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 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 Phạm Lý Hồng Phúc TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM 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 thơng 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 hoàn 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 dồi sức khoẻ Cuối cùng, nhóm em xin cảm ơn người thân, bạn bè, anh chị động viên, quan tâm, chia sẻ để nhóm hồn 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 .3 1.4 Nội dung đề tài .3 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ÁP DỤNG 2.1 Tổng quan hệ bồn nước 2.2 Phương pháp nhận dạng hệ thống .6 2.2.1 Khái quát trình nhận dạng thống bồn nước đơn .6 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 toán phát bất thường không giám sát 20 2.3.4 Phương pháp xác định số đánh giá lỗi cho hệ thống với tiêu chuẩn 2 Hotelling T (T UCL) 21 2.3.5 Phương pháp nhận biết hệ thống xuất lỗi sử dụng T _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 đốn 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 mô hình mạng ANN 27 2.4.3 Mơ hình mạng ANN Softmax Regression 31 2.5 Mơ 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 dòng PLC thông 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