ dân sinh

Căn cứ trên ưu điểm của bộ điều khiển PLC và tình trạng ùn tắc giao thông của

nước ta hiện nay nên chúng tôi chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao

thông sử dụng bộ điều khiển PLC” Đây là đề tài có ý nghĩa thực tiễn cao, nó là

vấn đề đang được đặt ra, cần phải được nghiên cứu và chọn phương án hợp lý để có thể giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông của nước ta hiện nay

Đề tập trung vào nghiên cứu các nội dung chính sau:

- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống giao thông và phương pháp điều khiển tín hiệu giao thông

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông

- Xây dựng chương trình mô phỏng hoạt động của hệ thống

+ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

- Một ngã tư với sáu tuyến tham gia giao thông và một đướng tàu cắt ngang qua một đầu đường

- Các thiết bị trong hệ thống như đèn điều khiển, Camera giao thông

- Bộ điều khiển PLC CPU 312 IFM và các mô đun khác

- Chương trình lập trình cho PLC S7 – 300 là Step 7

- Chương trình lập trình Visual Basic 6.0

4 Tóm tắt những luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

+) Luận điểm cơ bản

Bằng việc nghiên cứu nguyên lý hoạt động của ngã tư với sáu tuyến cần điều khiển có một đường tàu cắt ngang qua một tuyến và nghiên cứu khả năng điều

khiển của bộ điều khiển PLC S7 – 300 cùng với các mô đun mở rộng Luận văn đã chọn được phương án điều khiển hợp lý cho ngã tư cần điều khiển đó là phương pháp điều khiển theo trạng thái đèn từ đó ứng dụng bộ khiển PLC để điều khiển hoạt động cho ngã tư Để khẳng định tính đúng đắn của lý thuyết về phương pháp điều khiển, thuật toán cũng như chương trình đã lập trình Chúng tôi đã xây dựng chương trình mô phỏng sử dụng phần mềm Visual Basic 6.0 để kiểm chứng

+) Đóng góp mới của tác giả

- Đã đưa ra được phương pháp điều khiển hợp lý cho hệ thống cần điều khiển

đó là phương pháp điều khiển hệ thống theo trạng thái thay đổi của các đèn gồm chín trạng thái khác nhau

- Chọn và xác định các đặc tính làm việc, cách lắp, đặt đấu nối của các thiết bị của hệ thống điều khiển

- Xây dựng hàm trạng thái, giản đồ trạng thái, sơ đồ thuật toán của chương trình chính cũng như các chương trình con, viết chương trình điều khiển hệ thống

- Thiết kế sơ đồ lắp đặt các thiết bị, sơ đồ mạch điều khiển và sơ đồ mạch đầu

ra của hệ thống

- Xây dựng chương trình mô phỏng cho hệ thống cần điều khiển

5 Phương pháp nghiên cứu

Chúng tôi sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển hoạt động của ngã tư với sáu tuyến và một đường tàu cắt qua một tuyến

- Nghiên cứu cấu tạo, cấu trúc, đặc tính làm việc của các thiết bị trong hệ thống điều khiển

Nghiên cứu lý thuyết về các kiểu dữ liệu, cấu trúc lệnh, hàm trạng thái, kỹ thuật lập trình của phần mềm lập trình Step 7 và phần mềm mô phỏng Visual Basic 6.0

Từ cơ sở lý thuyết đó chúng tôi đưa ra án điều khiển, xây dựng hàm trạng thái, sơ

đồ thuật toán, lập trình điều khiển, thiết kế mạch điều khiển và thiết kế chương trình

mô phỏng hoạt động của hệ thống

Chương I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIAO THÔNG

Cùng với sự phát triển của nhân loại Dân số ngày càng tăng cùng với đó số lượng các phương tiện đi lại và các phương tiện vận chuyển phục vụ cho công, nông ngiệp cũng ngày càng tăng Điều này đòi hỏi hệ thống giao thông cũng phải phát triển để phù hợp với sự phát triển của xã hội

Trên thế giới đặc biệt tại các thành phố lớn, các trung tâm kinh tế thì sự phát triển của hệ thống giao thông rất được chú trọng vì nó ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của kinh tế, xã hội Nhiều hệ thống giao thông hiện đại được xây dựng, song sự ùn tắc giao thông vẫn xảy ra hàng ngày

Ở Việt Nam thì sự phát triển của hệ thống giao thông chậm hơn nhiều so với sự phát triển của xã hội Đặc biệt ở các thành phố lớn như Hà Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh, … Nên hiện tượng ùn tắc giao thông xảy ra thường xuyên Nó ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển xã hội, vì vậy việc giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông là rất cần thiết và cấp bách trong cuộc sống

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN

1.1 Lịch sử phát triển

Nút giao thông có đèn điều khiển có lịch sử hơn 140 năm, bắt đầu vào năm

1868 ở Anh Lúc bấy giờ, đèn tín hiệu chỉ có 2 mầu xanh và đỏ, đỏ có nghĩa là

“dừng” và xanh có nghĩa là “chú ý” Đèn giao thông thời gian đó được đốt sáng bằng khí ga Đến năm 1920, đèn ba mầu điều khiển bằng điện đầu tiên được sử dụng tại Detroit, Michigan, Mỹ

Đến nay, đã có hàng triệu cột đèn tín hiệu dạng này được sử dụng trên toàn thế giới Cùng với sự phát triển của công nghệ điện, điện tử, các đèn giao thông ngày càng hiện đại hơn, hiệu quả và thông minh hơn Cho đến nay, đã có các đèn điểu khiển tự động cảm biến nhiều pha, tự động xác định thời gian thích hợp cho từng

pha dựa trên số liệu giao thông thực Các đèn có thể làm việc độc lập hoặc kết nối với nhau để tạo ra “Làn Sóng Xanh” cho các tuyến phố quan trọng Việc nghiên cứu tính toán nút giao thông chủ yếu tập trung vào 2 vấn đề chính là thiết thời gian cho tín hiệu và phương pháp đánh giá mức độ phục vụ (LOS) của nút

Kết quả nghiên cứu đầu tiên về thiết kế thời gian cho nút đèn là các công trình nghiên cứu của Webster và Cobe từ năm 1958 với công thức quen thuộc về chu kỳ đèn tối ưu Sau đó, có rất nhiều công trình nghiên cứu khác mà đáng kể là của Akcelik với việc đưa ra khái niệm mới về tổn thất dòng thay vì tổn thất pha, do đó

có thể giải quyết được các bài toán nhiều pha phức tạp, điều khiển thích ứng họăc liên kết giữa các nút

1.2 Nguyên tắc điều khiển

Để tính toán chu kỳ đèn cho nút làm việc theo chế độ cài đặt trước, việc đầu tiên là phải phân giao thông thành các dòng chuyển động, một pha có thể có 1 hoặc nhiều dòng không xung đột hoặc ít xung đột cùng chuyển động Như vậy 1 chu kỳ đèn sẽ có 2 hoặc nhiều pha cho các dòng giao thông Trong mỗi pha sẽ có 1 dòng

mà lưu lượng giao thông lớn nhất, được gọi là dòng chủ Hiển nhiên là thời gian xanh cho mỗi pha được dựa trên dòng chủ này Tuỳ theo việc tổ chức giao thông, thành phần dòng xe, … Mỗi dòng giao thông sẽ có 1 dòng bão hoà (tức là số đầu xe đơn vị lớn nhất có thể thông qua nút với 1 giờ đèn xanh) Tỷ lệ giữa dòng xe thực tế

và dòng bão hoà gọi là suất dòng (u), còn tỷ lệ giữa thời gian xanh có hiệu và chu

kỳ đèn được gọi là suất xanh (y) Rõ ràng là chúng ta phải thiết kế sao cho y >= u cho từng dòng chuyển động Tuỳ thuộc vào tầm quan trọng của từng dòng mà người thiết kế định ra xem u chiếm khoảng bao nhiêu phần trăm của y Khi u càng gần y, dòng đó sẽ làm việc ở mức độ phục vụ thấp và ở trạng thái xấp xỉ bão hoà Vì tổng suất xanh lớn nhất cũng chỉ bằng 1, vì vậy khi tổng suất dòng của các dòng chủ lớn hơn 1, chu kỳ đèn tối ưu là không xác định được theo công thức của Webster tổn thất thời gian qua nút tiến đến vô cùng Điều này không đúng với thực tế là nhiều xe còn lại ở các chu kỳ trước sẽ qua được nút khi cường độ dòng xe tới nút giảm dưới mức độ thông qua của nút cho dòng đó Đến lúc này, việc phân tích sự làm việc của

nút phụ thuộc vào khoảng thời gian để giải tán dòng chờ này Nhiều nghiên cứu hiện nay tập trung vào đánh giá sự làm việc của nút bão hoà hoặc quá bão hoà nhằm tìm ra tổn thất thời gian, chiều dài hàng chờ

Để đánh giá LOS, chúng ta phải đánh giá LOS của từng dòng, dựa trên tổn thất thời gian dừng trung bình của các xe trong từng dòng Mức LOS của nút cũng có 6 cấp như đánh giá cho đường

Đối với nút điều khiển thích ứng, các sensor đặt dưới đường trước vạch stop một khoảng cách được định trươc sẽ tự động đếm số lượng xe trên nhánh đó, căn cứ trên

số lượng xe đếm được, các sensor sẽ “gọi” các phân pha phù hợp nhất đã được cài đặt sẵn để điều khiển nút Mỗi pha được gọi sẽ có 1 thời gian xanh tối thiểu và thời gian xanh tối đa cho chúng Nếu sensor chỉ được đặt trên đường phụ, thời gian xanh trên đường chính sẽ dừng chỉ khi có lời gọi trên đường phụ

Để liên kết các nút đèn lại với nhau tạo ra làn sóng xanh cho 1 số tuyên phố quan trọng, tốc độ vận hành của dòng xe phải được định trước, các nút phải có cùng chung 1 chu kỳ Trong số các nút, sẽ có 1 nút chủ, thời điểm bật xanh của các nút còn lại sẽ được dựa trên bài toán tối ưu sao cho có được nhiều xe qua các nút nhất

Có thể làm bài toán bằng tay cho các trường hợp đơn giản bằng cách vẽ biểu đồ khoảng cách và thời gian xe chạy rồi thử dần bằng cách xê dịch các thời điểm bật xanh của các nút, hoặc thiết kế trên máy tính

Có thể nói, thiết kế nút giao thông có đèn điểu khiển là 1 trong những thiết kế kỹ thuật giao thông phức tạp nhất Còn nhiều vấn đề vẫn chưa giải quyết được trong đó nổi bật là ảnh hưởng của sự phân tán của dòng tới nút từ các nút thượng nguồn, phương pháp đánh giá tổn thất thời gian xe qua nút khi nút bão hoà Trong điều kiện dòng xe hỗn hợp như ở nước ta, nhiều phần lý thuyết vẫn còn để ngõ và trông đợi

nỗ lực nghiên cứu của các kỹ sư giao thông

II GIỚI THIỆU MỘT SỐ HÌNH ẢNH GIAO THÔNG Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI

2.1 Một số hình ảnh giao thông ở Việt Nam

Hiện tượng ùn tắc giao thông ở Việt Nam xảy ra thường xuyên đặc biệt vào các giờ cao điểm (hình 1) Ngay cả khi có điều khiển nhưng nếu người tham giao thông không có ý thức chấp hành luật giao thông thì hiện tượng ùn tắc vẫn xảy ra

Vì vậy ý thức của người tham gia giao thông là rất cần quan trọng Nếu người tham gia giao thông có ý thức sẽ làm giảm phần nào sự ùn tắc và tai nạn giao thông Với hệ thống giao thông còn lạc hậu ở nước ta thì việc giáo dục ý thức chấp hành luật lệ giao thông lại càng quan trọng và cần phải được quan tâm đúng mức

Hình 1.1: Quang cảnh giao thông ở các ngã tư tại Hà Nội

2.2 Một số hình ảnh giao thông trên thế giới

Ta thấy rằng hệ thống giao thông của họ được quy hoạch và đầu tư hợp lý (hình

2, hình 3) Với số lượng

phương tiện tham gia giao

thông là rất lớn nhưng cũng

không cần đến hệ thống điều

khiển Với sự phát triển ngày

càng nhanh của xã hội thì

chúng ta cũng phải có sự đầu

tư hợp lý cho giao thông

Hình 1.2: Quang cảnh 1nút giao thông tại Trung Quốc

Hình 1.3: Quang cảnh 1 nút giao thông tại Anh

III TỔNG QUAN VỀ PLC

3.1 Hệ thống điều khiển là gì

Nói chung, hệ thống điều khiển là tập hợp các máy móc và thiết bị điện tử ở một nơi để đảm bảo hoạt động của quá trình sản xuất hay một hoạt động của sản xuất ổn định, chính xác và nhịp nhàng

Những thành tựu của sự tiến bộ vượt bậc của khoa học công nghệ, các nhiệm vụ điều khiển phức tạp được hoàn thành nhờ một hệ thống điều khiển tự động cao, đó chính là bộ điều khiển lập trình và có sự tham gia của cả máy tính Ngoài việc giao tiếp tín hiệu với các trường thiết bị vào – ra như (các bảng vận hành, động cơ, cảm biến, van, …), khả năng giao tiếp truyền thông dữ liệu trên mạng giữa các thành phần điều khiển trong hệ thống cũng được thực hiện Mỗi thành phần đơn giản trong hệ thống điều khiển đều đóng một vai trò quan trọng mà không cần quan tâm

đến kích cỡ

3.2 Vai trò của bộ lập trình điều khiển PLC

Trong một hệ thống tự động, nói chung PLC được ví như là con tim của hệ thống điều khiển Với chương trình ứng dụng điều khiển (được lưu trữ trong bộ nhớ PLC) trong việc thực thi, PLC thường xuyên giám sát tình trạng hệ thống qua tính hiệu phản hồi của thiết bị đầu vào Sau đó sẽ dựa vào sự hợp lý của chương trình để xác định tiến trình hoạt động được thực hiện ở những thiết bị xuất cần thiết

PLC có thể được sử dụng điều khiển những nhiệm vụ đơn giản có tính lặp đi lặp lại hoặc một vài nhiệm vụ có thể được liên kết cùng nhau với thiết bị điều khiển chủ hoặc máy tính chủ khác qua một loại mạng giao tiếp để tích hợp điều khiển của một quá trình phức tạp

a.Thiết bị đầu vào

Sự thông minh của một hệ thống tự động phần lớn dựa vào khả năng của PLC

để đọc tín hiệu từ những loại cảm biến tự động khác nhau và thiết bị đầu vào cưỡng bức tín hiệu

Những nút nhấn, bàn phím, công tắc gạt là các thành cơ bản của giao tiếp người

và máy là các loại thiết bị vào cưỡng bức tín hiệu Mặc khác, để phát hiện vật thể, quan sát sự di chuyển cơ cấu, kiểm tra áp suất và mức chất lỏng và nhiều sự kiện khác, PLC sẽ phải xử lý tín hiệu từ những thiết bị cảm ứng tự động đặc biệt như công tắc từ, công tắc hành trình, cảm biến quang điện, cảm biến mức độ và Nhiều loại tín hiệu vào PLC có thể là ON/OFF hay tương tự Những tín hiệu vào này được giao tiếp với PLC qua các loại môđun vào khác nhau

b Thiết bị suất

Hệ thống tự động không hoàn chỉnh và hệ thống PLC thật sự bị tê liệt nếu không có giao tiếp với thiết bị suất, chẳng hạn một số thiết bị thông thường như: động cơ, cuộn dây, đèn chỉ thị, chuông báo…Thông qua sự hoạt động của động cơ

và cuộn dây, PLC có thể điều khiển từ đơn giản đến phức tạp

3.3 Ưu điểm của một số dạng điều khiển

Đèn giao thông có thể điều khiển theo dạng cơ điện hoặc sử dụng bộ vi xử lý (còn gọi là microprocessor), Dạng cơ điện được dùng phổ biến cho các đèn có thời gian đặt trước Nguyên lý hoạt động của dạng cơ điện này rất đơn giản bao gồm 1 bộ số Bộ số quay hết 1 vòng là được 1 chu kỳ đèn, có thể có 1 hoặc vài vòng quay kích thước khác nhau tương ứng với chiều dài chu kỳ khác nhau nhưng dạng điều khiển là điều khiển cứng khi muốn thay đổi chu kỳ làm việc ta phải chế tạo lại bộ số Đối với các đèn điện tử, việc điều khiển đơn giản hơn nhiều do có thiết bị đếm thời gian điện tử Các thiết kế về thời điểm bật tắt của các đèn có thể

lưu lại bằng truyền vào bộ vi xử lý qua bàn phím Tuy nhiên các dạng đèn điện tử này có giá thành cao gấp 2,5 lần đèn cơ, và hoạt động cũng không ổn định và bền bằng đèn cơ Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng/mở (ON/OFF) thông thường đến thực hiện những tác vụ khác như định thì, đếm, … làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất Chỉ cần lắp đặt một lần không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển, khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống được điều khiển linh hoạt hơn Độ tin cậy cao vì PLC được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong môi trường công nghiệp Một PLC

có thể được lắp đặt ở những nơi có độ nhiễu điện, vùng có từ trường mạnh, có các chấn động cơ khí, nhiệt độ và độ ẩm môi trường cao, … Căn cứ trên nguyên lý hoạt động của các thiết bị cần điều khiển trong hệ thống tín hiệu giao thông và ưu điểm của bộ điều khiển PLC, chúng tôi nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PLC trong điều khiển tín hiệu giao thông

Bảng 1: mô tả so sánh các hệ điều khiển rơle, mạch số, máy tính, PLC

3.4 Khái niệm PLC

PLC (Programmable Logic Controller) [2][3], là thiết bị điều khiển lập trình, được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lý từ đơn giản đến phức tạp, tuỳ thuộc vào người điều khiển mà nó có thể thực hiện một loạt các chương trình hoặc sự kiện, sự kiện này được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích (hay còn gọi là đầu vào) tác động vào PLC hoặc qua các bộ định thời (Timer) hay các sự kiện được đếm qua bộ đếm Khi một sự kiện được kích hoạt nó sẽ bật

ON, OFF hoặc phát một chuỗi xung ra các thiết bị bên ngoài được gắn vào đầu ra của PLC Như vậy nếu ta thay đổi các chương trình được cài đặt trong PLC là ta có thể thực hiện các chức năng khác nhau, trong các môi trường điều khiển khác nhau

3.4.2 Hoạt động của PLC

Về cơ bản, hoạt động của một

PLC cũng khá đơn giản Đầu tiên, hệ

thống các cổng vào/ra (Input/Output)

(còn gọi là các Module xuất/nhập)

dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị

ngoại vi vào CPU (như các sensor,

contact, tín hiệu từ động cơ …) Sau

khi nhận được tín hiệu ở đầu vào thì

CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua môđun xuất ra các thiết bị được

điều khiển Hình 1.5 minh họa hoạt động của PLC khi thực thi chương trình ứng dụng

Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữ liệu hoặc trạng thái của các thiết bị ngoại vi thông qua đầu vào, sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau: một bộ đệm chương trình sẽ nhận lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi

hành.Chương trình ở dạng STL

(Statement List – Dạng lệnh liệt kê)

hay ở dạng LADDER (dạng hình thang)

sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong

bộ nhớ chương trình Sau khi thực hiện

xong chương trình,sau đó là truyền thông

nội bộ và kiểm lỗi sau đó

CPU sẽ gửi hoặc cập nhật tín hiệu tới các

thiết bị, được điều khiển thông qua mô đun

suất Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội và tự kiểm tra lỗi và gởi cập nhật tín hiệu ở đầu ra được gọi là một chu kỳ quét Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thì lệnh không xử lý trực tiếp với cổng vào ra mà sẽ xử lý thông qua bộ nhớ đệm Nếu có sử dụng ngắt thì chương

trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắt sẽ được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận chương trình Chương trình ngắt chỉ thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu ngắt và có thể xảy ra ở bất kì điểm nào trong vòng quét Chu kỳ quét một vòng của PLC được mô tả như hình 1.6

Thực tế khi PLC thực hiện chương trình (Program Execution), PLC khi cập nhật tín hiệu ngõ vào (ON/OFF), các tín hiệu này không được truy xuất tức thời để đưa

ra (Update) ở đầu ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ở đầu ra (ON/OFF) phải theo hai bước:

 Khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý sẽ chuyển đổi các mức logic tương ứng ở đầu ra trong “chương trình nội” (đã được lập trình), các mức logic này

sẽ chuyển đổi ON/OFF.Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ở đầu ra “thật” (tức tín hiệu được đưa ra tại Module out) vẫn chưa được đưa ra

 Khi xử lý kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic (của các tiếp điểm) đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở đầu ra mới thực sự tác động lên ngõ ra để điều khiển các thiết bị ở đầu ra

Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện một vòng quét từ 1ms tới 100ms Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh, độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị, …) Vi xử lý chỉ có đọc được tín hiệu ở đầu vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét Nếu thời gian tác động

ở đầu vào nhỏ hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý xem như không có tín hiệu này

3.5 Ứng dụng của PLC

Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng/mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm :

+ Công nghiệp giấy và bột giấy

+ Công nghiệp đúc bê tông

IV KẾT LUẬN

Tổng quan về hệ thống giao thông được trình bày theo các nội dung chính sau:

1 Nghiên cứu lịch sử phát triển và nguyên tắc điều khiển của hệ thống Đã đưa

ra nguyên tắc điều khiển chung

2 Chúng tôi đã tìm hiểu tình trạng ùn tắc giao thông ở nước ta và một số nước trên thế giới

3 Bước đầu đưa ra cái nhìn tổng quan về bộ điều khiển PLC như: Vai trò, Cấu trúc, hoạt động và một số ứng dụng của PLC

Trên cơ sở đó, chúng tôi đi vào thiết kế hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông cho một ngã tư được trình bày ở chương tiếp theo

Chương II THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

TÍN HIỆU GIAO THÔNG Ngã tư cần điều khiển có 6 tuyến hoạt động rất phức tạp, do đó rất khó để điều

khiển hệ thống theo sự thay đổi của trạng thái tuyến Vì vậy chúng tôi chọn phương pháp điều khiển theo sự thay đổi của trạng thái đèn

I PHÂN TÍCH HỆ THỐNG CẦN ĐIỀU KHIỂN

1.1.Đặc điểm

Quang cảnh ngã tư cần điều khiển có các tuyến bố trí như hình 2.1

Hình 2.1: Sơ đồ bố trí các tuyến của ngã tư

Ngã tư gồm 6 tuyến khác nhau:

 Tuyến 1: Đi thẳng từ phía Phố A sang đầu phía Phố B

 Tuyến 2: Rẽ trái từ đầu phía Phố A sang đầu phía Phố C

 Tuyến 3: Vừa đi thẳng từ Phố C sang Phố D và rẽ trái sang Phố B

 Tuyến 4: Đi thẳng từ phía Phố B sang đầu Phía Phố A

 Tuyến 5: Rẽ trái từ phía Phố B sang Phố D

 Tuyến 6: Vừa đi thẳng từ Phố D sang Phố C và rẽ trái sang đầu Phố A

Mở rộng: giả định có một đường tàu cắt qua đầu đường phía Phố C Các đầu

đường đều có lối rẽ phải không cần điều khiển

1.2.Thời gian các đèn

Do số lượng người lưu thông ở các thời điểm là khác nhau nên hệ thống đèn cũng phải được điều khiển linh hoạt để hệ thống hoạt động là tối ưu nhất Ta có 2 phương án điều khiển:

+ Phương án 1: Khi hệ thống chỉ hoạt động ở chế độ 3 pha ta chia ra hai chế độ

 Chế độ làm việc bình thường: chu kì làm việc là 90s

 Chế độ làm việc lúc cao điểm: chu kì làm việc là 120s

+ Phương án 2: Ta điều khiển để hệ thống làm việc ở 2 chế độ

 Chế độ làm việc bình thường: làm việc ở chế độ 2 pha

 Chế độ làm việc lúc cao điểm: làm việc ở chế độ 3 pha

1.2.1 Thời gian khi làm việc ở chế độ 3 pha

Chế độ làm việc 3 pha là chế độ làm việc mà 6 tuyến làm việc độc lập Thời

gian một chu kì của hệ thống có thể thay đổi theo lưu lượng người tham gia giao

Bảng 2.2 Thời gian làm việc khi cao điểm với chu kì là 120s

Thời gian Tuyến 1 Tuyến 2 Tuyến 3 Tuyến 4 Tuyến 5 Tuyến 6

1.2.2 Thời gian khi làm việc ở chế độ 2 pha

Ở chế độ làm việc 3 pha tuyến 1 và 2 hoạt động đồng thời Hệ thống chỉ còn 5

tuyến làm việc độc lập Thời gian làm việc một chu kì của hệ thống là 90s

Bảng 2.3 Thời gian làm việc ở chế độ 2 pha với chu kì là 90s

Thời gian Tuyến 1

II NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

 5s tiếp theo đèn tuyến 5 vẫn xanh, đèn tuyến 4 chuyển sang đỏ và đèn tuyến

2 bắt đầu chuyển từ đỏ sang xanh Đèn các tuyến còn lại đỏ

 Sau thời gian sáng của đèn xanh tuyến 2 thì đèn xanh tuyến 2 chuyển từ xanh sang vàng còn đèn tuyến 5 vẫn xanh Đèn các tuyến khác vẫn đỏ

 Sau 5s đèn tuyến 2 chuyển sang đỏ ,khi đó đèn tuyến 5 chuyển từ xanh sang vàng và tuyến 6 khi ấy cũng chuyển từ đỏ sang xanh Các tuyến còn lại đỏ

 Sau 5s đèn tuyến 6 vẫn xanh còn đèn tuyến 5 chuyển sang đỏ,đồng thời đèn tuyến 3 cũng chuyển từ đỏ sang xanh Đèn các tuyến khác đỏ

 Khi thời gian đèn xanh của tuyến 6 hết thì đèn tuyến 6 chuyển sang đèn vàng còn tuyến 3 vẫn là đèn xanh Các tuyến còn lại là đèn đỏ Khi ấy kết thúc một chu kì hoạt động của hệ thống và thì lập lại trạng thái bước đầu tiên

2.1.2 Hoạt động xử lí khi có tàu

Khi có tàu thì hệ thống đèn hoạt động theo trình tự:

2.2 Phương án điều khiển

Do ngã tư cần điều khiển có 6 tuyến hoạt động không giống ngã tư thông thường chỉ có hai tuyến nên hoạt động của ngã tư này rất phức tạp, do đó rất khó để điều khiển hệ thống theo sự thay đổi của trạng thái tuyến Vì vậy chúng tôi chọn

phương pháp điều khiển theo sự thay đổi của trạng thái đèn

2.2.1 Hàm trạng thái của hệ thống điều khiển

 Gọi các biến trạng thái các đèn của các tuyến là:

- Tuyến 1: Đèn xanh ký hiệu là X1

 Gọi trạng thái của các tuyến là TT1, TT2, TT3, TT4, TT5, TT6, TT7, TT8, TT9

Ta có bảng trạng thái làm việc của các đèn là:

Bảng 2.4 Bảng trạng thái làm việc của các đèn

2.2.2 Giản đồ thời gian của các đèn

Chọn chu kỳ làm việc cơ sở của hệ thống là tck0 = 90s (Chu kỳ nhỏ nhất), khi thay đổi chu kỳ làm việc từ tck0 sang chu kỳ tcki ta có quan hệ thời gian như sau:

Thời gian tồn tại các trạng thái ở chu kỳ làm việc 90s (Chu kỳ cơ sở):

Nếu gọi chu kỳ chọn điều khiển là tcki thì thời gian hoạt động của hệ thống ở chu

5

50

50 55 55

55 55

80 80

80 80 80

80

75 75

85 85 85

85

115 115

115 115

2.2.3 Hàm thời gian liên hệ các tuyến khi thay đổi thời gian các trạng thái

Trong trường hợp lưu lượng người tham gia giao thông của một hay một số tuyến nào đó đột ngột thay đổi, khi đó thời gian các đèn của các tuyến có thể thay đổi để phù hợp với sự thay đổi lưu lượng của các tuyến Hệ thống chọn điều khiển gồm 6 tuyến và hoạt động 3 pha độc lập, thời gian của các đèn có quan hệ ràng buộc với nhau nên khi thời gian của 1 đèn của 1 tuyến nào đó thay đổi thì thời gian các đèn của các tuyến khác cũng thay đổi theo

Gọi thời gian đèn các tuyến là:

Tuyến 1:

- Thời gian đèn xanh tx1

- Thời gian đèn vàng tv1 (Thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ tđ1

Tuyến 2:

- Thời gian đèn xanh tx2

- Thời gian đèn vàng tv2 (Thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ tđ2

Tuyến 3:

- Thời gian đèn xanh tx3

- Thời gian đèn vàng tv3 (Thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ tđ3

Tuyến 4:

- Thời gian đèn xanh tx4

- Thời gian đèn vàng tv4 (Thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ tđ4

Tuyến 5:

- Thời gian đèn xanh tx5

- Thời gian đèn vàng tv5 (Thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ tđ5

Tuyến 6:

- Thời gian đèn xanh tx6

- Thời gian đèn vàng tv6 (Thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ tđ6

Chín trạng thái làm việc của hệ thống:

 Trạng thái 1: TT1 = Đ1.Đ2.Đ3.X4.Đ5.Đ6 và thời gian hệ thống hoạt động ở trạng thái 1 là tTT1 (Trạng thái này có thời gian luôn là tTT1 = 5s Đây là thời gian đèn vàng tuyến 6)

 Trạng thái 2: TT2 = X1.Đ2.Đ3.X4.Đ5.Đ6 thời gian hệ thống hoạt động ở trạng thái 2 là tTT2

 Trạng thái 3: TT3 = V1.Đ2.Đ3.X4.Đ5.Đ6 thời gian hệ thống hoạt động ở trạng thái 3 là tTT3 (Trạng thái này có thời gian luôn là tTT3 = 5s Đây là thời gian đèn vàng tuyến 1)

 Trạng thái 4: TT4 = Đ1.Đ2.Đ3.V4.X5.Đ6 thời gian hệ thống hoạt động ở trạng thái 4 là tTT4 (Trạng thái này có thời gian luôn là tTT4 = 5s Đây là thời gian đèn vàng tuyến 4)

 Trạng thái 5: TT5 = Đ1.X2.Đ3.Đ4.X5.Đ6 thời gian hệ thống hoạt động ở trạng thái 5 là tTT5

 Trạng thái 6: TT6 = Đ1.X2.Đ3.Đ4.V5.Đ6 thời gian hệ thống hoạt động ở trạng thái 6 là tTT6 (Trạng thái này có thời gian luôn là tTT6 = 5s Đây là thời gian đèn vàng tuyến 5)

 Trạng thái 7: TT7 = Đ1.V2.Đ3.Đ4.Đ5.X6 thời gian hệ thống hoạt động ở trạng thái 7 là tTT7 (Trạng thái này có thời gian luôn là tTT7 = 5s Đây là thời gian đèn vàng tuyến 2)

 Trạng thái 8: TT8 = Đ1.Đ2.X3.Đ4.Đ5.X6 thời gian hệ thống hoạt động ở trạng thái 8 là tTT8

 Trạng thái 9: TT9 = Đ1.Đ2.V3.Đ4.Đ5.V6 thời gian hệ thống hoạt động ở trạng thái 9 là tTT9 (Trạng thái này có thời gian luôn là tTT9 = 5s Đây là thời gian đèn vàng tuyến 3)

Chế độ hoạt động của hệ thống là 3 pha ta có Tuyến 1 và Tuyến 4 hoạt động

đồng thời, Tuyến 2 và Tuyến 5 hoạt động đồng thời, Tuyến 3 và Tuyến 6 hoạt động đồng thời Nên khi thay đổi thời gian xanh Tuyến 1 sẽ phải đồng thời thay đổi thời gian xanh của Tuyến 4 Tuyến 2, Tuyến 5 và Tuyến 3, Tuyến 6 cũng điều chỉnh như vậy

 Khi Tuyến 1 và Tuyến 4 có lưu lượng người tham gia giao thông tăng thì thời gian xanh Tuyến 1 và Tuyến 4 tăng nên một lượng là ∆tx ta có thời gian các Tuyến sẽ thay đổi:

Tuyến 1:

- Thời gian đèn xanh t’x1 = tx1 + ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv1 không đổi (thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ1 = tđ1 - ∆tx

Tuyến 2:

- Thời gian đèn xanh t’x2 = tx2 + ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv2 (thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ2 = tđ2 - ∆tx

Tuyến 3:

- Thời gian đèn xanh t’x3 = tx3 - ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv3 (thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ3 = tđ3 + ∆tx

Tuyến 4:

- Thời gian đèn xanh t’x4 = tx4 + ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv4 (thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ4 = tđ4 - ∆tx

Tuyến 5:

- Thời gian đèn xanh t’x5 = tx5 - ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv5 (thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ5 = tđ5 + ∆tx

Tuyến 6:

- Thời gian đèn xanh t’x6 = tx6 - ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv6 (thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ6 = tđ6 + ∆tx

 Khi Tuyến 2 và Tuyến 5 có lưu lượng người tham gia giao thông tăng thì thời gian xanh Tuyến 2 và Tuyến 5 tăng nên một lượng là ∆tx ta có thời gian các tuyến sẽ thay đổi:

Tuyến 1:

- Thời gian đèn xanh t’x1 = tx1 - ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv1 không đổi (thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ1 = tđ1 + ∆tx

Tuyến 2:

- Thời gian đèn xanh t’x2 = tx2 + ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv2 (thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ2 = tđ2 - ∆tx

Tuyến 3:

- Thời gian đèn xanh t’x3 = tx3 - ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv3 (thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ3 = tđ3 + ∆tx

Tuyến 4:

- Thời gian đèn xanh t’x4 = tx4 - ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv4 (thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ4 = tđ4 + ∆tx

Tuyến 5:

- Thời gian đèn xanh t’x5 = tx5 + ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv5 (thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ5 = tđ5 - ∆tx

Tuyến 6:

- Thời gian đèn xanh t’x6 = tx6 - ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv6 (thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ6 = tđ6 + ∆tx

 Khi Tuyến 3 và Tuyến 6 có lưu lượng người tham gia giao thông tăng thì thời gian xanh Tuyến 2 và Tuyến 5 tăng nên một lượng là ∆tx ta có thời gian các tuyến sẽ thay đổi:

Tuyến 1:

- Thời gian đèn xanh t’x1 = tx1 - ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv1 không đổi (Thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ1 = tđ1 + ∆tx

Tuyến 2:

- Thời gian đèn xanh t’x2 = tx2 - ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv2 (Thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ2 = tđ2 + ∆tx

Tuyến 3:

- Thời gian đèn xanh t’x3 = tx3 + ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv3 (Thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ3 = tđ3 - ∆tx

Tuyến 4:

- Thời gian đèn xanh t’x4 = tx4 - ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv4 (Thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ4 = tđ4 + ∆tx

Tuyến 5:

- Thời gian đèn xanh t’x5 = tx5 - ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv5 (Thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ5 = tđ5 + ∆tx

Tuyến 6:

- Thời gian đèn xanh t’x6 = tx6 + ∆tx

- Thời gian đèn vàng tv6 (Thời gian đèn vàng luôn là 5s)

- Thời gian đèn đỏ t’đ6 = tđ6 - ∆tx

Ta vẽ giản đồ thời gian của hệ thống sau khi thay đổi thời gian các tuyến

Giả sử lưu lượng người tham gia giao thông tăng và thời gian cần thêm cho một