TRẦN THẾ VĂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN THẾ VĂN
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG SỬ
DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
KHOÁ: 2010 - 2012

Hà Nội – Năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN THẾ VĂN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG
SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN THỊ THANH HẢI

Hà Nội – Năm 2012


MỤC LỤC
HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU............................................... ..............- 5 HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ... .............. ................................................- 5 -6
LỜI CAM ĐOAN... ............................................ ................................................- 5 -9
LỜI CẢM ƠN... ............................................... ................................................- 5 -10
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................ - 5 -11
1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................... - 11 2. Lịch sử nghiên cứu. ...................................................................................... - 12 3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ......... - 12 4.Tóm tắt những luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả ....................... - 12 5. Phương pháp nghiên cứu………………………………………………………- 13
Chương I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIAO THÔNG………...................14
I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN……………….14
1.1. Lịch sử phát triển…………………………………………………………….14
1.2. Nguyên tắc điều khiển……..…………………………………………………15
II. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GIAO THÔNG VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI....17
2.1. Một số hình ảnh giao thông ở Việt Nam…..…………………………………..17
2.2. Một số hình ảnh giao thông trên thế giới……………………………………17
III. TỔNG QUAN VỀ PLC………………………………………………………18
3.1. Hệ thống điều khiển là gì?…………………………………………………….18
3.2. Vai trò của bộ lập trình điều khiển PLC………………………………………18
3.3. Ưu điểm của một số dạng điều khiển…………………………………………19
3.4. Khái niệm PLC………………………………………………………………..20
3.5. Ứng dụng của PLC……………………………………………………………23
IV.

KẾT

LUẬN................................................-


………………………………………25

5

-

Chương II:

-1-


THIẾT

KẾ

HỆ

THỐNG

ĐIỀU

KHIỂN

TÍN

HIỆU

GIAO


THÔNG…………………………………………………………………………..26
I.PHÂN TÍCH HỆ THỐNG CẦN ĐIỀU KHIỂN………………………………26
1.1.Đặc điểm………………………………………………….……………………26
1.2.Thời gian các đèn………………………………………………………………27
1.2.1. Thời gian khi làm việc ở chế độ 3 pha………………………………………27
1.2.2. Thời gian khi làm việc ở chế độ 2 pha………………………………………27
II. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG ………………………………………….…...28
2.1. Nguyên tắc hoạt động…………………………………………………………28
2.2. Phương án điều khiển…………………………………………………………29
2.2.1. Hàm trạng thái của hệ thống điều khiển…………………………………….29
2.2.2. Giản đồ thời gian của các đèn.…...…………………………………………30
2.2.3. Hàm thời gian liên hệ các tuyến khi thay đổi thời gian các trạng thái………34
III. CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN…………………..43
3.1. Phần đèn điều khiển…………………………………………………………..43
3.1.1. Đèn Đỏ………………………………………………………………………43
3.1.2. Đèn Vàng……………………………………………………………………44
3.1.3. Đèn Xanh……………………………………………………………………45
3.1.4. Hệ thống 3 đèn………………………………………………………………46
3.1.5. Đèn cho người đi bộ…………………………………………………………47
3.1.6. Bộ hiển thị thời gian (đếm giây ngược )…………………………………….47
3.2. Camera giao thông…………………………………………………………….48
3.2.1. Giới thiệu chung..……………………………………………………………48
3.2.2. Kết nối mạng Camera..……………………………………………………...49
3.2.3. Các thiết bị trong mạng Camera giao thông..……………………………….51
3.2.4. Trung tâm điều khiển hệ thống thông qua Camera giám sát giao thông ..…..60
3.3. Bộ phận điều khiển.……..……………………………………………………61
3.3.1. Mô đun nguồn……..………………………………………………………...61
3.3.2. Bộ điều khiển PLC...………………………………………………………...61

-2-



3.3.3. Mô đun giao tiếp IM………………………………………………………...62
3.3.4. Mô đun vào số DI (SM 321)………………………………………………...63
3.3.5. Mô đun ra số DO (SM 322)…………………………………………………64
3.3.6. Lắp đặt thiết bị lên thanh Rails……………………………………………...66
IV. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN………….………………….67
4.1. Phân tích các sơ đồ điều khiển……………………………………………….. 67
4.1.1. Sơ đồ thiết bị vào ra………………………………………………………....67
4.1.2. Phân tích sơ đồ thuật toán điều khiển……………………………………….70
4.1.3. Phân tích sơ đồ thuật toán khởi tạo………………………………………….71
4.1.4. Phân tích sơ đồ thuật toán kiểm tra trạng thái đèn…………………………..73
4.1.5. Phân tích sơ đồ thuật toán xử lý khi có tàu………………………………….74
4.1.6. Phân tích sơ đồ thuật toán điều khiển chương trình chính…………………..75
4.1.7. Phân tích sơ đồ thuật toán điều khiển chương trình chính mở rộng………...77
4.2. Lập trình điều khiển……………………………………….…………………..85
4.2.1. Ngôn ngữ lập trình…………………………………………………………..85
4.2.2. Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ……………………….…………………..85
4.2.3. Cấu trúc lệnh và trạng thái kết quả……………………...…………………..87
4.2.4. Các lệnh điều khiển chương trình……………………….…………………..90
4.2.5. Kỹ thuật lập trình………………………………………..………………….91
V. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN………….…………………………..........94
5.1. Phân tích sơ đồ lắp đặt các thiết bị điều khiển………………………………..94
5.2. Phân tích sơ đồ mạch điện điều khiển…………………………………………96
5.3. Phân tích sơ đồ mạch đầu ra các thiết bị………………………………………98
CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VÀ THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH MÔ
PHỎNG………………………………………………………………………….101
I. MỘT SỐ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG………………………………..101
1.1. Chương trình mô phỏng S7 - PLC SIM…………………………………….101
1.1.1. Giới thiệu chương trình S7- PLC SIM……………………………………101

1.1.2. Các bước thực mô phỏng bằng chương trình S7- PLC SIM ………………101

-3-


1.2. Chương trình mô phỏng SPS-VISU …………………………………………103
II. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG VISUAL BASIC
6.0…………………………………………………………………………………104
2.1. Giới thiệu chương trình Visual Basic 6.0……………………………………104
2.1.1. Các thanh công cụ chính của chương trình………………………………105
2.1.2. Soạn thảo chương trình điều khiển……………………………………….106
2.1.3. Sơ lược về thiết kế chương trình điều khiển..……………………………107
2.2. Chương trình mô phỏng tín hiệu giao thông.….……………………………108
2.2.1. Thiết kế bảng hệ thống điều khiển ………….……………………………109
2.2.2. Thiết kế giao diện hệ thống điều khiển ………….………………………109
2.2.3. Một số trường hợp làm việc của hệ thống điều khiển ………….………….110
III. KẾT LUẬN………………………………………………………………….111
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..………………………….…………………….112
TÀI LIỆU THAM KHẢO……….…………………………………………….114

-4-


HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: mô tả so sánh các hệ điều khiển rơle, mạch số, máy tính, PLC……….......20
Bảng 2.1. Thời gian làm việc bình thường với chu kì là 90s………………………….27
Bảng 2.2. Thời gian làm việc khi cao điểm với chu kì là 120s……………………….27
Bảng 2.3. Thời gian làm việc ở chế độ 2 pha với chu kì là 90s................................27
Bảng 2.4. Bảng trạng thái làm việc của các đèn………………………………............30
Bảng 2.5: Số lượng đèn tương ứng với đường kính đèn đỏ……………………….…..44

Bảng 2.6: Thông số kĩ thuật đèn đỏ ……………………...........………….……..……..44
Bảng 2.7: Kích thước tương ứng số led đèn vàng…………………....………….…....45
Bảng 2.8: Thông số kĩ thuật đèn vàng…………...............................……………..…..45
Bảng 2.9: Số lượng đèn xanh theo kích thước…………....................……………..….45
Bảng 1.10: Thông số kĩ thuật đèn xanh…………………...........………………………45
Bảng 2.11: Thông số kĩ thuật bố trí đèn 3 đèn …………..........………………………46
Bảng 2.12: Số kích thước tương ứng số lượng đèn led…………………………..……46
Bảng 2.13: Kích thước đèn tương ứng số lượng led đèn đi bộ…….........…………...47
Bảng 1.14: Thông số kĩ thuật đèn đi bộ……………………...........………………..…..47
Bảng 2.15: Số lượng led tương ứng kích thước đèn thời gian.............................….47
Bảng 2.16: thông số kĩ thuật của đèn thời gian…………………………….........…….47
Bảng 2.17: Thông số kỹ thuật của Camera IP7161……………...........………………54
Bảng 1.18: Thông số kỹ thuật đầu ghi hình NR740…………............……………......57
Bảng 2.19: Cổng vào tương ứng trên PLC và mô đun vào số DI…......………..……67
Bảng 2.20: Cổng ra tương ứng trên PLC và các mô đun ra số DO…………...……68

-5-


HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Quang cảnh giao thông ở các ngã tư tại Hà Nội.…………………….......17
Hình 1.2: Quang cảnh 1nút giao thông tại Trung Quốc………….………..........……17
Hình 1.3: Quang cảnh 1 nút giao thông tại Anh……………………....…............……18
Hình 1.4: Cấu trúc của PLC …………….........…………..…………………………..…21
Hình 1.5: Sơ đồ hoạt động của PLC…………………………................…………..…..22
Hình 1.6: Chu kỳ vòng quét của PLC…………………………….........……..….….….22
Hình 1.7: Một số hình ảnh ứng dụng của PLC……………………….............…….…24
Hình 2.1: Sơ đồ bố trí các tuyến của ngã tư……………………...........……..………..26
Hình 2.2: Giản đồ trạng thái làm việc của các đèn với chu kỳ 90s……......……. …32
Hình 2.3: Giản đồ trạng thái làm việc của các đèn với chu kỳ 120s………...………33

Hình 2.4: Giản đồ trạng thái làm việc của các đèn khi tăng tx1 lên 5s…….........….40
Hình 2.5: Giản đồ trạng thái làm việc của các đèn khi tăng tx2 lên 5s......………….41
Hình 2.6: Giản đồ trạng thái làm việc của các đèn khi tăng tx2 lên 5s....…..…….. .42
Hình 2.7: Thông số kích thước lắp đặt 3 đèn …………...........……….…….…… …..46
Hình 2.8: Sơ đồ kết nối mạng Camera ………...........…………………………....……50
Hình 2.9: Sơ đồ kết nối các Camera và các thiết bị tại một nút giao thông…..……50
Hình 2.10: Sơ đồ kết nối các Camera và các thiết bị tại các nút giao thông……….51
Hình 2.11: Sơ đồ cấu tạo một network camera…………..................………………..52
Hình 2.12: Ảnh Camera IP7161……………………...............………….……………..52
Hình 2.13: Sơ đồ tổng quát chuyển đổi Analog sang IP……………………………..55
Hình 2.14: Ảnh đầu ghi hình NR7401………………......................….…..….……….56
Hình 2.15: Sơ đồ đấu nối đầu ghi hình NR7401………………............…...…...……56
Hình 2.16: Sơ đồ đấu nối một số loại đầu ghi hình khác………………….…………58
Hình 2.17: Sơ đồ thành phần ST7501…………………………...........………………..59

-6-


Hình 2.18: Trung tâm giám sát tại Nhật Bản ………………...........……..…………...60
Hình 2.19: Trung tâm giám sát tại Anh..............................................................…...60
Hình 2.20: Tủ Camera giao thông……….........................................................……60
Hình 2.21: Tủ điện trung tâm của hệ thống……..............................................….….60
Hình 2.22: Mô đun nguồn điều khiển……………………………………….…………...61
Hình 2.23: Bộ điều khiển PLC 312IFM…………………………………….…………...62
Hình 2.24: Sơ đồ mạch bộ điều khiển PLC……………………………….….…………62
Hình 2.25: Sơ đồ địa chỉ và sơ đồ mạch SM 321………………….…….…………….63
Hình 2.26: Sơ đồ địa chỉ và sơ đồ mạch SM 322…………………….…….………….65
Hình 2.27: Sơ đồ bố trí các thiết bị………………………………………….…………...66
Hình 2.28: Sơ đồ thiết bị vào ra………….……………………………………….……...67
Hình 2.29: Sơ đồ thuật toán điều khiển………………………………………..………..71

Hình 2.30: Sơ đồ khởi tạo………….……………………………………………….……..72
Hình 2.31: Sơ đồ chương trình kiểm tra trạng thái đèn………………...….…………73
Hình 2.32: Sơ đồ thuật toán kiểm tra………….……………………………………..….74
Hình 2.33: Sơ đồ hoạt động với tck = 120s…………………………………….………..76
Hình 2.34: Sơ đồ hoạt động với tck = 90s………………………………….….………..76
Hình 2.35: Sơ đồ ở tck = 90s tăng ∆tx14 ……………………………………….………..79
Hình 2.36: Sơ đồ ở tck = 90s tăng ∆tx25 …………………………………….….………..79
Hình 2.37: Sơ đồ ở tck = 90s tăng ∆tx36 ………………………………………...……….80
Hình 2.38: Sơ đồ ở tck = 120s tăng ∆tx14 ……………………………………………….80
Hình 2.39: Sơ đồ ở tck = 120s tăng ∆tx25 …………………………………..….………..81
Hình 2.40: Sơ đồ ở tck = 120s tăng ∆tx36 ……………………………………….……….81
Hình 2.41: Sơ đồ ở tck=90s tăng ∆tx14=5s ………………………………….….……….82
Hình 2.42: Sơ đồ ở tck=90s tăng ∆tx25= 5s……………………………………..……….82
Hình 2.43: Sơ đồ ở tck=90s tăng ∆tx36=5s …………………………………….……….83
Hình 2.44: Sơ đồ ở tck=120s tăng ∆tx14=5s…………………………………….……….83
Hình 2.45: Sơ đồ ở tck=120s tăng ∆tx25=5s…………………………………….……….84
Hình 2.46: Sơ đồ ở tck=120s tăng ∆tx36=5s …………………………………...………..84

-7-


Hình 2.47: Các kiểu ngôn ngữ lập trình………….………………………………….….85
Hình 2.48: Nguyên tắc hoạt động của bộ định thời (Timer) ………………….……..89
Hình 2.49: Độ phân giải của bộ định thời………….……………………………….…..89
Hình 2.50: Nguyên tắc hoạt động của bộ đếm (Counter) ………….…………………90
Hình 2.51: Cấu trúc gọi các khối chương trình………….………………………..…...92
Hình 2.52: Tổ chức bộ nhớ………….…………………………………………………….92
Hình 2.53: Sơ đồ khối local block………….…………………………………………….93
Hình 2.54: Sơ đồ lập trình phân bố………….…………………………………………..93
Hình 2.55: Sơ đồ lắp đặt các thiết bị của hệ thống điều khiển. ………….…………..95

Hình 2.56: Sơ đồ mạch điện của hệ thống điều khiển………….……………………...97
Hình 2.57: Sơ đồ đấu nối ra các thiết bị của hệ thống điều khiển………….………..99
Hình 3.1: Màn hình S7 – PLC SIM……………………………………………………..102
Hình 3.2: Các cửa sổ vào, ra và timer………….……………………………………...102
Hình 3.3: Màn hình mô phỏng S7 – PLC SIM………….……………………………103
Hình 3.4: Mô phỏng dùng sơ đồ LAD.…………………………………………………103
Hình 3.5: Mô phỏng dùng sơ đồ FBD.…………………………………………………103
Hình 3.6: Giao diện SPS-VISU………….…………………………………………….104
Hình 3.7: Màn hình khởi động VB6.0………….………………………………………104
Hình 3.8: Giao diện chương trình VB6.0………….…………………………………..105
Hình 3.9: Thanh công cụ Toolbox………….…………………………………………..106
Hình 3.10: Cửa sổ Properties…………………………………………………………...106
Hình 3.11: Bảng điều khiển ………….…………………………………………………109
Hình 3.12: Quang cảnh ngã tư cần điều khiển. ………….…………………………..110
Hình 3.13: Chế độ kiểm tra các trạng thái đèn………….…………..……………….110
Hình 3.14: Chế độ làm việc ban đêm………….…………………………….…………110
Hình 3.15: Chương trình có thể thay đổi thời gian điều khiển………….……….....111
Hình 3.16: Chế độ làm việc khi có tàu………….……………………………………...111

-8-


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Ngoài phần tài
liệu tham khảo đã được liệt kê đầy đủ, các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn
toàn trung thực chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác.

Hà Nội, Ngày 24 tháng 02 năm 2012
Tác giả luận văn


Trần Thế Văn

-9-


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô
và các bạn đồng nghiệp trong quá trình thực hiện.
Em xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Cơ Khí Trường Đại Học Bách Hà Nội
đã nhiệt tình hướng dẫn em trong thời gian học tập, nghiên cứu tại trường và các
thầy trong Khoa Cơ Khí Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên đã góp
nhiều ý kiến, động viên để em hoàn thành luận văn.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô TS. Trần Thị Thanh Hải, đã tận tâm
hướng dẫn em làm luận văn trong suốt thời gian qua.
Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng trong luận văn không tránh khỏi những sai
sót. Bởi vậy em rất mong nhận được sự góp ý của của các Thầy - Cô cũng như các
bạn đồng nghiệp quan tâm đến vấn đề này để luận văn hoàn thiện hơn.
Em xin trân thành cảm ơn!
Hưng Yên, Ngày 24 tháng 02 năm 2012
Học viên thực hiện

Trần Thế Văn

- 10 -


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong các lĩnh vực đời sống và sản xuất hiện nay, việc tự động hoá quá trình
sản xuất là hết sức quan trọng, điều đó góp phần nâng cao năng suất, chất lượng và

giảm giá thành sản phẩm. Chính vì vậy tự động hóa đã và đang được ứng dụng
trong tất cả các lĩnh vực, từ đời sống sinh hoạt tới các quá trình sản xuất. Yêu cầu
đặt ra là phải tự động hóa tối đa các quá trình điều khiển, từ các công việc đơn giản
trong đời sống thường ngày của con người cho đến các quá trình sản suất phức tạp.
Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu và cho ra nhiều phương pháp và
thiết bị điều khiển tối ưu. Hơn nữa với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện
tử, tin học, cơ khí cho phép các kỹ sư có nhiều lựa chọn khác nhau khi thiết kế. Một
trong những lựa chọn mang lại hiệu quả cao khi thiết kế hệ thống điều khiển tự
động hoá là sử dụng bộ điều khiển PLC (Programmer Logic Control) làm phần tử
trung tâm của hệ thống điều khiển.
Với Việt Nam hiện nay, một nước đang phát triển thì việc ứng dụng tự động
hóa ngày càng được chú trọng và đầu tư nhằm thúc đẩy hiệu quả sản xuất và cải
thiện cuộc sống. Một trong những ứng dụng to lớn của điều khiển tự động hóa trong
cuộc sống ta không thể không nhắc đến đó là điều khiển tự động hệ thống giao
thông. Một lĩnh vực quan trọng của cuộc sống ,một vấn đề quốc gia. Góp một phần
không nhỏ trong sự phát triển kinh tế-xã hội phục vụ dân sinh.
Căn cứ trên ưu điểm của bộ điều khiển PLC và tình trạng ùn tắc giao thông của
nước ta hiện nay nên chúng tôi chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao
thông sử dụng bộ điều khiển PLC”. Đây là đề tài có ý nghĩa thực tiễn cao, nó là
vấn đề đang được đặt ra, cần phải được nghiên cứu và chọn phương án hợp lý để có
thể giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông của nước ta hiện nay.

- 11 -


2. Lịch sử nghiên cứu
Ứng dụng bộ điều khiển PLC trong điều khiển đèn giao thông được nghiên
cứu sử dụng như:
-


Nguyễn Thị Lệ Hà [9], Viết chương trình điều khiển đèn giao thông cho một
ngã tư theo 3 chế độ dựa theo đồng hồ thời gian thực tích hợp trong PLC S7 –
200 CPU 224, năm 2010.

-

Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông trên Micro PLC SIMATIC S7200, Hà Quang Dũng, năm2011.

-

Zhaoxiang Zeng, The design of traffic lights fuzzy controller based on PLC,
năm 2011.

3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
+ Mục đích.
Đề tập trung vào nghiên cứu các nội dung chính sau:
-

Nghiên cứu tổng quan về hệ thống giao thông và phương pháp điều khiển
tín hiệu giao thông.

-

Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông.

-

Xây dựng chương trình mô phỏng hoạt động của hệ thống.

+ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:
- Một ngã tư với sáu tuyến tham gia giao thông và một đướng tàu cắt ngang
qua một đầu đường.
- Các thiết bị trong hệ thống như đèn điều khiển, Camera giao thông.
- Bộ điều khiển PLC CPU 312 IFM và các mô đun khác.
- Chương trình lập trình cho PLC S7 – 300 là Step 7.
- Chương trình lập trình Visual Basic 6.0.
4. Tóm tắt những luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
+) Luận điểm cơ bản
Bằng việc nghiên cứu nguyên lý hoạt động của ngã tư với sáu tuyến cần điều
khiển có một đường tàu cắt ngang qua một tuyến và nghiên cứu khả năng điều

- 12 -


khiển của bộ điều khiển PLC S7 – 300 cùng với các mô đun mở rộng. Luận văn đã
chọn được phương án điều khiển hợp lý cho ngã tư cần điều khiển đó là phương
pháp điều khiển theo trạng thái đèn từ đó ứng dụng bộ khiển PLC để điều khiển
hoạt động cho ngã tư. Để khẳng định tính đúng đắn của lý thuyết về phương pháp
điều khiển, thuật toán cũng như chương trình đã lập trình. Chúng tôi đã xây dựng
chương trình mô phỏng sử dụng phần mềm Visual Basic 6.0 để kiểm chứng.
+) Đóng góp mới của tác giả
-

Đã đưa ra được phương pháp điều khiển hợp lý cho hệ thống cần điều khiển
đó là phương pháp điều khiển hệ thống theo trạng thái thay đổi của các đèn
gồm chín trạng thái khác nhau.

-


Chọn và xác định các đặc tính làm việc, cách lắp, đặt đấu nối của các thiết bị
của hệ thống điều khiển.

-

Xây dựng hàm trạng thái, giản đồ trạng thái, sơ đồ thuật toán của chương
trình chính cũng như các chương trình con, viết chương trình điều khiển hệ
thống.

-

Thiết kế sơ đồ lắp đặt các thiết bị, sơ đồ mạch điều khiển và sơ đồ mạch đầu
ra của hệ thống.

-

Xây dựng chương trình mô phỏng cho hệ thống cần điều khiển.

5. Phương pháp nghiên cứu
Chúng tôi sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:
-

Nghiên cứu lý thuyết điều khiển hoạt động của ngã tư với sáu tuyến và một
đường tàu cắt qua một tuyến.

-

Nghiên cứu cấu tạo, cấu trúc, đặc tính làm việc của các thiết bị trong hệ
thống điều khiển.


Nghiên cứu lý thuyết về các kiểu dữ liệu, cấu trúc lệnh, hàm trạng thái, kỹ thuật
lập trình của phần mềm lập trình Step 7 và phần mềm mô phỏng Visual Basic 6.0.
Từ cơ sở lý thuyết đó chúng tôi đưa ra án điều khiển, xây dựng hàm trạng thái, sơ
đồ thuật toán, lập trình điều khiển, thiết kế mạch điều khiển và thiết kế chương trình
mô phỏng hoạt động của hệ thống.

- 13 -


Chương I

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIAO THÔNG
Cùng với sự phát triển của nhân loại. Dân số ngày càng tăng cùng với đó số
lượng các phương tiện đi lại và các phương tiện vận chuyển phục vụ cho công, nông
ngiệp cũng ngày càng tăng. Điều này đòi hỏi hệ thống giao thông cũng phải phát
triển để phù hợp với sự phát triển của xã hội.
Trên thế giới đặc biệt tại các thành phố lớn, các trung tâm kinh tế thì sự phát
triển của hệ thống giao thông rất được chú trọng vì nó ảnh hưởng rất lớn đến sự
phát triển của kinh tế, xã hội. Nhiều hệ thống giao thông hiện đại được xây dựng,
song sự ùn tắc giao thông vẫn xảy ra hàng ngày.
Ở Việt Nam thì sự phát triển của hệ thống giao thông chậm hơn nhiều so với sự
phát triển của xã hội. Đặc biệt ở các thành phố lớn như Hà Nội, Thành Phố Hồ Chí
Minh, … Nên hiện tượng ùn tắc giao thông xảy ra thường xuyên. Nó ảnh hưởng rất
lớn đến sự phát triển xã hội, vì vậy việc giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông là rất
cần thiết và cấp bách trong cuộc sống.
I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN
1.1. Lịch sử phát triển
Nút giao thông có đèn điều khiển có lịch sử hơn 140 năm, bắt đầu vào năm
1868 ở Anh. Lúc bấy giờ, đèn tín hiệu chỉ có 2 mầu xanh và đỏ, đỏ có nghĩa là
“dừng” và xanh có nghĩa là “chú ý”. Đèn giao thông thời gian đó được đốt sáng

bằng khí ga. Đến năm 1920, đèn ba mầu điều khiển bằng điện đầu tiên được sử
dụng tại Detroit, Michigan, Mỹ.
Đến nay, đã có hàng triệu cột đèn tín hiệu dạng này được sử dụng trên toàn thế
giới. Cùng với sự phát triển của công nghệ điện, điện tử, các đèn giao thông ngày
càng hiện đại hơn, hiệu quả và thông minh hơn. Cho đến nay, đã có các đèn điểu
khiển tự động cảm biến nhiều pha, tự động xác định thời gian thích hợp cho từng

- 14 -


pha dựa trên số liệu giao thông thực. Các đèn có thể làm việc độc lập hoặc kết nối
với nhau để tạo ra “Làn Sóng Xanh” cho các tuyến phố quan trọng. Việc nghiên cứu
tính toán nút giao thông chủ yếu tập trung vào 2 vấn đề chính là thiết thời gian cho
tín hiệu và phương pháp đánh giá mức độ phục vụ (LOS) của nút.
Kết quả nghiên cứu đầu tiên về thiết kế thời gian cho nút đèn là các công trình
nghiên cứu của Webster và Cobe từ năm 1958 với công thức quen thuộc về chu kỳ
đèn tối ưu. Sau đó, có rất nhiều công trình nghiên cứu khác mà đáng kể là của
Akcelik với việc đưa ra khái niệm mới về tổn thất dòng thay vì tổn thất pha, do đó
có thể giải quyết được các bài toán nhiều pha phức tạp, điều khiển thích ứng họăc
liên kết giữa các nút.
1.2. Nguyên tắc điều khiển
Để tính toán chu kỳ đèn cho nút làm việc theo chế độ cài đặt trước, việc đầu
tiên là phải phân giao thông thành các dòng chuyển động, một pha có thể có 1 hoặc
nhiều dòng không xung đột hoặc ít xung đột cùng chuyển động. Như vậy 1 chu kỳ
đèn sẽ có 2 hoặc nhiều pha cho các dòng giao thông. Trong mỗi pha sẽ có 1 dòng
mà lưu lượng giao thông lớn nhất, được gọi là dòng chủ. Hiển nhiên là thời gian
xanh cho mỗi pha được dựa trên dòng chủ này. Tuỳ theo việc tổ chức giao thông,
thành phần dòng xe, … Mỗi dòng giao thông sẽ có 1 dòng bão hoà (tức là số đầu xe
đơn vị lớn nhất có thể thông qua nút với 1 giờ đèn xanh). Tỷ lệ giữa dòng xe thực tế
và dòng bão hoà gọi là suất dòng (u), còn tỷ lệ giữa thời gian xanh có hiệu và chu

kỳ đèn được gọi là suất xanh (y). Rõ ràng là chúng ta phải thiết kế sao cho y >= u
cho từng dòng chuyển động. Tuỳ thuộc vào tầm quan trọng của từng dòng mà người
thiết kế định ra xem u chiếm khoảng bao nhiêu phần trăm của y. Khi u càng gần y,
dòng đó sẽ làm việc ở mức độ phục vụ thấp và ở trạng thái xấp xỉ bão hoà. Vì tổng
suất xanh lớn nhất cũng chỉ bằng 1, vì vậy khi tổng suất dòng của các dòng chủ lớn
hơn 1, chu kỳ đèn tối ưu là không xác định được theo công thức của Webster tổn
thất thời gian qua nút tiến đến vô cùng. Điều này không đúng với thực tế là nhiều xe
còn lại ở các chu kỳ trước sẽ qua được nút khi cường độ dòng xe tới nút giảm dưới
mức độ thông qua của nút cho dòng đó. Đến lúc này, việc phân tích sự làm việc của
- 15 -


nút phụ thuộc vào khoảng thời gian để giải tán dòng chờ này. Nhiều nghiên cứu
hiện nay tập trung vào đánh giá sự làm việc của nút bão hoà hoặc quá bão hoà nhằm
tìm ra tổn thất thời gian, chiều dài hàng chờ.
Để đánh giá LOS, chúng ta phải đánh giá LOS của từng dòng, dựa trên tổn thất
thời gian dừng trung bình của các xe trong từng dòng. Mức LOS của nút cũng có 6
cấp như đánh giá cho đường.
Đối với nút điều khiển thích ứng, các sensor đặt dưới đường trước vạch stop một
khoảng cách được định trươc sẽ tự động đếm số lượng xe trên nhánh đó, căn cứ trên
số lượng xe đếm được, các sensor sẽ “gọi” các phân pha phù hợp nhất đã được cài
đặt sẵn để điều khiển nút. Mỗi pha được gọi sẽ có 1 thời gian xanh tối thiểu và thời
gian xanh tối đa cho chúng. Nếu sensor chỉ được đặt trên đường phụ, thời gian xanh
trên đường chính sẽ dừng chỉ khi có lời gọi trên đường phụ.
Để liên kết các nút đèn lại với nhau tạo ra làn sóng xanh cho 1 số tuyên phố
quan trọng, tốc độ vận hành của dòng xe phải được định trước, các nút phải có cùng
chung 1 chu kỳ. Trong số các nút, sẽ có 1 nút chủ, thời điểm bật xanh của các nút
còn lại sẽ được dựa trên bài toán tối ưu sao cho có được nhiều xe qua các nút nhất.
Có thể làm bài toán bằng tay cho các trường hợp đơn giản bằng cách vẽ biểu đồ
khoảng cách và thời gian xe chạy rồi thử dần bằng cách xê dịch các thời điểm bật

xanh của các nút, hoặc thiết kế trên máy tính.
Có thể nói, thiết kế nút giao thông có đèn điểu khiển là 1 trong những thiết kế kỹ
thuật giao thông phức tạp nhất. Còn nhiều vấn đề vẫn chưa giải quyết được trong đó
nổi bật là ảnh hưởng của sự phân tán của dòng tới nút từ các nút thượng nguồn,
phương pháp đánh giá tổn thất thời gian xe qua nút khi nút bão hoà. Trong điều kiện
dòng xe hỗn hợp như ở nước ta, nhiều phần lý thuyết vẫn còn để ngõ và trông đợi
nỗ lực nghiên cứu của các kỹ sư giao thông.

- 16 -


II. GIỚI THIỆU MỘT SỐ HÌNH ẢNH GIAO THÔNG Ở VIỆT NAM VÀ
THẾ GIỚI
2.1 Một số hình ảnh giao thông ở Việt Nam
Hiện tượng ùn tắc giao thông ở Việt Nam xảy ra thường xuyên đặc biệt vào các
giờ cao điểm (hình 1). Ngay cả khi có điều khiển nhưng nếu người tham giao thông
không có ý thức chấp hành luật giao thông thì hiện tượng ùn tắc vẫn xảy ra.
Vì vậy ý thức của người tham gia giao thông là rất cần quan trọng. Nếu người
tham gia giao thông có ý thức sẽ làm giảm phần nào sự ùn tắc và tai nạn giao thông.
Với hệ thống giao thông còn lạc hậu ở nước ta thì việc giáo dục ý thức chấp hành
luật lệ giao thông lại càng quan trọng và cần phải được quan tâm đúng mức.

Hình 1.1: Quang cảnh giao thông ở các ngã tư tại Hà Nội.
2.2 Một số hình ảnh giao thông trên thế giới
Ta thấy rằng hệ thống giao thông của họ được quy hoạch và đầu tư hợp lý (hình
2, hình 3). Với số lượng
phương tiện tham gia giao
thông là rất lớn nhưng cũng
không cần đến hệ thống điều
khiển. Với sự phát triển ngày

càng nhanh của xã hội thì
chúng ta cũng phải có sự đầu
tư hợp lý cho giao thông.
Hình 1.2: Quang cảnh 1nút giao thông tại Trung Quốc
- 17 -


Hình 1.3: Quang cảnh 1 nút giao thông tại Anh
III. TỔNG QUAN VỀ PLC
3.1 Hệ thống điều khiển là gì
Nói chung, hệ thống điều khiển là tập hợp các máy móc và thiết bị điện tử ở
một nơi để đảm bảo hoạt động của quá trình sản xuất hay một hoạt động của sản
xuất ổn định, chính xác và nhịp nhàng.
Những thành tựu của sự tiến bộ vượt bậc của khoa học công nghệ, các nhiệm vụ
điều khiển phức tạp được hoàn thành nhờ một hệ thống điều khiển tự động cao, đó
chính là bộ điều khiển lập trình và có sự tham gia của cả máy tính. Ngoài việc giao
tiếp tín hiệu với các trường thiết bị vào – ra như (các bảng vận hành, động cơ, cảm
biến, van, …), khả năng giao tiếp truyền thông dữ liệu trên mạng giữa các thành
phần điều khiển trong hệ thống cũng được thực hiện. Mỗi thành phần đơn giản
trong hệ thống điều khiển đều đóng một vai trò quan trọng mà không cần quan tâm
đến kích cỡ.
3.2. Vai trò của bộ lập trình điều khiển PLC
Trong một hệ thống tự động, nói chung PLC được ví như là con tim của hệ
thống điều khiển. Với chương trình ứng dụng điều khiển (được lưu trữ trong bộ nhớ
PLC) trong việc thực thi, PLC thường xuyên giám sát tình trạng hệ thống qua tính
hiệu phản hồi của thiết bị đầu vào. Sau đó sẽ dựa vào sự hợp lý của chương trình để
xác định tiến trình hoạt động được thực hiện ở những thiết bị xuất cần thiết.
- 18 -



PLC có thể được sử dụng điều khiển những nhiệm vụ đơn giản có tính lặp đi
lặp lại hoặc một vài nhiệm vụ có thể được liên kết cùng nhau với thiết bị điều khiển
chủ hoặc máy tính chủ khác qua một loại mạng giao tiếp để tích hợp điều khiển của
một quá trình phức tạp.
a.Thiết bị đầu vào
Sự thông minh của một hệ thống tự động phần lớn dựa vào khả năng của PLC
để đọc tín hiệu từ những loại cảm biến tự động khác nhau và thiết bị đầu vào cưỡng
bức tín hiệu.
Những nút nhấn, bàn phím, công tắc gạt là các thành cơ bản của giao tiếp người
và máy là các loại thiết bị vào cưỡng bức tín hiệu. Mặc khác, để phát hiện vật thể,
quan sát sự di chuyển cơ cấu, kiểm tra áp suất và mức chất lỏng và nhiều sự kiện
khác, PLC sẽ phải xử lý tín hiệu từ những thiết bị cảm ứng tự động đặc biệt như
công tắc từ, công tắc hành trình, cảm biến quang điện, cảm biến mức độ và ... Nhiều
loại tín hiệu vào PLC có thể là ON/OFF hay tương tự. Những tín hiệu vào này được
giao tiếp với PLC qua các loại môđun vào khác nhau.
b. Thiết bị suất
Hệ thống tự động không hoàn chỉnh và hệ thống PLC thật sự bị tê liệt nếu
không có giao tiếp với thiết bị suất, chẳng hạn một số thiết bị thông thường như:
động cơ, cuộn dây, đèn chỉ thị, chuông báo…Thông qua sự hoạt động của động cơ
và cuộn dây, PLC có thể điều khiển từ đơn giản đến phức tạp.
3.3 Ưu điểm của một số dạng điều khiển
Đèn giao thông có thể điều khiển theo dạng cơ điện hoặc sử dụng bộ vi xử lý
(còn gọi là microprocessor), ... Dạng cơ điện được dùng phổ biến cho các đèn có
thời gian đặt trước. Nguyên lý hoạt động của dạng cơ điện này rất đơn giản bao
gồm 1 bộ số. Bộ số quay hết 1 vòng là được 1 chu kỳ đèn, có thể có 1 hoặc vài
vòng quay kích thước khác nhau tương ứng với chiều dài chu kỳ khác nhau nhưng
dạng điều khiển là điều khiển cứng khi muốn thay đổi chu kỳ làm việc ta phải chế
tạo lại bộ số. Đối với các đèn điện tử, việc điều khiển đơn giản hơn nhiều do có
thiết bị đếm thời gian điện tử. Các thiết kế về thời điểm bật tắt của các đèn có thể
- 19 -



lưu lại bằng truyền vào bộ vi xử lý qua bàn phím. Tuy nhiên các dạng đèn điện tử
này có giá thành cao gấp 2,5 lần đèn cơ, và hoạt động cũng không ổn định và bền
bằng đèn cơ. Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản
xuất cả trong công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ
thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng/mở (ON/OFF) thông thường đến thực hiện
những tác vụ khác như định thì, đếm, … làm tăng khả năng điều khiển cho những
hoạt động phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá
trình sản xuất. Chỉ cần lắp đặt một lần không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau
này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển, khả
năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để truyền dữ
liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống được điều khiển linh hoạt hơn. Độ tin cậy cao vì
PLC được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong môi trường công nghiệp. Một PLC
có thể được lắp đặt ở những nơi có độ nhiễu điện, vùng có từ trường mạnh, có các
chấn động cơ khí, nhiệt độ và độ ẩm môi trường cao, … Căn cứ trên nguyên lý hoạt
động của các thiết bị cần điều khiển trong hệ thống tín hiệu giao thông và ưu điểm
của bộ điều khiển PLC, chúng tôi nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PLC trong
điều khiển tín hiệu giao thông.
Bảng 1: mô tả so sánh các hệ điều khiển rơle, mạch số, máy tính, PLC

- 20 -


3.4. Khái niệm PLC
PLC (Programmable Logic Controller) [2][3], là thiết bị điều khiển lập trình,
được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lý từ
đơn giản đến phức tạp, tuỳ thuộc vào người điều khiển mà nó có thể thực hiện một
loạt các chương trình hoặc sự kiện, sự kiện này được kích hoạt bởi các tác nhân kích
thích (hay còn gọi là đầu vào) tác động vào PLC hoặc qua các bộ định thời (Timer)

hay các sự kiện được đếm qua bộ đếm. Khi một sự kiện được kích hoạt nó sẽ bật
ON, OFF hoặc phát một chuỗi xung ra các thiết bị bên ngoài được gắn vào đầu ra
của PLC. Như vậy nếu ta thay đổi các chương trình được cài đặt trong PLC là ta có
thể thực hiện các chức năng khác nhau, trong các môi trường điều khiển khác nhau.
3.4.1. Cấu trúc
Một PLC bao gồm một bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ để lưu trữ chương trình ứng
dụng và những mô đun giao tiếp nhập – xuất. Hình 1.4 mô tả sơ bộ về cấu trúc của
một PLC.

Hình 1.4: Cấu trúc của PLC
- 21 -


3.4.2 Hoạt động của PLC
Về cơ bản, hoạt động của một
PLC cũng khá đơn giản. Đầu tiên, hệ
thống các cổng vào/ra (Input/Output)
(còn gọi là các Module xuất/nhập)
dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị
ngoại vi vào CPU (như các sensor,
contact, tín hiệu từ động cơ …). Sau
khi nhận được tín hiệu ở đầu vào thì
CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua môđun xuất ra các thiết bị được
điều khiển. Hình 1.5 minh họa hoạt động của PLC khi thực thi chương trình ứng
dụng.
Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữ liệu hoặc trạng
thái của các thiết bị ngoại vi thông qua đầu vào, sau đó thực hiện các chương trình
trong bộ nhớ như sau: một bộ đệm chương trình sẽ nhận lệnh từ bộ nhớ chương
trình


đưa ra thanh

hành.Chương

ghi lệnh để

trình ở dạng

thi
STL

(Statement List – Dạng lệnh liệt kê)
hay ở dạng LADDER (dạng hình thang)
sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong
bộ nhớ chương trình. Sau khi thực hiện
xong chương trình,sau đó là truyền thông
nội bộ và kiểm lỗi sau đó
CPU sẽ gửi hoặc cập nhật tín hiệu tới các
thiết bị, được điều khiển thông qua mô đun
suất. Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông
nội và tự kiểm tra lỗi và gởi cập nhật tín hiệu ở đầu ra được gọi là một chu kỳ quét.
Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thì lệnh không xử lý trực tiếp với
cổng vào ra mà sẽ xử lý thông qua bộ nhớ đệm. Nếu có sử dụng ngắt thì chương

- 22 -


trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắt sẽ được soạn thảo và cài đặt như một bộ
phận chương trình. Chương trình ngắt chỉ thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện
tín hiệu ngắt và có thể xảy ra ở bất kì điểm nào trong vòng quét. Chu kỳ quét một

vòng của PLC được mô tả như hình 1.6.
Thực tế khi PLC thực hiện chương trình (Program Execution), PLC khi cập nhật
tín hiệu ngõ vào (ON/OFF), các tín hiệu này không được truy xuất tức thời để đưa
ra (Update) ở đầu ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ở đầu ra (ON/OFF) phải theo hai
bước:
 Khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý sẽ chuyển đổi các mức logic tương
ứng ở đầu ra trong “chương trình nội” (đã được lập trình), các mức logic này
sẽ chuyển đổi ON/OFF.Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ở đầu ra “thật” (tức tín
hiệu được đưa ra tại Module out) vẫn chưa được đưa ra.
 Khi xử lý kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic (của các
tiếp điểm) đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở đầu ra mới thực sự tác
động lên ngõ ra để điều khiển các thiết bị ở đầu ra.
Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với thời gian rất ngắn, một vòng
quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện một vòng quét từ 1ms tới 100ms. Việc
thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh, độ dài
của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn
hình hiển thị, …). Vi xử lý chỉ có đọc được tín hiệu ở đầu vào chỉ khi nào tín hiệu
này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét. Nếu thời gian tác động
ở đầu vào nhỏ hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý xem như không có tín hiệu này.
3.5. Ứng dụng của PLC
Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả
trong công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn
giản, chỉ có chức năng đóng/mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các
lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá
trình sản xuất. Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm :

- 23 -