Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông cá nhân, đặc biệt là ô tô, đang tạo ra áp lực nặng nề lên hạ tầng đô thị tại Việt Nam. Theo nội dung đồ án, tốc độ tăng trưởng ô tô đăng ký tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh đạt mức bình quân 15% mỗi năm. Trong khi đó, quỹ đất dành cho giao thông tĩnh tại các đô thị lớn này đang ở mức rất thấp, dẫn đến tình trạng lấn chiếm lòng lề đường, cản trở giao thông và gia tăng nguy cơ tai nạn.

Thực trạng năng lực đáp ứng của các bãi đỗ xe được tác giả dẫn chứng cụ thể qua các số liệu thống kê:

Khu vực Chỉ tiêu thống kê Thực trạng ghi nhận trong văn bản
Hà Nội Điểm đỗ xe công cộng 129 điểm do Công ty Khai thác điểm đỗ xe Hà Nội quản lý (tổng diện tích 22,94 ha; sức chứa 5.863 xe ô tô).
Cơ cấu diện tích bãi đỗ 123 điểm trên hè phố (70.430 m²) và 6 điểm trong khuôn viên (158.984 m²).
Tỷ lệ quỹ đất giao thông tĩnh Đạt 0,45% quỹ đất xây dựng đô thị, chỉ đáp ứng 15% - 20% nhu cầu (quy hoạch đến năm 2010 yêu cầu đạt 3% - 5%, tương đương 500 - 750 ha).
TP. Hồ Chí Minh Diện tích mặt đường/đầu xe tĩnh Giảm xuống còn 1 m²/xe (so với mức 5 m²/xe vào năm 1976).
Áp lực đỗ xe tại Quận 1 Nhu cầu dừng đỗ đạt 6.700 xe ô tô 4 chỗ/ngày đêm; 6 bãi giữ xe công cộng chỉ có 432 chỗ; hệ thống khách sạn, cao ốc đáp ứng khoảng 2.000 chỗ; dẫn đến 2.028 xe phải chạy lòng vòng hoặc đỗ sai quy định.

Đối với các bãi đỗ xe tự lái truyền thống, diện tích chiếm dụng trung bình lên tới 25 m² cho một vị trí đỗ (đã bao gồm diện tích đường lưu thông nội bộ). Ngược lại, giải pháp nhà giữ xe nhiều tầng tự động có thể lưu trữ 60 xe ô tô trên diện tích đất 48 m² (vốn chỉ chứa được 3 đến 4 xe ở bãi thông thường), hoặc chứa đến 100 xe trên diện tích mặt đất dành cho 8 xe.

Xuất phát từ thực tiễn trên, tác giả thực hiện đồ án tốt nghiệp với các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  1. Mục tiêu nghiên cứu: Khảo sát, tính toán thiết kế phần cơ khí, thiết kế thi công mạch điện tử công suất và xây dựng chương trình điều khiển mô hình bãi giữ xe ô tô nhiều tầng tự động bằng thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-200 của hãng Siemens.
  2. Nhiệm vụ nghiên cứu:
    • Khảo sát thực trạng giao thông tĩnh và nguyên lý hoạt động của các hệ thống bãi giữ xe tự động trên thế giới.
    • Thiết lập công thức tính toán tải trọng, lực kéo, đối trọng và công suất động cơ dẫn động cơ cấu nâng chuyển.
    • Thiết kế, lựa chọn linh kiện và chế tạo các mạch điện chức năng: mạch công suất cầu H dùng MOSFET, mạch cảm biến hồng ngoại phát hiện vị trí, mạch điều chế độ rộng xung PWM dùng vi mạch IC 555.
    • Cấu hình phần cứng và lập trình tập lệnh điều khiển trên bộ điều khiển PLC Siemens S7-200 (CPU 214).
  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình bãi giữ xe ô tô tự động và hệ thống điều khiển tự động hóa tích hợp PLC S7-200.
    • Phạm vi không gian: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp chế tạo mô hình thực nghiệm tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng; phạm vi số liệu thực trạng tập trung tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh.
    • Phạm vi thời gian: Đề tài được hoàn thành năm 2018, thời gian nghiên cứu và thực hiện trong hơn 3 tháng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên sự kết hợp giữa kỹ thuật cơ khí nâng chuyển, điện tử công suất bán dẫn và lý thuyết điều khiển lập trình công nghiệp.

Về lý thuyết tính toán nâng chuyển, tác giả áp dụng hệ thống công thức xác định công suất tĩnh truyền động của thang nâng xe:

  • Trường hợp không có đối trọng: $$P = \frac{(G_{bt} + G) \cdot v \cdot g \cdot 10^{-3}}{\eta} \quad (\text{kW})$$
  • Trường hợp nâng tải có đối trọng: $$P = \left[ \frac{G_{bt} + G}{\eta} - G_{dt} \cdot \eta \right] \cdot v \cdot k \cdot g \cdot 10^{-3} \quad (\text{kW})$$
  • Trường hợp hạ tải có đối trọng: $$P = \left[ \frac{G_{bt} + G}{\eta} + \frac{G_{dt}}{\eta} \right] \cdot v \cdot k \cdot g \cdot 10^{-3} \quad (\text{kW})$$
  • Khối lượng của đối trọng: $$G_{dt} = G_{bt} + \alpha G \quad (\text{kg})$$ (Trong đó: $G_{bt}$ là khối lượng buồng thang; $G$ là khối lượng hàng/xe; $v$ là vận tốc nâng; $g$ là gia tốc trọng trường; $\eta$ là hiệu suất cơ cấu nâng, chọn từ 0,8; $k$ là hệ số ma sát giữa thanh dẫn hướng và đối trọng, chọn từ 1 đến 1,5; $\alpha$ là hệ số cân bằng, chọn từ 0,6 trong thang máy thông thường hoặc chọn bằng 0 đối với cơ cấu nâng chuyển bãi xe).

Về lý thuyết điện tử điều khiển và công suất:

  • Lý thuyết mạch cầu H (H-bridge) đảo chiều động cơ dòng điện một chiều (DC): Đánh giá ba cấu trúc chuyển mạch gồm Relay cơ điện, Transistor lưỡng cực (BJT) và Transistor hiệu ứng trường kim loại - oxit - bán dẫn (MOSFET).
  • Lý thuyết mạch thu phát quang học: Ứng dụng cặp linh kiện phát - thu hồng ngoại kết hợp tầng khuếch đại đóng ngắt bằng Transistor NPN 2SC1815 để chuyển đổi tín hiệu vật cản thành mức logic số (0V và 24V).
  • Lý thuyết dao động xung vuông: Ứng dụng vi mạch định thời NE555 tạo xung PWM điều chỉnh điện áp trung bình đặt lên động cơ. Tần số và chu kỳ dao động được xác định theo: $$f = \frac{1}{\ln(2) \cdot (R_1 + 2R_2) \cdot C}$$ $$T = T_1 + T_2 = \ln(2) \cdot (R_1 + R_2) \cdot C + \ln(2) \cdot R_2 \cdot C$$

Về lý thuyết điều khiển tự động: Đồ án dựa trên nền tảng điều khiển logic khả trình của dòng vi điều khiển PLC Siemens Simatic S7-200, hoạt động theo chu kỳ quét (Scan Cycle) gồm đọc ngõ vào (Inputs), thực thi chương trình logic và cập nhật ngõ ra (Outputs).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập và đối chiếu các thông số thống kê giao thông đô thị, phân loại 7 dạng kết cấu nhà giữ xe tự động phổ biến trên thế giới.
  • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán lựa chọn công suất động cơ, tính chọn thông số chịu dòng, chịu áp của linh kiện bán dẫn (IRF3305, IRF4905, 2N3904, 2SC1815, NE555).
  • Phương pháp thực nghiệm - chế tạo mô hình: Lắp ráp kết cấu cơ khí dẫn động bằng thanh trượt, xích kéo, trục vít - bánh vít; thi công mạch in mạch cầu H và mạch cảm biến; đấu nối phần cứng với bộ điều khiển PLC S7-200 (CPU 214).

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm báo cáo thống kê từ Công ty Khai thác điểm đỗ xe Hà Nội, tài liệu khảo sát của Công an và Sở Giao thông Công chính TP. Hồ Chí Minh; bảng thông số kỹ thuật (datasheet) của hãng sản xuất linh kiện bán dẫn International Rectifier và tài liệu hướng dẫn kỹ thuật họ PLC S7-200 của hãng Siemens.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống mô hình bãi giữ xe tự động được thiết kế và triển khai qua ba phân hệ kỹ thuật: cơ khí mô hình, mạch điện tử công suất - giao tiếp và hệ thống điều khiển PLC.

Kết cấu cơ khí mô hình

Hệ thống sử dụng một cơ cấu robot lấy và cất xe hoạt động theo ba bậc tự do:

  • Chuyển động vào/ra của robot: Dẫn động bởi động cơ DC có hộp giảm tốc.
  • Chuyển động nâng/hạ buồng thang robot theo phương đứng: Dẫn động bởi cụm động cơ trục vít - bánh vít nhằm tạo lực giữ và chống trôi khi mất điện.
  • Chuyển động dịch chuyển pallet chứa xe sang trái/phải: Dẫn động bởi 2 động cơ DC có hộp giảm tốc.
  • Cơ cấu truyền động: Sử dụng hệ thống thanh trượt cơ khí định hướng và bộ truyền động dây xích để truyền động lực nâng hạ.

Thiết kế phần điện và mạch công suất

Nguồn cấp cho toàn bộ mô hình sử dụng bộ nguồn máy tính (nguồn ATX). Tác giả lựa chọn nguồn máy tính vì đây là dạng nguồn xung phi tuyến có độ ổn định cao, tích hợp cơ chế bảo vệ tự động ngắt khi xảy ra ngắn mạch hoặc quá tải, đồng thời có khả năng chống nhiễu tốt.

Mạch đảo chiều động cơ sử dụng cấu hình mạch cầu H dùng hoàn toàn bằng MOSFET công suất thay thế cho giải pháp Relay và BJT:

Tiêu chí kỹ thuật Mạch cầu H dùng Relay Mạch cầu H dùng BJT công suất Mạch cầu H dùng MOSFET (Được chọn)
Tốc độ đóng cắt Chậm, có tiếp điểm cơ khí. Nhanh, chuyển mạch bán dẫn. Rất nhanh, tần số đóng cắt cao.
Hiện tượng tiếp điểm/nhiệt Dễ cháy, dính tiếp điểm khi đóng cắt nhanh. Điện trở $R_{CE}$ bão hòa tương đối lớn làm BJT bị nóng. Nội trở $R_{DS(on)}$ rất nhỏ, hạn chế tiêu hao nhiệt.
Khả năng chịu dòng Lớn (phụ thuộc tiếp điểm). Thấp đến trung bình, hạn chế cho tải nặng. Rất lớn, đáp ứng tốt cho tải động cơ dòng cao.
Độ phức tạp mạch kích Đơn giản, kích bằng dòng cuộn hút. Phức tạp, phải tính toán kỹ dòng bazơ $I_B$ để bão hòa. Điều khiển bằng điện áp, phân cực bão hòa thuận tiện.

Cấu hình chi tiết của linh kiện bán dẫn trong mạch cầu H:

  • Nhánh trên (khóa trên): Sử dụng 2 MOSFET kênh P mã hiệu IRF 4905 của hãng International Rectifier ($V_{DSS} = -55\text{V}$, dòng máng liên tục $I_D = -74\text{A}$, điện trở dẫn $R_{DS(on)} = 0,02,\Omega$, công suất tiêu tán $P = 200\text{W}$, điện áp cổng - nguồn $U_{GS} = -20\text{V}$).
  • Nhánh dưới (khóa dưới): Sử dụng 2 MOSFET kênh N mã hiệu IRF 3305 ($V_{DSS} = 55\text{V}$, dòng máng liên tục $I_D = 75\text{A}$, điện trở dẫn $R_{DS(on)} = 8,\text{m}\Omega$, công suất tiêu tán $P = 330\text{W}$, điện áp cổng - nguồn $U_{GS} = +20\text{V}$).
  • Tầng đệm kích: Sử dụng 2 transistor NPN mã hiệu 2N3904 điều khiển cực cổng G của IRF 4905 xuống mức 0V để mở dẫn bão hòa khi có tín hiệu kích ngõ ra từ PLC.

Mạch cảm biến hồng ngoại và điều chế PWM

  • Mạch cảm biến hồng ngoại: Gồm LED phát hồng ngoại vỏ trắng (điện áp làm việc 5V, dòng điện cực đại 30 mA) và LED thu hồng ngoại vỏ đen 2 chân mắc phân cực ngược (điện áp 5V, dòng điện cực đại 10 mA). Khi không có vật cản, LED thu dẫn làm phân cực thuận đưa transistor 2SC1815 ($V_{CE} = 50\text{V}$, $I_{Cmax} = 150\text{mA}$) vào trạng thái dẫn bão hòa, xuất điện áp ngõ ra mức thấp 0V. Khi có vật cản che tia sáng, LED thu tắt, transistor ngưng dẫn, xuất mức điện áp 24V đưa về đầu vào PLC.
  • Mạch PWM dùng IC NE555: Mạch dao động tạo xung vuông với tần số điều chỉnh được qua mạng điện trở - tụ điện ($R_1 = 100,\Omega$, $R_2 = 100,\text{k}\Omega$, tụ nạp xả $C = 10,\mu\text{F}$, tụ chống nhiễu chân số 5 $C_4 = 0,01,\mu\text{F}$), ngõ ra chân số 3 kích mở MOSFET IRF 3305 để điều chỉnh tốc độ động cơ.

Tích hợp điều khiển PLC S7-200

Hệ thống sử dụng khối xử lý trung tâm PLC Siemens S7-200 (CPU 214). Tín hiệu từ các cảm biến hồng ngoại tại các tầng và các ô lưu trữ được kết nối trực tiếp vào các địa chỉ đầu vào số $I_{x.x}$. Chương trình điều khiển xử lý logic trạng thái để kích hoạt các cổng ra số $Q_{x.x}$, điều khiển các khóa bán dẫn của mạch cầu H điều khiển chuyển động nâng hạ và vào ra của hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương này tập trung phân tích bối cảnh áp lực giao thông đô thị và sự cần thiết của giải pháp đỗ xe tự động. Tác giả trình bày lịch sử hình thành từ các hệ thống thang nâng ô tô sơ khai năm 1918 tại Mỹ, đến hệ thống bán tự động năm 1964 tại Đức và Ý, ứng dụng tại Nhật Bản từ 1975, và hệ thống tự động hoàn toàn xuất hiện từ năm 1982 tại Đức.

Tác giả hệ thống hóa và so sánh đặc tính kỹ thuật của 7 mô hình nhà giữ xe tự động:

  1. Hệ thống dạng thang nâng: Sức chứa 60 xe trên diện tích đất của 3 xe (48 m²), vận tốc nâng hạ 60 m/phút, tích hợp biến tần giảm rung chấn.
  2. Hệ thống dạng tầng di chuyển: Cho phép đỗ 108 xe trên diện tích đất 18 xe, kết hợp đồng bộ thang nâng và bàn nâng di chuyển ngầm hoặc nổi.
  3. Hệ thống dạng thang nâng di chuyển: Hoạt động theo nguyên lý cần trục xếp dỡ, di chuyển đồng thời theo trục đứng và trục ngang.
  4. Hệ thống dạng xoay vòng ngang: Phù hợp với mặt bằng hình chữ nhật nhiều tầng ngầm, đưa xe vào vị trí bằng thiết bị nâng chuyển đa trục.
  5. Hệ thống dạng xoay vòng tầng: Thích hợp cho không gian ngầm hẹp (2 đến 4 tầng ngầm), sử dụng hệ thống bàn nâng chuyển tuần tự.
  6. Hệ thống dạng xoay vòng trục đứng: Các pallet chứa xe xoay 360 độ quanh một trục cố định, cho phép đảo chiều quay để tối ưu thời gian lấy xe.
  7. Hệ thống dạng xếp hình: Bàn nâng chuyển di chuyển nâng hạ thẳng đứng và di chuyển ngang, lắp đặt tối đa 5 tầng trên mặt đất hoặc kết hợp 1 tầng ngầm (yêu cầu để trống một cột để đảo pallet, ngoại trừ tầng cao nhất).

Về mặt vận hành, tác giả nêu rõ quy trình: lái xe đưa ô tô lên bàn nâng, tắt máy, kéo phanh tay; cảm biến đo kích thước xe và hệ thống tự động đưa xe vào vị trí đỗ trong thời gian nhanh nhất khoảng 2,5 phút; cấp thẻ/chìa khóa mã số cho người dùng.

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

Nội dung chương này trình bày chi tiết hai mảng: lý thuyết tính toán thiết bị nâng chuyển thực tế và thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm.

Ở mảng tính toán kỹ thuật thực tế, tác giả thiết lập công thức xác định lực kéo, công suất động cơ buồng thang, lựa chọn tỷ số quấn cáp (1:1 hoặc 2:1), đường kính rãnh puly quấn cáp (đường kính ròng rọc lớn hơn 40 lần đường kính cáp; rãnh chữ U yêu cầu quấn cáp kép "double wrap", rãnh chữ V dùng quấn cáp đơn "single wrap"). Khối lượng đối trọng tính toán đảm bảo giảm tải trọng trung bình tác động lên động cơ thang kéo. Tác giả cũng mô tả chức năng của bộ điều tốc ly tâm đỉnh ray, bộ hãm từ, cơ cấu kẹp ray an toàn và bộ giảm chấn (bộ giảm chấn lò xo cho tốc độ thấp, giảm chấn thủy lực cho tốc độ cao).

Ở mảng thi công mô hình, tác giả tập trung vào thiết kế phần cứng điện tử:

  • Lựa chọn nguồn máy tính làm nguồn động lực chính.
  • Phân tích nguyên lý tiếp giáp P-N và chế độ bão hòa của transistor lưỡng cực BJT, transistor trường MOSFET.
  • Thiết kế mạch in và mạch nguyên lý cầu H dùng cặp MOSFET IRF 4905 và IRF 3305, tích hợp tầng kích 2N3904.
  • Thiết kế mạch cảm biến hồng ngoại dùng LED thu phát quang học và transistor 2SC1815, giải thích cơ chế phân cực ngược của LED thu để điều khiển đóng ngắt.
  • Thiết kế mạch tạo xung PWM sử dụng vi mạch IC 555, phân tích cấu tạo gồm 2 bộ so sánh OPAMP, Flip-Flop RS, transistor xả điện và cầu phân áp 3 điện trở bằng nhau để định mức so sánh 1/3 VCC và 2/3 VCC.

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

Chương này tập trung vào giải pháp tự động hóa bằng PLC S7-200 của hãng Siemens. Tác giả phân tích quá trình tiến hóa của hệ thống điều khiển công nghiệp từ mạch relay cồng kềnh (năm 1968 do General Motors khởi xướng) sang bộ điều khiển khả trình đầu tiên năm 1969, tiêu chuẩn hóa ngôn ngữ giản đồ bậc thang (Ladder).

Nội dung đi sâu vào kiến trúc phần cứng của PLC Siemens S7-200 (khối CPU 214):

  • Cấu trúc module tích hợp gồm khối nguồn, CPU và các đầu vào/ra số. Khả năng mở rộng tối đa lên đến 7 module chức năng.
  • Cổng truyền thông hỗ trợ chuẩn nối tiếp RS-485 và giao thức Profibus.
  • Hệ thống đèn báo trạng thái trên mặt máy: Đèn đỏ SF (System Fault - báo lỗi hệ thống), đèn xanh RUN (PLC đang thực thi chương trình), đèn vàng STOP (PLC đang dừng), cùng hệ thống đèn LED xanh chỉ thị trạng thái logic tức thời của các cổng vào $I_{x.x}$ và cổng ra $Q_{x.x}$.
  • Công tắc gạt chọn 3 chế độ vận hành vật lý: RUN, TERM và STOP.
  • Phân tích cấu trúc bộ nhớ, vùng đối tượng dữ liệu và tập lệnh lập trình điều khiển logic, tập lệnh xuất nhập cơ bản và lệnh làm tròn ROUND phục vụ xử lý tín hiệu điều khiển trong hệ thống bãi xe.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

  • Tổng hợp hệ thống dữ liệu chi tiết về thực trạng thiếu hụt diện tích giao thông tĩnh tại Hà Nội (chỉ đạt 0,45% đất xây dựng đô thị) và TP. Hồ Chí Minh (1 m² mặt đường/xe tĩnh).
  • Thiết lập hệ thống công thức giải tích tính toán công suất tải cơ cấu nâng chuyển, lựa chọn đối trọng và thông số tỷ số cáp cho thang nâng ô tô.
  • Chế tạo thành công mô hình bãi đỗ xe tự động với cơ cấu robot vận hành 3 bậc tự do thông qua động cơ DC giảm tốc và động cơ trục vít - bánh vít.
  • Thiết kế và thi công hoàn chỉnh bo mạch công suất cầu H ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất MOSFET (IRF 3305 chịu dòng 75A, IRF 4905 chịu dòng 74A), giải quyết triệt để nhược điểm dính tiếp điểm của Relay cơ khí và hiện tượng phát nhiệt cao của BJT.
  • Chế tạo mạch cảm biến quang hồng ngoại cho tín hiệu ổn định ở hai mức điện áp 0V và 24V, ghép nối an toàn với các kênh vào số của PLC.
  • Xây dựng giải pháp điều khiển hoàn chỉnh trên nền tảng PLC Siemens S7-200 CPU 214, điều khiển chính xác các chuyển động nâng hạ và trung chuyển xe vào vị trí đỗ.

Đóng góp chính của đề tài là xây dựng thành công một mô hình thực nghiệm khép kín từ khâu tính toán kết cấu cơ khí, chế tạo phần cứng điện tử công suất đến lập trình điều khiển PLC công nghiệp, làm cơ sở chứng minh tính khả thi của giải pháp bãi đỗ xe nhiều tầng tự động nhằm giải quyết bài toán giao thông tĩnh tại các đô thị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Nghiên cứu dừng lại ở cấp độ mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm; nguồn động lực sử dụng nguồn máy tính ATX và các động cơ DC công suất nhỏ, chưa thử nghiệm trên tải trọng thực tế của xe ô tô nguyên bản.
  • Chưa tích hợp đầy đủ hệ thống quản lý giao tiếp người dùng hoàn chỉnh trên mô hình (như đầu đọc thẻ từ RFID, trạm thanh toán tự động, màn hình cảm ứng HMI hay camera nhận dạng biển số xe như các hệ thống thực tế được nêu trong tổng quan).

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng thuật toán lập trình trên PLC nhằm tối ưu hóa hành trình di chuyển ngắn nhất khi có nhiều yêu cầu gửi và lấy xe diễn ra đồng thời.
  • Nghiên cứu ứng dụng biến tần và động cơ không đồng bộ ba pha công suất lớn cho cơ cấu nâng thang trên mô hình quy mô bán công nghiệp.
  • Thiết kế giao diện giám sát, thu thập dữ liệu (SCADA/HMI) kết nối PLC với máy tính quản lý để hiển thị trực quan trạng thái từng ô đỗ xe và lưu trữ lịch sử ra vào.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Giao thông:

  • Giá trị về mạch điện tử công suất: Cung cấp chi tiết sơ đồ nguyên lý, thông số linh kiện và mạch in của mạch cầu H dùng MOSFET công suất cao (IRF4905/IRF3305) và mạch cảm biến hồng ngoại 24V công nghiệp.
  • Giá trị về tính toán cơ khí nâng chuyển: Cung cấp hệ thống công thức giải tích chuẩn xác tính toán công suất tĩnh động cơ kéo thang, lực căng cáp và khối lượng đối trọng.
  • Giá trị về tích hợp hệ thống: Là tài liệu hướng dẫn từng bước về phương pháp ghép nối phần cứng ngoại vi (cảm biến, mạch kích bán dẫn) với các cổng vào/ra của PLC Simatic S7-200.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ diện tích đất dành cho giao thông tĩnh tại Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh được đồ án ghi nhận là bao nhiêu?
Tại Hà Nội, tổng diện tích các điểm đỗ xe công cộng là 22,94 ha (5.863 chỗ đỗ), chỉ đạt 0,45% quỹ đất xây dựng đô thị, đáp ứng được 15% - 20% nhu cầu đỗ xe (trong khi quy hoạch phê duyệt yêu cầu 3% - 5%, tức 500 - 750 ha). Tại TP. Hồ Chí Minh, diện tích mặt đường cho mỗi đầu xe ở trạng thái tĩnh giảm xuống chỉ còn 1 m²/xe (so với mức 5 m²/xe vào năm 1976).

2. Vì sao tác giả chọn mạch cầu H dùng MOSFET thay vì dùng Relay hay BJT công suất?
Mạch cầu H dùng Relay có tiếp điểm cơ khí nên đóng cắt chậm, dễ gây dính tiếp điểm hoặc hư hỏng khi đảo chiều liên tục. Mạch dùng BJT có công suất nhỏ và điện trở tiếp giáp $R_{CE}$ khi bão hòa tương đối lớn khiến linh kiện bị nóng. MOSFET có khả năng chịu dòng rất lớn (IRF3305 chịu dòng 75A, IRF4905 chịu dòng 74A), công suất tiêu tán cao, nội trở dẫn $R_{DS(on)}$ rất bé (từ 8 m$\Omega$ đến 0,02 $\Omega$) và điều khiển bằng điện áp dễ bão hòa.

3. Cơ cấu cơ khí của mô hình bãi giữ xe sử dụng những loại động cơ nào?
Mô hình sử dụng: một động cơ DC có hộp giảm tốc để kéo robot di chuyển vào ra; một động cơ trục vít - bánh vít để nâng hạ robot buồng thang theo phương đứng; và hai động cơ DC có hộp giảm tốc để đẩy pallet chứa xe sang trái và sang phải.

4. Mạch cảm biến hồng ngoại tạo ra các mức điện áp logic như thế nào để đưa vào PLC?
Mạch sử dụng nguồn 5V cho cụm thu - phát và 24V cho mạch ngõ ra qua transistor đệm 2SC1815. Khi có tín hiệu hồng ngoại (không có vật cản), transistor dẫn bão hòa đưa ngõ ra về mức 0V. Khi có xe hoặc pallet che chắn tia hồng ngoại, LED thu ngưng dẫn làm transistor ngắt, ngõ ra đạt mức điện áp 24V đưa trực tiếp vào ngõ vào số của PLC S7-200.

5. Hệ số cân bằng đối trọng $\alpha$ được tác giả chọn bằng bao nhiêu khi tính toán thang nâng bãi xe?
Trong công thức tính khối lượng đối trọng $G_{dt} = G_{bt} + \alpha G$, đối với thang máy thông thường hệ số $\alpha$ được chọn từ 0,6; tuy nhiên trong hệ thống thang máy chuyên dùng chở xe của bãi đỗ xe tự động, tác giả chọn $\alpha = 0$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Ngô Văn Đàm đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế và chế tạo mô hình bãi giữ xe nhiều tầng tự động điều khiển bằng PLC Siemens S7-200 CPU 214. Tác giả đã kết hợp thành công cơ cấu nâng chuyển cơ khí đa hướng, mạch điện tử công suất MOSFET chịu dòng cao và hệ thống cảm biến quang học tương thích mức logic 24V công nghiệp. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở kỹ thuật thực nghiệm vững chắc, chứng minh tính hiệu quả và tiềm năng ứng dụng của hệ thống đỗ xe tự động nhằm tối ưu hóa diện tích giao thông tĩnh tại các đô thị lớn ở Việt Nam.