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

TRẦN THẾ VĂN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- TRẦN THẾ VĂN CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY KHOÁ: 2010 - 2012 Hà Nội – Năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- TRẦN THẾ VĂN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN THỊ THANH HẢI Hà Nội – Năm 2012 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................................................- ………………………………………25 5 - Chương II: -1- 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 -2- 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 -3- 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 -4- 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 -5- 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 tx1 lên 5s…….........….40 Hình 2.5: Giản đồ trạng thái làm việc của các đèn khi tăng tx2 lên 5s......………….41 Hình 2.6: Giản đồ trạng thái làm việc của các đèn khi tăng tx2 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 -6- 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 tck = 120s…………………………………….………..76 Hình 2.34: Sơ đồ hoạt động với tck = 90s………………………………….….………..76 Hình 2.35: Sơ đồ ở tck = 90s tăng ∆tx14 ……………………………………….………..79 Hình 2.36: Sơ đồ ở tck = 90s tăng ∆tx25 …………………………………….….………..79 Hình 2.37: Sơ đồ ở tck = 90s tăng ∆tx36 ………………………………………...……….80 Hình 2.38: Sơ đồ ở tck = 120s tăng ∆tx14 ……………………………………………….80 Hình 2.39: Sơ đồ ở tck = 120s tăng ∆tx25 …………………………………..….………..81 Hình 2.40: Sơ đồ ở tck = 120s tăng ∆tx36 ……………………………………….……….81 Hình 2.41: Sơ đồ ở tck=90s tăng ∆tx14=5s ………………………………….….……….82 Hình 2.42: Sơ đồ ở tck=90s tăng ∆tx25= 5s……………………………………..……….82 Hình 2.43: Sơ đồ ở tck=90s tăng ∆tx36=5s …………………………………….……….83 Hình 2.44: Sơ đồ ở tck=120s tăng ∆tx14=5s…………………………………….……….83 Hình 2.45: Sơ đồ ở tck=120s tăng ∆tx25=5s…………………………………….……….84 Hình 2.46: Sơ đồ ở tck=120s tăng ∆tx36=5s …………………………………...………..84 -7- 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 -8- 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 -9- 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 - 10 - 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. - 11 - 2. Lịch sử nghiên cứu Ứng dụng bộ điều khiển PLC trong điều khiển đèn giao thông được nghiên cứu sử dụng như: - Nguyễn Thị Lệ Hà [9], Viết chương trình điều khiển đèn giao thông cho một ngã tư theo 3 chế độ dựa theo đồng hồ thời gian thực tích hợp trong PLC S7 – 200 CPU 224, năm 2010. - Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông trên Micro PLC SIMATIC S7200, Hà Quang Dũng, năm2011. - Zhaoxiang Zeng, The design of traffic lights fuzzy controller based on PLC, năm 2011. 3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu + Mục đích. 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 - 12 - 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. - 13 - 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 - 14 - 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 - 15 - 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. - 16 - 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 - 17 - 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. - 18 -