Chuẩn đoán lỗi cho hệ thống ổn định mức nước: Đồ án tốt nghiệp Khoa Chất lượng cao ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA CHẨN ĐOÁN LỖI CHO HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC GVHD: TS TẠ VĂN PHƯƠNG SVTH: NGUYỄN TĂNG PHI LÊ XUÂN TÙNG SKL009291 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề Tài: CHẨN ĐOÁN LỖI CHO HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC SVTH: NGUYỄN TĂNG PHI MSSV: 18151102 LÊ XUÂN TÙNG MSSV: 18151144 Khóa: 2018 Ngành: CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GVHD: TS TẠ VĂN PHƯƠNG Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 08 năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề Tài: CHẨN ĐOÁN LỖI CHO HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC SVTH: NGUYỄN TĂNG PHI MSSV: 18151102 LÊ XUÂN TÙNG MSSV: 18151144 Khóa: 2018 Ngành: CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GVHD: TS TẠ VĂN PHƯƠNG Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 08 năm 2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 08 năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Tăng Phi Lê Xuân Tùng Ngành: CNKT Điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Tạ Văn Phương Ngày nhận đề tài: 10/03/2022 MSSV: 18151102 MSSV: 18151144 Lớp: 18151CL3 ĐT: 0908248231 Ngày nộp đề tài: 6/08/2022 Tên đề tài: Chẩn đoán lỗi cho hệ thống ổn định mực nước Nội dung thực đề tài: • Điều khiển ổn định mực nước bồn đơn sử dụng thuật toán PID • Thiết kế giải pháp chẩn đốn lỗi cho hệ thống PLC • Sử dụng khối OB82 để chẩn đốn lỗi đặc tính thiết bị • Sử dụng Python để xây dựng model CNN • Thiết kế giao diện tương tác người dùng HMI • Đồng cảnh báo lỗi python, PLC chạy realtime Sản phẩm: • Bộ thơng số PID điều khiển ổn định hệ thống • Model chẩn đốn lỗi sử dụng thuật tốn CNN • Giao diện HMI giám sát điều khiển hệ thống TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Tăng Phi MSSV: 18151102 Lê Xuân Tùng MSSV: 18151144 Ngành: CNKT Điều khiển Tự động hóa Tên đề tài: Chẩn đốn lỗi cho hệ thống ổn định mức nước Họ tên Giáo viên hướng dẫn: TS Tạ Văn Phương NHẬN XÉT: Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm 2022 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Tăng Phi MSSV: 18151102 Lê Xuân Tùng MSSV: 18151144 Ngành: CNKT Điều khiển Tự động hóa Tên đề tài: Chẩn đốn lỗi cho hệ thống ổn định mức nước Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT: Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm 2022 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iii LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình thực đề tài giáo viên hướng dẫn ln tận tình quan tâm theo giỏi tiến độ thực đề tài đưa dẫn cần thiết thông qua buổi báo cáo tiến độ nhằm có điều chỉnh kịp thời phù hợp để nâng cao kết đề tài Trong thời gian thực đề tài, thầy tạo điều kiện cho chúng tơi tiếp cận số thiết bị tự động hóa Siemens giải pháp có phịng Lab – F1 Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô môn Tự Động Điều Khiển tạo điều kiện cho trước trình thực đề tài học hỏi nhận giúp đỡ nhiệt tình từ phía thầy, Chúng tơi biết ơn người thân, người bạn đồng hành, giúp đỡ suốt thời gian thực đề tài Bên cạnh đó, xin gửi lời cảm ơn đến tác giả sách, báo, tạp chí khoa học giúp chúng tơi có nguồn tài liệu tham khảo quý báu Gửi lời đồng cảm ơn đến bạn chuyên ngành điều khiển tự động khóa 2018 nhóm sinh viên nghiên cứu tự động hóa Siemens chia sẻ trao đổi kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian thực đề tài Xin chân thành cảm ơn! iv TĨM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài “Chẩn đốn lỗi cho hệ thống ổn định mực nước” giải pháp liên quan đến cảnh báo lỗi trực tiếp cho trạm PLC cảnh báo lỗi thơng qua việc giám sát HMI Đề tài đề xuất giải pháp giám sát chẩn đoán lỗi cho hệ thống điều khiển mực nước dựa vào điều khiển PLC nhằm chẩn đoán đưa cảnh báo, dẫn để người sử dụng khắc phục đưa hệ thống trở lại hoạt động bình thường cách nhanh chóng Mang đến tính linh động, an tồn nhanh chóng cảnh báo kiện lỗi người dùng cài đặt từ trước Ứng dụng lưu trữ lịch sử lỗi, giám sát trạng thái hoạt động PLC Đề tài phát triển theo hướng ứng dụng, thiết kế model chẩn đoán lỗi cho đối tượng mực nước tảng ngôn ngữ python mang lại hiệu tính chun mơn hóa, đồng thời dễ dàng chuyển đổi đối tượng chẩn đoán lỗi (Áp suất, nhiệt độ, lưu lượng), giao tiếp dễ dàng với PLC… Trong đề tài này, chúng tơi tập trung phát triển hai ứng dụng: • Điều khiển ổn định mực nước sử dụng phần mềm TiaPortal ứng dụng thuật tốn PID • Chẩn đốn lỗi cho hệ thống dựa vào đặc tính thiết bị • Chẩn đoán lỗi cho hệ thống dựa thuật toán CN v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT ĐỀ TÀI v MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xi Chương Tổng quan đề tài 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài .2 1.3 Giới hạn đề tài .3 1.4 Giới thiệu nội dung 1.5 Phương pháp nghiên cứu .3 Chương Cơ sở lý thuyết .4 2.1 Giới thiệu mơ hình điều khiển bồn nước .4 2.1.1 Hệ điều khiển PID ổn định mực nước cho hệ thống 2.1.2 Hệ thống điều khiển rời rạc 2.1.3 Việc thực PID điều khiển mức nước mô hình .8 2.2 Ứng dụng chẩn đốn lỗi 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Quy trình phát chẩn đốn lỗi 10 2.2.3 Dữ liệu lỗi hệ thống 11 2.3 Lỗi đặc tính thiết bị 12 2.4 Deep Learning ứng dụng 14 2.4.1 Artificial Intelligence (AI) 15 vi 2.4.2 Machine Learning .16 2.4.3 Deep learning 19 2.4.4 Quy trình traning model deep learning .32 Chương Mô tả hệ thống 34 3.1 Mô tả phần cứng 34 3.1.1 Yêu cầu phần cứng .34 3.1.2 Sơ đồ khối 34 3.1.3 Giới thiệu hệ thống (System) 35 3.1.4 Thiết bị tự động hóa: PLC (Controller) 37 3.1.5 Màn hình HMI 42 3.1.6 Pump 44 3.1.7 Cảm biến mực nước 45 3.1.8 Sơ đồ đấu dây .46 3.1.9 Thiết kế hộp giả lập lỗi .47 3.2 Thiết kế phần mềm 49 3.2.1 Yêu cầu hệ thống 49 3.2.2 State diagram 49 3.2.3 HMI 50 3.2.4 Model CNN 54 Chương Kết Quả 59 4.1 Bộ điều khiển PID .59 4.2 Màn hình giám sát HMI 60 4.3 Chẩn đoán lỗi cho hệ thống sử dụng đặc tính thiết bị .63 4.4 Chẩn đoán lỗi cho hệ thống sử dụng thuật toán CNN .65 Chương Kết Luận Và Hướng Phát Triển .69 5.1 Kết Luận 69 5.2 Hướng phát triển 69 Tài Liệu Tham Khảo Phụ Lục 70 Tài liệu tham khảo 70 vii