ĐATN Điều khiển phối hợp tín hiệu đèn giao thông giữa hai ngã tư sử dụng PLC S71200 và mạng truyền thông Profinet

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP TÍN
HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG GIỮA HAI NGÃ TƯ SỬ DỤNG PLC
S7-1200 VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG PROFINET

Giáo viên hướng dẫn :
Sinh viên thực hiện

:

Mã sinh viên

:

Lớp

:

Hà Nội 04/2017


Bộ công th-ơng
Tr-ờng đh công nghiệp hà nội

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa việt nam
Độc lập Tự do Hạnh phúc

PHIU GIAO TI N TT NGHIP
H v tờn:
Lp:

Mó SV:
Khúa:

Ngnh: Cụng ngh k thut iu khin v t ng húa
Tờn ti:
Thit k h thng iu khin phi hp tớn hiu ốn giao thụng gia hai ngó t s
dng PLC S7-1200 v mng truyn thụng Profinet.
Mc ớch:
Giỳp sinh viờn vn dng tng hp cỏc kin thc ó hc v lp trỡnh PLC, h thng
iu khin Scada v mng truyn thụng cụng nghip gii quyt mt bi toỏn iu
khin t ng trong thc tin.
Qua vic thc hin cỏc ni dung yờu cu ca ỏn giỳp sinh viờn hỡnh thnh k
nng phõn tớch cụng ngh ca bi toỏn, a ra gii phỏp ỏp ng cụng ngh v bit
cỏch xõy dng mt h thng iu khin trn vn bao gm cp chp hnh, cp iu
khin v cp iu khin giỏm sỏt trờn mỏy tớnh.
Yờu cu: Sinh viờn cn hon thnh nhng ni dung sau:
1.
2.
3.
4.

Tng quan v h thng iu khin phi hp tớn hiu ốn giao thụng
Thit k phn mm iu khin cho h thng s dng PLC S7-1200
Thit k giao din iu khin giỏm sỏt cho h thng
Xõy dng mụ hỡnh thc nghim v ỏnh giỏ kt qu

Ngy giao ti: 06/03/2017
Ngy hon thnh: 21/04/2017
H Ni, ngy 03 thỏng 03 nm 2017
GIO VIấN HNG DN
(Ký v ghi rừ h tờn)

TRNG KHOA


Đồ Án Tốt Nghiệp

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP TÍN HIỆU
GIAO THÔNG ..............................................................................................................10
1.1. Khái quát chung về hệ thốngđèn tín hiệu giao thông..........................................10
1.1.1. Giới thiệu về đèn tín hiệu giao thông ...........................................................10
1.1.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của đèn tín hiệu giao thông .....................12
1.1.3. Quy trình điêu khiển đèn tín hiệu giao thông ...............................................14
1.1.4. Các phương pháp điều khiển tín hiệu đèn giao thông ..................................15
1.2. Hệ thống điều khiển giao thông phối hợp ...........................................................16
1.2.1. Hệ thống điều khiển phối hợp đồng bộ ........................................................16
1.2.2. Hệ thống điều khiển phối hợp liên hoàn “Làn sóng xanh”...........................16
1.3. Mô hình hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèn giao thông .........................18
1.4. Tổng kết chương .................................................................................................19
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG SỬ DỤNG
PLC S7-1200 .................................................................................................................21
2.1. Giới thiệu về bộ điều khiển PLC S7-1200 ..........................................................21
2.1.1. Lịch sử phát triển của PLC ...........................................................................21

2.1.2. Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 ..........................................................24
2.2. Mạng truyền thông Profinet ................................................................................41
2.2.1. Giới thiệu về Profinet ...................................................................................41
2.2.2. Khả năng truyền thông qua mạng Ethernet của PLC S7-1200 .....................42
2.2.3. Truyền thông dữ liệu CPU S7-1200 với Profinet .........................................42
2.3. Xây dựng thuật toán và chương trình điều khiển ................................................58
2.3.1. Phân tích công nghệ ......................................................................................58
2.3.2. Sơ đồ thuật toán ............................................................................................59
2.3.3. Chương trình điều khiển ...............................................................................61
2.4. Tổng kết chương .................................................................................................86
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG
.......................................................................................................................................87
3.1. Tổng quan về WinCC .........................................................................................87
3.2. Thiết kế giao diện điều khiển giám sát trên WinCC ...........................................91
Trang 3


Đồ Án Tốt Nghiệp
3.3. Một số hình ảnh khi chạy trên WinCC ...............................................................94
3.4. Tổng kết chương .................................................................................................95
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
.......................................................................................................................................96
4.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm..........................................................................96
4.1.1. Sơ đồ mô hình ...............................................................................................96
4.1.2. Chức năng các thiết bị trong mô hình ...........................................................96
4.1.3. Sơ đồ đấu dây ...............................................................................................97
4.1.4. Một số hình ảnh của mô hình thực tế ...........................................................99
4.2. Kết quả đạt được ...............................................................................................100
4.3. Phương hướng phát triển ...................................................................................100
4.4. Tổng kết chương ...............................................................................................100

Trang 4


Đồ Án Tốt Nghiệp

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1. Hình ảnh thực tế hệ thống đèn giao thông ....................................................10
Hình 1-2. Mô hình hệ thống đèn giao thông tại một ngã tư ..........................................12
Hình 1-3. Giản đồ thời gian của đèn tín hiệu giao thông hoạt động ở chế độ bình
thường ............................................................................................................................14
Hình 1-4. Mô hình hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông ..................................19
Hình 2-1. Hình ảnh các module mở rộng S7-1200 .......................................................26
Hình 2-2. Cấu tạo PLC S7-1200 – CPU 1214C ............................................................27
Hình 2-3. Sơ đồ đấu nối PLC S7-1200 ..........................................................................28
Hình 2-4. Mô hình tổng quát của một PLC ...................................................................29
Hình 2-5. Cấu trúc bộ nhớ của PLC ..............................................................................31
Hình 2-6. Hoạt động của chương trình trên PLC ..........................................................35
Hình 2-7. Lập trình cấu trúc với FB/FC ........................................................................37
Hình 2-8. Truyền thông trực tiếp giữa 2 thiết bị qua mạng Ethernet ............................43
Hình 2-9. Truyền thông nhiều thiết bị PLC thông qua mạng Profinet ..........................44
Hình 2-10. Truyền nhận dữ liệu giữa 2 PLC bằng 2 kết nối riêng biệt .........................45
Hình 2-11. Truyền nhận dữ liệu giữa 2 PLC bằng 1 kết nối duy nhất ..........................45
Hình 2-12. Truyền nhận dữ liệu giữa 2 PLC bằng một kết nối sử dụng lệnh TSEND,
TSEND_C, TRCV và TRCV_C ....................................................................................46
Hình 3-1. Tạo liên kết vật lý giữa PC-System_1 với PLC ............................................91
Hình 3-2. Tạo kết nối giữa PC-System_1 với PLC 1 ....................................................91
Hình 3-3. Tạo kết nối giữa PC-System_1 với PLC 2 ...................................................91
Hình 3-4. Giao diện cửa sổ thiết kế trên WinCC ..........................................................92
Hình 3-5. Thư viện thiết bị - Symbol library.................................................................92

Hình 3-6. Giao diện màn hình điều khiển giám sát hệ thống ........................................93
Hình 3-7. Giao diện bảng điều khiển của hệ thống .......................................................93
Hình 3-8. Giao diện cài đặt thông số hệ thống ..............................................................94
Hình 3-9. Giao diện mô hình chế độ đèn giao thông ban ngày .....................................94
Hình 3-10. Giao diện mô hình chế độ đèn giao thông ban đêm ....................................95
Hình 4-1. Sơ đồ mô hình điều khiển hệ thống đèn giao thông ......................................96
Hình 4-2. Mô hình đèn giao thông ở chế độ dừng ........................................................99
Trang 5


Đồ Án Tốt Nghiệp
Hình 4-3. Mô hình đèn giao thông hoạt động ở chế độ ban ngày .................................99
Hình 4-4. Mô hình đèn giao thông hoạt động ở chế độ ban đêm ................................100

Trang 6


Đồ Án Tốt Nghiệp

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1. Thông số và các đặc điểm kỹ thuật của CPU 1211C/ 1212C/ 1214C ..........25
Bảng 2-2. Bảng các đặc tính module mở rộng ..............................................................27
Bảng 2-3. Định dạng vùng nhớ trong khối dữ liệu DB với chế độ Standard ................35
Bảng 2-4. Kiểu dữ liệu của PLC S7 - 1200 ...................................................................38
Bảng 2-5. Protocol, khai báo vùng dữ liệu và lệnh truyền thông ..................................47
Bảng 2-6. Tham số của tập lệnh TSEND_C .................................................................49
Bảng 2-7. Tham số của tập lệnh TRCV_C ....................................................................51
Bảng 2-8. Tham số của tập lệnh TCON/TDISCON ......................................................52
Bảng 2-9. Tham số của tập lệnh TSEND ......................................................................53
Bảng 2-10. Tham số của tập lệnh TRCV_C ..................................................................54

Bảng 2-11. Tham số của tập lệnh GET .........................................................................56
Bảng 2-12. Tham số của tập lệnh PUT..........................................................................57
Bảng 2-12. Bảng địa chỉ chương trình PLC1 ................................................................61
Bảng 2-13. Bảng địa chỉ chương trình PLC2 ................................................................80
Bảng 3-1. Kiểu dữ liệu trên WinCC Professional .........................................................90

Trang 7


Đồ Án Tốt Nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền kinh tế là tốcđộ gia tăng
không ngừng về các loại phương tiện giao thông. Sự phát triển nhanh chóng của các
phương tiện giao thông đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thông xảy ra rất thường
xuyên.
Hiện nay, các tuyến đường chính trong đô thị ở nước ta đều sử dụng đèn tín hiệu
đểđiều khiển giao thông. Hệ thống này góp phần giải quyết vấn nạn ùn tắc giao thông
trên các tuyến đường và nâng cao ý thức chấp hành luật giao thông của người dân,
nâng cao mức độ văn minh của đô thị.
Tuy nhiên, đa phần các đèn đặt tại các nút giao làm việc độc lập mà không có sự
liên hệ lẫn nhau khi hoạt động. Việc tổchức điều khiển giao thông trong trường hợp
này tuy đơn giản nhưng sẽ làm cho dòng xe trên tuyến chính bị tổn thất thời gian rất
lớn do liên tục gặp phải đèn đỏ.Vấn đề đặt ra ở đây là làm sao để đảm bảo giao thông
thông suốt.
Việc giải quyết vấn đề nêu trên chính là nội dung yêu cầu của Đồ án tốt nghiệp với
tiêu đề: “ Thiết kế hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèn giao thông giữa hai
ngã tư sử dụng PLC S7-1200 và mạng truyền thông Profinet ”.
Nội dung chính của Đồ án là nghiên cứu hệ thốngđiều khiển phối hợp tín hiệu đèn
giao thông giữa hai ngã tư sử dụng PLC S7-1200 và liên kết các nút giao thông thông

qua mạng truyền thông Profinet.
Đồ án được trình bày thành 4 chương với nội dung cơ bản của từng chương được
tóm tắt như sau:
Chương 1 – Tổng quan về hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu giao thông:
Giới thiệu một cách tổng quan về đèn giao thông, mô hình hệ thống điều khiển phối
hợp tín hiệu đèn giao thông và những ưu điểm của hệ thống điều khiển phối hợp.
Chương 2 – Thiết kế phần mềm điều khiển cho hệ thống sử dụng PLC S71200: Giới thiệu về bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200, mạng truyền thông Profinet
và khả năng truyền thông qua mạng Ethernet của S7-1200. Xây dựng thuật toán và
chương trình điều khiển
Trang 8


Đồ Án Tốt Nghiệp
Chương 3 – Thiết kế giao diện điều khiển giám sát cho hệ thống: Tổng quan về
phần mềm điều khiển giám sát sử dụng trong đồ án và từng bước thiết kế giao diện
điều khiển giám sát cho hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèn giao thông giữa hai
ngã tư.
Chương 4 – Xây dựng mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả: Thiết kế sơ đồ
nguyên lý và mô hình thực nghiệm, đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết so với thực
tiễn.
Mặc dù đã cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu để hoàn thành nội dung yêu cầu đặt ra,
xong vì vốn kiến thức còn hạn hẹp và khả năng cũng như kinh nghiệm thực tế còn ít
nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy rất mong nhận được sự bổ xung góp ý
của các thầy cô và các bạn để Đồ án của nhóm em được hoàn thiện hơn. Chúng em xin
chân thành cảm ơn thầy giáo ThS. Hoàng Quốc Xuyên, các thầy cô trong bộ môn đã
tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này.

Trang 9

Đồ Án Tốt Nghiệp

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP
TÍN HIỆU GIAO THÔNG
1.1. Khái quát chung về hệ thốngđèn tín hiệu giao thông
1.1.1. Giới thiệu về đèn tín hiệu giao thông
Đèn giao thông (còn được gọi tên khác là đèn tín hiệu giao thông hay đèn điều
khiển giao thông) là một thiết bị được dùng để điều khiển giao thông ở những giao lộ
có lượng phương tiện lưu thông lớn (thường là ngã ba, ngã tư đông xe qua lại). Đây là
một thiết bị quan trọng không những an toàn cho các phương tiện mà còn giúp giảm
ùn tắc giao thông vào giờ cao điểm. Nó được lắp ở tâm giao lộ hoặc trên vỉa hè. Đèn
giao thông có thể hoạt động hoàn toàn tự động hoặc do cảnh sát giao thông điều khiển.

Hình 1-1. Hình ảnh thực tế hệ thống đèn giao thông

Trang 10


Đồ Án Tốt Nghiệp
Phân loại
 Đèn dành cho xe cộ
Loại 3 màu có 3 kiểu: xanh, vàng, đỏ. Ý nghĩa của màu đèn như sau:


Xanh: Khi gặp đèn xanh, tất cả các phương tiện được phép đi.



Vàng: Đèn vàng là dấu hiệu của sự chuyển đổi tín hiệu. Khi đèn vàng bật sau

đèn xanh nghĩa là chuẩn bị dừng, khi đó các phương tiện phải dừng lại trước vạch
dừng vì tiếp đó đèn đỏ sẽ sáng, trường hợp đã vượt quá vạch dừng thì phải nhanh
chóng cho xe rời khỏi giao lộ. Khi đèn vàng nhấp nháy ở tất cả các hướng nghĩa là
được đi nhưng người lái xe vẫn phải chú ý.


Đỏ: Khi gặp đèn đỏ, tất cả các phương tiện đang lưu thông phải dừng lại ở phía

trước vạch dừng (trừ trường hợp những xe rẽ phải và những xe được quyền ưu tiên đi
làm nhiệm vụ).
Ba loại đèn này lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, vàng ở giữa,
xanh ở dưới. Nếu lắp chiều ngang thì theo thứ tự đỏ ở bên trái, vàng ở giữa, xanh ở
bên phải hoặc ngược lại (đèn xanh luôn luôn hướng về phía vỉa hè hoặc dải phân cách,
đèn đỏ hướng xuống lòng đường).
 Đèn dành cho người đi bộ
Loại 2 màu có hai màu xanh, đỏ. Ý nghĩa của màu đèn như sau:


Đỏ: Đèn đỏ có nghĩa là "không được sang đường". Khi gặp đèn đỏ, người đi bộ

phải đứng yên trên vỉa hè. Khi đèn đỏ nhấp nháy báo hiệu chuẩn bị được sang đường.


Xanh: Đèn xanh có nghĩa là "được phép sang đường". Khi gặp đèn xanh, người

đi bộ được phép sang đường. Khi đèn xanh nhấp nháy, người đi bộ phải khẩn trương
vượt qua nốt quãng đường còn lại.
Loại đèn này lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, đèn xanh ở dưới.
Nếu lắp chiều ngang thì đèn đỏ ở bên trái, đèn xanh ở bên phải hoặc ngược lại. Loại
này đôi khi được lắp kèm với đèn đếm lùi để người đi bộ có khả năng ước lượng thời

gian sang đường là bao lâu .

Trang 11


Đồ Án Tốt Nghiệp
 Đèn đếm lùi
Đèn đếm lùi là loại đèn lắp đặt bổ sung bên cạnh đèn tín hiệu chính. Đèn đếm lùi
được hiển thị bằng một con số đếm ngược với những màu sắc khác nhau. Khi đèn đếm
đến "0" là lập tức chuyển màu đèn chính. Đèn đếm lùi có thể có số 0 trước hàng đơn vị
hoặc không có.
1.1.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của đèn tín hiệu giao thông
1.1.2.1. Cấu tạo

Hình 1-2. Mô hình hệ thống đèn giao thông tại một ngã tư
Hệ thống đèn giao thông hay là đèn điều khiển giao thông gồm hai cột đèn chính
được lắp đặt tại hai đầu của hai làn đường khác nhau ở ngã tư. Mỗi một cột đèn gồm 6
đèn đó là 3 đèn chính gồm: đèn xanh, đèn vàng và đèn đỏ. Ngoài ra có 2 đèn phụ dùng
điều khiển làn đường dành cho người đi bộ: đèn xanh người đi bộ và đèn đỏ người đi
bộ.

Trang 12


Đồ Án Tốt Nghiệp
Mỗi một hệ thống đèn giao thông có một hộp điều khiển từ đó sẽ phát ra tín hiệu
điều khiển đèn.
1.1.2.2. Nguyên tắc hoạt động
Đèn giao thông thường hoạt động cả ngày, đến khoảng 23 giờ (11 giờ đêm) thì
chuyển sang trạng thái nháy vàng hoặc ngừng hoạt động. Khi nháy vàng, xe cộ được đi

và phải chú ý người đi bộ được phép sang đường. Đến 5 giờ sáng ngày hôm sau đèn
lại hoạt động bình thường trở lại. Đôi khi ở một vài ngã tư đông đúc, đèn tín hiệu có
thể hoạt động 24/24 mà không nháy vàng. Khi hoạt động, đèn thường sáng màu xanh,
sau đó đến vàng và đỏ. Sau một thời gian hoạt động đèn lại chuyển sang màu xanh và
cứ thế lặp đi lặp lại.

Trang 13


Đồ Án Tốt Nghiệp
1.1.3. Quy trình điêu khiển đèn tín hiệu giao thông
Đèn giao thông phải bật từng màu riêng biệt, đèn này tắt mới được bật đèn kia lên,
không được bật nhiều màu cùng một lúc. Giữa 2 chiều đường, khi hướng đi 1 bật đèn
đỏ thì lập tức hướng đi 2 phải bật ngay đèn xanh và ngược lại. Khi chuyển từ xanh-đỏ
bắt buộc phải bật qua màu vàng, vì màu vàng đệm giữa 2 màu xanh và đỏ. Ở chế độ
ban đêm khi bật đèn vàng thì phải bật sáng ở cả 2 hướng đi 1 và 2. Dưới đây là giản đồ
thời gian của đèn giao thông tại một ngã tư:

Hình 1-3. Giản đồ thời gian của đèn tín hiệu giao thông hoạt động ở chế độ bình
thường
Như trên hình 1-3 ta có thể thấy rằng đèn giao thông hoạt động được chia ra làm 4
trạng thái và ở mỗi trạng thái luôn có hai đèn chính sáng tương ứng với hai hướng đi:


Trạng thái 1(0-15s): Đèn xanh ở hướng đi 1(đx1) và đèn đỏ ở hướng đi 2(đđ2)

sáng trong 15s.


Trạng thái 2(15-20s): Đèn vàng ở hướng đi 1(đv1) và đèn đỏ ở hướng đi 2(đđ2)

sáng trong 5s.

Trang 14


Đồ Án Tốt Nghiệp


Trạng thái 3(20-35s): Đèn đỏ ở hướng đi 1(đđ1) và đèn xanh ở hướng đi 2(đx2)

sáng trong 15s.


Trạng thái 4(35-40s): Đèn đỏ ở hướng đi 1(đđ1) và đèn vàng ở hướng đi 2(đv2)

sáng trong 5s.
Khi đèn đỏ ở hướng đi 1 sáng thì đồng thời đèn xanh người đi bộ ở hướng đi 1 và
đèn đỏ người đi bộ ở hướng đi 2 được bật sáng. Tương tự đối với hướng đi 2 cũng như
vậy.
1.1.4. Các phương pháp điều khiển tín hiệu đèn giao thông
1.1.4.1. Phương pháp điều khiển đèn giao thông bằng IC số
Với mạch dùng IC số có những ưu điểm sau:


Giá thành rẻ



Tổn hao công suất bé, mạch có thể dùng pin hoặc acquy

Tuy nhiên khi sử dụng các IC số rất khó khăn trong việc thay đổi thuật toán điều
khiển. Muốn thay đổi một thuật toán điều khiển nào đó thì buộc ta phải thay đổi phần
cứng và đòi hỏi người công nhân phải có nhiều hiểu biết về IC số. Do đó mỗi lần phải
lắp lại mạch dẫn đến tốn kém về kinh tế mà nhiều khi yêu cầu đó không thực hiện
được nhờ phương pháp này.
Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành kỹ thuật số đặc biệt là cho ra đời các họ vi xử
lý, vi điều khiển hay PLC đã giải quyết được những bế tắc và kinh tế hơn mà phương
pháp dùng IC số kết nối lại không thực hiện được.
1.1.4.2. Phương pháp điều khiển đèn giao thông bằng vi điều khiển
Phương pháp này có những ưu điểm sau:


Chi phí thấp do hiện nay vi điều khiển khá phổ biến và đa dạng: 8051, AVR,

PIC…


Do trong vi điều khiển có sử dụng các bộ timer, các hệ thống ngắt, câu lệnh đơn

giản nên việc lập trình đơn giản hơn.


Trong mạch có thể sử dụng ngay bộ nhớ trong đối với chương trình có quy mô

nhỏ rất tiện lợi mà mạch IC số không thực hiện được.

Trang 15

Đồ Án Tốt Nghiệp


Có thể giao tiếp truyền thông với máy tính giúp cho việc điều khiển trở nên linh

hoạt hơn.
Kết luận: Phương pháp điều khiển đền giao thông bằng vi điều khiển rất là khả quan,
đáp ứng được nhiều tiêu chí.
1.1.4.3. Phương pháp điều khiển đèn giao thông bằng bộ điều khiển PLC
Với phương pháp sử dụng PLC có những ưu diểm sau:


Lập trình đơn giản, độ tin cậy cao.



Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn

hình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị
nhập xuất.


Thời gian thực hiện một chu trình điều khiển rất nhanh.

Kết luận: Phương pháp điều khiển đèn giao thông bằng bộ điều khiển PLC này có
nhiều ưu điểm hơn vi xử lý tuy nhiên việc áp dụng trong hệ thống nhỏ là không thích
hợp bởi giá thành rất cao.
1.2. Hệ thống điều khiển giao thông phối hợp
Hệ thống điều khiển giao thông phối hợp bằng đen tín hiệu là một tiến bộ lớn so với
điều khiển từng nút giao thông riêng biệt. Hệ thống điều khiển giao thông phối hợp có

thể phân ra làm 2 loại sau:


Hệ thống điều khiển phối hợp đồng bộ.



Hệ thống điều khiển phối hợp liên hoàn (làn sóng xanh).

1.2.1. Hệ thống điều khiển phối hợp đồng bộ
Cùng một lúc thay đổi tín hiệu đèn tại tất cả các ngã tư trên một tuyến phố. Hệ
thống này chỉ có lợi trong các trường hợp khi khoảng cách giữa các ngã tư như nhau
và thời gian cần thiết để các xe chạy từ nút này đến nút kia với tốc độ không đổi, bằng
hoặc nhỏ hơn thời hạn của một chu kỳ đèn.
1.2.2. Hệ thống điều khiển phối hợp liên hoàn “Làn sóng xanh”
1.2.2.1. Giới thiệu phương pháp điều khiển đèn giao thông theo “Làn sóng xanh”
Đèn tín hiệu hoạt động theo tuyến thường ưu việt hơn hoạt động độc lập. Đèn tín
hiệu hoạt động theo tuyến đường là đèn tín hiệu ở các nút trên cùng một tuyến được

Trang 16


Đồ Án Tốt Nghiệp
sắp xếp đảm bảo xe chạy với tốc độ ổn định để khi tới nút tiếp theo xe không phải
dừng lại mà gặp ngay đèn xanh, như vậy có thể giảm được thời gian dừng xe, tiết kiệm
nhiên liệu, tăng khả năng thông xe và chạy xe được an toàn hơn, hạn chế hiện tượng
vượt xe.
Cách tổ chức giao thông như vậy gọi là tổ chức giao thông theo “làn xanh” hay “làn
sóng xanh”. Để tổ chức giao thông theo “làn sóng xanh” thì các loại xe phải có cùng
một tốc độ giới hạn, chạy tập trung và theo từng đợt có tính chất chu kỳ. Nếu dòng xe

là một dòng hỗn hợp các loại xe có tốc độ khác nhau thì sẽ có xe đến trước, xe đến
sau. Trong trường hợp này ưu tiên xem xét đến loại xe có số lượng lưu thông lớn nhất.
Giao thông theo làn sóng xanh thường được tổ chức ở những nút trên tuyến giao
thông chính của đô thị. Vì vậy, nếu nối tất cả các nút này về một trung tâm điều khiển
thì việc tổ chức theo làn sóng xanh sẽ dễ dàng hơn.
1.2.2.2. Ý nghĩa của tổ chức giao thông theo “Làn sóng xanh”
Chúng ta được biết trở ngại giao thông không những ảnh hưởng đến mỗi người
tham gia giao thông, gây lãng phí thời gian và tiền bạc. Ngoài ra còn làm tăng thêm
chi phí của xã hội cho các hoạt động giao thông. Vì thế có nhiều phương án được đưa
ra và một trong số đó là phương án điều khiển đèn giao thông theo “làn xanh” hay “làn
sóng xanh”.
Khái niệm “làn xanh” được đề cập đến ở đây chính là làm thế nào để phương tiện
tham gia giao thông có thể gặp hai đèn xanh liên tiếp ở hai ngã tư liền nhau. Muốn
được như vậy chúng ta phải thiết kế điều khiển tín hiệu giao thông, tập trung các nút
giao thông gần kề nhau, đồng thời thỏa mãn mục tiêu khi đèn xanh tại nút thứ nhất thì
khi di chuyển tới nút thứ 2 cũng sẽ gặp đèn xanh. Khi thực hiện điều khiển theo giải
pháp này thì cần đảm bảo rằng các trục đường không được ưu tiên phải thông suốt,
phải tính toán thời gian đặt cho mỗi hướng thật hợp lý nhằm đưa ra một giải pháp tối
ưu nhất khi số lượng xe tham gia giao thông tại thời điểm giờ cao điểm và không phải
giờ cao điểm.
Việc điều khiển đèn giao thông theo “làn xanh” sẽ giúp tăng tính năng lưu thông
cho các nút giao thông, điều khiển tiện lợi dễ dàng tiết kiệm chi phí, có tính mở rộng
cao, tối ưu hóa việc tham gia của các phương tiện và khả năng thông xe nhanh nhất
Trang 17


Đồ Án Tốt Nghiệp
trong điều kiện cơ sở vật chất đường và các công trình hỗ trợ giao thông hiện có. Nâng
cao ý thức tham gia giao thông của người tham gia vào những tuyến đường có nhiều
phương tiện lưu thông.

1.2.2.3. Phương pháp tính toán, đặt thời gian cho tín hiệu đèn giao thông
Gọi t là khoảng thời gian bằng thời gian phương tiện đi từ ngã tư này đến ngã tư
kia thì ta có:

t  L / Vt
Trong đó:
t: Thời gian chênh lệch giữa hai nút (s)
L: Khoảng cách giữa hai nút (m)
Vt: Vận tốc của xe lưu thông (m/s)
Dựa vào khoảng cách giữa các nút giao thông ta có thể tính thời gian trung bình của
một phương tiện di chuyển giữa các nút, hay còn gọi là t thời gian chênh lệch giữa
hai nút (s). Nếu coi vận tốc của phương tiện chủ yếu di chuyển trên dọc trục tuyến
đường là Vt = 6.94 m/v (25 km/h).
1.3. Mô hình hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèn giao thông
Trước đây, đa phần các loại tủ điều khiển đèn tín hiệu giao thông cũ được chế tạo
và sản xuất dựa trên thiết bị kỹ thuật số với các phần tử đóng cắt ra đèn sử dụng loại
có tiếp điểm như rơle, hoặc contactor nên tuổi thọ không cao và chỉ hoạt động độc lập
theo một chu kỳ thời gian cố định rất khó thay đổi. Do không có trung tâm điều khiển
nên không thích ứng được với các sự thay đổi lưu lượng phương tiện thực tế dẫn đến
chỉ thực hiện tốt chức năng an toàn cho người và phương tiện lưu thông qua nút, còn
chức năng giải toả ùn tắc giao thông hầu như không thực hiện được.
Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì hệ thống điều khiển tín hiệu
giao thông cũng trở nên hiện đại hơn rất là nhiều:
 Có khả năng lựa chọn theo khoảng thời gian trong ngày hoặc bằng tay.
 Chế độ ưu tiên, tùy theo nhu cầu giao thông thực tế.
 Hệ thống điều khiển có một giao diện vận hành tiện lợi dựa trên giao diện người
sử dụng bằng đồ họa.
Trang 18

Đồ Án Tốt Nghiệp
Dưới đây là sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèn giao
thông sử dụng bộ điều khiển PLC:

Hình 1-4. Mô hình hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông


Máy tính: Trung tâm điều phối, cung cấp giao diện người dùng trực quan cho

việc điều khiển giám sát hệ thông.


PLC (Programable Logic Controler): Là thiết bị điều khiển logic lập trình

được, PLC nhận thông tin từ các cảm biến và xử lý các thông tin đó theo một thuật
toán nhất định dồng thời truyền lại kết quả xuống cơ cấu chấp hành. PLC cũng cung
cấp thông tin đến trung tâm điều phối.


Ethernet switch: Mở rộng kết nối giữa các thiết bị PLC và máy tính thông qua

mạng Ethernet.
1.4. Tổng kết chương
Ở chương 1 nhóm thực hiện khái quát và phân tích về hệ thống đèn giao thông, quy
trình điều khiển đèn giao thông, các phương pháp điều khiển đèn giao thông và hệ
thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèn giao thông.

Trang 19

Đồ Án Tốt Nghiệp
Qua tìm hiểu và phân tích ta thấy rằng có nhiều phương pháp điều khiển tín hiệu
đền giao thông như:
 Phương pháp điều khiển đèn giao thông bằng IC số.
 Phương pháp điều khiển đèn giao thông bằng vi điều khiển.
 Phương điều khiển đèn giao thông sử dụng bộ điều khiển PLC.
Mỗi phương pháp trên đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Ngoài ra thông
qua chương 1 chúng ta biết được có hai hệ thống điều khiển giao thông phối hợp là: hệ
thống điều khiển phối hợp đồng bộ và hệ thống điều khiển phối hợp liên hoàn “làn
sóng xanh”. Qua đó giúp ta thấy được những lợi ích của việc áp dụng hệ thống điều
khiển phối hợp liên hoàn. Để hiểu rõ hơn về hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèn
giao thông sang chương 2 ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu những thiết bị cần thiết của hệ
thống điều khiển phối hợp tín hiệu giao thông đồng thời xây dựng chương trình điều
khiển cho hệ thống.

Trang 20


Đồ Án Tốt Nghiệp

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG
SỬ DỤNG PLC S7-1200
2.1. Giới thiệu về bộ điều khiển PLC S7-1200
2.1.1. Lịch sử phát triển của PLC
Vào khoảng năm 1968, các nhà sản xuất ô tô đã đưa ra các yêu cầu kỹ thuât đầu tiên
cho thiết bị điều khiển logic khả trình. Mục đích đầu tiên là thay thế cho các tủ điều
khiển cồng kềnh, tiêu thụ nhiều điện năng và thường xuyên phải thay thể các rơ le do
hỏng cuộn hút hay gẫy các thanh lò xo tiếp điểm. Mục đích thứ hai là tạo ra một thiều
bị điều khiển có tính linh hoạt trong việc thay đổi chương trình điều khiển. Các yêu
cầu kỹ thuật này chính là cơ sở của các máy tính công nghiệp, mà ưu điểm chính của

nó là sự lập trình dễ dàng bởi các kỹ thuật viên và các kỹ sư sản xuất. Với thiết bị điều
khiển khả trình, người ta có thể giảm thời gian dừng trong sản xuất, mở rộng khả năng
hoàn thiện hệ thống sản xuất và thích ứng với sự thay đổi trong sản xuất. Một số nhà
sản xuất thiết bị điều khiển trên cơ sở máy tính đã sản xuất ra các thiết bị điều khiển
khả trình hay còn gọi là PLC.
Những PLC đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp ô tô vào năm 1969 đã đem
lại sự ưu việt hơn hẳn các hệ thống điều khiển trên cơ sở rơ le. Các thiết bị này được
lập trình dễ dàng, không chiếm nhiều không gian trong các xưởng sản xuất và có độ
tin cậy cao hơn các hệ thống rơ le. Các ứng dụng của PLC đã nhanh chóng rộng mở ra
tất cả các ngành công nghiệp sản xuất khác.
Hai đặc điểm chính dẫn đến sự thành công của PLC đó chính là độ tin cậy cao và
khả năng lập trình dễ dàng. Độ tin cậy của PLC được đảm bảo bởi các mạch bán dẫn
được thiết kế thích ứng với môi trường công nghiệp. Các mạch vào ra được thiết kế
đảm bảo khả năng chống nhiễu, chịu được ẩm, chịu được dầu, bụi và nhiệt độ cao. Các
ngôn ngữ lập trình đầu tiên của PLC tương tự như sơ đồ thang trong các hệ thống điều
khiển logic, nên các kỹ sư dễ dàng thích nghi với việc lập trình mà không cần phải qua
một quá trình đào tạo nào. Một số các ứng dụng của máy tính trong sản xuất trong thời
gian đầu bị thất bại, cũng chính vì việc học sử dụng các phần mềm máy tính không dễ
dàng ngay cả với các kỹ sư.

Trang 21


Đồ Án Tốt Nghiệp
Khi các vi xử lý được đưa vào sử dụng trong những năm 1974 – 1975, các khả năng
cơ bản của PLC được mở rộng và hoàn thiện hơn. Các PLC có trang bị vi xử lý có khả
năng thực hiện các tính toán và xử lý số liệu phức tạp, điều này làm tăng khả năng ứng
dụng của PLC cho các hệ thống điều khiển phức tạp. Các PLC không chỉ dừng lại ở
chổ là các thiết bị điều khiển logic, mà nó còn có khả năng thay thế cả các thiết bị điều
khiển tương tự. Vào cuối những năm 70 việc truyền dữ liệu đã trở nên dễ dàng nhờ sự

phát triển nhảy vọt của công nghiệp điện tử. Các PLC có thể điều khiển các thiết bị
cách xa hàng vài trăm mét. Các PLC có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và việc điều
khiển quá trình sản xuất trở nên dễ dàng hơn.
Thiết bị điều khiển khả lập trình PLC chính là các máy tính công nghiệp dùng cho
mục đích điều khiển máy, điều khiển các ứng dụng công nghiệp thay thế cho các thiết
bị “cứng” như các rơ le, cuộn hút và các tiếp điểm.
Ngày nay chúng ta có thể thấy PLC trong hàng nghìn ứng dụng công nghiệp. Chúng
được sử dụng trong công nghiệp hoá chất, công nghiệp chế biến dầu, công nghiệp thực
phẩm, công nghiệp cơ khí, công nghiệp xử lý nước và chất thải, công nghiệp dược
phẩm, công nghiệp dệt may, nhà máy điện hạt nhân, trong công nghiệp khai khoáng,
trong giao thông vận tải, trong quân sự, trong các hệ thống đảm bảo an toàn, trong các
hệ thống vận chuyển tự động, điều khiển rô bốt, điều khiển máy công cụ CNC... Các
PLC có thể được kêt nối với các máy tính để truyền, thu thập và lưu trữ số liệu bao
gồm các quá trình điều khiển, đảm bảo chất lượng, chẩn đoán sự cố trực tuyến, thay
đổi chương trình điều khiển từ xa. Ngoài ra PLC còn được dùng trong hệ thống quản
lý năng lượng nhằm giảm giá thành và cải thiện môi trường điều khiển trong các các
hệ thống phục vụ sản xuất, trong các dịch vụ và các văn phòng công sở.
Sự ra đời của máy tính cá nhân PC trong những năm 80 đã nâng cao đáng kể tính
năng và khả năng sử dụng của PLC trong điều khiển máy và quá trình sản xuất. Các
PC giá thành không cao có thể sử dụng như các thiêt bị lập trình và là giao diện giữa
người vận hành và hệ thống điêu khiển. Nhờ sự phát triển của các phần mềm đồ hoạ
cho máy tính cá nhân PC, các PLC cũng được trang bị các giao diện đồ hoạ để có thể
mô phỏng hoặc hiện thị các hoạt động của từng bộ phận trong hệ thống điêu khiển.
Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các máy CNC, vì nó tạo cho ta khả

Trang 22


Đồ Án Tốt Nghiệp
năng mô phỏng trước quá trình gia công, nhằm tránh các sự cố do lập trình sai. Máy

tính cá nhân PC và PLC đều được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển sản
xuất và cả trong các hệ thống dịch vụ.
PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới. Về nguyên lý hoạt động,
các PLC này có tính năng tương tự giống nhau, nhưng về lập trình sử dụng thì chúng
hoàn toàn khác nhau do thiết kế khác nhau của mỗi nhà sản xuất. PLC khác với các
máy tính là không có ngôn ngữ lập trình chung và không có hệ điều hành. Khi được
bật lên thì PLC chỉ chạy chương trình điều khiển ghi trong bộ nhớ của nó, chứ không
thể chạy được hoạt động nào khác. Một số hãng sản xuất PLC lớn có tên tuổi như:
Siemens, Toshiba, Mishubisi, Omron, Allan Bradley, Rocwell, Fanuc là các hãng
chiếm phần lớn thị phần PLC thế giới. Các PLC của các hãng này được ứng dụng rộng
rãi trong công nghiệp sử dụng công nghệ tự động hoá.
Các thiết bị điều khiển PLC tạo thêm sức mạnh, tốc độ và tính linh hoạt cho các hệ
thống công nghiệp. Bằng sự thay thế các phần tử cơ điện bằng PLC, quá trình điều
khiển trở nên nhanh hơn, rẻ hơn và quan trọng nhất là hiệu quả hơn. PLC là sự lựa
chọn tốt hơn các hệ thống rơ le hay máy tính tiêu chuẩn do một số lý do sau:


Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một máy tính tiêu chuẩn hay

tủ điều khiển rơ le để thực hiện cùng một chức năng.


Tiết kiệm năng lượng: PLC tiêu thụ năng lượng ở mức rất thấp, ít hơn cả các

máy tính thông thường.


Giá thành thấp : Một PLC giá tương đương cỡ 5 đến 10 rơ le, nhưng nó có khả

năng thay thế hàng trăm rơ le.



Khả năng thích ứng với môi trường công nghiệp: Các vỏ của PLC được làm từ

các vật liệu cứng, có khả năng chống chịu được bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, rung động và
nhiễu. Các máy tính tiêu chuẩn không có khả năng này.


Giao diện tực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có một hệ thống phức tạp để có

thể giao tiếp với môi trường công nghiệp. Trong khi đó các PLC có thể giao diện trực
tiếp nhờ các mô đun vào ra I/O.


Lập trình dễ dàng: Phần lớn các PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình là sơ đồ

thang, tương tự như sơ đồ đấu của các hệ thống điều khiển rơ le thông thường.

Trang 23


Đồ Án Tốt Nghiệp


Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của PLC có thể thay đổi nhanh

chóng và dễ dàng bằng cách nạp lại chương trình điều khiển mới vào PLC bằng bộ lập
trình, bằng thẻ nhớ, bằng truyền tải qua mạng.
2.1.2. Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200
PLC S7-1200 là bộ điều khiển logic khả trình của hãng Siemens - Đức, được ra đời

vào năm 2009. Sự ra đời của PLC S7-1200 đã dần thay thế cho dòng PLC cũ là S7200. So với S7-200 thì PLC S7-1200 có nhiều tính năng nổi trội hơn, PLC S7-1200
mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu
cầu về điều khiển tự động. Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập
lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc
điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau.
Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra
trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ. Sau khi
người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu để
giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng. CPU giám sát các ngõ vào và
làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt
động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyền
thông với các thiết bị thông minh khác. Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy
xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển:


Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình

việc truy xuất đến các chức năng của CPU.


Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm

trong một khối xác định.
PLC S7-1200 bao gồm 4 dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C và 1215C. Các module
CPU khác nhau về hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ chương trình…và
chúng đều được tích hợp sẵn một cổng Profinet hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.

Trang 24

Đồ Án Tốt Nghiệp
Bảng 2-1. Thông số và các đặc điểm kỹ thuật của CPU 1211C/ 1212C/ 1214C
Chức năng
Kích thước vật lý(mm)

CPU 1211C

CPU 1212C

CPU 1214C

90 x 100 x 75

110 x 100 x75

 Bộ nhớ làm việc

 25 kB

 50 kB

 Bộ nhớ nạp

 1 MB

 2 MB

 Bộ nhớ giữ lại

 2 kB

 2 kB

Bộ nhớ người dùng:

I/O tích hợp cục bộ
 Kiểu số

 6 ngõ vào / 4
ngõ ra

 8 ngõ vào / 6
ngõ ra

 14 ngõ vào /
10 ngõ ra

 Kiểu tương tự

 2 ngõ ra

 2 ngõ ra

 2 ngõ ra

Kích thước ảnh tiến trình

1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

Bộ nhớ bit (M)

4096 byte

Độ mở rộng các module tín
hiệu

Không

Bảng tín hiệu

1

Các module truyền thông

3 (mở rộng về bên trái)

Các bộ đếm tốc độ cao

3

4

6

 Đơn pha

 3 tại 100kHz

 3 tại 100kHz

 3 tại 100kHz

 Vuông pha

 3 tại 80kHz

8192 byte
2

8

1 tại 30kHz

1 tại 30kHz

 3 tại 80kHz

 3 tại 80kHz

1 tại 20kHz

1 tại 20kHz

Ngõ xung ra

2

Thẻ nhớ

Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu giữ đồng hồ
thời gian thực

Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 40oC

PROFINET

Một cổng truyền thông Ethernet

Tốc độ thực thi tính toán
thực

18 μs/lệnh

Tốc độ thực thi Boolean

0.1 μs/lệnh

Trang 25