Nghiên cứu và chế tạo thiết bị theo dõi và cảnh báo tình trạng động cơ ứng dụng iot và học máy

Biện pháp chỉ có thể dùng để khắc phục hậu quả, không thể đưa ra các thông báokhi xảy ra dấu hiệu lạ trên động cơ cho người sử dụng.Do vậy, nhóm chúng em có ý tưởng về một thiết bị có kh

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Ngành Kỹ thuật cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫn: TS Trương Đức Phức

Giảng viên phản biện:

Nhóm chuyên môn: Công nghệ chế tạo máy

Chữ ký của GVHD

Chữ ký của GVPB

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

1 Thông tin về sinh viên

Họ và tên SV: Nguyễn Hoàng Vũ Lớp: CTTN – Cơ điện tử - K64

Họ và tên SV: Đặng Trần Bách Lớp: CTTN – Cơ điện tử - K64

Họ và tên SV: Hoa Đỗ Tùng Dương Lớp: CTTN – Cơ điện tử - K64

Hệ đào tạo: Chính quy Chuyên ngành: Cơ điện tử

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Nhóm chuyên môn Công nghệ chế tạo máy

Thời gian làm ĐATN: Từ ngày / / đến / /

2 Đầu đề thiết kế

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THEO DÕI VÀ CẢNH BÁO TÌNH TRẠNG

ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG IoT VÀ HỌC MÁY

3 Các số liệu ban đầu:

 Thiết kế, chế tạo mô hình thực ngiệm thiết bị theo dõi và cảnh báo tình trạng củađộng cơ

 Thiết kế mạch điều khiển và chương trình điều khiển

4 Nội dung thuyết minh và tính toán:

 Tổng quan về đo rung động của động cơ

 Thiết kế hệ thống đo rung động

 Hệ thống điều khiển

 Xử lí dữ liệu thông qua tính toán và học máy

 Kiểm nghiệm mô hình thực tế

ĐẠI HỌC BÁCH

KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG CƠ

KHÍ

BỘ MÔN

CNCTM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh

phúc

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên SV:

Nguyễn Hoàng Vũ

Lớp: CTTN – Cơ

điện tử - K64

Họ và tên SV: Đặng Trần Bách Lớp: CTTN – Cơ điện tử - K64

Họ và tên SV: Hoa Đỗ Tùng Dương Lớp: CTTN – Cơ điện tử - K64

Chuyên ngành: Cơ điện tử Tên đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu chế tạo thiết bị theo dõi và cảnh báo tình trạng động cơ ứng dụng IOT và học máy NỘI DUNG NHẬN XÉT I Khối lượng đồ án: 1 Phần thuyết minh: trang 2 Phần bản vẽ: bản A0 II Ưu điểm của đồ án ………

………

………

………

………

………

III Nhược điểm của đồ án ………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày tháng năm Giảng viên hướng dẫn

IV Kết luận

………

………

………

………

Hà Nội, ngày tháng năm Giảng viên hướng dẫn ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ BỘ MÔN CNCTM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên SV: Nguyễn Hoàng Vũ Lớp: CTTN – Cơ điện tử - K64

Họ và tên SV: Đặng Trần Bách Lớp: CTTN – Cơ điện tử - K64

Họ và tên SV: Hoa Đỗ Tùng Dương Lớp: CTTN – Cơ điện tử - K64

Chuyên ngành: Cơ điện tử Tên đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu chế tạo thiết bị theo dõi và cảnh báo tình trạng động cơ ứng dụng IOT và học máy NỘI DUNG NHẬN XÉT V Khối lượng đồ án: 3 Phần thuyết minh: …… trang 4 Phần bản vẽ: ………… bản A0 VI Ưu điểm của đồ án ………

………

………

………

………

………

VII Nhược điểm của đồ án ………

………

………

………

VIII Kết luận ………

………

………

………

Hà Nội, ngày tháng năm Giảng viên phản biện

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO RUNG ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ 10

1.1 Tầm quan trọng của động cơ: 10

1.2 Phân loại động cơ: 11

1.2.1 Phân loại động cơ theo nguyên lý hoạt động 11

1.2.2 Phân loại động cơ theo nguồn năng lượng 12

1.2.3 Phân chia theo phương tiện sử dụng 13

1.3 Động cơ điện 15

1.4 Các dạng hỏng hóc: 17

1.5 Rung động và tiếng ồn của động cơ: 18

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO RUNG ĐỘNG VÀ MỘT SỐ CHỈ SỐ KHÁC CỦA ĐỘNG CƠ 20

2.1 Lý thuyết về rung động của động cơ: 20

2.1.1 Định nghĩa 20

2.1.2 Nguyên nhân gây ra rung động bất thường: 20

2.1.3 Các thông số phản ánh tình trạng rung động: 20

2.1.4 Ảnh hưởng của rung động đến quá trình làm việc của động cơ: 21

2.2 Các dòng sản phẩm đo độ rung trên thị trường hiện nay: 21

2.3 Thiết kế tổng quan giải pháp theo dõi độ rung động của động cơ ứng dụng công nghệ IoT: 23

2.3.1 Thiết kế thiết bị đo: 24

2.3.2 Thiết kế hệ thống IoT 32

2.3.3 Xây dựng ứng dụng điện thoại: 35

CHƯƠNG 3 Chế tạo thử nghiệm và đánh giá 37

3.1 Chế tạo thiết bị: 37

3.1.1 Phiên bản 1: 37

3.1.2 Phiên bản 2: 41

3.2 Thực nghiệm và đánh giá 43

CHƯƠNG 4 49

4.1 4.1 Biên độ của gia tốc rung động động cơ 50

4.2 4.2 Tốc độ quay của động cơ 52

4.3 4.3 Vận tốc hiệu dụng 53

4.4 4.4 Tính toán nhiệt độ 58

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 61

5.1 Kết luận: 61

5.2 Định hướng phát triển 61

DANH MỤC HÌNH ẢNH 63

DANH MỤC BẢNG 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

LỜI CẢM ƠN

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Động cơ là một đối tượng quan trọng, có vai trò to lớn và chủ chốt trong sự vậnhành và hoạt động của các loại máy móc nói chung, đặc biệt là trong các xưởng sản xuất,trong lĩnh vực công nghiệp hoặc giao thông vận tải Trong quá trình hoạt động của động

cơ, thông số về rung động của động cơ là một thông số quan trọng, có thể phản ánh trựctiếp tình trạng của động cơ Do vậy, nếu nắm bắt được thông tin này, người dùng có thể

dễ dàng phát hiện được những dấu hiệu bất thường, từ đó kịp thời tiến hành kiểm tra, sửachữa hệ thống Ngược lại, nếu không được phát hiện kịp thời, động cơ có thể hỏng hóc vàgây ra những hậu quả đáng tiếc như cháy, chập Đặt trong những dây chuyền sản xuất,khi một động cơ xảy ra vấn đề, thì phải dừng toàn bộ hệ thống lại để tiến hành bảo trì,khiến dây chuyền sản xuất gián đoạn Ngay cả trong trường hợp động cơ không hư hạihoàn toàn, chỉ gặp trục trặc mà vẫn tiếp tục hoạt động thì cũng làm giảm chất lượng củasản phẩm Tóm lại, việc không thường xuyên theo dõi tình trạng của động cơ thì sẽ gây ra

sự mất mát rất nhiều về thời gian và tiền bạc

Như vậy, một hệ thống để theo dõi và giám sát tình trạng của động cơ là nhu cầu

vô cùng cần thiết và thiết yếu trong giai đoạn hiện nay Trên thị trường đã có một cố loạithiết bị kiểm tra rung động của động cơ, tuy nhiên, những thiết bị này thường là thiết bịrời, hoặc được gắn tạm bợ, chỉ được sử dụng để theo dõi những thông số của động cơ tạimột thời điểm nhất định Như vậy thì khó có thể chuẩn xác do lượng thông tin ít, hơn nữa

sẽ không đánh giá, so sánh chính xác xem tình trạng hiện tại của động cơ có ổn địnhkhông Biện pháp chỉ có thể dùng để khắc phục hậu quả, không thể đưa ra các thông báokhi xảy ra dấu hiệu lạ trên động cơ cho người sử dụng

Do vậy, nhóm chúng em có ý tưởng về một thiết bị có khả năng theo dõi tình trạngcủa động cơ thông qua thông tin chính là rung động, và các thông tin phụ như nhiệt độ, từ

đó đưa ra phân tích tình trạng của động cơ và cảnh báo tới người dùng Từ đó, nhóm em

tiến hành bắt tay vào thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài ”Nghiên cứu và chế tạo thiết

bị theo dõi và cảnh báo tình trạng động cơ ứng dụng iot và học máy”

Trong nội dung của đồ án này, nhóm em sẽ tiến hành khảo sát những vấn đề chungcủa động cơ: các loại động cơ, các lỗi thường gặp của động cơ, những thông số quan trọng cần quan tâm Từ đó, xây dựng thiết bị phù hợp có thể theo dõi các thông số chung của động cơ, tiến hành xử lí phân tích những thông tin này bằng các thuật toán và học máy, từ đó đưa ra tình trạng của động cơ, đưa ra cảnh báo nếu có dấu hiệu bất thường và các dự đoán trong tương lai Ngoài ra, nhóm chúng em cũng sẽ xây dựng một hệ thống IoT hoàn chỉnh để lưu truyền dữ liệu, xây dựng app điện thoại hiện thị những chỉ số và thông báo cần thiết cho người dùng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO RUNG ĐỘNG CỦA

ĐỘNG CƠ

Ở chương này, nhóm chúng em sẽ đưa ra tông quan các loại động cơ nói chúng vàđộng cơ điện nói riêng, đặc tính và những thông số cần lưu ý khi sử dụng chúng Đồngthời phân tích một số dạng hỏng hóc thường thấy của động cơ cũng như dấu hiệu để biết

1.1 Tầm quan trọng của động cơ:

Động cơ là một đối tượng quan trọng, đóng vai trò không thể thiếu trong các loạimáy móc, thiết bị và phương tiện hiện đại nói chung Đây là một thiết bị hoặc hệ thống cóvai trò chuyển đổi một nguồn năng lượng nào đó (điện, dầu, gas,…) thành cơ năng thôngqua các chuyển động xoay quanh trục đồng tâm Nhờ vậy, động cơ cung được cấpchuyển động và vận hành cho toàn bộ hệ thống máy móc thiết bị

Trong lĩnh vực công nghiệp, động cơ là trái tim của hầu hết các thiết bị và máymóc sản xuất Từ máy phát điện, máy gia công, máy xây dựng cho đến các thiết bị côngnghiệp khác, tất cả đều cần động cơ để hoạt động Động cơ mang đến sức mạnh, tốc độ

và độ tin cậy, giúp tăng cường năng suất và hiệu quả sản xuất Dưới đây là hình ảnh cácđộng cơ được đặt tại nhà máy công nghiệp

Hình 1-1: Các động cơ trong công nghiệp

Trong lĩnh vực giao thông vận tải, các phương tiện như ô tô, máy bay, tàu hỏa vàtàu thủy đều sử dụng động cơ để di chuyển hàng ngàn người hàng ngày Động cơ mangđến tốc độ, sức mạnh và khả năng vượt qua khoảng cách, giúp chúng ta di chuyển mộtcách nhanh chóng và tiện lợi Nó cung cấp sự thuận tiện và kết nối các địa điểm xa nhau.Dưới đây là hình ảnh động cơ trong xe ô tô.

Hình 1-2: Các động cơ trong ô tô

1.2 Phân loại động cơ:

Trong quá trình hình thành và phát triển, cùng với sự tiến bộ của khoa học kĩthuật, có rất nhiều kiểu động cơ khác nhau được ra đời chúng có thể chia thành nhiềuloại, phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau Người ta thường phân loại động cơ thành cácnhóm dựa vào các yếu tố như nguyên lý hoạt động, theo nguồn năng lượng, theo ứngdụng thực tế,…Trong mỗi nhóm động cơ, người ta lại có thể phân chia thành các nhómnhỏ hơn

1.2.1 Phân loại động cơ theo nguyên lý hoạt động

Bằng cách phân chia theo nguyên lý hoạt động, ta có 3 loại động cơ chính: Động

cơ đốt trong, động cơ ngoại khí, động cơ điện Cụ thể:

- Động cơ đốt trong:

+ Động cơ xăng: Sử dụng xăng làm nhiên liệu+ Động cơ diesel: Sử dụng dầu diesel làm nhiên liệu đốt+ Động cơ Wankel: Sử dụng hình thức vòng ngoại của buồng đốt để tạo rachuyển động quay

- Động cơ ngoại khí

+ Động cơ phản lực: Sử dụng nguyên tắc phản lực của buồng khí hoặc chấtlỏng

+ Động cơ phản lực thuận: Sử dụng nguyên tắc chuyển động của một chấtlỏng (thường là nước)

Dưới đây là sơ đồ phân chia của động cơ theo nguyên lý hoạt động:

Hình 1-3: Phân chia động cơ theo nguyên lý hoạt động

1.2.2 Phân loại động cơ theo nguồn năng lượng

Nếu phân loại theo nhiên liệu sử dụng, ta có: động cơ dầu diesel, động cơ điện,động cơ xăng, động cơ khí tự nhiên, động cơ hỗn hợp

- Động cơ xăng: Nhiên liệu được sử dụng là xăng, phổ biến trong xe hơi cá nhân

Sơ đồ phân chia theo nguồn năng lượng sử dụng của động cơ được thể hiện quahình dưới đây:

Hình 1-4: Phân chia động cơ theo nhiên liệu sử dụng

1.2.3 Phân chia theo phương tiện sử dụng

Động cơ được ứng dụng trong vô vàn các thiết bị, máy móc, lĩnh vực khác nhau.Người ta có thể phân chia theo từng lĩnh vực, nổi trội có thể kể đến:

-Động cơ ô tô:

+Động cơ xăng: Sử dụng trong xe hơi cá nhân và phương tiện nhẹ khác.+Động cơ diesel: Sử dụng trong xe hơi, xe tải và các phương tiện vận tảikhác

+Động cơ hybrid: Kết hợp giữa động cơ xăng/diesel và động cơ điện

+Động cơ điện: Sử dụng trong xe điện hoàn toàn hoặc xe hybrid sạc điện.-Động cơ tàu thuỷ:

+Động cơ diesel: Sử dụng trong tàu thủy và các tàu vận tải hàng hải khác.+Động cơ hơi nước: Sử dụng hơi nước để tạo ra sức đẩy trong các tàu hơi

- Động cơ máy bay:

+ Động cơ phản lực: Sử dụng trong máy bay phản lực và máy bay chiếnđấu

+ Động cơ tuabin: Sử dụng trong máy bay phản lực, máy bay cánh quạt vàmáy bay thương mại

- Động cơ công nghiệp:

+ Động cơ diesel: Sử dụng trong máy phát điện công nghiệp, máy nén khí,máy đào và các thiết bị công nghiệp khác

+ Động cơ điện: Sử dụng trong máy nén khí, máy bơm, máy kéo và cácthiết bị công nghiệp khác.

- Động cơ hàng không không người lái (drone):

+ Động cơ xăng: Sử dụng trong drone nhỏ và trung bình

+ Động cơ điện: Sử dụng trong drone nhỏ, trung bình và lớn

Dưới đây là sơ đồ phân chia động cơ theo phương tiện sử dụng

Hình 1-5: Phân chia động cơ theo phương tiện sử dụng

1.3 Động cơ điện

Tuy có nhiều kiểu động cơ khác nhau nhưng động cơ điện vẫn luôn là một loạiđộng cơ phổ biến, nổi bật, đóng vai trò to lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như côngnghiệp, gia dụng và các phương tiện giao thông với sự nổi lên của các loại xe điện

Động cơ điện cũng được phân chia ra làm nhiều loại:

+ Động cơ điện không đồng bộ: Hoạt động dựa trên sự tương tác giữa từtrường nam châm quay của stator và dòng điện xoay chiều chạy qua rotor Đặc tính: khởiđộng mềm, độ tin cậy cao, chi phí thấp và khả năng hoạt động ổn định trong các tải biếnđổi Đây là loại động cơ phổ biến nhất trong công nghiệp

+ Động cơ điện đồng bộ: Có rotor quay theo tần số xác định và đồng bộ vớitần số của nguồn cấp điện Động cơ điện đồng bộ có đặc tính: hiệu suất cao, khả năng

duy trì tốc độ và vị trí cố định, yêu cầu bộ điều khiển phức tạp Loại động cơ này được sửdụng trong các ứng dụng yêu cầu đồng bộ hóa chính xác như động cơ điều khiển tốc độ,máy phát điện và các hệ thống truyền động công nghiệp.

+ Động cơ DC: Sử dụng nguyên tắc tạo ra từ trường từ nam châm và dòngđiện liên tục chạy qua cuộn dây đặc biệt Động cơ DC hay được ứng dụng trong xác ứngdụng yêu cầu điều chỉnh tốc độ và tải trọng Ví dụ như thang máy, máy kéo hay các hệthống truyền động công nghiệp

Mỗi loại trên có thể tiếp tục được phân loại chi tiết hơn Cụ thể:

Hình 1-6: Phân loại động cơ điện

- Các thông số quan trọng cần lưu ý khi sử dụng động cơ:

+ Tốc độ quay (n): Là tốc độ quay của rotor của động cơ và được đo bằngvòng quay mỗi phút (rpm) Tốc độ quay quyết định tốc độ hoạt động của động cơ

+ Số cặp cực: Là số lượng cực từ nam châm trên rotor của động cơ, liênquan trực tiếp đến tốc độ quay của động cơ và công thức liên hệ giữa số cặp cực và tốc độquay định sẵn

+ Momen xoắn: Là lực tác động để tạo ra xoắn, được đo bằng đơn vịNewton-mét (Nm) Thông số này cho biết khả năng của động cơ để vận chuyển tải hoặcthực hiện công việc

+ Công suất: Là công suất của động cơ, được đo bằng đơn vị watts (W)hoặc kiliwatts (kW) Thông số này cho biết khả năng thực hiện công nhanh hay chậmđược tính trong 1 đơn vị thời gian Công suất động cơ càng lớn thì động cơ thực hiệnđược càng nhiều công trong 1 đơn vị thời gian

+ Hiệu suất: Là tỷ lệ giữa công suất ra và công suất vào của động cơ Thông

số này cho biết mức đọ chuyển đổi năng lượng điện thành công suất cơ học Hiệu suấtcàng cao thì động cơ hoạt động càng hiệu quả

+ Cấp độ bảo vệ: Là mức độ bảo vệ của động cơ với các yếu tố môi trườngnhư khói bụi, nước, được định nghĩa bằng các mã số theo tiêu chuẩn quóc tế IEC

1.4 Các dạng hỏng hóc:

Các lỗi của động cơ được phân vào 2 nhóm chính: Hỏng do lỗi về các thành phần

cơ khí và hỏng do lỗi về các thành phần điện- điện tử

Trong đó, theo thống kê từ IEEE, có đến hơn 50% các sự cố của động cơ điện xuấtphát từ các thành phần cơ khí của động cơ Các lỗi này có thể xuất phát từ quá trình lắpđặt, thiết kế hoặc xảy ra trong quá trình động cơ hoạt động Một số lỗi và dạng hỏng hócthường xuất hiện trong động cơ:

+ Lệch trục: xuất hiện khi trục truyền động động cơ không cân bằng theotải hoặc cơ cấu kết nối từ động cơ đến tải bị lệch Lệch trục có thể là lệch về góc, lệchsong song hoặc lệch hỗn hợp Hiện tượng này sẽ truyền lực phá hủy dọc theo trục đếnđộng cơ, dẫn đến sự mài mòn trong các chi tiết của động, tải cơ khí trong quá trình hoạtđộng cũng bị tăng lên Thêm vào đó, hiện tượng lệch trục còn gây lên sự rung động ở cảtải và trục truyền của động cơ

+ Mất cân bằng trục: xảy ra khi trọng tâm của chi tiết quay không trùng vớitâm quay, gây ra lực ly tâm, tạo sự rung động cao

+ Lỏng trục: xuất hiện khi khe hở giữa các thành phần vượt quá mức có thểchấp nhận được, thường xuất hiện ở một số vị trí như lỏng thành phần quay hoặc lỏngthành phần không quay Hiện tượng này cũng gây ra sự rung động

+ Mòn vòng bi: Đây là một trong những lỗi hư hại phổ biến nhất, chiếm60% các lỗi cơ khí Hiện tượng này sẽ làm tăng lực cản, phát sinh nhiều nhiệt hơn trongquá trình động cơ hoạt động, đồng thời giảm hiệu suất do phần cơ khí, bôi trơn hoặc mòn

Các lỗi về điện- điện tử:

+ Ngắn mạch: Trong mạch xảy ra hiện tượng ngắn mạch, có thể dẫn đếncháy, chập, hỏng các linh kiện quan trọng

+ Lỗi cảm biến: Các cảm biến hoạt động sai, đưa ra thông tin sai lệnh khiến

Hình 1-7: Các lỗi phổ biến của động cơ

Trong các loại lỗi trên, lỗi về các bộ phận điện – điện tử thường gây ra sự ngừnghoạt động hoặc hoạt động không đungs Trong khi đó, các lỗi về cơ khí thường khiến hệthống hoạt động với độ chính xác thấp hơn, gây ra sự rung lắc mạnh và tiếng ồn lớn.Những dấu hiệu này hoàn toàn có thể nhận biết được nếu ta thường xuyên theo dõi

1.5 Rung động và tiếng ồn của động cơ:

Trong quá trình hoạt động, những thông số về rung động và tiếng ồn của động cơ

sẽ phản ánh trực tiếp tình trạng của động cơ Như đã đề cập ở trên, đặc điểm nhận dạngnổi bật khi động cơ xảy ra vấn đề là sự rung động bất thường và tiếng ồn lớn Bởi vậy,nếu thường xuyên theo dõi, thường xuyên theo dõi và nắm bắt được những thông tin nàythì có thể kịp thời phát hiện những sự cố xảy ra của động cơ Ngược lại, nếu khôngthường xuyên kiểm tra thường xuyên theo dõi sẽ dễ để lại những hậu quả đáng tiếc Động

cơ có thể hư hại hoàn toàn và phải thay mới, gây ra sự tiêu tốn về tiền bạc Đôi khi cácđộng cơ hỏng còn gây ra cháy nổ, gây hư hại sang các thiết bị và môi trường xung quanh.Đặt trong môi trường công nghiệp, nhà máy, xưởng sản xuất, sự cố này sẽ gây ra hiệuứng dây chuyền, toàn bộ quá trình sản xuất sẽ phải dừng lại, thất thoát nhiều về thời gian

và của cải

Có thể nói, dựa trên 2 thông số về rung động và tiếng ồn, hoàn toàn có thể chế tạođược một thiết bị có khả năng theo dõi và giám sát tình trạng của động cơ Đây cũng làmột nhu cầu thiết yếu, cần thiết trong giai đoạn hiện nay.

Với thực trạng và nhu cầu đó, nhóm chúng em có ý tưởng chế tạo một thiết bị dựatrên thông số chính là rung động và các thông số phụ về nhiệt độ, từ trường kết hợp vớicác công nghệ hiện đại về IoT và Machine Learning để cung cấp cho người dùng nhữngthông tin, những cảnh báo trực quan nhất về động cơ theo thời gian thực cũng như đưa racác dự báo trong tương lai Thông số về tiếng ồn tuy có khả năng phản ánh thực trạng củađộng cơ nhưng dễ bị ảnh hưởng nhiều bởi môi trường Bởi vậy thiết bị của nhóm sẽkhông sử dụng thông số này làm tiêu chuẩn để đánh giá tình trạng của động cơ

CHƯƠNG 2

Trong mô hình đã xây dựng được, nhóm chúng em đã thành công tính toán một số thống

số quan trọng của động cơ với độ chính xác cao và từ đó đưa ra cảnh báo cho người dùngqua ứng dụng điện thoại:

 Biên độ của gia tốc rung động 3 trục X, Y, Z

 Vận tốc hiệu dụng

 Tốc độ quay của động cơ

 Nhiệt độ của vỏ động cơ và môi trường xung quanh vỏ động cơ

Gia tốc rung động, vận tốc rung động và chuyển vị là 3 thông số quan trọng để đánh giárung động (evaluate the vibration charateristics) của một hệ thống động (dynamicsystem)

Gia tốc rung động (Acceleration):

Gia tốc rung động thể hiện mức độ quan trọng hơn ở dải tần số cao Từ gia tốc rung động

có thể biến đổi thành vận tốc rung động và biên độ rung động

Chuyển vị (Displacement):

Trái với gia tốc rung động, chuyển vị thể hiện mức độ quan trọng hơn ở dải tần số thấp.Các phép đo chuyển vị thường chỉ được sử dụng khi kiểm tra chuyển vị của hệ thốngrung động cơ học Ngoài ra còn được sử dụng để phát hiện sự mất cân bằng của một chitiết chuyển động quay tròn

Vận tốc rung động (Velocity):

Vận tốc rung động liên quan đến lực triệt tiêu của rung động, vì thế nó là thông số quantrọng nhất Nó đặt tầm quan trọng như như trên cả dải tần số cao và thấp Thông thường,giá trị vận tốc hiệu dụng (RMS-Root Mean Square) được đo trong khoảng tần số 10-10000Hz là thông số quan trọng nhất để đánh giá tình trạng của rung động

Các đặc tính gia tốc rung động, vận tốc rung động và chuyển vị được đo để xác định mức

độ nghiêm trọng của rung động và thường được gọi là ‘biên độ’ của rung động Về hoạtđộng của động cơ, biên độ rung là yếu tố đầu tiên cho biết tình trạng của máy Nói chung,biên độ ủng lớn hơn tương ứng với mức độ lỗi cao hơn

Trên thực tế có nhiều tiêu chuẩn đánh giá động cơ thông qua cả 3 chỉ số: Chuyển vị, Vậntốc rung động và Gia tốc rung động ([1] Tiêu chuẩn iso 10816)

Việc tính toán chính xác chuyển vị một cách gián tiếp từ gia tốc rung động của động cơgặp khó khăn do hạn chế về độ nhạy và tần số lấy mẫu của cảm biến Vì thế nhóm chúng

em tính toán và trích xuất giá trị gia tốc rung động 3 trục X, Y, Z (3 trục ứng với thiết bị)

và vận tốc hiệu dụng như một tiêu chí để đánh giá tình trạng của động cơ

S k+1=H k+1P k +1∨k H k T+1+R k+1 (5)

^x k +1∨k +1 =^x k +1∨k +K k+1(z k+1−H k+1^x k +1∨k) (7)

P k +1∨k+1 =(I−K k+ 1H k+1)P k +1∨k (8)Định nghĩa của các ma trận được thêm vào cùng với quá trình biến đổi được trình bày ởtài liệu ([2] Kalman Filter)

Nhóm chúng em xây dựng các ma trận như sau:

x k+1=[a x, k+1, a y , k+1, a z ,k+1]T

là vector gia tốc dài 3 trục X, Y, Z tại thời điểm k+1,

F k =I3 là ma trận đơn vị kích thước 3,

H k =I3 là ma trận đơn vị kích thước 3,

Vector trạng thái ước lượng ban đầu ^x0∨0=[0 , 0 , 0]T

, ma trận hiệp phương sai ước lượngban đầu P0∨0=I3 là ma trận đơn vị kích thước 3.

Để áp dụng bộ lọc Kalman, cần định nghĩa các ma trận biến đổi của hệ và các ma trậnhiệp phương sai nhiễu đo đạc R k và nhiễu quá trình Q k Ma trận phương sai nhiễu đo đạcđược thực hiện bằng cách cố định thiết bị MotorEye trên một mặt phẳng tĩnh (so với mặtđất), sau đó thu thập mẫu rung động và tĩnh toán phương sai của dữ liệu thu được

Tuy nhiên, việc xây dựng ma trận hiệp phương sai nhiễu quá trình Q k khó khăn hơn,thông thường cần một bộ quan sát trạng thái hệ thống và hiệu chỉnh các thông số cùngvới các đánh giá phức tạp Trong hệ thống gia tốc kế vi cơ điện tử (MEMSaccelerometer) nhiễu đo đạc luôn lớn hơn nhiều so với nhiễu quá trình Để tính toán matrận Q k, chúng em giả sử Q k là bội phương sai của ma trận đơn vị đơn vị kích thước 3 I3:

Q k=[σ2 0 0

0 σ2 0

0 0 σ2] Sau đó hiệu chỉnh các tham số σ2 bằng cách cân bằng biên độ gia tốcrung động với thiết bị gia tốc kế …(gia tốc kế anh LongCNC sử dụng) (tài liệu [3]: giatốc kế …)

Kết quả thu được của các ma trận hiệp phương sai nhiễu như sau:

Hình 4.2 mô tả tín hiệu gia tốc của trục Y được lọc nhiễu thông qua bộ lọc nhiễu Kalman,

sử dụng thư viện filterpy, được lập trình trên ngôn ngữ Python

Hình 4.3 Trích xuất biên độ của gia tốc rung động

Hình 4.3 mô tả quá trình trích xuất biên độ của gia tốc rung động được đọc từ moduleGY-511

Sau áp dụng bộ lọc Kalman, phần lớn các tín hiệu gây nhiễu bị loại bỏ Tín hiệu gia tốc

và cường độ từ trường 3 trục được trung tâm hóa (centering) để làm cho giá trị trung bìnhcủa tín hiệu bằng 0 Biên độ của tín hiệu được lấy bằng cận trên của trị tuyệt đối các điểmgiá trị trong chuỗi tín hiệu

2.2 4.2 Tốc độ quay của động cơ

Đối tượng đo đạc của thiết bị MotorEye là động cơ điện xoay chiều có cấu tạo rotor dạnglồng sóc Đây là loại động cơ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp do sử dụng nguồnđiện xoay chiều, khả năng điều khiển tốc độ quay đa dạng, momen ổn định và giá thànhthấp Đối với động cơ lồng sóc, tốc độ đồng bộ của động cơ được tính theo công thức:

V đb=60 f

Trong đó RPM là tốc độ động cơ (vòng/phút), f là tần số từ trường cuộn Stato, p là số cặpcực của động cơ Đối với các động cơ không đồng bộ, sự hao hụt về vận tốc xảy ra làmcho tốc độ quay thực của Rôto động cơ nhỏ hơn tốc độ đồng bộ Cụ thể, đối với đa sốđộng cơ cỡ nhỏ, sự hao hụt này vào khoảng 6% và là 2% đối với các động cơ cỡ lớn (tàiliệu [1])

Chuyển vị 1 vòng quay của động cơ tương đương với 1 chu kỳ rung động của động cơ vàbiên độ của rung động này thường nổi trội hơn so với các nhiễu từ môi trường Vì thếviệc tính toán gián tiếp tốc độ của động cơ có thể thực hiện thông qua trích xuất tần sốcủa các tín hiệu pha tạp trong tín hiệu rung động đo được

Phép biến đổi DFT(Discrete Fourier Transformer) từ miền thời gian về miền tần số chophép tính toán biên độ của tín hiệu trên một dài tần số (bị giới hạn bởi tần số lấy mẫu củacảm biến, mà đối với module GY-511 là 0-200Hz) thông qua công thức:

số dựa trên phương trình (1)

c Ngưỡng cảnh báo của động cơ:

Tiêu chuẩn ISO 10816 thiết lập điều kiện chung và quy trình đo đánh giá độ rung độngbằng cách đo trên các bộ phận không quay, ở nơi thích hợp, các bộ phận không chuyểnđộng qua lại tịnh tiến trên máy hoàn chỉnh

Hình 4.4 - Các điểm đo đối với máy điện công suất bé (ISO 10816)

Hình 4.4 mô tả các vị trí đo rung động cho các động cơ diện công suất bé

Hình 4.5: Tiêu chuẩn ISO 10816-1 về ngưỡng vận tốc đối với các trạng thái của động cơ

Bảng 4.5 mô tả ngưỡng vận tốc hiệu dụng đối với các trạng thái của động cơ CộtVelocity RMS (mm/s) đề cập các ngưỡng vận tốc tương ứng với các mức độ rung độngkhác nhau của 4 loại động cơ: Small Machines, Medium Machines, Large Machines –Rigid Supports và Les Rigid Supports, với 4 mức độ: Good, Satisfactory, Unsatisfactory

và Unacceptable

Tuy nhiên đối với các động cơ cỡ nhỏ và hoạt động trong nhiều môi trường làm việc khácnhau, việc đánh giá tình trạng động cơ thông qua ngưỡng rung động đôi khi gặp khó khăn

và thậm chí không chính xác do một số chế độ làm việc có ngưỡng rung động mạnh (ví

dụ máy cắt, máy khoan …), vì thế cần những phương pháp dự đoán linh hoạt hơn

Để dự đoán tình trạng động cơ thông qua tín hiệu gia tốc rung động, nhóm sử dụngphương pháp học sâu (Deep learning) để phân loại một tín hiệu rung động là thuộc nhómđộng cơ hoạt động bình thường hay bất thường (tình trạng xấu) Thiết bị được sử dụngcho huấn luyện và đánh giá là Động cơ máy mài Bosch model GBG35-15 (tài liệu [4]:Datasheet Bosch GBG35-15)

Hình 4.6: Tiến trình (WorkFlow) phân loại tín hiệu rung động sử dụng Deep Learning.

a) Thu thập dữ liệu b) Huấn luyện mô hình c) Dữ liệu được phân loại

Hình 4.6 mô tả tiến trình thu thập dữ liệu, huấn luyện mô hình và phân loại dữ liệu sửdụng công nghệ học sâu (Deep Learning)

Trong quá trình thu thập dữ liệu, nhóm mô phỏng 2 trường hợp:

- Ở trường hợp thứ nhất thiết bị được gắn trên thân động cơ ở chế độ mài kim loại, môphỏng quá trình làn việc bình thường của động cơ Vật liệu được mài bao gồm:

 01 thanh thép ∅8, dài 100mm

 01 thanh nhôm định hình 20x20mm

Trong quá trình lấy mẫu, thanh vật liệu được áp sát vào bệ tì hai bên động cơ, dùng tay ấnvào một đầu của thanh và đầu còn lại ma sát với đá mài Lực ấn được thay đổi liên tụcnhằm làm phong phú lượng dữ liệu huấn luyện

- Ở trường hợp thứ hai thiết bị được gắn trên thân động cơ, mô phỏng quá trình mất cânbằng và chịu va đập với môi trường bên ngoài

Hình 4.7: Các dạng mất cân bằng và va đập của động cơ

Hình 4.7 mô tả các dạng va đập của động cơ được mô phỏng trong quá trình thu thập dữliệu:

Các dạng va đập bao gồm:

- Va đập theo phương X theo 2 hướng

- Va đập theo phương Y theo 2 hướng

- Rung lắc theo phương Z

Các va đập và rung lắc được thay đổi cường độ liên tục nhằm làm phong phú lượng dữliệu tập huấn luyện

Hình 4.8: Kiến trúc mô hình (Model Architecture) dư đoán tình trạng động cơ

Hình 4.8 mô tả kiến trúc mô hình dự đoán tình trạng động cơ sử dụng công nghệ học sâubằng phương pháp trích xuất đặc trưng của tín hiệu rung động sử dụng mạng tích chập.Đầu vào của mô hình là tín hiệu gia tốc rung động 3 trục X, Y, Z thu được từ module cảmbiến GY-511 Tín hiệu đầu vào là một vector kích thước 3x448 (3 hàng tương ứng với 3tín hiệu trục X, Y, Z và 448 cột tương ứng dung lượng của tín hiệu)

Tín hiệu đầu vào được xử lý bằng bộ lọc Kalman và trung tâm hóa (Centering) được nêu

ở phần 5a Sau bước tiền xử lý, kích thước của dữ liệu được giữ nguyên nhưng thay đổi

kỳ vọng và phương sai

Hình 4.12: Biến thiên Hàm mất mát (Loss function) qua các bước huấn luyện (step)

Hình 4.12 mô tả biên hiến của hàm mất mát trong quá trình huấn luyện

Trong đó 6 thử nghiệm được đưa ra: sử dụng 3 mô hình trích xuất đặc trưng làefficientnet_b0, resnet34, và seresnext26d_32x4d với 2 dạng dữ liệu đầu vào: dữ liệu chỉđược lọc nhiễu và dữ liệu được lọc nhiễu sau đó biến đổi Fourier (DFT)

Kết quả huấn luyện được đánh giá trên tập đánh giá (Test set - chứa 20% toàn bộ dữliệu), với độ đo là điểm F1 (F1 score): F1=2precission ∗recall

precision +recall ([a] tài liệu a) được mô tả

trên hình 4.13

Transform) seresnext26d_32x4d 16.8M 0.9614 0.0177

Bảng 4.13: Kết quả thử nghiệm

Mô hình Resnet34 được huấn luyện trên tập Denoised Data sử dụng bộ lọc Kalman filtercho dự đoán có độ chính xác 100% trên tập đánh giá (Test set) với thời gian chạy trungbình 0.0126s (sử dụng GPU P100)

2.4 4.4 Tính toán nhiệt độ

Trong một số trường hợp, nhiệt độ vỏ động cơ có thể phản ánh tình trạng quá tảicủa động cơ (khi một lượng lớn năng lượng từ trường chuyển hóa thành nhiệt năng) Vìthế việc quan sát và theo dõi nhiệt độ động cơ cũng là một yếu tố rất cần thiết Thiết bịMotorEye được bố trí 2 cảm biến đo nhiệt độ, một được áp vào bề mặt vỏ động cơ và mộtđược gắn trên thành thiết bị để đo nhiệt độ môi trường xung quanh

Cảm biến nhiệt độ được sử dụng là nhiệt điện trở NTC 3950 10k có điện trở ở nhiệt độ 25

độ C là 10k Ohm

Bảng 4.14: Giá trị điện trở của cảm biến ở các nhiệt độ khác nhau được lấy từ Datasheet

Phương trình mô tả mối liên hệ giữa điện trở của cảm biến và nhiệt độ:

R ≃a e −bT +c

Để thu được các giá trị liên tục của nhiệt độ thông qua giá trị điện trở, nhóm sử dụngphương pháp Newton Raphson để tính toán các hệ số a, b, c của phương trình (Hình…)thông qua giá trị nhiệt độ - điện trở tại 3 điểm theo Datasheet: 20 độ C, 55 độ C và 75 độ

C Từ đó thu được phương trình liên tục mô tả liên hệ giữa nhiệt độ - điện trở của cảmbiến như sau:

R ≃30.0620 e −0.0463T+0.6125

Hình 4.15: Mối liên hệ giữa giá trị điện trở của cảm biến và giá trị nhiệt độ

Để đo giá trị của cảm biến, một cảm biến NTC 3950 10k được mắc nối tiếp cùng với điệntrở có giá trị 10k Ohm, giá trị hiệu điện thể hai đầu cảm biến đọc đọc về dưới dạngAnalog trên các chân tín hiệu của ESP32 để tính toán ra giá trị của nhiệt độ

Hình 4.16:Sơ đồ mắc mạch điện để đo giá trị điện trở ứng với chân IO25

Hiệu điện thế U1 của 2 đầu cảm biến được đưa về các chân IO25, IO26, IO27 có độ phângiải tín hiệu Analog 12 bit của ESP32 WROOM sau đó sử dụng phương trình

R1= 10.U1

(4095ưU1) tính toán giá trị điện trở của cảm biến.

Sau khi có được giá trị điện trở, chúng em có thể tính toán ra nhiệt độ tương ứng thôngqua phương trình (7)

Hình 4.17: Theo dõi nhiệt độ

Hình 4.17 mô tả dữ liệu nhiệt độ bề mặt vỏ động cơ và nhiệt độ môi trường trong mộtmẫu đo Sau đó, giá trị nhiệt độ được lấy trung bình cộng và gửi về Server

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO RUNG ĐỘNG

VÀ MỘT SỐ CHỈ SỐ KHÁC CỦA ĐỘNG CƠ

Ở chương này, chúng em sẽ đề cập đến một số lý thuyết về rung động, đánh giá các chỉ

số phản ảnh trực tiếp hoặc gián tiếp đến độ rung động của động cơ Từ đó nhóm sẽ đưa rađược thiết kế tổng quan của hệ thống đo lường các chỉ số đó áp dụng công nghệ IoTnhằm theo dõi và cảnh báo về tình trạng của động cơ theo thời gian thực

3.1 Lý thuyết về rung động của động cơ:

3.1.1 Định nghĩa

Rung động của động cơ là hiện tượng rung lắc xảy ra trong quá trình hoạt độngcủa động cơ Rung động này là một chuyển động tuần hoàn (hay dao động cơ học) củađộng cơ quanh điểm cân bằng và có thể được mô tả bằng dạng sóng hình sin

3.1.2 Nguyên nhân gây ra rung động bất thường:

Một số nguyên nhân chính gây ra tình trạng rung động bất thường của động cơ:lệch trục chính, động cơ bị mất cân bằng, tải trọng vượt quá ngưỡng an toàn, các lỗi sailệch hoặc hỏng hóc về ổ bi, động cơ bị lệch tâm, các vấn đề về tải trọng, các vấn đề vềnguồn điện, sự cộng hưởng với các thiết bị khác, …