CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, máy móc đóng vai trò rất quan trọng trong bất kì ngành công nghiệp nào. Cùng với công nghệ IOT đang ngày càng phát triển, các thiết bị điện trong công nghiệp đã không còn chỉ hoạt động một cách độc lập mà giờ đây chúng đã có thể kết nối nhiều loại thiết bị điện khác nhau một cách dễ dàng. Tuy nhiên, để con người có thể biết máy móc hoạt động có chính xác hay không thì cần phải có hệ thống giám sát hoạt động của máy móc. Nếu không có hệ thống giám sát hoạt động của máy móc sẽ gây ra nhiều hậu quả, rủi ro như: - Máy móc có thể gặp các lỗi, hỏng hóc mà không được phát hiện kịp thời có thể gây ra tai nạn trong môi trường lao động.
- Khi thiết bị gặp sự cố sẽ làm sản xuất bị gián đoạn, thiệt hại về kinh tế - Các thiết bị sẽ có thể hoạt động không hiệu quả, tiêu thụ năng lượng quá mức và gây lãng phí tài nguyên, ô nhiễm môi trường. - Các thiết bị điện có thể không được phát hiện lỗi sớm, càng lâu dài sẽ gây ra hư hỏng nghiêm trọng, làm giảm tuổi thọ, làm tăng chi phí bảo trì cho thiết bị Vì thế vai trò của một hệ thống giám sát hoạt động máy móc là rất quan trọng. Chính vì vậy, nhóm chúng em đã chọn đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY” để làm ĐATN.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài nhóm chúng em đã thực hiện mang ý nghĩa khoa học trong việc nghiên cứu và phát triển hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà máy, đồng thời mang lại lợi ích thực tiễn trong việc tăng cường hiệu quả sản xuất, đảm bảo an toàn, bảo vệ tài sản, bảo vệ môi trường, khả năng tự động hoá thông minh.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện trong nhà máy - Thiết kế nguyên lí và layout PCB để chế tạo ra các thiết bị có chức năng đo đạc và truyền nhận dữ liệu từ các thiết bị điện trong nhà máy - Lắp đặt các thiết bị đã chế tạo và các thiết bị điện thành hệ thống hoàn chỉnh - Tạo ra giao diện để hiển thị các dữ liệu thu thập được - Lập trình giao diện để cấu hình cho các thiết bị đã chế tạo 1 CHƯƠNG 1 - Đưa dữ liệu lên server phục vụ cho việc giám sát từ xa - Xây dựng hệ thống cảnh báo khi có sự cố, rủi ro xảy ra 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là tập trung chính vào việc nghiên cứu, chế tạo các thiết bị giám sát. Hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện trong nhà máy bao gồm các thiết bị đã được chế tạo để đo đạc, giám sát các thiết bị điện như động cơ 3 phase, còi, đèn báo, công tắc tơ, relay, các loại cảm biến…Ngoài ra đối tượng nghiên cứu của đề tài này còn có giao diện để cấu hình cho các thiết bị và giao diện giám sát từ xa.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài này là thiết kế, chế tạo và phát triển hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện ứng dụng trong môi trường nhà máy.5 Phương pháp nghiên cứu 1.1 Cơ sở phương pháp luận Nghiên cứu của chúng em dựa vào các tài liệu tham khảo và tham khảo các sản phẩm đã ứng dụng trong thực tế, các công trình nghiên cứu trước đây liên quan đến đề tài này.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể Nhóm chúng em đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu cụ thể về đề tài này bao gồm: - Tham khảo và phân tích yêu cầu của một hệ thống giám sát và điều khiển, yêu cầu hiệu suất, yêu cầu an toàn, các chức năng cần thiết của hệ thống.
- Nghiên cứu kiến trúc tổng quan của hệ thống, lựa chọn các thành phần có trong hệ thống. - Tìm hiểu các thiết bị có tính năng đo đạc và thu thập dữ liệu có trên thị trường, từ đó nghiên cứu thiết kế nguyên lí và layout PCB cho các thiết bị đó. - Tham khảo, nghiên cứu phát triển phần mềm và giao diện cấu hình cho thiết bị đã chế tạo - Tìm kiếm, nghiên cứu tài liệu về điều khiển các thiết bị điện - Tham khảo và xây dựng hệ thống - Kiểm tra và đánh giá, điều chỉnh phù hợp để đảm bảo độ chính xác hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống.6 Kết cấu ĐATN ĐATN nhóm chúng em thực hiện gồm có 5 chương: Chương 1 giới thiệu đề tài. Chương 2 đề cập đến tổng quan nghiên cứu đề tài.
Chương 3 nói về các lí thuyết áp dụng trong đề tài. Chương 4 trình bày phần thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện Cuối cùng là chương chương 5 chạy thử nghiệm, đánh giá, kết luận hệ thống nhóm chúng em đã thực hiện. 3 CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu Hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện trong nhà máy của nhóm chúng em thực hiện có nhiều tính năng như giám sát dòng tiêu thụ, nhiệt độ, dòng điện của động cơ, giám sát công suất hoạt động của các thiết bị điện. Ngoài ra hệ thống còn cảnh báo khi xảy ra các sự cố.2 Đặc tính của hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện Các đặc tính của hệ thống: - Hệ thống có chức năng thu thập dữ liệu, thông số của các thiết bị điện cần giám sát thông qua các thiết bị giám sát - Hệ thống có giao diện để hiển thị thông tin cần giám sát - Hệ thống có giao diện cấu hình cho các thiết bị giám sát - Hệ thống có khả năng điều khiển và cảnh báo khi phát hiện các sự cố về hoạt động của các thiết bị điện - Hệ thống có khả năng kết nối mạng internet để truyền nhận dữ liệu 2.3 Kết cấu của hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện Hệ thống có cấu trúc gồm có các thành phần sau: - Thiết bị giám sát được sử dụng để thu thập, xử lý và lưu trữ các thông số điện như điện áp, dòng điện, nhiệt độ, công suất.
- Thiết bị điện để điều khiển như đèn tháp, còi báo, động cơ 3 phase - Hệ thống cảnh báo - Giao diện cấu hình dùng để cấu hình hoạt động cho các thiết bị giám sát - Giao diện dùng để giám sát hoạt động của các thiết bị điện 2.4 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài Một hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện phải có các thiết bị đo đạc các thông số của các thiết bị điện. Một số thiết bị đã có trên thị trường ở trong và ngoài nước như Thiết bị bảo trì, dự đoán không dây Iot trong công nghiệp được công ty NCD 4 CHƯƠNG 2 Hình 2. 1 Thiết bị bảo trì, dự đoán không dây Iot trong công nghiệp [4] (Nguồn:https://store.io/product/iot-wireless-predictive-maintenance-sensor/) Thiết bị này có các loại cảm biến như cảm biến đo rung động, cặp nhiệt điện và cảm biến dòng. Thiết bị có chức năng đo độ rung động, đo cường độ dòng điện và đo nhiệt độ Thiết bị này có các thông số nổi bật như: - Phạm vi đo lường dòng điện xoay chiều lên tới 100A - Cảm biến rung 3 trục với RMS, MAX và MIN - Tính toán dữ liệu rung động trong phạm vi ±16g với bộ lọc thông thấp - Tốc độ lấy mẫu lên tới 952Hz - Phạm vi cặp nhiệt điện 260°C (500°F) với độ chính xác ±2,2°C - Cảm biến theo dõi tình trạng hoạt động của máy móc - Vỏ bọc có thể treo tường hoặc gắn nam châm - Phạm vi kết nối trong khoảng 2 dặm với ăng-ten trên bo mạch - Giao diện với Raspberry Pi - Tích hợp phần mềm dễ dàng Ngoài thiết bị trên thì hãng còn có nhiều mẫu thiết bị khác về đo rung động, đo dòng như các thiết bị ở hình bên dưới.
5 CHƯƠNG 2 Hình 2. 2 Cảm biến độ rung 2 kênh không dây IoT công nghiệp [8] (Nguồn: https://store.io/product/2-channel-vibration-sensor-v3/) Hình 2. 3 Cảm biến giám sát dòng điện AC không dây IoT công nghiệp 3 kênh [9] (Nguồn: https://store.io/product/3-channel-industrial-iot-wireless-ac-current- monitor-sensor/) Dưới đây là thiết bị đo cường độ dòng điện, điện áp và công suất của hãng ROOTECH (Hàn Quốc) 6 CHƯƠNG 2 Hình 2. 4 Accura 2300 - Bộ đồng hồ đo công suất Accura 2300 của hãng ROOTECH[10] (Nguồn: https://www.com/english/products/accura2300_2350.html) Bộ thiết bị này các thông số, chức năng như: Bộ thiết bị đo được điện áp, cường độ dòng điện, công suất, công suất tiêu thụ của thiết bị điện sử dụng dòng điện 1 pha và 3 pha.
7 CHƯƠNG 2 Tuỳ vào từng mẫu thiết bị mà phạm vi đo lường về cường độ dòng điện khác nhau Hình 2. 5 Phạm vi đo cường độ dòng điện, tần số lấy mẫu của các mẫu của hãng ROOTECH Hình 2. 6 Các phương thức giao tiếp của thiết bị 8 CHƯƠNG 2 Hình 2. 7 Sơ đồ khối giao tiếp qua ethernet của thiết bị [11] (Nguồn: https://fr.com/document/590108423/Accura-2300-2350-Catalog-Rev4-00- English-220307) Ngoài ra còn có một số mẫu thiết bị đo công suất tiêu thu khác hình bên dưới Hình 2.
8 Thiết bị đo công suất tiêu thụ điện 3 pha trong công nghiệp [1] (Nguồn: https://huphaco.vn/thiet-bi-do-cong-suat-tieu-thu- dien/#Thiet_bi_do_cong_suat_tieu_thu_dien) 9 CHƯƠNG 2 2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Trước sự phổ biến của công nghệ thế giới mà nước ta cũng đã dần hội nhập và đã xuất hiện rất nhiều công ty thành công trong việc áp dụng công nghệ IOT trong quản lý sản xuất hay giám sát các thiết bị công nghiệp. Dưới đây là hệ thống được áp dụng phổ biến có có chức năng giám sát tình trạng hoạt động của máy móc. 9 Sơ đồ khối hệ thống giám sát các thiết bị trong nhà máy [2] (Nguồn: https://atpro.vn/he-thong-giam-sat-nha-may/) 2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Do sự phát triển vượt bậc của ngành tự động ở nước ngoài nên mảng IoT trong công nghiệp ở nước ngoài đã trở nên rất phổ biến với những thiết bị có độ chính xác rất cao. Từ đó có các hệ thống giám sát kết nối thông minh, linh hoạt cho việc giám sát, dự đoán, đưa ra cảnh báo và điều khiển từ xa.
Một số công ty chuyên về mảng này: Schneider Electric, Siemens, ABB …. 10 CHƯƠNG 2 Hình 2. 10 Sơ đồ khối hệ thống giám sát bằng iot đang được sử dụng phổ biến ở nước ngoài[13] (Nguồn: https://www.com/manufacturing/equipment-monitoring) 11 CHƯƠNG 3 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Lý thuyết về rung động của động cơ 3.