Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống đèn giao thông bằng PLC S7-1200

Tải đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống đèn giao thông thời gian thực sử dụng PLC Siemens S7-1200. Báo cáo chi tiết và đầy đủ các nội dung.

• Tác giả: Nguyễn Đình Đức
• Người hướng dẫn: Thạc sĩ Nguyễn Anh Hoa
• Trường học: Trường Đại học Điện lực
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Ứng dụng bộ điều khiển PLC Siemens thiết kế hệ thống đèn giao thông thời gian thực
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Đèn Giao thông PLC Siemens

Hệ thống đèn giao thông thời gian thực là một trong những ứng dụng quan trọng của công nghệ tự động hóa trong quản lý giao thông hiện đại. Việt Nam hiện đang đối mặt với tình trạng kẹt xe nghiêm trọng trên các tuyến đường chính, đặc biệt vào các khung giờ cao điểm. PLC Siemens S7-1200 là bộ điều khiển lập trình được thiết kế đặc biệt để điều khiển các hệ thống đèn giao thông một cách hiệu quả và chính xác. Đồ án này tập trung vào việc thiết kế và xây dựng mô hình đèn giao thông thời gian thực sử dụng công nghệ PLC tiên tiến, giúp tối ưu hóa luồng giao thông và giảm tình trạng ùn tắc.

1.1. Định nghĩa Hệ thống Đèn Giao thông

Hệ thống đèn giao thông là tập hợp các thiết bị điều khiển dùng để quản lý luồng giao thông tại các ngã tư, giao lộ. Hệ thống này bao gồm các đèn báo hiệu (xanh, vàng, đỏ) hoạt động theo các chu kỳ thời gian được lập trình sẵn. Mục tiêu chính là đảm bảo an toàn giao thông, giảm thiểu tai nạn và tối ưu hóa khả năng thông hành của các phương tiện.

1.2. Tầm quan trọng của Tự động hóa Giao thông

Tự động hóa giao thông sử dụng bộ điều khiển PLC giúp giảm can thiệp của con người, nâng cao độ chính xác và hiệu quả. Hệ thống tự động có khả năng điều chỉnh thời gian đèn dựa trên lưu lượng giao thông thực tế, góp phần giảm thời gian chờ đợi và cải thiện tình trạng giao thông đô thị.

II. Công nghệ PLC Siemens S7 1200 trong Hệ thống Giao thông

PLC Siemens S7-1200 là bộ điều khiển lập trình compact, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp và giao thông. Bộ điều khiển này cung cấp khả năng kết nối mạng thông qua giao thức PROFINET, cho phép truyền thông liên lạc nhanh và đáng tin cậy giữa các thiết bị. S7-1200 sở hữu bộ nhớ lớn, tốc độ xử lý nhanh và hỗ trợ nhiều loại input/output khác nhau. Những đặc điểm này làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho thiết kế hệ thống đèn giao thông thời gian thực, nơi mà độ chính xác và tính ổn định là yếu tố then chốt.

2.1. Đặc điểm Kỹ thuật của PLC S7 1200

PLC Siemens S7-1200 được trang bị vi xử lý mạnh mẽ, bộ nhớ lớn (đến 100KB), và hỗ trợ lập trình trong nhiều ngôn ngữ chuẩn IEC 61131-3. Khả năng kết nối mạng PROFINET cho phép tốc độ truyền tải dữ liệu cao, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu phản ứng nhanh như điều khiển đèn giao thông.

2.2. Giao thức Kết nối PROFINET

PROFINET là tiêu chuẩn kết nối công nghiệp cho phép các thiết bị trao đổi dữ liệu thời gian thực qua mạng Ethernet. Hệ thống đèn giao thông PLC sử dụng PROFINET có thể kết nối với các cảm biến phát hiện giao thông, camera giám sát và trung tâm quản lý giao thông, tạo nên một hệ thống thông minh và liên kết.

III. Thiết kế và Xây dựng Mô hình Đèn Giao thông Thời gian Thực

Quá trình thiết kế mô hình đèn giao thông thời gian thực bao gồm nhiều giai đoạn quan trọng: phân tích yêu cầu, thiết kế sơ đồ điều khiển, lập trình PLC Siemens, xây dựng phần cứng và kiểm thử. Mô hình này được thiết kế để điều khiển ba đèn giao thông chính (đỏ, vàng, xanh) với các chu kỳ thời gian được lập trình linh hoạt. Hệ thống sử dụng các cảm biến phát hiện để đo lưu lượng giao thông, từ đó PLC có thể điều chỉnh thời gian đèn một cách thông minh. Giao diện giám sát được xây dựng bằng WinCC cho phép người vận hành theo dõi và kiểm soát hệ thống từ xa.

3.1. Sơ đồ Cấu trúc Hệ thống

Sơ đồ hệ thống bao gồm: PLC S7-1200 làm core điều khiển, các module input/output kỹ thuật số để điều khiển đèn LED, cảm biến cảm ứng phát hiện giao thông, giao diện HMI bằng WinCC, và mạng PROFINET kết nối các thành phần. Thiết kế modular cho phép mở rộng hệ thống cho nhiều ngã tư khác nhau.

3.2. Lập trình Logic Điều khiển

Chương trình PLC được viết bằng ngôn ngữ Structured Text (ST) và Ladder Logic. Logic điều khiển thực hiện các chức năng: quản lý chu kỳ đèn giao thông, phát hiện xung đột giao thông, điều chỉnh thời gian dựa trên tín hiệu cảm biến, và các chức năng an toàn như chế độ ưu tiên cho xe cứu thương.

IV. Ứng dụng Thực tiễn và Hướng Phát triển

Hệ thống đèn giao thông PLC Siemens được thiết kế có khả năng ứng dụng thực tiễn cao tại các ngã tư, giao lộ phức tạp ở các thành phố lớn. Với công nghệ tự động hóa và kiểm soát thời gian thực, hệ thống này có thể giảm đáng kể thời gian chờ đợi của các phương tiện, tăng cường an toàn giao thông và giảm phát thải khí carbon. Trong tương lai, hệ thống có thể được nâng cấp để tích hợp với công nghệ AI, dữ liệu lớn (Big Data) và giao thông thông minh (Smart Traffic), cho phép điều khiển toàn bộ mạng giao thông của một thành phố một cách tối ưu.

4.1. Lợi ích Kinh tế và Xã hội

Triển khai hệ thống đèn giao thông thông minh sử dụng PLC Siemens mang lại nhiều lợi ích: giảm thời gian kẹt xe, tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao an toàn giao thông. Hệ thống cũng giảm chi phí vận hành so với các phương pháp điều khiển thủ công, do đó có hiệu quả kinh tế cao.

4.2. Hướng Phát triển Tương lai

Các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm: tích hợp machine learning để tự học mô hình giao thông, kết nối với IoT sensors hiện đại, phát triển ứng dụng mobile cho người dùng, và xây dựng hệ thống quản lý giao thông thông minh toàn thành phố sử dụng edge computing và cloud technology.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. Khái quát định nghĩa hệ thống đèn giao thông a. Khái niệm Đèn giao thông (còn được gọi tên khác là hệ thống đèn tín hiệu giao thông, đèn điều khiển giao thông, hay đèn xanh đèn đỏ) 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 tín hiệu giao thông có thể hoạt động tự động hay cảnh sát giao thông điều khiển. Lịch sử Chỉ dành cho tàu hỏa Ra đời trước ô tô, đèn tín hiệu ban đầu chỉ dành cho tàu hỏa.

Lúc đầu, nó thắp sáng bằng khí gas. Sau 43 năm chúng chạy bằng điện nhưng vẫn cần người điều khiển cho tới khi hoàn toàn tự động vào năm 1950. Ban đầu tín hiệu giao thông chưa có đèn vàng và thay nó là chiếc còi hú vang khi cần. Lịch sử đèn tín hiệu có từ tháng 10 năm 1868, khi người ta đặt hệ thống đèn ngay bên tòa nhà quốc hội Anh ở Luân Đôn.

Chúng lắp ở đây để báo hiệu cho những đoàn tàu đi ngang qua. Trên cây cột hình khuỷu tay có hai chiếc đèn: một màu đỏ và một màu xanh dùng cho ban đêm. Đèn đỏ nghĩa là dừng lại còn đèn xanh là chú ý. Tháng 8 năm 1914, công ty tín hiệu giao thông ra đời tại Mỹ và chịu trách nhiệm lắp đèn tại các ngã tư bang Ohio.

Điều đặc biệt là khi đó đèn tín hiệu vẫn chưa có đèn vàng nên khi chuyển trạng thái, cảnh sát lại bấm chiếc còi hú vang báo cho các lái xe biết. Đèn tín hiệu 3 màu (Từ năm 1920 đến nay) Đến năm 1920, đèn tín hiệu mới có đủ ba màu: đỏ, vàng, xanh; do sĩ quan cảnh sát Williams Posst, sống tại thành phố Detroit sáng chế ra. Năm 1923, Gerrette Morgan đã được nhận bằng phát minh đèn tín hiệu giao thông, mặc dù ông không phải người trực tiếp làm nên cuộc cách mạng đèn tín hiệu hiện đại 4.0 Nguyên nhân dẫn tới phát minh đó của Morgan là do tình trạng tai nạn xảy ra nhiều trên đường phố Mỹ trong những năm đó. Ông thấy cần có tiêu chuẩn thống nhất để hệ thống tín hiệu sẵn có hoạt động hiệu quả.

16 Sau nhiều năm nghiên cứu, Morgan thiết kế ra cột đèn hình chữ T. Trong đó các tín hiệu như: "dừng lại", "đi" và "dừng lại ở tất cả các hướng". Khi đèn báo "dừng lại ở các hướng", người đi bộ mới được phép băng qua đường. Sau năm 1923, hệ thống vẫn phải có người vận hành.

Tính riêng tại thành phố Việt Nam, hơn 100 cảnh sát phải làm việc 16 giờ hàng ngày và tổng tiền lương là 250. Do những khó khăn nói trên, các kỹ sư được lệnh thiết lập và phát triển hệ thống đèn hoạt động tự động. Tuy nhiên gần 20 năm sau, ước mơ đó của các cảnh sát mới trở thành hiện thực. Năm 1950, đèn tín hiệu xanh đỏ được sử dụng rất rộng rãi ở Canada và phát triển nhanh chóng trên thế giới.

Ngày nay, hệ thống đèn tín hiệu hiện đại hơn nhiều, có tính năng đặc biệt là chụp hình những xe vượt đèn đỏ. Bên cạnh đó nhiều nước phát minh hết sức thú vị như đèn 4 chế độ ở Anh, New Zeland, Phần Lan v. Đèn từ đỏ chuyển sang xang và vàng rồi đến đỏ và về lại xanh. Trạng thái xanh và vàng báo cho các lái xe biết rằng đèn đỏ sẽ sáng lên trong một khoảng thời gian rất ngắn nữa.

[1] Hiện nay, tại một số nước trên thế giới đã xuất hiện đèn tín hiệu giao thông có khả năng "biết đếm". Các loại đèn giao thông và ý nghĩa Loại 3 màu (dành cho xe cộ) Loại 3 màu có 3 kiểu: xanh, vàng, đỏ. Tác dụng như sau:  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 (với những quốc gia lưu thông bên phải) hoặc rẽ trái (với những quốc gia lưu thông bên trái) hoặc đi thẳng ở ngã ba theo đèn báo hoặc biển báo rẽ phải (với những quốc gia lưu thông bên phải) hoặc rẽ trái (với những quốc gia lưu thông bên trái) hoặc đi thẳng và những xe được quyền ưu tiên đi làm nhiệm vụ). Tuy nhiên, ở một số quốc gia, với trường hợp những xe rẽ phải (với những quốc gia lưu thông bên phải) hoặc rẽ trái (với những quốc gia lưu thông bên trái) hoặc đi thẳng ở ngã ba theo đèn báo hoặc biển báo rẽ phải (với những quốc gia lưu thông bên phải) hoặc rẽ trái (với những quốc gia lưu thông bên trái) hoặc đi thẳng và những xe được quyền ưu tiên đi làm nhiệm vụ thì nếu hướng đó đang bị ùn tắc, những trường hợp nói trên vẫn phải dừng lại (giống như thể đèn xanh khi mà hướng định đi tới đang bị ùn tắc vẫn phải dừng lại).

17  Xanh: Khi gặp đèn xanh, tất cả các phương tiện được phép đi. Ở một số quốc gia, tín hiệu đèn xanh cũng báo hiệu là được đi, trừ khi hướng định đi tới đang bị ùn tắc nếu tiến vào nút giao sẽ không kịp thoát khỏi nút giao trước khi đèn chuyển màu  Vàng: Đèn vàng là dấu hiệu của sự chuyển đổi tín hiệu từ xanh sang đỏ. 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 hoặc nếu dừng sẽ gây nguy hiểm thì được đi tiếp nhưng phải nhanh chóng cho xe rời khỏi giao lộ. Nếu đèn vàng bật sau đèn đỏ có nghĩa là chuẩn bị đi, người lái xe có thể đi trước hoặc chuẩn bị để đi vì tiếp đó đèn xanh sẽ sáng.

Thông thường đèn xanh bật ngay sau đèn đỏ. Ở một số quốc gia như Đức còn có tín hiệu đèn vàng và đỏ được bật cùng lúc để thông báo cho người điều khiển phương tiện biết sẵn sàng nhấn ga để chạy khi đèn bắt đầu xanh Nếu đèn vàng nhấp nháy ở tất cả các hướng (hoặc không hoạt động) có nghĩa là được đi nhưng người lái xe phải giảm tốc độ, chú ý quan sát, nhường đường cho người đi bộ qua đường hoặc các phương tiện khác. Ở Việt Nam, thường đèn sẽ chuyển sang trạng thái này vào ban đêm (khoảng từ 22h đêm hôm trước đến 6h sáng hôm sau hoặc từ 23h đêm hôm trước đến 5 sáng hôm sau hoặc 0h rạng sáng đầu ngày mới đến 4h45 sáng hôm nay, tùy nơi), riêng phần lớn đèn tín hiệu trong nội đô Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội thì thời gian chuyển sang trạng thái này là từ 0h rạng sáng đầu ngày mới đến 4h45 sáng hôm nay. Ở một số nước phát triển, đôi khi đèn tín hiệu có thể hoạt động 24/24h mà không hoạt động đèn vàng nhấp nháy, tùy mật độ xe ở đó.

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 hay ngược lại (đèn xanh luôn luôn hướng về phía vỉa hè hoặc dải phân cách, đèn đỏ hướng xuống lòng đường). Đèn tín hiệu đặt chiều dọc 18 Loại 2 màu (dành cho người đi bộ) Đèn cho người đi bộ ở Pháp Loại 2 màu có hai màu xanh, đỏ. Tác dụng như sau:  Đỏ: Đèn đỏ có nghĩa là "không được sang đường".

Nó có hình ảnh người màu đỏ đang đứng yên hoặc dòng chữ "dừng lại". Khi gặp đèn đỏ, người đi bộ phải đứng yên trên vỉa hè.  Xanh: Đèn xanh có nghĩa là "được phép sang đường". Nó có hình ảnh người màu xanh đang bước đi hoặc dòng chữ "sang đường".

Khi gặp đèn xanh, người đi bộ được phép sang đường. Khi đèn xanh nhấp nháy (hoặc đèn đỏ nhấp nháy, hoặc đèn xanh lam, hoặc không có đèn,. tùy mỗi quốc gia), nếu đang ở dưới vạch kẻ đường hoặc đang chuẩn bị bước xuống vạch kẻ đường mà nếu dừng sẽ gây nguy hiểm thì được đi tiếp nhưng phải khẩn trương sang nốt quãng đường còn lại. Trường hợp chưa kịp bước xuống vạch kẻ đường để sang đường thì phải dừng lại, chờ lượt đèn xanh tiếp theo.

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, thậm chí được lắp kèm với nút bấm để xin sang đường.[3] Loại 1 màu (đèn chớp vàng) Đây là loại đèn tín hiệu chỉ có duy nhất màu vàng, và thường nhấp nháy để cảnh báo các phương tiện đi chậm và chú ý quan sát ở những nơi giao nhau không có đèn tín hiệu xanh đỏ như bình thường và thường hay xảy ra tai nạn. Loại đèn này hoạt động bằng năng lượng mặt trời nên không bị ngừng hoạt động khi mất điện.

Đèn đếm lùi Đèn đếm lùi là loại đèn lắp đặt bổ sung bên cạnh (hoặc trên đầu hoặc bên dưới) đèn tín hiệu chính. Đèn đếm lùi được hiển thị bằng một con số đếm ngược với những màu sắc khác nhau (thường là đỏ, vàng, xanh), trùng với màu của đèn đang bật. Khi đèn đếm đến "0" (hoặc 1) là lập tức chuyển màu đèn chính. Đèn đếm lùi có thể có số 0 ở hàng chục 19 hoặc không có, một số đèn đếm lùi có khả năng nhấp nháy khi chuẩn bị về 0.

Đèn vàng cũng có thể có đèn đếm lùi nhưng đa số loại đèn không có. Thông thường đèn đếm lùi có 2 chữ số, trường hợp thời gian của đèn chính (thường là đèn đỏ, ít khi đèn xanh) dài hơn 100 giây, tùy vào loại đèn có thể xảy ra các khả năng: 1. Đèn chưa đếm ngược, khi còn 99 giây thì bắt đầu đếm. Trong thời gian chờ, đèn có thể hiển thị là "99", "00", "--" hoặc không hiển thị.