Đồ án: Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển công nghiệp ứng dụng IoT

Đồ án tốt nghiệp đầy đủ về hệ thống giám sát và điều khiển công nghiệp ứng dụng IoT. Tài liệu gồm báo cáo chi tiết, sơ đồ và mã nguồn tham khảo.

• Tác giả: Nguyễn Văn Linh
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Giàu
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp
• Đề tài: Ứng dụng Công nghệ IoT để thiết kế Hệ thống Giám sát và Điều khiển Thiết bị Công nghiệp
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về IoT trong Hệ thống Giám sát Công nghiệp

IoT (Internet of Things) hay Internet vạn vật đã trở thành công nghệ cách mạng trong lĩnh vực công nghiệp hiện đại. Hệ thống giám sát và điều khiển công nghiệp sử dụng công nghệ IoT cho phép các doanh nghiệp kiểm soát thiết bị từ xa, tăng hiệu suất sản xuất và giảm chi phí vận hành. Đồ án này tập trung vào ứng dụng công nghệ IoT để thiết kế hệ thống giám sát thiết bị công nghiệp thông qua các module cảm biến, bộ điều khiển và kết nối internet. Sự kết hợp giữa Arduino Mega 2560, Node MCU ESP8266 và PLC S7-200 tạo ra một giải pháp toàn diện cho quản lý thiết bị công nghiệp với giao diện điều khiển trực quan qua Webserver.

1.1. Khái niệm IoT và ứng dụng trong công nghiệp

IoT là hệ thống kết nối các thiết bị thông minh qua mạng internet, cho phép truyền tải dữ liệu tự động. Trong công nghiệp, IoT công nghiệp (IIoT) giúp tự động hóa quy trình sản xuất, giám sát các chỉ số kỹ thuật và tối ưu hóa hiệu năng. Hệ thống giám sát công nghiệp dựa trên IoT có khả năng cảnh báo sự cố, thu thập dữ liệu thời gian thực và hỗ trợ điều khiển thiết bị từ xa, nâng cao an toàn lao động và năng suất làm việc.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng IoT trong giám sát thiết bị

Sử dụng công nghệ IoT trong hệ thống giám sát công nghiệp mang lại nhiều lợi ích: tiết kiệm chi phí vận hành, giảm thời gian bảo trì, tăng độ an toàn và hiệu suất sản xuất. Giám sát thiết bị công nghiệp từ xa qua giao diện Webserver cho phép các kỹ sư theo dõi tình trạng hoạt động real-time, phát hiện sự cố sớm và điều khiển thiết bị một cách hiệu quả mà không cần có mặt tại hiện trường.

II. Các Thành phần Phần cứng trong Hệ thống Giám sát

Hệ thống giám sát và điều khiển công nghiệp bao gồm nhiều thành phần phần cứng quan trọng. Arduino Mega 2560 hoạt động như bộ điều khiển trung tâm xử lý dữ liệu từ các cảm biến. Node MCU ESP8266 là module kết nối WiFi chính giúp truyền dữ liệu đến Webserver và nhận lệnh điều khiển. PLC S7-200 là bộ điều khiển lập trình chuyên dụng điều khiển các thiết bị công nghiệp phức tạp. Module RS-485 đảm nhiệm giao tiếp Modbus RTU giữa các thiết bị, còn LCD 20x4 hiển thị thông tin trạng thái hệ thống. Sự tích hợp các thành phần này tạo nên một hệ thống giám sát đầy đủ, linh hoạt và hiệu quả.

2.1. Board xử lý trung tâm và module kết nối WiFi

Arduino Mega 2560 với 54 chân I/O là bộ điều khiển chính xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển các relay. Node MCU ESP8266 là module WiFi ESP8266 giúp hệ thống kết nối Internet vạn vật, truyền dữ liệu đến Webserver và nhận lệnh từ giao diện điều khiển web. Sự kết hợp này cho phép giám sát thiết bị công nghiệp từ bất kỳ địa điểm nào có kết nối internet.

2.2. PLC S7 200 và giao thức giao tiếp Modbus

PLC S7-200 là bộ điều khiển lập trình chuyên biệt cho các ứng dụng công nghiệp, có khả năng xử lý logic phức tạp. Giao thức Modbus RTU được sử dụng để giao tiếp giữa Arduino và PLC, thông qua Module RS-485. Cách tiếp cận này đảm bảo hệ thống giám sát và điều khiển hoạt động đồng bộ, đáng tin cậy với độ trễ thấp.

III. Thiết kế Giao diện Web và Webserver

Giao diện Webserver là thành phần quan trọng cho phép người dùng giám sát và điều khiển thiết bị công nghiệp từ xa. Hệ thống sử dụng ngôn ngữ lập trình PHP và cơ sở dữ liệu MySQL để xây dựng nền tảng web mạnh mẽ. Giao diện điều khiển web được thiết kế trực quan, hiển thị trạng thái thiết bị công nghiệp real-time, các chỉ số kỹ thuật và cho phép gửi lệnh điều khiển thiết bị về PLC. Việc sử dụng kết nối WiFi giúp hệ thống giám sát hoạt động linh hoạt, tiết kiệm chi phí cơ sở hạ tầng mạng so với các giải pháp truyền thống.

3.1. Công nghệ PHP và MySQL trong Webserver

PHP là ngôn ngữ lập trình phía máy chủ được sử dụng để xây dựng giao diện Webserver động. MySQL là cơ sở dữ liệu lưu trữ dữ liệu giám sát, nhật ký hoạt động thiết bị và thông tin lịch sử. Kết hợp PHP và MySQL, hệ thống có thể lưu trữ và truy xuất dữ liệu từ hệ thống giám sát công nghiệp một cách hiệu quả, hỗ trợ phân tích và báo cáo.**

3.2. Kết nối WiFi và truyền dữ liệu thời gian thực

Mạng WiFi được sử dụng để kết nối Node MCU với Webserver, cho phép truyền nhận dữ liệu liên tục. Giao thức UART được dùng cho giao tiếp cấp độ thấp giữa các module. Hệ thống giám sát công nghiệp có thể cập nhật dữ liệu real-time, hiển thị trạng thái thiết bị mới nhất và phản ứng nhanh với các lệnh điều khiển từ xa.

IV. Quy trình Triển khai và Kiểm thử Hệ thống

Quy trình triển khai đồ án hệ thống giám sát và điều khiển công nghiệp bao gồm nhiều giai đoạn quan trọng. Đầu tiên, nhóm thiết kế sơ đồ khối hệ thống, xác định cách kết nối các thiết bị IoT. Tiếp theo, lập trình firmware cho Arduino, code Node MCU và chương trình PLC. Sau đó, thi công mạch điện PCB, lắp ráp hệ thống phần cứng và kiểm tra từng module. Cuối cùng, thực hiện kiểm thử toàn hệ thống, đảm bảo giao tiếp giữa các thiết bị ổn định, giao diện Webserver hoạt động chính xác và giám sát, điều khiển thiết bị công nghiệp hiệu quả. Việc này đảm bảo hệ thống đáp ứng đầy đủ yêu cầu giám sát công nghiệp.

4.1. Thiết kế mạch điều khiển và thi công PCB

Thiết kế sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển xác định kết nối giữa Arduino, Node MCU, PLC và các thiết bị điều khiển công nghiệp. Mạch điều khiển bao gồm các relay, module nguồn và bộ xử lý tín hiệu. Thi công PCB theo sơ đồ thiết kế, đảm bảo chất lượng kết nối điện tử và độ tin cậy. Lắp ráp phần cứng hệ thống giám sát thiết bị công nghiệp phải tuân thủ tiêu chuẩn an toàn điện.

4.2. Kiểm thử hệ thống giám sát toàn diện

Kiểm thử toàn hệ thống bao gồm xác minh giao tiếp Modbus RTU giữa Arduino và PLC, kết nối WiFi của Node MCU với Webserver, và tính chính xác dữ liệu giám sát hiển thị. Đảm bảo điều khiển thiết bị phản ứng đúng, giao diện web hoạt động mượt mà. Hệ thống giám sát công nghiệp phải hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường công nghiệp thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan: Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu, mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Cơ sở lý thuyết: Ở chương này nhóm trình bày cơ sở lí thuyết về các vấn đề liên quan của hệ thống. Giới thiệu các thiết bị phần cứng và giao thức truyền thông giữa các thiết bị trong hệ thống.

Tính toán và thiết kế: Chương này sẽ thiết kế sơ đồ khối của hệ thống và chi tiết từng khối. Từ đó tính toán và lựa chọn linh kiện thích hợp để xây dựng sơ đồ nguyên lí của toàn hệ thống. Thi công hệ thống: Trình bày thiết kế phần cứng và vị trí sắp xếp các linh kiện của hệ thống. Đưa ra lưu đồ giải thuật, thiết kế giao diện giám sát trên website, quá trình điều khiển, giám sát và hoạt động của hệ thống.

Kết quả-nhận xét-dánh giá: Những kết quả đạt được sau thời gian thực hiện, kết quả thực nghiệm, từ đó đưa ra đánh giá nhận xét. Kết luận và hướng phát triển của đề tài: Tóm tắt nội dung đề tài và kết luận những việc đã làm được, hạn chế. Từ đó rút ra những nhận xét về khả năng ứng dụng trong thực tế và hướng phát triển của đề tài. Đặt nền móng cho những đề tài nghiên cứu sau được hoàn thiện và tiến bộ hơn về mặt kết quả thực nghiệm.

CỞ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 TỔNG QUAN VỀ IOT TRONG CÔNG NGHIỆP 2.1 Khái niệm về IoT Internet of Things (IoT) mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối Internet, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó.2 IoT trong công nghiệp IoT thực sự là cuộc cách mạng về công nghệ thông tin của thế giới hiện đại. Khi mỗi thiết bị, và con người được cấp một mã định danh riêng, tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu thông qua mạng Internet mà không cần sự tương tác giữa con người với con người, hoặc giữa người với máy tính.

Kết nối các thiết bị công nghiệp và điều khiển thông qua Internet là một vấn đề cực kỳ hấp dẫn với những người làm trong ngành kỹ thuật. Các nhà máy tại Việt Nam chúng ta hiện nay các thiết bị điều khiển hầu hết được kết nối với PLC, DCS hoặc SCADA điều khiển tự động hoạt bán tự động. Nhưng khi áp dụng IoT vào trong nhà máy việc quản lý các hệ thống này được thông qua Internet. Người quản lý không cần đến nhà máy cũng biết được các thông số của máy móc hoạt động ra sao.

Và hơn hết chúng ta có thể điều khiển các thiết bị được kết nối ở bất kỳ nơi nào trên thế giới thông qua Internet. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CỞ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1 Ứng dụng IoT kết nối các cảm biến nhiệt độ Như vậy thông qua việc kết nối các thiết bị trong nhà máy, chúng ta sẽ biết được máy móc vận hành ra sao, điều khiển thiết bị từ xa, kiểm soát mức nhiên liệu có trong bồn chứa, các nguyên vật liệu trong từng silo… Trong công nghiệp cực kỳ quan trọng nó không chỉ cắt giảm lao động mà nó có thể thay thế con người làm những ngành công nghiệp nguy hiểm thông qua việc giám sát và điều khiển trên Web Server.3 Lý do sử dụng IoT Ở đề tài chúng em sử dụng IoT vì nó hiện nay đang rất phổ biến và phù hợp với ứng dụng thực tế của chúng em, IoT có thể cho chúng em có thể kết nối các thiết bị với nhau với việc sử dụng Internet, vì có thể nói Internet là một trong những cái được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Ứng dụng công nghệ IoT vào đề tài này cũng làm góp phần xây dựng công nghệ 4.0 đang phát triển trên thế giới trở nên phong phú hơn.

Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con người, IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế giới mà con người đang sống. Từ chiếc vòng đeo tay, những đồ gia dụng trong nhà, những mãnh vườn đang ươm hạt giống, cho đến những sinh vật sống như động vật hay con người…đều có sử dụng giải pháp IoT. Vì thế đó chính là lý do mà chúng em sử dụng IoT vào đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2.

CỞ SỞ LÝ THUYẾT 2.2 TỔNG QUAN WEBSEVER 2.1 Web Server Web Server là một hay nhiều máy tính mà tại đó chứa đựng mã nguồn của trang web, máy tính đó còn phải được cài các chương trình phục vụ web. Chính những chương trình này sẽ thiết lập các kết nối để người trình duyệt web có thể truy cập được vào trang web (ví dụ như IIS của Microsoft). Trong đề tài chúng em sử dụng Web Server để đóng vai trò như một máy chủ để có thể lưu giá trị, nhập giá trị xuống cho hệ thống cũng như giám sát hệ thống bên dưới gửi lên. Trong Web Server của đề tài thì chúng em sử dụng hosting để chuyển tải dữ liệu lên xuống cũng như là lưu trữ, một Database để chứa tất cả nguồn của trang Web Server như là: tên đăng nhập, mật khẩu, giá trị dây chuyền nhập xuống….

Để làm được điều đó thì cũng cần một chương trình trung gian ở Server để nhận dữ liệu từ hệ thống cũng như trích xuất dữ liệu từ Database. Chương trình ở Server nhóm đã lựa chọn PHP, nhóm đã sử dụng ngôn ngữ PHP để lập trình để tiếp nhận dữ liệu từ hệ thống IoT và trích xuất các thông số thiết lập từ cơ sở dữ liệu truyền xuống thiết bị.2 Ngôn ngữ lập trình PHP a. Giới thiệu Cùng với Apache, PHP và MySQL đã trở thành chuẩn trên các máy chủ Web. Rất nhiều phần mềm Web mạnh sử dụng PHP và MySQL (PHP Nuke, Post Nuke, vBulletin…).

PHP là ngôn ngữ có cú pháp gần giống Perl nhưng tốc độ dịch của nó được các chuyên gia đánh giá là nhanh hơn ASP 5 lần, chạy trên nhiều hệ điều hành như Unix, Window, Linux nó hỗ trợ kết nối các hệ cơ sở dữ liệu lớn như MySQL, ngoài ra nó còn được Apache hỗ trợ như là một module cơ bản. Lý do chọn PHP PHP là một ngôn ngữ mã nguồn mở có rất nhiều nhà phát triển tham gia vào và quan trọng hơn là dễ dàng để tìm hiểu và sử dụng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CỞ SỞ LÝ THUYẾT Nguồn tài liệu học PHP vô cùng phong phú và đa dạng.

PHP rất dễ học và dễ tiếp cận cho những người mới học lập trình và không phải chuyên ngành chính của chúng em. Ngôn ngữ này thì cũng không cần phải được biên dịch. PHP là mã nguồn mở có thể thoải mái lập trình mà không tốn chi phí cho sinh viên có thể tiết kiệm chi phí trong việc thực hiện đề tài.3 Giới thiệu về MySQL MySQL là một Database Server, là hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu quan hệ. Trong việc lưu trữ, tìm kiếm, sắp xếp và truy vấn dữ liệu, nó tỏ ra rất nhanh và mạnh mẽ.

MySQL Server điều khiển truy cập dữ liệu đa người dùng cùng một thời điểm, cung cấp khả năng truy cập dữ liệu nhanh, bảo đảm cho người sử dụng được cấp quyền truy cập dữ liệu của hệ thống. Do vậy, MySQL là đa người dùng, đa luồng. MySQL có thể quản lý tới hàng Terabyte dữ liệu, hàng triệu bản ghi, chạy trên nhiều môi trường khác nhau, có giao diện tương đối dễ sử dụng, có thể truy vấn dữ liệu thông qua câu lệnh SQL. MySQL được sử dụng chung với PHP trong những trang web cần sử dụng đến cơ sở dữ liệu.4 Giới thiệu về mạng không dây (Wifi) Hiện nay có rất nhiều mạng không dây: Wifi, bluetooth, RF, Zigbee….

Mạng không dây ở đây chúng em lựa chọn là mạng Wifi vì mạng này đang được sử dụng phổ biến hiện nay với mạng lưới được phủ sóng hầu như là tất cả các khu vực đều có. Mạng Wifi này thì không cần có bản quyền sử dụng đối với thiết bị sử dụng nó và có tính bảo mật cao. Mạng Wifi cho phép truyền dữ liệu liên tục không bị gián đoạn và chi phí đầu tư ban đầu của mạng không dây thường cao hơn mạng có dây, nhưng nếu tính tổng chi phí cùng tuổi thọ sử dụng thì sóng không dây đem lại hiệu quả kinh tế hơn nhiều. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2.

CỞ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2 Các chuẩn Wifi thông dụng 2.3 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG Để đạt được những mục tiêu đã đặt ra thì nhóm chúng em đã chọn những phần cứng để giúp chúng em làm được những nhiệm vụ đó: Vi điều khiển (atemega 2560), thiết bị công nghiệp (PLC S7 200), thiết bị giao tiếp Internet (ESP 8266 Node MCU), thiết bị giám sát tại vi điều khiển (LCD), thiết bị giao tiếp giữa vi điều khiển và PLC (RS 485).1 Board xử lý trung tâm Ở bo xử lý trung tâm chúng em chọn chip Atmega2560 có bộ nhớ flash memory 256 kB, 8kB cho bộ nhớ SRAM, 4kB cho bộ nhớ EEPROM. Board xử lý này có nhiệm vụ quan trọng nhất của hệ thống, nó vừa nhận dữ liệu từ thiết bị giao tiếp Internet gửi về trên Web Server và phải chuyển dữ liệu nhận đó xuống thiết bị bên dưới, đồng thời cũng nhận dữ liệu liên tục từ bên dưới gửi lên và gửi ngược lại cho thiết bị giao tiếp Internet chuyển lên website hiển thị trên đó, quá trình này được thực hiện liên tục. Ngoài việc đóng vai trò như một thiết bị trung gian thì board này còn phải xử lý và hiển thị giá trị đó ngay tại hệ thống nhờ thiết bị hiển thị (LCD). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2.

CỞ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3 Board Arduino Mega 2560 Trong hình 2.3 là một Board Arduino Mega 2560 thực tế và vị tí các ngõ vào ra như hình, các thông số của Board được trình bày như bảng 2.