Điểu khiển và giám sát bồn nước qua webserver ứng dụng thuật toán knn chuẩn đoán lỗi

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 ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BỒN NƯỚC QUA WEBSERVER ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN KNN CHẨN ĐOÁN LỖI GVHD: PGS.TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN SVTH: ĐỖ MINH HIỂN LÊ THANH PHONG SKL009224 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BỒN NƯỚC QUA WEBSERVER ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN KNN CHẨN ĐOÁN LỖI GVHD: PGS TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN SVTH: ĐỖ MINH HIỂN MSSV: 18151173 Khóa: 2018 Ngành: CNKT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA LÊ THANH PHONG MSSV: 18151217 Khóa: 2018 Ngành: CNKT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BỒN NƯỚC QUA WEBSERVER ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN KNN CHẨN ĐOÁN LỖI GVHD: PGS TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN SVTH: ĐỖ MINH HIỂN MSSV: 18151173 Khóa: 2018 Ngành: CNKT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA LÊ THANH PHONG MSSV: 18151217 Khóa: 2018 Ngành: CNKT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA 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 – Hạnh phúc BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN o0o Tp.HCM, ngày 01 tháng 08 năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên Sinh viên: Đỗ Minh Hiển MSSV: 18151173 Họ tên Sinh viên: Lê Thanh Phong MSSV: 18151217 Ngành: CNKT Điều khiển Tự động hóa Lớp: 181512A Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trương Đình Nhơn ĐT: 0903675119 Ngày nhận đề tài: 14/02/2022 Ngày nộp đề tài: 01/08/2022 Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BỒN NƯỚC QUA WEBSERVER ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN KNN CHẨN ĐOÁN LỖI Các số liệu, tài liệu ban đầu: Datasheet từ nhà sản xuất Nhiệm vụ nội dung: ‒ Tìm hiều thiết bị PLC S7 1512C-1PN, HMI TP 700 Comfort ‒ Tìm hiểu thí nghiệm Process Control Trainer Kết nối mơ hình với PLC S7-1500 ‒ Tìm hiều Tia Portal V16, WinCC, Visual Studio Code,… ‒ Lập trình điều khiển hệ thống ‒ Ứng dụng thuật toán KNN để nhận diện số lỗi hệ thống ‒ Tạo giao diện điều khiển HMI ‒ Thiết kế giao diện trang Web để giám sát từ xa ‒ Đánh giá kết đạt từ tìm mặt hạn chế hướng phát triển Sản phẩm: Chương trình phần mềm điều khiển bồn nước đơn PLC TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN PGS TS Trương Đình Nhơn Trang i TRƯỜNG ĐH SPKT TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Độc lập – Tự – Hạnh phúc BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN o0o Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 08 năm 2022 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Đỗ Minh Hiển MSSV: 18151173 Họ tên Sinh viên: Lê Thanh Phong MSSV: 18151217 Ngành: CNKT Điều khiển Tự động hóa Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BỒN NƯỚC QUA WEBSERVER ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN KNN CHẨN ĐOÁN LỖI Họ tên giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trương Đình Nhơn NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Nội dung nghiên cứu đồ án tốt nghiệp tập trung vào việc thiết kế chương trình điều khiển giám sát bồn nước qua webserver ứng dụng thuật toán KNN để chẩn đoán lỗi cho hệ thống có khối lượng phù hợp với yêu cầu ĐATN ngành CNKT ĐK TĐH Ưu điểm: Trong đề tài này, sinh viên ứng dụng PLC để thay điều khiển mơ hình bồn nước ứng dụng thuật toán KNN để chuẩn đoán lỗi cho hệ thống xảy cố Khuyết điểm: Do thực mơ hình đơn giản nên lỗi chưa đa dạng Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đề nghị cho bảo vệ trước hội đồng Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 08 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn PGS TS Trương Đình Nhơn Trang ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Độc lập – Tự – Hạnh phúc BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN o0o PHIẾU NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành CNKT Điều khiển Tự động hoá Họ tên Sinh viên: Đỗ Minh Hiển MSSV: 18151173 Họ tên Sinh viên: Lê Thanh Phong MSSV: 18151217 Ngành: CNKT Điều khiển Tự động hóa Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BỒN NƯỚC QUA WEBSERVER ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN KNN CHẨN ĐOÁN LỖI Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trương Đình Nhơn Giảng viên phản biện: TS Trần Mạnh Sơn Hội đồng: Hội đồng số Ý KIẾN NHẬN XÉT Nhận xét chung nội dung đề tài Báo cáo trình bày việc ứng dụng mạng KNN vào hệ thống điều khiển để chẩn đoán lỗi hệ thống điều khiển bồn nước Việc ứng dụng mạng KNN vào chẩn đoán lỗi bước mới, đáp ứng yêu cầu đề tài tốt nghiệp.…………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………….………… Ý kiến kết luận (ghi rõ nội dung cần bổ sung, hiệu chỉnh)  Font chữ phần mục lục phải chỉnh sửa lại để phù hợp  Ở nội dung chương phải có header/footer  Mục tiêu đề tài nên trình bày rõ ràng …………………………………………………………………………………… Đề nghị: Được bảo vệ: Điểm: 8.5 Bổ sung để bảo vệ: □ Không bảo vệ: □ Bằng chữ: Tám năm Câu hỏi phản biện: Trình bày ưu điểm việc chẩn đoán lỗi ứng dụng mạng KNN so với phương pháp chẩn đốn lỗi thơng thường Có thể thay điều khiển PID điều khiển PD? Tại sao? Trang iii …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 08 năm 2022 Giáo viên phản biện (Ký & Ghi rõ họ tên) Trang iv TRƯỜNG ĐH SPKT TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Độc lập – Tự – Hạnh phúc BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN o0o Tp.HCM, ngày 30 tháng 08 năm 2022 XÁC NHẬN CHỈNH SỬA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên SV1: Đỗ Minh Hiển MSSV: 18151173 Họ tên SV2: Lê Thanh Phong MSSV: 18151217 Lớp: 181512A Khóa: 2018- 2022 Ngày bảo vệ: 19/08/2022 Chuyên ngành CNKT ĐK&TĐH - Khoa Điện –Điện Tử (hệ Đại trà) Căn ý kiến nhận xét Hội đồng chấm Khóa luận tốt nghiệp (HĐ số 3) Font chữ phần mục lục phải chỉnh sửa lại để phù hợp Ở nội dung chương phải có header/footer Mục tiêu đề tài nên trình bày rõ ràng Nhóm sinh viên sửa chữa, hồn chỉnh số nội dung sau: STT Nội dung cũ Nội dung chỉnh sửa Sai font chữ Đã chỉnh sửa Chưa có header/footer Đã chỉnh sửa - Đề tài đưa nhằm mục tiêu - Đề tài đưa nhằm mục tiêu Trang Bìa thiết kế hệ thống thiết kế hệ thống điều điều khiển mực nước khiển ổn định mực nước bồn chứa sử dụng PLC bồn chứa sử dụng PLC - Giám sát hệ thống qua - Điều khiển giám sát hệ hình HMI thống qua hình HMI - Xác định, lưu trữ liệu Webserver hoàn toàn tự động - Xác định, lưu trữ liệu - Đưa liệu lên Webserver hoàn toàn tự động truy để quan sát từ xa xuất liệu Trang v - Xác định lỗi xảy từ - Đưa liệu lên Webserver đưa cách khắc phục kịp để quan sát điều khiển từ thời xa - Thiết kế giao diện Web đầy - Xác định lỗi đủ thơng tin, dễ nhìn, dễ sử xảy hệ thống từ dụng tìm cách để chẩn đốn đưa cách khắc phục kịp thời - Thiết kế giao diện Web đầy đủ thơng tin, dễ nhìn, dễ sử dụng Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 08 năm 2022 SV THỰC HIỆN GV HƯỚNG DẪN Đỗ Minh Hiển Lê Thanh Phong PGS.TS Trương Đình Nhơn Trang vi LỜI CẢM ƠN Để Đồ án hoàn thành tiến độ đạt kết tốt nhóm chúng em nhận nhiều giúp đỡ, hỗ trợ nhiều quan, tổ chức cá nhân Bằng tất chân thành em xin thay mặt nhóm gửi lời cám ơn đến tất thầy cơ, phịng ban tạo điều kiện để chúng em học tập nghiên cứu đồ án Trong phải kể đến thầy cô khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh quan tâm, giảng dạy, bảo chúng em cách tận tình để chúng em có vốn kiến thức định để tiến hành nghiên cứu thực thành cơng đề tài Đặc biệt nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS.Trương Đình Nhơn người hỗ trợ trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện cho chúng em mượn thiết bị để hồn thành báo cáo tiến độ sâu trình nghiên cứu Thầy ln chu đáo, quan tâm bảo chúng em gặp khó khăn việc nghiên cứu thực đề tài Bên cạnh không cảm ơn anh chị trước Họ người bạn chia sẻ cho chúng em kinh nghiệm, khó khăn mà anh chị gặp đưa hướng giải để từ chúng em tự đúc kết giải pháp để hạn chế thiếu sót suốt thời gian làm báo cáo Em xin cảm ơn gia đình, đặc biệt ba mẹ khơng ngại cực khổ, khó khăn để chăm lo động viên em suốt trình học tập nghiên cứu Cảm ơn bạn làm chung đồ án hỗ trợ, giúp đỡ lúc gặp khó khăn Cuối điều kiện nghiên cứu kinh nghiệm thực tế nhóm cịn gặp nhiều khó khăn hạn chế nên việc sai sót điều khó tránh khỏi Chính chúng em mong nhận bảo, góp ý từ thầy để nhóm chúng em khắc phục nâng cao kiến thức, áp dụng vào thực tế để phục vụ công việc sau Tp HCM, ngày 01 tháng 08 năm 2022 Nhóm sinh viên thực Đỗ Minh Hiển Lê Thanh Phong Trang vii CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH Trong q trình hệ thống hoạt động, tiến hành mơ lỗi xảy hệ thống bao gồm: ‒ Lỗi tín hiệu cảm biến mực nước(No Level Sensor) ‒ Lỗi tín hiệu lưu lượng(No Flow Sensor) ‒ Lỗi tín hiệu bơm(No Pump) ‒ Lỗi tín hiệu van điện từ(No Solenoid Valve) Bước 1: Thu thập liệu ‒ Khi hệ thống hoạt động ổn định , thu thập liệu với khoảng 2000 mẫu, tập liệu chuẩn để tiến hành huấn luyện với tập liệu lỗi ‒ Khi mô lỗi tiến hành thu thập liệu cho lỗi riêng, lỗi lấy tập liệu tương đương 2000 mẫu ‒ Tổng hợp liệu chuẩn tất liệu lỗi thành tập liệu để làm liệu đầu vào tiến hành huấn luyện Bước 2: Xử lý liệu ‒ Định dạng liệu thu thập thành file CSV ‒ Gán nhãn kết cho liệu thu thập theo bảng sau: Bảng 8: Bảng mã lỗi Mã Ý nghĩa Fine Hệ thống ổn định F1 Lỗi tín hiệu cảm biến mực nước F2 Lỗi hiệu cảm biến lưu lượng F3 Lỗi đứt dây động F4 Lỗi Van Sử dụng thư viện Mathplotlib để vẽ đồ thị cho tất liệu sau xử lý Trang 59 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH Hình 4.30: Dữ liệu vẽ không gian chiều Bước 3: Huấn luyện Để huấn luyện mơ hình KNN với tập liệu thu thập ta sử dụng thư viện sau: ‒ Pandas: Là thư viện Python dùng để làm việc với liệu đơn giản, trực quan, gán nhãn có liên hệ với nhau.Cụ thể để chuyển tập liệu đầu vào có dạng CSV thành liệu có dạng Dataframe ‒ Numpy: Là thư viện chuyên xử lý tính tốn vector ma trận ‒ Pickle: Là thư viện để lưu trữ Model sau huấn luyện ‒ Scikit-learn: thư viện mạnh mẽ dành cho thuật toán học máy viết ngôn ngữ Python Thư viện cung cấp tập cơng cụ xử lý tốn machine learning statistical modeling gồm: classification, regression, clustering, dimensionality reduction ‒ Mathplotlib: sử dụng để vẽ đồ thị cho mơ hình Sử dụng thư viện Pandas để đọc liệu đầu vào từ file CSV Dữ liệu sau đọc có định dạng cấu trúc liệu hai chiều (dataframe) Tách liệu đầu vào gồm khoảng 10000 mẫu thành phần: ‒ Dữ liệu huấn luyện (train_data): 70% Trang 60 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ‒ Dữ liệu kiểm tra lại mơ hình (test_data): 30% Sử dụng thư viện Scikit-learn để tìm giá trị K (n_neighbors) mà cho acuracy (độ xác) cao Hình 4.31: Độ xác theo giá trị K Từ hình 4.16,ta thấy với K=1 tỉ lệ accuracy (độ xác) cao nên chọn K=1 để huấn luyện cho mơ hình KNN Bước 4: Lưu lại mơ hình Sử dụng thư viện pickle để lưu mơ hình huấn luyện 4.3.2 Giai đoạn kiểm thử Hình 4.32: Giai đoạn kiểm thử Dùng tập liệu để kiểm thử mơ hình để kiểm tra, đánh giá lại độ xác mơ hình sau huấn luyện Trang 61 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH Hình 4.33: Kiểm thử độ xác mơ hình Hình 4.34: Đồ thị chuẩn – đồ thị lỗi tín hiệu Level Trang 62 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH Hình 4.35: Đồ thị chuẩn – đồ thị lỗi tín hiệu Flow Hình 4.36: Đồ thị chuẩn – đồ thị lỗi tín hiệu Pump Trang 63 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH Hình 4.37: Đồ thị chuẩn – đồ thị lỗi tín hiệu Valve Trang 64 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 THI CÔNG PHẦN CỨNG Đấu nối thiết bị theo datasheet nhà sản xuất, chạy hệ thống bồn nước đơn, điều khiển ổn định mức nước sử dụng điều khiển PID điều khiển thơng qua PLC S7-1500 Hình 5.1: Mơ hình bồn nước đơn Hình 5.2: Mơ hình PLC, HMI, nút nhấn Trang 65 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.2 VẬN HÀNH HỆ THỐNG Bật CB, cấp nguồn cho hệ thống hoạt động, tiến hành điều khiển mơ hình bồn nước đơn theo u cầu Khi hệ thống hoạt động tiến hành mô lỗi nhận diện lỗi mơ hình KNN huấn luyện trước Có thể điều khiển hệ thống thơng qua hình HMI qua Webserver Tất liệu hệ thống bao gồm liệu lỗi lưu trữ database MySQL xuất báo cáo file Excel Hình 5.3: Hệ thống hoạt động Trang 66 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN Hình 5.4: Đồ thị chuẩn hệ thống Hình 5.5: Màn hình HMI điều khiển hệ thống Trang 67 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN Hình 5.6: Màn hình hiển thị có lỗi Khi hệ thống gặp lỗi, trang thái Emergency (dừng khẩn cấp) kích hoạt, tồn hệ thống dừng chờ sửa lỗi hoạt động lại bình thường Ngồi ra, điều khiển, giám sát hệ thống thơng qua webserver, tồn liệu hệ thống lưu trữ server tìm kiếm xuất file Excel Hình 5.7: Giao diện web giám sát hệ thống Trang 68 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN Hình 5.8: Dữ liệu lưu trữ MySQL Hình 5.9: Hiển thị liệu lên web Trang 69 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN Hình 5.10: Dữ liệu xuất Excel Trang 70 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu thực đề tài, nhóm hồn thành đề tài “Điều khiển giám sát bồn nước qua webserver ứng dụng thuật toán KNN để chẩn đoán lỗi cho hệ thống” đáp ứng yêu cầu đề ra: ‒ Biết cách kết nối phần cứng giao tiếp PLC, HMI, máy tính thơng qua chuẩn truyền thông Profinet ‒ Sử dụng Tia Portal V16 để lập trình cho PLC, thiết kế giao diện HMI ‒ Sử dụng Visual Studio Code để thiết kế giao diện, lập trình Web để điều khiển, giám sát hệ thống với ngơn ngữ lập trình JavaScript, HTML, CSS ‒ Lưu trữ liệu hệ thống cách tự động MySQL, xuất báo cáo Excel ‒ Tìm hiểu Machine Learning, huấn luyện thuật tốn KNN để nhận diện lỗi cho hệ thống 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ‒ Mở rộng số lượng PLC điều khiển thời điểm Giao tiếp PLC với thông qua mạng Wifi ‒ Mở rộng số lượng bồn nước để ứng dụng vào thực tiễn ‒ Có thể nhận diện nhiều lỗi phức tạp hệ thống giải thuật cao Deep learning,… ‒ Thiết kế Web chỉnh chu hơn, đưa trang Web lên hosting Trang 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động, NXB ĐHQG TP Hồ Chí Minh [2] Võ Minh Tài, Nguyễn Phong Lưu, Nguyễn Văn Đơng Hải Kiểm sốt mực nước hệ bồn đơn dùng điều khiển PID số Tạp chí khao học số 40 (10-2019) [4] SIEMENS S7-1500 MANUAL SIMATIC CPU 1512C-1 PN (6ES75121CK01-0AB0) [5] SIEMENS MANUAL SIMATIC S7-1500/ET 200MP Analog Input/Output Module AI 4xU/I/RTD/TC/ AQ 2xU/I ST (6ES7534-7QE00-0AB0) [6] SIEMENS MANUAL SIMATIC S7-1500/ET 200MP DI 16x24VDC HF Digital Input Module (6ES7521-1BH00-0AB0) [7] SIEMENS SIMATIC HMI [8] Andreas C.Muller, Sarah Guido, Introduction Machine Learning with Python [9] Yuxi (Hayden) Liu, Python Machine Learning By Example [10] Vũ Hữu Tiệp, Machine Learning [11] Jianping Gou, Lan Du, Yuhong Zhang, Taisong Xiong A New Distanceweighted k-nearest Neighbor Classifier Journal of Information & Computational Science 9: (2012) 1429–1436 [11] Các tài liệu mạng internet  https://support.industry.siemens.com Trang 72 S K L 0