Chuẩn Đoán Lỗi Cho Hệ Thống Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Trong Đồ Án Tốt Nghiệp

• Tác giả: Cao Văn Tầng
• Người hướng dẫn: TS. Tạ Văn Phương
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Chẩn đoán lỗi cho hệ thống điều khiển tốc độ động cơ
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Đặt vấn đề PLC là thiết bị xử lý tương tự như một máy tính, nó được thiết kế để thay thế những hệ thống điều khiển dựa vào rơ le và các bộ định thời
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Nội dung đề tài
• 1.4. Giới hạn đề tài
• 1.5. Bố cục trình bày
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu về PLC
• 2.1.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động của PLC
• 2.1.2. Các phương thức điều khiển chính của PLC
• 2.2. Giới thiệu về bộ điều khiển PID và ứng dụng
• 2.2.1. Khái niệm về PID
• 2.2.2. Các khâu hiệu chỉnh PID
• 2.2.3. Các dạng của PID
• 2.2.4. Cách điều chỉnh thông số bộ điều khiển PID
• 2.2.5. Ứng dụng và lợi ích của bộ điều khiển PID
• 2.3. Giao thức Modbus RTU và ứng dụng
• 2.3.1. Khái niệm chung về giao thức Modbus
• 2.3.2. Giao thức Modbus RTU
• 2.3.3. Đường truyền vật lý RS485
• 2.4. Cấu trúc mạng CNN
• 2.4.1. Định nghĩa CNN
• 2.4.2. Cấu trúc mạng CNN
• 2.4.3. Các lớp cơ bản của mạng CNN
• 2.4.4. Một số hàm kích hoạt của mạng CNN
• 2.4.5. Hàm kích hoạt được sử dụng trong đề tài
• 2.4.6. Cách lựa chọn tham số CNN
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Yêu cầu cần đạt được của hệ thống
• 3.1.1. Yêu cầu về phần cứng
• 3.1.2. Yêu cầu về phần mềm
• 3.2. Thiết kế phần cứng cho hệ thống
• 3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống
• 3.2.2. Thiết bị được sử dụng cho hệ thống
• 3.2.3. Sơ đồ kết nối hệ thống
• 3.3. Thiết kế phần mềm cho hệ thống
• 3.3.1. Phần mềm TIA Portal V16
• 3.3.2. Phần mềm Visual Studio Code
• 3.3.3. Thiết kế giao diện điều khiển
• 3.3.4. Điều khiển ổn định hệ thống bằng PID
• 3.3.4.1. Cài đặt thông số cho biến tần
• 3.3.4.2. Khối PID compact
• 4. CHƯƠNG 4: CHẨN ĐOÁN LỖI CHO HỆ THỐNG
• 4.1. Chẩn đoán lỗi dựa vào mã lỗi của thiết bị
• 4.2. Chẩn đoán lỗi sử dụng CNN
• 4.2.1. Phương pháp giả lập lỗi
• 4.2.2. Thu thập dữ liệu
• 4.3. Xây dựng CNN model và huấn luyện
• 4.4. Kiểm tra và đánh giá CNN model
• 4.5. Chẩn đoán lỗi theo thời gian thực
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ
• 5.1. Kết quả điều khiển hệ thống bằng PID
• 5.2. Kết quả thiết kế giao diện
• 5.3. Kết quả chẩn đoán và hiển thị lỗi lên giao diện
• 5.3.1. Lỗi đặc tính thiết bị
• 5.3.2. Lỗi giả lập cho động cơ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ

Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ là một hệ thống quan trọng trong công nghiệp, giúp điều chỉnh và duy trì tốc độ của động cơ theo yêu cầu. Hệ thống này thường sử dụng các thiết bị như PLC, biến tần, và cảm biến tốc độ để đảm bảo hoạt động ổn định. Trong đề tài, hệ thống được điều khiển thông qua giao thức Modbus RTU, một giao thức truyền thông phổ biến trong công nghiệp. Động cơ điện là thành phần chính, được điều khiển bằng bộ điều khiển PID để đạt được tốc độ mong muốn. Hệ thống cũng tích hợp phần mềm chuẩn đoán để phát hiện và xử lý lỗi kịp thời.

1.1. Nguyên lý hoạt động

Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển vòng kín. Cảm biến tốc độ thu thập dữ liệu về tốc độ động cơ và gửi về PLC. PLC xử lý thông tin và điều chỉnh tín hiệu đầu ra thông qua biến tần để điều khiển tốc độ động cơ. Bộ điều khiển PID được sử dụng để đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống. Giao thức Modbus RTU đóng vai trò kết nối giữa các thiết bị, đảm bảo truyền thông tin nhanh chóng và chính xác.

1.2. Ứng dụng thực tế

Hệ thống này được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất, hệ thống băng tải, và các dây chuyền tự động. Khả năng chuẩn đoán lỗi giúp giảm thiểu thời gian dừng máy và tăng hiệu suất sản xuất. Phần mềm chuẩn đoán tích hợp trong hệ thống cho phép phát hiện lỗi nhanh chóng và đưa ra cảnh báo kịp thời, giúp bảo trì và sửa chữa động cơ hiệu quả hơn.

II. Chuẩn đoán lỗi hệ thống

Chuẩn đoán lỗi hệ thống là quá trình phát hiện và xác định các lỗi xảy ra trong hệ thống điều khiển tốc độ động cơ. Đề tài tập trung vào hai phương pháp chính: chuẩn đoán lỗi dựa trên mã lỗi của nhà sản xuất và chuẩn đoán lỗi sử dụng mạng CNN. Phương pháp đầu tiên dựa trên việc truy xuất mã lỗi từ các thiết bị như PLC và biến tần, trong khi phương pháp thứ hai sử dụng mạng neural tích chập (CNN) để phân tích dữ liệu và phát hiện lỗi. Cả hai phương pháp đều được tích hợp vào giao diện điều khiển, cho phép hiển thị lỗi và đưa ra cảnh báo kịp thời.

2.1. Chuẩn đoán lỗi dựa trên mã lỗi

Phương pháp này sử dụng các mã lỗi được cung cấp bởi nhà sản xuất để xác định lỗi. Khi hệ thống gặp sự cố, PLC sẽ truy xuất mã lỗi từ biến tần hoặc các thiết bị khác và hiển thị lên giao diện điều khiển. Điều này giúp người vận hành nhanh chóng xác định nguyên nhân và thực hiện các biện pháp khắc phục. Phương pháp này đơn giản và hiệu quả, đặc biệt trong các hệ thống có sẵn mã lỗi chi tiết.

2.2. Chuẩn đoán lỗi sử dụng mạng CNN

Mạng CNN được sử dụng để phân tích dữ liệu từ hệ thống và phát hiện các lỗi tiềm ẩn. Dữ liệu được thu thập từ các cảm biến và thiết bị, sau đó được đưa vào mô hình CNN để huấn luyện. Mô hình này có khả năng nhận diện các mẫu lỗi phức tạp mà phương pháp truyền thống không thể phát hiện. Kết quả chuẩn đoán được hiển thị trên giao diện điều khiển, giúp người vận hành đưa ra quyết định nhanh chóng và chính xác.

III. Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế với hai phần chính: phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm các thiết bị như PLC, biến tần, cảm biến tốc độ, và động cơ điện. Phần mềm bao gồm TIA Portal để lập trình PLC, Visual Studio Code để phát triển giao diện điều khiển, và các mô hình CNN để chuẩn đoán lỗi. Hệ thống được triển khai trên mô hình thực tế, với khả năng điều khiển ổn định tốc độ động cơ và phát hiện lỗi theo thời gian thực.

3.1. Thiết kế phần cứng

Phần cứng được thiết kế để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống. PLC đóng vai trò trung tâm, kết nối với biến tần và cảm biến tốc độ thông qua giao thức Modbus RTU. Động cơ điện được điều khiển bởi biến tần, với tốc độ được điều chỉnh thông qua bộ điều khiển PID. Các thiết bị được lựa chọn dựa trên yêu cầu kỹ thuật và khả năng tương thích với nhau.

3.2. Phát triển phần mềm

Phần mềm được phát triển để điều khiển và giám sát hệ thống. TIA Portal được sử dụng để lập trình PLC, trong khi Visual Studio Code được dùng để phát triển giao diện điều khiển. Giao diện này cho phép người dùng theo dõi trạng thái hệ thống, điều chỉnh tốc độ động cơ, và nhận cảnh báo lỗi. Mô hình CNN được tích hợp vào phần mềm để thực hiện chuẩn đoán lỗi theo thời gian thực, giúp tăng cường khả năng phát hiện và xử lý sự cố.