CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Danh mục hình ảnh 14 Đồ án tốt nghiệp Giới thiệu tổng quan về đề tài, đưa ra cái nhìn bao quát về tầm quan trọng cần phải thực hiện gắn liền với thực tế sau đó đặt ra mục tiêu, giới hạn và phương pháp để thực hiện. Tầm quan trọng của đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học, công nghệ và kỹ thuật thì lĩnh vực Tự động hóa cũng đang chứng tỏ ưu thế của mình trên mọi phương diện, mọi ngành nghề, đặc biệt là các ngành công nghiệp. Nếu như trước đây các hoạt động sản xuất, các quy trình vận hành đều do con người thực hiện thì giờ đây các máy móc tự động sẽ đảm nhiệm những việc đó thay cho con người. Đặc biệt đối với các ngành nghề đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối thì sự tham gia của các thiết bị Tự động hóa là điều không cần phải bàn cãi.
Trong các hệ thống Tự động hóa công nghiệp, động cơ điện là một thiết bị phổ biến và có nhiều vai trò quan trọng. Tuy nhiên, với cường độ hoạt động cao, động cơ điện thường dễ xảy ra một số hư hỏng mà người vận hành không thể nhận biết được ngay. Vì vậy, việc điều khiển ổn định và phát hiện sớm sự cố cho động cơ điện là một yêu cầu hết sức cần thiết và quan trọng, góp phần hạn chế việc gián đoạn trong sản xuất công nghiệp.1: Động cơ cho mô hình Danh mục hình ảnh 15 Đồ án tốt nghiệp Trong ngành kỹ thuật Tự động hóa, việc sử dụng bộ điều khiển PLC đem lại rất nhiều lợi ích như: làm việc chắc chắn, độ bển cao, độ tin cậy cao thích hợp với môi trường công nghiệp. Đồng thời, PLC có kích thước nhỏ gọn, kết nối đơn giản và có thể lập trình dễ dàng so với các thiết bị mạch số khác.
Vì vậy, việc điều khiển động cơ thông qua PLC sẽ mang lại hiệu quả tối ưu, tính ổn định và tăng năng suất cho các doanh nghiệp. Trong khi vận hành hệ thống, việc phát sinh lỗi là một điều khó tránh khỏi nên việc chẩn đoán lỗi kịp thời là một điều rất cần thiết. Chẩn đoán lỗi là một công cụ hữu ích trong vận hành giúp giảm rủi ro và chi phí bảo trì hệ thống. Tuy nhiên, dữ liệu về hoạt động và lỗi của hệ thống thường không được thu thập và lưu trữ một cách đầy đủ, gây khó khăn cho việc chẩn đoán cũng như đề xuất các biện pháp khắc phục.
Vì vậy đồ án này đề xuất ứng dụng mạng học sâu CNN để nhận dạng một số lỗi thông dụng trên động cơ dựa vào việc thu thập và phân tích dòng điện. Mạng CNN là một trong những mô hình học sâu hiện đại nhất ngày nay thường được sử dụng nhiều trong các hệ thống thông minh do ưu điểm của mạng là có độ chính xác cao và tốc độ tính toán rất nhanh.2: Thuật toán CNN Ngoài việc điều khiển ổn định và đưa ra cảnh báo lỗi thì lưu trữ và hiển thị những dữ liệu liên quan đến các sự cố trong quá trình vận hành cũng là một điều đáng quan tâm. Vì vậy, việc thiết lập một giao diện giám sát là việc làm cần thiết giúp người vận Danh mục hình ảnh 16 Đồ án tốt nghiệp hành có thể theo dõi và nắm bắt tình hình nhanh nhất về sự thay đổi các thông số, phát sinh lỗi và từ đó có thể nhanh chóng tìm ra cách khắc phục. Từ tất cả những vấn đề trên, nhóm sinh viên lựa chọn đề tài “ Chẩn đoán lỗi cho mô hình động cơ ba pha “, là sự kết hợp giữa việc điều khiển ổn định cho động cơ thông qua bộ điều khiển PID, chẩn đoán lỗi dựa vào machine learning (CNN) và thiết kế một giao diện trực quan trên phần mềm Visual Studio Code với ngôn ngữ Python.
Mục tiêu của đề tài Trong đề tài này, nhóm sinh viên đặt ra các mục tiêu sau: - Sử dụng PLC kết nối với biến tần để điều khiển động cơ điện ba pha thông qua giao thức MODBUS RTU và các thiết bị điện khác: đồng hồ đo DM6200H. - Lập trình PLC điều khiển biến tần để cho động cơ ba pha hoạt động ổn định thông qua bộ điều khiển PID. - Chẩn đoán lỗi đặc tính của hệ thống bằng cách truy xuất mã lỗi của nhà sản xuất. - Sử dụng mạng học sâu CNN để nhận dạng một số lỗi thông dụng trên động cơ như: lệch pha và quá tải.
- Thiết kế được giao diện trực quan bằng thư viện PyQt5 của Python giúp cho người vận hành có thể dễ dàng nắm bắt được tình hình hoạt động ổn định hay không của động cơ. - Cảnh báo, truy xuất trực tiếp và lưu lại lịch sử lỗi trên giao diện cho người vận hành nếu phát hiện bất kỳ lỗi nào trong quá trình hoạt động. Giới hạn của đề tài Nhóm sinh viên thực hiện mô hình trong phạm vi thí nghiệm nên khối lượng công việc cũng như quy mô của đề tài chưa thật sự lớn, mô hình chưa áp dụng vào thực tế một cách tối ưu mà chỉ là mô hình thí nghiệm để tạo tiền đề cho sự phát triển hơn trong tương lai gần. Danh mục hình ảnh 17 Đồ án tốt nghiệp Mô hình của nhóm không sử dụng HMI để hiển thị và điều khiển mà thiết lập giao diện điều khiển, hiển thì và cảnh báo lỗi bằng ngôn ngữ Python.
Sử dụng phần mềm Tia Portal để lập trình, điều khiển PLC, xây dựng bộ PID để điều khiển động cơ ba pha hoạt động ổn định. Chưa giả lập được đầy đủ các lỗi có thể xảy ra trong thực tế. Phương pháp nghiên cứu - Khảo sát các tài liệu trên internet bao gồm cả trong và ngoài nước liên quan đến đề tài. - Lựa chọn các thiết bị có thông số phù hợp.
- Xây dựng một mô hình sử dụng PLC điều khiển động cơ ba pha thông qua mạng truyền thông RS485 - Sử dụng phần mềm Tia Portal V16 để lập trình điều khiển, tìm ra bộ PID tối ưu để điều khiển ổn định cho động cơ. - Lập trình chẩn đoán lỗi bằng mạng học sâu CNN thông qua ngôn ngữ Python. - Thực hiện việc tạo giao diện điều khiển, giám sát và chẩn đoán lỗi. - Hoàn chỉnh mô hình thực tế và điều khiển, thu thập dữ liệu thực trên mô hình.
Nội dung Đề tài được trình bày gồm có các nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan về đề tài Chương này trình bày tổng quan về đối tượng nghiên cứu, tầm quan trọng của đề tài, các mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 2 trình bày những lý thuyết ở phần cơ sở, tổng quan về các thiết bị cần sử dụng, bộ điều khiển ổn định PID, giao thức truyền thông công nghiệp và cấu trúc mạng CNN. Danh mục hình ảnh 18 Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình ảnh 19 Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Thiết kế phần cứng Trong chương này, trình bày những yêu cầu về việc thiết kế một mô hình cần sử dụng, quy trình hoạt động của mô hình, lựa chọn, đưa ra các thông số của thiết bị cần sử dụng và phương pháp giả lập lỗi trên phần cứng. Chương 4: Thiết kế phần mềm Chương này trình bày về việc lập trình trên phần mềm để điều khiển mô hình thực tế, thu thập dữ liệu, xây dựng ra model để huấn luyện, áp dụng model đã huấn luyện để chẩn đoán lỗi và thiết kế giao diện điều khiển, giám sát trực quan.
Chương 5: Kết quả đạt được Trong chương này nhóm sẽ trình bày các kết quả đã đạt được thông qua việc chạy bằng mô hình thực tế. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương này, nhóm sẽ trình bày các ưu, nhược điểm của mô hình, trình bày kết luận tổng quát và đưa ra một số định hướng để phát triển đề tài trong tương lai để nâng cao chất lượng và có thể ứng dụng tối ưu vào thực tế. Danh mục hình ảnh 20 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2: Cơ sở lý thuyết 7 Đồ án tốt nghiệp Trong quá trình nghiên cứu, việc thu thập càng nhiều kiến thức là điều vô cùng quan trong, đặc biệt là đối với các ngành kỹ thuật. Trong chương 2 này, nhóm trình bày tổng quan về kiến thức cơ sở về các thiết bị được dùng trong mô hình thí nghiệm: bộ PLC, mạng truyền thông công nghiệp RS485, động cơ 3 pha, … và ngôn ngữ lập trình cho trí tuệ nhân tạo là Python.
Tổng quan về mô hình Mô hình động cơ ba pha mô phỏng sát với thực tế một hệ thống điều khiển động cơ trong công nghiệp, sử dụng tín hiệu từ bộ điều khiển PLC thông qua mạng truyền thông công nghiệp RS485 nên tín hiệu có thể truyền đi với quãng đường xa mà không bị nhiễu. Giới thiệu PLC và ứng dụng 2. Khái niệm Bộ điều khiển PLC 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, tùy 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 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.
Nếu ta thay đổi các chương trình được cài đặt trong PLC thì ta có thể thực hiện các chức năng khác nhau, trong các môi trường điều khiển khác nhau. Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như: Allen-Bradley, Omron, Mitsubishi, Panasonic, Delta,… Với mỗi dòng PLC của từng hãng khác nhau đều có những ưu và nhược điểm riêng. Chương 2: Cơ sở lý thuyết 8 Đồ án tốt nghiệp Hình 2.1: PLC Allen Bradley Hình 2.2: PLC Siemens Hình 2. Cấu trúc PLC Thành phần chính của PLC là một bộ nhớ chương trình ( bộ nhớ trong RAM và có thể mở rộng qua bộ nhớ ngoài EPROM ), một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC và các modul vào, ra.
PLC có nhiều loại khác nhau và được phân biệt dựa trên thành phần chính của nó như: các ngõ vào và ra, dung lượng bộ nhớ, bộ đếm (counter), bộ định thời (timer), Bit nhớ, các chức năng đặc biệt, tốc độ xử lý, loại xử lý và khả năng truyền thông.