tiểu luận nhập môn ngành điện phân tích vai trò của điều khiển và tự động hóa trong lĩnh vực internet vạn vật

IoT là mạng kết nối các đồ vật, thiết bị thông qua cảm biến, phần mềm và nhiều công nghệ khác, cho phép những đồ vật, thiế ị đó thu thập, trao đổ ữ ệu với nhau thông qua internet.. t b i

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜ NG ĐIỆN ĐI N T – Ệ Ử

NGÀNH ĐIỆN

Phân tích vai trò của Điều khiển và Tự động hóa trong lĩnh vự Internet vạ c n vật

Trần Ngọc Khoa

khoa.tn232145@sis.hust.edu.vn

Ngành Kĩ thuật Điều khi n ể và Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn: Thầy Nguy n Duy nhễ Đỉ

HÀ NỘI, 1/2024

MỤC LỤC CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ INTERNET VẠN V T 1Ậ

1.1 Định nghĩa Internet ạv n vật (IoT) 1

1.2 Nguyên lý ạt độ ho ng của Internet vạn v t 1ậ 1.3 Lĩnh ực ứ v ng d ng cụ ủa IoT 2

Ô tô thông minh 2

Nhà thông minh 3

Thành phố thông minh 3

Công trình thông minh 4

1.4 Phân tích ưu/nhược điểm của IoT 4

Ưu điểm 4

Nhượ điểc m 4

CHƯƠNG 2 VAI TRÒ CỦA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 5

2.1 Khái ệm Điề ni u khi n và T ng hóa 5ể ự độ 2.2 M t s vai ộ ố trò cụ thể ủa Tự độ c ng hóa trong IoT 5

2.3 Ưu nhược điểm của Tự độ/ ng hóa trong IoT 6

Ưu điểm 6

Nhượ điểc m 7

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÔNG ĐOẠN, QUÁ TRÌNH, THIẾT

B T Ị Ự ĐỘNG HÓA TRONG INTERNET VẠN VẬT 9

3.1 M t s quá ộ ố trình Tự độ ng hóa trong IoT 9

3.2 M t s ộ ố thiết ị ự độb T ng hóa trong IoT 9

CHƯƠNG 4 MỘ SỐ T PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ, QUAN ĐIỂM CÁ NHÂN VỀ XU HƯ ỚNG PHÁT TRIỂ CỦ N A ĐIỀU KHIỂ TỰ ĐỘNG HÓA TRONG N INTERNET VẠ VẬT N 13 CHƯƠNG 5 KẾ T LUẬN 14

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 15

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành điện có tầm quan trọng rất lớn trong đời sống và phát triển của xã hội, vì nó cung cấp năng lượng và công nghệ cho nhiều hoạt động sản xuất, kinh doanh, giáo dục, y tế, giải trí và bảo vệ môi trường Ngành điện cũng là động lực cho sự đổi mới

và sáng tạo, tạo ra những sản phẩm và dịch vụ mới, mang lại nhiều lợi ích cho con người

Do đó, em đã quyế định nghiên cứu về một trong những ứng dụng mớt i và ti m ề năng của ngành điện là Internet vạn vậ (IoT t - Internet of Things) IoT là mạng kết nối các đồ vật, thiết bị thông qua cảm biến, phần mềm và nhiều công nghệ khác, cho phép những đồ vật, thiế ị đó thu thập, trao đổ ữ ệu với nhau thông qua internet t b i d li IoT cho phép các đồ vật, thi t bế ị ở nên thông minh hơn, tự động hóa và tối ưu hóa tr các quy trình, giải quyết các vấn đề và nhu cầu của con người

Em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Duy Đỉnh đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em đểhoàn thành bản tiểu luận này Tuy nhiên do em còn chưa có kiến thức chuyên sâu nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Chúng em xin tiếp thu ý kiến

từ thầy để bổ sung kiến thức cho mình và những lần tiếp theo

Em xin chân thành cảm ơn!

1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ INTERNET VAN VẬT 1.1 Định nghĩa Internet vạ n v ật (IoT)

Thuật ngữ IoT hay Internet vạn vật đề cập đến mạng lưới tập hợp các thiết bị thông minh và công nghệ tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động giao tiếp giữa thiết

bị và đám mây cũng như giữa các thiết bị với nhau Nhờ sự ra đời của chip máy tính giá rẻ và công nghệ viễn thông băng thông cao, ngày nay, chúng ta có hàng tỷ thiết

bị được kết nối với internet Điều này nghĩa là các thiết bị hàng ngày như bàn chải đánh răng, máy hút bụi, ô tô và máy móc có thể sử dụng cảm biến để thu thập dữ liệu và phản hồi lại người dùng một cách thông minh

Internet vạn vật tích hợp “vạn vật” với Internet mỗi ngày Các kỹ sư máy tính

đã và đang thêm các cảm biến và bộ xử lý vào các vật dụng hàng ngày kể từ những năm 90 Tuy nhiên, tiến độ ban đầu rất chậm vì các con chip còn to và cồng kềnh Loại chip máy tính công suất thấp gọi là thẻ tag RFID, lần đầu tiên được sử dụng để theo dõi các thiết bị đắt đỏ Khi kích cỡ của các thiết bị điện toán dần nhỏ lại, những con chip này cũng trở nên nhỏ hơn, nhanh hơn và thông minh hơn theo thời gian Chi phí tích hợp công suất điện toán vào trong các vật dụng nhỏ bé hiện nay đã giảm đáng kể Ví dụ: bạn có thể thêm khả năng kết nối với các tính năng của dịch vụ giọng thoại Alexa vào các MCU tích hợp sẵn RAM chưa đến 1 MB, chẳng hạn như cho công tắc đèn Nguyên cả một ngành công nghiệp đã bất ngờ xuất hiện với trọng tâm xoay quanh việc trang bị các thiết bị IoT khắp mọi ngóc ngách căn nhà, doanh nghiệp và văn phòng của chúng ta Những vật dụng thông minh này có thể tự động truyền và nhận dữ liệu qua Internet Tất cả những “thiết bị điện toán vô hình” này và công nghệ liên quan được gọi chung là Internet vạn vật

1.2 Nguyên lý ho t ng của IoT ạ độ

Một hệ thống IoT thông thường hoạt động thông qua việc thu thập và trao đổi

dữ ệu theo thời gian thựli c Một h thệ ống IoT có ba thành phần:

Thiết bị thông minh

Đây là một thiế ị, giống như tivi, camera an ninh hoặc thiế ị tập thể dụt b t b c đã được trao cho khả năng điện toán Thiế ị này thu thập dữ ệu từ môi trường xung t b li quanh, thao tác nhập liệu của người dùng hoặc mô th c sứ ử dụng và truyền cũng như nhận dữ ệu qua Internet từ ứng dụng IoT của nó.li

2

Ứng d ng IoT ụ

Ứng dụng IoT là mộ ập hợp các dịt t ch vụ và phần mềm có chức năng tích hợp

dữ ệu nhận được từ các thiế ị IoT khác nhau Ứng dụng này sử dụng công nghệ li t b máy học hoặc trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích dữ liệu và đưa ra các quyế ịnh t đ sáng suốt Những quyế ịnh này đượt đ c truyền trở lại thiết bị IoT và sau đó, thiết bị IoT đó sẽ phản hồi lại dữ ệu đầu vào một cách thông minh li

Giao di ện đồ họa ngườ i dùng

Một hoặc một nhóm các thiế ị IoT có thể đượt b c quản lý thông qua giao diện

đồ họa người dùng Các ví dụ phổ biến bao gồm một ứng dụng di động hoặc trang web có thể đượ ử dụng để đăng ký và kiểm soát các thiế ị thông minh c s t b

1.3 Lĩnh vực ứng dụ ng của IoT

1.3.1 Ô tô thông minh

Những phương tiện, chẳng hạn như ô tô, có thể kết nối với Internet bằng rất nhiều cách Có thể là thông qua camera hành trình thông minh, hệ thống tin học giải trí hoặc thậm chí qua cổng kết nối của phương tiện Chúng thu thập dữ diệu từ chân

ga, phanh, đồng hồ đo tốc độ, đồng hồ đo quãng đường, bánh xe và bình xăng để

H nh 1 Sơ đồ hệ ống th IoT

3

giám sát cả hiệu suất của người lái và tình trạng phương tiện Ô tô thông minh được

sử dụng cho hàng loạt mục đích:

- Giám sát đội xe ô tô cho thuê để tăng cường hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm chi phí

- Giúp cha mẹ theo dõi hành vi lái xe của con cái

- Tự động thông báo cho bạn bè và người thân trong trường hợp xảy ra tai nạn

xe

- Dự đoán và hạn chế nhu cầu bảo dưỡng xe

1.3.2 Nhà thông minh

Các thiết bị gia đình thông minh tập trung chủ yếu vào hoạt động cải thiện hiệu quả và độ an toàn của ngôi nhà, cũng như mạng lưới kết nối trong nhà Các thiết bị như ổ điện thông minh có thể giám sát mức sử dụng điện và bộ điều nhiệt thông minh có thể cung cấp khả năng kiểm soát nhiệt độ tốt hơn Các hệ thống thủy canh

có thể sử dụng cảm biến IoT để quản lý khu vườn, trong khi đó, máy báo khói IoT

có thể phát hiện khói thuốc lá Các hệ thống an ninh gia đình như khóa cửa, camera

an ninh và máy phát hiện rò nước có thể phát hiện và ngăn chặn các mối nguy hiểm, đồng thời gửi cảnh báo tới chủ nhà

Gia đình có thể sử dụng những thiết bị thông minh cho các mục đích:

- Tự động tắt các thiết bị khi không sử dụng

- Quản lý và bảo trì các bất động sản cho thuê

- Tìm đồ thất lạc như chìa khóa hoặc ví

- Tự động hóa các công việc hàng ngày như hút bụi, pha cà phê, v.v

1.3.3 Thành phố thông minh

Các ứng dụng IoT đã giúp quá trình quy hoạch đô thị và bảo trì cơ sở hạ tầng hiệu quả hơn Các chính phủ đang sử dụng ứng dụng IoT để giải quyết những vấn đề

về cơ sở hạ tầng, y tế và môi trường Ứng dụng IoT có thể được sử dụng cho các mục đích:

- Đo lường chất lượng không khí và mức độ bức xạ

- Giảm chi phí năng lượng nhờ hệ thống chiếu sáng thông minh

- Xác định thời điểm cần bảo trì các cơ sở hạ tầng quan trọng như đường xá, cầu cống và đường ống

- Tăng lợi nhuận thông qua công tác quản lý bãi đỗ xe hiệu quả

4

1.3.4 Công trình thông minh

Các công trình như khuôn viên trường đại học và công trình thương mại sử dụng ứng dụng IoT để thúc đẩy hoạt động hiệu quả hơn Những công trình thông minh có thể sử dụng các thiết bị IoT cho mục đích:

- Giảm mức tiêu thụ năng lượng

- Giảm chi phí bảo trì

- Tận dụng không gian làm việc hiệu quả hơn

1.4 Phân tích ưu/ nhược điể m c ủa IoT

IoT (Internet of Things) được đánh giá là một trong những công nghệ tiên tiến nhất hiện nay, với nhiều ưu điểm và nhược điểm đi kèm

1.4.1. Ưu điểm của IoT

- Kết nối toàn cầu: IoT cho phép các thiết bị điện tử thông minh kết nối và truyền tải dữ ệu li trên một mạng ới lư toàn cầu, tạo sự ra liên kết thông tin giữa các thi ết bị và giúp người dùng dễ dàng quản chúng.lý

- Tối ưu hóa ệu hi suất: IoT cho phép người dùng quản và điều khiển lý các thiết bị từ xa, tăng ờng hiệu ất và cư su tiết kiệm ời gian và th chi phí

- Nâng cao trải nghiệm ngư ời dùng: IoT cho phép người dùng tương tác với các thiết bị thông minh một cách thông minh và linh hoạt, từ việc kiểm soát đèn và nhiệt độ trong nhà đến việc điều khiển các thi ết bị gia đình từ xa

- Tăng cường độ tin cậy: IoT giúp giảm thiểu sự cố và tăng cư ờng độ cậy tin của hệ thống thông qua việc thu th ập và phân tích dữ ệu li liên tục để đưa ra các cảnh báo và cải tiến hệ thống

1.4.2. Nhược điểm của IoT

- Bảo mật và riêng tư: IoT đặt ra thách thức lớn về bảo mật và riêng vì nó tư, liênkết nhiều thiết bị và thu thập nhiều thông tinnhạy cảm từ người dùng

- Khả năng tương thích: Các thiết bị IoT có thể không tương thích với nhau hoặc không tương thích với các mạng khác nhau, tạo ranhữngràocản về việc kết nối và quản lý

- Chi phí cao: Việc triển khai hệ thống IoT có thể gặp phải chi phí đầu tư lớn, đặc biệt làvớicác công và ty tổ chức lớn

- Thiếu chính sách và quy định: Hiện nay, chưa có nhiều chính sách và quy định về IoT, dẫn đến các vấn đề liên quan đến bảo mật và quyền riêng tư

5

CHƯƠNG 2 VAI TRÒ CỦA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 2.1 Khái niệm Điều khiển và Tự độ ng hóa

Điều khiển và Tự động hóa là hai khái niệm quan trọng trong ngành điện, liên quan đến việ ử dụng các thiế ị, phần mềm và thuật toán để điều khiển và tối ưu c s t b hóa các quy trình, hệ ống và máy móc Điều khiển và Tự động hóa có vai trò rấth t lớn trong IoT, vì chúng giúp cho các thiế ị thông minh có thể thu thập, trao đổi và t b

xử lý d liữ ệu một cách tự động, linh hoạt và hiệu quả

2.2 Mộ t số vai trò cụ ể của Điều khiển và Tự động hóa trong IoT th

a) Gi i quyết các vấn đề của bộ điều khiển PLC từ xa ả

Bằng cách sử dụng các công nghệ kế ối như Wit n -Fi, Bluetooth, Zigbee, v.v., các kỹ sư có thể truy cập và điều khiển các bộ điều khiển PLC từ xa, xem các tệp nhật ký, đặt lại máy, v.v một cách nhanh chóng và tiện lợi

b) Ngăn không cho máy in nhãn hết giấy

Bằng cách sử dụng các cảm biến để đếm s lưố ợng nhãn còn lại trong máy, các

kỹ thuật viên có thể nhận được các thông báo đẩy hoặc email khi số ợng nhãn lư xuống mức thấp, để có thể thay thế kịp thời và tránh gián đoạn sản xuất

c) Cập nhật các chức năng mới trên màn hình HMI cho khách hàng ở nước ngoài

Bằng cách sử dụng các công nghệ cập nhật phần mềm qua internet, các nhà chế tạo máy có thể cung cấp các chức năng mới cho khách hàng mà không cần phải gửi nhân viên tới, tiết kiệm thời gian và chi phí

d) Phân tích và tối ưu hóa các hoạt độ ng c ủa robot công nghiệp

Bằng cách sử dụng các công nghệ truyền dữ ệu và phân tích dữ ệu lớn, các li li

kỹ sư có thể theo dõi và cải thiện hiệu suất, chất lượng, an toàn và bảo trì của các robot công nghiệp, như robot UR+

e) Qu ản lý dữ u t li ệ ừ nhiều tòa nhà để xây dự ng m ột trung tâm giám sát chung

Bằng cách sử dụng các công nghệ đám mây và IoT, các quản lý có thể thu thập

và xử lý d liữ ệu từ nhiều tòa nhà khác nhau, như nhiệ ộ, độ ẩm, ánh sáng, năng t đ lượng, v.v., để có thể điều khiển và tối ưu hóa các thiế ị và hệ ống trong tòa nhà.t b th

6

2.3 Ưu điểm và nhược điể m c ủa Tự động hóa trong IoT

2.3.1 Ưu đi ểm

a) Khả năng mở rộng quy mô sản xuất

Quy mô sản xuấ ạt đượt đ c bằng cách tăng sản lượng và trở nên hiệu quả hơn, hai mục tiêu mà quá trình chuyển đổi công nghiệp kỹ thuật số cho phép và tăng tốc Thật không may cho lực lượng lao động khi yếu tố con người đôi khi là mắt xích yếu nhất trong quy trình sản xuấ Tuy nhiên, bằng cách loại bỏ t con người khỏi một quy trình, các công ty có thể nhân thông lượng của họ lên bằng cách đặt ho t ạ động sản xuất vào tay robot

b) Tăng thời gian hoạ t động c ủa hệ thống

Giống như quy mô sản xuấ ị giớ ạn bởi thành phần con người, thờt b i h i gian ho t ạ động cũng vậ Mọi ngườ ần nghỉ ngơi, thựy i c c phẩm, môi trường làm việc an toàn

và được đối xử có đạo đức Mặt khác, máy không bị giớ ạn bởi h i th i gian nghờ ỉ và đói Cần phả ề cập rằng nhiều nhà máy rất an toàn vì thựi đ c hành tự động hóa có thể cải thiện mức độ an toàn của nhà máy

c) Hi u quả hoạt động ệ

Hiệu quả hoạt động là lợi ích kinh doanh chính được cải thiện trực tiếp nhờ các khoản đầu tư tự động hóa Điều này có nghĩa là nhiều hơn việ ử dụng máy móc để c s

thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại thông thường, nó có nghĩa là các hệ thống kết nối với nhau và các hệ thống tích hợp để chia sẻ thông tin và cho phép c i tiả ến hoạt động theo cấp số nhân Với logic máy tính, các h thệ ống có thể đáp ứng các nhu cầu khác của h thống ệ Ứng dụng cơ bản này hiện có ở khắp mọi nơi, từ tắt đèn khi không cần thiết, đến thông báo ngay lập tức cho các hệ ống của nhà cung cấp trên th toàn cầu rằng hệ thống nhà máy sẽ sớm cạn kiệt nguyên liệu thô và yêu cầu cung cấp lại

d) Cải thi ện an toàn cho ngườ i lao đ ộ ng

Mặc dù tự động hóa có thể giảm s lưố ợng công nhân trong dây chuyền, điều này có thể cải thiện sự an toàn của người lao động bằng cách giảm thiểu số ợng thi lư

thể, bằng cách sử dụng phân tích dữ ệu và IoT, nhưng quá trình tự động hóa tương li

tự cũng có thể cải thiện ngay lập tứ ự an toàn củc s a người lao động Thông tin cảm biến có thể được thu thập và phân tích để phát hiện các lỗi máy sắp xảy ra và cảnh báo cho nhân viên bảo trì

7

e) Cả i thiện việc tuân thủ quy nh đị

Một số công ty bị áp l c phự ải duy trì chất lượng tiêu chuẩn nhấ ịnh do chính t đ phủ quy định trong các sản phẩm của họ, điều mà tự động hóa có thể giúp ích do khả năng sản xuấ ổn định củt a nó Khả năng loại bỏ phần lớn các khiếm khuyế ề năng t v suất này cho phép các công ty tuân thủ các quy định nghiêm ngặt Ví dụ, trong các trường hợp như nhà sản xuất thực phẩm, Đạo luật Hiện đại hóa An toàn Thực phẩm của FDA yêu cầu các cơ quan chức năng bảo vệ người tiêu dùng và thúc đẩy sức khỏe cộng đồng, thông qua nhiều chương trình như Thực hành Sản xuất Tốt Hiện tại (CGMP), HACCP, Bộ ật Thựlu c phẩm Bán lẻ của FDA

f) Kiểm soát và truy cập bảo mật được tăng cường thông qua công nghệ

Mặc dù công nghệ IoT có thể giới thiệu nhiều hướng tấn công vào các hệ ống th

tự động hóa, nhưng nó cũng đưa ra giải pháp Về mặ ật lý, tự động hóa IoT có thể t v phát hiện sự hiện diện của các cá nhân trái phép và cảnh báo cho cơ quan chức năng,

tự động khóa cửa hoặc ngăn chặn truy cập hoàn toàn Bảo mật máy tính nâng cao cũng có thể tận dụng lợi thế của tự động hóa để chống lại những kẻ tấn công mạng Tự động hóa giúp ngườ ảo vệ hiển thị i b toàn bộ mạng của họ, tuân thủ cách tiếp cận dựa trên chính sách đối với cấu hình, quản lý và bảo mật hệ ống, đồng th thời tự động thực hiện nhiều nhiệm vụ bảo trì cấp thấp đồng thời cảnh báo cho các nhóm CNTT về các vi phạm nghiêm trọng hơn hoặc các mẫu có thể báo hiệu các cuộc tấn công

2.3.2 Nhược điểm

a) Khả năng kết n i tốt hơn làm tăng các nguy cơ An Ninh mạ ố ng

Thật không may, việc thêm nhiều thiế ị hơn đồng nghĩa với nhiều truy cập t b trái phép hơn cho những kẻ tấn công mạng Bảo mật IoT là một nhánh của các hoạt động bảo mật nh m gi i quy t m i lo ngằ ả ế ố ại ngày càng tăng này

b) Phụ thuộc vào Internet

IoT và tự động hóa phụ thuộc rất nhiều vào Internet để hoạt động Các hệ thống kết nối dự phòng được khuyến khích, trong khi việc mất k t n i dù chế ố ỉ trong thời gian ngắn có thể làm tê liệt nghiêm trọng hoạ ộng sản xuất với chi phí rất đ t lớn

c) Độ phức t ạp làm tăng điể m lỗi

Tương tự như các thiết bị được kết n i nhiố ều hơn dướ ạng vectơ tấn công, điều i d này cũng đúng đối với các lỗi cục bộ và hệ thống Khi các h thệ ống tự động hóa IoT ngày càng phứ ạp, trọng lượng củc t a rủi ro vốn có của các thành phần bị lỗi trong hệ