Chuẩn đoán lỗi cho hệ bồn nước đơn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA CHẨN ĐOÁN LỖI CHO HỆ BỒN NƯỚC ĐƠN GVHD: TS TẠ VĂN PHƯƠNG SVTH: HUỲNH DUY PHƯƠNG PHẠM LÝ HỒNG PHÚC SKL009221 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: CHẨN ĐOÁN LỖI CHO HỆ BỒN NƯỚC ĐƠN GVHD: TS Tạ Văn Phương SVTH: Huỳnh Duy Phương Phạm Lý Hồng Phúc 18151225 18151222 TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: CHẨN ĐOÁN LỖI CHO HỆ BỒN NƯỚC ĐƠN GVHD: TS Tạ Văn Phương SVTH: Huỳnh Duy Phương 18151225 Phạm Lý Hồng Phúc 18151222 TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TP.HCM, ngày 04 tháng 08 năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Huỳnh Duy Phương MSSV: 18151225 Họ tên sinh viên 2: Phạm Lý Hồng Phúc MSSV: 18151222 Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Hệ đào tạo: Đại học quy Khóa: 2018 Lớp: 181511A I Tên đề tài CHẨN ĐOÁN LỖI CHO HỆ BỒN NƯỚC ĐƠN II Nhiệm vụ Các số liệu ban đầu Tham khảo mơ hình bồn nước thực tế, phương pháp điều khiển phát hiện, chẩn đoán lỗi báo công bố Tham khảo giải thuật PID để điều khiển ổn định mực nước Nội dung thực - Thiết kế phần cứng mơ hình thực nghiệm hệ thống bồn nước đơn - Thực mô hệ bồn nước dùng Matlab Simulink - Lập trình điều khiển hệ thống, thiết kế giao diện vận hành giám sát Matlab App Designer - Ứng dụng chuẩn truyền thông OPC UA cho việc truyền nhận liệu PLC giao diện điều khiển - Kết nối lưu trữ liệu thu thập database SQL - Lập trình xử lý liệu dùng thuật tốn đệ quy để ước lượng thông số hệ thống i - Ứng dụng thuật toán PCA cho việc phát lỗi hệ thống - Dùng công cụ hỗ trợ Matlab để tạo mạng nơ-ron nhân tạo phục vụ việc chẩn đoán lỗi III Ngày giao nhiệm vụ: 21/02/2022 IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 04/08/2022 V Họ tên cán hướng dẫn: TS Tạ Văn Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên 1: Huỳnh Duy Phương MSSV: 18151225 Họ tên sinh viên 2: Phạm Lý Hồng Phúc MSSV: 18151222 Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Khóa: 2018 Tên đề tài: Lớp: 181511A CHẨN ĐOÁN LỖI CHO HỆ BỒN NƯỚC ĐƠN Giảng viên hướng dẫn: TS Tạ Văn Phương NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Về nội dung đề tài khối lượng công việc thực …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Ưu điểm …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Khuyết điểm …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Ý kiến khác …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… TP.HCM, ngày 04 tháng 08 năm 2022 Giảng viên hướng dẫn iii LỜI CAM ĐOAN Nhóm xin cam đoan cơng trình nghiên cứu nhóm thực Các nội dung nghiên cứu kết đề tài trung thực, không chép y nguyên từ tài liệu có trước Những số liệu phân tích nhóm thu thập từ việc thực nghiệm dựa mơ hình thực tế nhóm thực hiện, không lấy số liệu từ nguồn khác Các tài liệu tham khảo trung thực, trích dẫn đầy đủ có ghi cụ thể mục Tài liệu tham khảo Mọi hỗ trợ luận văn cảm ơn Nếu phát có gian lận nào, nhóm xin chịu hồn tồn trách nhiệm nội dung luận văn TP.HCM, ngày 04 tháng 08 năm 2022 Sinh viên thực Huỳnh Duy Phương Phạm Lý Hồng Phúc iv LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, để hồn thành tiểu luận này, nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ban lãnh đạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nói chung Khoa Điện – Điện tử Bộ mơn Điều khiển Tự động nói riêng Trong q trình thực đồ án, nhóm tạo điều kiện sở vật chất kiến thức tảng để nghiên cứu, vận dụng triển khai vào đồ án cách hiệu Bên cạnh đó, nhóm em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Tạ Văn Phương Mặc dù thầy bận rộn xếp thời gian để hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện tốt để nhóm hồn thành đề tài nghiên cứu Một lần nữa, nhóm em xin cảm ơn chúc thầy ln dồi sức khoẻ Cuối cùng, nhóm em xin cảm ơn người thân, bạn bè, anh chị ln động viên, quan tâm, chia sẻ để nhóm hoàn thành đề tài cách chu TP.HCM, ngày 04 tháng 08 năm 2022 Sinh viên thực Huỳnh Duy Phương Phạm Lý Hồng Phúc v MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Giới hạn đề tài 1.4 Nội dung đề tài CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ÁP DỤNG 2.1 Tổng quan hệ bồn nước 2.2 Phương pháp nhận dạng hệ thống 2.2.1 Khái quát trình nhận dạng thống bồn nước đơn 2.2.2 Thuật toán ước lượng đệ quy 2.2.3 Áp dụng sở lý thuyết cho nhận dạng hệ thống 2.2.4 Các tiêu chuẩn đánh giá trình nhận dạng hệ thống 10 2.3 Phương pháp phát lỗi dùng thuật toán PCA 11 2.3.1 Cơ sở lý thuyết trình giảm chiều liệu 11 2.3.2 Thuật toán giảm chiều liệu PCA 15 2.3.3 Bài tốn phát bất thường khơng giám sát 20 2.3.4 Phương pháp xác định số đánh giá lỗi cho hệ thống với tiêu chuẩn Hotelling T2 (T2 UCL) 21 2.3.5 Phương pháp nhận biết hệ thống xuất lỗi sử dụng T2_UCL 21 2.3.6 Mô áp dụng PCA để phát lỗi cho hệ thống bồn nước 21 2.4 Cơ sở hình thành mạng thần kinh nhân tạo (Artificial Neural NetworkANN) xây dựng mơ hình chẩn đoán dùng ANN 27 2.4.1 Cơ sở cho việc áp dụng ANN để chẩn đoán lỗi cho hệ thống 27 2.4.2 Tổng quan mơ hình mạng ANN 27 2.4.3 Mơ hình mạng ANN Softmax Regression 31 2.5 Mô tả q trình mơ trạng thái hoạt động hệ thống 33 2.6 Kỹ thuật đo lường hệ thống bồn nước đơn 34 2.6.1 Tổng quan cảm biến đo mực chất lỏng 34 vi 2.6.2 So sánh sản phẩm cảm biến mực chất lỏng thông dụng 35 2.7 Tổng quan PLC 36 2.7.1 Các dịng PLC thơng dụng 36 2.7.2 So sánh số dòng PLC phổ biến lựa chọn 36 2.8 Giới thiệu phần mềm TIA PORTAL 38 2.9 Chuẩn truyền thông công nghiệp OPC/UA 39 2.10 Giới thiệu sở liệu Microsoft SQL Server 40 2.11 Giới thiệu Matlab Matlab App designer 41 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 43 3.1 Yêu cầu thiết kế 43 3.1.1 Yêu cầu chung cho hệ thống 43 3.1.2 Yêu cầu thiết kế thành phần hệ thống 43 3.2 Mô tả hệ thống 45 3.3 Sơ đồ khối tín hiệu hệ thống 46 3.3.1 Hệ thống vào tập trung 46 3.3.2 Hệ thống vào phân tán 46 3.3.3 Lựa chọn cấu hình hệ thống 47 3.4 Các thiết bị sử dụng cho mơ hình 48 3.4.1 Lựa chọn PLC 48 3.4.2 Cảm biến sử dụng cho mơ hình 51 3.4.3 Máy bơm nước sử dụng cho mơ hình 52 3.4.4 Biến tần sử dụng cho mơ hình 53 3.5 Liệt kê thiết bị khác 54 3.6 Sơ đồ nối dây hệ thống 55 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN MỀM 57 4.1 Yêu cầu thiết kế phần mềm 57 4.2 Sơ đồ trạng thái phần mềm 57 4.3 Thiết kế chương trình PLC 58 4.4 Thiết kế mơ hình mạng ANN 60 vii Chương Kết Quả Thực Hiện Hình 5.7 Phát lỗi dùng PCA hệ thống có lỗi ngắt bơm Nhận xét: ngắt bơm hệ thống chạy dẫn đến giá trị mức nước nhận dạng giá trị mức nước thực bị sai lệch, tập liệu Test vượt mức T2 UCL Từ kết luận hệ thống xảy lỗi 5.2.5 Kết trình chẩn đoán lỗi hệ thống dùng mạng nơ-ron nhân tạo  Khi hệ thống hoạt động bình thường Bộ Mơn Điều Khiển Tự Động 75 Chương Kết Quả Thực Hiện Hình 5.8 Chẩn đốn lỗi dùng mạng nơ-ron hệ thống hoạt động bình thường Nhận xét: Khi hệ thống hoạt động bình thường, giá trị mực nước thực tế gần với giá trị mực nước nhận dạng, dẫn đến giá trị sai số MSE nhỏ PCA báo khơng phát có lỗi xảy Đồng thời, ứng với giá trị tín hiệu điều khiển (Uk) mực nước thực tế (Yk), mạng ANN phân loại chẩn đốn hệ thống hoạt động bình thường Lúc này, giao diện hiển thị trạng thái hệ thống Normal  Khi hệ thống xảy lỗi bơm dừng đột ngột Bộ Môn Điều Khiển Tự Động 76 Chương Kết Quả Thực Hiện Hình 5.9 Chẩn đốn lỗi dùng mạng nơ-ron hệ thống có lỗi bơm dừng đột ngột Nhận xét: Khi bơm dừng đột ngột, giá trị mực nước thực tế sai lệch so với giá trị mực nước nhận dạng, dẫn đến giá trị sai số MSE tăng nhanh PCA báo phát có lỗi xảy Đồng thời, ứng với giá trị tín hiệu điều khiển (Uk) mực nước thực tế (Yk), mạng ANN phân loại chẩn đoán lỗi bơm dừng đột ngột Lúc này, giao diện hiển thị trạng thái hệ thống Pump Error  Khi hệ thống xảy lỗi cảm biến tín hiệu Bộ Mơn Điều Khiển Tự Động 77 Chương Kết Quả Thực Hiện Hình 5.10 Chẩn đốn lỗi dùng mạng nơ-ron hệ thống có lỗi cảm biến tín hiệu Nhận xét: Khi cảm biến tín hiệu, giá trị mực nước trả từ cảm biến sai lệch so với giá trị mực nước nhận dạng, dẫn đến giá trị sai số MSE tăng nhanh PCA báo phát có lỗi xảy Đồng thời, ứng với giá trị tín hiệu điều khiển (Uk) mực nước thực tế (Yk), mạng ANN phân loại chẩn đoán cảm biến tín hiệu Lúc này, giao diện hiển thị trạng thái hệ thống Sensor Error  Khi hệ thống xảy lỗi lưu lượng nước bơm vào bị thay đổi đột ngột Bộ Môn Điều Khiển Tự Động 78 Chương Kết Quả Thực Hiện Hình 5.11 Chẩn đoán lỗi dùng mạng nơ-ron hệ thống xảy lỗi lưu lượng Nhận xét: Khi lưu lượng nước bơm vào bị thay đổi, giá trị mực nước trả từ cảm biến sai lệch so với giá trị mực nước nhận dạng, dẫn đến giá trị sai số MSE tăng nhanh PCA báo phát có lỗi xảy Đồng thời, ứng với giá trị tín hiệu điều khiển (Uk) mực nước thực tế (Yk), mạng ANN phân loại chẩn đoán cảm biến tín hiệu Lúc này, giao diện hiển thị trạng thái hệ thống Flow Error 5.2.6 Thu thập liệu trạng thái hệ thống theo thời gian thực Trong trình nhận dạng chẩn đoán lỗi, ta tiến hành thu thập liệu trạng thái nút nhấn Send Unsend giao diện giám sát hệ thống đưa vào sở liệu SQL để tiến hành truy xuất lại sau phát triển thêm ứng dụng giám sát từ xa Bộ Môn Điều Khiển Tự Động 79 Chương Kết Quả Thực Hiện Hình 5.12 Dữ liệu thu thập SQL vận hành hệ thống Bộ Môn Điều Khiển Tự Động 80 Chương Kết Luận Hướng Phát Triển CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Trong suốt trình thực đồ án, nhóm sinh viên thực nội dung sau: - Xây dựng áp dụng điều khiển PID phần mềm TIA Portal để điều khiển ổn định độ cao mực nước bồn - Thiết kế giao diện giám sát hệ thống thân thiện với người dùng (bao gồm hiển thị giá trị trạng thái hoạt động hệ thống, vẽ biểu đồ theo thời gian thực, ghi liệu vào sở liệu SQL Server) - Thiết kế sở liệu SQL Server để thu thập, lưu trữ liệu hệ thống theo thời gian thực - Thực nhận dạng với sai số không đáng kể hệ thống hoạt động bình thường - Mơ hoạt động hệ thống với quy trình vận hành đề ban đầu - Ứng dụng thuật toán đệ quy nhằm ước lượng tham số mơ hình Kết hợp với việc sử dụng thuật toán PCA (Principle Component Analysis) để phát lỗi hệ thống - Sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) để thực chẩn đoán, xác định cụ thể trạng thái làm việc hệ thống 6.2 Hướng phát triển Về khả phát triển đề tài, nhóm có ý tưởng tương lai nhằm cải tiến hệ thống sau: - Sử dụng thêm thiết bị cảm biến lưu lượng, module truyền thông, cảm biến nhiệt,… để chẩn đốn thêm nhiều loại lỗi thông qua việc đọc thêm nhiều biến thơng số hệ thống - Nghiên cứu, tìm hiểu phát triển thêm phương pháp phát lỗi khác để áp dụng vào hệ thống Bộ Môn Điều Khiển Tự Động 81 Chương Kết Luận Hướng Phát Triển - Thiết kế ứng dụng giám sát hệ thống từ xa thông qua tảng Web App di động - Nghiên cứu, mở rộng quy mô đề tài lên hệ thống khác bồn nước đôi, hệ ba bồn nước,… Bộ Môn Điều Khiển Tự Động 82 Tài Liệu Tham Khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Huỳnh Thái Hồng, “Bài giảng Mơ hình hóa nhận dạng hệ thống”, Đại học Bách khoa TP.HCM [2] David C.Lay, Steven R.Lay, Judi J.McDonald, “Linear Algebra and Its Application”, trang 300, Pearson Education Inc [3] TS.Vũ Hữu Tiệp, “Sách Machine Learning bản”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [4] Hocine Bendjama, Salah Bouhouche, Salim Aouabdi, Jürgen Bast, “Monitoring of Casting Quality Using Principal Component Analysis Based Self-Organizing Map”, Int J Adv Manuf Technol ,09/11/2021 [5] Jinxin Wang, Chi Zhang, Xiuzhen Ma, Zhongwei Wang, Yuandong Xu, Robert Cattley, “A Multivariate Statistics-Based Approach for Detecting Diesel Engine Faults with Weak Signatures”, Energies, 17/01/2020 [6] Sidharth Prasad Mishra, Uttam Sarkar, Subhash Taraphder, “Multivariate Statistical Data Analysis- Principal Component Analysis (PCA)”, International Journal of Livestock Research, 01/05/2017 [7] M Thirumarimurugan; N Bagyalakshmi; P Paarkavi, “Comparison of fault detection and isolation methods: A review”, IEEE, 08/01/2016 [8] Ms Sonali B Maind, Ms Priyanka Wankar, “Research Paper on Basic of Artificial Neural Network”, International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication, 01/2014 [9] Wagner F Godoy, Ivan N da Silva, Alessandro Goedtel, “An Application of Artificial Neural Networks and PCA for Stator Fault Diagnosis in Inverter-Fed Induction Motors”, IEEE, 07/09/2016 [10] OPC Foundation, “OPC UA for Factory Automation”, https://opcfoundation.org/factory/ [11] Siemens, “OPC UA – Open Platform Communication Unified Architecture”, Bộ Môn Điều Khiển Tự Động 83 Tài Liệu Tham Khảo https://new.siemens.com/global/en/products/automation/industrialcommunication/opc-ua.html [12] Imperix, “Making an OPC UA client with MATLAB using the Industrial Communication Toolbox”, https://imperix.com/doc/help/opc-ua-toolbox-for-matlab-and-simulink [13] Benito Sebastian, MATLAB AppDesigner Beginner Tutorials, https://www.youtube.com/playlist?list=PLDzzooPYRJ_XNBUkbCkOMTBWFeO5Ud4I Bộ Môn Điều Khiển Tự Động 84 Phụ Lục PHỤ LỤC Phụ lục Bảng mô tả địa PLC Địa Tên I0.0 Start_System I0.1 Stop_System IW96 Level_Input Loại Chú thích Tiếp điểm nút Tiếp điểm thường hở nhấn nút nhấn Tiếp điểm nút Tiếp điểm thường hở nhấn nút nhấn Dây tín hiệu cảm Cảm biến siêu âm đo biến mực nước Cho phép xuất điện áp Q0.0 Pump Chân tín hiệu cho theo tần số biến biến tần tần mức logic (24V DC) Cho phép biến tần QW96 Pump_Speed Chân tín hiệu cho xuất tần số đến 50 biến tần Hz theo giá trị điện áp đến 10V Phụ lục Xử lý tín hiệu Analog cảm biến siêu âm Phụ lục Thiết kế PID điều khiển mực nước Bộ Môn Điều Khiển Tự Động 85 Phụ Lục Phụ lục Code MATLAB tìm vector tham số hệ thống Theta = 0.5*rand(3,N); P = 1e5*eye(3); lamda = 0.9999999; for i=2:N PHI = [yk(i-1) sqrt(yk(i-1)) uk(i-1)]'; e = yk(i) - PHI'*Theta(:,i-1); L = P*PHI / (lamda + PHI'*P*PHI); P = 1/lamda*(P - P*PHI*PHI'*P/(lamda + PHI'*P*PHI)); Theta(:,i) = Theta(:,i-1) + L*e; end figure(3); subplot(3,1,1); plot(tt,Theta(1,:),'r','LineWidth',1.2); legend('Theta 1') grid on subplot(3,1,2); plot(tt,Theta(2,:),'g','LineWidth',1.2); Bộ Môn Điều Khiển Tự Động 86 Phụ Lục grid on legend('Theta 2') subplot(3,1,3); plot(tt,Theta(3,:),'b','LineWidth',1.2); grid on legend('Theta 3') %Display final value of Theta Theta(:,N) Phụ lục Code SCL nhận dạng hệ thống #y_h := 1.005284922921759 * #yk_1 - 0.113049461026625 * SQRT(ABS(#yk_1)) + 0.106498564329819 * #u_arr[2]; #uk_1 := #uk; #u_arr[4]:= #uk; FOR #i := TO DO #u_arr[#i] := #u_arr[#i + 1]; END_FOR; IF #y_h