Đề tài Thiết kế và xây dựng tín hiệu giao thông nút giao thông Lê Hồng Phong - Nguyễn Bỉnh Khiêm dùng PLC

hiển cổ điển. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: dạng lập trình dùng giản đồ hình thang. Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hổ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (data manipulation). Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn. Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp, số lượng cổng ra/vào lớn. Một PLC có đầy đủ các chức năng như: bộ đếm, bộ định thời, các thanh ghi (register) và tập lệnh cho phép thực hiện các yêu cầu điều khiển phức tạp khác nhau. Hoạt động của PLC hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình nằm trong bộ nhớ, nó luôn cập nhật tín hiệu ngõ vào, xử lý tín hiệu để điều khiển ngõ ra. Những đặc điểm của PLC: -Thiết bị chống nhiễu. -Có thể kết nối thêm các modul để mở rộng ngõ vào/ra. -Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu. -Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển bằng máy lập trình hoặc máy tính. -Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ. -Bảo trì dễ dàng. Do các đặc điểm trên, PLC cho phép người điều hành không mất nhiều thời gian nối dây phức tạp khi cần thay đổi chương trình điều khiển, chỉ cần lập chương trình mới thay cho chương trình cũ. Việc sử dụng PLC vào các hệ thống điều khiển ngày càng thông dụng, để đáp ứng yêu cầu ngày càng đa dạng này, các nhà sản xuất đã đưa ra hàng loạt các dạng PLC với nhiều mức độ thực hiện đủ để đáp ứng các yêu cầu khác nhau của người sử dụng. Để đánh giá một bộ PLC người ta dựa vào 2 tiêu chuẩn chính: dung lượng bộ nhớ và số tiếp điểm và năng như: bộ vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngôn ngữ lập trình, khả năng mở rộng số ngõ vào/ra của nó. Bên cạnh đó cũng cần chú ý đến các chức năng như: bộ vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngôn ngữ lập trình, khả năng mở rộng số ngõ vào/ra. 3.2.1. Cấu hình cứng. Cấu hình cứng PLC viết tắt của Programmable Logic Control, là thiết bị điều khiển logic lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình. S7 – 200 là thiết bị điều khiển khả trình loại nhỏ của hãng Siemens, có cấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở rộng. Các modul này sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7 – 200 là khối vi xử lý CPU 212 hoặc CPU 214. Về hình thức bên ngoài, sự khác nhau của hai loại CPU này nhận biết được nhờ số đầu vào/ra và nguồn cung cấp. -CPU 212 có 8 cổng vào, 6 cổng ra và có khả năng được mở rộng thêm bằng 2 modul mở rộng. -CPU 214 có 14 cổng vào, 10 cổng ra và có khả năng được mở rộng thêm bằng 7 modul mở rộng. S7 – 200 có nhiều loại modul mở rộng khác nhau. CPU 214 bao gồm: -2048 từ đơn (4K byte) thuộc miền nhớ đọc/ghi non-volatile để lưu chương trình (vựng nhớ có giao diện với EEPROM). -2048 từ đơn (4K byte) kiểu đọc/ghi để lưu dữ liệu, trong đó 512 từ đầu thuộc miền nhớ non-volatile. -14 cổng vào và 10 cổng ra logic. -Cú 7 modul để mở rộng thêm cổng vào/ra bao gồm luôn cả modul analog. -Tổng số cổng vào/ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra. -128 Timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4 Timer 1ms, 16 Timer 10ms và 108 Timer 100ms. -128 bộ đếm chia làm 2 loại: chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa đếm lùi. -688 bit nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc. -Các chế độ ngắt và xử lý ngắt bao gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung. -3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2 KHz và 7KHz. -2 bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM. -2 bộ điều chỉnh tương tự. -Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ khi PLC bị mất nguồn nuôi.Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 I1.0 I.11 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 SF RUN STOP SIEMENS SIMATIC S7 - 200 Các cổng vào Cổng truyền RS485 Các cổng ra Q1.0 Q1.1 Hình 3.1.Bộ điều khiển lập trình được(khả trình)S -200 với khối vi xử lý CPU Mô tả các đèn báo trên S7 -200 CPU 214: SF Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng .Đèn SF sáng lên khi PLC (đèn đỏ) có hỏng hóc . RUN Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện (đèn xanh) chương trình được nạp vào trong máy . STOP Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng .Dừng (đèn vàng) chương trình đang thực hiện lại . Ix .x Đèn xanh ở cổng vào chỉ định trạng thái tức thời của cổng Ix.x (đèn xanh) (x.x = 0.0 ¸ 1.5).Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng . Qy.y Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qy.y (đèn xanh)(y.y = 0.0 ¸1.1).Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng. Cổng truyền thông : S7 – 200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác. Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud. Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do là 300 đến 38.400. S7 – 200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác. Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud. Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do là 300 đến 38.400. 5 4 3 2 1 1111 9 8 7 6 6 Hình 3.2. Sơ đồ của cổng truyền thông Trong đó : Chân Giải thích 1 Đất 2 24 VDC 3 Truyền và nhận dữ liệu 4 Không sử dụng 5 Đất 6 5 VDC (điện trở trong 100W) 7 24 VDC (120 mA tối đa) 8 Truyền và nhận dữ liệu 9 Không sử dụng Để ghép nối S7 – 200 với máy lập trình PG702 hoặc với các loại máy lập trình thuộc họ PG7xx có thể sử dụng cáp nối thẳng qua MPI .Cáp đó đi kèm theo máy lập trình. Ghép nối S7 – 200 với máy tính PC qua cổng RS-2 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485. Công tắc chọn chế độ làm việc của PLC Công tắc chọn chế độ làm việc nằm phía trên, bên cạnh các cổng ra của S7 – 200 có ba vị trí cho phép chọn các chế độ làm việc khác nhau cho PLC. -RUN cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ. PLC S7 – 200 sẽ rời khỏi chế độ RUN và chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP, thậm chí ngay cả khi công tắc ở chế độ RUN. Nên quan sát trạng thái thực tại của PLC theo đèn báo. -STOP cưỡng bức PLC dừng thực hiện chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP. Ở chế độ STOP PLC cho phép hiệu chỉnh lại chương trình hoặc nạp một chương trình mới. -TERM cho phép máy lập trình tự quyết định một trong các chế độ làm việc cho PLC hoặc ở chế độ RUN hoặc ở chế độ STOP. Chỉnh định tương tự Điều chỉnh tương tự (1 bộ trong CPU 212 và 2 trong CPU 214) cho phép điều chỉnh các biến cần phải thay đổi và sử dụng trong chương trình. Núm chỉnh analog được lắp đặt dưới nắp đậy bên cạnh các cổng ra. Thiết bị chỉnh định có thể quay 270o. Pin và nguồn nuôi bộ nhớ Nguồn nuôi dùng để mở rộng thời gian lưu giữ cho các dữ liệu có trong bộ nhớ. Nguồn pin tự động được chuyển sang trạng thái tích cực nếu như dung lượng tụ nhớ bị cạn kiệt và nó phải thay thế vào vị trí đó để dữ liệu trong bộ nhớ không bị mất đi. 3.2.2. Cấu trúc bộ nhớ Bộ nhớ của S7 – 200 được chia thành 4 vùng với một tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn. Bộ nhớ của S7 – 200 có tính năng động cao, đọc và ghi được trong toàn vùng, loại trừ phần bit nhớ đặc biệt được kí hiệu SM (Special Memory) chỉ có thể truy nhập để đọc. Hình 3.3 Bộ nhớ trong và ngoài của S7-200 Vùng chương trình: là miền nhớ được sử dụng để lưu các lệnh chương trình. Vùng này thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được. Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như: từ khóa, địa chỉ trạm cũng như vùng chương trình, vùng tham số thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được. Vùng dữ liệu: dùng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết quả các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm truyền thông một phần của vùng nhớ này thuộc kiểu non-volatile. Vùng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng. Vùng này không kiểu non-volatile nhưng đọc/ghi được 3.2.3 Thực hiện chương trình: PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng gian đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng đệm ảo, tiếp theo là gian đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc (MEND). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là gian đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra. 3.Truyền thông và tự kiểm tra lỗi. 4. Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi 2. Thực hiện chương trình. 1. Nhập dữ liệu từ ngoại vi vào bộ đệm ảo Hình 3.4. Vòng quét (scan) trong S7-200 Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 4 do CPU quản lý. Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra. Nếu sử dụng các chế độ xử lý ngắt, chương trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình. Chương trình xử lý ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất cứ điểm nào trong vòng quét Cấu trúc chương trình của S7 – 200 Có thể lập trình cho S7 – 200 bằng cách sử dụng một trong những phần mềm sau đây: -STEP 7 – Micro/DOS -STEP 7 – Micro/WIN Những phần mềm này đều có thể cài đặt được trên các máy lập trình họ PG7xx và các máy tính cá nhân (PC). Các chương trình cho S7 – 200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình chính (main program) và sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắt được chỉ ra sau đây: -Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình (MEND) -Chương trình con là một bộ phận của chương trình. Các chương trình con phải được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính, đó là lệnh MEND. -Các chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình. Nếu cần sử dụng chương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chính MEND. -Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình chính. Sau đó đến các chương trình xử lý ngắt. Bằng cách viết như vậy, cấu trúc chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình sau này. Có thể tự do trộn lẫn các chương trình con và chương trình xử lý ngắt đằng sau chương trình chính. Hình 3.6. Hình ảnh thực tế của PLC S7-200 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THÔNG 4.1. MỞ ĐẦU Đèn tín hiệu là một thiết bị phát sáng sơ cấp cung cấp thông tin như: dừng, đi, rẽ, đường cấm cho người đi đường và được phân biệt bởi màu sắc: Xanh - Vàng - Đỏ. Việc báo hiệu bằng ánh sáng tại các giao cắt có chức năng chính là bảo đảm an toàn cho người đi bộ, đi xe và tăng lưu thông trong giao thông bằng việc chia rẽ kịp thời các phương tiện, tránh đụng độ, va chạm của người đi bộ hoặc phương tiện tham gia giao thông. 4 5 6 6 3 8 Vào Ra 2 1 Các hoạt động diễn ra trên một nút giao thông bao gồm các bước sau: Hình 4.1. Mô hình ngã tư - Xe từ các hướng đến nút và xếp hàng tại các điểm vào nút (1, 2, 3, 4) tương ứng. - Hoạt động của tín hiệu đèn điều khiển giao thông. - Hoạt động của các phương tiện giao thông tại nút Khi xe đến nút, nếu gặp các tín hiệu đèn đỏ hoặc đèn vàng thì phải chờ trước đèn tín hiệu. Nếu gặp tín hiệu đèn xanh thì được phép thông qua nút theo nguyên tắc: - Xe đến trước thông qua nút trước - Số xe thông qua nút trong một đơn vị thời gian không vượt quá khả năng thông qua nút. - Xe vào nút từ một đường có thể rẽ ra ba hướng khác nhau. Cụ thể: Xe vào nút từ đường 1 có thể rẽ sang các đường 6, 7, 8 Xe vào nút từ đường 2 có thể rẽ sang các đường 5, 7, 8 Xe vào nút từ đường 3 có thể rẽ sang các đường 5, 6, 8 Xe vào nút từ đường 4 có thể rẽ sang các đường 5, 6, 7 4.1.1. Từ đây ta có những cách sau để giảm thiểu số điểm xung đột tại ngã tư. a. Khi không có tín hiệu điều khiển giao thông, tổng số điểm xung đột ở ngã tư là 32: Hình 4.2: Các điểm xung đột tại ngã tư khi không có đèn tín hiệu Trong đó: 16 điểm cắt nhau (·) 8 điểm trộn vào cùng chiều (Ä) 8 điểm rẽ (O) b. Số điểm cắt ở các ngã tư sẽ giảm xuống 8 thay cho 16 nếu cấm rẽ trái (bằng biển báo hoặc đèn tín hiệu) từ một đường ít ưu tiên (nơi rẽ trái là rất nguy hiểm). Hình 4.3: Các điểm xung đột tại ngã tư khi cấm rẽ trái Ký hiệu (|¾ chiều cấm) Hoặc khi có đường một chiều và đường hai chiều giao nhau, số điểm cắt nhau chỉ cón 5, phương tiện cắt nhau ít hơn; Giảm số điểm xung đột là một phương pháp tăng thêm độ an toàn. c. Nếu điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu: Tổng số 32 điểm xung đột ở ngã tư được giảm còn 8 điều khiển hai kỳ ở nút giao thông. Điểm các phương tiện cắt nhau chỉ còn 2. Khi điều khiển tín hiệu giao thông theo 2 kỳ, các điểm xung đột vẫn còn tồn tại, dễ gây tai nạn, va chạm, ùn tắc, đặc biệt là vào giờ các điểm lượng phương tiện cơ giới tham gia giao thông rất lớn. Hình 4.4: Các điểm xung đột tại ngã tư khi có đèn tín hiệu Ký hiệu (|¾ chiều cấm) d. Dùng tín hiệu điều khiển 4 kỳ ở ngã tư có thể loại bỏ được tất cả các điểm xung đột, ngoại trừ hai điểm rẽ (O): Hình 4.5: Các điểm xung đột tại ngã tư khi dùng tín hiệu điều khiển 4 kỳ Ký hiệu (|¾ chiều cấm) Nhưng sự chậm trễ do chờ hết đèn đỏ làm giảm sút rất nhiều khả năng thông xe của nút giao thông, nên vì thế mà ít dùng. Nó có thể được dùng trong trường hợp có xe Cứu thương, Cảnh sát, Phái đoàn và đoàn hộ tống thì tuyến đường có xe chạy qua được ưu tiên sử dụng phương pháp này (chế độ ưu tiên). Tuy nhiên, tại các nước láng giềng (như Trung Quốc, Thái Lan, Lào) do có mật độ ôtô, xe máy lớn người ta đã chọn giải pháp nay để loại bỏ hoàn toàn các điểm xung đột giữa phương tiện, phần đường và thời gian cho người đi bộ cũng bị hạn chế nhằm thông nút nhanh, giảm ở mức thấp nhất những yếu tố cản trở phương tiện, đảm bảo an toàn giao thông ở mức cao nhất. Sự điều khiển đa kỳ (nhiều hơn hai kỳ) có thể sử dụng: + Ở nơi không thể loại trừ được sự chuyển động có tính xung đột khó chịu. + Ở nơi rẽ trái là rất nguy hiểm được đối phó bằng đặt điểm ngắt sớm hoặc khởi động muộn, hay là thời gian kéo dài giữa hai lần đèn xanh. + Ở nút giao thông có 5 hướng trở lên. + Ở nút giao thông cần có thời gian đi bộ riêng. Xu hướng trong tương lai, ở nước ta cũng sẽ như các nước bạn, hệ thống giao thông, mặt bằng các ngã tư phải được cải tạo để chuẩn bị tốt cho mai sau. Với đề tài thiết kế này tác giả cũng đưa ra giản đồ thời gian và phương án điều khiển 4 kỳ cho một ngã tư mà từ đó có thể đưa ra ứng dụng tuỳ theo điều kiện thực tế. 4.1.2. Giản đồ thời gian tín hiệu cho hệ thống điều khiển đèn tại ngã tư Với cùng một chu kỳ đèn nhưng có rất nhiều phương án khác nhau để điều khiển các phương tiện và con người tham gia vào giao thông. Thời gian đèn tín hiệu Xanh - Vàng - Đỏ ở các hướng A và B (điều khiển 2 kỳ) được thể hiện trên các giản đồ trên hình 3.6a, 3.6b, 3.6c Hình 4.6. Giản đồ thời gian điều khiển THGT(Điều khiển 2kỳ) Hình 4.7: Giản đồ thời gian điều khiển 4 pha tín hiệu a. Phương án 1 (hình 4.6a) Phương án 1 là phương pháp điều khiển giao thông truyền thống. Hệ thống đèn điều khiển theo giản đồ thời gian 1 thường đơn giản, dễ thiết kế. Thời gian đèn xanh hướng A bằng thời gian đèn đỏ hướng B nên chỉ cần mắc song song ngược cho hai hướng. Tuy nhiên, phương án này không giảm được nhiều khả năng xung đột từ hai hướng do phương tiện có thể chạm nhau trong thời gian đèn vàng. Phương án được dùng khi giao thông chưa phát triển. b. Phương án 2 (hình 4.6b) Phương án 2 phù hợp với thời gian chu kỳ ngắn, khi mà lưu lượng xe ở ngã tư không nhiều, hướng A vẫn có thời gian chờ phương tiện ở hướng B đi qua trong thời gian đèn vàng, và ngược lại ® áp dụng cho những ngã tư nhỏ, không cần thời gian giải toả. Hầu hết các nút giao thông cũ trong thành phố sử dụng phương án này và đã xuất hiện một số điểm không phù hợp, do mật độ phương tiện ngày càng tăng mà thời gian chờ thông nút không nhiều (chỉ khoảng 2-s), phương tiện vẫn có khả năng xung đột. c. Phương án 3 (hình 4.6c) Với những ngã tư rộng hoặc những nút có mật độ phương tiện lớn cần có nhiều thời gian cho xe qua nút và thông nút, phương án 3 đưa ra thời gian giải toả buộc tất cả các hướng phải dừng lại chờ. Thời gian đó ở các ngả đều đèn đỏ. Hiện nay, phương án 3 đang được áp dụng cho hầu hết các hệ thống điều khiển giao thông bằng tín hiệu ở ngã tư, những chương trình PLC điều khiển đèn giao thông dưới đây cũng được tác giả viết theo giản đồ thời gian này. Nhưng trong một tương lai gần, nó không còn phù hợp nữa vì dân số nội đô ngày càng tăng đến mức báo động, các loại phương tiện cơ giới ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn. Vấn đề giao thông đặt ra là phải vừa giải thoát nút thật nhanh, vừa đảm bảo an toàn cho người và phương tiện Þ giải pháp điều khiển 4 pha tín hiệu (hình 4.7) sẽ đáp ứng được phần nào những yêu cầu đó. d. Phương án 4 (hình 4.7) Ở phương án 4, trong một thời điểm chỉ có một hướng đèn xanh, ba hướng còn lại đèn đỏ. Với phương án này ta có thể phân luồng cho xe vào nút rồi dừng đèn tín hiệu điều khiển riêng từng hướng rẽ (cho phép thêm một đường rẽ phải hoặc cho ba đường còn lại rẽ phải), loại bỏ hoàn toàn khả năng phương tiện giao nhau và tăng khả năng thông nút. Phương án này cũng đảm bảo cho người đi bộ qua đường an toàn hơn. Giao thông trên đường là quan trọng, vì vậy phải hạn chế người qua đường làm cản trở phương tiện. Khi đường A có tín hiệu đèn xanh thì hướng đi thẳng phải được ưu tiên vì là hướng đi chính của tuyến đường, hướng bên trái (đường B) thường có đèn tín hiệu cho phép rẽ phải, do đó người đi bộ chỉ được ở hướng nào có lưu lượng xe nhỏ nhất, là đường D - bên phải đường có tín hiệu đèn xanh. 4.1.3. Các bước tiến hành khi thiết kế Sự hoạt động đi lại của người và phương tiện trên đường và tại các nút giao thông là các sự kiện xảy ra hoàn toàn ngẫu nhiên. Dòng các phương tiện đến nút và ra khỏi nút giao thông theo các hướng thường có tính chất: - Hoàn toàn độc lập với nhau - Cường độ xảy ra sự kiện (hay cường độ phương tiện) thường là hằng số, nếu ta khảo sát trong những khoảng thời gian thì nó xảy ra đều như nhau không phụ thuộc vào điểm khảo sát theo trục thời gian. - Tại một thời điểm chỉ có một sự kiện xảy ra Rồi tiến hành các bước: + Khảo sát, đo vẽ, thu thập số liệu về nút giao thông như: kích thước, địa hình, đặc điểm + Phân tích các số liệu, đánh giá tình hình nút theo các chỉ tiêu kỹ thuật như: hệ số tai nạn, khả năng thông qua nút + Lựa chọn phương án điều khiển. 4.2. THỜI GIAN CHU KỲ ĐÈN TÍN HIỆU CHO NÚT GIAO THÔNG Điều quan trọng trong khi lựa chọn phương án điều khiển là tìm ra chu kì đóng cắt các đèn tín hiệu (thời gian đèn Xanh, Vàng, Đỏ) một cách hợp lý. Để tạo điều kiện tính toán, lựa chọn các chu kì đèn đồng thời theo dõi sự hoạt động của dòng phương tiện giao thông đi qua ngã tư, ta cần tiến hành mô phỏng sự hoạt động của một ngã tư điển hình theo thời gian, từ đó tìm chu kỳ tối ưu cho một nút giao thông độc lập Chu kỳ đèn giả định Lưu lượng xe Kích thước xe Vận tốc xe Tiêu chuẩn tối ưu Chu kì đèn tối ưu MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN Hình 4.8: Cấu trúc chung của phương pháp mô phỏng Thông tin đưa vào hệ thống bao gồm các thông tin về kích thước nút, cường độ (hay lưu lượng) các dòng xe vào nút, tốc độ trung bình của xe, chu kì đèn giả định và tiêu chuẩn tối ưu. Trên cơ sở đó, máy tính sẽ mô phỏng quá trình xe trong nút, tính toán thời gian chờ trung bình của hệ thống, lặp lại các bước này để tìm chu kỳ đèn tối ưu. Chương trình điều khiển phải: + Tạo ánh sáng vàng nhấp nháy, hoặc ánh sáng xanh, đỏ cho phương tiện và người đi bộ. + Làm sáng tuần tự các đèn trong chu kỳ báo hiệu + Thay đổi chương trình phụ thuộc vào giờ cao điểm trong ngày. + Chế độ hoạt động độc lập theo thời gian cố định + Chế độ hoạt động nháy vàng + Chế độ điều khiển bằng tay + Chế độ hoạt động theo "làn sóng xanh" Khi thiết kế hệ thống điều khiển giao thông, ta cần chú ý đến lưu lượng xe trên đường, chú ý chiều đi cho phép và tuyến đường nào được ưu tiên hơn. Chu kì đèn tín hiệu bao gồm: + Thời gian đèn Xanh, Vàng, Đỏ hướng 1-3 + Thời gian đèn Xanh, Vàng, Đỏ hướng 2-4 + Thời gian đèn hiệu Xanh, Đỏ cho người đi bộ qua đường + Chu kì đèn tín hiệu còn bao gồm thời gian giải toả - là thời gian chờ phương tiện qua hết nút - lúc này cả 4 ngả đèn đỏ (thời gian từ 1¸3s) 4.3. LẬP TRÌNH PLC ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG THEO CHU KỲ TỐI ƯU: Trên Thế giới hiện nay, xu hướng sử dụng module logic vạn năng Logo và thiết bị điều khiển logic khả trình PLC trong hệ thống tín hiệu giao thông ngày càng tăng. Bởi chúng được thiết kế vạn năng và hoàn chỉnh: có sẵn tất cả các đầu vào/ra, lý tưởng cho chuyển mạch và điều khiển, sử dụng đơn giản, kích thước nhỏ gọn, mang tính kinh tế cao. Đặc biệt là PLC có khả năng phát triển, kết nối mạng về trung tâm điều khiển, cho phép lập trình điều khiển đèn tín hiệu chạy với chế độ đa phương trình và chạy có thời gian giải toả. Tuỳ theo mật độ xe cộ lưu thông trên đường ở từng thời điểm trong ngày, ở từng ngày trong tuần mà PLC sẽ tạo lập được các chương trình điều khiển khác nhau, thoả mãn tối ưu mọi yêu cầu. 4.3.1 Giản đồ thời gian cho hệ thống đèn tín hiệu Áp dụng giản đồ thời gian phương án 3 cho chương trình để nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Chú ý đảm bảo an toàn giao thông, thời gian xanh cho người đi bộ sẽ ngắt sớm 5s và ở 5s cuối cùng tín hiệu nhấp nháy gicụ người sang đường nhanh. Thời gian tín hiệu được thể hiện trên hình 3.8 Hình 4.9: Giản đồ thời gian cho đèn tín hiệu giao thông 4.3.2. Lập lưu đồ thuật toán PLC (hình 4.8) BEGIN khởi động Vàng Nháy Trễ 10s Tắt Vàng Đỏ các hướng Trễ 5s Đỏ đi bộ I Xanh I Trễ 31s Xanh đi bộ I Trễ 31s Trễ 15s Vàng I Trễ 3s Đỏ I Trễ 23s Đỏ II Trễ 23s Vàng II Trễ 3s Xanh II Trễ 19s Xanh đi bộ I Trễ 10s Đỏ đi bộ II Trễ 35s Hình 4.10. Lưu đồ thuật toán PLC CHƯƠNG V TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ Căn cứ vào thực tiễn yêu cầu, qua các danh mục sản phẩm, các mẫu trụ đèn tín hiệu giao thông được giới thiệu, ta sẽ so sánh độ thẩm mỹ, hiện đại, mức độ bảo đảm kỹ thuật, tính kinh tế để quyết định lựa chọn cho hệ thống đèn giao thông tại các ngã tư các loại thiết bị sau: 5.1. ĐÈN TÍN HIỆU Đèn tín hiệu sử dụng trong hệ thống là những bóng diode phát quang (LED - Light Emiter Diode) chuyên dùng cho ngành tín hiệu giao thông (dùng ngoài trời) với các thông số sau: * Bóng LED màu xanh - Cường độ phát sáng cực tiểu: >= 286cd - Cường độ phát sáng cực đại: >= 800cd - Bước sóng ánh sáng (l): 498.5mm ¸ 508mm - Điện áp định mức (Uđm): 3.5V - Dòng điện định mức (Iđm): 20mA - Dòng điện cực đại: 100mA - Đường kính bóng (D): 5mm - Góc nhìn của đèn: <=160 - Tuổi thọ của đèn: trên 50000 giờ (Sau 50000 giờ, cường độ sáng của đèn giảm đi 20%) * Bóng LED màu vàng - Cường độ phát sáng cực tiểu: >=250cd - Cường độ phát sáng cực đại: >=750cd - Bước sóng ánh sáng (l): 585mm ¸ 597mm - Điện áp định mức (Uđm):2V - Dòng điện định mức (Iđm): 20mA * Bóng LED màu đỏ - Cường độ phát sáng cực tiểu: >=250cd - Cường độ phát sáng cực đại: > = 750cd - Bước sóng ánh sáng (l): 615mm ¸ 631,5mm - Điện áp định mức (Uđm): 2V - Dòng điện định mức (Iđm): 20mA Từ đây ta kết hợp các bóng đèn LED chuyên dùng này để có các loại đèn tín hiệu sau: + Đèn tín hiệu 3 màu Xanh - Vàng - Đỏ: Trong đó, mặt đèn LED Xanh và Vàng có đường kính D200mm, gồm 149 LED chuyên dùng. Riêng mặt đèn LED Đỏ có đường kính D300mm, gồm 314 LED chuyê dùng nhằm tăng sự chú ý của người tham gia giao thống đối với tín hiệu dừng. Sơ đồ sắp xếp các đèn như sau: + Đèn tín hiệu lặp lại Xanh - Vàng - Đỏ Mặt đèn có đường kính D100mm, gồm 54 LED chuyên dùng mỗi loại + Đèn chữ thập Đỏ Mặt đèn có đường kính D300 mm, gồm 185 LED chuyên dùng Đèn chữ thập (còn gọi là đèn một mắt) dùng để giải toả, sáng cùng với đèn Đỏ chính và chỉ khi tắt đi - đèn Xanh chính mới được bật lên + Đèn đi bộ với hình người đi (màu xanh) và hình người đứng (màu Đỏ) Mặt đèn có đường kính D300mm, sử dụng 184LED chuyên dùng Ngoài ra hệ thống có thể có thêm các loại đèn sau: + Đèn mũi tên: cho phép rẽ theo chiều mũi tên chỉ Mặt đèn có đường kính D200mm, đặt ngay dưới đèn tín hiệu giao thông chính, sử dụng 87 LED chuyên dùng màu Xanh + Đèn tín hiệu thờ