[Khóa luận]thiết kế và xây dựng hệ thống tín hiệu đèn giao thông nút giao thông lê hồng phong và nguyễn bỉnh khiêm dùng PLC

MỞ ĐẦU
Ở bất kỳ một quốc gia nào trên thế giới, giao thông vận tải cũng luôn là
yếu tố quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế quốc dân, đặc biệt với
những nước phát triển và đang phát triển thì vấn đề này càng phải đặt lên
hàng đầu.
Điều khiển giao thơng tại các nút giao nhau bằng đèn tín hiệu từ lâu đã là
một giải pháp hữu hiệu nên được áp dụng rộng rãi và càng trở thành nhu cầu
cần thiết hầu như tại bất cứ nút giao thông quan trọng nào.
Nhiều số liệu điều tra cho thấy mỗi ngày ùn tắc giao thông làm thiệt hại
hàng tỉ đồng, gây lãng phí thời gian do phải chờ đợi. Hệ thống điều khiển giao
thơng bằng tín hiệu khơng chỉ hạn chế được hiện tượng tắc nghẽn giao thông,
đảm bảo cho người tham gia giao thông đi lại dễ dàng, tiện lợi, an tồn mà
cịn kiểm sốt được nạn đua xe trái phép, giảm thiểu tai nạn giao thơng, ... góp
phần ổn định Chính trị, ổn định Xã hội.
Ở Việt Nam trước đây, hình thức giao thơng chủ yếu là giao thông
đường sông: dựa vào hơn 3000 km bờ biển và hai con sơng lớn – sơng Hồng
ở phía Bắc, sơng Mê Kơng ở phía Nam. Ngày nay, nhờ có đầu tư mạnh vào
kết cấu hạ tầng, vào mạng lưới đường quốc lộ nên giao thông đường bộ đã và
đang phát triển nhanh chóng. Đặc biệt trong 5 năm gần đây, sự nghiệp cơng
nghiệp hóa, hiện đại hóa đã và đang làm thay đổi cấu trúc mạng lưới đường,
số lượng và chất lượng mạng lưới giao thông đường bộ, đường tỉnh lộ đang
được hoàn thiện, đường nội thành cũng được nâng cấp.
Trước sự phát triển của đất nước, Chính phủ Việt Nam và Ủy ban nhân
dân các cấp luôn ưu tiên cho các giải pháp về hệ thống giao thông đường bộ
và giải quyết các vấn đề an tồn giao thơng.
Hải Phịng là đơ thị loại một cấp quốc gia, là khu trung tâm cơng nghiệp
chính của cả nước. Với diện tích 1515Km 2 và xấp xỉ 1,8 triệu dân, trong đó
1


diện tích nội thành là 21Km 2 và dân số 500 nghìn người, Hải Phịng đang phát

triển mạnh mẽ nhờ có 4 lĩnh vực kinh tế là:
-Cảng biển
-Các khu du lịch
-Khu công nghiệp
-Nguồn nguyên vật liệu sản xuất vật liệu xây dựng.
Hải Phòng được biết đến như một thành phố có quy hoạch với lối kiến
trúc đẹp, một thành phố thanh lịch, mến khách.
Hải Phịng có hệ thống giao thơng đường bộ linh hoạt nhưng không chắc
chắn. Do trung tâm thành phố và cảng nằm sát nhau nên Hải Phòng là nơi tập
trung nhiều phương tiện giao thông vận tải lớn; những phương tiện này hoạt
động trong thành phố đã gây hư ỏng trên mặt, nền đường, nền cầu, gây ô
nhiễm môi trường bởi tiếng ồn và khói thải. Vào giờ cao điểm, các phương
tiện giao thông vận tải lớn làm giảm cường độ lưu thông, làm tắc nghẽn, cản
trở các phương tiện khác di chuyển trên dường. Trong nội đơ Hải Phịng, cịn
tồn tại hai tuyến giao thơng đường sắt: một chỉ phục vụ thương mại và công
nghiệp, một dành cho giao thông công cộng nối với Hà Nội. Đây là nhược
điểm lớn nhất của thành phố, cần có giải pháp đối với những đoạn qua nơi
đông dân.
Sự bùng nổ dân cư nội thành cùng sự gia tăng nhanh chóng của các loại
phương tiện giao thơng cũng làm ảnh hưởng không nhỏ tới giao thông đô thị.
Nếu vào năm 1998, mật độ giao thơng khơng có số liệu ( tức là chưa phải
thống kê ) thì ngày nay mật độ giao thông tại một giao cắt trong nội thành Hải
Phịng đã có thể tương đương với một giao cắt trong nội thành Hà Nội,
khoảng 400 phương tiện giao thông trong một phút tại một giao cắt.
Kết cấu hạ tầng giao thông của thành phố được đầu tư qui mô, với những
đường bao hình elíp có tổng chiều dài trên 30 km. Giao thông vận tải - vận
2


chuyển hàng hóa, cũng như các phương tiện giao thơng vận tải lớn được đưa

ra hoạt động trên các tuyến đường bao vành đai. Điều này đã được giải tỏa
phần nào ách tắc giao thông và giảm thiểu sự ảnh hưởng đến kết cấu đường
trong nội thành Hải Phòng. Đây là sự đầu tư đúng đắn của thành phố - rất phù
hợp cho sự phát triển trong mai sau.
Có thể quan sát trên bản đồ thành phố Hải Phòng để dễ dàng nhận thấy
được: cụm ngã tư Lê Hồng Phong,Nguyễn Bỉnh Khiêm,cầu vượt Lạch Tray là
trục đường chính đi qua trung tâm thành phố. Do vậy nút giao thông trọng
điểm trên tuyến đường huyết mạch này cần có một hệ thống điều khiển giao
thơng hiện đại, tiện nghi.
Tóm lại, hệ thống đèn tín hiệu giao thơng đang có hiện nay chưa đáp ứng
hết được nhu cầu đi lại của người dân trong thành phố, chưa thỏa mãn được
yêu cầu ngày cao, ngày càng phức tạp của một thành phố đô thị loại 1 cấp
quốc gia, chưa giải phóng nhanh lịng đường, vẫn cịn tình trạng tắc nghẽn
giao thơng mỗi khi tan tầm,... Hệ thống chưa theo kịp xu thế chung của Thế
giới hiện nay, cũng như khơng cịn phù hợp về mỹ quan đô thị, cần phải được
phải thay thế.
Xây dựng hệ thống giao thông hiện đại đáp ứng được yêu cầu thực tế,
phù hợp với xu thế thời đại là vấn đề bức xúc. Trong phạm vi đồ án tôi được
giao nhiệm vụ: “Thiết kế và xây dựng hệ thống tín hiệu đèn giao thơng
nút giao thơng Lê Hồng Phong & Nguyễn Bỉnh Khiêm dùng PLC” nhằm
mục đích góp phần cải thiện tình trạng giao thơng trên những trục đường quan
trọng của Thành phố.
Tuy điều kiện thời gian có hạn, nhưng nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình của các
thày cơ giáo trường Đại Học Dân Lập Hải Phịng, đặc biệt là sự chỉ bảo tận
tâm của thày giáo hướng dẫn - Thạc sỹ Đào Bá Bình, tơi đã cố gắng để có thể
áp dụng dùng trong thực tiễn.

3

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
Đối với một cơng trình tín hiệu giao thơng ta có thể sử dụng nhiều
phương pháp, thiết bị và linh kiện để thiết kế và xây dựng. Nhưng trong phạm
vi đồ án ta chỉ sử dụng 2 thiết bị chính cơ bản là đèn LED và PLC S7-200.
1.1. GIỚI THIỆU ĐÈN LED
1.1.1. Đèn Led là gì
LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là
các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại. Cũng giống như
điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn
loại n
1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của đèn LED
Cách đây 12 năm, đèn LED quả là không tưởng cho tới khi khoa học
cơng nghệ xuất hiện. Nó đã giải quyết mọi khó khăn cịn vướng mắc. Kể từ
đó, đèn LED đã tạo nên cuộc cách mạng nhanh chóng. Chúng hiện đang được
lắp đặt trong rất nhiều thiết bị, bao gồm cả hệ thống chiếu sáng của bể bơi,
đèn đọc v.v
Đèn LED đã có mặt từ những thập niên 60, nhưng mà hầu hết chỉ dùng
hiển thị thời gian của đồng hồ báo thức hay dung lượng pin của máy ghi hình.
Một thời gian dài, đèn LED đã không được dùng làm nguồn sáng bởi vì
chúng chỉ cho ánh sáng đỏ, xanh lá cây và vàng mà không cho ánh sáng trắng.
Đến năm 1993, cơng ty hố chất Nichia của Nhật Bản cho ra đời loại đèn
LED xanh dương, là sự kết hợp giữa ánh sáng đỏ và xanh lá cây để cho ra ánh
sáng trắng. Sự kiện này đã mở ra một lĩnh vực mới về công nghệ LED.
Đèn LED dựa trên công nghệ bán dẫn ngày càng tăng về độ chiếu sáng,
hiệu suất và tuổi thọ, giống như bộ xử lý của máy tính, phát triển ngày càng
nhanh và giá thành ngày càng giảm theo thời gian.
4

1.1.3. Ứng dụng của đèn LED
Với các ưu điểm: ánh sáng lớn, độ bền cao và ít tiêu tốn điện năng, Led
được ứng dụng rộng rãi trên các lĩnh vực: bảng quảng cáo ngoài trời , bảng
quảng báo, đồng hồ cỡ lớn đặt tại các biển quảng cáo tấm lớn trên đường cao
tốc, hệ thống đèn giao thông, biển chỉ dẫn, và các sản phẩm khác như bảng
chạy chữ điện tử, bảng hệ thống giờ, Bảng tỷ giá, bảng chứng khoán, hệ thống
xếp hàng tự động… Một số bảng hiệu của thương hiệu nổi tiếng đã được ứng
dụng sản phẩm Led: Sacombank, Sơn Collection, bảng hiệu Mì Hàn Quốc,
Happy Cook , Sam Sung…
Việc sử dụng rộng rãi thiết bị chiếu sáng bằng loại đèn này có thể giúp
chúng ta tiết kiệm đuợc nhiều năng lượng.
Hiện tại đèn LED trắng có tuổi thọ tới 50.000 giờ sử dụng, gấp 50 lần
so với bóng đèn 60W. Điều này có nghĩa là chúng có thể thắp sáng liên tục
trong vịng 6 năm.
Điểm hấp dẫn ở loại đèn này là nó có thể sử dụng để lắp đặt ở những
nơi khó thay lắp chẳng hạn như bên ngoài toà nhà, bể bơi v.v.. với nhiều mầu
sắc phong phú như: đỏ, xanh lá, xanh da trời, mầu hổ phách... thay vì phải sử
dụng bóng đèn thông thường.
Ở Việt Nam, một trong những đơn vị đi đầu việc ứng dụng đèn LED
tiết kiệm năng lượng để phục vụ cho quảng cáo, chiếu sáng đô thị là Cơng ty
cổ phần tập đồn quốc tế Kim Ðỉnh. Ðiển hình là việc lắp đặt hệ thống đèn
LED tại cầu sông Hàn (27-3-2009) và Thuận Phước (TP Ðà Nẵng ).
Trong đêm nhìn cầu Thuận Phước được chiếu sáng, thơng qua hiệu ứng
ánh sáng của đèn LED theo một chương trình phần mềm viết sẵn, có cảm giác

5


như đang xem một màn phun nước với đủ loại sắc mầu. Ðây là công nghệ lần
đầu được ứng dụng trong chiếu sáng cơng trình cơng cộng ở Việt Nam.

Đèn LED thay thế đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang bởi những ưu điểm
như tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, kích cỡ nhỏ, nhiệt năng sinh ra trong
q trình hoạt động không đáng kể, hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ
thấp, không sử dụng thủy ngân giống như các loại bóng huỳnh quang thơng
thường.

Ánh sáng phát của đèn LED có màu sắc phụ thuộc vào chất liệu làm ra
nó. Ví dụ như đèn LED màu đỏ được làm từ các thành phần hóa học như
nhơm,
gali, a-xen. Đèn LED màu trắng được tạo ra bằng cách bao phủ một lớp
photphorơ màu vàng bên ngoài đèn LED xanh da trời.
Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động của đèn LED cũng thấp
hơn rất nhiều (gần như không đáng kể) so với các loại bóng đèn thơng thường

6


hiện nay, đó cũng chính là một trong những lý do khiến đèn LED tiết kiệm
điện năng hơn các loại bóng đèn khác.
Cũng giống như tất cả các loại bóng đèn khác, hiệu năng của đèn LED
được đo bằng công thức lumen/Watt. Loại đèn LED ánh sáng trắng ấm có
hiệu năng vào khoảng 25-44 lumens/watt trong khi đó loại LED ánh sáng
trắng lạnh có hiệu năng tốt hơn 47-64 lumens/watt, cịn loại bóng đèn huỳnh
quang thơng thường được sử dụng trong các gia đình có hiệu năng thấp hơn
với 10-18 lumens/watt.
Đèn LED không sử dụng nguồn điện xoay chiều 220V thơng thường
mà chỉ sử dụng dịng điện một chiều với hiệu điện thế nhỏ nên thường có bộ
lọc và bộ điều khiển đi kèm.
Bên cạnh đó đèn LED cịn có những ưu điểm khác như khi hoạt động
không sinh ra các tia hồng ngoại hay tia cực tím. Những ưu điểm của loại đèn

này là không thể phủ nhận, những thiết kế với nhiều phong cách khác nhau đã và
đang biến đèn LED trở thành một thiết bị chiếu sáng đáng được lựa chọn cho
không gian sống của mỗi gia đình và các cơng trình xây dựng.
1.1.4. Tính năng và đặc điểm của đèn LED
+Tính năng và đặc điểm
Tiết kiệm điện: Tiết kiệm mức thấp nhất, hiệu suất chiếu sáng cao hơn
nữa tiết kiệm khoảng 75% điện so với đèn chiếu sáng thông thường.
Bảo vệ màu xanh môi trường: Không tia cực tím, khơng bức xạ tia
hồng ngoại, phát nhiệt của ánh sánh thấp, không chứa thuỷ ngân và những
chất có hại…, khơng gây ơ nhiễm mơi trường.

7


Tuổi thọ cực lâu: Vượt qua 50,000 giờ (tương đương với 6 năm thắp sáng
liên tục)
Hiệu quả ánh sáng cao.
Nhiệt độ làm việc thấp: Nhiệt độ làm việc của bóng đèn LED cao hơn
nhiệt độ môi trường khoảng 5 – 8 0C, thấp hơn so với đèn huỳnh quang thông
thường là khoảng 13 – 250C.
Độ an tồn: Khơng nhấp nháy, hiển thị màu sắc tốt, có hiệu quả trong
việc làm giảm mệt mỏi khi nhìn và bảo vệ mắt.

1.2. GIỚI THIỆU VỀ PLC
8


1.2.1. PLC là gì.

PLC (viết tắt của Programmable Logic Controller : Bộ điều khiển

logic lập trình được ) là một thiết bị được phát minh để thay thế cho các dãy
mạch rơle liên tiếp để điều khiển máy móc. PLC làm việc bằng cách quan sát
các đầu vào của nó và tùy theo trạng thái của chúng ,sẽ đóng mở đầu ra.
Người sử dụng nhập vào chương trình ,thường là thông qua phần mềm để tạo
ra các kết quả mong muốn.
PLC được sử dụng trong rất nhiểu ứng dụng thực tế. Nếu có một ngành
cơng nghiệp nào đang tồn tại mà muốn có cơ hội thành cơng thì ở đó có mặt
PLC. Nếu bạn đang ở trong những ngành cơng nghiệp như cơ khí,đóng gói,
chế tạo vật liệu,lắp ráp tự động và rất nhiều ngành cơng nghiệp khác bạn có
thể đã sử dụng PLC. Nếu bạn chưa từng sử dụng ,bạn đang lãng phí thời gian
và tiền bạc.Hầu hết mọi loại ứng dụng đều cần một vài loại điều khiển bằng
điện và cần thiết phải có PLC.
Lấy ví dụ, hãy thử giả thiết rằng, chúng ta có 1 cái cơng tắc và muốn
mở 1 cuộn dây trong 5s và sau đó tắt nó mà khơng cần quan tâm tới cơng tắc
đó làm việc như thế nào. Chúng ta có thể thực hiện bằng mạch thời gian đơn
giản ở bên ngoài. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu quá trình này là cho 10 công
9


tắc và cuộn dây. Chúng ta sẽ cần 10 mạch thời gian bên ngồi. Nếu q trình
cần đếm sau bao nhiêu lâu , các công tắc riêng biệt sẽ được mở. Chúng ta sẽ
cần rất nhiều mạch đếm bên ngoài.
Bạn có thể thấy rằng q trình xử lý càng lớn thì chúng ta càng cần
thiết phải có một PLC. Chúng ta có thể lập trình cho PLC chú ý đến đầu vào
và mở cuộn dây trong thời gian xác định.
2.1.2. Lịch sử ra đời của PLC
PLC được giới thiệu lần đầu vào cuối những năm 1960. Lý do chính để
thiết kế những thiết bị như vậy là để giảm bớt chi phí lớn khi thay thế những
rơle phức tạp dựa trên hệ thống điều khiển cơ khí. Bedford Associates
(Bedford, MA) đã chế tạo thiết bị Modular Digital Controller (MODICON)

cho những nhà sản xuất ơtơ lớn của Mỹ. Cũng lúc đó, một vài cơng ty đưa ra
mơ hình dựa trên máy tính ,một trong số đó dựa trên PDP-8. MODICON 084
là PLC đầu tiên trên thế giới được đưa ra làm sản phẩm thương mại.
Khi yêu cầu sản phẩm thay đổi, hệ thống điều khiển cũng thay đổi
theo.Điều này trở nên rất đắt đỏ khi sự thay đổi là thường xuyên.Vì rơle là
thiết bị cơ khí và chúng cũng có một thời gian sống giới hạn nên sẽ cần một
sự bảo dưỡng nghiêm ngặt đúng hạn.Sự sửa chữa sẽ là rất buồn tẻ nếu có
nhiều role như vậy.Bây giờ ta có một bức tranh về một bảng điều khiển máy
móc bao gồm rất nhiều , có thể hàng trăm , hàng nghìn role. Kích cỡ lớn như
vậy có thể làm chúng ta e ngại. Thật phức tạp khi nối dây cho nhiều thiết bị
riêng lẻ như vậy. Những rơle này có thể nối với nhau theo các cách để tạo
đầu ra mong muốn.
Những “bộ điều khiển mới “ cũng có thể dễ dàng lập trình bởi đội ngũ
kỹ sư của nhà máy. Chu trình sống cũng dài hơn và lập trình thay đổi cũng dễ
dàng hơn. Chúng có thể tồn taị trong những mơi trường cơng nghiệp khắc
nghiệt. Có rất nhiều điều để hỏi. Những câu trả lời là để sử dụng kỹ thuật lập
10


trình mà hầu hết mọi người đã quen thuộc và thay thế những bộ phận cơ khí
bằng những bộ phận cố định.
Khoảng giữa những năm 70 sự thống trị của PLC là dẫn đến kết quả là
máy ký hiệu và mảng bit dựa trên CPU rất phát triển. Lọai AMD 2901 và
2903 khá phổ biến trong MODICO và A-B PLC. Khi cơng nghệ vi điện tử
càng phổ biến, thì càng có nhiều PLC đựoc thiết kế dựa trên chúng. Thậm chí
đến ngày hơm nay vẫn cịn loại dựa trên 2903 Modicon (như PLC3 của A-B)
đã được xây dựng thành loại PLC nhanh hơn 984A/B/ X, loại dựa trên 2901.
Khả năng giao tiếp bắt đầu được mở rộng vào năm 1973. Đó là hệ
thống Modbus của Modicon. PLC bây giờ có thể ‘nói chuyện ới PLC khác và
chúng có thể ở xa máy mà chúng điều khiển. Chúng có thể gửi và nhận nhiều

loại điện áp khác nhau , điều đó cho phép chúng thâm nhập vào thế giới tương
tự. Không may, sự thiếu chuẩn hóa trong tình trạng cơng nghệ thay đổi
thường xuyên đã làm cho giao tiếp của PLC trở nên rất khó khăn khi khơng
tương thích về giao tiếp và mạng vật lý. Tuy nhiên đó vẫn là một thập kỷ nổi
bật của PLC.
Vào những năm 80.đã có những cố gắng về chuẩn hóa giao tiếp như
giao thức tự động sản xuất (MAP) của General Motor. Đó cũng là khoảng
thời gian mà kích cỡ của PLC được giảm đi, và phần mềm của PLC đã có thể
lập trình được qua những ký hiệu lập trình trên PC thay vì nhũng thiết bị lập
trình dành riêng hay lập trình bằng tay. Ngày nay PLC nhỏ nhất thế giới cỡ
chỉ bằng 1 rơle điều khiển.
Vào những năm 90 đã chứng kiến sự giảm dần của việc giới thiệu
những giao thức mới và sự hiện đại hóa lớp vật lý của một số giao thức phổ
biến từ những năm 80.Chuẩn mới nhất (IEC-1131-3) đã cố gắng kết hợp
những ngôn ngữ lập trình PLC vào 1 chuẩn quốc tế. Chúng ta bây giờ có thể
lập trình cho PLC bằng những sơ đồ khối chức năng, danh sách nhũng câu
lệnh, C và ngôn ngữ có cấu trúc, tất cả cùng 1 lúc. PC bây giờ đã dùng để
11


thay thế cho PLC trong một vài ứng dụng. Ngay cả những công ty đầu tiên
được trang bị MODICON 084 bây giờ cũng chuyển sang hệ thống điều khiển
dựa trên PC.

CHƯƠNG II:
NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐÈN GIAO THÔNG
12


Hình 2.1: Mơ hình đèn giao thơng ngã tư

2.1.CẤU TẠO
- Hệ thống đèn giao thông hay là đèn điều khiển giao thơng 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 5 đèn đó là 3 đèn chính gồm: đèn xanh, đèn đỏ và đèn đỏ; 2 đèn
phụ là 2 đèn dùng điều khiển làn đường dành cho người đi bộ: đèn xanh
người đi bộ và đèn đỏ người đi bộ.
Ngoài ra, mỗi một hệ thống đèn có một tủ điều khiển từ đó sẽ phát ra tín
hiệu điều khiển đèn. Tín hiệu điều khiển của đèn từ CPU thông qua các cổng
ra rồi đến các rơle, rồi qua hệ thống dây nối đến các đèn.
2.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
13


Cơ chế hoạt động của đèn giao thông: Khi đèn của làn đường 1(đx1)
được bật sáng thì cùng lúc đó đèn đỏ của làn đường 2 (đđ2), đèn đỏ cho người
đi bộ ở làn đường 1(đđn1), đèn xanh người đi bộ làn đường 2 (đxn2) cũng
được bật sáng.Sau một khoảng thời gian nhất định đx1 tắt,đèn vàng 1(đv1)
được bật lên .
Khi đv1 tắt thì đđ2, đđn1,đxn2 mới tắt cùng lúc đó đèn xanh 2(đx2) ,
đèn đỏ 1(đđ1),đèn đỏ cho người đi bộ 2(đđn2), đèn xanh cho người đi bộ
1(đxn1) được bật sáng.
Lúc đèn vàng 2(đv2) được bật lên cũng là lúc đx2 tắt ,đv2 tắt chu kì
được lập lại với đđ2,đx1…

2.3. GIẢN ĐỔ THỜI GIAN CHO TỪNG ĐÈN
Với một chu kỳ đèn bất kỳ ta có giản đồ thời gian hoạt động của từng đèn như
sau:

14

Đ1
đx1
đv1
đđ1

đđn1
đxn2
Đ2
đđ2
đx2
đv2
đxn2
đđn1

0

30 33

56 59 60

t

Hình 2.2: Giản đồ thời gian cho từng đèn

CHƯƠNG III:
NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG GIAO THÔNG
15

3.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN

3.2. ỨNG DỤNG PLC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
Trong công nghiệp sản xuất, để điều khiển một dây chuyền, một thiết bị máy
móc cơng nghiệp … người ta thực hiện kết nối các linh kiện điều khiển rời
16


(rơle, timer, contactor …) lại với nhau tuỳ theo mức độ yêu cầu thành một hệ
thống điện điều khiển. Công việc này khá phức tạp trong thi công, sửa chữa
bảo trì do đó giá thành cao. Khó khăn nhất là khi cần thay đổi một hoạt động
nào đó.
Một hệ thống điều khiển ưu việt mà chúng ta phải chọn được điều
khiển cho một máy sản xuất cần phải hội đủ các yêu cầu sau: giá thành hạ, dễ
thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt … Từ đó hệ thống
điều khiển có thể lập trình được PLC (Programable Logic Control) ra đời đã
giải quyết được vấn đề trên.
Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên đó được những nhà thiết kế cho ra
đời năm 1968 (Công ty General Moto - Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá
đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận
hành hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản,
gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống cịn khó khăn, do lúc
này khơng có các thiết bị lập trình ngoại vi hỗ trợ cho cơng việc lập trình.
Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay
(programmable controller handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969. Trong
giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay
thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển. Qua quá
trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới
cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: dạng lập trình dùng giản đồ hình thang. Trong
những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng

vận hành với những thuật tốn hổ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữ liệu
cập nhật” (data manipulation). Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho
máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển
để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn. Ngoài ra các nhà thiết
kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ
thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc độ xử lý của
17


hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC
xử lý tốt với những chức năng phức tạp, số lượng cổng ra/vào lớn.
Một PLC có đầy đủ các chức năng như: bộ đếm, bộ định thời, các thanh
ghi (register) và tập lệnh cho phép thực hiện các yêu cầu điều khiển phức tạp
khác nhau. Hoạt động của PLC hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình nằm
trong bộ nhớ, nó ln cập nhật tín hiệu ngõ vào, xử lý tín hiệu để điều khiển
ngõ ra.
Những đặc điểm của PLC:
-Thiết bị chống nhiễu.
-Có thể kết nối thêm các modul để mở rộng ngõ vào/ra.
-Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu.
-Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển bằng máy lập trình hoặc
máy tính.
-Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ.
-Bảo trì dễ dàng.
Do các đặc điểm trên, PLC cho phép người điều hành không mất nhiều
thời gian nối dây phức tạp khi cần thay đổi chương trình điều khiển, chỉ cần
lập chương trình mới thay cho chương trình cũ.
Việc sử dụng PLC vào các hệ thống điều khiển ngày càng thông dụng,
để đáp ứng yêu cầu ngày càng đa dạng này, các nhà sản xuất đã đưa ra hàng
loạt các dạng PLC với nhiều mức độ thực hiện đủ để đáp ứng các yêu cầu

khác nhau của người sử dụng.
Để đánh giá một bộ PLC người ta dựa vào 2 tiêu chuẩn chính: dung
lượng bộ nhớ và số tiếp điểm và năng như: bộ vi xử lý, chu kỳ xung clock,
ngơn ngữ lập trình, khả năng mở rộng số ngõ vào/ra của nó. Bên cạnh đó

18


cũng cần chú ý đến các chức năng như: bộ vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngơn
ngữ lập trình, khả năng mở rộng số ngõ vào/ra.
3.2.1. Cấu hình cứng.
Cấu hình cứng
PLC viết tắt của Programmable Logic Control, là thiết bị điều khiển logic lập
trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển thơng qua
một ngơn ngữ lập trình.
S7 – 200 là thiết bị điều khiển khả trình loại nhỏ của hãng Siemens, có
cấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở rộng. Các modul này sử dụng
cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7 – 200 là
khối vi xử lý CPU 212 hoặc CPU 214. Về hình thức bên ngoài, sự khác nhau
của hai loại CPU này nhận biết được nhờ số đầu vào/ra và nguồn cung cấp.
-CPU 212 có 8 cổng vào, 6 cổng ra và có khả năng được mở rộng thêm
bằng 2 modul mở rộng.
-CPU 214 có 14 cổng vào, 10 cổng ra và có khả năng được mở rộng
thêm bằng 7 modul mở rộng.
S7 – 200 có nhiều loại modul mở rộng khác nhau.
CPU 214 bao gồm:
-2048 từ đơn (4K byte) thuộc miền nhớ đọc/ghi non-volatile để lưu
chương trình (vựng nhớ có giao diện với EEPROM).
-2048 từ đơn (4K byte) kiểu đọc/ghi để lưu dữ liệu, trong đó 512 từ
đầu thuộc miền nhớ non-volatile.

-14 cổng vào và 10 cổng ra logic.
-Cú 7 modul để mở rộng thêm cổng vào/ra bao gồm luôn cả modul
analog.
-Tổng số cổng vào/ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra.
19


-128 Timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4 Timer 1ms,
16 Timer 10ms và 108 Timer 100ms.
-128 bộ đếm chia làm 2 loại: chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa đếm
lùi.
-688 bit nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm
việc.
-Các chế độ ngắt và xử lý ngắt bao gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo
sườn lên
hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung.
-3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2 KHz và 7KHz.
-2 bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM.
-2 bộ điều chỉnh tương tự.
-Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190
giờ khi PLC bị mất nguồn nuôi.
Các cổng ra

SIEMENS

SF
RUN
STOP

SIMATIC

S7 - 200

I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
I0.6
I0.7

Các cổng vào

I1.0
I.11
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5

Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
0.4
Q0.5
Q0.6
Q0.7

Q1.0

Q1.1

Cổng truyền RS485

Hình 3.1.Bộ điều khiển lập trình được(khả trình)S -200 với khối vi xử lý CPU

Mơ tả các đèn báo trên S7 -200 CPU 214:

20


SF Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng .Đèn SF sáng lên khi PLC
(đèn đỏ) có hỏng hóc .
RUN Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực
hiện (đèn xanh) chương trình được nạp vào trong máy .
STOP Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng .Dừng
(đèn vàng) chương trình đang thực hiện lại .
Ix .x Đèn xanh ở cổng vào chỉ định trạng thái tức thời của cổng Ix.x
(đèn xanh) (x.x = 0.0 ÷ 1.5).Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá
trị logic của cổng .
Qy.y Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qy.y
(đèn xanh)(y.y = 0.0 ÷1.1).Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá
trị logic của cổng.
Cổng truyền thông :
S7 – 200 sử dụng cổng truyền thơng nối tiếp RS485 với phích nối 9
chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm
PLC khác. Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud. Tốc độ
truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do là 300 đến 38.400.
S7 – 200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9
chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm

PLC khác. Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud. Tốc độ
truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do là 300 đến 38.400.

5 4 3 2 1
1111
9

8 7 66

21


Hình 3.2. Sơ đồ của cổng truyền thơng
Trong đó :

Chân

Giải thích

1

Đất

2

24 VDC

3

Truyền và nhận dữ liệu

4

Khơng sử dụng

5

Đất

6

5 VDC (điện trở trong 100Ω)

7

24 VDC (120 mA tối đa)

8

Truyền và nhận dữ liệu

9

Không sử dụng

Để ghép nối S7 – 200 với máy lập trình PG702 hoặc với các loại máy
lập trình thuộc họ PG7xx có thể sử dụng cáp nối thẳng qua MPI .Cáp đó đi
kèm theo máy lập trình. Ghép nối S7 – 200 với máy tính PC qua cổng RS-2
cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485.
Cơng tắc chọn chế độ làm việc của PLC

Công tắc chọn chế độ làm việc nằm phía trên, bên cạnh các cổng ra của
S7 – 200 có ba vị trí cho phép chọn các chế độ làm việc khác nhau cho PLC.
-RUN cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ. PLC S7 –
200 sẽ rời khỏi chế độ RUN và chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có
sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP, thậm chí ngay cả khi công tắc
ở chế độ RUN. Nên quan sát trạng thái thực tại của PLC theo đèn báo.
-STOP cưỡng bức PLC dừng thực hiện chương trình đang chạy và
chuyển sang chế độ STOP. Ở chế độ STOP PLC cho phép hiệu chỉnh lại
chương trình hoặc nạp một chương trình mới.
22


-TERM cho phép máy lập trình tự quyết định một trong các chế độ làm
việc cho PLC hoặc ở chế độ RUN hoặc ở chế độ STOP.
Chỉnh định tương tự
Điều chỉnh tương tự (1 bộ trong CPU 212 và 2 trong CPU 214) cho
phép điều chỉnh các biến cần phải thay đổi và sử dụng trong chương trình.
Núm chỉnh analog được lắp đặt dưới nắp đậy bên cạnh các cổng ra. Thiết bị
chỉnh định có thể quay 270o.
Pin và nguồn nuôi bộ nhớ
Nguồn nuôi dùng để mở rộng thời gian lưu giữ cho các dữ liệu có trong
bộ nhớ. Nguồn pin tự động được chuyển sang trạng thái tích cực nếu như
dung lượng tụ nhớ bị cạn kiệt và nó phải thay thế vào vị trí đó để dữ liệu
trong bộ nhớ không bị mất đi.
3.2.2. Cấu trúc bộ nhớ
Bộ nhớ của S7 – 200 được chia thành 4 vùng với một tụ có nhiệm vụ
duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn. Bộ nhớ
của S7 – 200 có tính năng động cao, đọc và ghi được trong toàn vùng, loại trừ
phần bit nhớ đặc biệt được kí hiệu SM (Special Memory) chỉ có thể truy nhập
để đọc.

23


Hình 3.3 Bộ nhớ trong và ngồi của S7-200
Vùng chương trình: là miền nhớ được sử dụng để lưu các lệnh chương
trình. Vùng này thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được.
Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như: từ khóa, địa chỉ trạm
… cũng như vùng chương trình, vùng tham số thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi
được.
Vùng dữ liệu: dùng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết
quả các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm
truyền thơng … một phần của vùng nhớ này thuộc kiểu non-volatile.
Vùng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra
tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng. Vùng này không kiểu nonvolatile nhưng đọc/ghi được
3.2.3 Thực hiện chương trình:
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vịng lặp được gọi
là một vòng quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng gian đoạn đọc dữ
liệu từ các cổng vào vùng đệm ảo, tiếp theo là gian đoạn thực hiện chương
trình. Trong từng vịng qt, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên
và kết thúc bằng lệnh kết thúc (MEND). Sau giai đoạn thực hiện chương
trình là gian đoạn truyền thơng nội bộ và kiểm tra lỗi. Vịng quét được kết
thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra.

24