Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài "Thiết kế, lập trình nhà giữ xe tự động sử dụng PLC S7-200" do sinh viên Ngô Văn Đàm (lớp ĐC1802, ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng) thực hiện năm 2018 dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Đức Minh. Nghiên cứu xuất phát từ thực trạng tốc độ gia tăng phương tiện giao thông cá nhân (đặc biệt là ô tô) vượt xa tốc độ phát triển hạ tầng đô thị tại Việt Nam, dẫn đến sự thiếu hụt quỹ đất trầm trọng dành cho giao thông tĩnh tại các thành phố lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh.

Thực trạng được tác giả làm rõ qua các số liệu thống kê cụ thể:

  • Tại Hà Nội: Tốc độ tăng trưởng lượng ô tô đăng ký đạt 15%/năm. Theo Công ty Khai thác điểm đỗ xe Hà Nội, đơn vị quản lý 129 điểm đỗ xe công cộng với tổng diện tích 22,94 ha, sức chứa 5.863 ô tô (gồm 123 điểm trên hè phố với diện tích 70.430 m² và 6 điểm trong khuôn viên với diện tích 158.984 m²). Hệ thống này mới chiếm 0,45% quỹ đất xây dựng đô thị dành cho giao thông tĩnh và chỉ đáp ứng được 15–20% nhu cầu đỗ xe của thủ đô, trong khi quy hoạch phát triển đô thị đến năm 2010 yêu cầu tỷ lệ này phải đạt 3–5% (tương đương 500–750 ha đất).
  • Tại Thành phố Hồ Chí Minh: Diện tích mặt đường cho mỗi đầu xe ở trạng thái tĩnh giảm mạnh từ 5 m²/xe (năm 1976) xuống còn 1 m²/xe. Khảo sát của Công an TP. Hồ Chí Minh tại Quận 1 cho thấy nhu cầu dừng đỗ ô tô 4 chỗ là 6.700 xe/ngày đêm, nhưng toàn quận chỉ có 6 nhà giữ xe với 432 chỗ đỗ; các tòa cao ốc, khách sạn lân cận đáp ứng thêm khoảng 2.000 chỗ, khiến 2.028 xe mỗi ngày phải di chuyển tìm chỗ hoặc đỗ sai quy định gây ùn tắc giao thông.
  • Hiệu quả sử dụng diện tích: Bãi đỗ xe tự lái thông thường tiêu tốn trung bình 25 m² cho một vị trí đỗ (tính cả diện tích làn đường di chuyển). Trong khi đó, hệ thống nhà giữ xe tự động tận dụng không gian theo phương thẳng đứng hoặc lòng đất, giúp một diện tích mặt đất vốn chỉ chứa 3–4 xe có thể nâng sức chứa lên tới 60 xe, hoặc khu đất chứa 8 xe thông thường có thể lưu trữ đến 100 xe.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm 3 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu tổng quan về sự hình thành, phát triển, cơ chế vận hành và phân loại các dạng hệ thống bãi giữ xe ô tô tự động phổ biến trên thế giới.
  2. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng bãi giữ xe tự động bao gồm phần cơ khí (cơ cấu nâng hạ, khung robot, bàn nâng pallet, thanh trượt, xích truyền động) và các khối mạch điện tử (mạch nguồn máy tính, mạch cầu H dùng MOSFET, mạch cảm biến hồng ngoại, mạch điều chế độ rộng xung PWM dùng IC 555).
  3. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng và ứng dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-200 (CPU 214) để điều khiển hoạt động lưu và trả xe của hệ thống mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ, hệ thống cơ cấu chấp hành và thuật toán điều khiển tự động hóa bãi giữ xe nhiều tầng.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết về các hệ thống đỗ xe thương mại quốc tế kết hợp khảo sát thực trạng bãi đỗ tại Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh; thực nghiệm dừng lại ở việc thiết kế, gia công và lập trình mô hình bãi giữ xe thu nhỏ tại xưởng thực hành Trường Đại học Dân lập Hải Phòng trong thời gian hơn 3 tháng (hoàn thành năm 2018).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công thức kỹ thuật được tác giả vận dụng:

  • Lý thuyết hệ thống lưu kho tự động: Mô hình bãi giữ xe vận hành theo nguyên lý lưu chuyển hàng hóa chính xác của hệ thống kho tự động, trong đó đối tượng lưu trữ là ô tô, được mã hóa theo tầng, gian, dãy và vị trí ô đỗ (Block parkings).
  • Cơ sở tính toán động lực học thang nâng dẫn động cáp kéo:
    • Công suất tĩnh của động cơ khi không sử dụng đối trọng: $$P = \frac{(G_{bt} + G) \cdot v \cdot g \cdot 10^{-3}}{\eta} \quad (\text{kW})$$ Trong đó: $G_{bt}$ là khối lượng buồng thang (kg); $G$ là khối lượng hàng/xe (kg); $v$ là vận tốc nâng (m/s); $g$ là gia tốc trọng trường; $\eta$ là hiệu suất cơ cấu nâng (chọn từ 0,8 trở lên).
    • Công suất tĩnh của động cơ khi có đối trọng:
      • Lúc nâng tải: $P = \left[ \frac{G_{bt} + G}{\eta} - G_{dt} \cdot \eta \right] \cdot v \cdot k \cdot g \cdot 10^{-3}$ (kW)
      • Lúc hạ tải: $P = \left[ \frac{G_{bt} + G}{\eta} + \frac{G_{dt}}{\eta} \right] \cdot v \cdot k \cdot g \cdot 10^{-3}$ (kW) Với $G_{dt}$ là khối lượng đối trọng ($G_{dt} = G_{bt} + \alpha G$, hệ số cân bằng $\alpha$ chọn bằng 0,6 trong tính toán thang máy chung, riêng thang bãi xe chọn $\alpha = 0$); $k$ là hệ số ma sát giữa thanh dẫn hướng và đối trọng ($k = 1 \div 1,5$).
    • Quy chuẩn cơ khí cáp và ròng rọc: Đường kính ròng rọc kéo ($D$) được chọn thỏa mãn điều kiện $D \ge 40 d_{cáp}$ để hạn chế ứng suất dư; tỷ số truyền cáp lựa chọn 1:1 hoặc 2:1; rãnh ròng rọc dạng chữ U hoặc chữ V; trang bị bộ điều tốc ly tâm, thiết bị an toàn kẹp ray định hướng và bộ giảm chấn lò xo/thủy lực.
  • Lý thuyết điện tử công suất và điều khiển:
    • Phân tích chế độ bão hòa của Transistor lưỡng cực (BJT) NPN/PNP; nguyên lý hoạt động của Transistor hiệu ứng trường kim loại - oxit bán dẫn kênh dẫn cảm ứng (E-MOSFET) kênh N và kênh P trong cấu trúc mạch cầu H đảo chiều dòng điện động cơ một chiều (DC).
    • Nguyên lý định thời, nạp xả tụ điện và công thức xác định tần số của IC dao động LM555: $$f = \frac{1}{\ln 2 \cdot (R_1 + 2R_2) \cdot C}$$ Thời gian xung mức cao $T_1 = \ln 2 \cdot (R_1 + R_2) \cdot C$ và thời gian xung mức thấp $T_2 = \ln 2 \cdot R_2 \cdot C$.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành: Hệ thống hóa 7 công nghệ đỗ xe tự động quốc tế và phân tích thực trạng giao thông tĩnh tại Việt Nam.
    • Phương pháp tính toán kỹ thuật: Áp dụng các công thức cơ học nâng chuyển và thông số điện áp, dòng điện định mức từ datasheet linh kiện bán dẫn.
    • Phương pháp thiết kế, chế tạo thực nghiệm: Gia công lắp ráp mô hình cơ khí (robot, mâm trượt, xích, ray); thiết kế và hàn mạch in điện tử (mạch cầu H MOSFET, mạch cảm biến hồng ngoại, mạch PWM); đấu nối phần cứng với bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-200 CPU 214.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thống kê của Công ty Khai thác điểm đỗ xe Hà Nội, Công an TP. Hồ Chí Minh, Sở Quy hoạch Kiến trúc và Sở Giao thông Công chính TP. Hồ Chí Minh; thông số kỹ thuật linh kiện điện tử của hãng International Rectifier (IRF3305, IRF4905) và hãng Siemens (S7-200 CPU 214).

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Trong phần thiết kế và thi công mô hình bãi giữ xe tự động, tác giả đã triển khai đồng bộ các giải pháp về cơ khí, mạch điện tử công suất và giao tiếp logic với bộ điều khiển lập trình.

Phân hệ / Khối chức năng Phần tử / Linh kiện sử dụng Thông số kỹ thuật và vai trò trong hệ thống
Cơ cấu nâng hạ robot Động cơ trục vít - bánh vít Chuyển động nâng hạ buồng thang robot theo phương đứng, có khả năng tự hãm
Cơ cấu di chuyển robot vào/ra Động cơ DC có hộp giảm tốc Truyền động đưa robot tiếp cận ô chứa để cất hoặc lấy xe
Cơ cấu dịch chuyển mâm xe 2 động cơ DC có hộp giảm tốc Dẫn động cơ cấu đẩy pallet sang ô lưu trữ bên trái hoặc bên phải
Cơ cấu dẫn hướng và truyền lực Thanh trượt và dây xích Định hướng chuyển động tịnh tiến và truyền động cơ học cho toàn cụm nâng chuyển
Khối cấp nguồn mô hình Bộ nguồn máy tính (ATX) Cung cấp nguồn 5VDC và 24VDC phi tuyến ổn định cao, có tính năng tự ngắt quá tải
Mạch cầu H đảo chiều 2 MOSFET kênh N IRF3305 và 2 MOSFET kênh P IRF4905 Khóa dưới: IRF3305 ($V_{DSS}=55\text{V}, I_D=75\text{A}, R_{DS(on)}=8\text{m}\Omega, P=330\text{W}$). Khóa trên: IRF4905 ($V_{DSS}=-55\text{V}, I_D=-74\text{A}, R_{DS(on)}=0,02\Omega, P=200\text{W}$)
Mạch kích đệm khóa trên 2 Transistor NPN 2N3904 Phân cực kéo cực G của IRF4905 xuống mức 0V để dẫn bão hòa khi có lệnh kích
Khối cảm biến vị trí Cặp LED thu - phát quang hồng ngoại LED phát trắng ($V_{CC}=5\text{V}, I_{max}=30\text{mA}$); LED thu đen 2 chân mắc phân cực ngược ($V_{CC}=5\text{V}, I_{max}\approx 10\text{mA}$)
Mạch đệm tín hiệu cảm biến Transistor NPN 2SC1815 $V_{CE}=50\text{V}, I_{Cmax}=150\text{mA}$; chuyển đổi trạng thái che khuất quang sang mức áp logic 0V/24V
Mạch tạo xung điều tốc IC định thời LM555 Hoạt động dải áp $2 \div 18\text{V}$, công suất cực đại 600mW; phát xung điều chế độ rộng PWM
Khối điều khiển lập trình Siemens S7-200 (CPU 214) Nhận tín hiệu logic 24V từ cảm biến qua cổng ngõ vào $Ix.x$, phát lệnh qua ngõ ra số $Qx.x$

Nguyên lý vận hành các khối mạch chính:

  • Mạch cầu H dùng MOSFET: Tác giả so sánh 3 phương án mạch đảo chiều động cơ (Relay có nhược điểm đóng cắt chậm, dễ dính tiếp điểm; BJT công suất có nội trở tiếp giáp bão hòa $R_{CE}$ lớn gây nóng và sụt áp; MOSFET chịu dòng cao, tổn hao thấp). Mạch chọn dùng 2 MOSFET kênh N IRF3305 cho nhánh dưới và 2 MOSFET kênh P IRF4905 cho nhánh trên. Tín hiệu điều khiển nhận từ ngõ ra số của PLC S7-200. Khi ngõ điều khiển 2 tác động, transistor Q1 dẫn bão hòa làm cực G của IRF4905 nối xuống 0V (dẫn bão hòa), đồng thời IRF3305 nhánh đối diện mở do chênh áp $U_{GS} = 24\text{V}$, dòng điện chạy qua động cơ theo chiều từ 2 sang 1 về GND làm động cơ quay thuận. Khi ngõ điều khiển 1 tác động, transistor Q2 dẫn bão hòa làm đảo chiều dòng điện từ 1 sang 2, động cơ quay ngược lại.
  • Mạch cảm biến hồng ngoại: Sử dụng cặp LED phát và thu bố trí đối diện. Ở trạng thái bình thường (không có vật cản), tia hồng ngoại chiếu tới LED thu làm điện trở của nó giảm mạnh, tạo điện áp phân cực kích mở transistor 2SC1815 dẫn bão hòa, kéo điện áp ngõ ra $V_{out}$ xuống 0V. Khi xe hoặc mâm pallet di chuyển tới che khuất đường truyền ánh sáng, LED thu ngắt, transistor 2SC1815 khóa hoàn toàn, điện áp ngõ ra nhảy lên mức 24V cấp vào cổng ngõ vào của PLC để xác nhận vị trí tầng hoặc ô đỗ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống nhà giữ xe tự động

Chương này tập trung trình bày bối cảnh thực tiễn, sự hình thành công nghệ và phân loại các hệ thống gara đỗ xe tự động:

  • Lịch sử phát triển: Công nghệ gara nhiều tầng dùng thang máy cơ khí xuất hiện lần đầu năm 1918 tại Mỹ; hệ thống bán tự động phát triển năm 1964 tại Đức và Ý (ứng dụng tại Nhật từ 1975); hệ thống tự động hoàn toàn ra đời năm 1982 tại Đức và được thương mại hóa rộng rãi tại Nhật Bản từ năm 1985. Hiện nay Nhật Bản và Hàn Quốc dẫn đầu thế giới về số lượng bãi đỗ tự động (tại Hàn Quốc, tỷ trọng bãi đỗ ngầm chiếm 67%, bãi đỗ nổi chiếm 33%).
  • Khảo cứu 7 mô hình bãi giữ xe tự động:
    1. Loại thang nâng: Tối ưu diện tích cao, cho phép đỗ 60 xe trên khu đất 48 m² (vốn chỉ chứa 3 xe thông thường), tốc độ nâng đạt 60 m/phút, tích hợp biến tần giảm chấn và tiếng ồn.
    2. Loại tầng di chuyển (hãng KOSTEC): Kết hợp đồng bộ thang nâng và bàn nâng di chuyển, đỗ được 108 xe trên diện tích mặt đất dành cho 18 xe, thích hợp cho hệ thống ngầm quy mô lớn.
    3. Loại thang nâng di chuyển: Dựa trên nguyên lý cần trục xếp dỡ, di chuyển đồng thời theo trục đứng và trục ngang, sức chứa 108 xe trên diện tích của 18 xe.
    4. Loại xoay vòng ngang: Xe được vận chuyển theo hai trục đứng và ngang theo chu trình lập trình trước trên mặt bằng hình vuông hoặc chữ nhật ngầm.
    5. Loại xoay vòng tầng (hãng KOSTEC): Thang nâng chính và phụ hoạt động tuần tự theo chiều ngang, lắp đặt ngầm từ 2 đến 4 tầng hoặc sâu hơn.
    6. Loại xoay vòng trục đứng: Các bàn nâng (pallet) di chuyển xoay vòng 360 độ quanh một trục cố định trên mặt đất, có khả năng đảo chiều quay.
    7. Loại xếp hình (Puzzle parking): Các pallet di chuyển nâng hạ theo phương thẳng đứng và tịnh tiến ngang, lắp tối đa 5 tầng nổi hoặc ngầm, bắt buộc chừa trống một cột để luôn hoán đổi được vị trí pallet khi lấy xe.
  • Quy trình vận hành: Toàn bộ quá trình đưa xe vào bãi mất khoảng 2 phút 30 giây đối với hệ thống nhanh nhất; hệ thống nhận dạng hình học xe, cấp thẻ từ hoặc chìa khóa có mã số vị trí ô và hỗ trợ bàn xoay đầu xe tự động.

Chương 2: Thiết kế và thi công mô hình bãi giữ xe tự động

Chương này trình bày cơ sở tính toán lý thuyết cơ khí thang nâng và toàn bộ quá trình thiết kế, thi công phần cứng mô hình thực nghiệm:

  • Tính toán động lực học phần cơ khí thực tế: Trình bày chi tiết công thức xác định công suất tĩnh động cơ nâng hạ khi không có đối trọng và có đối trọng ($P$), tính khối lượng đối trọng ($G_{dt}$ với hệ số cân bằng $\alpha = 0,6$ cho thang máy thông thường và chọn $\alpha = 0$ cho thang đỗ xe), lựa chọn đường kính ròng rọc lớn hơn 40 lần đường kính cáp kéo, phân tích cơ cấu rãnh ròng rọc chữ U và V, tỷ số truyền cáp 1:1 và 2:1, bộ điều tốc ly tâm cùng cơ cấu hãm an toàn kẹp ray dẫn hướng.
  • Chế tạo phần cơ khí mô hình: Lắp ráp một robot trung chuyển 3 bậc tự do gồm: 1 động cơ DC có hộp giảm tốc kéo robot ra/vào bãi; 1 động cơ trục vít - bánh vít điều khiển nâng hạ robot; 2 động cơ DC có hộp giảm tốc đẩy mâm pallet sang hai bên; dẫn động cơ học thông qua hệ thống thanh trượt định hướng và bộ truyền xích.
  • Thiết kế mạch điện và điều khiển công suất:
    • Khảo sát ưu - nhược điểm của 3 dạng mạch cầu H (Relay, BJT công suất, MOSFET); lựa chọn và thi công mạch cầu H sử dụng 2 MOSFET kênh N IRF3305 và 2 MOSFET kênh P IRF4905, phân cực qua transistor đệm 2N3904.
    • Thiết kế và chế tạo mạch cảm biến quang hồng ngoại thu phát mức áp 24V dùng LED phát trắng 5V, LED thu đen 5V và transistor đóng cắt 2SC1815.
    • Phân tích sơ đồ nguyên lý, cấu tạo bên trong (2 Op-Amp, 1 RS Flip-Flop, 1 transistor xả điện) và công thức xác định chu kỳ dao động của mạch tạo xung PWM dùng IC LM555.

Chương 3: Điều khiển hệ thống sử dụng PLC S7-200

Chương này giới thiệu tổng quan về bộ điều khiển lập trình và cấu hình phần cứng dòng PLC Siemens S7-200:

  • Khái niệm và quá trình phát triển PLC: Thiết bị điều khiển logic khả trình ra đời năm 1968 (hãng General Motors - Mỹ) nhằm khắc phục nhược điểm cồng kềnh, khó sửa chữa, khó thay đổi chức năng của mạng rơle - contactor truyền thống; phát triển ngôn ngữ lập trình giản đồ hình thang (Ladder Diagram) và kết nối truyền thông công nghiệp.
  • Cấu hình phần cứng PLC Siemens S7-200 CPU 214:
    • Thuộc dòng Micro PLC tích hợp sẵn CPU, cổng vào/ra số và bộ nguồn trong một khối; khả năng mở rộng tối đa 7 module chức năng.
    • Hệ thống đèn báo trạng thái trên mặt trước CPU 214: Đèn đỏ SF (System Fault - báo lỗi hệ thống); đèn xanh RUN (báo PLC đang thực thi chương trình); đèn vàng STOP (báo PLC đang dừng); dàn đèn LED xanh chỉ thị trạng thái logic tức thời của các cổng ngõ vào số $Ix.x$ và ngõ ra số $Qx.x$.
    • Cổng truyền thông hỗ trợ giao diện RS-485 và Profibus; công tắc gạt 3 vị trí chọn chế độ làm việc (RUN, STOP, TERM).

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Tổng hợp hệ thống dữ liệu thực trạng giao thông tĩnh tại Hà Nội (129 điểm đỗ xe, 5.863 chỗ đỗ, chỉ đáp ứng 15–20% nhu cầu) và TP. Hồ Chí Minh (Quận 1 thiếu hơn 2.000 chỗ đỗ mỗi ngày), khẳng định tính cấp thiết của công nghệ bãi đỗ xe tự động.
  • Xác lập cơ sở phương pháp luận tính toán động lực học cho thang nâng bãi đỗ xe (công suất kéo, khối lượng đối trọng, tỷ số cáp, ròng rọc dẫn động).
  • Thiết kế, thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng bãi đỗ xe tự động thu nhỏ với cơ cấu truyền động xích, thanh trượt dẫn hướng và robot lấy/cất xe hoạt động bằng 4 động cơ điện một chiều.
  • Xây dựng thành công các khối mạch điện tử công suất và cảm biến tương thích hoàn toàn với cấp điện áp công nghiệp 24VDC: mạch cầu H dòng cao dùng MOSFET IRF3305/IRF4905, mạch cảm biến quang hồng ngoại dùng transistor 2SC1815 và mạch tạo xung điều tốc dùng IC LM555.
  • Xác lập cấu hình phần cứng điều khiển trung tâm trên cơ sở PLC Siemens S7-200 (CPU 214).

Đóng góp của tác giả: Đề tài đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp liên ngành giữa cơ khí nâng chuyển, điện tử công suất bán dẫn và công nghệ điều khiển tự động PLC. Bằng việc chế tạo thành công mô hình vật lý thu nhỏ có đầy đủ chức năng nâng hạ, dịch chuyển robot và chuyển mâm pallet, tác giả đã hiện thực hóa giải pháp công nghệ đỗ xe tự động nhiều tầng, cung cấp một mô hình thực nghiệm trực quan phục vụ nghiên cứu và giảng dạy chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Hệ thống cơ điện mới dừng lại ở quy mô mô hình phòng thí nghiệm, sử dụng bộ nguồn máy tính ATX để cấp điện thay vì hệ thống biến tần công nghiệp và động cơ không đồng bộ ba pha công suất lớn như các bãi đỗ xe thực tế.
  • Chưa tích hợp giao diện vận hành và giám sát người dùng (HMI) hoặc phần mềm SCADA giám sát trên máy tính như phần cơ sở lý thuyết đã đề cập.
  • Văn bản đồ án chưa trình bày chi tiết toàn bộ giản đồ hình thang (Ladder Diagram) và lưu đồ thuật toán điều khiển chu trình tự động hoàn chỉnh của chương trình nạp trên PLC S7-200.

Hướng phát triển đề tài:

  • Nâng cấp cơ cấu chấp hành sang động cơ xoay chiều ba pha điều khiển bằng biến tần để mô phỏng chính xác các chế độ khởi động mềm, hãm dừng êm dịu của thang nâng thực tế.
  • Tích hợp thêm màn hình cảm ứng HMI và phần mềm giám sát trên máy tính nhằm theo dõi số lượng xe, quản lý trạng thái từng ô đỗ và tự động tính cước phí.
  • Mở rộng hệ thống nhận dạng phương tiện tại cửa vào/ra bằng công nghệ thẻ từ RFID hoặc camera quét mã/nhận dạng biển số.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử khi thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về hệ thống kho lưu trữ tự động (AS/RS), mô hình thang máy nâng chuyển và bãi giữ xe nhiều tầng.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao:

  • Sơ đồ nguyên lý và thông số kỹ thuật chi tiết của mạch cầu H đảo chiều động cơ DC sử dụng cặp MOSFET công suất IRF3305 và IRF4905.
  • Thiết kế mạch cảm biến quang hồng ngoại ghép nối ngõ ra transistor mức áp 24V chuẩn hóa với ngõ vào số của PLC.
  • Hệ thống công thức tính chọn công suất động cơ kéo buồng thang và thông số kết cấu ròng rọc - đối trọng cơ khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn mạch cầu H sử dụng MOSFET thay vì dùng Relay hay Transistor BJT để đảo chiều động cơ trong mô hình?

Trong chương 2, tác giả đã phân tích và so sánh kỹ thuật giữa 3 giải pháp: Mạch cầu H dùng Relay có ưu điểm dễ chế tạo và chịu dòng lớn nhưng nhược điểm là tiếp điểm cơ khí đóng cắt chậm, nếu đóng cắt nhanh liên tục sẽ gây dính hoặc hỏng tiếp điểm; mạch cầu H dùng BJT công suất tuy đóng cắt tần số cao tốt nhưng công suất chịu đựng nhỏ, điện trở tiếp giáp bão hòa $R_{CE}$ lớn gây nóng linh kiện và làm sụt áp. Mạch cầu H dùng MOSFET (IRF3305 và IRF4905) khắc phục được hoàn toàn các nhược điểm trên nhờ khả năng chịu dòng cực lớn (lên tới 74A–75A), nội trở dẫn cực máng - cực nguồn cực nhỏ ($R_{DS(on)}$ chỉ từ $0,008 \Omega$ đến $0,02 \Omega$) và dễ phân cực bão hòa bằng điện áp.

2. Tác giả đã tính toán công suất tĩnh của động cơ thang nâng trong trường hợp có đối trọng theo công thức nào?

Theo tính toán của tác giả, công suất tĩnh của động cơ lúc nâng tải khi có đối trọng được xác định theo công thức: $$P = \left[ \frac{G_{bt} + G}{\eta} - G_{dt} \cdot \eta \right] \cdot v \cdot k \cdot g \cdot 10^{-3} \quad (\text{kW})$$ Trong đó $G_{bt}$ là khối lượng buồng thang, $G$ là khối lượng hàng, $G_{dt}$ là khối lượng đối trọng ($G_{dt} = G_{bt} + \alpha G$), $v$ là vận tốc nâng, $g$ là gia tốc trọng trường, $\eta$ là hiệu suất cơ cấu nâng (chọn từ 0,8 trở lên), và $k$ là hệ số ma sát giữa thanh dẫn hướng và đối trọng (thường chọn $k = 1 \div 1,5$).

3. Mạch cảm biến quang hồng ngoại trong mô hình tạo ra mức điện áp 24V tương thích với ngõ vào PLC S7-200 như thế nào?

Mạch sử dụng một cặp LED thu - phát hồng ngoại kết hợp transistor NPN 2SC1815. LED thu được mắc phân cực ngược với nguồn 5V. Khi không có vật cản, ánh sáng hồng ngoại từ LED phát chiếu thẳng vào LED thu làm điện trở của nó giảm xuống, tạo dòng kích phân cực thuận vào cực B của transistor 2SC1815, làm transistor dẫn bão hòa và kéo điện áp ngõ ra $V_{out}$ về 0V. Khi có xe hoặc pallet che chắn giữa hai LED, LED thu ngắt, transistor 2SC1815 ngưng dẫn hoàn toàn, làm điện áp ngõ ra nhảy lên mức 24VDC (lấy từ nguồn 24V treo qua điện trở tải), đưa trực tiếp vào cổng ngõ vào số $Ix.x$ của PLC S7-200.

4. Bãi giữ xe tự động dạng xếp hình (Puzzle parking) có đặc điểm cấu tạo và nguyên lý di chuyển như thế nào?

Theo mô tả ở chương 1, hệ thống đỗ xe dạng xếp hình cho phép lắp đặt tối đa 5 tầng trên mặt đất hoặc ngầm dưới đất. Trong hệ thống này, ô tô được đặt trên các bàn nâng pallet; các pallet có khả năng di chuyển nâng hạ theo phương thẳng đứng và di chuyển ngang. Điểm đặc thù bắt buộc của dạng xếp hình là phải luôn chừa trống một cột (ngoại trừ vị trí cao nhất) để các pallet có không gian dồn dịch sang ngang hoặc nâng hạ khi cần đưa một xe ở tầng trên xuống điểm vào/ra ở tầng thấp nhất.

5. Robot thực hiện việc lấy và cất xe trong mô hình cơ khí sử dụng các loại động cơ cụ thể nào?

Để thực hiện chuyển động 3 chiều trong không gian bãi đỗ, cơ cấu robot của mô hình được trang bị 4 động cơ chuyên dụng:

  • Động cơ kéo robot vào/ra: Sử dụng 1 động cơ DC có hộp giảm tốc.
  • Động cơ kéo robot lên/xuống: Sử dụng 1 động cơ trục vít - bánh vít (đảm bảo khả năng tự hãm khi nâng tải).
  • Động cơ đẩy pallet sang trái/phải: Sử dụng 2 động cơ DC có hộp giảm tốc.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, lập trình nhà giữ xe tự động sử dụng PLC S7-200" của tác giả Ngô Văn Đàm đã giải quyết bài toán giao thông tĩnh đô thị thông qua việc đề xuất và chế tạo hoàn chỉnh mô hình kỹ thuật bãi giữ xe nhiều tầng tự động. Nghiên cứu kết hợp cơ sở tính toán cơ khí thang nâng dẫn động cáp với các mạch điện tử công suất điều khiển bán dẫn (cầu H MOSFET IRF3305/IRF4905, cảm biến hồng ngoại 2SC1815, PWM LM555) và cấu hình điều khiển trung tâm bằng PLC Siemens S7-200 CPU 214. Mô hình phần cứng và hệ thống dữ liệu kỹ thuật trong đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng thực tiễn cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp.