Đề tài Thiết kế và xây dựng hệ thống tín hiệu đèn giao thông nút giao thông Lê Hồng Phong và Nguyễn Bỉnh Khiêm dùng PLC

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 môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Có rất nhiều điều để hỏi. Những câu trả lời là để sử dụng kỹ thuật lập 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 công nghệ vi điện tử càng phổ biến, thì càng có nhiều PLC đựoc thiết kế dựa trên chúng. Thậm chí đến ngày hôm nay vẫn còn 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 công nghệ thay đổi thường xuyên đã làm cho giao tiếp của PLC trở nên rất khó khăn khi không 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 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 Hình 2.1: Mô hình đèn giao thông ngã tư 2.1.CẤU TẠO - 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 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 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: 0 30 33 56 59 60 t Đ1 đx1 đv1 đđ1 đđn1 đxn2 Đ2 đđ2 đx2 đv2 đxn2 đđn1 Hình 2.2: Giản đồ thời gian cho từng đèn CHƯƠNG III: NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG GIAO THÔNG 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 công nghiệp … người ta thực hiện kết nối các linh kiện điều khiển rời (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 còn khó khăn, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hỗ trợ cho công 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 toán 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 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 luôn 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, ngôn ngữ lập trình, khả năng mở rộng số ngõ vào/ra của nó. Bên cạnh đó cũng cần chú ý đến các chức năng như: bộ vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngôn 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 toán điều khiển thông qua một ngôn 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. -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.Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 I1.0 I.11 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 SF RUN STOP SIEMENS SIMATIC S7 - 200 Các cổng vào Cổng truyền RS485 Các cổng ra Q1.0 Q1.1 Hình 3.1.Bộ điều khiển lập trình được(khả trình)S -200 với khối vi xử lý CPU Mô tả các đèn báo trên S7 -200 CPU 214: 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 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. 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 6 6 Hình 3.2. Sơ đồ của cổng truyền thông Trong đó : Chân Giải thích 1 Đất 2 24 VDC 3 Truyền và nhận dữ liệu 4 Không sử dụng 5 Đất 6 5 VDC (điện trở trong 100W) 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. Công 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. -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. Hình 3.3 Bộ nhớ trong và ngoài 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 thông … 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 non-volatile nhưng đọc/ghi được 3.2.3 Thực hiện chương trình: PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng 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 vòng quét, 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 thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra. 3.Truyền thông và tự kiểm tra lỗi. 4. Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi 2. Thực hiện chương trình. 1. Nhập dữ liệu từ ngoại vi vào bộ đệm ảo Hình 3.4. Vòng quét (scan) trong S7-200 Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 4 do CPU quản lý. Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra. Nếu sử dụng các chế độ xử lý ngắt, chương trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình. Chương trình xử lý ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất cứ điểm nào trong vòng quét Cấu trúc chương trình của S7 – 200 Có thể lập trình cho S7 – 200 bằng cách sử dụng một trong những phần mềm sau đây: -STEP 7 – Micro/DOS -STEP 7 – Micro/WIN Những phần mềm này đều có thể cài đặt được trên các máy lập trình họ PG7xx và các máy tính cá nhân (PC). Các chương trình cho S7 – 200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình chính (main program) và sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắt được chỉ ra sau đây: -Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình (MEND) -Chương trình con là một bộ phận của chương trình. Các chương trình con phải được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính, đó là lệnh MEND. -Các chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình. Nếu cần sử dụng chương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chính MEND. -Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình chính. Sau đó đến các chương trình xử lý ngắt. Bằng cách viết như vậy, cấu trúc chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình sau này. Có thể tự do trộn lẫn các chương trình con và chương trình xử lý ngắt đằng sau chương trình chính. Hình 3.6. Hình ảnh thực tế của PLC S7-200 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THÔNG 4.1. MỞ ĐẦU Đèn tín hiệu là một thiết bị phát sáng sơ cấp cung cấp thông tin như: dừng, đi, rẽ, đường cấm… cho người đi đường và được phân biệt bởi màu sắc: Xanh - Vàng - Đỏ. Việc báo hiệu bằng ánh sáng tại các giao cắt có chức năng chính là bảo đảm an toàn cho người đi bộ, đi xe và tăng lưu thông trong giao thông bằng việc chia rẽ kịp thời các phương tiện, tránh đụng độ, va chạm của người đi bộ hoặc phương tiện tham gia giao thông. 4 5 6 6 3 8 Vào Ra 2 1 Các hoạt động diễn ra trên một nút giao thông bao gồm các bước sau: Hình 4.1. Mô hình ngã tư - Xe từ các hướng đến nút và xếp hàng tại các điểm vào nút (1, 2, 3, 4) tương ứng. - Hoạt động của tín hiệu đèn điều khiển giao thông. - Hoạt động của các phương tiện giao thông tại nút Khi xe đến nút, nếu gặp các tín hiệu đèn đỏ hoặc đèn vàng thì phải chờ trước đèn tín hiệu. Nếu gặp tín hiệu đèn xanh thì được phép thông qua nút theo nguyên tắc: - Xe đến trước thông qua nút trước - Số xe thông qua nút trong một đơn vị thời gian không vượt quá khả năng thông qua nút. - Xe vào nút từ một đường có thể rẽ ra ba hướng khác nhau. Cụ thể: Xe vào nút từ đường 1 có thể rẽ sang các đường 6, 7, 8 Xe vào nút từ đường 2 có thể rẽ sang các đường 5, 7, 8 Xe vào nút từ đường 3 có thể rẽ sang các đường 5, 6, 8 Xe vào nút từ đường 4 có thể rẽ sang các đường 5, 6, 7 4.1.1. Từ đây ta có những cách sau để giảm thiểu số điểm xung đột tại ngã tư. a. Khi không có tín hiệu điều khiển giao thông, tổng số điểm xung đột ở ngã tư là 32: Hình 4.2: Các điểm xung đột tại ngã tư khi không có đèn tín hiệu Trong đó: 16 điểm cắt nhau (·) 8 điểm trộn vào cùng chiều (Ä) 8 điểm rẽ (O) b. Số điểm cắt ở các ngã tư sẽ giảm xuống 8 thay cho 16 nếu cấm rẽ trái (bằng biển báo hoặc đèn tín hiệu) từ một đường ít ưu tiên (nơi rẽ trái là rất nguy hiểm). Hình 4.3: Các điểm xung đột tại ngã tư khi cấm rẽ trái Ký hiệu (|¾ chiều cấm) Hoặc khi có đường một chiều và đường hai chiều giao nhau, số điểm cắt nhau chỉ cón 5, phương tiện cắt nhau ít hơn; Giảm số điểm xung đột là một phương pháp tăng thêm độ an toàn. c. Nếu điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu: Tổng số 32 điểm xung đột ở ngã tư được giảm còn 8 điều khiển hai kỳ ở nút giao thông. Điểm các phương tiện cắt nhau chỉ còn 2. Khi điều khiển tín hiệu giao thông theo 2 kỳ, các điểm xung đột vẫn còn tồn tại, dễ gây tai nạn, va chạm, ùn tắc, đặc biệt là vào giờ các điểm lượng phương tiện cơ giới tham gia giao thông rất lớn. Hình 4.4: Các điểm xung đột tại ngã tư khi có đèn tín hiệu Ký hiệu (|¾ chiều cấm) d. Dùng tín hiệu điều khiển 4 kỳ ở ngã tư có thể loại bỏ được tất cả các điểm xung đột, ngoại trừ hai điểm rẽ (O): Hình 4.5: Các điểm xung đột tại ngã tư khi dùng tín hiệu điều khiển 4 kỳ Ký hiệu (|¾ chiều cấm) Nhưng sự chậm trễ do chờ hết đèn đỏ làm giảm sút rất nhiều khả năng thông xe của nút giao thông, nên vì thế mà ít dùng. Nó có thể được dùng trong trường hợp có xe Cứu thương, Cảnh sát, Phái đoàn và đoàn hộ tống… thì tuyến đường có xe chạy qua được ưu tiên sử dụng phương pháp này (chế độ ưu tiên). Tuy nhiên, tại các nước láng giềng (như Trung Quốc, Thái Lan, Lào…) do có mật độ ôtô, xe máy lớn người ta đã chọn giải pháp nay để loại bỏ hoàn toàn các điểm xung đột giữa phương tiện, phần đường và thời gian cho người đi bộ cũng bị hạn chế nhằm thông nút nhanh, giảm ở mức thấp nhất những yếu tố cản trở phương tiện, đảm bảo an toàn giao thông ở mức cao nhất. Sự điều khiển đa kỳ (nhiều hơn hai kỳ) có thể sử dụng: + Ở nơi không thể loại trừ được sự chuyển động có tính xung đột khó chịu. + Ở nơi rẽ trái là rất nguy hiểm được đối phó bằng đặt điểm ngắt sớm hoặc khởi động muộn, hay là thời gian kéo dài giữa hai lần đèn xanh. + Ở nút giao thông có 5 hướng trở lên. + Ở nút giao thông cần có thời gian đi bộ riêng. Xu hướng trong tương lai, ở nước ta cũng sẽ như các nước bạn, hệ thống giao thông, mặt bằng các ngã tư phải được cải tạo để chuẩn bị tốt cho mai sau. Với đề tài thiết kế này tác giả cũng đưa ra giản đồ thời gian và phương án điều khiển 4 kỳ cho một ngã tư mà từ đó có thể đưa ra ứng dụng tuỳ theo điều kiện thực tế. 4.1.2. Giản đồ thời gian tín hiệu cho hệ thống điều khiển đèn tại ngã tư Với cùng một chu kỳ đèn nhưng có rất nhiều phương án khác nhau để điều khiển các phương tiện và con người tham gia vào giao thông. Thời gian đèn tín hiệu Xanh - Vàng - Đỏ ở các hướng A và B (điều khiển 2 kỳ) được thể hiện trên các giản đồ trên hình 3.6a, 3.6b, 3.6c Hình 4.6. Giản đồ thời gian điều khiển THGT(Điều khiển 2kỳ) Hình 4.7: Giản đồ thời gian điều khiển 4 pha tín hiệu a. Phương án 1 (hình 4.6a) Phương án 1 là phương pháp điều khiển giao thông truyền thống. Hệ thống đèn điều khiển theo giản đồ thời gian 1 thường đơn giản, dễ thiết kế. Thời gian đèn xanh hướng A bằng thời gian đèn đỏ hướng B nên chỉ cần mắc song song ngược cho hai hướng. Tuy nhiên, phương án này không giảm được nhiều khả năng xung đột từ hai hướng do phương tiện có thể chạm nhau trong thời gian đèn vàng. Phương án được dùng khi giao thông chưa phát triển. b. Phương án 2 (hình 4.6b) Phương án 2 phù hợp với thời gian chu kỳ ngắn, khi mà lưu lượng xe ở ngã tư không nhiều, hướng A vẫn có thời gian chờ phương tiện ở hướng B đi qua trong thời gian đèn vàng, và ngược lại ® áp dụng cho những ngã tư nhỏ, không cần thời gian giải toả. Hầu hết các nút giao thông cũ trong thành phố sử dụng phương án này và đã xuất hiện một số điểm không phù hợp, do mật độ phương tiện ngày càng tăng mà thời gian chờ thông nút không nhiều (chỉ khoảng 2-s), phương tiện vẫn có khả năng xung đột. c. Phương án 3 (hình 4.6c) Với những ngã tư rộng hoặc những nút có mật độ phương tiện lớn cần có nhiều thời gian cho xe qua nút và thông nút, phương án 3 đưa ra thời gian giải toả buộc tất cả các hướng phải dừng lại chờ. Thời gian đó ở các ngả đều đèn đỏ. Hiện nay, phương án 3 đang được áp dụng cho hầu hết các hệ thống điều khiển giao thông bằng tín hiệu ở ngã tư, những chương trình PLC điều khiển đèn giao thông dưới đây cũng được tác giả viết theo giản đồ thời gian này. Nhưng trong một tương lai gần, nó không còn phù hợp nữa vì dân số nội đô ngày càng tăng đến mức báo động, các loại phương tiện cơ giới ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn. Vấn đề giao thông đặt ra là phải vừa giải thoát nút thật nhanh, vừa đảm bảo an toàn cho người và phương tiện… Þ giải pháp điều khiển 4 pha tín hiệu (hình 4.7) sẽ đáp ứng được phần nào những yêu cầu đó. d. Phương án 4 (hình 4.7) Ở phương án 4, trong một thời điểm chỉ có một hướng đèn xanh, ba hướng còn lại đèn đỏ. Với phương án này ta có thể phân luồng cho xe vào nút rồi dừng đèn tín hiệu điều khiển riêng từng hướng rẽ (cho phép thêm một đường rẽ phải hoặc cho ba đường còn lại rẽ phải), loại bỏ hoàn toàn khả năng phương tiện giao nhau và tăng khả năng thông nút. Phương án này cũng đảm bảo cho người đi bộ qua đường an toàn hơn. Giao thông trên đường là quan trọng, vì vậy phải hạn chế người qua đường làm cản trở phương tiện. Khi đường A có tín hiệu đèn xanh thì hướng đi thẳng phải được ưu tiên vì là hướng đi chính của tuyến đường, hướng bên trái (đường B) thường có đèn tín hiệu cho phép rẽ phải, do đó người đi bộ chỉ được ở hướng nào có lưu lượng xe nhỏ nhất, là đường D - bên phải đường có tín hiệu đèn xanh. 4.1.3. Các bước tiến hành khi thiết kế Sự hoạt động đi lại của người và phương tiện trên đường và tại các nút giao thông là các sự kiện xảy ra hoàn toàn ngẫu nhiên. Dòng các phương tiện đến nút và ra khỏi nút giao thông theo các hướng thường có tính chất: - Hoàn toàn độc lập với nhau - Cường độ xảy ra sự kiện (hay cường độ phương tiện) thường là hằng số, nếu ta khảo sát trong những khoảng thời gian thì nó xảy ra đều như nhau không phụ thuộc vào điểm khảo sát theo trục thời gian. - Tại một thời điểm chỉ có một sự kiện xảy ra Rồi tiến hành các bước: + Khảo sát, đo vẽ, thu thập số liệu về nút giao thông như: kích thước, địa hình, đặc điểm… + Phân tích các số liệu, đánh giá tình hình nút theo các chỉ tiêu kỹ thuật như: hệ số tai nạn, khả năng thông qua nút… + Lựa chọn phương án điều khiển. 4.2. THỜI GIAN CHU KỲ ĐÈN TÍN HIỆU CHO NÚT GIAO THÔNG Điều quan trọng trong khi lựa chọn phương án điều khiển là tìm ra chu kì đóng cắt các đèn tín hiệu (thời gian đèn Xanh, Vàng, Đỏ) một cách hợp lý. Để tạo điều kiện tính toán, lựa chọn các chu kì đèn đồng thời theo dõi sự hoạt động của dòng phương tiện giao thông đi qua ngã tư, ta cần tiến hành mô phỏng sự hoạt động của một ngã tư điển hình theo thời gian, từ đó tìm chu kỳ tối ưu cho một nút giao thông độc lập Chu kỳ đèn giả định Lưu lượng xe Kích thước xe Vận tốc xe Tiêu chuẩn tối ưu Chu kì đèn tối ưu MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN Hình 4.8: Cấu trúc chung của phương pháp mô phỏng Thông tin đưa vào hệ thống bao gồm các thông tin về kích thước nút, cường độ (hay lưu lượng) các dòng xe vào nút, tốc độ trung bình của xe, chu kì đèn giả định và tiêu chuẩn tối ưu. Trên cơ sở đó, máy tính sẽ mô phỏng quá trình xe trong nút, tính toán thời gian chờ trung bình của hệ thống, lặp lại các bước này để tìm chu kỳ đèn tối ưu. Chương trình điều khiển phải: + Tạo ánh sáng vàng nhấp nháy, hoặc ánh sáng xanh, đỏ cho phương tiện và người đi bộ. + Làm sáng tuần tự các đèn trong chu kỳ báo hiệu + Thay đổi chương trình phụ thuộc vào giờ cao điểm trong ngày. + Chế độ hoạt động độc lập theo thời gian cố định + Chế độ hoạt động nháy vàng + Chế độ điều khiển bằng tay + Chế độ hoạt động theo "làn sóng xanh" Khi thiết kế hệ thống điều khiển giao thông, ta cần chú ý đến lưu lượng xe trên đường, chú ý chiều đi cho phép và tuyến đường nào được ưu tiên hơn. Chu kì đèn tín hiệu bao gồm: + Thời gian đèn Xanh, Vàng, Đỏ hướng 1-3 + Thời gian đèn Xanh, Vàng, Đỏ hướng 2-4 + Thời gian đèn hiệu Xanh, Đỏ cho người đi bộ qua đường + Chu kì đèn tín hiệu còn bao gồm thời gian giải toả - là thời gian chờ phương tiện qua hết nút - lúc này cả 4 ngả đèn đỏ (thời gian từ 1¸3s) 4.3. LẬP TRÌNH PLC ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG THEO CHU KỲ TỐI ƯU: Trên Thế giới hiện nay, xu hướng sử dụng module logic vạn năng Logo và thiết bị điều khiển logic khả trình PLC trong hệ thống tín hiệu giao thông ngày càng tăng. Bởi chúng được thiết kế vạn năng và hoàn chỉnh: có sẵn tất cả các đầu vào/ra, lý tưởng cho chuyển mạch và điều khiển, sử dụng đơn giản, kích thước nhỏ gọn, mang tính kinh tế cao. Đặc biệt là PLC có khả năng phát triển, kết nối mạng về trung tâm điều khiển, cho phép lập trình điều khiển đèn tín hiệu chạy với chế độ đa phương trình và chạy có thời gian giải toả. Tuỳ theo mật độ xe cộ lưu thông trên đường ở từng thời điểm trong ngày, ở từng ngày trong tuần mà PLC sẽ tạo lập được các chương trình điều khiển khác nhau, thoả mãn tối ưu mọi yêu cầu. 4.3.1 Giản đồ thời gian cho hệ thống đèn tín hiệu Áp dụng giản đồ thời gian phương án 3 cho chương trình để nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Chú ý đảm bảo an toàn giao thông, thời gian xanh cho người đi bộ sẽ ngắt sớm 5s và ở 5s cuối cùng tín hiệu nhấp nháy gicụ người sang đường nhanh. Thời gian tín hiệu được thể hiện trên hình 3.8 Hình 4.9: Giản đồ thời gian cho đèn tín hiệu giao thông 4.3.2. Lập lưu đồ thuật toán PLC (hình 4.8) BEGIN khởi động Vàng Nháy Trễ 10s Tắt Vàng Đỏ các hướng Trễ 5s Đỏ đi bộ I Xanh I Trễ 31s Xanh đi bộ I Trễ 31s Trễ 15s Vàng I Trễ 3s Đỏ I Trễ 23s Đỏ II Trễ 23s Vàng II Trễ 3s Xanh II Trễ 19s Xanh đi bộ I Trễ 10s Đỏ đi bộ II Trễ 35s Hình 4.10. Lưu đồ thuật toán PLC CHƯƠNG V TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ Căn cứ vào thực tiễn yêu cầu, qua các danh mục sản phẩm, các mẫu trụ đèn tín hiệu giao thông được giới thiệu, ta sẽ so sánh độ thẩm mỹ, hiện đại, mức độ bảo đảm kỹ thuật, tính kinh tế … để quyết định lựa chọn cho hệ thống đèn giao thông tại các ngã tư các loại thiết bị sau: 5.1. ĐÈN TÍN HIỆU Đèn tín hiệu sử dụng trong hệ thống là những bóng diode phát quang (LED - Light Emiter Diode) chuyên dùng cho ngành tín hiệu giao thông (dùng ngoài trời) với các thông số sau: * Bóng LED màu xanh - Cường độ phát sáng cực tiểu: >= 286cd - Cường độ phát sáng cực đại: >= 800cd - Bước sóng ánh sáng (l): 498.5mm ¸ 508mm - Điện áp định mức (Uđm): 3.5V - Dòng điện định mức (Iđm): 20mA - Dòng điện cực đại: 100mA - Đường kính bóng (D): 5mm - Góc nhìn của đèn: <=160 - Tuổi thọ của đèn: trên 50000 giờ (Sau 50000 giờ, cường độ sáng của đèn giảm đi 20%) * Bóng LED màu vàng - Cường độ phát sáng cực tiểu: >=250cd - Cường độ phát sáng cực đại: >=750cd - Bước sóng ánh sáng (l): 585mm ¸ 597mm - Điện áp định mức (Uđm):2V - Dòng điện định mức (Iđm): 20mA * Bóng LED màu đỏ - Cường độ phát sáng cực tiểu: >=250cd - Cường độ phát sáng cực đại: > = 750cd - Bước sóng ánh sáng (l): 615mm ¸ 631,5mm - Điện áp định mức (Uđm): 2V - Dòng điện định mức (Iđm): 20mA Từ đây ta kết hợp các bóng đèn LED chuyên dùng này để có các loại đèn tín hiệu sau: + Đèn tín hiệu 3 màu Xanh - Vàng - Đỏ: Trong đó, mặt đèn LED Xanh và Vàng có đường kính D200mm, gồm 149 LED chuyên dùng. Riêng mặt đèn LED Đỏ có đường kính D300mm, gồm 314 LED chuyê dùng nhằm tăng sự chú ý của người tham gia giao thống đối với tín hiệu dừng. Sơ đồ sắp xếp các đèn như sau: + Đèn tín hiệu lặp lại Xanh - Vàng - Đỏ Mặt đèn có đường kính D100mm, gồm 54 LED chuyên dùng mỗi loại + Đèn chữ thập Đỏ Mặt đèn có đường kính D300 mm, gồm 185 LED chuyên dùng Đèn chữ thập (còn gọi là đèn một mắt) dùng để giải toả, sáng cùng với đèn Đỏ chính và chỉ khi tắt đi - đèn Xanh chính mới được bật lên + Đèn đi bộ với hình người đi (màu xanh) và hình người đứng (màu Đỏ) Mặt đèn có đường kính D300mm, sử dụng 184LED chuyên dùng Ngoài ra hệ thống có thể có thêm các loại đèn sau: + Đèn mũi tên: cho phép rẽ theo chiều mũi tên chỉ Mặt đèn có đường kính D200mm, đặt ngay dưới đèn tín hiệu giao thông chính, sử dụng 87 LED chuyên dùng màu Xanh + Đèn tín hiệu thời gian đếm lùi ba màu Xanh, Vàng, Đỏe: Mặt đèn D300mm, gồm 224 LED Vàng chuyên dùng: 16LED/01 dãy đèn Chiều cao của đèn hiển thị: 190mm/ chữ số Chiều rộng của đèn hiển thị: 90mm/ chữ số Mạch điều khiển đèn vi xử lý và phần mềm điều khiển (đã đượcthiết kế sẵn) Phương thức hoạt động Khi đèn Xanh chính mở thì nó hiển thị thời gian xanh và đếm lùi cho đến khi kết thúc tín hiệu xanh - trở về 00 và tắt. (Tương tự với đèn Vành. Đỏ cũng vậy). + Đèn tín hiệu thời gian đếm lùi dành cho người đi bộ Mặt đèn D300mm sử dụng 224 LED vàng chuyên dùng: 16LED/01 dãy đèn (Thiết kế như đèn đếm lùi ba màu) Các loại đèn tín hiệu này đều được tổ hợp từ đèn LED và dựa trên những mạch in có sẵn 5.2. SƠ ĐỒ CUNG CẤP CHO CÁC ĐÈN TÍN HIỆU Như đã giới thiệu về CPU 224 có các đầu ra là rơle, điện áp đầu ra là 24V nhưng dòng rất nhỏ nên ta không thể dùng trực tiếp PLC để điều khiển đèn tín hiệu. Có nhiều cách để đưa tín hiệu từ PLC ra đèn: sử dụng contacto, relay hoặc Tranzistor công suất nguồn cấp cho đèn là 36 VDC; giá trị điện trở R1, R2 được tính toán theo dòng và áp định mức của đèn. Hình 5.1: Mạch đệm đầu ra Vì bóng đèn LED có công suất rất nhỏ (gần như không đáng kể) nên ta có thể bỏ qua tổn thất điện áp trên dây dẫn từ tủ đến đèn tín hiệu. Tuy nhiên, do điện áp định mức của đèn LED xanh, vàng, đỏ lại khác nhau, số bóng LED trong mỗi đèn tín hiệu cũng khác nhau, sử dụng Tranzistor sẽ cho phép ta tăng công suất của nguồn. 5.3. SƠ ĐỒ BỐ TRÍ HỆ THỐNG ĐÈN TÍN HIỆU TẠI NÚT GIAO THÔNG LÊ HỒNG PHONG- NGUYỄN BỈNH KHIÊM 5.4. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN Thiết bị được chọn đê điều khiển tín hiệu đèn tại các ngã tư là bộ điều khiển bằng lập trình PLC của hãng Siemens. Căn cứ vào số lượng các đầu ra đầu vào trong chương trình đã tạo lập, thiết bị PLC dùng trong hệ thống bao gồm: - Bộ xử lý trung tâm CPU (Centrol Processing Unit): CPU 224 Mã hiệu 6ES7214-2BD23-0XB0 - Tốc độ truyền 187,5Kbps - Module cung cấp nguồn Power Suply: 100 - 230 VAC. Với CPU 224, toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ khi PLC bị mất nguồn nuôi. Điều này hoàn toàn đáp ứng được thực tế hiện nay: nguồn điện phục vụ cho hệ thống tín hiệu giao thông của thành phố Hải Phòng là nguồn điện dân dụng nên không tránh khỏi sự cố đột xuất: Ngay khi có điện trở lại, CPU 224 sẽ đảm bảo cho hệ thống hoạt động bình thường. 5.5. BỘ CHUYỂN ĐỔI UPS: UPS (hoặc ATS) là bộ chuyển đổi nhiều chức năng bao gồm việc ổn định điện áp và dòng điện đưa tới PLC - nguồn điện 220/230 VAC, biến đổi từ nguồn 220 VAC thành nguồn 36 VDC cấp cho đèn và nuôi ăcqui, tự động nạp no điện vào ăcqui và khi mất điện lưới thì tự động chuyển nguồn ăcqui lên nuôi PLC và đèn tín hiệu. Trong UPS bao gồm biến áp (Tranformer) có thể biến đổi điện áp 220/36V và 36/220V, bộ chuyển đổi điện áp xoay chiều thành một chiều và ngược lại: Vì đèn tín hiệu điều khiển giao thông ở đây có công suất rất nhỏ (20mA x 2V/LED) nên chỉ cần chọn ăcqui có dòng từ 15 - 20A. 5.6. TỦ ĐIỀU KHIỂN 5.6.1. Vỏ tủ điều khiển tín hiệu đèn giao thông: - Kích thước vỏ tủ: Cao 800mm x Rộng 600mm x Sâu 350mm. - Kích thước chứa thiết bị: Cao 500mm x Rộng 5600mm x Sâu 240mm. - Vật liệu vỏ: Thép lá 2mm - CT3. - Vật liệu khung: Thép U18 - CT3. - Vỏ tủ được sơn tĩnh điện.- Tủ có hai lớp cửa: cửa ngoài mở cho thấy công tắc điều khiển và đèn báo, cửa trong mở cho thấy các thiết bị điều khiển như là nguồn, PLC với các đầu vào và ra, các cầu chì bảo vệ, rơ le...và bộ chuyển đổi UPS hoặc ATS - Tủ có hai lớp cửa: cửa ngoài mở cho thấy công tắc điều khiển và đèn báo, cửa trong mở cho thấy các thiết bị điều khiển như là nguồn, PLC với các đầu vào và ra, các cầu chì bảo vệ, rơ le...và bộ chuyển đổi UPS hoặc ATS. 5.6.2. Thuyết minh thiết kế tủ điện tín hiệu giao thông: CƠ SỞ THIẾT KẾ 5.6.2.1 Các chế độ làm việc: — Hoạt động độc lập theo thời gian trong ngày. — Điều khiển tự động. — Nháy vàng. — Điều khiển bằng tay. 2. Số fa điều khiển; 2 hoặc 4 (theo yêu cầu sử dụng). 3. Các loại tín hiệu có thể điều khiển theo các chế độ: Bình thường, tắt sớm, bật muộn. 4. Thứ tự chuyển tín hiệu: - Phương tiện Xanh - Vàng - Đỏ - Xanh - Người đi bộ Xanh - Đỏ - Vàng 5. Công suất điều khiển tối đa mỗi kênh : 40W 6. Công suất điều khiển toàn tủ tối đa : 200W 7. Độ méo tín hiệu ra tối đa : 0% 8. Dải nhiệt độ làm việc : Từ 0 đến 550C. 9. Dải nhiệt độ bảo quản : -25 đến 850C. 10. Độ ẩm tối đa cho phép : 95%. 11. Chế độ làm việc : Lâu dài 24/24h 12. Cấu trúc lắp ráp : Bắt vít toàn bộ thiết bị lắp đặt trên các thanh ray nhôm. 13. Lập trình: STEP 7 trực tiếp trên máy tính PC IBM. 14. Khả năng mở rộng: Mở rộng các modul họ S7. 15. Số giai đoạn lập trình được trong chu kỳ: 6 16. Chu kỳ thời gian : Từ 0 đến 594s 17. Độ dài các giai đoạn: Từ 0 đến 99s 18. Bước chính xác của thời gian đặt: 1s TỦ ĐIỀU KHIỂN - Lập trình xác định thời gian cho mỗi chu kì của các đèn tín hiệu giao thông tại các nút giao thông, tổ hợp từ 1 đến 24 khoảng thời gian khác nhau được quy ước từ T1 đến T24, cho phép điều khiển 4 đầu ra độc lập với nhau. - Điều khiển theo chế độ có thời gian giải toả hoặc không giải toả. - Điều khiển theo chế độ làn sóng xanh trên trục đường gồm nhiều nút giao thông. - Điều khiển một nút giao thông độc lập. - Điều khiển từ trung tâm điều khiển. 5.6.2.2. Phần mềm: - Hệ thống được điều khiển bằng bộ lập trình PLC (Programmable Logic Control) SMATIC S7 CPU 224 điều khiển Logic. - Dùng bộ lập trình cầm tay OP3, (ngoài lập trình bằng STEP 7 trên máy tính PC, Siemens còn cung cấp cho ta một thiết bị lập trình cầm tay nhỏ - gọn OP3 cho phép lập chương trình trực tiếp vào CPU của PLC, bộ lập trình OP3 có thể chuyển đổi chế độ, thay đổi thời gian đặt trong chương trình nên được gắn cùng các thiết bị khác trong tủ - thuận tiện cho quá trình điều khiển). - Cầu đấu dây 24 đầu ra. - Ăcqui có thể duy trì hoạt động từ 5 đến 8 giờ khi mất điện nguồn. 5.6.2.3. Phần lập trình Qua khảo sát lực lượng, mật độ giao thông ta chọn 3 biểu đồ thời gian khác nhau cho các nút giao thông với các khoảng thời gian trong ngày,vào giờ cao điểm, giờ thấp điểm (giờ trung bình) và chế độ nháy vàng. Phía ngoài nắp tủ có 3 công tắc xoay với các chức năng: - Công tắc I có 3 vị trí sử dụng chế độ: Bằng tay (MANUAL) - Nháy vàng (FLASH) - Tự động (AUTO). - Công tắc II: + A (Xanh tuyến A) + B (Xanh tuyến B) - Công tắc III: + C (Xanh tuyến C) + D (Xanh tuyến D) Tủ được thiết kế hai mặt: mặt ngoài (bố trí các đèn báo, contact điều khiển) và mặt trong (bố trí các thiết bị điều khiển). Sau đây, chúng tôi xin giới thiệu cụ thể các thiết bị này. - Bố trí các đèn báo nhằm giúp cho người sử dụng quan sát được tất cả tín hiệu đèn tại nút giao thông này. Các đèn bố trí theo pha: Pha 1, pha 2 hay pha 3 (rẽ trái) tính từ trái sang phải theo thứ tự đèn từ trên xuống dưới là: Đèn thập, đèn đỏ, đèn vàng, đèn xanh, đèn đi bộ xanh, đèn đi bộ đỏ ứng với pha đó. Lưu ý đường nào thuộc pha nào, đơn vị sẽ thông báo trước cho người quản lý để dễ xác định. - Ngoài ra, phía dưới mặt tủ này còn bố trí 2 hoặc 3 contact điều khiển chế độ hoạt động của tủ. Tuỳ theo tủ 2 hay 3 pha mà cách bố trí công tắc khác nhau *Tủ hai pha: + Contact 1: ON: tủ hoạt động, xuất tín hiệu điện 220VAC đến từng đèn. OFF: bộ điều khiển chính hoạt động, nhưng không xuất tín hiệu điện 220V đến từng đèn. + Contact 2: T1: tủ hoạt động theo chế độ ưu tiên pha 1, tín hiệu xanh của pha ưu tiên sẽ sáng. AUTO: tủ hoạt động tự động theo chương trình đã lập trình sẵn. T2: tủ hoạt động theo chế độ ưu tiên pha 2, tín hiệu xanh của pha ưu tiên sẽ sáng. + Contact 3: AUTO: tủ hoạt động tự động theo chương trình đã lập trình sẵn. VÀNG: tủ hoạt động theo chế độ cưỡng bức chớp vàng. *Tủ ba pha: + Contact 1: ON: tủ hoạt động, xuất tín hiệu điện 220V đến từng đèn. OFF: bộ điều khiển chính hoạt động, nhưng không xuất tín hiệu điện 220V đến từng đèn. + Contact 3: T3: tủ hoạt động theo chế độ ưu tiên pha 3, tín hiệu xanh của pha ưu tiên sẽ sáng. AUTO: tủ hoạt động tự động theo chương trình đã lập trình sẵn. VÀNG: tủ hoạt động theo chế độ cưỡng bức chớp vàng. + Contact 2: T1: tủ hoạt động theo chế độ ưu tiên pha 1, tín hiệu xanh của pha ưu tiên sẽ sáng. AUTO: tủ hoạt động tự động theo chương trình đã lập trình sẵn. T2: tủ hoạt động theo chế độ ưu tiên pha 2, tín hiệu xanh của pha ưu tiên sẽ sáng. Lưu ý: Contact 3 có thể không lắp tại một số kết cấu của tủ. Cuỡng bức chế độ chớp vàng, ưu tiên pha rẽ trái ít áp dụng nên không ảnh hưởng gì đến hoạt động của hệ thống. Bố trí bộ phận điều khiển trung tâm, các thiết bị bảo vệ của hệ thống. Do đây là những thiết bị quan trọng nên chúng tôi bố trí mặt trong để bảo đảm độ an toàn cao. Các thiết bị , linh kiện được chọn lựa có tính tương thích cao . Mỗi ngõ vào đều có hiển thị Led bên trong ,mỗi ngõ ra đều có hiển thị trạng thái đèn màu . + CB: CB tép, dùng để đóng/ ngắt điện cấp từ điện kế đến tủ điểu khiển. Đồng thời khi có sự cố thì tự động ngắt nguồn hệ thống. Thông số kỹ thuật như sau : - Kích thước (D,R,C): 8Cm x 1,7Cm x 6,5Cm - Dòng bảo vệ ngắn mạch dòng 10A - Giới hạn điện thế : 230v – 400v - Thiết bị được sản xuất bởi công ty GL Hàn Quốc 5.6.2.4. Phương thức hoạt động của tủ: Tủ được lập trình thích hợp với từng nút giao, điều tiết được lưu lượng tại nút giao này. Bố trí pha hợp lý cho cho từng tuyến đường. Hoạt động với các múi giờ: giờ bình thường, giờ cao điểm ( hoặc thấp điểm), giờ chớp vàng. + Giờ bình thường: Trong giờ bình thường (có thể từ 6h-22h) hệ thống hoạt động ở chế độ xanh, vàng, đỏ. + Giờ cao điểm: chương trình đã lập trình sẵn 3 múi giờ cao điểm. Tuỳ từng nút giao mà việc thay đổi thời lượng đèn trong các giờ cao điểm được áp dụng nhất là tại các nút giao có lưu lượng rất lớn tập trung vào giờ đến công sở, hay tan ca hoặc có thể giảm thời lượng đèn trong các giờ thấp điểm. + Giờ chớp vàng: áp dụng vào giờ có lưu lượng thấp từ 22h-6h. Thời gian này thay đổi được tuỳ theo yêu cầu cụ thể từng nút. Việc chuyển sang trạng thái chớp vàng trong múi giờ này vẫn đảm bảo mức cảnh báo cho người qua đường tại nút giao, mà còn giảm lượng tiêu thụ điện không cần thiết, kéo dài tuổi thọ của đèn hơn. Tủ được lập trình sẵn theo 2 chế độ hoạt động: + Chế độ tự động: hoạt động theo chương trình lập trình sẵn. + Chế độ điều khiển bằng tay: Dùng tay tác động công tắc 2 (contact 2) từ Auto sang T1 hoặc T2 để chuyển sang tín hiệu xanh cho tuyến đường cần ưu tiên. Khi đó tín hiệu xanh pha ưu tiên sẽ sáng, cho phép đi với thời lượng theo người điều khiển. Việc ưu tiên chỉ chấm dứt khi người điều khiển chuyển vị trí của contact này về vị trí Auto. Ngoài ra, tủ có thể cưỡng bức chạy chế độ chớp vàng vào bất cứ thời điểm nào. a/ Thao tác chuẩn bị Kiểm tra sơ bộ tủ điều khiển . Kiểm tra nguồn điện cấp. Quan sát lưu lượng tại giao lộ này trước khi đưa hệ thống này vào hoạt động. Đối với tủ có trang bị thêm UPS, cần lưu ý: + Đóng điện cầu dao trong tủ điện kế cấp nguồn cho UPS. b/ Chế độ tự động: Đã qua các thao tác chuẩn bị. Đặt các contact về các vị trí sau: + Contact 1: ở vị trí ON. + Contact 2,3: ở vị trí AUTO. Chuyển CB10A ( CB tép) trong tủ điều khiển sang ON, sau 2 giây hệ thống hoạt động. c/ Chế độ thao tác tay: Khi tủ đang ở chế độ hoạt động tự động, người điều khiển muốn giải toả lưu lượng, hoặc ưu tiên tuyến đường nào thì chỉ cần việc chuyển vị trí Contact 2 từ Auto sang T1 ( tuyến 1) hoặc T2 ( tuyến 2) ứng với tuyến đướng đó. Khi không cần ưu tiên cho tuyến nào nữa thì chuyển Contact 2 này về vị trí Auto, tủ sẽ hoạt động tự động. Người điều khiển cần lưu ý đến thao tác này, nếu không thì tủ vẫn ở trạng thái ưu tiên đó. d/ Tắt tủ điều khiển: Khi không cho hệ thống hoạt động: chuyển vị trí Contact 1 từ ON sang OFF, lúc đó không có tín hiệu ra đến trụ nhưng vẫn có nguồn cấp cho bộ điều khiển chính PLC hoạt động. Khi cần bảo trì, sửa chữa hệ thống muốn an toàn thì chuyển vị trí CB10A trong tủ từ ON sang OFF. Nhưng phải quan sát kỹ lưu lượng tại nút giao này trước khi tắt tủ, nếu mật độ phức tạp phải báo các đơn vị liên quan để bảo đảm an toàn khi tủ ngưng hoạt động. Lưu ý không được tắt tủ quá 72h, nếu quá thời gian này chương trình bị lệch thời gian thực. CHƯƠNG 6 GIẢI PHÁP VÀ QUY MÔ CÔNG TRÌNH 6.1. GIẢI PHÁP KĨ THUẬT 6.1.1. Bố trí đèn tín hiệu Do đặc điểm địa hình các nút giao thông này là một ngã tư,các hướng giao thông tới nút đối xứng qua tâm nút,cho nên việc bố trí tín hiệu điều khiển giao thông là tín hiệu 2 pha: khi tín hiệu tuyến A là đèn xanh các phương tiện được di chuyển,thì ngược lại ở tuyến B (phía vuông góc với tuyến A) thì tín hiệu là đèn đỏ,các phương tiện tham gia giao thông phải dừng lại. Thời gian đặt cho các đèn Xanh,đèn Đỏ của từng nút được điều chỉnh cho phù hợp với lưu lượng phương tiện qua lại nút. 6.1.2.Cột và bố trí đèn *)Cột đèn THGT kiểu A2 -Cột đèn thiết kế cột thép mạ tròn côn dày 4mm,cao 6m:cần vươn kép lắp rời lên cột đèn bằng thép mạ tròn côn dày 3,5mm,tầm vươn 4,2 m. Mặt bích cột đèn lắp với khung móng cột bằng thép tấm dày 12mm, cánh mã gia cường bằng thép tấm dày 8mm -Bố trí lắp đặt hộp đèn: +Trên cần vươn lắp đặt: 03 hộp đèn màu D300(01 hộp đèn hướng ngược với hướng chính lắp đặt trên nhánh bên trái); 02 hộp đèn D300 màu xanh chỉ hướng được rẽ phải, 02 hộp đèn đếm thời gian lùi D300) +Trên cột đứng lắp đặt: 01 hộp đèn 3 màu(màu đỏ D300,màu xanh và màu vàng D200); 01 họp đèn 3 màu D100; 01 hộp đèn D300 màu xanh chỉ hướng ngược rẽ phải. -Vị trí đặt cột đèn: tại tâm của dải phân cách( chi tiết xem tại bản vẽ mặt cắt ngang bố trí cột đèn) *)Cột đèn THGT kiểu B (dành cho người đi bộ) Cột đèn dành cho người đi bộ: Thiết kế cột mạ thép tròn dày 3mm, cao 3,2m Mặt bích lắp với khung móng cột bằng thép tấm dày 10mm, cánh mã gia cường bằng thép dày 6mm. Trên mỗi cột lắp đặt 01 bộ đèn dành cho người đi bộ D300(có hình người màu Xanh – Đỏ) Vị trí đặt cột đèn: cách mép ngoài bó vỉa 0,8m 6.1.3. Móng và khung móng cột đèn Móng các cột đèn chính , thiết kế kích thước 1,0m x 1,0m x 1,2m,các cột đèn dành cho người đi bộ( đèn kiểu B) kích thước : 0,6m x 0.6m x 1,0m; móng đuch bằng bê tông #200,đá 1x2,đáy móng lớp bê tông #100 đá 4x6. Khung móng cột đèn chính thiết kế bằng 4 bu lông M24x1100, hàn nối thành khung bằng thép dẹt 40x4, phần đầu bu lông được mạ kẽm, mỗi bu lông có 2 ê cu và 1 mũ chụp đầu bu lông Khi đúc móng cột thì tiến hành đặt khung móng và đặt ống nhựa luồn cáp, ống nhựa luồn cáp đặt cao hơn mặt móng khoảng 20cm 6.1.4.Đèn chiếu sáng và Hộp đèn Đèn chiếu sáng: Bóng đèn chiếu sáng sử dụng bóng LED phát trực tiếp ra ánh sáng các màu: Xanh, Vàng,Đỏ, moudul vỉ đèn chế tạo theo công nghệ hiện đại bằng mạch inch, có phủ lớp chống nước,bóng đèn nhập ngoại đảm bảo tiêu chuẩn EU Hộp đèn: Bằng nhựa Compozit hoặc bằng thép sơn đen, độ kín của hộp đèn đạt tiêu chuẩn IP54, Bố trí hộp đèn trên cột theo bản vẽ chi tiết. 6.1.5. Tủ điều khiển tín hiệu giao thông: Thiết kế tủ điều khiển tự động bằng PLC S7-200 Siemens – 2 phases, đóng ngắt cho các đèn bằng rơ le bán dẫn. Tủ đặt ngoài trời đảm bảo đọ kín chống buih và nước mưa, vị trí đặt tủ thuận tiện cho viêc vận hành vad điều khiển bằng tay khi cần thiết. Móng tủ đúc bằng bê tông #200 đá 1x2, khi đúc móng đồng thời đặt ống luồn cáp, phần bê tông cai hơn mặt hè 40cm. Các chế độ làm việc: Bằng tay, Tự động,chớp vàng , ưu tiên thông luồng cho 1 tuyến khi cần thiết. Nguồn cung cấp điện cho tủ điều điện lưới dân dụng tần số công nghiệp,điện áp pha 220V, tín hiệu điều khiển từ tủ điện đến cáp hộp có điện áp 220V 6.1.6.Cáp điện + Hình thức đi cáp: cáp luồn trong ống nhựa xoắn HDPE đặt ngầm trong đất, ống nhựa đặt ở độ sâu 0,7m xung quanh đệm lớp cát san lấp dày 30cm, trên đó lấp đất đầm chặt,sau khi đặt ống luồn cáp và kiểm tra cách điện cáp của cáp thì tiến hành lát hè hoàn trả lại nguyên ban đầu. Kỹ thuật lắp đặt ống nhựa phải tuân theo chỉ dẫn của nhà sản xuất về bán kính uốn của ống, các điểm nối ống bằng măng sông và được quấn băng keo đảm bảo khi cáp đặt dưới đất khi bị ngấm nước vào trong ống. Tại những đoạn cáp điện băng qua đường giao thông thì ống nhựa được luồn trong ông thép 90. Ống thép luồn cáp là ống thép đen dầy 5mm,trước khi lắp đặt tại hiện trường ống được quét 1 lớp nhựa bitum cả trong và ngoài thành ống, tại những điểm nối ống phải có măng sông, đường kính ống măng sông phải đảm bảo khe hở nhỏ nhất,chiều dài mỗi đoạn ống măng sông không nhỏ hơn 50cm,ống được đặt gối lên phần hè mỗi đầu 50cm. Đoạn cáp đi trong hào kĩ thuật(đường Lê Hồng Phong hướng về phía ngã sáu) cáp luồn trong ống nhựa xoắn và cố định trên thành của hào kĩ thuật bằng việc khoan sâu vít,bắt chặt bằng cooliee thép không rỉ. +Cáp điều khiển cho đèn chính sử dụng cap Cu/XLPE/PVC 10x2,5; cáp điều khiển cho đèn người đi bộ sử dụng cáp từ cột đèn này đến cột đèn kế tiếp phải là cáp liền không được nối giữa đoạn +Cáp được nối liên hoàn với nhau tại bảng điện cửa cột bằng cầu đấu dây 5A +Cáp cấp nguồn từ tủ điện chiếu sáng đến tủ điều khiển sự dụng cáp Cu/XLPE/PVC 2x6 6.1.7. Nguồn điện Được cấp từ tủ điện chiếu sáng hiện có trên tuyến đang cấp điện cho hệ thống đèn chiếu sáng đường Lê Hồng Phong 6.1.8. Bảo vệ an toàn cho hệ thống Để đảm bao an toàn cho hê thống cấp điện từ tủ điều khiển đến từng cột đèn; tùy theo số lượng cột đèn,chiều dài cáp của từng nút mà hệ thống tiếp địa bảo vệ thiết kế khác nhau.Hệ thống tiếp địa gồm 5 cọc tiếp địa.Cọc tiếp địa bảo vệ thiết kế bằng thép hình L63x63x6 mạ kẽm dài 2,5m,Vị trí đóng cách xa chân cột đèn 2,0m trở lên,dây nối bằng thép tròn 10, các điểm hàn nối phải đảm bảo chắc chắn,điểm nối với chân cột tại vị trí thuận lợi cho việc kiểm tra. Toàn bộ các cọc tiếp dịa được nối với chân cột tại vị trí thuận lợi cho việc kiểm tra. Toàn bộ các cọc tiếp địa được nối liên hoàn với nhau bằng dây đồng trân M10, được đấu nói tại cửa cột của mỗi cột đèn. Điện trở nối đất của hệ thống phải đảm bảo ≤ 10Ω, khi thi công xong phải đo kiểm tra,nếu trị số điện trở nối đất không đạt yêu cầu phải đóng bổ sung cọc tiếp địa đến kia đạt thì thôi. 6.2. QUY MÔ CÔNG TRÌNH Công trình lắp đặt đèn tín hiệu giao thông tại ngã tư Lê Hồng Phong – Nguyễn Bỉnh Khiêm sau khi hoàn thành sẽ đạt được các thông số chính sau -Tổng công suất đặt 975 W -Cột đèn THGT 6m – cần vươn kép 4,2m 4 Cột -Cột đèn THGT 3,2m 8 Cột -Cáp điện Cu/XLPE/PVC 10x2,5 832 m -Cáp điện Cu/XLPE/PVC 4x2,5 324 m -Dây đồng trân M10 767,5 m -Cọc tiếp địa L63x63x6x2,5m 5 Cọc -Tủ điều khiển tự động bằng PLC 1 Tủ -Ống nhựa luồn cáp 40 – 50 755,5 m -Ống thép luồn cáp 90 136 m -Hộp đèn 3 màu 200 & 300 4 Hộp -Hộp đèn 3 màu 300 12 Hộp -Hộp đèn 3 màu lặp lại 100 4 Hộp -Hộp đèn dành cho người đi bộ 300 8 Hộp -Hộp đèn đém lùi 2 màu Xanh – Đỏ 300 8 Hộp -Hộp đèn Xanh rẽ phải 300 12 Hộp 6.3. CÁC THIẾT KẾ CHI TIẾT CHO TUYẾN GIAO THÔNG 6.3.1. Bố trí thiết bị trong tủ điện 6.3.2. Mặt cắt ngang của tuyến giao thông 6.3.3. Bố trí đèn tín hiệu trên cột đèn -kiểu B 6.3.4. Bố trí đèn tín hiệu trên cột đèn-kiểu A2 6.3.5. Móng cột,rãnh cáp & cọc tiếp địa bảo vệ 6.3.6. Kích thước & móng