Ứng dụng PLC Siemens thiết kế hệ thống đèn giao thông thời gian thực (Đồ án ĐH Điện Lực)

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống đèn giao thông thời gian thực bằng PLC Siemens. Báo cáo đầy đủ, chi tiết cho sinh viên.

• 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 Đồ án Điều khiển Đèn Giao thông bằng PLC Siemens

Đồ án điều khiển đèn giao thông bằng PLC Siemens là một dự án học tập quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển công nghiệp. Hệ thống đèn giao thông thời gian thực được thiết kế nhằm giải quyết các vấn đề về kẹt xe và tắc đường trên các tuyến đường lớn, đặc biệt vào những khung giờ cao điểm. Sử dụng bộ điều khiển PLC S7-1200 từ Siemens, dự án này cung cấp giải pháp hiệu quả để tối ưu hóa luồng giao thông. Đây là một ứng dụng thực tiễn của công nghệ kỹ thuật điều khiển, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về cách triển khai các hệ thống tự động hóa trong thực tế.

1.1. Định nghĩa và Tầm quan trọng của Hệ thống Đèn Giao thông

Hệ thống đèn giao thông là công trình quan trọng trong quản lý giao thông đô thị hiện đại. Hệ thống điều khiển đèn giao thông thời gian thực giúp điều tiết luồng xe cơ, tối ưu thời gian chờ đợi và giảm tai nạn giao thông. Việc sử dụng PLC Siemens trong điều khiển đèn giao thông cho phép tự động hóa hoàn toàn, tăng hiệu quả vận hành và giảm chi phí nhân công.

1.2. Lý do Chọn Đề tài và Mục tiêu Nghiên cứu

Tình hình giao thông tại Việt Nam ngày càng căng thẳng với tình trạng kẹt xe liên tục trên các tuyến đường chính. Đề tài này được chọn nhằm thiết kế một mô hình điều khiển đèn giao thông tự động dựa trên công nghệ PLC S7-1200. Mục tiêu là phát triển kỹ năng thực hành và cung cấp giải pháp công nghệ hiệu quả cho bài toán giao thông thực tế.

II. Cơ sở Lý thuyết về PLC Siemens S7 1200

PLC Siemens S7-1200 là một bộ điều khiển lập trình được phát triển bởi công ty Siemens, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp. Thiết bị này cung cấp khả năng xử lý tín hiệu mạnh mẽ, giao tiếp PROFINET hiện đại, và tính tin cậy cao trong môi trường làm việc khắc nghiệt. PLC S7-1200 có bộ nhớ lớn, hỗ trợ lập trình đa ngôn ngữ như SCL, Ladder, và chuẩn IEC 61131-3. Nó đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng điều khiển thời gian thực như hệ thống đèn giao thông, vì có khả năng xử lý nhanh chóng và giao tiếp nhanh qua các giao diện chuẩn công nghiệp.

2.1. Đặc điểm Kỹ thuật của PLC S7 1200

PLC S7-1200 sở hữu các thông số kỹ thuật nổi bật: CPU xử lý nhanh, bộ nhớ có sẵn từ 25KB đến 1MB, hỗ trợ tối đa 40 khối chức năng. Thiết bị tích hợp analog input/output, digital input/output linh hoạt. Giao diện PROFINET cho phép kết nối mạng mạnh mẽ với các thiết bị khác, đạt tốc độ truyền dữ liệu lên đến 100Mbps.

2.2. Giao diện PROFINET và Kết nối Mạng

PROFINET là chuẩn giao tiếp công nghiệp Ethernet tiên tiến, cho phép PLC S7-1200 kết nối với các thiết bị ngoại vi và màn hình HMI một cách hiệu quả. Công nghệ này hỗ trợ thời gian thực, truyền dữ liệu nhanh và đáng tin cậy, rất phù hợp cho các ứng dụng điều khiển tầm cao như hệ thống giao thông.

III. Thiết kế Mô hình Điều khiển Đèn Giao thông Thời gian Thực

Mô hình điều khiển đèn giao thông thời gian thực được thiết kế dựa trên logic điều khiển tự động của PLC S7-1200. Hệ thống bao gồm 3 đèn giao thông (xanh, vàng, đỏ) được điều khiển theo chu kỳ thời gian cố định hoặc thích ứng theo lưu lượng xe. Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ Ladder hoặc SCL trong TIA Portal. Cảm biến phát hiện xe được kết nối vào các input digital của PLC để thu thập dữ liệu giao thông thực tế. Hệ thống điều khiển có thể hiển thị trạng thái qua HMI WinCC để giám sát và quản lý. Giao tiếp PROFINET cho phép tích hợp với các hệ thống điều khiển khác.

3.1. Sơ đồ Khối và Cấu trúc Hệ thống

Hệ thống gồm ba thành phần chính: PLC S7-1200 đóng vai trò bộ xử lý trung tâm, các đèn giao thông được kết nối vào output module, và cảm biến phát hiện xe kết nối vào input module. Giao diện PROFINET cho phép kết nối với màn hình HMI để giám sát thực thi. Cấu trúc này đảm bảo luồng dữ liệu rõ ràng từ cảm biến → PLC → đèn điều khiển.

3.2. Lập trình Điều khiển và Thuật toán

Chương trình điều khiển sử dụng logic trạng thái để quản lý các giai đoạn đèn xanh, vàng, đỏ. Thuật toán dựa trên timer và counter để xác định thời gian chuyển đèn. Ngôn ngữ SCL hoặc Ladder được sử dụng để lập trình PLC, đảm bảo tính dễ bảo trì và dễ sửa đổi trong tương lai.

IV. Ứng dụng Thực tế và Phát triển Tương lai

Dự án điều khiển đèn giao thông bằng PLC Siemens có ứng dụng trực tiếp trong các thành phố lớn tại Việt Nam, giúp giảm tắc đường và cải thiện lưu thông giao thông. Hệ thống có thể được mở rộng để điều khiển nhiều ngã tư thông qua kết nối mạng PROFINET. Tích hợp AI và machine learning có thể giúp tối ưu hóa thời gian chuyển đèn dựa trên mô hình lưu lượng giao thông. Giao diện HMI WinCC cho phép quản lý tập trung cho toàn bộ hệ thống giao thông thành phố. Những hướng phát triển này sẽ tạo ra giải pháp giao thông thông minh cho tương lai không xa.

4.1. Lợi ích và Hiệu quả Kinh tế

Hệ thống điều khiển tự động giúp giảm chi phí nhân công, tiết kiệm năng lượng so với điều khiển thủ công. Giảm thời gian chờ đợi của xe cơ sẽ giảm tiêu hao xăng dầu và khí thải. Giảm tai nạn giao thông mang lại lợi ích xã hội to lớn. Khả năng bảo trì từ xa qua PROFINET giúp tiết kiệm chi phí vận hành.

4.2. Hướng Phát triển và Các Nghiên cứu Tiếp theo

Tích hợp IoT có thể cho phép thu thập dữ liệu giao thông qua cảm biến thông minh. Hệ thống điều khiển thích ứng sử dụng thuật toán học máy để tự tối ưu hóa thời gian chuyển đèn. Dự đoán tắc đường dựa trên dữ liệu lịch sử sẽ giúp quyết định trước về điều phối giao thông. Kết nối V2I (Vehicle-to-Infrastructure) mở ra tương lai giao thông thông minh.

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 17 những năm đó. Ông thấy cần có tiêu chuẩn thống nhất để hệ thống tín hiệu sẵn có hoạt động hiệu quả.

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).

18  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 19 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 20 đếm đến "0" (hoặc 1) là lập tức chuyển màu đèn chính. Đèn đếm lùi có thể có số 0 ở hàng chục 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.