Giám sát các thông số hoạt động của thiết bị sử dụng mạng cảm biến không dây

Bài viết Giám sát các thông số hoạt động của thiết bị sử dụng mạng cảm biến không dây trình bày kết quả nghiên cứu thiết lập hệ thống giám sát các thông số cơ bản như điện áp, dòng điện, nhiệt độ và độ rung của động cơ điện để ngăn ngừa những sự cố có thể xảy ra trong quá trình vận hành.

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY ng Quang Tuyến, Phạm Minh Hải, Thái Hải Âu Trường Đại học Mỏ - Địa chất E-mail: uongquangtuyen@humg.edu.vn TÓM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết lập hệ thống giám sát thông số điện áp, dòng điện, nhiệt độ độ rung… động điện để ngăn ngừa cố xảy q trình vận hành Giám sát thơng số thực từ xa thông qua mạng cảm biến không dây Các liệu hiển thị theo thời gian thực giao diện với bảng đồ thị nhằm theo dõi thay đổi q trình vận hành thiết bị Từ khóa: động điện, thiết bị giám sát, độ rung, mạng cảm biến không dây ĐẶT VẤN ĐỀ Trong nhà máy sản xuất, thiết bị dẫn động chủ yếu để máy làm việc động điện Các thiết bị hoạt động suốt trình tồn nhà máy Khi vận hành liên tục thời gian dài không tránh khỏi lỗi xảy Các lỗi động điện thường theo dõi thơng qua giá trị điện áp, dịng điện, nhiệt độ, độ rung… động [1] Các phương pháp bảo dưỡng, sửa chữa truyền thống thường định lượng theo thời gian hoạt động kinh nghiệm vận hành Với cách truyền thống, kỹ thuật viên phải trực liên tục máy phát lỗi kịp thời Tuy nhiên, lịch sử lỗi giá trị đại lượng xảy lỗi thiết bị không lưu trữ lại Để khắc phục vấn đề nêu trên, với phát triển khoa học công nghệ thời đại công nghiệp 4.0, hệ thống mạng cảm biến không dây phát triển rộng rãi Qua mạng cảm biến này, nhà máy giám sát thông số hoạt động thiết bị cách hiệu quả, tức thời, tối ưu hóa cơng việc bảo dưỡng cải thiện độ tin cậy hệ thống Để đánh giá tình trạng thiết bị, máy móc cơng nghiệp, phổ biến động điện cách hiệu quả, cần sử dụng việc đo lường phân tích liệu thu thập từ cảm biến Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường không dây, đo giá trị như: nhiệt độ, điện áp, dòng điện, độ rung hiển thị tập trung giao diện web Các liệu thiết bị đo cảm biến trạm chỗ (các nút mạng), sau truyền liệu tới thiết bị thu thập (gateway) để truyền tải lên Server hiển thị giao diện NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Các mạng cảm biến không dây phát triển mạnh mẽ sử dụng rộng rãi lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, quân lĩnh vực bảo vệ chăm sóc sức khoẻ… Hệ thống cảm biến khơng dây khắc phục thiếu linh hoạt, phức tạp lắp đặt, bảo trì hệ thống cảm biến trước Trong nhà máy, việc mở rộng thêm yêu cầu giám sát thông số, thêm thiết bị cần giám sát hệ cảm biến khơng dây thực nhanh chóng, thuận tiện nhiều so với hệ cảm biến có dây thơng thường Cấu trúc mạng gồm gateway nút mạng mơ tả hình H.1: Mỗi nút mạng thiết bị thu thập liệu thơng số thiết bị (dịng điện, điện áp, nhiệt độ, độ rung) Tại nút mạng liệu định dạng theo cấu trúc để truyền tới thiết bị trung tâm (gateway) Gateway làm nhiệm vụ tổng hợp xử lý thông tin Trong mạng có nhiều cảm biến cấu trúc nhiều tầng gateway làm nhiệm vụ chuyển tiếp liệu tới server trung tâm để lưu trữ liệu hiển thị liệu CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 61 CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI H.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Trong cấu trúc mạng đề xuất, nhóm tác giả tìm hiểu áp dụng giao thức truyền liệu MQTT Đó giao thức nhắn tin gọn nhẹ thiết kế để liên lạc thiết bị hệ thống máy tính MQTT thiết kế ban đầu cho mạng SCADA, kịch sản xuất băng thông thấp, MQTT trở nên phổ biến gần phát triển Internet-of-Things (IoT) MQTT gồm phần máy chủ (Broker) trạm (Clients) Trong đó, Broker coi trung tâm, điểm giao tất kết nối đến từ Client Nhiệm vụ Broker nhận thông điệp (message) từ nhà xuất (Publisher), xếp message theo hàng đợi chuyển chúng tới địa cụ thể Nhiệm vụ phụ Broker đảm nhận thêm vài tính liên quan tới q trình truyền thơng như: bảo mật message, lưu trữ message, logs… Client chia thành nhóm nhà xuất (Publisher) nhà đăng ký (Subscriber) Client software components hoạt động edge device nên chúng thiết kế để hoạt động cách linh hoạt (lightweight) Client làm hai việc truyền message H.2 Cấu trúc truyền nhận liệu qua MQTT 62 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI lên topic cụ thể subscribe topic để nhận message từ topic [2] MQTT thiết kế nhằm phục vụ truyền thông machine-to-machine thực tế chứng minh lại linh hoạt mong đợi Nó hồn tồn áp dụng cho kịch truyền thông khác như: machine-to-cloud, cloud-to-machine, app-to-app Chỉ cần có Broker phù hợp MQTT Client cài đặt cách, thiết bị xây dựng nhiều tảng khác giao tiếp với cách dễ dàng MQTT thiết kế dựa tiêu chuẩn cấu trúc mạng không dây uy tín phát triển, tiêu chuẩn cho PAN không dây, IEEE 802.15.1 (Bluetooth) (IEEE, 2002); Lan không dây, IEEE 802.11b (WiFi) (IEEE, 1999b) IEEE 802.15.4 (ZigBee) (IEEE, 2003) sử dụng rộng rãi cho ứng dụng tự động hóa đo lường, mạng cho cảm biến không dây [3] 2.2 Cảm biến đo nhiệt độ Cảm biến đo nhiệt là loại cảm biến chế tạo từ chất bán dẫn Có loại Diode, Transistor, IC Nguyên lý chúng dựa mức độ phân cực lớp p-n tuyến tính với nhiệt độ mơi trường Ngày với phát triển ngành công nghệ bán dẫn cho đời nhiều loại cảm biến nhiệt với tích hợp nhiều ưu điểm: Độ xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản như: IC Cảm biến nhiệt LM35 và  cảm biến nhiệt độ dạng Diode; IC Cảm biến nhiệt độ DS18B20 2.3 Cảm biến đo độ rung Cảm biến rung thiết bị đo số lượng tần số rung động hệ thống, máy móc thiết bị định Các phép đo sử dụng để phát lỗi dự đoán cố xảy Cảm biến đo độ rung loại cảm biến ứng dụng phổ biến nhiều lĩnh vực từ bảo trì, theo dõi máy móc, thiết bị, tua bin động tới giám sát cơng trình, ứng dụng điện thoại, thiết bị điện tử, sinh học MPU-6050 cảm biến hãng InvenSense MPU-6050 cảm biến đo rung động giới có tới (mở rộng tới 9) trục cảm biến bao gồm quay hồi chuyển trục, CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ gia tốc trục vi xử lý chuyển động số tích hợp chip có kích thước nhỏ (4x4x0.9mm) Với bus cảm biến I2C dành riêng, trực tiếp chấp nhận đầu vào từ la bàn bên trục để cung cấp kết MotionFusion ™ trục hồn chỉnh MPU-6050 có ba chuyển đổi ADC (analog-to-digital) 16-bit để số hóa đầu quay hồi chuyển ba ADC 16-bit để số hóa đầu gia tốc kế (4) Cảm biến gia tốc sử dụng việc giám sát máy móc để theo dõi dao động biến đổi trục quay, ổ bi… kịp thời Được dùng nhiều thiết bị tua bin, máy bơm, quạt, lăn, máy nén… Đây thiết bị không phát lỗi kịp thời dẫn đến sửa chữa tốn Dữ liệu dao động máy móc giúp người sử dụng theo dõi phát lỗi trước thiết bị quay bị hỏng 2.4 Cảm biến đo điện áp, dịng điện, cơng suất, tần số lượng tiêu thụ Cảm biến đo thông số điện PZEM-004 module dùng để đo thông số điện xoay chiều U, I, P hay nhiều thiết bị tiêu thụ điện.  PZEM-004 đo  điện áp từ 80 – 260 VAC, Dịng điện từ – 100A Ngồi PZEM-004 có hỗ trợ chuẩn giao tiếp TTL (UART) để người dùng sử dụng vi điều khiển Arduino, Arm, PIC… giao tiếp để lấy thông số mà PZEM-004 đo PZEM004 sử dụng để giám sát thông số điện xoay chiều trạm điện, động cơ, công tơ điện tử… 2.5 Module điều khiển 2.5.1 ESP 8266 Module thu phát wifi IOT ESP8266 module phát triển dựa nên chip ESP8266 với thiết kế sử dụng dễ dàng Đặc biệt sử dụng trực tiếp với trình biên dịch Arduino để lập trình nạp code Đây lợi sản phẩm việc sử dụng lập trình ứng dụng ESP8266 cách đơn giản Module thu phát wifi IOT ESP8266 dùng cho ứng dụng cần kết nối, thu thập liệu điều khiển sóng qua Wifi, đặc biệt ứng dụng liên quan đến IoT (Internet of Things) CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 63 CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI H.3 Sản phẩm hoàn thiện 2.5.2 Raspberry Pi Raspberry Pi máy tính kích thước nhỏ tích hợp nhiều phần cứng mạnh mẽ đủ khả chạy hệ điều hành cài đặt nhiều ứng dụng Với giá vài chục USD, Raspberry mini computer bật Ban đầu, tổ chức “Raspberry Pi Foundation” phát triển dự án Raspberry với mục tiêu giảng dạy máy tính cho trẻ em tạo công cụ giá rẻ để sinh viên nghiên cứu học tập Tuy nhiên, sau xuất hiện, Raspberry Pi cộng đồng đánh giá cao tính ứng dụng với phần cứng hỗ trợ tốt, nhanh chóng phát triển cách rộng rãi Pi phù hợp cho ứng dụng cần khả xử lý mạnh mẽ, đa nhiệm giải trí đặc biệt cần chi phí thấp • Raspberry Pi dùng VPN cá nhân • Raspberry sử dụng gateway để chuyển tiếp liệu từ thiết bị khác lên server • Raspberry Pi sử dụng để chuyển thành ổ cứng mạng NAS với ổ cứng gắn thêm Hiển thị thời tiết, hiển thị thông tin mạng nội ứng dụng hữu ích Raspberry Pi 2.6 Thiết kế mạch đo thông số Giao diện thiết kế dựa tảng node-red cài đặt Raspberry, hàm nodered đáp ứng tốt với liệu thu thập từ nút mạng truyền qua MQTT tới địa gateway, thiết bị gửi đến gateway “topic” với cấu trúc “Motor/n/acsource” 64 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 H.4 Chương trình đọc liệu giao diện Node-red H.5 Chương trình đọc liệu giao diện thiết bị Node-red KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Quá trình thử nghiệm thực phịng thí nghiệm với thiết bị đo lường tiêu chuẩn sử dụng đồng hồ vạn ampe kìm với đối tượng Kết đo thiết bị đo lường tiêu chuẩn so với kết đo từ thu thập liệu từ xa gửi xấp xỉ nhau, với tỷ lệ thiết bị đo (thiết bị đo tạo chỗ/thiết bị đo từ xa) là: 225.5V/225.3V; 0.6A/0.68A thể hình H.6 NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ H.6 Hình ảnh kết thử nghiệm thiết bị thí nghiệm thiết bị thu thập từ xa H.7 Giao diện hiển thị H.8 Giao diện hiển thị chi tiết thiết bị CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 65 CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ KẾT LUẬN Mơ hình mạng cảm biến không dây giám sát hoạt động động điện thiết kế thử nghiệm phòng thí nghiệm đáp ứng yêu cầu giám sát thơng số điện áp, dịng điện, tần số, công suất, nhiệt độ độ rung thiết bị vận hành Qua biểu đồ bảng thông số hoạt động thiết bị người vận hành NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI xác định cách nhanh chóng cố xảy hoạt động Với tham số độ rung thu nhận qua hệ thống cảm biến, sử dụng để phân tích áp dụng tiêu chuẩn tần số, biên độ rung lắc, từ đưa kết luận nguyên nhân gây rung lắc thiết bị, đưa quy trình, thời gian bảo trì bảo dưỡng thiết bị hợp lý ❏ TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.J Medina-García, T Sánchez-Rodríguez,  JAG Galán (2017); A Wireless Sensor System for RealTime Monitoring and Fault Detection of Motor Arrays, … - Sensors, 2017 - mdpi.com SJ Yu, YH Park (2020), UA-WSN: Secure and Lightweight Three-Factor-Based User Authentication Protocol for Wireless Sensor Networks - Sensors, 2020 - mdpi.com 3.Wagma Khan et al (2016); Applications of Wireless Sensor Networks in Food and Agriculture Sectors; International Journal of Advanced Research in Computer Engineering & Technology (IJARCET) Volume 5, Issue 6, June 2016; ISSN: 2278 – 1323 4.MPU-6000and MPU-6050 Product Specification Revision 3.3, datasheet Swathy L, Lizy Abraham; 2014; Vibration Monitoring Using MEMS Digital Accelerometer with ATmega and LabVIEW Interface for Space Application; IJISET - International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol Issue 5, July 2014; ISSN 2348 – 7968 LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu hỗ trợ Trường Đại học Mỏ - Địa chất đề tài “Thiết kế chế tạo mơ hình mạng cảm biến không dây hỗ trợ việc giám sát hoạt động động nhà máy sản xuất” đề tài số T21-09 theo Quyết định số 97/QĐ-MĐC ngày 27 tháng 01 năm 2021 MONITORING OF DEVICE ACTIVITY PARAMETERS USING THE WIRELESS SENSOR NETWORK Uong Quang Tuyen, Pham Minh Hai, Thai Hai Au ABSTRACT The paper presents some results of research on setting up a monitoring system for basic parameters such as voltage, current, temperature and vibration of the electric motors in order to prevent possible problems during their operation Monitoring of these parameters is carried out remotely through a wireless sensor network All data is displayed in real time on the interface with tables and graphs to monitor changes in machine operation Keywords: electric motor, monitoring device, vibration, wireless sensor network Ngày nhận bài: 10/11/2021; Ngày gửi phản biện: 12/11/2021; Ngày nhận phản biện: 15/12/2021; Ngày chấp nhận đăng: 10/01/2022 Trách nhiệm pháp lý tác giả báo: Các tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm số liệu, nội dung công bố báo theo Luật Báo chí Việt Nam 66 CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 ... 2.3 Cảm biến đo độ rung Cảm biến rung thiết bị đo số lượng tần số rung động hệ thống, máy móc thiết bị định Các phép đo sử dụng để phát lỗi dự đoán cố xảy Cảm biến đo độ rung loại cảm biến ứng dụng. .. tiết thiết bị CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 65 CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ KẾT LUẬN Mơ hình mạng cảm biến không dây giám sát hoạt động động điện thiết kế thử nghiệm phịng thí nghiệm đáp ứng yêu cầu giám sát. .. không dây, IEEE 802.11b (WiFi) (IEEE, 1999b) IEEE 802.15.4 (ZigBee) (IEEE, 2003) sử dụng rộng rãi cho ứng dụng tự động hóa đo lường, mạng cho cảm biến không dây [3] 2.2 Cảm biến đo nhiệt độ Cảm