Thiết kế hệ thống cảnh báo đường ngang tự động dùng PLC

kết quả kiểm tra này mà người công nhân có thể thay thế và sửa chữa. 5. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị xác nhận, báo có tàu: Dùng mạch điện đường ray ngắn so le điện một chiều hoặc xoay chiều tần số 50 Hz làm thiết bị xác nhận và báo đoàn tàu. Tạm thời cho phép dùng Sensor loại SR - 10 - 00 do Công ty Thông tin tín hiệu chế tạo có các tham số sau: + Điện áp làm việc : 10V – 30V + Dòng không tải : 40 mA + Dòng có tải lớn nhất : 62 mA + Khoảng cách tới đỉnh ray : 42 mm (ù5 mm) + Thời gian động tác : 3 mS + Nhiệt độ làm việc : Từ – 100C đến +850C + Độ ẩm : 95% + Điện trở cách điện : ≥ 20 MΩ (đo thử ở điều kiện:20-250C, điện áp 1000V, độ ẩm 95%) + Thích hợp với tốc độ đoàn tàu 3 ~ 160 km/ h Khối nguồn điện: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 35 Nguồn điện sử dụng nguồn điện lới 220 VAC cung cấp nguồn xoay chiều và các bộ biến thế, chỉnh lu cung cấp các điện áp phù hợp cho thiết bị nạp và nạp đệm cho ác quy. Bộ Inverter (kí hiệu là Ivt) dùng ắc quy A xít kín khí 24V – 70 AH. ắc quy được dặt trong tủ điều khiển. Khi mất điện, nguồn ắc quy qua bộ Inverter sẽ được đổi thành nguồn điện 220V – 50Hz đảm bảo cho thiết bị hoạt động liên tục (Thời gian hoạt động tối đa khi mất điện lới là 48 giờ. Điện áp công tác 220 VAC±10%. Tiêu hao điện ở trạng thái bình thường bằng 20W. Tiêu hao điện ở trạng thái động bằng 120W. III.5. Tín hiệu cảnh báo đường ngang tự động dùng PLC điều khiển . Thiết bị điều khiển lập trình lô gíc (PLC) dùng trong hệ thống tín hiệu đường ngang cảnh báo tự động là bộ phận cốt lõi của hệ thống. Nó kết hợp với thiết bị xác báo tàu qua bộ bảo an, qua thiết bị giao tiếp đầu vào, kết nối với thiết bị giao tiếp đầu ra. Thiết bị nguồn điện cung cấp cho tất cả các bộ phận của hệ thống. Bên cạnh đó còn có các thiết bị phụ trợ. Việc phân bổ các thiết bị cũng giống như hệ thống tín hiệu cảnh báo dùng rơ le điều khiển .Điểm khác biệt là bộ điều khiển lập trình lô gíc có một số chức năng điều khiển khác mạch điện rơ le: thực hiện đo tốc độ tức thời của các đoàn tàu khi bắt đầu vào tới khu đoạn tới gần đường ngang, kiểm tra phân khu tới gần thanh thoát khỏi trục bánh tàu nên phải bố trí thêm một số thiết bị xác báo tàu và các thiết bị phụ trợ khác như bộ giao tiếp giữa thiết bị điều khiển và thiết bị chấp hành... Bộ cảm biến từ: Sử dụng bộ cảm biến CT-001 do Công ty Tư vấn Đầu tư và Xây dựng chế tạo có các thông số kỹ thuật sau: Điện áp làm việc định mức : 24 VDC. Điện áp cực đại cho phép : 100VDC. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 36 Công suất tiêu tán cho phép là : 2,4 VA. Dòng điện cực đại : 150 mA. Tần số làm việc giới hạn : 100 Hz. Khoảng cách tác động lớn nhất : 40 mm. Nhiệt độ làm việc từ : –100C đến 850C. Độ ẩm : 100%. Thiết bị giao tiếp. Thiết bị giao tiếp để liên kết giữa tín hiệu đầu ra của cảm biến với tín hiệu đầu vào của PLC, nhằm đảm bảo cho hệ thống làm việc ổn định . Thiết bị điều khiển tự động: Bộ điều khiển PLC (Thiết bị điều khiển lập trình lô gíc) điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống tín hiệu cảnh báo tự động đường ngang. Dùng loại PLC loại: S7 – 214 của hãng Siemens ghép song song. Nguồn điện : Hệ thống nguồn điện cung cấp cho thiết bị dùng ắc quy a xít khô 24V- 105 AH. Nguồn điện ắc quy này luôn luôn được nạp bổ sung từ bộ nạp nguồn tự động lấy từ nguồn điện xoay chiều 220V – 50 Hz tại khu vực đường ngang qua bộ biến đổi AC, được đảm bảo điện áp trên nguồn ắc quy là 24V- 28V. Thiết bị phụ trợ: - Trong tủ điều khiển có hệ thống quạt gió khi nhiệt độ trong tủ lớn hơn 400C hệ thống quạt tự động làm việc; - Trong tủ có đồng hồ đo điện áp, cường độ dòng điện nạp cho ắc quy: các nút ấn khôi phục hệ thống, cảnh báo nhân công hoặc khôi phục dành cho duy tu; - Hệ thống tiếp đất cho tủ theo tiêu chuẩn hiện hành; 1. Thiết bị chấp hành: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 37 - Đèn LED có các thông số sau: sử dụng đèn mầu phát xạ cao: đèn có 22 nhánh, mỗi nhánh 8 bóng ( tức là có 198 bóng). - Điện áp làm việc 24 VDC (ù 20%). - Dòng điện làm việc 100 mA cho một đèn vàng và 150 mA cho một đèn đỏ. Độ sáng của đèn: 80 bóng x 4800 mCd / bóng. - Tín hiệu âm thanh: loa và chuông sử dụng theo chế độ làm việc ngày đêm, có loa phát âm thanh cảnh báo bằng tiếng nói. - Điện áp làm việc 24 VDC (ù 20%). - Công suất tiêu thụ của cả hai: 6W ban ngày và 3W ban đêm. 2. Các trạng thái họat động của bộ điều khiển PLC: - Trạng thái bình thường: Cứ mỗi lần trục bánh tàu đi qua bộ cảm biến là một lần PLC nhận được tín hiệu. Căn vào chương trình phần mềm đã cài đặt sẵn cho đường ngang mà bộ PLC nhận biết các tín hiệu đầu vào và tự động xử lý tín hiệu đầu ra nhằm thực hiện việc cấp điện cho hệ thống thiết bị tín hiệu chấp hành hoạt động, đảm bảo cho đèn đỏ và chuông điện trên cột báo hiệu đường bộ hoạt động trước 40 giây trước khi tàu đến, đóng đường ngang. Khi đuôi tàu qua khỏi đường ngang đưa thiết bị về trạng thái bình thường (mở đường ngang ). - Một số trường hợp khác: Trường hợp tàu vào khu đoạn tới gần mà chạy chậm hoặc đỗ trên khu đoạn quá 3 phút bộ PLC sẽ tự động điều khiển các cột báo hiệu đ- ường bộ cắt đèn đỏ, tắt mạch chuông kêu và tự động chuyển sang chế độ đèn vàng sáng nhấp nháy. Khi tàu chạy qua đường bộ PLC điều khiển tắt đèn vàng và đưa thiết bị về trạng thái bình thường. Mỗi khi hệ thống thiết bị có trở ngại hoặc do tàu chạy vào khu đoạn tới gần với tốc độ quá chậm thì được ghi nhận lại để báo cho đơn vị quản lý hoặc đa thông tin cho thiết bị quản lý từ xa. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 38 Báo sự cố (sáng đèn vàng trên các cột báo hiệu đường bộ ) trong các trường hợp sau: + Các bộ cảm biến bị hỏng; + Đường dây dẫn đến bộ cảm biến bị chập hoặc đứt dây. III.6. Tín hiệu cảnh báo tự động dùng máy tính nhúng điều khiển với thiết bị cảm biến địa chấn CBTH 3.0 Khối cảm biến địa chấn: Để khắc phục tồn tại hệ thống cảnh báo tự động cơ học gây ra với các Sensor, Đường sắt Việt Nam đã tiến hành thử nghiệm và cho phép dùng bộ cảm biến địa chấn. 1. Nguyên tắc hoạt động: Phát hiện tàu hoả theo mức rung địa chấn. Thành phần cấu tạo: Bao gồm cảm biến địa chấn, bộ tiền xử lý tín hiệu, bộ giao tiếp hỏi đáp kiểm tra trở ngại đường truyền với tủ điều khiển, vỏ bảo vệ 5 lớp (vỏ nhựa PA, vỏ epoxy chống thấm, vỏ polymer chống va đập, hai lớp sơn đặc dụng ngoài cùng chống thấm), dây cáp nối tín hiệu hai sợi nối lên máy tính. Ngoài ra còn phải có cầu chì chống sét lan truyền lắp đặt trong hộp cáp bảo vệ vi mạch đối với khối cảm biến địa chấn và dây tín hiệu dự phòng trong trường hợp hỏng mạch điện tử giao tiếp trong khối cảm biến địa chấn. 2. Tính năng kỹ thuật: - áp đổ liền khối với cảm biến nối lên hộp cáp, có 3 sợi : dây chung (GND), dây tín hiệu (S) và dây dự phòng (P)*. Các đầu dây cáp ra có đầu cốt sẵn để thuận tiện gắn vào khối BVTB (Chống sét, bảo vệ và dự phòng ). ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 39 - Kích thước: hình trụ đường kính 160 mm, cao 250 mm. Dây dẫn dùng cáp 3x1 loại chôn có vỏ sắt gia cường, độ dài của cáp là 3m. - Chất lượng sản phẩm xuất xưởng: 100% sản phẩm lắp đặt không có lỗi. - Độ bền của sản phẩm: không bị ngấm nước trong trường hợp ngấm nước lâu ngày, nhiệt độ làm việc 0-800C, chịu dung động theo lớp đất chôn cảm biến. - Kiểm tra tĩnh: điện trở giữa S và GND là ~ 10K, giữa P và GND là ~ 3,6K theo một chiều và vô cùng lớn theo chiều ngược lại. - Kiểm tra khi lắp vào mạch: điện áp một chiều giữa S và GND khoảng từ 6,5V đến 8,5V. Điện áp xoay chiều khi không có tàu chạy nhỏ hơn 0,01V. - Kiểm tra có tàu chạy hoặc rung động địa chấn trực tiếp trên khối cảm biến: điện áp xoay chiều trên 1V. - Tuổi thọ ít nhất là 3 năm từ khi lắp đặt trong điều kiện không bị sét đánh trực tiếp hoặc cố tình đưa điện áp vượt quá 40V vào dây tín hiệu mà không có bộ bảo vệ giao tiếp đặt trong hộp cáp. - Có khả năng phục hồi mạch vi điện tử trong cảm biến bằng cách lắp đặt bộ dự phòng trong hộp cáp, không cần thay cảm biến. 3. Mô hình ứng dụng: Mỗi điểm phát hiện tàu hoả dặt 2 cảm biến cách nhau một cầu ray (12,5m). Mục đích là máy tính nhúng sẽ đo khoảng cách thời gian chênh lệch giữa hai lần nhận được tín hiệu để đưa ra tốc độ đoàn tàu và phân biệt với các rung động khác như công nhân duy tu bảo dưỡng, tàu đỗ lâu tại một điểm. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 40 * Khối truyền thông tin Dùng dây cáp loại chôn treo ít nhất 3 sợi từ hộp nối tín hiệu về tủ điều khiển. Khối này đảm bảo đường truyền tín hiệu từ đầu cảm ứng về tủ điều khiển . * Khối giao tiếp đầu vào 1. Nguyên tắc hoạt động: Nối kết cảm biến với cổng máy tính nhúng thông qua bộ bảo vệ khỏi sét lan truyền và kiểm tra trở ngại chập dây hoặc đứt dây điều khiển. 2. Tính năng kỹ thuật: - Tương đương với một bộ chống sét lan truyền 10 đường với các tính năng và thiết kế đặc dụng cho điều kiện đường truyền tín hiệu và tiếp đất ở đường sắt Việt Nam . - Điện áp làm việc: tĩnh (mức “0”) ở giải từ 6V đến 8V, phát tín hiệu (mức “1”) ở dưới 6V đến 9V. - Mức tín hiệu đa ra “0” dưới 2,5V và “1” trên 2,5V. - Băng tần làm việc dới 10MHz. - Điện áp đánh xuyên danh định ở đầu vào 90V. Bảo vệ xung sét, nhiễu đa cấp. Chịu 10kA trong điều kiện tiếp đất đúng tiêu chuẩn 4Ω. - Khi dây nối với cảm biến bị đứt thi mức điện áp đầu vào là 12V, khi chập thì mức điện áp đầu vào là 0V. Do vậy mức đưa ra cho máy tính là “1”. Nếu máy tính nhúng thấy mức “1” liên tục trong 1 giây thì sẽ là trở ngại, báo chính xác cổng bị trở ngại. - Mỗi cổng giao tiếp có một đèn LED hiển thị mức ra của cổng: mức “0” thì tắt, mức “1” thì sáng. - Có khả năng chỉnh độ nhậy, mức can nhiễu. * Khối xử lý trung tâm (CPU) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 41 Khối xử lý trung tâm gồm hai máy tính nhúng với một máy làm nhiệm vụ điều khiển và giao tiếp với các cổng đầu vào (gọi tắt là MT1), một máy ở phía trong làm nhiêm vụ Watch-dog (MT2) và điều khiển các thiết bị cảnh báo nội tại tủ điều khiển (cách biệt với môi trường). MT1 làm nhiệm vụ theo dõi tín hiệu đưa về từ cảm biến, 2 đường truyền giám sát từ xa và khống chế dồn tàu gần ga, điều khiển đèn đỏ, chuông, nguồn nuôi, tạo dao động, bảo vệ LED cường độ sáng cao. MT2 làm nhiệm vụ theo dõi khởi động máy tính 1 trong trường hợp trở ngại, điều khiển đèn vàng, điều khiển card âm thanh, điều khiển màn hình tinh thể lỏng giao tiếp với người kiểm tra hệ thống, ghi lại lịch sử các sự kiện xảy ra trên đường ngang. 2.Tính năng kỹ thuật: - Điện áp nguồn nuôi từ 3.3V đến 5V. - Phần mềm điều khiển do Công ty phần mềm Tự động hoá thiết kế xây dựng,bản quyền tác giả đã được bảo vệ tại Cục bản quyền tác giả. - Hai máy tính được nối kết hoạt động song song theo nguyên tắc truyền thông điệp (message passing) với tốc độ thời gian thực (172797 baud rate); - Giao tiếp với máy tính PC kiểm tra lịch sử các sự kiện; - Đồng hồ làm việc 11.059 Mhz; - Tốc độ xử lý tín hiệu: 2Mhz ( 2 triệu phép tính trong 1 giây ); - Bộ nhớ trong đủ để lưu lịch sử 50 sự kiện gần nhất ( các sự kiện được định nghĩa trong phần mềm chương trình điều khiển ); - Nội dung tiếng nói cảnh báo tàu được lưu trong bộ nhớ máy tính với dung lượng 64 K (đủ cho câu nói 6 giây, chất lượng lấy mẫu 8000 Hz và 8 bit mẫu); ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 42 * Khối hiển thị kiểm tra thiết bị Có 2 hệ thống kiểm tra trạng thái của hiển thị: - Các đèn báo hiệu có nguồn và máy tính hoạt động; - Màn hình tinh thể lỏng thể hiện chương trình phần mềm trong máy tính hoạt động bình thường; 1. Các đèn bao gồm: - Trên đỉnh cầu dao điện 220V có đèn LED biều thị nguồn 220V có sau các cầu chì và bộ chống sét đường nguồn. - Trên mạch mặt hộp máy tính nhúng có 8 đèn LED đỏ biểu thị trở ngại và tín hiệu của 8 cổng cảm biến ( đánh số từ 1 đến 8 ). - Hai đèn LED vàng biểu thị hoạt của MT1 và điều khiển có tàu (TX và RX). - Hai đèn LED vàng biều thị giao tiếp với hai kết nối từ xa về hai hướng đường tàu (TM và 12V) và cầu chì nguồn nuôi 12V (nuôi các thiết bị điều khiển ). - Một đèn LED vàng thể hiện cầu chì nguồn nuôi 24V ( nuôi các thiết bị biểu thị tín hiệu ). - Một đèn đỏ trong nút “ Kiểm tra “ thể hiện mạch ổn áp 5V nuôi máy tính nhúng không có trở ngại. 2. Kiểm tra bằng thể hiện đèn. - Đèn nguồn 220V không sáng : kiểm tra điện lưới, cầu chì 220V, bộ chống sét quá áp đường nguồn. - Đèn 24V không sáng: kiểm tra cầu chì bộ ổn áp nguồn 24Vvà cầu diode 24V. - Đèn 12V không sáng: kiểm tra vế thứ 2 của bộ nguồn. - Đèn đỏ trong nút “ Kiểm tra” không sáng: ổn áp 5V cấp nguồn cho máy tính nhúng không hoạt động. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 43 - Đèn RX không nháy đều: MT1 không hoạt động. - Đèn TM sáng: tàu dồn từ ga qua ghi nhưng không qua đường ngang. - Đèn TX sáng nháy: máy tính điều khiển đèn đỏ nháy. - Các đèn đỏ từ 1 đến 8 sáng liên tục thể hiện đường nối kết đến cảm biến tương ứng có trở ngại. Đèn đỏ cũng sáng khi cảm biến được gắn đúng qui cách vào cọc đấu nhưng jump tương ứng với cảm biến trên GTV bị tháo ra. Nếu đèn đỏ nháy thể hiện có tín hiệu địa chấn trên cảm biến tương ứng. - Đèn đỏ không sáng nếu không có cảm biến( đứt hoặc không lắp ) và Jump tương ứng trên GTV không cắm. * Phần mềm điều khiển Ngoài các lập trình thực hiện đúng chu trình hoạt động mô tả trong phần tiếp theo và điều khiển các thành phần của hệ thống, phần mềm máy tính trong hệ thống Cadpro CBTH 3.0 còn có nâng cao chương trình kiểm tra tự động xác định lỗi cảm biến bằng lô gíc và tự động chạy hệ thống ở chế độ phòng khi một trong hai cảm biến ở một đầu tầu trở ngại. Cảm biến được xác định là có trở ngại nếu phần mềm thấy một trong các hiện tượng sau: - Đứt hoặc chập dây cáp tín hiệu: mức ra của GTV tại cổng t- ương ứng ở “1” liên tục dài hơn 1 giây; - Có tàu chạy theo đúng hành trình lô gíc tại các cảm biến lân cận nhưng không có tín hiệu tại cảm biến đánh dấu lỗi; - Có tín hiệu tại cảm biến đánh dấu lỗi nhưng không có tín hiệu cảm biến lân cận trong vòng 5 phút; Khi một trong hai cảm biến chôn cặp 12m bị ghi nhận là có trở ngại, phần mềm sẽ tự động chuyển sang chế độ cảnh báo với một cảm biến tại một điểm cảnh báo tàu: tàu vào cảnh báo ngay không xác định ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 44 phương hướng và tốc độ đóng chắn. Do vậy, hệ thống CBTH 3.0 hoạt động không biểu thị trở ngại đèn vàng ngay cả khi 3 trong số 6 địa chấn ghi nhận là lỗi nếu cặp địa chấn còn lại cảm biến tốt. Cảm biến hỏng chỉ được thông báo trên màn hình và có thể báo bằng đèn LED. Khi cảm biến được phần mềm ghi nhận là có trở ngại lại nhận tín hiệu với lô gíc hợp lý thì nó được tự động ghi nhận là hoạt động. Màn hình sẽ không thông báo lỗi cảm biến đó nữa. Đây là điều kiện tự phục hồi do những động tác giả như duy tu gõ đập trên cảm biến, nước ngập HF-4 gây trở ngại ngắn mạch cảm biến. Khi tàu dừng trong phân khu tới gần quá 3 phút, hệ thống sẽ báo trở ngại và ghi nhận là 2 cảm biến được coi là chờ tàu ra sẽ bị đánh dấu trở ngại. Khi tàu chạy qua 2 cảm biến đó theo đúng lô gíc thì phần mềm sẽ tự động khôi phục trạng thái của cảm biến. * Điều khiển và giao tiếp đầu ra 1. Nguyên tắc hoạt động: Nhận điều khiển từ máy tính nhúng và điều khiển các tầng công suất. 2. Tính năng kỹ thuật: - Các điều khiển được đóng mở bằng rơ le chịu tải 5A điện áp 12V. Có 3 Rơ le: rơ le đèn vàng, rơ le chuông- âm thanh và rơ le đèn đỏ. Trong một số trường hợp đặc biệt như kết nối đường bộ hoặc đóng chắn, hệ thống đã có một rơ le dự phòng. - Điện áp đưa ra nuôi đèn LED đã qua một bộ rung 100Hz nhằm tăng cường độ sáng của LED và bảo vệ tuổi thọ đèn LED. Với thiết kế của cadPro CBTH 3.0, mỗi dây LED mắc nối tiếp chịu tải 24V chỉ cần 6 LED, mỗi LED sẽ có dòng đi qua gần gấp đôi ở chế độ làm việc thông thường hiện nay. Tuổi thọ của bóng LED cũng được nâng cao trong khi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 45 cường độ sáng của đèn gấp 4 với cùng số bóng đèn LED trên một bảng đèn, cùng công suất tiêu hao. * Thiết bị nguồn 1. Các thành phần: - Bộ giao tiếp 220V bao gồm cầu chì, bộ chống sét hạt nổ 471V gây chập mạch phá cầu chì khi gặp điện áp lớn hơn 470V đường nguồn. - Biến áp 220V-10x12V với giải làm việc từ 180V đến 290V đầu vào bảo đảm điện áp ra từ 2x12V đến 2x18V. - Hai bộ điều khiển nạp ắc quy theo mức dưới 12V nạp, trên 12,8V cắt, khống chế dòng nạp dới 7A. - Một tổ ắc quy 2 bình 12V acquy dung lượng từ 45Ah đến 70Ah. - Một bộ điều khiển tự động chuyển mạch nguồn từ nguồn qua nắn dòng thành nguồn ắc quy khi mất điện lưới. - Một bộ bảo vệ chống quá áp, xung nhiễu đường nguồn cho mạch máy tính nhúng. - Đồng hồ chỉ thị dòng nạp ắc quy. - Ổn áp. 2. Tính năng kỹ thuật: - Trong điều kiện làm việc 20 ngày với 20 đôi tàu/ ngày, các quạt thông gió tắt, hai tổ 45Ah bảo đảm cho hệ thống CadPro CBTH 3.0 hoạt động không có trở ngại ít nhất 20 ngày liên tục. - Bảo đảm nạp ắc quy ở trạng thái đói với dòng nạp cực đại 10A. - Nguồn nuôi máy tính khi có điện xoay chiều có độ phẳng cao, không lọt nhiễu xoay chiều. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 46 Chương 2 ĐƯỜNG NGANG KM 7+137 VÀ CÁC THIẾT KẾ DÙNG CHO ĐƯỜNG NGANG KM 7+137 I.Giới thiệu khái quát về đường ngang KM 7+137. Đường ngang km7+137 khu gian Giáp bát - Văn điển thuộc tuyến đường sắt thống nhất Hà Nội – Sài Gòn. Đường ngang km 7+137 hiện chưa có hệ thống tín hiệu phòng vệ. Bề mặt giao cắt đường ngang rộng 6m. Tốc độ chạy tàu cực đại trên khu gian là 60 km/h (trong công lệnh tốc độ chạy tàu năm 2003 của LHĐSVN). Đường ngang km 7+137 là một đường ngang đơn nằm giữa khu gian Giáp bát - Văn điển. Đường ngang có mật độ giao thông đi lại tương đối lớn, ý thức người dân chưa cao nên cần lựa chọn loại hình tín hiệu phòng vệ đường ngang để đảm bảo an toàn cho người và các phương tiện khi qua đường ngang. Bên cạnh đó theo Điều lệ đường ngang 2001 thì đường ngang km 7+137 là một đường ngang không đủ tiêu chuẩn: lối rẽ vào đường ngang là đường Quốc lộ song song với đường sắt, dễ gây nguy hiểm cho người và phương tiện lưu thông qua lại trên đường ngang. Mà trong quy định của Điều lệ đường ngang thì lối rẽ vào đường ngang chỉ cho phép một góc nhọn nhưng không nhỏ hơn 450 trong trường hợp ngoại lệ. II.Lựa chọn thiết bị cho đường ngang km 7+137. Qua nghiên cứu và tìm hiểu các loại hình thiết bị đường ngang cảnh báo tự động hiện có trên đường sắt Việt Nam. Tôi quyết định chọn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 47 loại hình thiết bị tín hiệu cảnh báo tự động dùng PLC với cảm biến từ. Hiện nay loại hình này đang được sử dụng phổ biến trên đường sắt Việt Nam. Nó phù hợp với điều kiện của đường sắt Việt Nam và thể hiện được tính ưu việt hơn so với các loại hình cảnh báo trước đây như cảnh báo bằng nhân công, cảnh báo bằng rơle. Tín hiệu cảnh báo tự động có ưu điểm là thời gian chiếm dụng đường ngang ngắn: 40 giây. Có thế xác định hướng chạy tàu bằng các cảm biến, có thể điều chỉnh thời gian cảnh báo đường ngang... * Lựa chọn các thiết bị cho đường ngang: II.1. Cột đèn báo hiệu đường bộ: Đặt hai cột đèn báo hiệu đường bộ về phía bên phải hướng đi vào đường ngang. Sử dụng loại hình cột tín hiệu cảnh báo tự động “ĐN-2001” đã được Liên hiệp ĐSVN cho phép sử dụng trong toàn ngành và đã được cải tiến. Cột và tán đèn, hộp chuông, culiê được sơn tĩnh điện đảm bảo độ bền và đẹp (xem bản vẽ trang sau). ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 48 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 49 II.2. Bộ điều khiển PLC: 2 bộ(1 chính, 1 phụ) Đặt trong tủ điều khiển Bộ điều khiển dùng loại S7-214 (CPU-224) của hãng Siemens có các đặc tính kỹ thuật chính sau: - Nhiệt độ làm việc: 00 C – 750 C - Độ ẩm: 5%-95% - Kích thước (rộng-dài-cao):120.5-80-62 (mm) - Công suất tiêu thụ: 7W - Số cổng vào: 14 cổng - Số cổng ra: 10 cổng - Số mô đun mở rộng: 7 môđun - Số bộ định thời gian: 256 - Số bộ đếm: 256 - Số cổng truyền thông: 1 cổng (RS485/PPI) - Tốc độ truyền thông: 9.6, 19.2, 187.5 KB - Khoảng cách truyền lớn nhất: 1200 m - Dải điện áp làm việc: 20.4 – 28.8 VDC - Điện áp vào phá hỏng: 35 VDC trong thời gian 0,5 s - Điện áp vào cho phép tới 30 VDC - Họat động bình thường: 24 VDC, dòng 4 mA - Cổng vào ở trạng thái 1: điện áp thấp nhất là 15 VDC và dòng lớn nhất là 2,5 mA. - Cổng vào ở trạng thái 0 : điện áp cao nhất 5 VDC và dòng 1 mA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 50 - Không bảo vệ quá tải ở đầu vào - Số đầu vào kích hoạt cùng một lúc là 14 - Điện áp ở đầu ra cho phép là: 20.4 ÷ 28.8 VDC - Dòng ở cổng ra trạng thái 1: 0,75 A - Trở kháng ra khi được kích hoạt: 0,3 Ω - Dòng rò ở cổng ra: 10 μA - Dòng phá huỷ đầu ra: 8A trong thời gian 100ms - Không bảo vệ quá tải ở đầu ra II.3. Bộ xác báo đoàn tầu Đặt 6 bộ cảm biến BERO (3RG4644 – 6AN01) của hãng SIEMENS (xem bản vẽ trang sau) có các đặc tính kỹ thuật sau: - Điện áp làm việc từ 10 – 30 V - Độ nhạy lớn nhất 40 mA - Dòng điện quá tải 0,2 A - Nhiệt độ lớn nhất 800c - Độ ẩm 100 % - Điện trở cách điện ≥ 100 MΩ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 52 II.4. Bộ phát âm thanh Dùng thiết bị cảnh báo bằng âm thanh do Công Ty Tư vấn Đầu tư & Xây dựng sản xuất, đăt trong tủ điều khiển(xem bản vẽ 04) có các đặc tính kỹ thuật sau: - Nguồn nuôi 12 VDC/2A - Tín hiệu điều khiển: mức điện áp 18 – 24 VDC - Công suất PMax: 15 W - Trở kháng ra: 4 Ω - 8 Ω - Làm việc ở chế độ: “Chú ý có tầu ra đường ngang” II.5. Bộ giao tiếp: Bộ giao tiếp phù hợp với các cảm biến loại BERO (3RG4644 – 6AN01), đặt trong tủ điều khiển (xem bản vẽ trang sau) có các đặc tính sau: - Có 6 cổng vào, 6 cổng ra - Điện áp danh định 24 VDC - Tín hiệu kiểm tra: mức điện áp 16 – 18 VDC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 53 II.6. Khối nguồn: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 54 Cấp nguồn cho cảnh báo tự động từ nguồn ắc quy. Mạch nạp cho ắc qui làm việc ở chế độ tự động điều chỉnh nạp. Có thể thay đổi dòng nạp ắc qui bằng cách đầu tắt R1 hoặc R2 hoặc R3. Được đặt trong tủ điều khiển (xem bản vẽ trang sau) + Khi điện áp ắc qui ≤ 24 V: mạch tự động nạp. + Khi điện áp ắc qui ≥ 28 V: Mạch nạp tự động ngắt. + Dòng nạp tối đa: 5 A. + ắc qui gồm 2 tổ, mỗi tổ 24 V – 100 AH. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 55 II.7. Đèn LED: Sử dụng loại đèn LED “LED-CT-001”(xem bản vẽ trang sau), có các đặc tính kỹ thuật sau: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 56 +Dùng loại đèn LED có độ phát xạ cao, đảm bảo tầm nhìn tín hiệu từ khoảng cách trên 100m. +Vỉ đèn LED bao gồm 198 bóng chia thành 22 nhánh song song với nhau, mỗi nhánh có 9 bóng đèn. Vỉ đèn LED được chia thành nhiều tam giác đều bằng nhau, các đèn LED được bố trí tại đỉnh của các tam giác đều để đảm bảo cường độ sáng cao và đồng đều. + Các đèn LED được bố trí theo nguyên tắc xen kẽ để khi có một số bóng đèn bị hỏng thì vẫn đảm bảo độ sáng tương đối đồng đều, không bị xuât hiện vùng tối. + Mạch đèn LED có độ bền cao và ổn đỉnh nhờ có mạch ổn áp và các điện trở bảo vệ + Các thông số của mạch đèn LED: - Điện áp sử dụng: từ 22-28VDC - Điện áp tiêu thụ: 330 mA - Công suất tiêu thụ: 5.3 W II.8.Loa: Sử dụng loa nén loại 8Ω -15W, đặt trên cột đèn báo hiệu đường bộ, lắp trong hộp gỗ hoặc tôn đảm bảo âm thanh rõ ràng, trung thực, vành loa rộng đảm bảo phạm vi phủ âm thanh lớn. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 57 II.9.Chuông: Chuông lắp trong hộp gỗ hoặc tôn,lắp trên cột tín hiệu đường bộ, sử dụng chuông 24VDC đảm bảo phát âm thanh rõ ràng phải đủ lớn cho người đi bộ cách xa 15m vẫn nghe rõ. III.Sơ đồ bố trí loại hình thiết bị: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 58 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 59 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 60 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 61 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 62 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 63 IV.Nguyên lý hoạt động của hệ thống và của từng thiết bị: * Nguyên lý giám sát – kiểm tra: IV.1. Giám sát: Toàn bộ hệ thống có thể giám sát trực tiếp bằng phần mềm GS Version 1.0. Phần mềm này có tác dụng giúp cho người kiểm tra có thể giám sát trạng thái hoạt động tại chỗ của toàn bộ hệ thống cảnh báo đường ngang tự động một cách trực quan. Khi chạy phần mềm này, người sử dụng phải cắm cáp PC/PPI vào cổng PPI của PLC chính (đang ở chế độ “Run”). Và kích hoạt vào nút “Cho phép truyền” để kích hoạt việc truyền thông giữa máy tính và PLC. Để nhận biết được máy tính và PLC có đang ở trạng thái kết nối được hay không, người sử dụng nhìn vào thanh diễn tiến ở góc cuối bên tay phải của màn hình có chuyển dịch hay không hoặc ở góc bên trái có hiện lên ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 64 dòng chữ “chưa kết nối”. Phần mền này mặc đỉnh cổng truyền thông là cổng COM1. Vì vậy người sử dụng chương trình này nên chú ý để cắm cáp cho đúng cổng COM1 trên máy tính. Khi máy tính được kết nối với PLC (cần chú ý là PLC chính) thì việc thể hiện của màn hình như sau: - Khi có tầu tác động vào cảm biến nào thì cảm biến đó sáng đỏ lên. Cảm biến này đếm được bao nhiêu xung, thì cảm biến tương ứng trên màn hình nháy được bằng số lần tương ứng. Đồng thời số trục mà hệ thống đếm đực đều thể hiện trên các ô chữ. - Các cột tín hiệu trên màn hình, được thể hiện tương ứng với các cột tín hiệu, ở ngoài đường ngang và tín hiệu đèn phù hợp với trạng thái hoạt động hoặc không hoạt động của thiết bị thật. - Chuông và loa trên màn hình máy tính được thể hiện tương ứng với trạng thái hoạt động hoặc không hoạt động của thiết bị (không hoạt động là mầu ghi, khi hoạt động chuyển sang màu xanh). ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 65 - Ngoài ra màn hình máy tính còn thể hiện được thời gian trễ mà PLC đã tính toán để mở tín hiệu cảnh báo đường ngang và đồng hồ đếm thời gian tầu đến đường ngang. - Màn hình cũng thể hiện khi hệ thống chuyển sang chế độ cảnh báo đèn vàng (chú ý: Khi đoàn tầu chạy ngược trở lại thì số lượng trục đếm được tăng gấp đôi). IV.2. Kiểm tra: Bộ nhớ của PLC có thể lưu được số liệu về thời điểm đoàn tầu qua đường ngang trong phạm vi 42 đoàn tầu gần nhất. Khi cần thiết kiểm tra có thể in ấn và báo cáo số liệu bằng phần mềm GS. Version 1.0. * Các dữ liệu được thể hiện khi báo cáo là: Ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây của đoàn tầu khi qua đường ngang (thời điểm hệ thống mở tín hiệu cho đường bộ). Vì vậy phần mềm GS. Version 1.0 yêu cầu cấu hình tối thiểu của máy tính như sau: - Tốc độ 200 MHz - Ram: 32 Mb - Cổng truyền thông : COM1 - Dung lượng ổ cứng còn trống: 30 Mb - Phần mền Microsoft Access Để lấy được dữ liệu mà PLC lưu trữ, người sử dụng cần phải cắm cáp PC/PPI vào cổng PPI của PLC phụ (đang ở chế độ “Run”) và kích hoạt vào nút “Cho phép truyền” trên màn hình giám sát của phần mềm GS. Version 1.0. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 66 Khi đó trên màn hình giám sát, người sử dụng cần phải kích hoạt vào nút. “Báo cáo dữ liệu”. Sau đó kích hoạt vào cổng I1.3. của PLC phụ. khi đó dữ liệu trên màn hình được thể hiện như sau: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 67 Khi cần thiết ín ấn, người sử dụng cần nhập vào các thông tin như: tuyến đường sắt, người kiểm tra, km số. Để xem trước khi in, người sử dụng kích hoạt vào nút “In ấn”. Khi đó màn hình như sau: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 68 Để in ấn, người sử dụng kích hoạt vào nút “Print” trên góc trên bên trái màn hình. Nếu người dụng muốn lưu trữ dữ liệu vừa kiểm tra thì chỉ việc kích hoạt vào nút “export” trên màn hình. Chú ý: - Nếu trên máy tính mà còn lưu trữ dữ liệu của những lần kiểm tra trước đây, thì người sử dụng cần phải kích hoạt vào nút “Xoá dữ liệu” trên thanh công cụ của màn hình giám sát. Khi xoá các dữ liệu trên thì mới lấy được các dữ liệu mà PLC đang lưu trữ. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 69 - Để tăng tính bảo mật trong công tác kiểm tra, phần mền yêu cầu người sử dụng phải nhập đúng mật khẩu của mình. Mật khẩu này chỉ cung cấp cho người có thẩm quyền trong ngành. CHƯƠNG3 TÍNH TOÁN VÀ LẬP DỰ TOÁN CỤ THỂ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 70 CHO ĐƯỜNG NGANG KM7+137. I. Tính toán chiều dài phân khu tới gần: Hiện tại tốc độ khu gian là 60 km/h. Để dự phòng cho tương lai, chọn tốc độ khu gian tăng đến 50% (tương ứng với vận tốc là Vmax = 90 km/h) để thiết kế. Điều lệ đường ngang hiện hành quy định tại điều 21 về thời gian bật tín hiệu cảnh báo đối với hệ thống phòng vệ gồm đèn báo hiệu và chắn tối thiểu bằng 50 giây. Còn đối với hệ thống phòng vệ không chắn chọn thời gian bật đèn hiệu cảnh báo tác động trước khi tàu đến đường ngang tối thiểu là 40 giây và tối đa là 180 giây. Ta chọn tthông báo = 40 (s) Với tthông báo = 40 (s) khoảng cách tới gần mỗi phía (S) sẽ được xác định theo công thức sau: S = vmax.t (m) Trong đó v là vận tốc cực đại tính trong tương lai tức là : vmax = 90 km/h = 25 (m/s) Vậy: S = 25 x 40 = 1000 (m) II.Tính toán nguồn điện cho tủ điều khiển và đèn báo hiệu đường bộ II.1.Tính công suất của hệ thống II.1.1Công suất cho loa: Loa sử dụng là loại loa nén loại 8Ω - 15W và điện áp sử dụng là loại nguồn 24V DC / 2A. Nên ta có công suất tiêu thụ cho một loa là: Pmột loa= 24 x 2 = 48W Công suất tiêu thụ cho hai loa là: P1 = 2 x 48 = 96W II.1.2. Công suất cho mạch thắp đèn tín hiệu đường bộ: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 71 Khi có tàu qua đường ngang cũng như gặp sự cố thì chỉ có hai đèn Led làm việc. Nên ta có công suất của hai đèn Led là (U =24V, I = 330 mA): Công suất 1 LED là: P1 LED = 0,33 x 24 = 7,92W. Công suất của cả 2 đèn LED là: P2 LED =2 x 7,92 = 15,84W II.1.3. Công suất cho chuông: Dòng điện cho chuông khoảng 2mA = 0,02A và nguồn dùng là nguồn 24V. Nên ta có công suất tiêu thụ cho một chuông sẽ là: P cho 1 chuông = 0,02 x 24 = 0,48W. Công suất tiêu thụ cho cả hai chuông là: P3 = 2 x 0,48 = 0,96W. II.1.4. Công suất cho PLC: Công suất tiêu thụ cho 1 PLC (với điện áp 24V DC dòng định mức là 220mA = 0,22A) là: P1 PLC = 24 x 0,28 = 6,72 W. Công xuất tiêu thụ cho cả 2 PLC là : P 4=6,72 x 2 = 13,44 W. II.1.5. Công suất cho mạch giao tiếp: Mạch giao tiếp có dòng tiêu thụ tối đa là 20mA = 0,02A, nên ta có công suất tiêu thụ cho 1 mạch giao tiếp là: P1mạch giao tiếp= 24 x 0,02 = 0,048 W. Công xuất tiêu thụ cho cả 2 mạch giao tiếp là : P5 = 0,048 x 2 =0,096 W. II.1.6. Công suất cho cảm biến từ: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 72 Dòng điện tiêu thụ của cảm biến lúc có tàu là 35mA = 0,035A, từ đây ta có công suất tiêu thụ tối đa cho một cảm biến là: Pmột cảm biến = 0,035 x 24 = 0,84W. Công suất tiêu thụ cho 6 cảm biến là: P6 = 6 x 0,84 = 5,04 W. II.1.7. Công suất cho dây tín hiệu và dây dẫn điện: Ta chọn dây cáp có φ 1,4 dẫn đến điện trở tương ứng của loại dây này là 21,5 ς/ km đôi. Tổng chiều dài cáp chúng ta sử dụng là 5000 m, từ đây ta có điện trở cho cáp là: Rcáp = 21,5 x 5 = 107,5ς. Công suất tiêu thụ của cáp sẽ là: P7 = U2/R = 242/ 107,5= 5,36W. II.2.Tính dung lượng ắc quy Việc chọn dung lượng nguồn ắc quy cho hệ thống tín hiệu phòng vệ tự động chưa có các quy định cụ thể nào ở đường sắt Việt Nam. Do đó trong thiết kế này tạm thời đưa ra hai chỉ tiêu làm căn cứ tính chọn, trong đó xét theo chế độ làm việc có thể xảy ra đối với hệ thống phòng vệ tự động này đó là: chế độ làm việc bình thường của hệ thống và trạng thái xảy ra sự cố hệ thống kéo dài. Nguyên tắc lựa chọn một là đảm bảo trong trạng thái làm việc bình thường nguồn ắc quy dự phòng phải đảm bảo lâu dài không phải thay thế hay xúc nạp lại, hai là trong chế độ khi có sự cố hệ thống xảy ra thường xuyên dẫn tới tiêu hao nguồn dự phòng nhiều thì dung lượng ắc quy dự phòng cần đủ lớn để người duy tu kiểm tra định kỳ có thể phát hiện để thay thế kịp thời. Trên nguyên tắc nêu trên, các chỉ tiêu tạm đưa ra trong thiết kế này là: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 73 - Trong chế độ làm việc bình thường dung lượng ắc quy cho phép hệ thống làm việc tối thiểu 1 năm không phải thay thế, tạm gọi là chế độ bình thường. Tải trong trường hợp này lấy phụ tải làm việc trong trạng thái có sự cố của hệ thống để tính toán. - Trong chế độ làm việc thường xuyên có sự cố làm tiêu tốn nguồn dự phòng thì dung lượng ắc quy cần đảm bảo cho hệ thống làm việc liên tục tối thiểu 1 tuần để kịp phát hiện và có biện pháp thay thế. Tải trong trường hợp này thì lấy phụ tải làm việc trong trạng thái có sự cố của hệ thống để tính toán. 3.5.1. Tính nguồn trong chế độ bình thường Tiêu thụ nguồn một ngày đêm của hệ thống (QHT) được tính trung bình theo số đôi tàu = 15 đôi / ngày đêm. Mỗi lần tàu qua hệ thống làm việc trong khoảng thời gian 1 phút. Công suất tiêu thụ nguồn chung của hệ thống (PHT) trong trạng thái này bao gồm: PHT =P1 + P2 + P3 + P4 + P5 + P6 + P7 Trong đó P1 là công suất tiêu thụ của loa P2 là công suất tiêu thụ của LED P3 là công suất tiêu thụ của chuông P4 là công suất tiêu thụ của PLC P5 là công suất tiêu thụ của mạch giao tiếp P6 là công suất tiêu thụ của cảm biến P7 là công suất tiêu thụ của cáp PHT là công suất tiêu thụ của cả hệ thống ->PHT = 96 + 15,84 + 0,96 + 13,44+ 0,096+ 5,04 + 3,82 = 135,196(W) ~135(W) Với bộ nguồn ắc quy 24VDC công suất trên yêu cầu dòng tải: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 74 IHT = 135 /24 =5,625A. QHT/ngày đêm = 15 đôi/ngày đêm x 2 x 5,625A x (1/60)h =2,8125 Ah. Dung lượng nguồn cần cung cấp trong thời gian 1 năm là: QHT/1 năm = 2,8125Ah x 365 ngày = 1026,5625 Ah~1026,56Ah Giả thiết chế độ cấp nguồn không ổn định, thời gian mất điện trung bình chiếm đến 10 % tổng thời gian làm việc thì dung lượng ắc quy cần khoảng 102,656 cho hệ thống trong một năm. 3.5.2. Tính nguồn trong chế độ tiêu tốn nguồn Trong trường hợp xảy ra sự cố thì hệ thống chỉ có đèn vàng, PLC và mạch giao tiếp phải làm việc. Và công suất tiêu thụ của hệ thống lúc này gồm P2 , P4, P5, công suất tiêu thụ trong trường hợp có sự cố: PSC = P2 + P4 + P5 =15,6 +13,44 + 0,096=29,136W~29W từ đây ta có yêu cầu của dòng tải là: ISC = 29 W / 24V (Ah). QSC/ngày đêm = 29/24 x 24 = 29 Ah. Dung lượng ắc quy cần cung cấp cho hệ thống trong vòng 7 ngày là: Q = 29 x 7 = 203Ah. Vậy chọn 2 tổ acquy 100Ah đấu nối tiếp. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 75 III. Lập dự toán kính phí cho hệ thống: Bảng vặt tư chủ yếu STT Tên vật tư Quy cách Đ.vị Tính Số lượng Đơn giá (Đ) T. Tiền (Đ) Ghi chú 1 Cột th đường bộ Cột 2 2,778,000 5,556,000 2 Đèn vàng cột TH đường bộ LED Đèn 1 700,000 700,000 3 Đèn đỏ cột th đường bộ LED Bộ 2 2,800,000 5,600,000 4 Cảm biến từ BERO (3RG46 44 – 6AN01 Cái 6 3,500,000 21,000,000 Phát hiện tàu 5 Bộ cắt sét nguồn điện EPLF Bộ 1 658,000 658,000 6 Móng tủ điều khiển Cái 2 95,000 190,000 7 Ac quy 12V- Segasa Tổ 2 1,000,000 2,000,000 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 76 100AH 8 Chỉnh lưu si lic 24V- 30A Bộ 2 700,000 1,400,000 9 Chuông 24V Cái 2 120,000 240,000 10 Bộ lưu điện (UPS) 1kw Bộ 1 3,500,000 3,500,000 11 Bộ biến áp 0,6kw Bộ 1 600,000 600,000 12 Bộ PLC S7214 Bộ 1 5,000,000 5,000,000 13 Bộ phát hiện lỗi hệ thống Bộ 1 5,000,000 5,000,000 14 Tủ rơle Cái 1 2,000000 2,000,000 15 Máy tính PC Cái 1 6,000,000 6,000,000 16 Cáp chôn 5(2) m 33 m 10,000 330,000 17 Cáp treo 9(1) m 39 m 15,000 585,000 18 Cáp treo 5(1) m 2000m 11,000 22,000,000 19 Hộp cáp HZ-12 Hộp 6 90,000 540,000 20 Loa Cái 1 120,000 120,000 21 Cáp điện lực chôn 2x2,5 m 76 9,000 684,000 22 ống luồn cáp đ/k34 m 25 10,000 250,000 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 77 23 Dây sắt chịu lực đ/k4 kg 500 6,500 3,250,000 24 Ap-to-mat 10A Cái 3 15,000 45,000 25 Hộp cáp HZ-12 Cái 6 15000 90,000 26 Xi măng kg 200 746 1,492,000 27 Cát vàng m3 1 68,000 68,000 28 Đá dăm m3 1 50,000 50,000 29 Cát đen rải rãnh cáp m3 12 276,000 30 Gạch chỉ viên 300 96,000 31 Cầu chì Cái 14 5000 70,000 32 Thiếc hàn Kg 1 35000 35000 33 Sơn phòng rỉ nt 1 12,000 12,000 34 Sơn trắng nt 2 17,000 34,000 35 Sơn đen nt 1 14,000 14,000 36 Sơn xám nt 2 16,500 33,000 37 Loa phát thanh Cái 1 500,000 500,000 38 Các linh kiện khác 5,000,000 Cộng tổng số 95,018,000 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 78 Nhân công - Nhân công thi công đường ngang 7,825 h - Nhân công bổ xung 2,500 h Cộng nhân công 10,325 h =1291 công Thành tiền đơn giá 18415 đ/công 23,766,859đ Tổng hợp chi phí - Vật tư thiết bị 95,018,000đ - Nhân công 23,766,859đ Cộng trực tiếp (A) 118,784,859đ Dự phòng (10%) 11,878,486đ Cộng giá trị dự toán (T) 130,663,345đ. IV. Kết luận ưu, nhược điểm và hướng cải tạo của loại hình thiết bị đã chọn. Trong suốt thời gian vừa qua tiến hành thử nghiệm, dùng thử và thực tế khai thác đưa vào sử dụng hơn 100 hệ thống tín hiệu cảnh báo tự động tại các đường ngang cấp 3 chủ yếu trên tuyến đường sắt Thống Nhất, mẫu thiết kế đường ngang cảnh báo tự động dùng PLC đã khắc phục được nhiều tồn tại, có nhiều ưu điểm hơn: - Chương trình điều khiển được lập hoàn thiện hơn, có dự trữ nóng và hoạt động tin cậy hơn, tuy vậy hệ thống đạt độ ổn định chưa cao(10 – 2); ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 79 - Công nghệ chế tạo được bộ cảm biến phát hiện tàu bền chắc, hoạt động chính xác hơn, có độ tin cậy 10 –4 ; - Có bổ sung thiết kế thêm các bộ chống sét, dây tiếp đất cho một số thiết bị; - Có hoàn thiện kết cấu mạch đèn LED; mạch nguồn điện... . - Dùng PLC điều khiển làm cho hệ thống tín hiệu hoạt động linh hoạt hơn so với mẫu thiết kế dùng rơ le điều khiển: - Xác định được hướng tàu chạy đến đường ngang; - Đo được tốc độ tức thời (giá trị trung bình chạy trên đoạn đường ngắn) để điều chỉnh thời gian đóng đường ngang (bằng phương pháp làm trễ thời gian báo tàu đến đường ngang, tránh đóng đường ngang quá lâu khi tàu chạy chậm hơn tốc độ quy định trong công lệnh tốc độ); - Đếm được số trục bánh tàu (toa xe, đầu máy) đã vào phân khu tới gần để xác định phân khu đã thanh thoát hay vẫn còn bị chiếm dụng nhằm tự động đưa hệ thống thiết bị về trạng thái bình thường. - Việc đếm trục bánh tàu là vấn đề khá phức tạp, khi bộ cảm biến hoạt động kém ổn định như không đếm được khi tàu hẫng bánh hoặc hoạt động đếm khi có vật bằng sắt (không phải là trục bánh tàu ) lướt ngang qua cảm biến sẽ dẫn đến đếm sai số trục làm cho hệ điều khiển gặp trở ngại, khó khăn cho việc khôi phục thiết bị về trạng thái bình thường. - Ngoài ra dùng tín hiệu cảnh báo tự động còn làm giảm được phụ tải đường ngang (thời gian tàu chiếm dụng đường ngang,cấm giao thông đường bộ) tăng năng lực thông qua của đường ngang, tránh ùn tắc giao thông đường bộ (theo quy định của Điều lệ đường ngang hiện hành thì phải đóng chắn hoàn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 80 toàn trước khi tàu tới đường ngang, 40s đối với tín hiệu cảnh báo tự động và 50s đối với cần chắn tự động) - Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm của hệ thống cảnh báo tự động dùng PLC vẫn còn tồn tại những nhược điểm cần khắc phục: - Độ tin cậy của các sensor do Việt Nam sản xuất chưa đạt được tiêu chuẩn của quốc tế (khối OSZD yêu cầu độ tin cậy của sensor là 10 –9) - Chưa lắp đặt được tín hiệu ngăn đường để thông báo trở ngại trên đường ngang cho lái tàu vì nhiều nguyên nhân; - Chưa xác định được độ tin cậy của chương trình phần mềm lập trình cho bộ đếm trục; - Chưa có thiết bị kiểm chướng tại đường ngang (thiết bị kiểm tra chướng ngại vật trên đường ngang) nhằm thông báo cho lái tàu về trở ngại trên đường ngang. - Chưa thể tự động giám sát từ xa cho tất cả các loại hình thiết bị dùng cảnh báo tự động; - Đã sử dụng rất nhiều loại cảm biến phát hiện tàu như mạch điện đường ray, phô tô sensor, các loại sensor điện, từ, điện từ, địa chấn... nhưng chưa chọn được loại nào có tính ổn định cao; - Trở ngại chính của hệ thống CBTĐ hiện nay là do sensor gây ra. Những sensor công nghiệp nhập từ nước ngoài thì không phù hợp với điều kiện nhiệt đới của ĐSVN, các loại thiết bị sản xuất trong nước do công nghệ chế tạo kém, chưa đủ thiết bị đo kiểm để có các tham số kĩ thuật, chỉ tiêu kĩ thuật chính xác. Ví dụ: chế tạo ra bộ cảm biến nhưng chưa biết dùng để đo được tốc độ của tàu trong phạm vi từ bao nhiêu km/h đến bao nhiêu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 81 km/h; Phần mềm lập nên có thể điều chỉnh được thời gian đóng đường ngang được từ bao nhiêu giây đến bao nhiêu phút; - Chưa đo được cường độ ánh sáng của đèn LED là bao nhiêu, độ lệch trục của chùm sáng qua thấu kính là bao nhiêu, tầm nhìn do các đèn LED tạo ra, chùm sáng của đèn được khuyếch đại đến mức nào; - Chưa có tiêu chí đánh giá chất lượng của từng thiết bị, từng hệ thống thiết bị do ta sản xuất so với tiêu chuẩn thế giới; - Chưa thống nhất được quan điểm dùng đường ngang cảnh báo tự động cho tất cả các đường ngang mà mới chỉ dùng cho đường ngang cấp 3, nơi mật độ tàu xe qua lại đường ngang thấp; - Chưa thống nhất được mẫu định hình cho hệ thống thiết bị tín hiệu đường ngang (nhiều kiểu loại khác nhau); - Dân trí thấp nên đường ngang cảnh báo tự động sáng đỏ nhưng vẫn cứ lao bừa vào đường ngang dẫn đến các tai nạn thương tâm. - Mẫu thiết kế chưa giải quyết hết các tình huống xẩy ra đối với hệ đếm trục cho các loại đường ngang: trong ga, gần ga và đường ngang gần nhau thành cụm; Hướng cải tạo hệ thống : - Nghiên cứu chế tạo ra các loại sensor có độ ổn định cao, đạt được tiêu chuẩn quốc tế của khối OSZD (10-9); - Cần nghiên cứu thử nghiệm các loại hình cảnh báo tự động mới như sử dụng máy tính nhúng của công ty CADPRO nhưng cần phải có thời gian thử nghiệm; - Cho dùng thử các loại đèn LED màu phát xạ cao có độ sáng cao hơn các đèn báo hiệu hiện dùng; ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 82 - Nghiên cứu các giải pháp để đưa được tín hiệu cảnh báo tự động vào tất cả đường ngang các cấp tuy nhiên vẫn phải bảo đảm yếu tố an toàn. Tổ chức theo dõi kĩ hoạt động của các máy tín nhúng, các cảm biến, các bộ vi xử lý, các phần mềm đã có, phân tích thống kê, phân loại trở ngại để tìm giải pháp hữu hiệu loại trừ và hoàn thiện hệ thống đã có; - Lựa chọn mẫu CBTĐ dùng vi xử lý điều khiển để điều chỉnh thời gian đóng đường ngang và giám sát từ xa được các hệ CBTĐ trong khu gian. - Hoàn thiện bộ gá lắp cảm biến vào ray sao cho cảm biến không bị xê dịch, long ốc vít. Trước mắt khi chưa chế tạo được cảm biến tốt hơn đường sắt Việt Nam đã và đang thử nghiệm dùng cảm biến địa chấn thay thế cho cảm biến điện từ. Vừa qua đã thay được ở 100 đường ngang. Cảm biến địa chấn là phần tử thụ động không cần nguồn nuôi, được chôn sâu dưới nền đường hơn 70 cm nên ít bị các tác động cơ học làm hỏng. Tuy nhiên phải lập trình phần mềm cho PLC sao cho phù hợp với cảm biến địa chấn. Không thể dùng như phần lập trình đã làm cho cảm biến từ. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 83 CHƯƠNG IV CÁC GIẢI PHÁP HOÀN THIỆN HỆ THỐNG ĐƯỜNG NGANG CẢNH BÁO TỰ ĐỘNG Hiện nay hệ thống đường ngang cảnh báo tự động trên đường sắt Việt Nam còn nhiều nhược điểm cần khắc phục. Ở đây tôi xin đưa ra một số giải pháp để khắc hoàn thiện hệ thống: Nghiên cứu lập trình phần mềm điều khiển sao cho khi 1 trong 2 cảm biến phát hiện ở đầu vào (theo hướng tàu chạy) không hoạt động thì hệ thống không trở về trạng thái đèn vàng nhấp nháy (báo trở ngại) mà vẫn đảm bảo khi đoàn tàu đến gần đường ngang, chiếm dụng phân khu tới gần, thiết bị tín hiệu tự động đóng đường ngang phía đường bộ: chuông reo, đèn đỏ báo hiệu trên đường bộ bật sáng, đưa đường ngang về trạng thái cấm đường bộ.Khi đuôi tàu qua khỏi đường ngang, các tín hiệu phía đường bộ, mở đường ngang đối với người và phương tiện giao thông đường bộ. Tiến tới bỏ tín hiệu đèn vàng trên cột tín hiệu đường bộ; Đối với đường ngang đơn (đường ngang ở giữa khu gian có khu đoạn tới gần ngắn hơn khoảng cách từ đường ngang đến cột hiệu vào ga) thì chỉ bố trí 4 bộ cảm biến phát hiện tàu: mỗi điểm báo tàu đến (theo hướng tàu chạy) 1 cảm biến; và 2 cảm biến ở 2 bên đường ngang để mở đường ngang sau khi đuôi tàu qua khỏi đường ngang.Làm như vậy vừa đơn giản hoá thiết bị, vừa rẻ tiền xây dựng vì ít cảm biến hơn, vừa dễ quản lý, ít sáng đèn vàng nhấp nháy trên cột đèn báo hiệu đường bộ hơn. Thực chất để đơn giản hoá yêu cầu trong hoạt động của hệ thống. - Đưa ra các tiêu chí đánh giá chất lượng tiêu chuẩn để đánh giá độ tín cậy của từng thiết bị, hệ thống sản xuất trong nước để đạt được các tiêu chuẩn quốc tế; ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 84 - Nghiên cứu để có thể đặt tín hiệu ngăn đường dùng cho cảnh báo tự động để có thể thông báo kịp thời cho tài xế; - Nghiên cứu để đưa vào sử dụng hệ thống tự động giám sát từ xa cho tất cả các loại hình thiết bị cảnh báo tự động; - Khắc phục những tồn tại của hệ cảnh báo tự động bằng cách xây dựng và thử nghiệm thiết bị giám sát hoạt động của hệ thống từ trung tâm quy định để nhanh chóng phát hiện trở ngại, giải quyết kịp thời; - Hoàn thiện các thiết bị xác báo đoàn tàu để đạt độ tin cậy cao. Khi không tự sản xuất trong nước được thì mua của nước ngoài các bộ cảm biến có chất lượng quốc tế; - Phải nghiên cứu thử nghiệm hệ thống phát hiện chướng ngại tại đường ngang để có thể phát triển sử dụng cần chắn tự động; - Quy định chính thức các tiêu chuẩn của hệ thống tín hiệu đường ngang tự động,cách duy tu sửa chữa giải quyết trở ngại nhanh; - Hoàn thiện các định hình về đường ngang có tín hiệu tự động; - Cho tiếp tục thử nghiệm một số các loại cảm biến khác chế tạo cải biên từ sản phẩm của nước ngoài như super sonic của Bộ CA đang dùng; sử dụng các bộ phận vi xử lý đơn giản; cho dùng các đèn LED màu phát xạ cao có độ sáng cao hơn các đèn báo hiệu hiện dùng; - Điều chỉnh thời gian đóng, mở đường ngang tới mức tối đa có thể thực hiện được trong điều kiện cụ thể nhằm nâng năng lực thông qua của đường ngang, là giải pháp hữu hiệu, cần được xem xét và cho phép thực hiện, là biện pháp chống ùn tắc giao thông; - Cần quy định tốc độ chạy tàu tối thiểu trên khu gian để tránh trường hợp tàu chạy quá chậm làm cho hệ thống cảnh báo tự động hoạt động nhầm; ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 85 - Cần xây dựng cầu vượt hoặc cầu chui tại những đường ngang có mật độ giao thông lớn. Bên cạnh các giải pháp về vấn đề kỹ thuật còn các giải pháp về kinh tế, xã hội để có thể giải quyết hoàn thiện vấn đề: - Cần tuyên truyền vận động quần chúng nhân dân tham gia bảo đảm trật tự an toàn giao thông đường sắt. In các panô, áp phích quảng cáo để tuyên truyền đặc biệt tại các xã phường và các hộ dân dọc ven đường sắt. Kết hợp giưa công tác tuyên truyền trên các thông tin đại chúng với việc trực tiếp cùng các địa phương tổ chức các cuộc thi tìm hiểu luật lệ giao thông toàn quốc; - Phối hợp với lực lượng công an các địa phương và các công ty quản lý đường sắt trên toàn quốc để vận động và yêu cầu các hộ dân vị phạm hành lang an toàn giao thông đường sắt dỡ bỏ các công trình vi phạm; - Đóng các cọc mốc chỉ giới của đường sắt và giao cho các địa phương quản lý. Tạo các hành lang pháp lý bảo vệ đường sắt tại khu vực đường ngang; - Phải phối hợp chặt chẽ giữa các đơn vị quản lý đường bộ và đơn vị quản lý đường sắt để cắm đầy đủ các biển báo, hàng rào, cọc tiêu, các vạch chỉ đường theo quy định luật lệ hiện hành nhằm tăng cường phòng vệ tốt đường ngang về phía đường sắt. Tuy nhiên trong tương lai ngành đường sắt sẽ phát triển hơn nữa, tốc độ chạy tàu ngày một cao. Nên nghiên cứu thử nghiệm các công nghệ tiên tiến của thế giới ví dụ hệ thống tín hiệu đầu máy kiểu liên tục áp dụng công nghệ thông tin di động và thông tin định vị toàn cầu GPS có sự móc nối với thiết bị đường ngang sẽ loại trừ hệ thống tín hiệu ngăn đường trên mặt đất ở những khu gian đặc biệt có mật độ đường ngang lớn vi phạm quy định về khoảng cách tối thiểu giữa các đường ngang. Việc áp dụng công ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO ĐNTĐ DÙNG PLC 86 nghệ tiên tiến này sẽ cho phép nâng cao tốc độ trên các khu gian ở khu vực đông dân cư có mật độ đường ngang lớn, rút ngắn thời gian chờ đợi trên các đường ngang do các đường ngang hoạt động tương đối độc lập với nhau. Giảm bớt số lượng đường ngang bằng cách làm cầu vượt tại các giao cắt đồng mức giữa đường sắt và đường bộ đưa lại những lợi ích kinh tế và phù hợp với hoàn cảnh kinh tế đất nước.