GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, máy móc đóng vai trò quan trọng trong mọi ngành công nghiệp Sự phát triển của công nghệ IoT cho phép các thiết bị điện kết nối và hoạt động đồng bộ hơn Tuy nhiên, để đảm bảo máy móc hoạt động chính xác, cần có hệ thống giám sát Thiếu hệ thống giám sát có thể dẫn đến nhiều hậu quả và rủi ro nghiêm trọng.
- Máy móc có thể gặp các lỗi, hỏng hóc mà không được phát hiện kịp thời có thể gây ra tai nạn trong môi trường lao động
- Khi thiết bị gặp sự cố sẽ làm sản xuất bị gián đoạn, thiệt hại về kinh tế
- Các thiết bị sẽ có thể hoạt động không hiệu quả, tiêu thụ năng lượng quá mức và gây lãng phí tài nguyên, ô nhiễm môi trường
Các thiết bị điện nếu không được phát hiện lỗi kịp thời sẽ dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng, giảm tuổi thọ và gia tăng chi phí bảo trì.
Vai trò của hệ thống giám sát hoạt động máy móc là rất quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và an toàn Do đó, nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài "Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện trong nhà máy" cho đồ án tốt nghiệp của mình.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nhóm chúng em đã thực hiện nghiên cứu về hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện trong nhà máy, mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn Hệ thống này không chỉ tăng cường hiệu quả sản xuất mà còn đảm bảo an toàn, bảo vệ tài sản và môi trường, đồng thời thúc đẩy khả năng tự động hóa thông minh.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện trong nhà máy
Thiết kế nguyên lý và layout PCB là yếu tố quan trọng trong việc chế tạo các thiết bị đo đạc và truyền nhận dữ liệu từ các thiết bị điện trong nhà máy Việc tối ưu hóa thiết kế PCB không chỉ đảm bảo hiệu suất hoạt động của thiết bị mà còn nâng cao khả năng truyền tải thông tin một cách chính xác và hiệu quả.
- Lắp đặt các thiết bị đã chế tạo và các thiết bị điện thành hệ thống hoàn chỉnh
- Tạo ra giao diện để hiển thị các dữ liệu thu thập được
- Lập trình giao diện để cấu hình cho các thiết bị đã chế tạo
- Đưa dữ liệu lên server phục vụ cho việc giám sát từ xa
- Xây dựng hệ thống cảnh báo khi có sự cố, rủi ro xảy ra
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là tập trung chính vào việc nghiên cứu, chế tạo các thiết bị giám sát Hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện trong nhà máy bao gồm các thiết bị đã được chế tạo để đo đạc, giám sát các thiết bị điện như động cơ 3 phase, còi, đèn báo, công tắc tơ, relay, các loại cảm biến…Ngoài ra đối tượng nghiên cứu của đề tài này còn có giao diện để cấu hình cho các thiết bị và giao diện giám sát từ xa
Đề tài này tập trung vào việc thiết kế, chế tạo và phát triển hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện, với ứng dụng chủ yếu trong môi trường nhà máy.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận
Nghiên cứu của chúng tôi được xây dựng dựa trên các tài liệu tham khảo và các sản phẩm đã được ứng dụng thực tế, cùng với những công trình nghiên cứu trước đây có liên quan đến đề tài này.
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Nhóm chúng em đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu cụ thể về đề tài này bao gồm:
Để xây dựng một hệ thống giám sát và điều khiển hiệu quả, cần tham khảo và phân tích kỹ lưỡng các yêu cầu về hiệu suất, an toàn và các chức năng cần thiết Yêu cầu hiệu suất đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và nhanh chóng, trong khi yêu cầu an toàn bảo vệ người dùng và thiết bị khỏi các rủi ro tiềm ẩn Các chức năng cần thiết của hệ thống phải đáp ứng được nhu cầu thực tiễn, giúp tối ưu hóa quy trình giám sát và điều khiển, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động tổng thể.
- Nghiên cứu kiến trúc tổng quan của hệ thống, lựa chọn các thành phần có trong hệ thống
Tìm hiểu các thiết bị đo đạc và thu thập dữ liệu trên thị trường giúp nghiên cứu và thiết kế nguyên lý cũng như layout PCB cho các thiết bị này.
- Tham khảo, nghiên cứu phát triển phần mềm và giao diện cấu hình cho thiết bị đã chế tạo
- Tìm kiếm, nghiên cứu tài liệu về điều khiển các thiết bị điện
- Tham khảo và xây dựng hệ thống
- Kiểm tra và đánh giá, điều chỉnh phù hợp để đảm bảo độ chính xác hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống
Kết cấu ĐATN
ĐATN nhóm chúng em thực hiện gồm có 5 chương:
Chương 1 giới thiệu đề tài Chương 2 đề cập đến tổng quan nghiên cứu đề tài Chương 3 nói về các lí thuyết áp dụng trong đề tài Chương 4 trình bày phần thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện Cuối cùng là chương chương 5 chạy thử nghiệm, đánh giá, kết luận hệ thống nhóm chúng em đã thực hiện.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Giới thiệu
Hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện trong nhà máy của nhóm chúng em tích hợp nhiều tính năng quan trọng, bao gồm giám sát dòng tiêu thụ, nhiệt độ và dòng điện của động cơ, cũng như công suất hoạt động của các thiết bị điện Hệ thống còn cung cấp cảnh báo kịp thời khi xảy ra sự cố, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho quá trình vận hành.
Đặc tính của hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện
Các đặc tính của hệ thống:
- Hệ thống có chức năng thu thập dữ liệu, thông số của các thiết bị điện cần giám sát thông qua các thiết bị giám sát
- Hệ thống có giao diện để hiển thị thông tin cần giám sát
- Hệ thống có giao diện cấu hình cho các thiết bị giám sát
- Hệ thống có khả năng điều khiển và cảnh báo khi phát hiện các sự cố về hoạt động của các thiết bị điện
- Hệ thống có khả năng kết nối mạng internet để truyền nhận dữ liệu
Kết cấu của hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện
Hệ thống có cấu trúc gồm có các thành phần sau:
- Thiết bị giám sát được sử dụng để thu thập, xử lý và lưu trữ các thông số điện như điện áp, dòng điện, nhiệt độ, công suất
- Thiết bị điện để điều khiển như đèn tháp, còi báo, động cơ 3 phase
- Giao diện cấu hình dùng để cấu hình hoạt động cho các thiết bị giám sát
- Giao diện dùng để giám sát hoạt động của các thiết bị điện
Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
Một hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện cần được trang bị các thiết bị đo lường thông số của chúng Hiện nay, trên thị trường trong và ngoài nước đã có nhiều thiết bị đáp ứng yêu cầu này.
Thiết bị bảo trì, dự đoán không dây Iot trong công nghiệp được công ty NCD
Hình 2 1 Thiết bị bảo trì, dự đoán không dây Iot trong công nghiệp [4]
(Nguồn:https://store.ncd.io/product/iot-wireless-predictive-maintenance-sensor/)
Thiết bị này được trang bị nhiều loại cảm biến, bao gồm cảm biến đo rung động, cặp nhiệt điện và cảm biến dòng Chức năng chính của thiết bị là đo độ rung động, cường độ dòng điện và nhiệt độ.
Thiết bị này có các thông số nổi bật như:
- Phạm vi đo lường dòng điện xoay chiều lên tới 100A
- Cảm biến rung 3 trục với RMS, MAX và MIN
- Tính toán dữ liệu rung động trong phạm vi ±16g với bộ lọc thông thấp
- Tốc độ lấy mẫu lên tới 952Hz
- Phạm vi cặp nhiệt điện 260°C (500°F) với độ chính xác ±2,2°C
- Cảm biến theo dõi tình trạng hoạt động của máy móc
- Vỏ bọc có thể treo tường hoặc gắn nam châm
- Phạm vi kết nối trong khoảng 2 dặm với ăng-ten trên bo mạch
- Giao diện với Raspberry Pi
- Tích hợp phần mềm dễ dàng
Ngoài thiết bị trên thì hãng còn có nhiều mẫu thiết bị khác về đo rung động, đo dòng như các thiết bị ở hình bên dưới
Hình 2 2 Cảm biến độ rung 2 kênh không dây IoT công nghiệp [8]
(Nguồn: https://store.ncd.io/product/2-channel-vibration-sensor-v3/)
Hình 2 3 Cảm biến giám sát dòng điện AC không dây IoT công nghiệp 3 kênh [9]
(Nguồn: https://store.ncd.io/product/3-channel-industrial-iot-wireless-ac-current- monitor-sensor/)
Dưới đây là thiết bị đo cường độ dòng điện, điện áp và công suất của hãng ROOTECH (Hàn Quốc)
Hình 2 4 Accura 2300 - Bộ đồng hồ đo công suất Accura 2300 của hãng ROOTECH[10]
(Nguồn: https://www.rootech.com/english/products/accura2300_2350.html)
Bộ thiết bị này các thông số, chức năng như:
Bộ thiết bị đo được điện áp, cường độ dòng điện, công suất, công suất tiêu thụ của thiết bị điện sử dụng dòng điện 1 pha và 3 pha
Tuỳ vào từng mẫu thiết bị mà phạm vi đo lường về cường độ dòng điện khác nhau
Hình 2 5 Phạm vi đo cường độ dòng điện, tần số lấy mẫu của các mẫu của hãng ROOTECH
Hình 2 6 Các phương thức giao tiếp của thiết bị
Hình 2 7 Sơ đồ khối giao tiếp qua ethernet của thiết bị [11]
(Nguồn: https://fr.scribd.com/document/590108423/Accura-2300-2350-Catalog-Rev4-00-
Ngoài ra còn có một số mẫu thiết bị đo công suất tiêu thu khác hình bên dưới
Hình 2 8 Thiết bị đo công suất tiêu thụ điện 3 pha trong công nghiệp [1]
(Nguồn: https://huphaco.vn/thiet-bi-do-cong-suat-tieu-thu- dien/#Thiet_bi_do_cong_suat_tieu_thu_dien)
2.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ trên toàn cầu, Việt Nam đã tích cực hội nhập và chứng kiến sự xuất hiện của nhiều công ty thành công trong việc ứng dụng công nghệ IoT vào quản lý sản xuất và giám sát thiết bị công nghiệp Một trong những hệ thống phổ biến hiện nay là hệ thống giám sát tình trạng hoạt động của máy móc, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả vận hành.
Hình 2 9 Sơ đồ khối hệ thống giám sát các thiết bị trong nhà máy [2]
(Nguồn: https://atpro.com.vn/he-thong-giam-sat-nha-may/)
2.4.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Ngành công nghiệp IoT đang phát triển mạnh mẽ ở nước ngoài với các thiết bị có độ chính xác cao Điều này đã dẫn đến sự ra đời của các hệ thống giám sát thông minh, linh hoạt, cho phép theo dõi, dự đoán, cảnh báo và điều khiển từ xa.
Một số công ty chuyên về mảng này: Schneider Electric, Siemens, ABB …
Hình 2 10 Sơ đồ khối hệ thống giám sát bằng iot đang được sử dụng phổ biến ở nước ngoài[13]
(Nguồn: https://www.scnsoft.com/manufacturing/equipment-monitoring)
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết về rung động của động cơ
3.1.1 Lý thuyết rung động của vật thể [7]
Rung động: là quá trình vật chuyển động quanh một điểm cân bằng được thể hiện bởi các thông số tần số, độ dịch chuyển, vận tốc, gia tốc
Tần số là số lần mà một vật dao động trong một giây, được đo bằng đơn vị Hertz (Hz) Độ dịch chuyển, hay biên độ, là khoảng cách giữa hai đỉnh trong quá trình rung động, với các đơn vị đo là mét (m), centimet (cm) hoặc milimet (mm).
Vận tốc: Tốc độ thay đổi biên độ rung động của vật đơn vị là mm/s, cm/s, m/s
Gia tốc: Tốc độ thay đổi vận tốc trong quá trình rung động đơn vị là m/s2, cm/s2, mm/s2
Quá trình rung động có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm việc đẩy một vật quanh vị trí cân bằng, kéo dây đàn lên hoặc xuống, và di chuyển trên các địa hình gồ ghề.
Hình 3 1 Hình minh họa về rung rộng [15]
(Nguồn: Trang 3 sách Beginner's Guide to Machine Vibration)
3.1.2 Lý thuyết về rung động của động cơ[26]:
Các loại máy móc trong công nghiệp thường phát sinh rung động do hoạt động của động cơ Mức độ và kiểu rung động này phụ thuộc vào vị trí lắp đặt động cơ cũng như đặc thù của từng loại máy.
Hình 3 2 Hình minh họa về rung động của động cơ (Nguồn: Trang 4 sách Beginner's Guide to Machine Vibration)
Xác định mức độ và vị trí rung động của động cơ là cách hiệu quả để phát hiện các lỗi khác nhau, chẳng hạn như hư hỏng vòng bi và bất đối xứng trục động cơ.
Một số lỗi và nguyên nhân khiến cho động cơ rung động bất thường:
Sinh ra do bất đối xứng trục hoặc trục động cơ lắp không đồng tâm
Trong quá trình hoạt động, trục động cơ kết hợp với cánh quạt có thể bị ảnh hưởng bởi các tác nhân bên ngoài như bụi bẩn và va chạm Những yếu tố này có thể dẫn đến việc cánh quạt bị gãy, làm thay đổi trọng lượng của một bên cánh và mất đi tính đối xứng của cơ cấu Hệ quả là gây ra rung động không mong muốn.
Hình 3 3 Hình minh họa về lỗi bất đối xứng của động cơ (Nguồn: Trang 6 sách Beginner's Guide to Machine Vibration)
Việc lắp trục động cơ với khớp nối mà không được đo đạc cẩn thận có thể gây ra hiện tượng lệch tâm sau một thời gian sử dụng Nếu không được khắc phục kịp thời, tình trạng này sẽ dẫn đến nguy cơ trục bị cong hoặc gãy.
Hình 3 4 Hình minh họa về lỗi lệch trục của động cơ (Nguồn: Trang 6 sách Beginner's Guide to Machine Vibration)
Khi động cơ hoạt động, sự mài mòn của các bộ phận bên trong như bi của ổ bi, răng trong bánh răng và dây đai là điều không thể tránh khỏi Sự mài mòn này dẫn đến tình trạng bất đối xứng trong động cơ, gây ra các dao động bất thường.
Hình 3 5 Hình minh họa về lỗi mài mòn các bộ phận của động cơ (Nguồn: Trang 7 sách Beginner's Guide to Machine Vibration)
Khi động cơ không được gá chặt do quá trình vặn ốc hoặc kích thước đồ gá không phù hợp, động cơ sẽ bị dao động, gây ra nguy cơ văng ra ngoài hoặc hư hỏng các cơ cấu khác gắn trên động cơ.
Hình 3 6 Hình minh họa về lỗi lắp động cơ không chặt (Nguồn: Trang 7 sách Beginner's Guide to Machine Vibration)
Hình 3 7 Biểu đồ rung động của động cơ trong quá trình hoạt động
(Nguồn: https://www.researchgate.net/publication/333694422_Hierarchical_hyper-
Laplacian_prior_for_weak_fault_feature_enhancement)
Lý thuyết về cảm biến dòng kẹp [28]
CT dòng là cảm biến được thiết kế để tạo ra một dòng điện nhỏ hơn dòng điện cần đo, nhằm đảm bảo an toàn trong việc giám sát dòng điện xoay chiều thực tế.
Cấu tạo CT dòng gồm một lõi sắt non có thể tháo rời hoặc nguyên khối và một cuộn dây thứ cấp được quấn quanh lõi sắt
Hình 3 8 Cấu tạo CT dòng
CT dòng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, khi dòng điện xoay chiều chạy qua lõi sắt non, nó tạo ra một từ trường biến thiên Cuộn dây thứ cấp quấn quanh lõi sắt non sẽ sinh ra một dòng điện có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Công thức tính toán giá trị dòng điện:
N s : Số vòng dây cuộn thứ cấp
I s : Dòng điện tại cuộn dây thứ cấp
N p : Số vòng dây cuộn sơ cấp
I p : Dòng điện tại cuộn dây sơ cấp
(Nguồn: https://www.electronics-tutorials.ws/transformer/current-transformer.html)
Lý thuyết về tính toán giá trị RMS
True RMS (Giá trị hiệu dụng thực) là một khái niệm quan trọng trong kỹ thuật điện và hệ thống đo lường Nó thể hiện giá trị trung bình của bình phương các giá trị đo được tại một thời điểm nhất định Đối với một tập hợp n giá trị {V1, V2, …, Vn}, True RMS cung cấp thông tin chính xác về hiệu dụng của tín hiệu điện.
(Nguồn:https://pathologyuncertainty.com/2018/02/21/root-mean-square-rms-v-root-sum-of- squares-rss-in-uncertainty-analysis/)
Lý thuyết về IOT
IoT, hay Internet of Things, đang trở thành một thuật ngữ phổ biến trong kỷ nguyên 4.0 hiện nay Công nghệ IoT cho phép kết nối mọi thiết bị thông qua mạng Internet, giúp người dùng dễ dàng quản lý, giám sát và điều khiển từng thiết bị khác nhau.
IoT ngày nay được ứng dụng rất trong đa dạng nhiều lĩnh vực khác nhau như: ngành chế tạo, ô tô, công nghiệp, y tế, giáo dục, thiết bị gia dụng, …
(Nguồn:https://iotlink.com.vn/iot-la-gi-kien-thuc-co-ban-ve-internet-of-things-ban-can-phai- biet/)
Với sự phổ biến và những lợi ích vượt trội của công nghệ IoT, nhóm chúng em đã áp dụng công nghệ này trong đồ án để nâng cao hiệu quả kết nối và giám sát động cơ.
3.4.2 Các giao thức mạng sử dụng
HTTP là giao thức mạng hoạt động theo mô hình Client-Server, trong đó các Client gửi yêu cầu (request) đến Server và nhận dữ liệu phản hồi (response) từ Server.
(Nguồn: https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/HTTP/Basics_of_HTTP)
Bên trong cấu trúc mạng HTTP sẽ bao gồm nhiều thành phần khác nhau (method, header, body)
Các gói tin HTTP gồm hai thành phần chính là: Header và Body
+ Header: Chứa các thông tin liên quan đến method sử dụng, thông tin về bảo mật, kiểu dữ liệu của gói tin, …
+ Body: Chứa nội dung của gói tin (chuỗi Json, trang web, …)
Method hay HTTP request method là phương thức truyền tải gói tin, có 9 loại method khác nhau
Connect: Dùng để thiết lập kết nối giữa Server và Client
Xóa (Delete) là hành động loại bỏ tài nguyên trên Server để tiết kiệm dung lượng lưu trữ Trong khi đó, lấy dữ liệu (Get) từ Server thông qua giao thức GET cho phép người dùng truy cập thông tin mà không cần gửi dữ liệu kèm theo.
Head: Dùng để đọc dữ liệu header từ Server
Options: Dùng để tạo các mô tả cho các gói tin trên Server
Patch: Dùng để thay đổi dữ liệu có sẵn của gói tin trên Server
Post: Dùng để tạo ra tài nguyên mới trên Server
Put: Dùng để thay đổi toàn bộ một nguồn tài nguyên có sẵn trên Server, khác với Patch – chỉ có thể thay đổi nội dung nguồn tài nguyên
Trace: Là một vòng lặp dùng để kiểm tra kết nối giữa Server – Client
Hình 3 9 Cấu trúc một gói tin HTTP (Nguồn: https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/HTTP/Messages)
Tính bảo mật của HTTP sẽ cao hơn so với MQTT do kích thước gói tin lớn, chứa nhiều thông tin bảo mật hơn so với MQTT
Tuy nhiên, việc truyền tải dữ liệu trong giao thức HTTP sẽ tốn nhiều tài nguyên hơn MQTT do chính kích thước gói tin mang lại
MQTT là một giao thức truyền tải dữ liệu Client-Server, kích thước gói tin nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp vào các hệ thống IoT
MQTT được phát triển để tối ưu hóa việc tiết kiệm năng lượng trong truyền tải dữ liệu, nhờ vào đặc điểm gói tin yêu cầu sử dụng ít dữ liệu hơn so với các giao thức mạng phổ biến như HTTP.
Giao thức này yêu cầu lượng thông tin thấp, nhưng điều này đồng nghĩa với việc tính bảo mật không cao, khiến các gói tin dễ bị lộ ra ngoài.
(Nguồn: https://www.hivemq.com/blog/mqtt-essentials-part-1-introducing-mqtt/)
MQTT hoạt động theo mô hình publish/subcribe, các thiết bị trong mạng MQTT sẽ là các publisher và subscriber
Các publisher tạo ra các gói tin theo chuẩn giao thức và phân loại chúng vào các topic khác nhau Những gói tin và topic này sau đó được gửi đến Server (Broker) để truyền tải đến các subscriber qua các topic mà họ đã đăng ký.
Hình 3 10 Cấu trúc mạng MQTT
(Nguồn: https://www.hivemq.com/blog/mqtt-essentials-part2-publish-subscribe/)
Chính vì cấu trúc mạng như vậy mà MQTT có thể tích hợp được trên nhiều thiết bị, nền tảng khác nhau
3.4.3 Các nền tảng sử dụng
Docker là nền tảng mã nguồn mở hỗ trợ phát triển và chạy ứng dụng trong môi trường cách ly Nền tảng này cho phép đóng gói và vận hành nhiều ứng dụng khác nhau mà không làm ảnh hưởng đến hệ thống máy tính khi xảy ra lỗi phần mềm Hơn nữa, việc triển khai ứng dụng trên các máy khác không yêu cầu tải nhiều ứng dụng, giúp tiết kiệm tài nguyên máy.
Hình 3 11 Logo nền tảng Docker [18]
(Nguồn: https://docs.docker.com/get-started/overview/)
Thingsboard là nền tảng mã nguồn mở dành cho Internet of Things (IoT), giúp các nhà phát triển và quản lý thiết bị IoT dễ dàng quản lý phần cứng của họ Nền tảng này cung cấp nhiều công cụ hữu ích, cho phép lập trình viên nhúng và mở rộng hệ thống một cách thuận tiện.
Hình 3 12 Hình Sơ đồ cấu trúc chung của nền tảng Thingsboard [25]
(Nguồn: https://thingsboard.io/docs/getting-started-guides/what-is-thingsboard/)
THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN
Yêu cầu thiết kế hệ thống
- Có tính năng thu thập các thông số về rung động, dòng, nhiệt độ của động cơ
Có khả năng thu thập và tính toán điện áp hiệu dụng, dòng điện hiệu dụng, cũng như công suất và công suất tiêu thụ cho cả 1 pha và 3 pha, tùy thuộc vào nhu cầu của nhà máy.
- Đáp ứng được tần số lấy mẫu
- Tuỳ chỉnh các cấu hình cho từng thiết bị để có thể tích hợp được với hệ thống có sẵn trong nhà máy
- Có thể kết nối được máy chủ của nhà máy nhằm mục đích quản lý và giám sát
- Có thể đưa ra các cảnh báo khi xảy ra sự cố, lưu được thời điểm diễn ra sự cố
- Lưu trữ dữ liệu về Database.
Phương hướng và giải pháp thực hiện
- Tạo ra một thiết bị duy nhất có chứa tất cả các module cảm biến và điều khiển
- Dễ dàng quản lý và giám sát do chỉ có một thiết bị duy nhất
- Kích thước thiết bị sẽ rất to, không phù hợp có thể lắp đặt trong các tủ điện trong nhà máy
- Luồng dữ liệu sẽ không đáp ứng được tốc độ cao do thiết bị phải tính toán nhiều thông số cùng một lúc
- Nhiều chức năng có thể sẽ không cần thiết đối với một số nhà máy
- Khó mở rộng nhiều thiết bị khi có nhu cầu
Để thu thập các thông số cần thiết trong nhà máy, cần tạo ra nhiều thiết bị như thiết bị đo rung động, đo dòng điện, đo nhiệt độ, và thiết bị đo công suất điện một pha hoặc ba pha Ngoài ra, cũng cần có các thiết bị để điều khiển các thiết bị điện và khí cụ điện trong nhà máy.
- Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt trong các tủ điện trong nhà máy
- Dễ dàng tối ưu từng thiết bị nhằm đạt được độ chính xác cao nhất
- Dễ dàng mở rộng thêm nhiều thiết bị khác để có thể giám sát được nhiều cụm máy trong nhà máy
- Việc giám sát, quản lý các thiết bị và điều khiển tập trung sẽ phức tạp hơn do có nhiều thiết bị trong một cụm máy.
Lựa chọn giải pháp thực hiện
Sau khi xem xét kỹ lưỡng ưu điểm và nhược điểm của từng giải pháp, nhóm chúng tôi đã quyết định lựa chọn giải pháp thứ hai Giải pháp này bao gồm việc phát triển nhiều thiết bị, mỗi thiết bị sẽ đảm nhận nhiệm vụ giám sát một số thông số nhất định của từng thiết bị điện trong nhà máy.
Trình tự công việc tiến hành
Thứ tự Tên nhiệm vụ Công việc Chi tiết công việc
- Tìm hiểu về các thông số cần giám sát trong nhà máy
- Tìm hiểu về vị trí lắp đặt cho từng thiết bị nhằm đưa ra cấu hình phù hợp
- Đề xuất giải pháp, đưa ra sơ đồ khối tổng quát
Tham khảo các sản phẩm trong nước và quốc tế
- Tìm kiếm các sản phẩm giám sát trong nước và quốc tế
- Lựa chọn một số sản phẩm tiêu biểu phù hợp với hệ thống đã đề xuất
Tìm kiếm nền tảng quản lý thiết bị
- Tìm kiếm nền tảng có khả năng quản lý, điều khiển và giám sát đa thiết bị
Tìm hiểu, nghiên cứu phần cứng cho từng thiết bị
- Tham khảo sơ đồ nguyên lý mẫu
- Thay đổi một số kết cấu trong mạch để tang độ chính xác và ổn định
Lắp đặt các mạch mẫu
- Tiến hành mua linh kiện, lắp đặt một số mạch mẫu
- Chạy thử nghiệm các mạch mẫu theo điều kiện thực tế
- Điều chỉnh một số cơ cấu trên mạch, đưa ra bản vẽ nguyên lý và PCB cuối cùng
Vẽ PCB và hoàn thành mạch điện từng thiết bị
- Tiến hành đặt gia công PCB và hàn đầy đủ linh kiện
- Tiếp tục chạy thử nghiệm
Tìm hiểu cách sử dụng nền tảng
- Đọc tài liệu hướng dẫn về nền tảng của hãng
- Tạo server chứa các nền tảng cần thiết
Lựa chọn giao thức thiết bị phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo việc truyền tải dữ liệu hiệu quả giữa thiết bị và nền tảng Đồng thời, việc tìm hiểu cách tính toán các giá trị cần thiết từ dữ liệu cảm biến cũng giúp tối ưu hóa quy trình xử lý thông tin.
- Chọn ra các dữ liệu cần giám sát, tìm hiểu về các cơ sở lý về dữ liệu đó
- Đọc datasheet của các cảm biến, lựa chọn các thanh ghi chứa các dữ liệu mong muốn
- Tiến hành lập trình cho vi điều khiển nhằm mục đích thu thập và tính toán các giá trị phù hợp
- Lập trình truyền nhận dữ liệu vừa thu thập lên server thông qua các giao thức mạng mà nền tảng cung cấp
Tìm hiểu các thông số cấu hình thiết bị
- Lựa chọn các thông số mà nền tảng yêu cầu để cấu hình cho thiết bị
- Lựa chọn các thông số để khởi tạo cảm biến
- Tiến hành lập trình webserver để cấu hình các thông số trên cho từng loại thiết bị
4 Vận hành Chạy thử nghiệm hệ thống
- Lên kịch bản phù hợp để trình bày cách thức đo đạc và cảnh báo của hệ thống
- Chạy thực nghiệm và đánh giá hệ thống, tiếp tục sửa lỗi nếu có vấn đề phát sinh trong lúc chạy
Bảng 4 1 Trình tự công việc tiến hành
Thiết bị đo rung động
4.5.1 Yêu cầu kĩ thuật của thiết bị
Có khả năng thu thập và xử lý dữ liệu nhiệt độ, chỉ số rung động và giá trị dòng điện theo thời gian thực, đảm bảo thời gian lấy mẫu phù hợp cho quá trình này.
Có các chuẩn giao tiếp vật lý cơ bản (UART, I2C, SPI, …) để giao tiếp với nhiều loại cảm biến khác nhau
Có các chuẩn giao tiếp mạng (WIFI, ETHERNET, …) nhằm mục đích kết nối với server
Có thể đưa ra các cảnh báo gửi về Server
4.5.2 Giới thiệu các thành phần trong phần cứng a Chip ESP32
Hình 4 1 Chip ESP hàn với đế ra chân
Hình 4 2 Tên các chân chức năng của chip ESP32S [19]
(Nguồn: https://electropeak.com/learn/full-guide-to-esp32-pinout-reference-what-gpio-pins- should-we-use/ )
Thông số kĩ thuật chip ESP32 S [20]
- Bộ vi xử lý Xtensa® Dual-Core 32-bit LX6
- Bộ nhớ trong: 520 KB SRAM
- Bộ nhớ ngoài: Hỗ trợ các loại bộ nhớ ngoại thông qua các giao diện SPI, I2C, UART và SDIO
- 3 SPI (SPI, HSPI và VSPI) hoạt động ở cả 2 chế độ master/slave
- 2 I²C hoạt động được ở cả chế độ master và slave
- GPIO: Có sẵn 36 chân GPIO để kết nối và điều khiển các linh kiện ngoại vi khác
- ADC: 12-bit ADC với 18 kênh
- Kích thước chip: 18mm x 25mm x 2,8mm
- Anten PCB/IPEX bên ngoài
(Nguồn:https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-wroom-
32_datasheet_en.pdf ) b Module MPU6050 [21]
Cảm biến MPU6050 được sử dụng để đo 6 thông số: 3 trục Góc quay (Gyro), 3 trục gia tốc hướng (Accelerometer)
- Điện áp sử dụng: 3~5VDC
- Giá trị Gyroscopes trong khoảng: +/- 250 500 1000 2000 degree/sec
- Giá trị Acceleration trong khoảng: +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g
(Nguồn: https://invensense.tdk.com/wp-content/uploads/2015/02/MPU-6000-Datasheet1.pdf)
Cảm biến DS18B20 không chỉ thu thập dữ liệu nhiệt độ mà còn sử dụng giao thức OneWire để giao tiếp, mang lại độ chính xác cao hơn so với các loại cảm biến sử dụng nguyên lý cầu phân áp thông thường.
- Sử dụng giao tiếp 1 dây
- Hệ thống cảnh báo giới hạn nhiệt độ
- Có thể sử dụng với nguồn 3.0 V đến 5.5 V
- Phạm vi nhiệt độ có thể sử dụng: -55 đến 125 °C
(Nguồn: https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/58557/DALLAS/DS18B20.html ) d Cảm biến dòng [23]
Hình 4 5 SCT-013-000 Cảm Biến Dòng AC30A
SCT-013-000 Cảm Biến Dòng AC 100A được sử dụng để đo dòng điện xoay chiều lên đến 30
- Tần số làm việc: 50-1 KHz
(Nguồn: https://datasheetspdf.com/pdf-file/1004704/XiDiTechnology/SCT-013-030/1) e Mạch hạ áp mini 3A
Hình 4 6 Mạch hạ áp mini 3A
Mạch giảm áp mini 3A là một giải pháp chuyển đổi điện áp DC-DC hiệu quả, với khả năng cung cấp đầu ra lên đến 3A trong kích thước nhỏ gọn Mạch này được trang bị tính năng bảo vệ ngắn mạch đầu ra trong thời gian ngắn và bảo vệ phân cực ngược đầu vào, giúp đảm bảo an toàn và ổn định cho thiết bị sử dụng.
- Điện áp đầu ra: 0.8 ~ 20V (có thể điều chỉnh);
- Nhiệt độ hoạt động: cấp công nghiệp (-40 ° C đến +85 ° C)
30 f Module hạ áp cách ly AS2-5-24 [24]
Hình 4 7 Chip Chuyển Đổi Điện Áp 24V Sang 5V chống nhiễu
Module AS2-5-24 là mạch chuyển đổi điện áp 24V sang 5V, được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp nhờ vào tính ổn định cao Với thiết kế chống bụi, module này có khả năng hoạt động hiệu quả trong các môi trường khắc nghiệt và chống nhiễu tốt.
- Mạch giảm áp 24 - 5V cách ly
- Chất liệu vỏ: Kim loại
(Nguồn: https://www.us.lambda.tdk.com/products/legacy-products/pdf/as_fall94.pdf) g Mạch chuyển đổi tín hiệu ADC ADS1115
Hình 4 8 Mạch Chuyển Tín Hiệu ADC ADS1115 16-Bit 4-Channel
Mạch chuyển tín hiệu ADC ADS1115 được sử dụng để tạo ra 4 kênh ADC giao tiếp với vi điều khiển qua giao tiếp I2C chính xác cao
- IC chính: ADS1115 16-Bit ADC 4 kênh
- Điện áp sử dụng: 2.0~5.5VDC
- Chuẩn giao tiếp: sử dụng địa chỉ I2C 7 bit trong khoảng 0x48-0x4B h CH340E mạch chuyển đổi USB to UART
CH340E là một mạch chuyển đổi USB sang UART, cho phép giao tiếp giữa các thiết bị sử dụng giao thức UART và máy tính thông qua cổng USB.
Hình 4 9 CH340E Mạch Chuyển Đổi USB To UART
• Hỗ trợ tốc độ truyền thông tin thay đổi từ 50bps đến 2Mbps
• Hỗ trợ tốc độ truyền từ 2400bps đến 115200bps
• Hỗ trợ nguồn điện 5V và 3.3V
4.5.3 Sơ đồ nguyên lý và layout mạch điện
Hình 4 10 Sơ đồ khối thiết bị đo rung động
Thiết bị đo rung động bao gồm nhiều thành phần quan trọng như module hạ áp cách ly AS2-5-24, giúp hạ áp và cách ly nguồn ngoài với nguồn nuôi ESP32, bảo vệ ESP32 khỏi nhiễu Bên cạnh đó, module hạ áp Mini chuyển đổi điện áp từ 5V xuống 3.3V để cấp nguồn cho chip ESP32 Các cảm biến như MPU6050 đo rung động, DS18B20 đo nhiệt độ và SCT-013 đo dòng điện cũng được sử dụng, cùng với module ADS1115 để đọc giá trị ADC từ cảm biến SCT-013 và trả về kết quả.
Hình 4 11 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn, khối can bus và khối ESP của thiết bị đo rung động, đo dòng và đo nhiệt độ
Chọn module cách ly nguồn AS2-5-24 vì tải ngõ ra của module này là 300mA nhiều hơn dòng cấp cho Module Can Bus TJA1050 (70mA) và ESP32 (240mA)
Dùng điện trở R3 =4k7 làm điện trở kéo lên cho chân tín hiệu của cảm biến nhiệt độ DS18B20 Cấp nguồn trong khoảng từ 3.3V đến 3.6V cho ESP32
Hình 4 12 Thông số cấp nguồn cho ESP32
Hình 4 13 Sơ đồ nguyên lý khối realtime, khối nhiệt độ, khối cảm biến MPU 6050 và khối cảm biến dòng
Hình 4 14 Mạch thử nghiệm cho thiết bị đo rung động, dòng điện, nhiệt độ động cơ
Hình 4 15 Layout PCB thiết bị đo rung động, dòng điện, nhiệt độ động cơ
Hình 4 16 Thiết bị đo rung động hoàn chỉnh
* Tính năng thiết bị đo rung động, dòng điện, nhiệt độ:
+ Sử dụng nguồn cách ly nhằm chống nhiễu đầu vào cho MCU
+ Sử dụng MCU ESP32 có ăng ten nối dài
+ Dòng điện đo đạc tối đa 30A
+ Đo được gia tốc, vận tốc RMS
+ Nhiệt độ tối đa trong ngưỡng -55°C đến +125°C
+ Điều chỉnh được tần số lấy mẫu phù hợp với nhiều loại động cơ
+ Tần số lấy mẫu rung động tối đa 8kHz
+ Các cảm biến được thiết kế có thể dễ dàng thay thế và nâng cấp khi có nhu cầu
+ Có vỏ kim loại bao bọc bên ngoài chống bụi, va đập, rung lắc
Tích hợp cổng CANBUS vật lý giúp giao tiếp hiệu quả với các biến tần thông qua các chuẩn giao thức mạng công nghiệp như CANopen và SAE J1939.
4.5.4 Thiết kế vỏ hộp cho cảm biến đo rung MPU6050
Hình 4 17 Thiết kế 3D vỏ hộp cảm biến đo rung MPU6050
4.5.5 Chương trình điều khiển thiết bị a Phương pháp tính toán gia tốc RMS và lưu đồ giải thuật
Do độ trễ trong việc gửi dữ liệu từ thiết bị lên Server, việc chỉ gửi giá trị cuối cùng sẽ dẫn đến mất mát nhiều tín hiệu quan trọng Điều này có thể khiến hệ thống không phát hiện kịp thời các rung động ở tốc độ cao và không đưa ra cảnh báo cần thiết.
- Chính vì những lý do trên, nhóm sẽ tính toán giá trị RMS (Root Mean Square) cho giá trị gia tốc
Hình 4 18 Công thức tổng quát về giá trị RMS[27]
(https://pathologyuncertainty.com/2018/02/21/root-mean-square-rms-v-root-sum-of-squares- rss-in-uncertainty-analysis/)
Hình 4 19 Lưu đồ giải thuật tính toán giá trị gia tốc RMS
- Cấu hình cho cảm biến MPU6050 từ các giá trị bên trong file flash
Hình 4 20 Code cấu hình MPU6050
Hình 4 21 Code lấy giá trị ban đầu của cảm biến và buffer RMS
- Thu thập các giá trị gia tốc và lưu vào trong buffer để tính toán RMS
Hình 4 22 Code thu thập giá trị gia tốc thô
- Sau khi có giá trị thô, em sẽ tiếp tục tính toán giá trị RMS
Hình 4 23 Code tính toán giá trị RMS
Phương pháp tính toán vận tốc RMS và lưu đồ giải thuật
Dữ liệu từ MPU cung cấp giá trị gia tốc theo ba trục theo thời gian Để tính toán giá trị gia tốc, nhóm sẽ thu thập các giá trị gia tốc thô và sau đó thực hiện tích phân cho hai điểm gia tốc, với thời gian của mỗi điểm được cố định theo tần số lấy mẫu.
Tích phân không chỉ là công cụ tính toán diện tích mà còn giúp phân tích dữ liệu gia tốc theo thời gian Mỗi cặp điểm tạo thành một hình thang, trong đó đáy lớn và đáy bé tương ứng với giá trị gia tốc, còn chiều cao là khoảng thời gian.
Hình 4 24 Hình minh họa giá trị gia tốc thu thập được từ MPU
Hình 4 25 Lưu đồ giải thuật phương pháp tính toán giá trị vận tốc RMS
Lưu đồ giải thuật và giao diện cấu hình thiết bị
Hình 4 26 Lưu đồ giải thuật phương pháp cấu hình thiết bị
* Giao diện cấu hình thiết bị
Hình 4 28 Giao diện cấu hình giao thức cho thiết bị
Bảng thông tin wifi ở chế độ AP
Switch chuyển chế độ AP STA
Nút thiết lập để gửi dữ liệu xuống ESP Nút reset dung để reset thiết bị sau khi thiết lập
Bảng thông tin thiết lập các thông số MQTT của Server
Nút thiết lập để gửi giá trị cấu hình cho ESP
Chọn giao thức cần thiết lập
Hình 4 27 Giao diện cấu hình wifi cho thiết bị
Bảng thông tin thiết lập các thông số MQTT của Server
Hình 4 29 Giao diện cấu hình cho MPU
Hình 4 30 Giao diện cấu hình cảnh báo cho thiết bị
Lưu đồ giải thuật và giao diện thiết bị trên Server
* Lưu đồ giải thuật tầng thiết bị
Hình 4 31 Lưu đồ giải thuật phương pháp gửi dữ liệu lên Server
Hình 4 32 Code gửi dữ liệu bằng MQTT
Hình 4 33 Code gửi dữ liệu bằng HTTP
Hình 4 34 Code tạo chuỗi Json và gửi dữ liệu về Server
* Lưu đồ giải thuật tại nền tảng Thingsboard
+ Chuỗi Json gửi lên Server:
{"Ax_rms":0.01,"Ay_rms":0.01,"Az_rms":0.02,"Vx_rms":0.01,"Vy_rms":0.01,"Vz_rms":0.01 5,"temp":27.5625,"current":0.348322,"alarm":[0,0,0],"alarmLevel":0}
Tên chức năng Đơn vị Mô tả
Ax_rms g Giá trị gia tốc RMS theo trục X
Ay_rms g Giá trị gia tốc RMS theo trục Y
Az_rms g Giá trị gia tốc RMS theo trục Z
Vx_rms g/s Giá trị vận tốc RMS theo trục X
Vy_rms g/s Giá trị vận tốc RMS theo trục Y
Vz_rms g/s Giá trị vận tốc RMS theo trục Z temp °C Giá trị nhiệt độ current A Giá trị dòng điện hiệu dụng alarm
0: Tất cả các giá trị rung động dưới ngưỡng cài đặt 1: Giá trị Ax_rms vượt ngưỡng cài đặt
2: Giá trị Ay_rms vượt ngưỡng cài đặt alarm[0]: 3: Giá trị Az_rms vượt ngưỡng cài đặt 4: Giá trị Vx_rms vượt ngưỡng cài đặt 5: Giá trị Vy_rms vượt ngưỡng cài đặt 6: Giá trị Vz_rms vượt ngưỡng cài đặt alarm[1]: 0: Giá trị nhiệt độ dưới ngưỡng cài đặt 1: Giá trị nhiệt độ cao hơn ngưỡng cài đặt alarm[2]: 0: Giá trị dòng điện dưới ngưỡng cài đặt 1: Giá trị dòng điện cao hơn ngưỡng cài đặt
Mức độ cảnh báo nhằm quyết định cách hoạt động của thiết bị Wifi-IO
0: Hệ thống hoạt động bình thường alarmLevel: 1: Hệ thống xảy ra lỗi ở mức độ cảnh báo 2: Hệ thống xảy ra lỗi ở mức độ nguy hiểm
Bảng 4 2 Thông tin về các thông số chuỗi Json thiết bị đo rung động
+ Lưu đồ giải thuật tại nền tảng Thingsboard
Hình 4 35 Lưu đồ giải thuật phương pháp xử lý mảng alarm và vẽ giao diện giám sát
Hình 4 36 Luồng xử lý giá trị alarm và alarmLevel
Hình 4 37 Giao diện giám sát các thông số thiết bị đo rung động, nhiệt độ, dòng điện
Hình 4 38 Chi tiết bảng lịch sử lỗi
4.5.6 Chạy thực nghiệm thiết bị a) Chạy thực nghiệm giá trị gia tốc RMS
*Nhận xét và đánh giá:
Dữ liệu gia tốc thô và RMS có khả năng phát hiện những thay đổi nhỏ dưới thiết bị Tuy nhiên, khi dữ liệu thô được gửi lên Server, sẽ xảy ra mất mát thông tin do sự chênh lệch lớn giữa thời gian lấy mẫu tại thiết bị và thời gian gửi lên Server, mà chúng ta không thể điều chỉnh thời gian gửi lên Server cho phù hợp với thời gian lấy mẫu tại thiết bị.
- Khi chuyển sang sử dụng giá trị RMS, mọi thay đổi về rung động đều đã có thể phát hiện trên Server
Hình 4 39 So sánh giữa giá trị RMS và giá trị thô gia tốc 3 trục cảm biến MPU
56 b) Chạy thực nghiệm cảm biến dòng điện
+ Hiệu chỉnh cảm biến đo dòng
Hình 4 40 Các giá trị cảm biến đọc được và giá trị thực tế
Sau khi ghi lại các giá trị từ cảm biến đo dòng và VOM, nhóm sẽ sử dụng Excel để nội suy và xác định phương trình đường thẳng Tiếp theo, các giá trị từ cảm biến sẽ được thay thế vào phương trình đường thẳng vừa tìm được.
+ Kết quả chạy thực nghiệm ở các mức dòng khác nhau
Hình 4 41 Đo đạc tại giá trị 1.54A
Hình 4 42 Đo đạc tại giá trị 2.2A
Hình 4 43 Đo đạc tại giá trị 3.7A
*Nhận xét và đánh giá:
Các giá trị nằm trong ngưỡng đã hiệu chỉnh cho kết quả tương đối chính xác, trong khi các giá trị nằm ngoài ngưỡng hiệu chỉnh sẽ có độ sai lệch tương đối từ 0.2 đến 0.5 A.
Thiết bị đo công suất tiêu thụ 3 pha
4.6.1 Yêu cầu kĩ thuật của thiết bị
- Có khả năng thu thập, tính toán, xử lý các giá trị điện áp, dòng điện và công suất tiêu thụ 1 pha hoặc 3 pha
- Có màn hình hiển thị các thông tin thiết bị và các giá trị công suất liên quan
- Có các chuẩn giao tiếp vật lý cơ bản (UART, I2C, SPI, …) để giao tiếp với nhiều loại cảm biến khác nhau
- Có các chuẩn giao tiếp mạng (WIFI, ETHERNET, …) nhằm mục đích kết nối với server và truyền dữ liệu
4.6.2 Giới thiệu các thành phần có trong phần cứng: a Chip ESP32S và đế ra chân (Đã trình bày trong mục 4.3.2) b Mạch hạ áp mini 3A (Đã trình bày trong mục 4.3.2) c Module DS3231 thời gian thực (Đã trình bày trong mục 4.3.2) d CH340E mạch chuyển đổi USB to UART (Đã trình bày trong mục 4.3.2) e Module nguồn AC 220V sang DC 5V 700mA
Hình 4 44 Module nguồn AC 220V sang DC 5V 700mA
Module chuyển điện áp 220VAC sang 5VDC với dòng ra 700mA có kích thước nhỏ gọn và thiết kế chân cắm vào PCB, phù hợp để làm mạch nguồn cho các thiết bị điện tử sử dụng trực tiếp điện 220V.
- Điện áp đầu vào: 50-270VAC~50/60Hz
- Điện áp đầu ra: 5VDC/700mA
- Bảo vệ ngõ ra: Quá tải, quá nhiệt, ngắn mạch
Hình 4 45 LCD OLED SH1106 1.3inch 128x64
- Màu xanh trên màn hình đơn sắc màu đen
- Nhiệt độ hoạt động: -30 → +70°C g Module cách ly B0505S-1WR3 chuyển đổi DC-DC vào 5V ra 5V 1W [14]
Module nguồn cách ly dùng cho các mạch nhạy cảm cần cách ly như mạch điều khiển, mạch âm thanh, mạch thu phát tín hiệu
Hình 4 46 Module cách ly B0505S-1WR3 chuyển đổi DC-DC vào 5V ra 5V 1W
Hình 4 47 Sơ đồ chân module cách ly B0505S-1WR3
- Mạch cách ly hoàn toàn cả GND và V+
- Có bảo vệ ngắn mạch
- Điện áp cách ly: 1500VDC
(Nguồn: https://www.mornsun-power.com/html/pdf/B0505S-1WR2.html) h IC ADE7758 SOP-24
Hình 4 49 Sơ đồ khối chip ADE7758
- ADE7758 là IC đo năng lượng điện 3 pha, độ chính xác cao với giao diện nối tiếp và hai đầu ra xung
- Có thể lập trình ngưỡng trên chip để cảnh báo quá áp
- Khả năng hiệu chỉnh công suất, dòng điện, điện áp cho mỗi phase
- Lỗi năng lượng hoạt động trong phạm vi động từ 1000 đến 1 ở 25°C ít hơn 0,1%
- Cung cấp công suất hoạt động, công suất phản kháng, công suất biểu kiến, điện áp hiệu dụng, dòng hiệu dụng và dữ liệu dạng sóng được lấy mẫu
- Công suất: nhỏ hơn 70mW
- Chip tích hợp ADC, Bộ lọc kỹ thuật số, PGA tích hợp, tham chiếu, cảm biến nhiệt độ, IC giám sát năng lượng nhiều pha
- Phạm vi nhiệt độ: -40 to 85°C
(Nguồn:https://www.analog.com/media/cn/technical-documentation/data-sheets/ADE7758.pdf)
Lý do chọn linh kiện:
ADE7758 là một chip đo năng lượng tiêu thụ của Analog Device, sử dụng giao tiếp SPI, cho phép MCU đọc các giá trị trả về từ IC một cách dễ dàng.
ADE7758 có khả năng đo công suất điện một pha hoặc ba pha (bao gồm 3 dây và 4 dây), rất phù hợp cho các hệ thống điện được lắp đặt tại các nhà máy.
Hình 4 50 Tính năng đặc trưng IC ADE7758 (Nguồn: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/85919/AD/ADE7758.html)
Hình 4 51 Sơ đồ nguyên lý mẫu của IC (Nguồn: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/85919/AD/ADE7758.html) i Opto 6N137
Lý do chọn linh kiện:
Đường Mass của MCU theo sơ đồ nguyên lý của nhà cung cấp kết nối với dây N của tín hiệu xoay chiều đầu vào, gây ra hiện tượng nhiễu trên đường tín hiệu Điều này dẫn đến việc tín hiệu đọc được không còn chính xác.
(Nguồn: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/30862/TOSHIBA/6N137.html)
MCU nhóm em sử dụng là ESP32, với tín hiệu SPI đầu ra đạt 3.3V và mức tín hiệu cách ly tối thiểu là 2.5V, điều này cho thấy nó hoàn toàn tương thích với điện áp tín hiệu của ESP32.
Để đảm bảo tín hiệu SPI được cách ly hiệu quả, opto cần có tốc độ xung nhịp đủ cao, đáp ứng yêu cầu giao tiếp với SPI, có thể đạt tối đa 10MHz.
- 6N137 có tốc độ xung lên 10Mbd (10 megabits per second) phù hợp với tần số SPI cần đáp ứng
Để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động, nhóm em cần thực hiện cách ly cả đường tín hiệu từ MCU đến ADE7758, đồng thời cũng phải cách ly đường nguồn cấp cho MCU.
- Nhóm em quyết định sẽ chọn 6N137 để làm opto cách ly cho đường tín hiệu SPI
(Nguồn: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/30862/TOSHIBA/6N137.html)
4.6.3 Sơ đồ nguyên lí và layout mạch điện
Hình 4 54 Sơ đồ khối mạch điện đo công suất 3 pha
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng IC DE7758 của ANALOG DEVICE trong thiết bị đo công suất tiêu thụ 3 pha để đo cường độ dòng điện, điện áp và công suất tiêu thụ Qua việc tham khảo nguyên lý mẫu, nhóm nhận thấy rằng dây nguội của nguồn AC cần được kết nối chung với mass của ADE7758.
Sử dụng opto cách ly 6N137 giúp cách ly tín hiệu giữa ADE7758 và ESP32, đảm bảo độ chính xác trong đo đạc Thiết bị còn được trang bị module B0505S, cung cấp nguồn cách ly cho ESP32 và nguồn ngoài, giúp giảm thiểu nhiễu dữ liệu Thêm vào đó, thiết bị đo rung công suất còn tích hợp màn hình OLED để hiển thị các thông số đo đạc một cách trực quan.
Hình 4 55 Nguyên lí khối ADE 7758
Hình 4 56 Nguyên lí khối cách ly tín hiệu giữa ADE7758 và ESP32S
Hình 4 57 Khoảng khuyến nghị dòng input trong datasheet opto cách ly 6N137
Khi chọn điện trở 500 Ohm cho đầu vào của opto cách ly 6N137, cần lưu ý rằng điện áp đầu vào của ESP là 3.3V, dẫn đến dòng điện vào là 3.3V/500 Ohm = 6.6mA Hơn nữa, nhà sản xuất opto 6N137 khuyến nghị dòng điện đầu vào từ 6.3mA đến 15mA Do đó, việc chọn điện trở 500 Ohm cho đầu vào là hoàn toàn hợp lý.
Điện áp khuyến nghị tại output của opto cách ly 6N137 nằm trong khoảng 4.5V đến 5.5V Do đó, việc cấp điện áp 5V cho output của 6N137 là hoàn toàn phù hợp.
Hình 4 59 Khoảng khuyến nghị điện áp enable trong datasheet Opto cách ly 6N137 [6]
Khoảng khuyến nghị Enable Voltage, trong datasheet Opto cách ly 6N137 từ 2V đến 5.5V Trong nguyên lí nhóm em cấp 5V và 3.3V là thích hợp
Hình 4 60 Nguyên lí khối ESP32 S
Dùng tụ điện C19 100 nF để khi nhấn nút không bị delay
Hình 4 61 Nguyên lí khối realtime, khối màn hình, khối nguồn và khối cách ly nguồn
Chọn giá trị tụ C18, C17 vì có trong nguyên lí của module B0505S
Chọn module MINI POWER SUPPLY hạ áp từ 200VAC xuống 5VDC với dòng 700mA, vì nó đáp ứng đủ dòng cấp cho module B0505S (200mA) Ngoài ra, module cách ly B0505S với dòng output 200mA cũng có khả năng cung cấp dòng cho opto cách ly 6N137 và ESP32.
Hình 4 62 Dòng input và output của module cách ly B0505S[14]
Hình 4 64 Layout thiết bị đo cường độ dòng điện, đo điện áp và công suất tiêu thụ
Hình 4 63 Mạch điện thử nghiệm cho thiết bị đo công suất
Hình 4 65 3D thiết bị đo cường độ dòng điện, đo điện áp, công suất tiêu thụ
Hình 4 66 Mạch điện hoàn chỉnh thiết bị đo công suất 3 phase
*Tính năng thiết bị đo công suất 3 pha
+ Nguồn đầu vào cách ly 220V – 5V
+ Sử dụng ESP32 có ăng ten nối dài
+ Điện áp đo 3 pha 380V – 400 V (3 dây hoặc 4 dây)
+ Dòng điện 3 pha tối đa 30A mỗi pha
+ Có màn hình hiển thị các thông số tại thiết bị
+ Có cách ly giữa MCU và điện áp 3 pha
+ Có vỏ kim loại giúp giảm thiểu va đập và chống bụi
+ Có đế DINRAIL dễ dàng lắp đặt trên các tủ điện
+ Sử dụng Jack kết nối dạng tháo lắp dễ dàng sửa chữa, thay thế
Hình 4 67 Thiết bị đo công suất 3 phase hoàn chỉnh
4.6.4 Chương trình điều khiển a Lưu đồ giải thuật phương pháp thu thập dữ liệu từ ADE7758
Sau khi cấu hình SPI cho MCU, bao gồm chân CS, tốc độ SPI và chế độ SPI, MCU sẽ truyền giá trị 0x00 qua đường MOSI Lúc này, ADE7758 sẽ gửi dữ liệu phản hồi về cho MCU qua đường MISO.
Dữ liệu trả về sẽ là 1 byte, vì vậy đối với các thanh ghi trên byte của MCU, cần gửi lần lượt tổng số byte của thanh ghi và nhận về lượng dữ liệu tương ứng.
Bước 3: Khi nhận được các giá trị 1byte ở các thanh ghi trên 1 byte, MCU sẽ lưu các giá trị
1byte và tiến hành dịch từng byte sau đó cộng tất cả các giá trị vừa dịch để ra được giá trị analog của từng loại thông số
Bước 4: Tiến hành hiệu chỉnh giá trị thô về các giá trị thực tế
Hình 4 68 Lưu đồ giải thuật phương pháp thu thập dữ liệu từ ADE7758
- Cấu hình các thông số SPI và tạo class chứa thông tin SPI để tạo frame truyền SPI giữa
Hình 4 69 Code chọn lựa thông số và cấu hình SPI cho thiết bị
- Đọc/ghi dữ liệu thông qua SPI và lưu các byte giá trị để tiến hành dịch bit
Hình 4 70 Code đọc giá trị SPI từ thanh ghi 8 bit
Hình 4 71 Code đọc giá trị SPI từ thanh ghi 16 bit
Hình 4 72 Code đọc giá trị SPI từ thanh ghi 24 bit
- Tiến hành hiệu chuẩn thiết bị
Hình 4 73 Code hiệu chuẩn giá trị điện áp từng pha
Hình 4 74 Code hiệu chuẩn giá trị dòng điện từng pha
Hình 4 75 Code tính toán giá trị công suất tiêu thụ từng pha
80 b Lưu đồ giải thuật thiết bị đo công suất và giao diện điều khiển
Hình 4 76 Lưu đồ giải thuật thiết bị đo công suất tiêu thụ
Thiết bị điều khiển
4.7.1 Yêu cầu kĩ thuật của thiết bị
- Có khả năng bật tắt các relay công nghiệp nhằm đóng cắt các dạng tải lớn (contactor, còi công nghiệp, đèn tháp, ….)
- Có các chuẩn giao tiếp vật lý cơ bản (UART, I2C, SPI, …)
- Có các chuẩn giao tiếp mạng (WIFI, ETHERNET, …) nhằm mục đích kết nối với server và truyền dữ liệu
- Có thể nhận các tín hiệu cảnh báo từ đó điều khiển các cơ cấu chấp hành khác nhau
4.7.2 Giới thiệu các thành phần có trong mạch điều khiển a Chip ESP32S và đế ra chân (Đã trình bày trong mục 4.5.2) b Module hạ áp cách ly AS2-5-24 (Đã trình bày trong mục 4.5.2) c Mạch Hạ Áp Mini 3A (Đã trình bày trong mục 4.3.2) d CH340E Mạch Chuyển Đổi USB To UART (Đã trình bày trong mục 4.5.2) e Module cách ly 8 kênh output của công ty Indruino
Hình 4 89 Module cách ly 8 kênh của công ty Indruino (Nguồn: http://www.indruino.com/indruino-inputs-outputs-modules/iio-mini-8do-iso)
Module cách ly 8 kênh của Indruino hoạt động với nguồn đầu vào 5V và nguồn đầu ra 24V Sản phẩm sử dụng hai chip cách ly 4 kênh TLP 281 để đảm bảo tín hiệu được cách ly an toàn, cùng với chip ULN2803, có khả năng chịu dòng điện lớn và điện áp cao.
4.7.3 Sơ đồ nguyên lí và layout mạch điện
Hình 4 90 Sơ đồ khối mạch điện điều khiển các thiết bị điện
Thiết bị điều khiển điện bao gồm module hạ áp cách ly AS2-5-24, hạ áp mini, module cách ly 8 kênh của công ty Adruino và chip ESP32 S, mang lại giải pháp hiệu quả cho việc quản lý và điều khiển các thiết bị điện.
Hạ áp AS2-5-24 được sử dụng để giảm điện áp từ nguồn ngoài 24V xuống 5V Sau đó, điện áp 5V tiếp tục được hạ xuống 3V3 thông qua mạch hạ áp mini Nguồn 3V3 cung cấp cho chip ESP, trong khi 5V được dùng cho mạch cách ly tín hiệu Mạch cách ly tín hiệu nhận 24V từ nguồn ngoài để kích hoạt relay, giúp bảo vệ ESP32 S khỏi dòng ngược từ relay.
Hình 4 91 Sơ đồ nguyên lí khối ESP
Hình 4 92 Khối INPUT/OUTPUT và khối cách ly
Hình 4 93 Layout 2D mạch điện điều khiển các thiết bị điện
Hình 4 94 3D mạch điện điều khiển các thiết bị điện
Hình 4 95 Mạch hoàn chỉnh thiết bị điều khiển
Hình 4 96 Thiết bị điều khiển hoàn chỉnh
* Tính năng của thiết bị điều khiển:
+ Sử dụng nguồn 24V – 5V cách ly
+ Vỏ hộp nhựa, có DINRAIL dễ dàng lắp đặt trên tủ điện + Sử dụng ESP32 có ăng ten nối dài
+ Có khả năng kết nối Internet
+ Có module cách lý tín hiệu đầu ra
+ Có Jack kết nối dễ dàng tháo lắp, sửa chữa
4.7.4 Chương trình điều khiển a Lưu đồ giải thuật
Hình 4 97 Lưu đồ giải thuật thiết bị điều khiển thiết bị điện
100 b Giao diện web cấu hình thiết bị
Hình 4 98 Giao diện cấu hình chế độ wifi thiết bị điều khiển
Hình 4 99 Giao diện cấu hình giao thức mạng thiết bị điều khiển
101 c Giao diện dashboard thiết bị trên Thingsboard
Hình 4 100 Giao diện giám sát trạng thái thiết bị
4.7.5 Chạy thực nghiệm thiết bị
Hình 4 101 Cảnh báo khi quá dòng
Hình 4 102 Cảnh báo khi quá nhiệt
Hình 4 103 Cảnh báo khi động cơ bị nghiêng
CHẠY THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN
Sơ đồ khối tổng thể hệ thống
Hình 5 1 Sơ đồ tổng thể của hệ thống
Giao diện giám sát hệ thống
Hình 5 2 Giao diện giám sát các thiết bị trong hệ thống
Hình 5 3 Giao diện giám sát thiết bị đo rung động, dòng điện nhiệt độ
Hình 5 4 Giao diện giám sát thiết bị đo công suất 3 pha
Hình 5 5 Giao diện giám sát thiết bị điều khiển thiết bị điện
Chạy thử nghiệm hệ thống, đánh giá và kết luận
Hình 5 6 Setup hệ thống giám sát các thiết bị điện trong nhà máy
*Nhận xét và đánh giá
- Hệ thống phát hiện được các rung động nhỏ trên động cơ, sự thay đổi về dòng điện, nhiệt độ và gửi được các cảnh báo cần thiết
Mặc dù thiết bị điều khiển các thiết bị điện cần nhận tín hiệu từ Thingsboard, điều này có thể dẫn đến sự chậm trễ trong phản hồi của hệ thống Tuy nhiên, thiết bị vẫn có khả năng điều khiển tập trung hiệu quả.
Thiết bị đo công suất tiêu thụ có khả năng đo điện áp một pha hoặc ba pha, phù hợp với nhu cầu đa dạng của các nhà máy Để hoạt động hiệu quả, thiết bị này cần được kết nối đúng cách.
Thingsboard để có thể lưu giá trị công suất tiêu và các giá trị thu thập được từ thiết bị vẫn còn sai số khá lớn.
Hướng phát triển
Đối với thiết bị đo công suất, thiết bị cần được lắp thêm EERAM để có thể lưu giá trị công suất tiêu thụ sau khi tắt nguồn
Để nâng cao độ chính xác của thiết bị đo công suất tiêu thụ, cần cấu hình thêm nhiều thanh ghi Đối với thiết bị đo rung động, dòng điện và nhiệt độ sẽ được chuyển sang MPU9250 và tối ưu hóa mã nguồn để tăng tốc độ lấy mẫu Hệ thống cũng cần bổ sung thiết bị Gateway nhằm xử lý dữ liệu trước khi gửi lên Server, đồng thời xử lý tín hiệu cảnh báo tại tầng thiết bị, giúp hệ thống phản hồi nhanh hơn mà không cần kết nối liên tục với Server.