BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BÃI GIỮ XE Ô TÔ TỰ ĐỘNG DÙNG PLC S71200 (Có code)

Tìm hiểu về PLC S71200, biến tần Sinamics V20.Tìm hiểu mạng truyền thông Modbus RTU, SQL, Visual Studio, Matlab.Tìm hiểu nhận dạng biển số xe bằng xử lý ảnh.Xây dựng mô hình bãi giữ xe ô tô tự động .Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho mô hình.Thiết kế Web server lưu trữ dữ liệu.Đánh giá kết quả đạt được.Mặt hạn chế và hướng phát triển của đề tài.

Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

Khoa Điện – Điện Tử Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ

TỰ ĐỘNG HÓA NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BÃI GIỮ XE Ô TÔ TỰ ĐỘNG DÙNG PLC S7-1200

2 Nhiệm vụ và nội dung:

 Tìm hiểu về PLC S7-1200, biến tần Sinamics V20

 Tìm hiểu mạng truyền thông Modbus RTU, SQL, Visual Studio, Matlab

 Tìm hiểu nhận dạng biển số xe bằng xử lý ảnh

 Xây dựng mô hình bãi giữ xe ô tô tự động

 Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho mô hình

 Thiết kế Web server lưu trữ dữ liệu

 Đánh giá kết quả đạt được

 Mặt hạn chế và hướng phát triển của đề tài

3 Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 22 tháng 3 năm 2019

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Ngày 1 tháng 7 năm 2019

TP Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 7 năm 2019

Thông qua bộ môn

Giáo viên hướng dẫn Chủ nhiệm bộ môn

Ths Tạ Văn Phương PGS.TS Trương Đình Nhơn

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ

MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

o0o

Tp HCM, ngày 1 tháng 7 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên 1: Kiều Quốc Hưng MSSV: 15151159

Họ tên sinh viên 2: Lê Hùng Phúc MSSV: 15151196

Tên đề tài: Bãi giữ xe ô tô tự động dùng PLC S7 – 1200

GVHD

1 Xét duyệt đề tài và đề cương

2 Tìm hiểu sơ lược hệ thống, lựa chọn thiết bị, cảm

5 Tìm hiểu xử lý ảnh nhận diện biển số xe

6 Viết code xử lý ảnh bằng Matlab

7 Tìm hiểu biến tần Sinamic V20

8 Mua thiết bị và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình

9 Viết code hoàn chỉnh (kết hợp code PLC vs code

Matlab) cho mô hình

10 Chính sửa code và thiết kế SCADA

11 Chạy thử mô hình khi kết hợp với code, SCADA

12 Lập trình web thu thập dữ liệu biển số bằng SQL và

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng 7 năm 2019 Giáo viên hướng dẫn

Ths Tạ Văn Phương

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN



TP.Hồ Chí Minh, ngày … tháng 7 năm 2019

Giáo viên phản biện

Ts Bùi Hữu Phú

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ

MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

o0o

Tp HCM, ngày 1 tháng 7 năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm tôi xin cam kết đề tài này là do nhóm tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Người thực hiện đề tài

Kiều Quốc Hưng

Lê Hùng Phúc

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài

Kiều Quốc Hưng

Lê Hùng Phúc

MỤC LỤC

Nhiệm vụ đồ án i

Lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp iii

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn v

Nhận xét của giáo viên phản biện vi

Lời cam đoan vii

Lời cảm ơn viii

Mục lục ix

Danh mục hình vẽ xiii

Danh mục bảng vẽ .xvi

Tóm tắt xvii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 4

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 4

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 5

1.3 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 7

1.4 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 8

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 8

1.6 BỐ CỤC ĐỒ ÁN 9

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

2.1 TỔNG QUAN PLC 11

2.2 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG TRONG PLC SIEMENS 12

2.2.1 Một số loại mạng truyền thông PLC Siemens 12

2.2.2 Mạng truyền thông Modbus trong PLC 13

2.3 KHÁI QUÁI VỀ SQL SEVER 15

2.4 BIẾN TẦN 16

2.5 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ BA PHA 17

2.6 RFID 18

2.7 CẢM BIẾN 19

2.7.1 Phân loại cảm biến 19

2.7.2 Cảm biến tiệm cận 20

2.7.3 Cảm biến quang 20

2.8 XỬ LÝ ẢNH NHẬN DẠNG BIỂN SỐ XE 20

2.8.1 Lựa chọn phần mềm, ngôn ngữ lập trình 21

2.8.2 Tổng quan về nhận dạng ảnh 21

2.8.2.1 Khái niệm 21

2.8.2.2 Lý thuyết về ảnh số 23

2.8.2.3 Các phương pháp nhận dạng truyền thống 25

2.8.3 Các bước nhận dạng biển số xe 27

2.8.3.1 Chụp ảnh bằng camera 27

2.8.3.2 Tiền xử lý ảnh 29

2.8.3.3 Tách biển số xe 31

2.8.3.4 Phân đoạn ký tự 33

2.9 TỔNG QUAN VỀ SCADA 34

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 35

3.1 YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG 36

3.2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 36

3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 37

3.4 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI 39

3.4.1 Chọn khối nguồn 39

3.4.2 Khối xử lý trung tâm 40

3.4.3 Thiết kế khối thu thập dữ liệu 41

3.4.4 Khối giao tiếp mạng 44

3.4.5 Khối cơ cấu chấp hành 45

3.4.6 Khối điều khiển và giám sát 48

3.5 SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY 49

3.6 THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHƯƠNG TRÌNH 50

CHƯƠNG 4 : THI CÔNG HỆ THỐNG 54

4.1 GIỚI THIỆU 55

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 55

4.3 CÁC PHẦN MỀM SỬ DỤNG 60

4.3.1 Tia Portal 60

4.3.2 Matlab 63

4.3.3 SQL Server 63

4.3.4 Microsoft Visual Studio 64

CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 66

5.1 HỆ THỐNG MÔ HÌNH 67

5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 68

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71

6.1 KẾT LUẬN 71

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHU LỤC 75

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Mô hình bãi giữ xe ô tô tự động 2

Hình 1.2 : Hệ thống tự động quản lý ô tô vào ra thủ công 3

Hình 1.3 : Hệ thống quản lý ô tô vào ra bán thủ công 3

Hình 1.4 : Mô hình bãi giữ xe ô tô dạng Puzzle Parking 5

Hình 2.1 : PLC của hãng Siemens 11

Hình 2.2 : Cấu trúc cơ bản của một PLC 12

Hình 2.3 : Cấu trúc bản tin Modbus 14

Hình 2.4 : Lưu đồ hoạt động của Modbus RTU 15

Hình 2.5 : Nguyên lý hoạt động của biến tần 17

Hình 2.6 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động của công nghệ RFID 19

Hình 2.7 : Phần mềm Matlab 21

Hình 2.8 : Sơ đồ nhận dạng ảnh tổng quát 22

Hình 2.9 : Ảnh xám 24

Hình 2.10 : Ảnh nhị phân 24

Hình 2.11 : Mô hình màu RGB 25

Hình 2.12 : Minh họa ảnh màu sau khi mã hóa 25

Hình 2.13 : Giải thuật nhận dạng biển số xe 26

Hình 2.14 : Các bước nhận dạng biển số xe 27

Hình 2.15 : Ảnh chụp từ webcam 29

Hình 2.16 : Ảnh xám sau khi chuyển đổi 30

Hình 2.17 : Ảnh xám sau khi tăng tương phản 30

Hình 2.18 : Ảnh sau khi nhị phân 31

Hình 2.19 : Nguyên lý tách biển số 32

Hình 2.20 : Ảnh sau khi dùng hàm edge 32

Hình 2.21 : Vùng chứa biển số 33

Hình 2.22 : Bảng alpha nhị phân 34

Hình 3.1 : Nguyên lý hoạt động của hệ thống 38

Hình 3.2 : Sơ đồ khối của hệ thống 39

Hình 3.3 : Nguồn tổ ong 24V10A 39

Hình 3.5 : PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY 40

Hình 3.6 : Cảm biến quang Panasonic Panadac 914 42

Hình 3.7 : Cảm biến tiệm cận 42

Hình 3.8 : Công tắc hành trình Omrom V- 5F932DN 43

Hình 3.9 : Đầu đọc thẻ RFID 125kHz USB 43

Hình 3.10 : Camera Logitech C270 44

Hình 3.11 : Module CM1241 44

Hình 3.13 : Biến tần Sinamic V20 6SL3210-5BB17-5UV1 46

Hình 3.14 : Động cơ oriental motor 4ik25gn 47

Hình 3.15 : Rơ le trung gian Omron MY2NJ 48

Hình 3.16 : Laptop inspiron 5548 hãng Dell 49

Hình 3.17 : Sơ đồ kết nối PLC vs biến tần thông qua module CM1241 49

Hình 3.18 : Sơ đồ kết nối của PLC 50

Hình 3.19 : Giao diện phần mềm Tia Portial V14 51

Hình 3.20 : Logo phần mềm Matlab 51

Hình 3.21 : Giao diện WinCC Professional 52

Hình 3.22 : Logo phần mềm Visual Studio 52

Hình 4.1 : Bảng điều khiển của mô hình 55

Hình 4.2 : Mô hình ô tô kèm biển số 56

Hình 4.3 : Động cơ AC kết hợp trục Vitme để lên xuống các tầng 56

Hình 4.4 : Cảm biến tiệm cận xác định vị trí tầng 57

Hình 4.5 : Động cơ xoay để đưa xe vô vị trí chẵn/lẻ 57

Hình 4.6 : Camera được gắn vào khung nâng để nhận dạng biển số 58

Hình 4.7 : Công tắc hành trình xác định quay tới vị trí chẵn của khung nâng 58

Hình 4.8 : Khung nâng và động cơ vào/ra 59

Hình 4.9 : Giao diện vùng viết chương trình PLC 59

Hình 4.10 : Giao diện vùng cấu hình phần cứng cho mô hình 60

Hình 4.11 : Giao diện giám sát bãi xe trên WinCC 60

Hình 4.12 : Thông báo lỗi khi quét thẻ từ mà khung nâng chưa ở vị trí sẵn sàng 61

Hình 4.13 : Báo lỗi biến tần mất tín hiệu Modbus từ PLC 61

Hình 4.14 : Giao diện làm việc của Matlab 2017 62

Hình 4.15 : Màn hình đăng nhập của SQL Server 2008 62

Hình 4.16 : Giao diện truy cập và lấy dữ liệu của SQL Server 2008 63

Hình 4.17 : Giao diện làm việc và viết code của Microsoft Visual Studio 2017 63

Hình 4.18 : Trang theo dõi dữ liệu của Web 64

Hình 5.1 : Camera khi được gắn vào khung nâng hoàn thiện 66

Hình 5.2 : Công tắc hành trình và động cơ đưa thanh trượt vào/ra 67

Hình 5.3 : Giao diện giám sát WinCc khi mô hình đang hoạt động 68

Hình 5.4 : Lỗi mất tín hiệu Modbus 68

Hình 5.5 : Trang chủ của web 69

Hình 5.6 : Theo dõi toàn bộ xe trên web 69

Hình 5.7 : Theo dõi xe theo từng biển số trên web 69

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Ba giải truyền thông dựa trên tần số của sóng radio của RFID 19

Bảng 3.1 : Thông số kỹ thuật của S7 1214 AC/DC/Rly 40

Bảng 3.2 : Sơ đồ chân module CM1241 45

Bảng 3.3 : Control word điều khiển bằng Modbus của biến tần V20 47

Bảng 6.1 : Kết quả thử nghiệm chạy hệ thống 72

TÓM TẮT

Với hệ thống giao thông dày đặc, xã hội phát triển và nhu cầu sử dụng phương tiện cá nhân, đặc biệt là xe ô tô ngày càng tăng Điều này kéo theo việc các bãi giữ xe được xây dựng ngày càng nhiều, đặc biệt ở các thành phố lớn trong khi diện tích đất ngày càng hạn hẹp Từ đó, một số chủ phương tiện đỗ xe trên các vỉa hè cũng như lòng lề đường gây mất mỹ quan đô thị và mất an toàn giao thông

Chính vì lý do đó mà nhóm quyết định nghiên cứu đề tài “Bãi giữ xe ô tô tự động

dùng PLC S7-1200” nhằm góp một phần nào đó để giải quyết thực trạng hiện tại

cũng như áp dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn

Trong đề tài này, nhóm sẽ dùng PLC làm thiết bị xử lý trung tâm, điều khiển toàn bộ hệ thống, giám sát bằng WinCC Ngoài ra, nhóm còn ứng dụng công nghệ RFID, xử lý ảnh nhận diện biển số trên Matlab để tăng độ chính xác và tính bảo mật của hệ thống Với phương pháp này thì hệ thống hoàn toàn được chạy một cách tự động trong việc cất xe và trả xe cho khách Bên cạnh đó, hệ thống cũng được chạy bằng tay để phòng khi mất thẻ

Mô hình được thi công thông qua quá trình tìm hiểu, chọn lựa linh kiện một cách phù hợp nhất, kết hợp giao tiếp với các khối cảm biến, công tắc hành trình, động cơ, rơ le, xử lý tín hiệu hình ảnh, RFID, Modbus, áp dụng giải thuật điều khiển, cũng như cân chỉnh các thông số với kết quả mong muốn cuối cùng là đạt được một mô hình bãi đỗ xe hoàn thiện và tối ưu nhất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Việc đảm bảo an ninh trên nhiều lĩnh vực trong các khu đô thị cao cấp, các trung tâm mua sắm, khu nghỉ dưỡng, biệt thự đang ngày càng được quan tâm Trong đó việc kiểm soát phương tiện ô tô ở cổng ra vào đòi hỏi phải đảm bảo an toàn, linh hoạt nhằm tránh hiện tượng trộm cắp, tiết kiệm thời gian cũng như tăng mức độ tiện lợi trong quá trình làm thủ tục ra vào cổng kiểm soát

Các hệ thống kiểm soát ô tô ở cổng vào ra trong nước ta đa phần còn thực hiện theo phương pháp thủ công là mọi hoạt động của hệ thống đều do nhân viên trực

thực hiện bằng tay thông tin được lưu bằng cách viết giấy như hình 1.2 Hoặc bán thủ công như hình 1.3 sử dụng camera, barie nhưng cũng chỉ so sánh dưới dạng

hình ảnh, đòi hỏi nhân viên phải quan sát bằng mắt và so sánh ảnh trên màn hình

để đưa ra quyết định gây tốn nhiều thời gian, dễ nhầm lẫn và độ an toàn không cao

Nhằm giải quyết vấn đề trên nhóm chúng tôi quyết định chọn đề tài “ Bãi giữ

xe ô tô tự động dùng PLC S7-1200” Cấu tạo của hệ thống như hình 1.1

Hình 1.1: Mô hình bãi giữ xe ô tô tự động

Hình 1.2: Hệ thống tự động quản lý ô tô vào ra thủ công

Hình 1.3: Hệ thống quản lý ô tô vào ra bán thủ công

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Theo kết quả nghiên cứu của Ủy ban An toàn Giao thông Quốc gia mới được công bố tại một hội thảo ở Hà Nội, nhu cầu về ôtô tại Việt Nam đang ngày càng tăng, nhất là các thành phố lớn, nơi tỷ lệ tăng trưởng ôtô đã vượt qua xe máy Tỷ

lệ tăng trưởng của xe máy trên cả nước hiện là 7,3% và ôtô là 6,5% Trong khi đó, đối với các đô thị lớn, mức tăng trưởng của xe máy là 10%, còn ôtô lên tới 15% Như vậy, qua các số liệu thống kê nhu cầu mua xe hơi của người Việt đang tăng mạnh trong những năm gần đây Tuy nhiên số lượng người sở hữu xe ô tô vẫn tập trung chủ yếu ở các thành phố lớn: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng v.v Điều này dẫn đến hậu quả tất yếu cơ sở hạ tầng giao thông sẽ không phát triển kịp Dễ thấy nhất là tình trạng thiếu bãi đỗ xe hơi ngày càng nghiêm trọng tập trung tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh

Để giải quyết tình trạng này, hàng loạt sáng kiến về hệ thống bãi đỗ xe thông minh đã được các công ty trên thế giới phát triển với rất dạng khác nhau như: Hệ thống bãi đỗ xe tự động từng tầng di chuyển độc lập (Rollpark System), hệ thống bãi đỗ xe tự động dạng xếp hình (Puzzle Parking), hệ thống tháp đỗ xe cao tầng và

hệ thống bãi đỗ xe quay vòng đứng

Trong đó, hệ thống đỗ xe tự động kiểu xếp hình (Puzzle Parking) là một hệ thống bãi đỗ xe tự động được thiết kế đơn giản rất thuận tiện trong quá trình lắp đặt cũng như chi phí bỏ ra phù hợp với nhiều loại công trình khác nhau Có thể nói bãi đỗ xe dạng xếp hình được đánh giá là một trong những giải pháp đỗ xe phù hợp nhất đối với các thành phố lớn có lượng xe đang trở nên quá tải tại Việt Nam.[9]

Hình 1.4 : Mô hình bãi giữ xe ô tô dạng Puzzle Parking

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Tình trạng thiếu bãi giữ xe gần như là tình trạng chung của mọi đô thị, nhất là những đô thị đông dân và hạ tầng chưa phát triển Suốt một thời gian dài, người ta tìm cách nâng diện tích bãi xe, mở thêm các điểm đỗ, nhưng tình hình vẫn không được cải thiện, trong khi đó nạn kẹt xe trở nên trầm trọng hơn và lãng phí tài nguyên đất đai cũng tăng cao hơn

Từ những năm 1990, các nhà qui hoạch ở những thành phố lớn đã bắt đầu đánh giá lại và tìm các giải pháp tổng thể từ gốc rễ Điều họ mong muốn giờ đây không phải là một thành phố thuận tiện cho mọi xe cơ giới lưu thông bởi như thế quá khó khả thi, mà là một nội ô có trật tự với các phương tiện giao thông chủ yếu là phương tiện công cộng, xe đạp, và đi bộ Xuất phát từ quan điểm đó, tất nhiên, các thành phố bắt đầu các giải pháp hoàn thiện hạ tầng giao thông công cộng, tăng diện tích cây xanh, vỉa hè, và làn đường dành cho xe đạp Nhưng vai trò của các

bãi giữ xe cũng được đánh giá lại, và kết luận gần như đảo ngược: cần giảm bãi

xe, để đô thị phát triển bền vững!

Mặc dù thiếu chỗ gửi xe, tuy nhiên ở rất nhiều bãi xe ở hầu hết các thành phố, tình trạng dư thừa công suất bãi vẫn xảy ra, đặc biệt trong những giờ đặc trưng như tại các bãi xe gần khu dân cư vào ban ngày hay tại các bãi giữ xe gần khu văn phòng vào ban đêm Để quản lý bãi xe hiệu quả hơn, nhiều thành phố đã áp dụng công nghệ cao như công nghệ số hóa, công nghệ thông minh kết nối các bãi xe và kết nối với các phương tiện giao thông nhằm điều tiết lưu lượng xe gửi tại bãi Không chỉ dừng lại ở việc giúp các bãi xe hoạt động hiệu quả hơn, những ứng dụng công nghệ còn giúp nhà chức trách điều tiết bãi xe và lượng xe lưu thông vào nội đô tại những thời điểm nhất định, xây dựng bãi giữ xe ô tô tự động

Đi đầu trong lĩnh vực này chính là Sanfrancisco, thủ phủ công nghệ của Mỹ Sau khi ứng dụng các giải pháp quản lý bãi xe, kết nối hệ thống xe, thu phí linh hoạt theo giờ và theo thời gian thực gửi, người ta ước tính thời gian tìm bãi gửi xe giảm xuống 43%, đặc biệt lượng xe trống trong bãi giảm 75% so với trước đó Kết quả tích cực cũng thu được ở rất nhiều thành phố khác, chẳng hạn như Munich (Đức) đã giảm được 14% lượng xe hơi cá nhân trong trung tâm thành phố

và tăng 16% lượng người đi bộ, tăng 75% lượng người đi xe đạp Hay như thủ đô Vienna, công nghệ với các giải pháp linh hoạt đã giúp thủ đô này giảm 25% lượng

xe cá nhân lưu thông ở 4 quận trung tâm

Đó là những giải pháp chính bên cạnh hàng loạt các chính sách quản lý, phát triển đô thị, đặc biệt là phát triển và hoàn thiện hệ thống giao thông công cộng cũng như hạ tầng giao thông tại các thành phố lớn trên thế giới

1.3 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Cùng với sự phát triển của một nền kinh tế năng động đòi hỏi một nền kỹ thuật công nghệ cũng phải phát triển, đáp ứng kịp thời và đầy đủ những nhu cầu cần thiết của sự phát triển đó Điều này được thể hiện qua thực trạng tình hình phương tiện giao thông ở nước ta, “Theo số liệu thống kê sơ bộ của Tổng cục Hải quan, nhập khẩu ô tô nguyên chiếc vào Việt Nam: Trung Quốc là thị trường chính cung cấp trong 7 tháng/ 2015 với hơn 18 nghìn chiếc, tăng mạnh 204%; tiếp theo là Hàn Quốc: 14,2 nghìn chiếc, tăng 54,3%; Thái Lan: 12,1 nghìn chiếc; tăng 99,2%; Ấn Độ: 8,5 nghìn chiếc; tăng 77,5% so với cùng kỳ năm 2014 (theo thống kế Hải Quan cập nhật 20/08/2015 5:00 PM)[14] Chứng tỏ tình hình số lượng xe ô tô ở nước ta tăng khá nhanh Từ những số liệu trên đòi hỏi những yếu tố cơ sở hạ tầng phải đáp ứng cho sự tăng trưởng đó, đặc biệt là vấn đề về bãi đậu xe Một trong những phương pháp nhằm giải quyết những khó khăn đó, việc ứng dụng sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ cao vào trong xây dựng cơ sở hạ tầng rất cần thiết Cụ thể hơn, cần xây dựng những bãi đậu xe mang tính hiện đại, tự động cao và tính an toàn được đặt lên hàng đầu Đồng thời, những bãi đậu xe như vậy cần phải đáp ứng vừa mang tính kinh tế, vừa phù hợp với thực tiễn như tiết kiệm quỹ đất xây dựng, tính cảnh quan,…

1.4 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài “Bãi giữ xe ô tô tự động dùng PLC S7 - 1200” cần đạt được những

mục tiêu sau đây:

 Nắm rõ được cách lập trình, cấu hình phần cứng và kết nối DI, DO, Modbus của PLC S7-1200; điều khiển động cơ qua biến tần bằng mạng Modbus, xử lý và nhận dạng biển số

 Gắn motor, cảm biến,… lên mô hình có sẵn và đi dây phù hợp

 Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển mô hình hoạt động

 Liên kết Matlab truyền nhận dữ liệu với PLC S7-1200

 Thử nghiệm chương trình và hiệu chỉnh để đạt kết quả tốt nhất

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Nhóm thực hiện đề tài sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp các lý thuyết liên quan đến truyền động, động cơ DC, động cơ AC, PLC để từ đó thiết kế mô hình và viết chương trình điều khiển các động cơ đáp ứng yêu cầu đề tài; sử dụng

phương pháp thực nghiệm để hiệu chỉnh các thông số cho nghiên cứu tốt nhất

Giới hạn đề tài: Với một số yếu tố khách quan về điều kiện tài chính, kinh nghiệm thực tế, thời gian thực hiện đề tài, nên đề tài này thực hiện trong phạm vi sau đây:

 Lập trình điều khiển bằng phần mềm TIA – PORTAL

 Tạo giao diện điều khiển và giám sát trên WINCC và lập trình cho giao diện điều khiển bằng phần mềm TIA – PORTAL

 Tạo Web server để truy xuất biển số xe, giá tiền cùng thời gian gửi xe bằng phần mềm Microsoft Visual Studio và SQL Server

1.6 BỐ CỤC ĐỒ ÁN

Đồ án được chia thành sáu chương, mỗi chương trình bày lần lượt từ tổng quan đến chi tiết công việc thiết kế mô hình và chương trình điều khiển, chi tiết như sau:

 Chương 1: Tổng quan – Giới thiệu về lý do chọn đề tài, tình hình nghiên

cứu trong và ngoài nước, mục tiêu nghiên cứu và các giới hạn thực hiện đề tài

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết – Trình bày tổng thể về nền tảng và cơ sở lý

thuyết

 Chương 3: Tính toán và thiết kế – Trình bày yêu cầu của hệ thống, quy

trình công nghệ, lưu đồ giải thuật điều khiển mô hình các yêu cầu của mô hình điều khiển cũng như thiết kế, thi công và lựa chọn thiết bị cho mô hình phù hợp với các yêu cầu đưa ra trước đó

 Chương 4: Thi công hệ thống – Thi công

 Chương 5: Kết quả_Nhận xét_Đánh giá – Trình bày những kết quả mà

nhóm đã thực hiện được

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển – Các mặt hạn chế, hướng phát

triển trong quá trình thực hiện đồ án

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ PLC

PLC là viết tắt của Programable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được ( khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt đông có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện đếm

Hình 2.1: PLC của hãng Siemens

Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển sẽ tiếp tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất hiện ở các ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối ( điều khiển bằng relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

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

 Gọn nhẹ, dễ sữa chữa, bảo quản

 Tin cậy trong công nghiệp

 Giao tiếp với các thiết bị thông minh khác như : máy tính, mạng truyền thông, module mở rộng

 Giá cả cá thể cạnh tranh được

Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của một PLC

2.2 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG TRONG PLC SIEMENS

2.2.1 Một số loại mạng truyền thông PLC Siemens

 Sử dụng cáp hai dây vừa cấp nguồn, vừa truyền dữ liệu

2.2.2 Mạng truyền thông Modbus trong PLC

Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý

RS-232 hoặc RS485 và mô hình dạng Master-Slave Đây là một giao thức được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như BMS (Building Management Systems), tự động hóa, công nghiệp, điện lực, Chắc hẳn sẽ có bạn tự hỏi, tại sao giao thức Modbus này lại thông dụng như thế, đi đến đâu, đụng vào thiết bị gì thì hầu như cũng có giao thức này? Vâng, câu trả lời cho câu hỏi trên chắc chỉ cần gói gọn trong vài từ: Ổn định - Đơn giản - dễ dùng

Modbus được coi là giao thức truyền thông hoạt động ở tầng "Application", cung cấp khả năng truyền thông Master/Slave giữa các thiết bị được kết nối thông qua các bus hoặc network

 Cấu trúc bản tin Modbus RTU :

Một bản tin Modbus RTU bao gồm: 1 byte địa chỉ - 1 byte mã hàm - n byte

dữ liệu - 2 byte CRC như hình ở dưới:

Hình 2.3 : Cấu trúc bản tin Modbus

 Chức năng và vai trò cụ thể như sau:

Byte địa chỉ : Xác định thiết bị mang địa chỉ được nhận dữ liệu (đối với Slave)

hoặc dữ liệu nhận được từ địa chỉ nào (đối với Master) Địa chỉ này được quy định

từ 0 - 254

Byte mã hàm : Được quy định từ Master, xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết bị

Slave Ví dụ mã 01: đọc dữ liệu lưu trữ dạng Bit, 03: đọc dữ liệu tức thời dạng Byte, 05: ghi dữ liệu 1 bit vào Slave, 15: ghi dữ liệu nhiều bit vào Slave

Byte dữ liệu : Xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave

 Đọc dữ liệu:

Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu

Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte dữ liệu đọc được

 Ghi dữ liệu:

Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte dữ liệu cần ghi Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu

Byte CRC : 2 byte kiểm tra lỗi của hàm truyền

Lưu đồ hoạt động của Modbus RTU [15]:

Hình 2.4 : Lưu đồ hoạt động của Modbus RTU

2.3 KHÁI QUÁT VỀ SQL SEVER

 SQL server là gì?

SQL Server là viết tắt của Structure Query Language, nó là một công cụ quản

lý dữ liệu được sử dụng phổ biến ở nhiều lĩnh vực Hầu hết các ngôn ngữ bậc cao đều có trình hỗ trợ SQL như Visual Basic, Oracle, Visual C Các chương trình ứng dụng và các công cụ quản trị cơ sở dữ liệu (CSDL) cho phép người sử dụng truy

nhập tới cơ sở dữ liệu mà không cần sử dụng trực tiếp SQL Nhưng những ứng dụng đó khi chạy phải sử dụng SQL

 Đặc điểm của SQL Server và đối tượng làm việc :

Đặc điểm:

- SQL là ngôn ngữ tựa tiếng Anh

- SQL là ngôn ngữ phi thủ tục, nó không yêu cầu ta cách thức truy nhập cơ sở dữ liệu như thế nào Tất cả các thông báo của SQL đều rất dễ sử dụng và ít khả năng mắc lỗi

- SQL cung cấp tập lệnh phong phú cho các công việc hỏi đáp dữ liệu:

+ Chèn, cập nhật, xoá các hàng trong một quan hệ

+ Tạo, sửa đổi, thêm và xoá các đối tượng trong cơ sở dữ liệu

+ Điều khiển việc truy nhập tới cơ sở dữ liệu và các đối tượng của cơ sở

dữ liệu để đảm bảo tính bảo mật của cơ sở dữ liệu

+ Đảm bảo tính nhất quán và sự ràng buộc của cơ sở dữ liệu

Đối tượng làm việc của SQL Server :

Là các bảng (tổng quát là các quan hệ) dữ liệu hai chiều Các bảng này bao gồm một hoặc nhiều cột và hàng Các cột gọi là các trường, các hàng gọi là các bản ghi Cột với tên gọi và kiểu dữ liệu (kiểu dl của mỗi cột là duy nhất) xác định tạo nên cấu trúc của bảng (Ta có thể dùng lệnh Desc[ribe] TABLE-name để xem cấu trúc của bảng, phần tuỳ chọn có thể được bỏ trong Oracle) Khi bảng đã được

tổ chức hệ thống cho một mục đích nào đó có một cơ sở dữ liệu

Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải

và có giá trị ít nhất 0.96 Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).[5]

Hình 2.5 : Nguyên lý hoạt động của biến tần

 Phân loại biến tần

Biến tần có nhiều loại, nếu chia theo nguồn điện đầu vào ta có 2 loại cơ bản là: Biến tần cho động cơ 1 pha và biến tần cho động cơ 3 pha Trong đó, biến tần cho động cơ 3 pha được sử dụng rộng rãi hơn

2.5 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ BA PHA

Cấu tạo động cơ điện ba pha gồm hai phần chính là stator ( gồm 3 cuộn dây giống hệt nhau đặt tại ba vị trí nằm trên vòng tròn đặt lệch nhau 120 độ) để tạo ra

từ trường quay Roto là khung dây dẫn có thể quay dưới tác dụng của từ trường quay Để tăng hiệu quả người ta thường ghép nhiều thanh kim loại chung thành một cái lồng hình trụ, mặt bên được tạo bởi nhiều thanh kim loại song song, bộ phận này thường được gọi là roto lồng sóc

Một trong những ưu điểm vượt trội của động cơ ba pha là nó có độ bền cao, dễ dàng bảo trì và giá thành rẻ Bên cạnh đó, hệ số công suất thấp gây tổn thất nhiều công suất phản kháng của lưới điện, không sử dụng được lúc non tải hoặc không

tải, khó điều chỉnh tốc độ, đặc tính mở máy không tốt, dòng khởi động lớn ( gấp 6 – 7 lần dòng định mức), momen khởi động nhỏ chính là nhược điểm của động cơ

ba pha.[6]

2.6 RFID

Công nghệ thẻ từ cho phép một thiết bị đọc thông tin chứa trong chip không cần tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa Công nghệ này cho ta phương pháp truyền nhận dữ liệu từ một điểm đến điểm khác

Các thành phần cơ bản của hệ thống thẻ từ:

 Tag: là thành phần không thể thiếu trong hệ thống, còn gọi là thẻ từ

 Reader: là thành phần bắt buộc trong hệ thống, bên ngoài còn gọi là bộ phận đọc thẻ từ

 Reader anten: cũng là thành phần bắt buộc của hệ thống, và ngày nay thì

bộ phận này tích hợp sẵn trong bộ reader

 Ngoài ra, còn có các bộ phận quan trọng trong hệ thống như: mạch điều khiển, cảm biến, các thiết bị truyền thông, …

Hình 2.6 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động của công nghệ RFID

Bảng 2.1: Ba giải truyền thông dựa trên tần số của sóng radio của RFID

Tần số thấp (100 – 500kHz) Sử dụng trong phạm vi ngắn và trung bình

Chi phí thấp Tốc độ đọc dữ liệu thấp Tần số trung bình (10 – 15 MHz) Sử dụng trong phạm vi ngắn và trung bình

Chi phí thấp

Tốc độ đọc dữ liệu trung bình Tần số cao(850 – 950MHz, 2.4 –

5.8GHz)

Sử dụng trong phạm vi bán kính rộng Chi phí cao

Tốc độ đọc dữ liệu cao

2.7 CẢM BIẾN

2.7.1 Phân loại cảm biến

 Phân loại theo cách thức đo:

 Cảm biến đo dựa vào hiện tượng vật lý (hiện tượng nhiệt điện, quang điện, quang tử,…)

 Cảm biến đo dựa vào hiện tượng hóa học (biến đổi hóa học, biến đổi điện hóa,…)

 Cảm biến đo dựa vào hiện tượng sinh học (biến đổi sinh hóa, biển đổi vật lý,…)

 Phân loại theo tính năng của cảm biến:

 Âm thanh: có thể đo biên, pha, phân cực,…

 Điện: có thể đo điện tích, dòng biên – điện thế, điện áp,…

 Từ: có thể đo từ trường, từ thông, cường độ từ trường,…

 Quang: có thể đo biên, pha, phân cực,…

 Cơ: có thể đo vị trí, lực, tốc độ, gia tốc, vận tốc,…

 Nhiệt: có thể độ nhiệt độ, thông lượng,…

2.7.2 Cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận (tên tiếng Anh là Proximity Sensors) là loại cảm biến thường được đặt ở mặt trước của các smartphone có tác dụng để phát hiện khi có vật đến gần cảm biến

Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận : Cảm biến tiệm cận thường phát

ra một loại trường điện từ, một chùm bức xạ hoặc một loại ánh sáng (ví dụ ánh sáng hồng ngoại), sau đó nó sẽ giám sát sự thay đổi của trường hoặc những tín hiệu trả về để quyết định xem bạn có đang smartphone lại gần hay không

2.7.3 Cảm biến quang

Cảm biến quang điện (Photoelectric Sensor, PES) nói một cách nôm na, thực chất chúng là do các linh kiện quang điện tạo thành Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến quang, chúng sẽ thay đổi tính chất Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi có một lượng ánh sáng chiếu vào

Hiện nay, có các loại cảm biến quang như :

o Cảm biến quang thu phát

o Cảm biến quang phản xạ gương

o Cảm biến quang khuếch tán

2.8 XỬ LÝ ẢNH NHẬN DẠNG BIỂN SỐ XE

Trong xu thế của cuộc cách mạng công nghệ 4.0 đã kéo theo sự phát triển nhanh của các ngành khoa học công nghệ Trí tuệ nhân tạo (AI – Artificial Intelligence) là một lĩnh vực phát triển vượt bậc và tạo ra nhiều ứng dụng phục vụ cuộc sống con người Trên thế giới và Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên

cứu các hệ thống thông minh ứng dụng trí tuệ nhân tạo như bệnh viện thông minh, giao thông thông minh, nhà thông minh, xe tự lái,… Trong đó, ứng dụng nhận dạng biển số xe ô tô được sử dụng rộng rãi trong các bãi giữ xe cấp phát vé tự động, các trạm thu phí, hệ thống theo dõi phương tiện tham gia giao thông và phát hiện các phương tiện vi phạm

2.8.1 Lựa chọn phần mềm, ngôn ngữ lập trình

Với xu hướng tự động hóa của ngày nay thì không thiếu các chương trình cũng như các phần mềm để xử lý ảnh, có thể kể đến như các ngôn ngữ lập trình: C++, C#, Python, Matlab,… Trong đề tài này, để xử lý ảnh nhận dạng biển số xe nhóm

đã sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để xử lý

Hình 2.7 : Phần mềm Matlab

Matlab được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và ảnh, truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mô hình tài chính, hay tính toán sinh học

2.8.2 Tổng quan về nhận dạng ảnh

2.8.2.1 Khái niệm

Xử lý và nhận dạng ảnh là một lĩnh vực còn tương đối mới chưa được áp dụng rộng rãi như những lĩnh vực khoa học khác Nó còn có mối quan hệ mật thiết với nhiều nghành khoa học khác như lý thuyết thông tin, lý thuyết thống kê, nhận dạng, dùng để nhận dạng chữ số, ký tự, vân tay.mặt người

Xử lý ảnh số có rất nhiều công đoạn cần phải giải quyết như: khôi phục ảnh, thu nhận ảnh, tăng cường ảnh, phân tích ảnh , biến đổi ảnh các quá trình này cần phải thực hiện nhiều bởi thuật toán khác nhau

Nhận dạng là thực hiện phân loại các đối tượng được biểu diễn theo một mô hình nào đó và chúng được gán vào một lớp dựa theo những mẫu chuẩn và quy luật của nó

Quá trình xử lý và nhận dạng ảnh số tùy thuộc vào điều kiện ứng dụng thực tế

mà có nhiều cách áp dụng các thuật toán khác nhau tuy vậy việc xử lý và nhận dạng đều quy về một cách thể hiện như sau :

Hình 2.8 : Sơ đồ nhận dạng ảnh tổng quát

 Thu nhận ảnh: Thu nhận ảnh từ ảnh có sẵn Ảnh thu được là tín hiệu

tương tự

 Mã hóa: là quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu rời

rạc.Sau đó số hóa bằng lượng tử hóa trước khi chuyển sang giai đoạn

xử lý

 Phân tích ảnh: bao gồm nhiều công đoạn nhỏ:

 Trước hết nâng cao chất lượng ảnh, do chất lượng ảnh thu được không đạt yêu cầu với nhiều nguyên nhân khác nhau.Sau đó khôi phục ảnh để làm nổi bật một số đặc tính chính của ảnh, hay làm cho ảnh giống nhất với trạng thái gốc

 Kế tiếp là phát hiện các đặc tính như: biên, phân vùng ảnh, trích chọn các đặc tính,