Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại, các thiết bị cơ điện quay (máy động) như động cơ điện, máy bơm, quạt gió công nghiệp đóng vai trò hạt nhân vận hành liên tục. Sự cố đột ngột của máy động không chỉ làm gián đoạn toàn bộ quy trình sản xuất, gây tổn thất kinh tế lớn do dừng máy ngoài kế hoạch, mà còn phát sinh chi phí phục hồi tốn kém và đe dọa an toàn lao động. Hai tác nhân vật lý hàng đầu dẫn đến sự xuống cấp và phá hủy cơ khí của máy quay là sự gia tăng rung động bất thường và hiện tượng quá nhiệt:

  • Rung động cơ học vượt mức cho phép sẽ phá hủy cấu trúc cơ khí, gây mỏi kim loại, mài mòn bạc đạn, bánh răng và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng gia công sản phẩm.
  • Hiện tượng quá nhiệt làm thoái hóa nhanh chóng các lớp cách điện của cuộn dây stator, phá vỡ màng dầu bôi trơn ổ đỡ và tiềm ẩn nguy cơ chập cháy động cơ.

Ý tưởng nghiên cứu xuất phát từ chuyến đi thực tập và tham quan thực tế của nhóm tác giả tại Nhà máy Đạm Phú Mỹ. Tại đây, nhóm đã tiếp cận hệ thống giám sát và bảo vệ máy động chuyên dụng Bently Nevada 3500, vốn sử dụng các đầu dò đo dịch trục, tốc độ quay, rung vỏ và rung trục để truyền dữ liệu về hệ thống bảo vệ độc lập hoặc tích hợp vào hệ thống điều khiển phân tán (DCS) nhằm kích hoạt lệnh dừng máy khẩn cấp khi có sự cố. Nhận thấy tầm quan trọng của việc bảo vệ máy động theo thời gian thực nhưng các giải pháp công nghiệp chuyên sâu thường có giá thành cao và chưa được phổ biến rộng rãi trong nghiên cứu thực nghiệm sinh viên, đề tài đã đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu các phương pháp đo độ rung của máy.
  2. Lựa chọn cảm biến thích hợp để đạt kết quả đo chính xác nhất.
  3. Hiệu chỉnh cảm biến để phù hợp với loại động cơ sử dụng.
  4. Nghiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ của máy.
  5. Lựa chọn cảm biến phù hợp với dải đo nhiệt độ vận hành.
  6. Đưa các thông tin đo được về máy tính và hiển thị trực quan trên phần mềm WinCC.
  7. Phân tích các thông tin nhận được để cài đặt giá trị đặt trước (set point) phục vụ việc bảo vệ động cơ.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  • Khảo sát các nguyên nhân sinh rung động và các phương pháp đo dịch chuyển/khoảng cách, đo nhiệt độ công nghiệp.
  • Xây dựng mô hình thực nghiệm và mô phỏng hệ thống giám sát máy động bao gồm phần cứng điều khiển và giao diện giám sát SCADA.
  • Thiết lập cơ chế thu thập dữ liệu độ rung hướng tâm và nhiệt độ vỏ máy, so sánh với các ngưỡng an toàn để kích hoạt tín hiệu cảnh báo hoặc dừng máy tự động.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tình trạng kỹ thuật và độ an toàn vận hành của động cơ thông qua việc đo lường, giám sát liên tục các thông số nhiệt độ hoạt động, độ rung động và độ lệch trục.
  • Phạm vi nghiên cứu: Do hạn chế về thời gian, kinh phí và trang thiết bị công nghiệp thực tế, đề tài giới hạn ở việc xây dựng một mô hình mô phỏng - thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm trên một động cơ mẫu, sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-300 kết nối với máy tính qua mạng MPI để giám sát và xuất cảnh báo ngưỡng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

Nghiên cứu dựa trên cơ sở vật lý của hiện tượng rung động máy (machine vibration) và lý thuyết nhiệt học:

  • Đặc trưng rung động: Rung động cơ học được xác định thông qua đại lượng đo dịch chuyển ($z$), vận tốc dao động và gia tốc dao động. Các nguyên nhân cơ bản gây ra rung động bao gồm: hiện tượng mất cân bằng khối lượng (mất cân bằng tĩnh và mất cân bằng động do "điểm nặng" - heavy spot), mất đồng tâm trục (lệch góc, lệch song song, lệch kết hợp), sự mài mòn bề mặt tiếp xúc (ổ bi, bánh răng, dây đai), hiện tượng lỏng cơ khí (looseness bulong móng hoặc khe hở bạc đạn), hiện tượng cộng hưởng cơ học khi tần số lực kích thích trùng với tần số dao động riêng, sự biến dạng uốn cơ khí và việc chọn công suất máy không tương thích.
  • Nguyên lý cảm biến từ ECKO (Eddy Current Killed Oscillator): Đo dịch chuyển không tiếp xúc bằng dòng điện xoáy. Cuộn dây đầu dò phát ra trường điện từ ở dải tần số vô tuyến (RF). Khi một bề mặt dẫn điện kim loại (như trục quay) tiến lại gần, dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt kim loại sẽ tương tác ngược lại làm suy giảm biên độ dao động RF. Mạch giải điều chế trong bộ chuyển đổi (transducer) biến đổi sự suy giảm này thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện một chiều tỷ lệ tuyến tính với khoảng cách khe hở (gap) giữa đầu dò và trục.
  • Đo lường nhiệt độ: Căn cứ theo thuyết động học phân tử ($1/2 m \overline{u^2} = 3/2 k T$) và các thang đo nhiệt độ quốc tế (ITS-90, IPTS-68, Celsius, Kelvin, Fahrenheit, Réaumur). Khảo sát các phần tử chuyển đổi nhiệt độ: cảm biến nhiệt điện trở kim loại RTD (dây quấn, phim mỏng với các cấu hình 2 dây, 3 dây, 4 dây Wheatstone/Kelvin), cặp nhiệt ngẫu (thermocouple dựa trên hiệu ứng Seebeck), nhiệt điện trở bán dẫn (thermistor), nhiệt kế hồng ngoại, nhiệt kế áp suất, nhiệt kế giãn nở lưỡng kim và chất lỏng.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích lý thuyết, tổng hợp tài liệu kỹ thuật và thiết kế thực nghiệm:

  • Phân tích so sánh định tính và định lượng giữa các phương pháp đo khoảng cách/dịch chuyển (cảm biến từ, siêu âm theo nguyên lý Time of Flight $d = v \cdot t / 2$, cảm biến quang hồng ngoại dựa trên góc tam giác thu PSD/CCD, và cảm biến laser quang học).
  • Xây dựng phần cứng tích hợp: Lắp ghép hệ thống điều khiển PLC S7-300 gồm các module chuyên dụng với động cơ thực nghiệm.
  • Xử lý toán học và chuẩn hóa tín hiệu: Chuyển đổi dữ liệu analog từ cảm biến về thang đo kỹ thuật số thông qua module mở rộng và khối hàm xử lý trong phần mềm lập trình.
Phương pháp đo Nguyên lý hoạt động Ưu điểm Hạn chế
Cảm biến từ (ECKO) Dòng điện xoáy triệt tiêu dao động RF Độ chính xác cao, đo trực tiếp bề mặt kim loại quay, tín hiệu ngõ ra tỷ lệ tuyến tính với khe hở Yêu cầu đối tượng đo phải là kim loại dẫn điện; khoảng cách đo ngắn
Cảm biến siêu âm Thời gian bay (Time of Flight - TOF) của sóng âm ($v \approx 343\text{ m/s}$) Đo được khoảng cách xa (đến hàng chục mét), không phụ thuộc màu sắc vật thể Vận tốc âm phụ thuộc nhiệt độ môi trường, có vùng mù (blind zone), tốc độ phản hồi chậm
Cảm biến hồng ngoại Phản xạ góc tam giác thu trên cảm biến PSD/CCD Chùm tia định hướng hẹp, chi phí thấp Tín hiệu ngõ ra không tuyến tính, dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường và màu sắc vật thể
Cảm biến Laser Đo thời gian truyền xung hoặc giao thoa chùm tia quang học Độ chính xác cực cao, tần số lấy mẫu nhanh, đo được nhiều loại vật liệu Giá thành thiết bị rất cao, nhạy cảm với bụi bẩn công nghiệp

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc theo dõi sức khỏe thiết bị quay trong nhà máy. Tác giả dẫn chứng thực tế vận hành tại Nhà máy Đạm Phú Mỹ với hệ thống Bently Nevada 3500 của General Electric/Motor để phân tích lợi ích của việc giám sát dự đoán: ngăn ngừa sự cố bất khả kháng, giảm chi phí sửa chữa, tối ưu hóa kế hoạch bảo trì và bảo vệ an toàn cho nhân công. Chương này xác định rõ 7 mục tiêu kỹ thuật, nhiệm vụ triển khai mô hình mô phỏng, đối tượng khảo sát và phạm vi giới hạn của đồ án trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 chia thành 3 mảng lý thuyết cốt lõi:

  1. Cơ chế dao động và rung động máy: Định nghĩa rung động, phân loại mất cân bằng tĩnh và mất cân bằng động, hiện tượng lệch tâm trục, cộng hưởng cơ khí và độ lỏng kết cấu. Đưa ra lập luận đo rung động bằng đại lượng định lượng (độ dịch chuyển $z$).
  2. Công nghệ cảm biến đo dịch chuyển và nhiệt độ: Trình bày chi tiết cấu tạo, nguyên lý ECKO của đầu dò tiệm cận cảm ứng từ, cáp nối dài và bộ chuyển đổi transducer. Khảo sát nguyên lý TOF của cảm biến siêu âm, nguyên lý phản xạ của cảm biến hồng ngoại và công nghệ định vị laser. Đối với nhiệt độ, chương sách phân tích thang nhiệt độ ITS-90, cấu tạo RTD Pt100 (dây quấn, màng mỏng), sơ đồ mạch bù điện trở dây dẫn 2 dây, 3 dây, 4 dây Kelvin/Wheatstone, các loại cặp nhiệt ngẫu phổ biến và bảng phân loại nhiệt độ theo cấp cách điện động cơ.
  3. Hệ thống điều khiển khả trình PLC S7-300: Trình bày thông số các dòng CPU (CPU 312C, 313C, 314, 315-2 DP...), bộ nguồn PS 307 và chi tiết các module ngoại vi:
    • Module ngõ vào số: SM 321, DI 16 x DC 24V (mã 6ES7321-1BH02-0AA0).
    • Module ngõ ra số: SM 322, DO 16 x DC 24V/0.5A.
    • Module ngõ vào tương tự: SM 331, AI 8 x 12 bit (mã 6ES7331-7KF02-0AB0) với các module khoảng đo (range card A, B, C, D) hỗ trợ đo áp, dòng 2 dây, dòng 4 dây, nhiệt điện trở RTD và thermocouple.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương này cụ thể hóa các yêu cầu kỹ thuật và phương án thiết kế hệ thống giám sát:

  • Đo độ rung hướng tâm (radial vibration): Đưa ra giải pháp lắp đặt 2 đầu dò cảm biến từ vuông góc nhau $90^\circ$ (tương ứng với trục X và trục Y) tại vị trí gối đỡ ổ trục động cơ, trong khi trục Z là trục quay động cơ. Cấu hình này cho phép giám sát toàn diện quỹ đạo tâm trục khi máy quay hoạt động.
  • Lựa chọn phần cứng: Cảm biến từ Omron E2CA-X5A đi kèm bộ khuếch đại transducer E2CA-AL4E; cảm biến nhiệt điện trở kim loại RTD Pt100; PLC S7-300 gồm CPU 314, PS 307, SM 321, SM 322 và SM 331.
  • Kiến trúc truyền thông và phần mềm: Kết nối PLC với máy tính PC qua chuẩn MPI sử dụng cáp PC Adapter (MPI). Lập trình logic điều khiển bằng SIMATIC STEP 7 và thiết kế giao diện SCADA trên nền tảng WinCC.
  • Cấu hình WinCC: Hướng dẫn tạo kênh truyền thông MPI, cấu hình Tag Logging để thu thập và lưu trữ dữ liệu rung/nhiệt; thiết kế giao diện quan sát bằng WinCC OnlineTableControl (dạng bảng số liệu thời gian thực) và WinCC OnlineTrendControl (đồ thị đường cong xu hướng); thiết lập hệ thống cảnh báo Alarm Logging qua Analog Alarm để phát thông điệp và kích hoạt cảnh báo khi độ rung hoặc nhiệt độ vượt các ngưỡng trên (Upper limit) và ngưỡng dưới (Lower limit).

Chương 4: Kết quả nghiên cứu, thực nghiệm, phân tích, tổng hợp

Chương 4 phản ánh quá trình hiện thực hóa mô hình vật lý và vận hành thử nghiệm:

  • Lắp đặt hoàn chỉnh các giá đỡ cơ khí trên động cơ mẫu để định vị hai đầu dò cảm biến từ theo góc $90^\circ$ và cố định cảm biến nhiệt độ RTD tiếp xúc với bề mặt vỏ máy.
  • Chế tạo hộp điều khiển chứa nguồn PS 307, CPU 314, các module SM 321, SM 322, SM 331 và bộ chuyển đổi transducer E2CA-AL4E.
  • Kết nối thành công phần cứng với giao diện WinCC: dữ liệu analog từ cảm biến độ rung và nhiệt độ được chuyển đổi chính xác, hiển thị trực quan dạng đồ thị xu hướng và bảng dữ liệu theo thời gian thực; các cảnh báo ngưỡng Analog Alarm hoạt động đúng thiết lập.
  • Đưa ra các nhận xét đánh giá khách quan về độ ổn định, khả năng đáp ứng thời gian thực của cấu hình MPI và các sai lệch cơ học phát sinh trong quá trình gá đặt đầu dò.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Tóm lược các kết quả đạt được: hoàn thành mô hình giám sát cơ bản với khả năng thu thập, cảnh báo độ rung và nhiệt độ. Thẳng thắn nhìn nhận những điểm còn hạn chế của mô hình thực nghiệm và đề xuất các hướng nâng cấp hệ thống phục vụ ứng dụng công nghiệp thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc phần cứng và thiết bị thu thập

Hệ thống được thiết kế thành một vòng lặp kín từ cảm biến thu thập tín hiệu, khối xử lý trung tâm đến tầng giám sát giao diện người - máy (HMI/SCADA):

  • Khối cảm biến rung: Sử dụng 2 cảm biến từ tiệm cận Omron E2CA-X5A kết hợp bộ chuyển đổi E2CA-AL4E. Hai đầu dò được gá lắp trên khung cơ khí vững chắc, đặt vuông góc $90^\circ$ quanh trục động cơ (trục X và trục Y) nhằm đo độ rung hướng tâm và độ dịch chuyển tương đối của trục quay.
  • Khối cảm biến nhiệt độ: Sử dụng cảm biến RTD Pt100 gắn trực tiếp vào vỏ máy để theo dõi hiện tượng quá nhiệt do ma sát ổ bi hoặc cuộn dây quá tải.
  • Khối điều khiển và thu thập tín hiệu (PLC): Hệ thống PLC Siemens S7-300 gồm:
    • Bộ nguồn cung cấp PS 307.
    • Module CPU 314 xử lý thuật toán và lưu trữ biến trạng thái.
    • Module mở rộng ngõ vào tương tự SM 331, AI 8 x 12 bit (6ES7331-7KF02-0AB0): Tín hiệu điện áp/dòng điện từ bộ chuyển đổi E2CA-AL4E và tín hiệu điện trở từ RTD Pt100 được đưa về các kênh ngõ vào của SM 331. Cấu hình các khối module khoảng đo (range card) trên thân SM 331 tương ứng với từng loại cảm biến.
    • Module ngõ vào số SM 321 (DI 16 x DC 24V) và ngõ ra số SM 322 (DO 16 x DC 24V/0.5A) điều khiển tín hiệu cảnh báo vật lý (đèn, còi) hoặc ngắt mạch cấp nguồn động cơ.
Thiết bị / Module Mã thiết bị / Thông số kỹ thuật Vai trò trong hệ thống
Cảm biến tiệm cận từ Omron E2CA-X5A Đầu dò đo khoảng cách/dịch chuyển cơ học của trục
Bộ chuyển đổi tín hiệu Omron E2CA-AL4E Giải điều chế tín hiệu dao động ECKO thành điện áp/dòng điện chuẩn
Cảm biến nhiệt độ RTD Pt100 Đo nhiệt độ tiếp xúc bề mặt vỏ động cơ
Module CPU Siemens CPU 314 Bộ xử lý trung tâm điều khiển logic và quản lý bộ nhớ
Module ngõ vào tương tự SM 331 (6ES7331-7KF02-0AB0, AI 8x12 bit) Chuyển đổi tín hiệu analog từ transducer và RTD sang giá trị số
Module ngõ vào số SM 321 (6ES7321-1BH02-0AA0, DI 16xDC 24V) Nhận tín hiệu điều khiển số
Module ngõ ra số SM 322 (DO 16xDC 24V/0.5A) Xuất lệnh điều khiển đóng/ngắt hoặc còi/đèn cảnh báo
Bộ nguồn Siemens PS 307 Cung cấp nguồn 24V DC ổn định cho toàn bộ rack PLC

Thiết kế phần mềm và cấu hình giám sát SCADA

  • Môi trường lập trình điều khiển: Phần mềm SIMATIC STEP 7 cấu hình phần cứng phần cứng (Hardware Configuration), thiết lập thông số cho module SM 331 (dải đo, loại đo RTD/dòng/áp), lập trình khối hàm xử lý dữ liệu và logic so sánh ngưỡng an toàn.
  • Giao thức truyền thông: Kết nối PLC S7-300 với máy tính cá nhân (PC) thông qua mạng MPI bằng cáp kết nối chuyên dụng PC Adapter (MPI), cài đặt giao tiếp trong mục Set PG/PC Interface.
  • Hệ thống SCADA WinCC:
    • Tạo driver truyền thông liên kết WinCC với SIMATIC STEP 7 qua chuẩn kết nối MPI.
    • Cấu hình các biến số (Tags) liên kết với vùng nhớ dữ liệu đo độ rung và nhiệt độ trong PLC.
    • Thiết lập công cụ Tag Logging để ghi nhật ký dữ liệu định kỳ vào cơ sở dữ liệu.
    • Xây dựng giao diện hiển thị: Sử dụng đối tượng WinCC OnlineTrendControl để vẽ biểu đồ diễn biến độ rung và nhiệt độ theo thời gian thực; sử dụng WinCC OnlineTableControl hiển thị bảng dữ liệu số liệu chi tiết.
    • Cấu hình quản lý cảnh báo (Alarm Logging): Tạo các cảnh báo tương tự (Analog Alarm), thiết lập giá trị giới hạn trên (Upper limit) và giới hạn dưới (Lower limit). Khi thông số vượt ngưỡng, thông điệp cảnh báo lỗi sẽ hiển thị trên bảng WinCC AlarmControl và PLC có thể tự động ngắt relay để dừng máy động.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm

  • Hoàn thành việc chế tạo mô hình thực nghiệm cơ điện: Gá đặt thành công giá đỡ cơ khí định vị 2 đầu dò cảm biến từ vuông góc $90^\circ$ để đo độ rung hướng tâm và lắp cảm biến nhiệt điện trở RTD Pt100 trên thân động cơ mẫu.
  • Thi công hoàn chỉnh tủ/hộp điều khiển bao gồm bộ nguồn PS 307, CPU 314, các module SM 321, SM 322, SM 331 và bộ chuyển đổi transducer E2CA-AL4E được đấu nối theo đúng sơ đồ nguyên lý.
  • Thiết lập thành công kết nối truyền thông công nghiệp MPI giữa PLC S7-300 và trạm máy tính giám sát WinCC.
  • Dữ liệu độ rung (dịch chuyển trục theo phương X, phương Y) và nhiệt độ vận hành được thu thập liên tục, hiển thị chính xác theo thời gian thực trên giao diện đồ họa (dưới dạng biểu đồ xu hướng Trend và bảng số liệu Table). Hệ thống xử lý kích hoạt cảnh báo thông qua Alarm Logging khi tín hiệu chạm ngưỡng set-point đã cài đặt.

Đóng góp của đề tài

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về nguyên nhân sinh rung động cơ học, các phương pháp đo dịch chuyển không tiếp xúc và đo nhiệt độ công nghiệp.
  • Ứng dụng thành công mô hình giám sát trục quay dựa trên nguyên lý cảm biến dòng xoáy (ECKO) tương tự các hệ thống chuyên dụng như Bently Nevada 3500 vào một đồ án kỹ thuật sử dụng nền tảng PLC S7-300 phổ biến.
  • Cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết về phương pháp đấu dây, cấu hình module analog SM 331 (mã 6ES7331-7KF02-0AB0) với cảm biến RTD/transducer, cùng quy trình tích hợp các gói phần mềm điều khiển SIMATIC STEP 7 và SCADA WinCC phục vụ giám sát máy động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Phạm vi nghiên cứu dừng lại ở mức độ mô phỏng - thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm trên một động cơ mẫu đơn giản, chưa được kiểm thử trong môi trường nhà máy với tải trọng động thực tế và các nguồn nhiễu công nghiệp khắc nghiệt.
  • Hạn chế về kinh phí và trang thiết bị khiến đồ án chỉ đo được độ rung hướng tâm bằng cảm biến từ và nhiệt độ tiếp xúc bằng RTD; chưa tích hợp thêm các đầu dò chuyên dụng để đo dịch chuyển dọc trục (axial displacement), đo tốc độ vòng quay (keyphasor) hay đo rung vỏ bằng cảm biến gia tốc.
  • Hệ thống xử lý dữ liệu rung động chủ yếu dừng lại ở mức so sánh biên độ dịch chuyển với ngưỡng đặt trước (set point), chưa thực hiện được các thuật toán xử lý tín hiệu nâng cao như phân tích phổ tần số (FFT) để chẩn đoán chính xác dạng lỗi cơ khí (lệch tâm, mất cân bằng hay hư hỏng vòng bi).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng thêm các kênh cảm biến đo rung động dọc trục, cảm biến đo tốc độ quay của máy và cảm biến gia tốc đo rung vỏ động cơ để xây dựng ma trận bảo vệ hoàn chỉnh tương đương tiêu chuẩn Bently Nevada.
  • Nghiên cứu tích hợp các giải thuật phân tích phổ dao động, phân tích phổ sóng rung động trực tiếp trên PLC hoặc trên phần mềm máy tính chuyên dụng nhằm phục vụ chẩn đoán lỗi chuyên sâu.
  • Nâng cấp mạng truyền thông công nghiệp sang chuẩn Profibus-DP hoặc Industrial Ethernet/Profinet để tăng tốc độ truyền dữ liệu và tích hợp hệ thống vào mạng điều khiển phân tán (DCS) của toàn nhà máy.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Cơ khí đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp liên quan đến giám sát thiết bị công nghiệp.
  • Kỹ sư vận hành, bảo trì tại các nhà máy đang tìm hiểu nguyên lý đo lường rung động cơ khí và phương pháp cấu hình cảm biến tiệm cận điện cảm đo khe hở trục quay.
  • Những nội dung đáng tham khảo chuyên sâu trong tài liệu bao gồm:
    • Phương pháp bố trí 2 đầu dò cảm biến từ vuông góc $90^\circ$ (trục X và Y) để đo độ rung hướng tâm của máy quay.
    • Hướng dẫn chi tiết cách cài đặt các tấm module khoảng đo (range card) và sơ đồ đấu dây của module ngõ vào tương tự Siemens SM 331 (6ES7331-7KF02-0AB0) cho các loại tín hiệu dòng, áp và nhiệt điện trở Pt100.
    • Quy trình từng bước cấu hình các gói Tag Logging, Trend Control, Table Control và Alarm Logging trong phần mềm SCADA WinCC.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên lý nào được ứng dụng trong cảm biến từ để đo độ rung và khoảng cách dịch trục trong đồ án?
Hệ thống sử dụng nguyên lý dao động bị triệt tiêu bởi dòng điện xoáy (ECKO - Eddy Current Killed Oscillator). Đầu dò cảm biến phát ra trường điện từ tần số vô tuyến (RF). Khi trục máy bằng kim loại dao động gần đầu dò, dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt kim loại sẽ triệt tiêu năng lượng của mạch dao động. Mạch giải điều chế trong bộ chuyển đổi (transducer) sẽ chuyển đổi sự suy giảm này thành điện áp hoặc dòng điện ngõ ra tỷ lệ với khoảng cách giữa đầu dò và trục máy.

2. Tại sao đồ án lại bố trí 2 đầu dò cảm biến từ lệch nhau một góc $90^\circ$ quanh trục động cơ?
Hai đầu dò cảm biến từ được lắp đặt vuông góc $90^\circ$ theo phương trục X và trục Y (với trục Z nằm dọc theo chiều dài trục động cơ) nhằm mục đích đo lường toàn diện độ rung hướng tâm (radial vibration). Cách bố trí này giúp hệ thống xác định chính xác độ dịch chuyển động của tâm trục theo hai hướng trong mặt phẳng vuông góc với trục quay, từ đó giám sát được hiện tượng đảo trục, mất cân bằng và độ lệch tâm khi máy vận hành.

3. Khóa luận sử dụng các model thiết bị cảm biến và module PLC cụ thể nào?
Về phần cảm biến, nhóm tác giả sử dụng cảm biến từ tiệm cận Omron E2CA-X5A đi kèm bộ chuyển đổi tín hiệu transducer Omron E2CA-AL4E và cảm biến nhiệt điện trở kim loại RTD Pt100. Về hệ thống điều khiển, đề tài sử dụng PLC Siemens S7-300 gồm module CPU 314, bộ nguồn PS 307, module ngõ vào số SM 321 (DI 16 x DC 24V mã 6ES7321-1BH02-0AA0), module ngõ ra số SM 322 (DO 16 x DC 24V/0.5A) và module ngõ vào tương tự SM 331 (AI 8 x 12 bit mã 6ES7331-7KF02-0AB0).

4. Dữ liệu giám sát được trực quan hóa và lưu trữ trên phần mềm WinCC thông qua các công cụ nào?
Dữ liệu từ PLC truyền lên máy tính qua mạng MPI được cấu hình lưu trữ bằng công cụ Tag Logging. Trên giao diện đồ họa, các giá trị đo được hiển thị trực quan thông qua WinCC OnlineTrendControl (biểu đồ dạng đường xu hướng theo thời gian thực) và WinCC OnlineTableControl (bảng số liệu chi tiết). Bên cạnh đó, hệ thống sử dụng Alarm Logging để thiết lập các cảnh báo tương tự (Analog Alarm) với giới hạn trên và giới hạn dưới, thông báo lỗi qua đối tượng WinCC AlarmControl.

5. Đề tài được truyền cảm hứng từ hệ thống công nghiệp thực tế nào?
Đề tài lấy cảm hứng từ hệ thống giám sát máy động chuyên dụng Bently Nevada 3500 của hãng General Electric/Motor mà nhóm tác giả đã tiếp cận trong đợt đi tham quan và thực tập thực tế tại Nhà máy Đạm Phú Mỹ. Hệ thống này thu thập các thông số rung vỏ, rung trục, tốc độ và dịch trục đưa về bảo vệ động cơ hoặc truyền tín hiệu sang hệ thống DCS để dừng máy khi thông số vượt ngưỡng an toàn.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Hệ thống giám sát máy động" của nhóm sinh viên Trần Công Trung và Trần Xuân Phúc (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã nghiên cứu và triển khai thành công một mô hình thực nghiệm giám sát tình trạng máy quay theo thời gian thực. Bằng việc kết hợp cảm biến từ đo độ rung hướng tâm (nguyên lý ECKO), cảm biến nhiệt RTD Pt100 cùng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-300 và phần mềm SCADA WinCC, hệ thống đã thực hiện đầy đủ các chức năng thu thập dữ liệu, vẽ đồ thị xu hướng và phát cảnh báo vượt ngưỡng an toàn. Mặc dù còn giới hạn ở quy mô phòng thí nghiệm và chưa phân tích sâu phổ tần số rung động, công trình đã xây dựng được nền tảng kỹ thuật vững chắc và mang giá trị tham khảo thực tiễn cao cho các nghiên cứu ứng dụng tự động hóa trong bảo trì dự đoán công nghiệp.