TỔNG QUAN CHUNG
Lý do chọn đề tài
Nhóm em quyết định thiết kế một hệ thống tích hợp kiến thức về thiết kế, lập trình, đấu dây và ứng dụng thực tế trong chuyên ngành Điện- điện tử, nhằm áp dụng những gì đã học ở trường và nhận được sự hướng dẫn từ giáo viên.
Mô hình điều khiển đèn và giám sát giao thông tại ngã tư đã được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, bao gồm cả giao thông đường bộ và đường sắt Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề chưa được hoàn thiện về thời gian điều khiển, dẫn đến tình trạng ùn tắc và kẹt xe liên tục, đặc biệt là vào giờ cao điểm.
Với mong muốn giảm thiểu tình trạng trên nên nhóm đã đi đến quyết định chọn đề tài: “ Mô hình điều khiển đèn giao thông ngã tư ”.
Mục tiêu của đề tài
- Thiết kế, xây dựng mô hình điều khiển đèn giao thông;
- Lập trình PLC điều khiển đèn giao thông ở nhiều chế độ:
F Chế độ bình thường: hệ thống đèn giao thông hoạt động với thời gian được cài đặt trước
Chế độ cảnh báo của hệ thống đèn được kích hoạt, trong đó tất cả đèn xanh và đỏ ở hai tuyến sẽ ngừng hoạt động, trong khi đèn vàng ở cả hai tuyến sẽ nháy với tần suất 1.
F Chế độ ƣu tiên dọc: hệ thống đèn giao thông hoạt động cho phép ƣu tiên tuyến đường số 1
F Chế độ ƣu tiên ngang: hệ thống đèn giao thông hoạt đồng cho phép ƣu tiên tuyến đường số 2
Chế độ kết hợp với thời gian thực giúp hệ thống đèn giao thông hoạt động tự động, với đèn hoạt động bình thường từ 6h00 đến 22h59 và chuyển sang chế độ cảnh báo từ 23h00 đến 5h59.
- Lập trình màn hình cho phép điều chỉnh thời gian đèn theo mong muốn
- Điều khiển đèn giao thông ở các tuyến đường bộ
- Thiết kế tủ điều khiển hệ thống;
- Xây dựng màn hình điều khiển, giám sát hệ thống đèn giao thông trên Wincc;
Phương pháp thực hiện đề tài
Các bước thực hiện đề tài:
Lập trình, mô phỏng hệ thống
Thiết kế sơ đồ phần cứng
Kết nối thiết bị Tính chọn thiết bị
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Bộ điều khiển PLC S7-1200
2.1.1 Giới thiệu chung về PLC S7-1200
Bộ điều khiển PLC S7-1200 là một giải pháp linh hoạt và có khả năng mở rộng, lý tưởng cho các hệ thống tự động hóa quy mô vừa và nhỏ.
PLC S7-1200 với thiết kế nhỏ gọn và cấu hình linh động, cùng khả năng hỗ trợ mạnh mẽ về tập lệnh, đã trở thành giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển trong thực tế.
Hình 2.1Bộ điều khiển PLC S7 – 1200
Cấu tạo gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lí, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất/nhập
Bộ xử lý, hay còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), bao gồm bộ vi xử lý và có chức năng biên dịch các tín hiệu đầu vào Nó thực hiện các hoạt động điều khiển dựa trên chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ PLC, đồng thời truyền tải các quyết định dưới dạng tín hiệu để điều khiển các thiết bị xuất.
- Bộ nguồn có nhiệm vụ cấp nguồn điện cần cho thiết bị xử lý và các mạch điện trong module giao tiếp nhập và xuất hoạt động
- Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lí
Các thành phần nhập và xuất (input/output) đóng vai trò quan trọng trong việc bộ nhớ tiếp nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền tải dữ liệu đến các thiết bị điều khiển.
Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
10 KB I/O tích hợp cục bộ
Số module mở rộng Không 2 8
Số module truyền thông 3 ( mở rộng về phía bên trái)
Bộ đếm tốc độ cao 3 4 6
Ngõ ra xung tần số cao 2
Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (Tùy chọn)
Bảng 2.1 Một số PLC S7-1200 thông dụng
2.1.3 Ứng dụng của PLC trong đồ án:
Trong đồ án môn học, chúng em sử dụng bộ điều khiển PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC làm trung tâm điều khiển Bộ điều khiển này nhận các tín hiệu điều khiển, xử lý theo chương trình đã lập trình sẵn và điều khiển hệ thống đèn giao thông.
TIA Portal
Phần mềm Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) tích hợp tất cả các công cụ lập trình điều khiển cho hệ thống tự động hóa và truyền động điện TIA Portal là một giải pháp lập trình trực quan, hiệu quả và đáng tin cậy, giúp tối ưu hóa quy trình điều khiển.
5 giúp người sử dụng thiết kế toàn bộ chương trình tự động hóa một cách tối ưu chỉ trong một giao diện phần mềm duy nhất
Sử dụng phần mềm STEP7 cho phép bạn viết các chương trình điều khiển cho các thiết bị trong một dự án
PLC sẽ giám sát và điều khiển thiết bị thông qua chương trình S7 Địa chỉ các mô-đun xuất nhập có thể được thiết lập bằng phần mềm, và chương trình sẽ được truyền xuống CPU qua cáp giao tiếp.
- Để có thể kết nối giữa thiết bị và phần mềm tia Portal cần có kết nối TCP/IP
- Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau
2.2.3 Làm việc với TIA Portal V13
Khởi động chương trình TIA Portal :
Click mở file “TIA Portal V13” trên Desktop của máy tính và click vào “Create new project”
Hình 2.2 Giao diện ban đầu của TIA Portal V13
Sau khi tạo project sẽ xuất hiện giao diện với các lựa chọn về thiết bị lập trình :
Devices & Networks: Chọn thiết bị lập trình, xem và thay đổi thiết bị lập trình (bao gồm: PLC, HMI, PC system)
PLC Programming: Lập trình cho PLC, xem và cập nhật chương trình mới
Visualization: Cấu hình cho giao diện HMI
Online & Diagnostics: kết nối trực tuyến PLC và chuẩn đoán lỗi
Nhấp chọn Devices & Networks nhấp “Add new device” để chọn thiết bị để lập trình nhƣ sau:
Hình 2.3 Giao diện TIA Portal_1
Click vào “Configure a device”: Click vào “Add new device” và chon thiết bị
Hình 2.4 Giao diện TIA Portal_2
Sau khi nhấp vào CPU cần kết nối, giao diện sẽ hiển thị nhiều cửa sổ để bạn có thể thiết lập kết nối, lựa chọn các cấu hình và màn hình lập trình chính.
Hình 2.5 Màn hình lập trình chính TIA Portal Để viết chương trình cho PLC ta làm như sau:
Trên “Project tree” PLC_1 [ CPU 1214C DC/DC/DC] Program blocks
Trên thanh công cụ bên phải, người dùng có thể tìm thấy các lệnh cơ bản và chọn lệnh tắt từ Favorites Để sử dụng, chỉ cần kéo thả chuột hoặc nhấn phím tắt để chọn nhóm lệnh mong muốn.
Hình 2.6 Màn hình lập trình chính TIA Portal
8 Để nạp chương trình cho PLC ta làm như sau:
Click vào biểu tƣợng dowload “ ” trên màn hình
Chọn Realtek PCIe GBE Family Controller, sau đó chọn Start search
Hình 2.7 Nạp chương trình cho PLC từ TIA Portal_1
Search xong thì máy tính sẽ tìm được PLC như hình bên dưới, ta chọn Load để máy tính nạp chương trình xuống cho PLC
Hình 2.8 Nạp chương trình cho PLC từ TIA Portal_2
Tiếp theo cửa sổ Load preview xuất hiện, tiếp tục chọn Load để nạp chương trình cho PLC
Hình 2.9Nạp chương trình cho PLC từ TIA Portal_3 Đến đây thì chương trình đã được nạp xong, ta nhấp chọn Finish
Hình 2.10 Nạp chương trình cho PLC từ TIA Portal_4
WinCC
WinCC (Windows Control Center) là phần mềm ứng dụng dùng để giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển tự động quá trình sản xuất Được xem như một chương trình HMI (Human Machine Interface), WinCC hỗ trợ thiết kế giao diện người – máy, giúp người sử dụng dễ dàng tạo ra giao diện điều khiển để quan sát hoạt động của quá trình tự động hóa WinCC được tích hợp trong TIA Portal, cho phép trao đổi dữ liệu trực tiếp với PLC một cách hiệu quả.
Trong màn hình giao diện của TIA Portal ta nhấn “Add new device”
Hình 2.11 Khởi tạo màn hình WinCC_1
Xuất hiện cửa sổ, ta chọn “PC systerms” “SIMATIC HMI application”
Hình 2.12 Khởi tạo màn hình WinCC_2
Kết nối WinCC với PLC:
Sau khi tạo project sẽ xuất hiện giao diện thiết bị (Device view), Chúng ta cần chọn mạng giao tiếp truyền thông của thiết bị: Nhấn “Comunications module”
Hình 2.13 Kết nối WinCC với PLC_1
Tiếp theo, nhấn “Network view” “Connections” , và Kéo thả chuột từ module PLC sang module WinCC để kết nối
Hình 2.14 Kết nối WinCC với PLC_1
Tạo giao diện giám sát, điều khiển trên WinCC:
Nhấn “PC-System_1” “HMI_RT_1” “Add new creen” Màn hình giao diện chính xuất hiện,
Để lập trình và xây dựng màn hình giám sát điều khiển trong WinCC, người dùng cần sử dụng các công cụ trên thanh Toolbox cùng với những thiết lập trong mục Properties.
Một só thiết bị khác
STT Tên thiết bị Hình ảnh
Bảng 2.2 Một số thiết bị khác
TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỒ ÁN
Yêu cầu công nghệ
Hệ thống đèn giao thông ngã tƣ làm việc với các chế độ Chế độ 1: Chế độ hoạt động mặc định:
- Ban ngày: Đèn giao thông hoạt động theo bảng sau:
Xanh 1 Vàng 1 Đỏ 1 Xanh 2 Vàng 2 Đỏ 2
- Ban đêm: Đèn giao thông hoạt động ở chế độ cảnh báo, đèn xanh và đỏ ở các tuyến tắt, đèn vàng ở tuyến 1 và tuyến 2 nháy với tần số 1Hz
Chế độ 2: Hệ thống đèn hoạt động kết hợp thời gian thực
- Từ 6 h 00’ – 22 h 59’: Hệ thống làm việc với thời gian đƣợc đặt trong bảng trên
- Từ 23 h 00’ – 5 h 59’: Đèn giao thông hoạt động ở chế độ cảnh báo, đèn xanh và đỏ ở các tuyến tắt, đèn vàng ở tuyến 1 và tuyến 2 nháy với tần số 1Hz
Chế độ 3: Ƣu tiên dọc (ƣu tiên tuyến 1) Đèn xanh 1 và đỏ 2 hoạt động, tất cả các đèn còn lại tắt
Chế độ 4: Ƣu tiên ngang (ƣu tiên tuyến 2) Đèn xanh 2 và đỏ 1 hoạt động, tất cả các đèn còn lại tắt
Nhấn nút Estop để dừng toàn bộ hệ thống
Sơ đồ khối mô hình
Màn hình điều khiển, giám sát: Hệ thống đƣợc lập trình hiện thị trên màn hình
Wincc, chúng ta có thể giám sát, cài đặt và điều khiển hệ thống trực tiếp trên Wincc
Hệ thống điều khiển: hệ thống những nút nhấn và switch để ta chọn các chế độ điều khiển
Bộ điều khiển PLC nhận tín hiệu điều khiển và sử dụng thuật toán đã được lập trình bởi người dùng để phát tín hiệu cho hệ thống đèn.
Hệ thống đèn giao thông: Là đối tƣợng đƣợc điều khiển, để hiểu thị tín hiệu đèn giao thông.
Lưu đồ thuật giải
Hình 3.2 Lưu đồ thuật giải Đ𝟏 +
Bảng gán địa chỉ
Ký hiệu Địa chỉ Chú thích
CĐ1 I0.0 Nút nhấn chọn chế độ 1, NO
CĐ2 I0.1 Nút nhấn chọn chế độ 2, NO, CĐ3 I0.2 Nút nhấn chọn chế độ 3, NO
CĐ4 I0.3 Nút nhấn chọn chế độ 4, NO
ESTOP I0.4 Nút nhấn dừng hệ thống, NO
SW I0.5 Công tắc chọn chế độ bình thường hoặc chế độ cảnh báo, NO
Rtr1 Q0.0 Cuộn dây Rơ le trung gian điều khiển đèn xanh tuyến 1
Rtr2 Q0.1 Cuộn dây Rơ le trung gian điều khiển đèn vàng tuyến 1
Rtr3 Q0.2 Cuộn dây Rơ le trung gian điều khiển đèn đỏ tuyến 1
Rtr4 Q0.3 Cuộn dây Rơ le trung gian điều khiển đèn xanh tuyến 2
Rtr5 Q0.4 Cuộn dây Rơ le trung gian điều khiển đèn vàng tuyến 2
Rtr6 Q0.5 Cuộn dây Rơ le trung gian điều khiển đèn đỏ tuyến 2
Rtr7 Q0.6 Cuộn dây Rơ le trung gian điều khiển đèn đỏ tuyến bộ 1
Rtr8 Q0.7 Cuộn dây Rơ le trung gian điều khiển đèn đỏ tuyến bộ 2
Bảng 3.1 Bảng gán địa chỉ
Sơ đồ nối dây
Hình 3.3 Sơ đồ nối dây
Mô hình đồ án
Hình 3.4 Mô hình đồ án điều khiển đèn giao thông ngã tư.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Mô hình thực nghiệm
Hình 4.1 Mô hình thực tế Hình 4.2 Mô hình trên Wincc
Kết quả vận hành chế độ 1
Khi nhấn nút Chế độ 1 và chuyển Switch sang chế độ Off, hệ thống sẽ hoạt động bình thường với thời gian mặc định Cụ thể, Đầu tiên, đèn Xanh 1 và Đỏ 2 sẽ hoạt động, đồng thời đèn đi bộ Đỏ 1 và Xanh 2 cũng sẽ sáng.
Sau 10s: Xanh 1 tắt, Vàng 1 và Đỏ 2 hoạt động Tuyến đi bộ Đỏ 1, Xanh 2 vẫn sáng
Sau 5s: Vàng 1, Đỏ 2 tắt, Đỏ 1, Xanh 2 hoạt động Tuyến đi bộ Đỏ 1, Xanh 2 tắt và Xanh 1, Đỏ 2 hoạt động
Sau 10s: Xanh 2 tắt, Đỏ 1 và Vàng 2 hoạt động Tuyến đi bộ Xanh 1, Đỏ 2 vẫn sáng
Sau 5s: Hệ thống quay lại quá trình, Đỏ 1 và Vàng 2 tắt, Xanh 1 và Đỏ 2 hoạt động, Ở tuyến đường đi bộ : Xanh 1, Đỏ 2 tắt, Đỏ 2 và Xanh 1 hoạt động
Khi bật công tắc, hệ thống sẽ chuyển sang chế độ cảnh báo, với đèn đỏ 1, đỏ 2, xanh 1, và xanh 2 tắt, trong khi đèn vàng ở hai tuyến hoạt động nhấp nháy với tần số 1 Hz.
Kết quả vận hành chế độ 2
Nhấn nút Chế độ 2, Hệ thống hoạt động kết hợp thời gian thực:
- Từ 6 h 00’ – 22 h 59’: Hệ thống làm việc ở chế độ bình theo thời gian được đặt trước nhƣ ở chế độ 1 khi Switch trạng thái off
- Từ 23 h 00’ – 5 h 59’: Đèn giao thông hoạt động ở chế độ cảnh báo, đèn xanh và đỏ ở các tuyến tắt, đèn vàng ở tuyến 1 và tuyến 2 nháy với tần số 1Hz.
Kết quả vận hành chế độ 3
Nhấn nút Chế độ 3, hệ thống hoạt động ở chế độ ƣu tiên dọc, đèn Xanh 1 và Đỏ 2 hoạt động các đèn còn lại tắt
Kết quả vận hành chế độ 4
Nhấn nút Chế độ 4, hệ thống hoạt động ở chế độ ƣu tiên ngang, đèn Đỏ 1 và Xanh 2 hoạt động, các đèn còn lại tắt.
Cài đặt vận hành
Để sử dụng màn hình giám sát Wincc, người dùng sẽ phải đăng nhập ở trang Home Chế độ phân quyền được cài đặt trong bảng bên dưới
Admin 111111 Giám sát, điều khiển và điều chỉnh thời gian Control 222222 Giám sát, điều khiển
Bảng 4.1 Bảng chế độ phân quyền
Hình 4.3 Đăng nhập hệ thống
Chức năng cài đặt chỉ đƣợc thực hiện bởi phân quyền Admin, chúng ta có thể cài đặt được thời gian sáng đèn ở các tuyến đường
Hình 4.4 Cài đặt thời gian