Tải bản đầy đủ

Điều khiển hệ thống đèn giao thông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

Bài tập lớn: Điều khiển lập trình
Đề tài: Điều khiển hệ thống đèn giao thông
Hoạt động ở 2 chế độ
 Chế độ hoạt động bình thường
 Chế độ nhấp nháy
Ở chế độ hoạt động bình thường (chế độ 1) hoạt động từ 5h sáng đến 9h tối
hàng ngày
Đúng 5h sáng chế độ 1 hoạt động: Có 2 cột đèn Nam và Bắc. Mỗi cột có 3
đèn xanh, vàng, đỏ. Đèn xanh sáng trong 40s sau đó đèn vàng sáng trong 5s đèn đỏ
sáng 45s. Đến 9h tối chế độ 1 ngắt chuyển sang chế độ hoạt động ban đêm.
Ở chế độ hoạt động ban đêm (chế độ 2) hoạt động từ 9h tối đến 5h sáng hôm
sau.
Đúng 9h tối chế độ 2 hoạt động đèn đỏ và đèn xanh ở cả 2 cột Nam và Bắc
không sáng. Chỉ 2 đèn vàng thay phiên nhau nhấp nháy mỗi đèn sáng trong 5s.
Yêu cầu
Chương 1: giới thiệu chung về PLC
Chương 2: phân tích công nghệ và xây dựng mô hình hệ thống
Chương 3: Thực hiện
3.1. Lựa chọn thiết bị (động cơ, cảm biến, rơ le, công tắc tơ, PLC…)

3.2. Sơ đồ đấu nối (mạch điều khiển, mạch lực)
3.3. Giản đồ thời gian (lưu đồ thuật toán)
3.4. Viết chương trình mô phỏng
Chương 4: Kết luận

1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

Lời nói đầu
Ngày nay cùng với sự phát triển kinh tế cùng với đó là tốc độ gia tăng
không ngừng của 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. Vấn đề dặt ra ở đây là làm sao để
đảm bảo giao thông thông suốt và việc sử dụng đèn giao thông ở các nơi
giao nhau của các làn đường là một giải pháp.
Để điều khiển đèn giao thông ta có thể viết trên nhiều hệ ngôn ngữ như:
vi điều khiển , PLC, …Nhưng với những tính năng vượt trội của PLC :
-

Làm việc chắc chắn, liên tục và có tuổi thọ cao.
Có thể làm việc trrong điều kiện khacs nhau.
Đơn giản với người sử dụng.
Giá thành hạ.

Do đó lựa chọn hệ thống điều khiển có thể lạp trình được cho PLC với
ngôn ngữ lập trình của S7- 200 để viết chương trình điều khiển đèn giao
thông .

2


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

Chương 1: Giới thiệu chung về PLC
1.1.

Khái niệm chung


PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển khả trình cho phép
thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập
trình. Người sử dụng có thể lệp trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các
sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC
hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm.
PLC dùng để thay thế các mạch relay trong thực tế. PLC hoạt động theo phương
thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì
đầu ra sẽ thay đổi theo.

Đặc điểm của hệ điều khiển bằng Rơle :
-

Tốn kém rất nhiều dây dẫn .
Công suất tiêu thụ lớn .
Thời gian sửa chữa lâu .
Khó cập nhật sơ đồ nên gây khó khăn cho công tác bảo trì cũng như thay thế
.

Đặc điểm của hệ điều khiển bằng PLC :
- Giảm 80% lượng dây nối.
3


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

- Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp.
- Chức năng đk 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 thiết bị
vào/ra.
- Thời gian hoàn thành 1 chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms).
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.
- Gọn nhẹ, dễ bảo quản, dễ sửa chữa.
- Hoàn toàn tin cậy trrong môi trường công nghiệp.
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chơng trình phức tạp.
- Giao tiếp được với các thiết bị khác: máy tính, nối mạng, các môi modul mở
rộng.
- Giá cả cá thể cạnh tranh được.
1.2. Ngôn ngữ lập trình
Các ngôn ngữ lập trình PLC được quy định trong chuẩn IEC 61131-3 bao gồm :
Các ngôn ngữ lập trình cơ bản
- Instruction List (IL) : dạng hợp ngữ .
- Structured Text (ST) : giống pascal .
Các ngôn ngữ đồ họa
1.3.

Ladder Diagram (LD) : giống mạch rơ le .
Function Block Diagram (FBD) : giống mạch nguyên lý .
Sequential Function Chart (SFC) : sản xuất từ mạng Petri/Grafcet .
Cấu trúc chung của PLC

PLC là một thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua một
số ngôn ngữ lập trình. Toàn bộ chương trình điều khiển sẽ được lưu vào trong bộ
nhớ của PLC. Điều này làm cho PLC giống như một máy tính, có bộ vi xử lý, một
hệ điều hành, bộ nhớ để lưu các chương trình hỗ trợ điều khiển, dữ liệu, các cổng
ra/vào để kết nối với các đối tượng điều khiển…Như vậy có thể thấy cấu trúc cơ
bản của một PLC bao giờ cũng gồm các thành phần cơ bản sau:
-

Bộ xử lí trung tâm (CPU)
Bộ nhớ
Khối vào/ra
Hệ thống bus
Nguồn nuôi
Pin nuôi
Modul mở rộng
4


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

Ngoài các modul chính như trên, PLC còn có các modul phụ trợ như modul giao
tiếp mạng, truyền thông, modul nghép nối các modul chức năng để xử lý tín hiệu
như modul kết nối với các can nhiệt, modul điều khiển động cơ bước, modul kết
nối với encoder, modul đếm xung vào…
1.4.

Cách thực hiện và cấu trúc chương trình

Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và được lưu vào bộ nhớ đệm (bộ nhớ
trong PLC bao gồm: ROM, EPROM, EEOROM PLC ) thực hiện các lệnh logic
trên các trạng thái của chúng và thông qua chương trình trạng thái, ngõ ra được cập
nhật và lưu vào bộ nhớ đệm. Sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm được dùng
để đóng/mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị tương ứng. Như vậy, tất cả hoạt
động của các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình trong
bộ nhớ. Chương trình được truyền nạp vào PLC thông qua nhưỡng thiết bị lập trình
chuyên dụng.
PLC thực chất chạy bằng mã máy với hệ thống số nhị phân, do tốc độ quét vòng
chương trình có thể đạt đến vài phần ngàn giây, các Software dùng để lập trình
PLC tích hợp cả phần biên dịch. Các dòng lệnh khi lập trình chúng ta đưa từ
chương trình vào thì trình biên dịch sẽ chuyển đổi sang mã máy và ghi từng bit “0”
hay bit “1” lên đúng vào vị trí có địa chỉ đã được quy ước trước trong PLC lên PC
được thực thi xảy ra ngược lại và trình biên dịch đã làm xong nhiệm vụ của mình
trước khi trả chương trình lên Monitor…
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu
song song:
5


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

- Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đén các Modul khác nhau.
- Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.
- Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều
khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC.
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào/ra thông
qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép
truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.
Nếu một modul đầu vào nhận được dữ liệu từ Data Bus. Control Bus sẽ chuyển các
tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC. Các địa chỉ và số
liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế.
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đỏi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. Bên
cạnh đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số 1,8 MHz. Xung này quyết
định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ
thống.
Vòng quét của chương trình
Bộ vi xử lý sẽ lần lượt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ, thực
hiện logic những điều khiển đặt bởi chương trình ứng dụng, thực hiện các phép
tính toán và điều khiển các đầu ra tương ứng của PLC. Các thế hệ PLC cuối cho
phép thực hiện các phép tính số học và ccacs phép tính logic, bộ nhớ lớn, tốc đọ xử
lý mạnh mẽ và có thể kết nối với máy tính, mạng nội bộ…Bộ vi xử lý bên trrong
điều khiển toàn bộ chu kỳ làm việc của chương trình. Chu kỳ này được đặt tên là
chu kỳ quét của PLC, tức là thời gian để thực hiện xong một vòng các lệnh của
chương trình điều khiển. Chu kỳ quét được minh họa ở hình sau:

6


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào như cảm
biến, công tắc…Trạng thái của tín hiệu sẽ vào được lưu tạm vào một mảng nhớ.
Trong suốt thời gian quét chương trình, bộ xủ lý sẽ quét lần lượt các lệnh của
chương trình điều khiển, sử dụng các trạng thái của tín hiệu vào trrong mảng nhớ
để xác định các đầu ra đáp ứng hay không. Kết quả cuối cùng là các trạng thái của
đầu ra đều được ghi vào mảng nhớ, PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện cho các mạch ra để
điều khiển các thiết bị ngoại vi. Chu kỳ quét của một PLC có thể từ 1 đến 25mm
giây. Thời gian quét giữa đầu vào và đầu ra thường ngắn so với chu kỳ quét của
PLC.
1.5. Các PLC thông dụng và vị trí ứng dụng trong công nghiệp
 Ứng dụng PLC
PLC ngoài khả năng điều khiển thiết bị rất linh hoạt còn được sử dụng trong các
ứng dụng cao cấp PLC nổi bặc khả năng điều khiển logic, điều khiển trình tự, điều
khiển tác vụ và truyền thông bao gồm :


Hệ thống nâng vận chuyển .
Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn , sản xuất vi mạch.
Điều khiển robot .
Điều khiển bơm .
Hệ thống điều khiển giám sát .
Điều khiển trình tự máy phân loại .
Hệ thống sản xuất linh hoạt .
Thu nhận dữ liệu .
Các loại PLC thông dụng

Hãng Siemens :
-

S7-200 : CPU 212, CPU 214, CPU 222, CPU 224…
S7-300 : CPU 313, CPU 314, CPU 315…
S7-400 : CPU 412, CPU 413, CPU 414, CPU 416…
S7-1200 : CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C…
S7-1500 : CPU

Hãng Omron :
-

Dòng CPM1A, CPM2A, CPM2C
Dòng CQM1
Dòng CP1E
Dòng CP1L
Dòng CP1H
7


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

- Dòng CJ1/M
Hãng Mitsubishi :
-

Dòng FX : FX1N, FX1S, FX2N, FX3G, FX3U
Dòng A PLC : A large CPU, QnAS CPU, AnS CPU
Dòng Q PLC
Dòng L PLC

Hãng Delta :
1.6.

Dòng DVP-SA
Dòng DVP-SC
Dòng DVP-SX
Dòng DVP-SV
Dòng DVP-ES
Khái quát về S7-200 và S7-1200

1.6.1 Cấu trúc và ngôn ngữ lập trình S7-200
a. Cấu trúc và các thông số kỹ thuật
Là PLC do hãng Siemens (CHLB Đức) chế tạo, có cấu hình theo kiểu modul:
modul cơ bản và các modul mở rộng, được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác
nhau. Với các CPU: 212, 214, 222, 224, 226 khác nhau về số lượng đầu vào/ra
và kích cỡ.
Bảng 1.1 Các thông số cơ bản của PLC S7 200 CPU212 và CPU224
Các thông số

CPU21
2
Số lượng từ đơn(2 byte-word)để lưu CT, đọc/ghi được, 512
không mất tin khi mất nguồn (từ)
(1KB)
Số lượng từ đơn(2 byte-word)để lưu dữ liệu, không mất 512
tin khi mất nguồn, trong đó đọc/ghi được (từ)
100
Số cổng vào/ra logic
8/6
Số modul mở rộng (kể cả modul) tương tự
2
Số cổng vào/ra logic cực đại
64/64
Số Timer
64
Trong đó phân giải 1ms/10ms/100ms
2/8/54
Số bộ đếm (Counter-cả tiến và lùi)
64
Số bit nhớ đặc biệt: dùng làm bit trạng thái hoặc đặt chế 368
độ đặc biệt
8

CPU224
4096
(8KB)
4096
(8KB)
14/10
7
64/64
256
4/16/136
256
4400


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

Chế độ ngắt xử lí ngắt: ngắt truyền thông, ngắt theo
sườn lên/xuống, theo thời gian, theo bộ đếm tốc độ cao
Thời gian lưu dữ liệu sau khi mất nguồn cấp (giờ)
Số bộ đếm tốc độ cao 2kHz và 7kHz
Số bộ phát xung nhanh kiểu: dãy xung thường (PTO) và
dãy xung có điều chế theo độ rộng xung (PWM)
Biến trở analog trên CPU





50
0
0

190
6
2

1

2

S7-200 với khối CPU 224

Mô tả chức năng các đèn báo hiệu của S7-200 với khối CPU224
Kí hiệu
đèn
SF
RUN
STOP

Màu

Mô tả

Đỏ
Xanh
Vàng

Ixx

Xanh

Qxx

Xanh

Sáng lên khi PLC bị hỏng
Báo PLC đangthực hiện chương trình đã nạp vào máy
Báo PLC đang dừng,đã thực hiện xong chương trình đã
nạp
Cho mỗi cổng vào,báo trạng thái logic của cổng:sáng 1,
tắt 0
Cho mỗi cổng ra,báo trạng thái logic của cổng:sáng 1,
tắt 0

b. Phân vùng bộ nhớ
Bộ nhớ được chia làm 4 vùng cơ bản hầu hết các vùng đều có khả năng đọc, ghi
chỉ trừ vùng nhớ đặc biệt (SM) là vùng nhớ chỉ đọc.
- Vùng nhớ chương trình là miền bộ nhớ để lưu giữ các lệnh chương trình.
- Vùng nhớ tham số là miền lưu giữ các tham số như từ khóa địa chỉ trạm.
9


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

- Vùng dữ liệu: được dùng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm kết
quả các phép tính hay số được định nghĩa trong chương trình bộ định truyền
thông.
- Vùng đối tượng: gồm các timer bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra tương
tự.
c. Phương pháp lập trình
- LAD :là ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa những thành phần cơ bản dùng
trong LAD tương tự với các thành phần cơ bản dùng trong mạch rơ le.
- STL :là phương pháp thể hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh
để tạo ra 1 chương trình bằng STL người lập trình cần hiểu rõ phương thức
sử dụng 9 bit trong ngăn xếp logic của S7-200.
d. Tập lệnh của S7-200
Chia làm 3 nhóm:
- Các lệnh mà khi thực hiện làm việc độc lập không phụ thuộc vào giá trị
logic của bit đầu tiên trong ngăn xếp gọi là nhóm lệnh không điều kiện.
- Các lệnh chỉ thực hiện khi bit đầu tiên trọng ngăn xếp có ghi bằng 1 gọi là
nhóm lệnh có diều kiện.
- Các nhóm lệnh đánh dấu vị trí trong tập lệnh gọi là nhóm lệnh điều khiển
chương trình.
1.6.2. Cấu trúc và ngôn ngữ lập trình của S7-1200
a. Cấu trúc S7-1200
S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát
nhiều ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và một tập lệnh
mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng với S71200.
S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn,
các đầu vào/ra (DI/DO).

10


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

b. Phân vùng bộ nhớ
PLC có 3 loại bộ nhớ sử dụng là Load memory, word memory và Retentive
memory.
- Load memory chứa bộ nhớ chương trình khi bạn down xuống.
- Word memory là bộ nhớ lúc làm việc.
- System memory thì có thể setup vùng này trong Hardware config chỉ cần
chứa các dữ liệu cần lưu vào đây.

11


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

Chương 2 : Phân tích cộng nghệ và xây dựng mô hình hệ thống
Trong phạm vi đề tài này thì em thiết kế chương trình điều khiển đèn giao thông tại
một ngã tư,hệ thống đèn điều khiển các phương tiện lưu thông trên đường.
Trong đó:
Hệ thống điều khiển phương tiện giao thông trên đường gồm 12 đèn ký hiệu : X B,
VB, ĐB, XN, VN, ĐN
Các hệ thống đèn làm việc ở 3 chế độ:
- Chế độ tự động
- Chế độ bằng tay
- Chế độ ban đêm
Sơ đồ mô phỏng cách bố trí đèn tại nút giao thông

12


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

1. Chế độ tự động
Chế độ này làm việc vào giờ lưu lượng người tham gia giao thông trên đường với
mật độ bình thường .(ban ngày từ 5h ÷ 21h )
Khi ấn nút Start khởi động hệ thống
Start

Đèn XB, ĐN sáng 40s

Đèn VB, ĐN sáng 5s

Đèn XN, ĐB sáng 40s
co
p

Đèn VN, ĐB sáng 5s
co
p

Lặp lại
2. Chế độ điều khiển bằng tay
Chế độ này sử dụng vào giờ cao điểm khi lưu lượng người tham gia giao thông
trên đường lớn. Khi đó nếu để làm viêc ở chế độ tự động thì có thể gây ách tắc giao
thông và có thể gây thiệt hại về kinh tế.
Chế độ này sử dụng 2 nút ấn B và N ( chuyển sang chế độ điều khiển bằng tay)
- Khi ắn nút B thì các đèn XB và ĐN sáng lên cho phép các phương tiện giao
thông trên tuyến Bắc lưu thông.
- Chỉ khi ấn nút N thì đèn XB và ĐN mới tắt, đồng thời bật đèn X N và ĐB lên
cho phép các phương tiện trên tuyến Nam lưu thông. Chỉ khi ấn B thì đèn X N
và ĐB mới tắt.

13


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNHN

3. Chế độ điều khiển đèn ban đêm
Vào ban đêm( từ 21h ÷ 5h ) thì lượng phương tiện lưu thông trên đường là ít thì chỉ
để 2 đèn vàng ở 2 cột nam bắc sáng và tắt đèn đỏ, xanh đi.
Đèn VB sáng 5s

Đèn VN sáng 5s

14

Đèn VB sáng 5s…..



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×