Nghiên cứu thiết kế và chẩn Đoán vị trí rò rỉ của mô hình hệ thống Đường ống dẫn nước thật áp dụng thuật toán ước lượng b$n vững lpv

TOM TAT Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chân đoán vị trí rò rỉ của mô hình hệ thống đường ông dân nước thật: áp dụng thuật toán ước lượng bên vững LPV Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA DIEN — DIEN TU

NGHIEN CUU THIET KE VA CHAN DOAN VI

TRI RO RI CUA MO HINH HE THONG DUONG ONG DAN NUOC THAT: AP DUNG

THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG BÈN VỮNG LPV

Người hướng dẫn: TS Phạm Thanh Phong

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Khương

Mai Hoàng Quý Thông

Mã sinh viên: 1811505520224

1811505520253 Lớp: 18TDH2

Trang 2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM KỸ THUẬT

KHOA DIEN — DIEN TỬ

NGHIÊN CUU THIET KE VA CHAN DOAN VI

TRI RO RI CUA MO HiNH HE THONG

DUONG ONG DAN NUOC THAT: AP DUNG

THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG BÈN VỮNG LPV

Người hướng dẫn: TS Phạm Thanh Phong

Mã sinh viên: 1811505520224

1811505520253 Lớp: 18TDH2

Đà Nẵng, 5/2022

Trang 3

{Trang trắng này dùng để dan bản Nhận xét của người hướng dẫn, hoặc thay trang này băng Nhận xét của người hướng dân}

Trang 4

NHAN XET CUA NGUOI PHAN BIEN

{Trang trang nay dùng dé dan ban Nhận xét của người phản biện, hoặc thay trang này băng Nhận xét của người phản biện}

Trang 5

TOM TAT

Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chân đoán vị trí rò rỉ của mô hình hệ thống đường ông dân nước thật: áp dụng thuật toán ước lượng bên vững LPV

Mã 5V: 1811505520224 Lớp: ISTDH2

Nội dung đề tài:

Tìm hiểu tông quan và khảo sát các phương pháp phát hiện rò rỉ trong đường ống dân nước

Thiết kế mô hình hệ thống đường ống dẫn nước kiểu mới phục vụ nghiên cứu giám sát hệ thống qua LoRa

Xây dựng mô hình toán học cho hệ thông đường ông dân nước

Xây dựng thuật toán ước lượng bền vững LPV cho những hệ thống tuyến tính có

thông số thay đổi: áp dụng vào chân đoán vị trí rò rỉ của hệ thống đường ống dẫn nước

Mô phỏng và thực nghiệm thuật toán, phân tích các kết quả ước lượng

Trang 6

TRUONG DAI HOC SUPHAMKY THAT | CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAM KHOA DIEN - DIEN TU Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Thanh Phong

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu thiết kế và chân đoán vị trí rò ri của mô hình hệ thống đường ống dẫn

nước thật: áp dụng thuật toán ước lượng bền vững LPV

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Cac cong bô quôc tê có liên quan

- Giới thiệu và khảo sát các phương pháp phát hiện rò rỉ trong đường ông dân nước

- _ Thiết kế mô hình hệ thống đường ống dẫn nước kiêu mới phục vụ nghiên cứu giám

sát hệ thống qua Lora

- _ Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống đường ống dẫn nước

- _ Xây dựng thuật toán ước lượng bền vững LPV cho những hệ thống tuyến tính có thông số thay đổi: áp dụng vào chân đoán vị trí rò ri của hệ thống đường ống dẫn nước

- _ Phân tích các kết quả ước lượng

- _ Báo cáo thuyết minh đề tài

4 Các sản phẩm dự kiến -

- _ Mô hình thực nghiệm hệ thông đường ông dân nước phục vụ nghiên cứu

- _ Thuật toán chân đoán vị trí rò ri của hệ thống đường ống dẫn nước

- Báo cáo phân tích kết quả mô phỏng và thực nghiệm

- _ Báo cáo thuyết minh đề tài

Trang 7

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống đường ống là một trong những giải pháp hiệu quả để vận chuyên chất lỏng được sử dụng rộng rãi và pho biến trên toàn thế giới Một trong những ứng dụng phỏ biến nhất của hệ thống đường Ô ống là vận chuyên nước Trong hệ thống đường ỗ ông thi ro ri là một trong những sự cô thường xảy ra vả khó phát hiện Rò rỉ trong hệ thống đường ong có thể dẫn đến các vấn đề như thất thoát gây thiệt hại về kinh tế hay ô nhiễm môi trường Rò rỉ trên đường ô ong có thê do tác động của ngoại lực, do sự thay đôi bất thường của áp suất, sự ăn mòn và lỗi khi thi công

Việc để cho hệ thông đường ống dẫn nước bị rò rỉ lâu ngày sẽ dẫn đến những hệ lụy lớn về kinh tế và môi trường Thứ nhất, sự cố rò rỉ sẽ làm thất thoát một lượng lớn nước øây ra tinh trạng lãng phí tài nguyên nước trong tình hình khan hiếm nước sạch trên toan thé giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang rất nghiêm trọng Thứ hai, việc rò rỉ trên hệ thống đường Ô ống dẫn nước sẽ gây ra hiện tượng âm mộc tại vị trí đó, phát sinh vĩ khuẩn, nắm mốc làm ô nhiễm môi trường bên ngoài và ô nhiễm nước sạch trong đường ông, làm giảm chất lượng nước sạch gây ảnh hưởng đến sức khỏe con

nguol

Hién nay cac ky thuat dé phát hiện vị trí rò rỉ trên đường ô ống thường cần người

bảo trì tới khu vực đường ống bị rò rỉ để xác định vị trí cụ thể của lỗ rò rỉ Ít có kỹ thuật nào có thể phát hiện từ xa vị trí rò rỉ và khoanh vùng khu vực rò rỉ để người bảo trì tới khu vực đó xác định cụ thể vị trí rò rỉ nằm ở đâu Việc phát hiện từ xa và khoanh vùng vị trí rò rỉ giúp xử lý sự cố rò rỉ một cách nhanh chóng, hạn chế tối đa việc thất thoát sây thiệt hại về kinh tế và hạn chế ô nhiễm môi trường Từ các lý do trên nhóm

em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chấn đoán vị trí rò ri của mô hình hệ thống đường ống dẫn nước thật: áp dụng thuật toán ước lượng bền vững LPV” giúp giám sát hệ thống đường ô ống dẫn nước và phát hiện từ xa vị trí rò rỉ Đề tài này

có ý nghĩa về mặt kinh tế cũng như môi trường

Trong quá trình thực hiện đề tài, với kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn chưa

nhiều, chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sot Chúng em rât mong nhận được các góp ý của quý thầy cô đề chúng em có thêm những kiến thức quý báu

Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến các thầy cô giáo giảng dạy trong khoa Điện - Điện tử của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật — Đại học Đà Nẵng đã giúp

đỡ chúng em trong quá trinh thực hiện đề tài, đặc biệt là thầy TS Phạm Thanh Phong, người đã tận tình hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực hiện dé tài này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Trang 8

CAM ĐOAN

Em xin cam đoan rằng đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chân đoán vị trí ro ri cua

mô hình hệ thông đường ông dân nước thật: áp dụng thuật toán ước lượng bên vững LPV” được tiên hành một cách minh bạch, công khai Mọi thứ được dựa trên sự cô gang tim hiéu cua bản thân và sự hướng dẫn tận tình từ thây Phạm Thanh Phong

Các kết quả được đưa ra trong đề tài này là trung thực vả những phân có sử dụng tài liệu kham thảo trong đỗ án có nguồn gốc rõ ràng Nếu như phát hiện Tăng không có

sự trung thực, minh bạch trong quá trình sử dụng thông tin và kết quả dé tai thi em chịu hoàn toàn trách nhiệm

Sinh viên thực hiện {Chữ ký, họ và tên sinh viên}

Trang 9

MỤC LỤC

NHÂN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

NHÂN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

Ni ố l

CHƯƠNG |: GIỚI THIỆ VÀ KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN

RO RÍ TRONG ĐƯƠNG ÔNG DẪN NƯỚC 22H 2

1.1.1 Giới thiệu về hệ thống đường Ống 52 1n 12112122122 11g 2

1.1.2 Những nguyên nhân khiến đường ống dẫn nước bị rò rỉ 2 1.1.3 Vai trò của phát hiện rò rỉ trong đường ống dẫn nước - sec: 3

1.2 Một số phương pháp phát hiện rò rỉ trong đường ông dẫn nước - 4

1.2.1 Kiểm tra bằng mắt thường s 52 SE E1121121121121 12211211 e xe 4 1.2.2 Thêm chất tạo mùi vào chất long dé phát hiện vị trí rò rỉ - 4 1.2.3 Kỹ thuật phát hiện rò rỉ sử dụng âm thanh - 2222222222 czcsss 5 1.2.4 So sánh một số phương pháp phát hiện rò rỉ trong đường ông dẫn nước .5

1.3 Đề xuất phương pháp phát hiện vị trí rò rỉ trong đường ống - 6

CHUONG 2: | THIET KE MO HINH HE THONG DUONG ONG DAN NƯỚC

KIE MOI PHUC VU NGHIEN CU GIAM SAT HE THONG QA LORA 8

2.1 Tong quan vé hé thong cccccccccccccsssssecsessecseseesseseesessessessesessesscessesesesseneees 8

2.1.1 Dé xudt mé hinh hé thong ccecccec esses essesscssesesstsscseseeseeseesenssees 8

2.1.2 M6 hinh thí nghiệm phục vụ nghiên cứu giám sát hệ thống đường ống dẫn

nước qua LoRa và sơ đô khôi tông quát của mô hình - 52 222222222 xcczss2 9 2.2 Lựa chọn các linh kiện và các chuẩn truyền thông chính được sử dụng trong

2.2.1 Lựa chọn các linh kiện chính được sử dụng trong mô hình 11

ll

Trang 10

2.2.2 Lựa chọn các chuẩn truyền thông chính được sử dụng trong mô hỉnh 17

2.3 Thiết kế các khối chức năng trong mô hình hệ thống đường ông dẫn nước 19 2.3.1 Thiết kế khối thu thập dữ liệu và điều khiển bơm đầu đường ống 19 2.3.2 Thiết kế khối thu thập đữ liệu cuối đường ống 25c2ccszse2 24

2.3.3 Thiết kế khối trung tâm - 212122211 11111 1211112121121 en re 29 2.3.4 Thiết kế khối giám sát 5-1 9 2112 1112112112121 2112 211g raa 39

2.4 Mô hình hệ thống đường ông dẫn nước hoản thiện 52 2 c2 ccczszz2 44

CHUONG 3: XAY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THÔNG 49

3.1 GIới thiệu chung : +2: 2c 12212211211 151 15111511511 1111 11 1111111 11H k ga 49 3.2 Phương trình động lực học của chất lỏng trong đường ống 5s: 49 3.3 Phương trình trạng thái của đường Ống - 5 1 22 1152 11111122 x6 50 3.4 Biểu diễn phương trạng thái về dạng LPV s5 S121 2211222 y6 52

3.5 Giam bae m6 hinh toan hoc hé thong ccs esseseeseseseseseseeseseseseen 53

3.6 XAy dung m6 hinh hé thong trén Matlab/Simulink 00.0000 ccc: 55

CHUONG 4: THIET KE BO QAN SAT DE CHAN DOAN VI TRI RO Ri CUA

HE THONG DUONG ONG DAN NUGC wiisssssessesssstessesseessessnneecestesseeeinsensuneanenses 57

4.1 _ Giới thiệu bộ quan sát - 2 2 2112111211211 111111111 1110112111011 1111 1111 1kg 57

4.2 Cấu trúc bộ quan sát + 5+ S11 811211111211 111111121 112211210121 rrg 58 4.3 Các bước thiết kế bộ quan sát 5+5 2S 1E E21211111211 121112121121 rryg 58 4.3.1 Xây dựng bất đăng thức ma trận tuyến tính (LMII) - -5sccscsss2 58

4.3.2 Giải bất phương trình ma trận tuyến tính bằng phương pháp đa diện 59

4.3.3 Tính L(p) từ giá trị ở các đỉnh - óc 2 Sn 1211211121101 18111 111101211211 se 60

4.3.4 Tóm tắt các bước thiết kế bộ quan sát trạng thái - ¿2 22c scccss2 61 4.4 Kết quả thiết kế bộ quan sát trên Matlab - + s2 1111221151111 e6 61

44.1 Kết quả giải tìm L¡ tại các đỉnh - 5s 2111211121122 61

4.4.2 Kết quả tính L(p) từ các giá trị L¡ ở các đỉnh -sccs2cxEsxzrsze2 62 4.4.3 Xây dựng bộ quan sát trạng thái trên Miatlab/SImulink 63

CHUONG 5: KET QA MO PHONG VÀ THỰC NGHIỆM -5-7s55e: 64

Trang 11

5.2.1 Kịch bản thực nghiệm Ì - + c 222122211211 121 11231111151 2821 18111111 xe2 67 5.2.2 Kịch bản thực nghiệm 2 - 2: 2 12122211211 1211123 11111212811 811 1111 xe 69

KẾT LẬN

TÀI LIỆ THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Trang 12

DANH SACH CAC BANG, HINH VE

BANG:

Bảng 1.1 Bảng so sánh một số phương pháp xác định vị trí rò rỉ trong đường ống dẫn

"hà 5

Bảng 2.1 Một vài thông số của Arduino NO R3 - 5 S22 E221 21a 12

Bảng 2.2 Một vài thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560 552 2cc2222zcze2 15

Bảng 2.3 Mã hàm của Modbus 2 122112211211 12111111211 1111101111111 1 112111181111 rkg 19

Bảng 2.4 Địa chỉ thanh ghi Modbus RT của khối truyền thông 252 37

HÌNH VẼ:

Hinh 1.1 Đường ống nước ngẫm bị rò rỉ 2 2©2s 22 S2E22E222122122512122711 2121111127121 xe 2

Hình 2.1 Mô hình hệ thống tổng quát - 52-52 S199 EE1E7111511211211111121111221 1 yeu 8

Hình 2.2 Mô hình thí nghiệm mô phỏng đường ống trong thue te cee eee: 9

Hình 2.3 Sơ đồ khối của hệ thống 2 2-21 SE 2 8711121121111121112111 121 ng nrey 10 Hinh 2.4 Cảm biến áp suất WIKAA PSD-4 2-52 21 2112112122711112211111211 222222 te II

Hình 2.5 Cảm biến lưu lượng nước SAGINOMIY A PLK-1522PE 222252 12

Hình 2.6 Vi điều khiến Atmega328 tiêu chuẩn 52-21 1 E1 EE12112211152 1111 26 13

Hinh 2.7 Arduino Mega 2560 L1 0120121111111 111 1121111111 011011 1111 1111111111 kg 15

Hinh 2.8 Hinh Module thu phat RF LoRa AS32 - TTL — 100 2.- c5 552 16 Hình 2.9 Ứng dụng của công ngh@ Lora ccccccccccesesssesseesresseersessreseressesiesesanseeessen 18

Hình 2.10 Sơ đồ khối của khối thu thập dữ liệu và điều khiển bơm đầu đường ống 20 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý của mạch SLA VE | - 5 S222 2221222121121 6 21

Hinh 2.12 Mach in SLAVE 1 được thiết kế trên Altium 25c 222cctrrrrrrrrre 22

Hinh 2.13 Mach in SLAVE 1 sau khi hoàn thành S221 1111122211111 1k reg 22 Hình 2.14 Lưu đồ thuật toán của vi diéu khién Arduing no trong khối thu thập dữ

liệu và điều khiển bơm đầu đường ống 2- 5 S11 E1211211211211221211 212111 ng 23 Hinh 2.15 Thiét bi SLAVE 1 sau khi hoàn thành c0 22 2511111111211 1 1E S251 xe2 24 Hình 2.16 Sơ đồ khối của khối thu thập dữ liệu cuối đường ống - 2555 25

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý của mạch SLLA VE 2 2-5 1 22212212121 11 2E t6 26

Hình 2.18 Mạch in SLAVE 2 được thiết kế trên Altium 525c2222vctrrrrrrrrre 26

Hình 2.19 Mạch In SLAVE 2 sau khi hoàn thành - Q25 11 1111252111111 1E reg 27 Hình 2.20 Lưu đồ thuật toán của vi điều khiển Arđuïno no trong khối thu thập dữ

Hình 2.21 Thiết bị SLAVE 2 sau khi hoàn thành 5: 552222+z222 2222 crzrrrred 29 Hình 2.22 Sơ đỗ khối của khối trung tâm - 52 1S 121271211 111121111112 12 g0 30 Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý của mạch SERVER 52 s21 1181212121 te 31

Hình 2.24 Mạch in SERVER được thiết kế trên Altium -. 52+222cs2zxcccrve2 31

Hinh 2.25 Mach in SERVER sau khi hoan thành 2G 1 111 S11 SH ey 32 Hình 2.26 Lưu đồ thuật toán của Arduino Mega của khối truyền nhận tín hiệu qua

II 33

Hinh 2.27 Chương trình của Arduino Mega trên Matlab/Simulink - - 34

VI

Trang 13

Hình 2.28 Sơ đồ Simulink cho chức năng gửi các yêu cầu đến các khối thu thập dữ

i00 35 Hình 2.29 Trigered Subsystem của sơ đồ Simulink cho chức năng gửi các yêu cầu đến các khối thu *0072)000)0)000000/// ANH 35 Hinh 2.30 Sơ đồ Simulink cho chire nang sửi các đữ liệu đã được xử lý tới Arduino

_no ở khối truyền CHONG 36

Hình 2.31 So dé Simulink cho chitc năng nhận đữ liệu qua LoRa, giải mã va xử lý tín

Hình 2.32 Lưu đồ thuật toán của Arduino no trong khối truyền thông 38

Hinh 2.33 Thiết bị khối trung tâm sau khi hoàn thành 2222 2£2E22S££2£22E2 222222 39 Hình 2.34 Sơ đồ khối của khối giám sát 52 S1 221211111 111121211111 12H10 39

Hinh 2.35 Cấu hình trên phần mềm Kepware OPC Server - 2 s+z22<22z2zzzxe2 40

Hình 2.36 Cấu trúc cơ sở đữ liệu được thiết kế - 5256 22 c2 tre 41

Hinh 2.37 Tao két néi dén Kepware OPC Servet.oc.cc.cccccccccccecsssecsesesessesesteseseseesen 41

Hinh 2.38 Tạo các HMI Tag liên kết đến các OPC Server tag -2- 222cc 42

Hinh 2.39 Hàm phi dữ liệu vào bảng L0 12112211211 121111 111211 1111115111 128k rườ 42

Hình 2.40 Ví dụ về 1 file CSV báo cáo đã xuất -55 222 221221 re 43

Hinh 2.41 Giao diện piâm sát trên WInCC., - 12:12 1122112111122 1111111 11811118 rray 43

Hình 2.42 Mô hình hệ thống đường ông dẫn nước hoàn thiện - 5-52 s22 45 Hình 2.43 Mô hình khối thu thập dữ liệu và điều khiển bơm đầu đường ỗng 46 Hình 2.44 Mô hình khối thu thập dữ liệu cuối đường ống - - 2222222 47 Hình 2.45 Mô hình của khối trung tâm và khối giám sát 2-2 S2 c2 re 48

Hinh 3.1 Chia đường ống ra làm nhiều đoạn để xem xét - 2¿ 2+s2£z+£22E2zz22+2 49

Hình 3.2 Giả định trong mỗi thời điểm chỉ xuất hiện một lỗ rò rỉ trên đường ống 53

Hình 3.3 Mô hình toán học của hệ thống trên Matlab/Simulink - - sssz+zzzs2: 56 Hình 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống quan sát trạng thái được đề xuất trong đề tài 57

Hình 4.3 Các bước thiết kế bộ quan sát trạng thái - 2-1 S1 2222121212111 x6 61

Hinh 4.4 hàm tính ma trận L(p) trone Matlab - c1 2 1211211122121 1221112211122 1e 62

Hinh 4.5 Bộ quan sát trạng thái trên Matlab/SImulink - - óc Sc S222 x2 sxsse2 63

Hình 5.1 Mô hình toán học và bộ quan sát trạng thái hệ thống đường ống dẫn nước

0i9)8/101.104614)111001 TT 64

Hinh 5.2 Kết quả mô phỏng của kịch bản mô phỏng l - 2-22 52+222222E+£2z£z£z2 65 Hinh 5.3 Kết quả mô phỏng của kịch bản mô phỏng 2 À 22222222 +222S2£E££2z£zzz2 66 Hinh 5.4 Kết quả mô phỏng của kịch bản mô phỏng 3 2222222 ‡222S22E££22£c£z2 67

Hinh 5.5 Màn hình siám sát WInCC trong kịch bản thực nghiệm 1 68

Hình 5.6 Kết quả chạy thử nghiệm trên Matlab/Simulink của kịch bản thực nghiệm 1

G1111 111 1111111111111 11 1111111111111 11111 1111111111111 T111 1 1111111111111 11 116110111111 0111101111 1116117715: 68

Hinh 5.7 Màn hình siâm sát WINCC trong kịch bản thực nghiệm 2 - 69

Hình 5.8 Kết quả chạy thử nghiệm trên Matlab/Simulink cua kịch bản thực nghiệm 2

G1111 111 1111111111111 11 1111111111111 11111 1111111111111 T111 1 1111111111111 11 116110111111 0111101111 1116117715: 70

vu

Trang 14

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

CHU VIET TAT:

Cum từ viet tat Cum tr gốc Y nghia LoRa Long range radio Sóng vô tuyến tâm xa LPV Linear parameter-varying | Tham sé tuyến tính thay

doi

SCADA Supervisory control and | Hệ thông điêu khiến giám

data acquisition sát và thu thập dữ liệu PLC Programmable logic B6 diéu khién logic kha

HMI Human machine interface Giao diện người và máy _ ART niversal asynchronous Bộ truyền nhận đữ liệu

receiver / transmitter noi tiép bat dong bd

control OPC Open platform Truyén théng nén tang mo

communications CSV Comma-separated values | Cac gia tri được phân tách

bang dau phay LMI Linear matrix inequality Bat dang thức ma trận

tuyên tính DSP Digital signal processor Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật

Trang 15

hệ thông đường ông dẫn nước thật: áp dụng thuật toán ước lượng bên vững LPV

MỞ ĐẦU

Mục đích thực hiện đề tài

Nghiên cứu đề phát triển hệ thống phát hiện vị trí rò rỉ trên hệ thống đường ống nước một cách tự động theo thời p1an thực -

Hạn chê tỉnh trạng lãng phí nước và ô nhiễm môi trường do rò rỉ trên hệ thông

đường ông dẫn nước Thiết kê thiệt bị chân đoán vị trí rò rỉ trên hệ thông đường ông nước có giá thành thâp, phủ hợp đề áp dụng rộng rãi

Mô hinh toán học cho hệ thông đường ông dân nước Thuật toán ước lượng bên vững LPYV cho những hệ thông tuyền tính có thông so

thay đôi

Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu tải liệu và các công trình nghiên cứu trước đó, kết hợp với các kiến thức đã học đê xây dựng mô hình thực nghiệm

Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Giới thiệu và khảo sát các phương pháp phát hiện rò rỉ trong đường ống dẫn nước

Chương 2: Thiết kế mô hình hệ thông đường ống dẫn nước kiểu mới phục vụ

nghiên cứu giám sát hệ thông qua LoRa

Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ thống Chương 4: Thiết kế bộ quan sát dé chân đoán vị trí rò ri của hệ thống đường ống dẫn nước

Chương 5: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Trang 16

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE HE THONG ĐƯỜNG ÓNG NƯỚC

VA CAC PHUONG PHAP PHAT HIEN RO RI TRONG DUONG ONG

NƯỚC

1.1 Giới thiệu

1.1.1 Giới thiệu về hệ thống đường ống

Hệ thống đường ống nước đóng vai trò quan trọng trone việc cung cấp nước sạch

và an toàn cho các cộng đồng Được xây dựng từ các loại vật liệu như thép, nhựa, hay amiang, đường ống nước mang theo nước từ nguồn cung cấp đến các khu dân cư, doanh nghiệp và các khu vực khác nhau

Tuy nhiên, vấn đề rò rỉ đã tro thành một thách thức đối với tính ôn định và hiệu

suât của hệ thong nay Ro rỉ có thể xảy ra ở nhiêu điêm trên đường ông, từ các môi

hàn, kêt nỗi đến các khu vực bị mài mòn Điều này gây lãng phí nước, làm giảm áp lực, và có thê gây hậu quả nặng nề đôi với môi trường và kinh tê

Theo nghiên cứu của World Bank ước tính lượng nước thất thoát trên toàn thé

giới lên tới 48,6 tý m/năm, với ton thất tiền tệ khoảng 14,6 tỷ đô la Mỹ mỗi năm [1] Đối với địa phương, theo khảo sát: mạng lưới đường ô ống cấp nước Đả Nẵng có cầu tạo ba cấp, bao gom mang cap I, mang cap H, mang cap Ml va cac công trình phụ

trợ có liên quan Hiện tại tông chiều dài các đường ông mạng cấp I, cấp II khoảng: 278

km Trên mạng lưới hiện có 06 trạm bơm tăng áp công suất 70+ 300m?/giờ Tý lệ thất thoát, thất thu: năm 2018: 13,82%.”

Trong hệ thống đường ống thì rò rỉ là một trong những sự có thường xảy ra và

khó phát hiện Rò ri trong hệ thống đường ong có thê dẫn đến các van đề như thất thoát gây thiệt hại về kinh tế hay ô nhiễm môi trường Rò rỉ trên đường ô ống có thé do tác động của ngoại lực, do sự thay đổi bất thường của áp suất, sự ăn mòn và lỗi khi thi

công

1.1.2 Những nguyên nhân khiến đường ống dẫn nước bị rò rỉ

Ro ri trong hé thong duong ống nước có thê xuất hiện nhiều nguyên nhân khác

nhau, từ các yêu tô tự nhiên đến các vấn đề liên quan đến quá trình sản xuất và lưu thông nước Dưới đây là một số nguyên nhân phô biến tạo ra đường ống dẫn nước bị

ro ri:

Trang 17

hệ thông đường ống dẫn nước thật: áp dung thuật toán ước lượng bên vững EPV

Hình 1.1 Đường ống nước ngầm bị rò ri

Sự ăn mòn của đường ống: Nước thường chứa các chất hóa học hoặc khoáng chất

có thể sây ăn mòn cho vật liệu của đường ống Điều này dẫn đến việc siảm độ dày của đường ống và tăng khả năng xuất hiện lỗ rò rỉ

Áp lực nước quá mức: Điều này đặc biệt đúng đối với các khu vực có hệ thống bơm áp lực cao hoặc các nguồn nước có áp lực mạnh Mức áp lực nước vượt quả khả

năng chịu đựng của đường ô ống Điều này gây ra tình trạng căng thắng trên các điểm

yêu, làm suy giảm độ giãn nở của vật liệu và tăng rò rỉ

Thay đôi nhiệt độ: Sự thay đôi nhiệt độ lớn có thê tác động đáng kê đên đường ông nước Sự mở rộng và co lại của vật liệu có thê tạo ra áp lực lên các kết nôi và điểm yêu của hệ thong, gay ro ri

Tác Động từ Môi Trường: Lực tác động từ môi trường, mặc dù hạn chế như sự chuyền động của đất đá, có thể tạo ra các áp lực và lực tác động không đều lên đường ống Điều này có thể gây ra vết nứt và rò rỉ, đặc biệt là ở những khu vực có địa hình phức tạp

1.1.3 Vai trò của phát hiện rò ri trong đường ống dẫn nước

Việc dé cho hé thong đường ống dẫn nước bị rò rỉ lâu ngày sẽ dẫn đến những hệ lụy lớn về kinh tế và môi trường Thứ nhất là sẽ làm thất thoát một lượng lớn nước gây

ra tình trạng lãng phí tài nguyên nước trong tình hình khan hiếm nước sạch trên toàn thé giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang rất nghiêm trọng Thứ hai việc rò rỉ hệ

thống đường ông dẫn nước sẽ gây ra hiện tượng âm mốc tại vị trí đó, phát sinh vi khuẩn, nam moc lam 6 nhiễm môi trường bén ngoai va 6 nhiễm nước sạch trong đường ống, làm giảm chất lượng nước sạch gây ảnh hướng đến sức khỏe con người Nếu không được được phát hiện kịp thời các lỗ rò rỉ nhỏ sẽ nhanh chóng phát triển thành các lỗ rò rỉ lớn, vì vậy cần phát hiện và xử lý kịp thời sự cô rò ri của các đường 6 ống dẫn nước, làm hạn chế những sự cố có thể xảy ra gây thiệt hại lớn cho các

hộ gia đình và các doanh nghiệp

1.2 Một số phương pháp phát hiện rò rỉ trong đường ống dẫn nước

Vì tầm quan trọng của việc phát hiện rò rỉ trên đường ống dẫn nước nên người ta

có sử dụng một sô phương pháp phát hiện rò rỉ:

Trang 18

- _ Kiểm tra bằng mắt thường

- Su dung hạt từ tính để kiểm tra nứt bề mặt

- Sử dụng siêu âm để đo độ dày thành ống, phát hiện sự gián đoạn trên bề mặt

- _ Sử dụng tia phóng xạ (tia X hoặc tia gamma) đề chụp ảnh phát hiện vị trí rò rỉ

- _ Thêm chất tạo mùi vào chất long dé phát hiện vị trí rò ri

- Kỹ thuật cân bằng khối lượng - thể tích Phương pháp này chỉ được dùng cho các hệ thông ôn định, lưu lượng vào và lưu lượng ra đo được ở hai đầu đoạn ông phải được cân bang và bất kỳ sự thay đôi nào về tốc độ dòng chảy và áp suất là do có sự xuất hiện của rò rỉ

- Phuong phap mô hình hóa thời gian thực sử dụng nguyên lý bảo toàn động lượng và năng lượng đề tạo ra các mô hình toán học của dòng chảy trong đường ong,

- Ky thuat phat hién ro ri su dụng âm thanh

Trong mục này sẽ khảo sát một số phương pháp xác định vị trí rò rỉ mà người ta thường dùng trong thực tê

1.2.1 Kiểm tra bằng mắt thường

Phương pháp này được thực hiện bằng cách đi dọc theo đường ô ông để kiểm tra và phát hiện các vị trí âm ướt, nắm mốc xung quanh đường ống Ưu điểm của phương pháp này là không cần đầu tư các thiết bị Tuy nhiên phương pháp này gây tốn thời gian và không thê xác định được vị trí rò rỉ đối với đường ống năm sâu trong đất, cũng như ở các vị trí khó nhìn, và với đường ống quá dài sẽ tốn rất nhiều thời gian để phát hiện được vi tri rò rỉ

1.2.2 Thêm chất tạo mùi vào chất lỏng để phát hiện vị trí rò ri

Phương pháp này được thực hiện bằng cách trộn chất tạo mùi vào trong đường ống dẫn nước, đi dọc đường ống và phát hiện mùi phát ra xung quanh các lỗ rò rỉ Ưu điểm của phương pháp này lả có thê khoanh vùng lỗ rò rỉ nhanh chóng hơn phát hiện

bằng mắt thường và có thê phát hiện lỗ rò rỉ ở các vị trí khó nhìn, phương pháp này

cũng không cân đầu tư các thiết bị phức tạp Tuy nhiên phương pháp này cũng không thể xác định được vị trí rò rỉ đối với đường ông nằm sâu trong đất, với đường ông quá

dài sẽ tốn rất nhiều thời gian dé phát hiện được vị trí rò ri và không thể áp dụng

phương pháp này với các đường Ô ống cấp nước sạch vì sẽ làm ô nhiễm nguồn nước gây

ảnh hưởng đến các hộ gia đình

1.2.3 Kỹ thuật phát hiện rò rỉ sử dụng âm thanh

Kỹ thuật này sử dụng tiếng ồn hoặc độ rung để xác định vị trí rò rỉ trong đường ống Tiếng ồn của chất lỏng thoát ra từ đường ông tạo ra các tần số âm thanh và được

sử dụng để xác định vị trí rò rỉ trong đường ông Khi lỗ rò rỉ hình thành, chất lỏng

thoát ra dưới dạng một tia phản lực tốc độ cao và dẫn đến việc tạo ra một tín hiệu âm thanh tần số thấp có thê nhận biết được Ky thuật phát hiện rò rỉ sử dụng âm thanh hoạt động dựa trên đặc điểm quan trọng của sóng áp suất đi chuyến trên những khoảng cách

Trang 19

lớn với vận tốc âm thanh do thành ống định hướng Thông thường, tín hiệu thu được mạnh hơn xung quanh vị trí rò ri, do đó, nó hồ trợ xác định vị trí rò rỉ

Đây là kỹ thuật được dùng phô biến và có nhiều thiết bị được chế tạo theo nguyên lý nảy giúp phát hiện rò rỉ như thiết bị trong hình 1.2

Thiết bị phát hiện rò

Hình 1.2 May phát hiện rò rỉ nước T 830P!

1.2.4 So sánh một số phương pháp phát hiện rò rỉ trong đường ống dẫn nước

Kiêm tra bằng - Không cân đầu tư - _ Gây tốn thời gian

rò rỉ đôi với đường ông nắm

sau trong dat

- Voi duong ong qua dai sé ton

rat nhieu thoi gian dé phat hién

được vị trí rò rỉ

Thêm chất tạo - Có thể khoanh - Không thể xác định được vị trí

mùi vào chất ving 16 rò rỉ rò rỉ đối với đường ông nằm lỏng để phát hiện nhanh chóng hơn sâu trong đất

vị trí rò rỉ phát hiện bằng - Với đường ông quá đải sẽ tôn

- Có thê phát hiện được vi tri ro ri

lo ro mo cae NI - Không thể áp dụng phương

trí khó nhìn pháp này với các đường ông háp nà xa ` Ặ

- Khong cân đầu tư cập nước sạch vì sẽ làm ô

các thiết bị phức nhiêm nguôn nước gây ảnh tạp hưởng đên các hộ gia đỉnh

Trang 20

Kỹ thuật phát - Tiết kiệm được - Chi phi cao

hiện rò rỉ sử dụng thời gian so với

âm thanh hai phương pháp

chính xác - _ Nhiều nên từ nên đât ngam

- C6 thé dùng với - Cảng gan vị trí rò rỉ thì âm

cá hệ thống thanh càng dễ nghe, nêu xa quá

đường ống tương thì khó phát hiện được

đôi dài và năm| - Việc nghe khó khăn hơn đối

sau trong dat với ông nhựa

Từ bảng 1.1, có nhận xét rằng các phương pháp được sử dụng pho bién hién nay

déu yéu cau việc khoanh vùng khu vực rò rỉ roi moi phat hign cu thê vị trí rò rỉ Đối

với các đường ống quá đài, các phương pháp này tốn quá nhiều thời gian dẫn đến

không thé phát hiện sớm được vị trí rò rỉ Điều này sẽ gây thiệt hại về kinh tế cũng như môi trường Để khoanh vùng và phát hiện sớm vị trí rò rỉ, phương pháp phát hiện tối

ưu hơn các phương pháp đã khảo sát sẽ được đề xuất trong mục sau

1.3 Đề xuất phương pháp phát hiện vị trí rò rỉ trong đường ống

Từ các đánh giá ở mục trước, để tài này đề xuất một phương án khác để phát hiện vị trí rò rỉ Phương án trong dé tài là dựa vào bộ quan sát trạng thái với đầu vào

là các giá trị đo từ cảm biến lưu lượng và áp suất lắp đặt ở hai đầu đường Ô ông, đầu ra của bộ quan sát là giá trị ước lượng vị trí điểm rò rỉ Như vay, dé thiết kế được bộ quan sát trạng thái thì việc xây dựng mô hình toán học của hệ thông là rất quan trọng

Cụ thể, mô hình toán học của hệ thống đường ống được phát triển bằng cách sử dụng

các định luật vật lý của dòng chảy trong đường ống

Như đã trình bày ở trên, muốn ước lượng được vị trí điểm rò rỉ, ta cân thông tin

về lưu lượng và áp suất ở đầu đường ống và Ở cudi duong ống Các thông tin này được thu thập từ các cảm biến lắp trên đường ô ống và truyền về trung tâm thông qua mạng truyền thông không dây công suất thấp LoRa

Với phương án như trên, thì trong đề tải này phải xây dựng cả phần cứng, phần

mềm và thuật toán ước lượng Cụ thê như sau:

e Về phần cứng, cần thiết kế các mạch o đầu và cuối đường ống để đọc được các giá trị đo từ cảm biến và gửi về khối trung tâm thông qua mạng

LoRa Ngoài ra, ở khối trung tâm có các mạch thu nhận dữ liệu truyền ve

và xử lý dữ liệu Sau đó, dữ liệu từ khối trung tâm này được truyền về máy tính giám sát thông qua mạng truyền thông công nghiệp Modbus

RT

e Vé phần mềm, cần thiết kế các chương trình cho khối vi điều khiển để đọc đữ liệu và truyền thông theo các chuẩn truyền thông chính như LoRa

Trang 21

và Modbus RT Ngoài ra, trong đề tài cũng cân thiệt kê p1ao điện gi4m sát trên máy tính

® - Vệ thuật toán, xây dựng được bộ quan sát trạng thái đề ước lượng được

vị trí điểm rò rỉ từ các thông tin về lưu lượng và áp suât ở hai đầu đường ông

Trang 22

CHUONG 2: THIẾT KÉ MÔ HÌNH HỆ THÓNG ĐƯỜNG ÓNG DẪN NƯỚC KIỂU MỚI PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT HỆ THÓNG

Hình 2.3 Mô hình hệ thống tông quát

Trong thực tế, hệ thống cấp nước rất phức tạp, hệ thông đường ống có thé rất dài

và gồm nhiều đoạn rẽ nhánh tạo thành một mạng lưới Sau quá trình khảo sát, một mô

hình hệ thống phát hiện vị trí rò ri trên đường ông dẫn nude CÓ thê được đề xuất như

hình 2.1 Hệ thông được đề xuất gồm nhiều bộ thiết bị, mỗi bộ sẽ phụ trach giam sát

và chân đoán lỗi trên mỗi đoạn của đường ống

Trong mỗi bộ thiết bị gồm 4 thành phần: Khối thu thập đữ liệu và điều khiển bơm đầu đường ống, khối thu thập dữ liệu cuối đường ông, khối trung tâm và khối giám sát Với chức năng của từng khối như sau:

- Khối thu thập đữ liệu và điều khiển bơm đầu đường ống chịu trách nhiệm đo áp suất và lưu lượng ở vị trí đầu đường ông và gửi về cho khối trung tâm, ngoài ra

còn có thê đùng cho một số chức năng như điều khiên bơm của đoạn đường ông

đó

- Khối thu thập dữ liệu cudi đường 6 ống chịu trách nhiệm đo áp suất và lưu lượng

ở vị trí cuối đường ống và gửi về cho khối trung tâm

- _ Khối trung tâm có chức năng thu thập dữ liệu do các thiết bị khác gui về qua mạng LoRa và xử lý thuật toán để tìm ra lỗi rò rỉ trên đoạn đường ống chịu

Trang 23

2.1.2

trách nhiệm, ngoài ra còn có thê điều khiến các thiết bị dưới quyên từ xa, khối trung tâm sẽ được đặt ở các trạm quản lý khu vực (như xí nghiệp Cấp Nước của một quận, huyện) Trong điều kiện thực tế, khoảng cách giữa đầu và cuối của một đoạn đường ông và khoảng cách giữa đoạn đường ô ống đó đến trạm khu vực khá xa nhau nên chuẩn truyền thông không dây LoRa được đề xuất dùng để

giao tiếp giữa khối trung tâm và các khối thu thập dữ liệu Khối trung tâm được

kết nối với hệ thông SCADA có sẵn của xí nghiệp Cấp nước qua các giao thức công nghiệp, trong đề tài này sử dụng chuẩn truyền thông công nghiệp Modbus

RT đề truyền thông giữa khối trung tâm và giao điện giám sát trên WinCC

Khối giám sát gồm giao diện giám sát và cơ sở đữ liệu

Mô hình thí nghiệm phục vụ nghiên cứu giám sát hệ thống đường ống dẫn nước qua LoRa và sơ đồ khối tông quát của mô hình

Trong phạm vĩ đề tài này, một hệ thông đường ống mô phỏng 1 đoạn đường Ô ống trong thực tế được thiết kế dé thử nghiệm thuật toán chân đoán lỗi và giám sát hệ thống qua LoRa Doan duong 6 ống này, là một nhánh trong hệ thống ở hình 2.1 Đoạn đường ông này được thê hiện trong hình 2.2 bên dưới

Hình 2.4 Mô hình thí nghiệm mô phỏng đường ống trong thực tế

Hệ thống đường ống trong hình 2 2 được làm bằng sắt, có tổng chiều dài đường ông la 13,2m va đường kính trong của ống là 16mm Trên mô hình hệ thông đường ống nước có 2 van để giả lập các lỗ rò rỉ, khoảng cách từ van tới đầu đường ống là 4,3m, khoảng cách từ van 2 đến đầu đường ống là 8,7m

Trang 24

Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống mô hình đường ống dẫn nước trong đề tài được thế hiện ở hình 2.3

WINCC >

đồng từ

Cảm biến | | Cam bién

MODBUS =x RIU — —È—'

Hình 2.5 Sơ đồ khối của hệ thống

Như trong hình 2.3, mô hình thí nghiệm gồm các thành phần như sau:

Hệ thông đường ống dẫn nước bằng sắt Nước được bơm vào hệ thống bằng may bom lap o dau đường ông

Khoi thu thập dữ liệu và điều khiển bơm đầu đường ống gồm các cảm biến để

đo áp suât và lưu lượng ở đầu đường ông; Bơm nước; Khởi động từ và mạch SLAVE 1 co vi diéu khiên xử lý doc tin higu cảm biên, điều khiến bơm nước và o1Iao tiếp với khôi trung tâm qua chuân truyện thông không dây LoRa

Khối thu thập dữ liệu cuỗi đường ống gồm các cảm biến để đo áp suất và lưu lượng ở cuôi đường, ống; mạch SLAVE 2 có vi điều khiến xử ly đọc tín hiệu cảm biến và giao tiếp với khối trung tâm qua chuân truyền thông không dây LoRa

Khối trung tâm cấu thành từ 2 bộ phận: Bộ phận đầu là khối truyền nhận tín

hiệu qua LoRa dé giao tiếp với các thiết bị cấp dưới nó, cụ thê là giao tiép voi hai khối, một là khối thu thập dữ liệu và điều khiển bơm đầu đường ống, hai là

Trang 25

khối thu thập dữ liệu cuối đường ống Bộ phận còn lại là khối truyền thông có chức năng tạo chuân truyền thông công nghiệp Modbus RT đề truyền thông voi khoi giam sat

- _ Khối giám sát là một máy tính chạy giao diện giám sát trên WinCC và cơ sở dữ liệu SQL Server để lưu lại lịch sử hoạt động của hệ thống Khối này truyền thông với khối trung tâm qua giao thức truyền thông công nghiệp Modbus

RT

2.2 Lwa chon cac linh kién và các chuẩn truyền thông chính được sử dụng trong

mô hình

2.2.1 Lara chon các linh kiện chính được sử dụng trong mồ hình

Đề thiết kế mô hình hệ thống đường ống dẫn nước như sơ đồ khối ở hình 2.3, các linh kiện cân được lựa chọn sẽ được trình bày ở mục tiếp theo

2.2.1.1 Lựa chọn cảm biến:

Cảm biến áp suất WIKA PSD-4

Cảm biến áp suất WIKA PSD-4 có xuất xử từ Đức, thường được dùng dé do ap suât trong hệ thông đường ông dân nước công nghiệp Cảm biên được trang bị mản hình LCD đề hiện thị và có đâu ra là tín hiệu analos Tín hiệu đâu ra có thê được đo bang PLC hay vi diéu khién

- Tín hiệu đầu ra: Tín hiệu analog 4-20 mA hoặc 0-10V

- Vỏ và kết nối ren của đầu nói được làm từ thép không gỉ

Trang 26

Cảm biến lưu lượng nước SAGINOMIYA PLK-1522PE

Cảm biến SAGINOMIYA PLK-1522PE có xuất xứ từ Nhật Bản là loại cảm biến

dòng xoáy Karman có độ bên cao và độ chính xác cao vả có câu trúc đơn giản không

có các bộ phận chuyên động

Thiết kế của cảm biến này đảm bảo phép đo ổn định trên một dải đo rộng Có thé

ap dụng ngay cả trong từ trường mạnh

-_ Nhiệt độ môi trường làm việc: -20 ~ 60 °C

- _ Điện áp nguồn cung cấp: 24VDC

- Dai đo: 0— 50 lim

- _ Tín hiệu đầu ra là tín hiệu analog dòng dién: 4-20 mA

- Pham vi sai số cho phép: + 10%

- Loại cách điện: Loại B

Từ các thông sô kỹ thuật của cảm biên, nhận thây các cảm biên này phù hợp với

hệ thông đường ông dẫn nước được thiết kê Vì vậy chọn các cảm biên này đề đo ap suât và lưu lượng ở đâu và cuỗi đường ông

2.2.1.2 Lựa chọn vi điều khiển

Vi điều khiển Arđuino no R3

Thông số của vi điều khiển Arduino no được thể hiện ở bang 2.1

Bảng 2.2 Một vải thông số của Arduino NO R3"!

Trang 27

S6 chan Digital 1/O 14 (6 chan PWM)

Sé chan Analog 6 (độ phân giải 10 bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA Dòng ra tôi đa (5V) 500 mA Dòng ra tôi đa (3.3V) 50 mA

Hinh 2.8 Vi diéu khién Atmega328 tiéu chuan"™

Trang 28

Bộ nhớ Flash có dung lượng là 32KB, bộ nhớ này dùng để lưu trữ những đoạn lệnh lập trình của vi điêu khiến Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong so nay

sẽ được dùng cho bootloader

SRAM có dung lượng là 2KB dùng để lưu giá trị các biến khai báo khi lập trình Khai báo cảng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ SRAM Khi mất điện, đữ liệu trên SR AM sẽ bị mắt

EEPROM có dung lượng là IKB, có chức năng giống như một chiếc 6 cung mini, la noi có thê đọc và ghi dữ liệu vào mà không phải lo bị mất khi mắt điện giống như dữ liệu trên SRAM

Arduino no có 14 chan digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng tôi đa trên mỗi chân là 40mA

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

+2 chân Serial : 0(RX) và 1(TX): dùng để gửi (transmit - TX) và nhận (receive - RX) dữ liệu TTL Serial Arđuino no có thé giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân nảy

+ Chan PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, va 11: cho phép bạn xuất ra xung

PWM với độ phân giải 8 bít (giá trị từ 0 — 2-1 tương Ứng với 0V — 5V) bằng hàm analoeWrite() Nói một cách đơn giản, có thé điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vỉ chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

+ Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK)

Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền nhận dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

Arduino no có 6 chân analog (A0 > A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10

bít (0 — 2!-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V — 5V Với chân AREE

trên mạch, ta có thé để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tuc la nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì ta có thể dùng các chân

analog dé do dién áp trong khoảng từ 0V —› 2.5V với độ phân giải vẫn là 10 bít

Đặc biệt, Arduino, no có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp

I2C/TWI với các thiết bị khác

Từ các thông số trên, nhận xét rang Mi điều khiến Arduino no có thể sử dụng để thiết kế các thiết bị không có yêu cầu quá cao về tính toán Ở đề tài này, Arduino no được sử dụng đề làm vi điều khiến chính trong khối thu thập dữ liệu và điều khiến bơm đầu đường ống, khối thu thập đữ liệu cuối đường ống và phân tạo chuẩn truyền thông công nghiệp Modbus RT trong khối trung tâm

Vị điều khiển Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 hiện đang được sử dụng rộng rãi Giúp cho nhà phát triển viết những chương trình phức tạp và điều khiển các thiết bị lớn như máy ¡n 3D, điều khiên robot

Trang 29

Chi tiét Arduino Mega 2560:

- 54 chan digital (trong do co 15 chan co thể được sử dụng như những chân

PWM là từ chân sô 2 —› 13 và chân 44 45 46)

- _ 6 ngắt ngoài: chan 2 (interrupt 0), chan 3 (interrupt 1), chan 18 (interrupt 5), chan 19 (interrupt 4), chan 20 (interrupt 3) va chan 21 (interrupt 2)

- _ 16 chân analog (từ A0 đến A15)

- 4 céng giao tiép Serial

Trang 30

- 1 thạch anh với tần số dao động 16 MHz

Đối với những ai quan tâm tới Matlab thì Arduino Mega 2560 cũng là một sự

chọn lựa tuyệt vời Vì nó được tích hợp săn thư vién danh cho MatLab

Vi kha nang xử lý tương đối mạnh của Arduino Mega 2560 và khả năng tương thích của nó với Matlab, nên trong đề tài này Arduino Mega 2560 được sử dụng làm vi điều khiến chính cho khối truyền nhận tín hiệu qua LoRa Sự lựa chọn này cũng hướng đến việc nhúng thuật toán chân đoán vị trí rò rỉ trong đường ô ống vào Arduino Mega để

có thể chạy thuật toán này trực tuyến thời gian thực

2.2.1.3 Lựa chọn mạch LoRa

Mô đun LoRa AS32

Module thu phat LoRa AS32 - TTL — 100 cua hang Ashining su dung chip Semtech SX1278 của chuẩn LoRa không dây, nó sử dụng công nghệ LoRa chống

nhiễu và giảm dòng tiêu thụ Module này hỗ trợ chuẩn giao tiếp ART, truyền tải được khoảng cách xa mà điện năng tiêu thụ thấp

- Khoang cach truyén dan: khoang 3000m (ở điều kiện lý tưởng)

- Céng suat phat toi da: 20 dBm (khoang 100mW), cé thé điều chỉnh 4 mức độ (0

- 3), tăng hoặc gi4m mỗi khoảng 3đBm

- _ Tốc độ truyền trong không khí: 2,4 kbps (mặc định) Có thể cầu hình ở các giá tri: 0,3; 1,2; 2,4; 4,8; 9,6; 19,2 Kbps

- Dong nghi: 1,5uA (MD1 = 1; MDO = 1)

- Dong truyén: 670mA@30dBm

Trang 31

- Dong nhận: 14,5 mA(Mode 0 or Mode 1)

- Giao ti¢p; ART

- 512 bộ đệm

- Hỗ rợRSSI

- Dang anten: Anten SMA, Anten lo xo

- Nhiét d6 bao quản: : -40 ~ 125°C

Theo thông số của mô đun LoRa AS32, thấy rằng mô đun này sử dụng giao tiếp

ART nên mang lại khả năng tương thích cao và dễ lập trình với vĩ điều khiển

Arduino no và Arduino Mega, ngoài ra khoảng cách truyền của mô đun này cũng đáp ứng được nhu cầu của hệ thông đã thiết kế ở phạm vi thí nghiệm Vì các lí do trên

mô đun LoRa AS32 được sử dụng để truyền nhận đữ liệu ở khoảng cách xa trong để tải

2.2.2 Lựa chọn các chuẩn truyền thông chính được sử dụng trong mô hình

2.2.2.1 Chuẩn truyền thông không dây công suất thấp LoRa

LoRa (Long Range Radio) là một giao thức không dây được phát triển bởi Semtech ứng dụng đề truyền thông với khoảng cách xa, tiêu thụ năng lượng thập

Nguyên lý hoạt động của LoRa là sử dụng kỹ thuật diéu ché Chirp Spread Spectrum Dit ligu sốc sẽ được băm bằng các xung cao tần dé tao ra tín hiệu có đãy tần số cao hơn, sau quá trình đó tín hiệu đã được băm sẽ tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian theo nguyên tắc bit 1 sẽ

sử dụng tín hiệu có tân sô tăng theo thời gian và bit 0 sé su dung tín hiệu có tân sô

giảm theo thời gian

LoRa hoạt động ở băng tần từ 430MHz đến 915MHz

Ưu điểm của công nghệ LoRa

- Cong suất thấp, tiêu thụ điện năng ít nên có thế kéo đài tuôi thọ pin cho các

thiết bị

- Truyền được với khoảng cách xa hàng km

- _ Không có bản quyền nên dễ dàng phỏ biến và sử dụng rộng rãi

- _ Bảo mật tốt

Nhược điểm của công nghệ LoRa

- Không truyền được dữ liệu lớn, đữ liệu gửi đi piới hạn ở 100 byte

- _ Không phủ hợp cho các ứng dụng thời gian thực đòi hỏi độ trễ thấp

Ứng dụng của LoRa: Truyền thông không đây LoRa chủ yếu được sử dụng trong giám sát và thu thập dữ liệu như nông nghiệp thông minh, giám sát môi trường, nhà thông minh, siám sát tiêu thụ năng lượng,

Trang 32

Hình 2.11 Ứng dụng của công nghệ Lorat"!

Trong thực tế khoảng cách từ đầu đến cuối của một đoạn đường ống và khoảng cách từ đường ống tới trạm quản lý khu vực của xí nghiệp Cấp nước rất xa nhau nên chuẩn truyền thông không dây LoRa được lựa chọn để giao tiếp giữa các khối thu thập

dữ liệu ở đầu, cuối đường ống và khối trung tâm

2.2.2.2 Chuẩn truyền thông công nghiệp Modbus RTU

Giới thiệu

- Modbus phat trién nam 1979 boi Modicon (hign nay thudc Schneider Electric),

là một chuẩn truyền thông công nghiệp Ban đầu, Modbus hoạt động trên chuẩn

kết nối RS232, nhưng sau đó có thế sử dụng cho cả RS485 đề đạt tốc độ cao

hơn, khoảng cách dài hơn và có thể sử đụng với mạng đa điểm (multi-drop) Modbus đã nhanh chóng trở thành tiêu chuân thông dụng trong ngành tự động hóa

- - Modbus hoạt động theo nguyên tắc Chủ — Tớ (Master — Slave) Một Master có thể kết nối được với nhiéu Slave Master thuong la PLC, PC, HMI Slave thường là các thiết bị cấp hiện trường như các cảm biến, biến tần Thiết bị yêu cầu thông tin được gọi là Modbus Master và thiết bị cung cấp thông tin được gọi là Modbus Slave Trong mạng Modbus tiêu chuẩn, có một Master và tối đa

247 Slave, mỗi Slave có một địa chỉ Slave duy nhất từ I đến 247 Master cũng

có thể phi thông tin vào các Slave

Modbus RỊ: Dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân Thường được dùng với chuẩn kết nối RS232 hay RS485, tốc độ từ 1200 đến 115000 baud Tốc độ phô biến nhất là từ 9600 đến 19200 baud Modbus RT là giao thức truyền thông công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất

Địa chỉ thanh ghi theo chuẩn Modbus RT: Dữ liệu được lưu trữ trong thiết bị Slave được chia thành 4 khoảng øiá trị khác nhau Hai khoảng lưu trữ các g1á trị rời rạc on/off (coils) và hai khoảng lưu trữ giá trị số (register — thanh ghi) Mỗi coils và register đều có khoảng biến chỉ doc (read-only) va bién doc/ghi (read-write)

Trang 33

Ma ham trong Modbus RT: byte thir hai duoc “Master” gm di la “Function code” Con số nay cho “Slave” biét duoc rang, dia chi nao cân truy cập đề đọc hay ghi giá trị

Bang 2.4 Ma ham cua Modbus!!!

06 (06 hex) Viết vao | ving nho Thanh ghi doc - ghi

16 (10 hex) Viết vào nhiều vùng nhớ Thanh ghi đọc - ghi

Ở dé tai nay chuan truyén thông công nghiệp Modbus RT được chọn vì độ pho

biến của nó, sử dụng chuẩn truyền thông công nghiệp Modbus RT giúp hệ thống

tương thích với đa sô thiết bị công nghiệp như PLC, HMI hay hệ SCADA Việc này

mang đên khả năng ghép nội hệ thông đã thiết kê vào các hệ thông đã tôn tại một cách

dễ dàng, như hệ thông SCADA có sẵn của xí nghiệp Cấp nước Việc dùng Modbus

RT còn giúp ghép nôi nhiều bộ thiết bị với nhau trong củng 1 mang ma chi can dung

2 dây dẫn (đôi VỚI chuẩn kết nối RS485), nghĩa là một giao diện giám sát có thé cung lúc quản lý nhiêu đoạn đường ông khác nhau mà không cân bat cứ thiệt bị phép noi trung gian nao

2.3 Thiết kế các khối chức năng trong mô hình hệ thống đường ống dẫn nước Như đã trình bày trong hình 2.3, trong mô hình hệ thống đường ống, ngoài đường ông sắt đê dân nước thì còn có 4 khôi chức năng phục vụ việc giám sát hệ thông Các khối chức năng đó là: Khối thu thập dữ liệu và điều khiển bơm đầu đường ố ông, khối thu thập đữ liệu cuối đường ô ống, khối trung tâm và khối giam sát Trone phân này sẽ trình bảy thiết kế chỉ tiết của từng khối chức năng

2.3.1 Thiết kế khối thu thập dữ liệu và điều khiển bơm đầu đường ống

2.3.1.1 Sơ đồ khối của khối thu thập dữ liệu và điều khiển bơm đầu đường ống

Khối thu thập đữ liệu và điều khiên bơm đầu đường ố ông được thể hiện trong hình 2.10 Chức năng của khối này là đọc dữ liệu từ 2 cảm biến áp suất và lưu lượng đầu đường ống, gửi dữ liệu này về khối trung tâm thông qua mạng LoRa Ngoài ra, khối

Trang 34

hệ thơng đường ơng dẫn nước thật: áp dụng thuật tốn ước lượng bên vững LPV

này cịn cĩ chức năng nhận lệnh điệu khiên máy bơm từ trung tâm hoặc tử nút nhân cĩ săn tại khơi

Mạch chuyên đơi tin Mạch chuyên đơi tín

4.20mA sang J-5V 420m4 sang 0.5V —.-

Cảm biến lưu lượng Cam bien ip suit Bom

Hình 2.12 Sơ đồ khối của khối thu thập dữ liệu và điều khiển bơm đầu đường ống

Khối thu thập dữ liệu và điều khiển bơm đầu đường ống cĩ các thành phần như

sau:

-_ Khối nguồn gồm: nguồn 1 pha 220V đề cấp cho khởi động từ và bơm, nguồn tổ

ong 24V cung cập cho các cảm biên, nguơn tơ one 12V đề cung cấp cho mạch

SLAVE I

- _ Cảm biến lưu lượng và áp suất chuân cơng nghiệp để đo lưu lượng và áp suất ở đâu đường ơng Tín hiệu đâu ra của cảm biên này là tín hiệu analò chuẩn 4-

20mA

Mai Hồng Quý Thơng

Trang 35

- Khối điều khiển bơm gồm ro le co thê được kích bởi Arduino no và khởi

động từ Khôi nảy có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ Arduino no đề điều khiên

bơm nước vào đường ông

-_ Mạch SLAVE I1 được chứa trong hộp gồm các bộ phận: mạch hạ áp 12V-5V, các mạch chuyến đổi đề chuyên đồi tín hiệu analog 4-20mA nhận từ cảm biến

sang tín hiệu analog 0-5V tương thích với Arduino no, các nút bam dé bat tắt

bơm, mô dun LoRa giao tiếp với Arduino no qua giao tiếp ART Khối này

sử dụng vi điều khiển Arduino no làm mạch xử lý trung tâm cho cả khối

2.3.1.2 Thiết kế mạch in phan cng cua mach SLAVE | trong khối thu thập dữ liệu và điều khiển bơm đầu đường ông

Như trong hình 2 10, thì mạch SLAVE 1 là bộ phận quan trọng nhất của khối thu thập dữ liệu và điêu khiên bơm đâu đường ông Do đó, trong phân thiết ke mach in chỉ trình bày so dé mach in cua mach SLAVE | nay

Việc thiết kế mạch in được thực hiện trên phần mém Altium, bao gom 2 bước: Bước l: Sơ đồ nguyên lý mạch được vẽ trên phần mém Altium trudc dé phuc vu cho việc thiệt kê mạch in gia công ở bước theo Chi tiệt về sơ đô nguyên lý mạch ở bước này được thê hiện ở hình 2.1 1

" Hạ áp 2 vào aD Ha ap 2 ra GNP

GND

2 sự RELAY GND

4 Nc 2G 12 LM

— IOREF “le

— RESET ~10 — CH 12V+ OAFL Lsv+ ~] Ni ~9 | —or

KG DẤY- FLU Analog 8P — So

FL I Analog 12V _| UNO R3 7 On

PRU Analoa| Ai A0 Ss 2

¬ A3 = 5 IAPR 234V ¬ A4 1-TX 6

PR I Analog 4 O-RX [- 7

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý của mạch SLAVE 1

Bước 2: Mạch m gia công được thiết kế trên phần mềm Altium tir so đồ nguyên

lý đã trình bày và xuất thành file øerber đề gửi đặt gia công Chi tiệt về sơ đô mạch In

Trang 36

hoàn thiện của mạch SLAVE I này được thê hiện ở hình 2.12 Ở đây, sau khi thử các

chức năng trên mạch thủ công tự làm thì mạch sẽ được đặt in theo đúng tiêu chuân mạch mm 2 lớp

° fe]

o fo)

Trang 37

Hình 2.15 Mạch in SLAVE 1 sau khi hoàn thành

2.3.1.3 Lưu đồ thuật toán của vi điều khiển Arduino Uno trong SLAVE 1

Như đã trình bày ở trên, chức năng của khối này là phải đọc được 2 tín hiệu từ cảm biến lưu lượng và cảm biến áp suất Sau đó, đữ liệu này sẽ được truyền về khối trung tâm qua mạng LoRa Ngoài ra, khối này còn phải nhận được dữ liệu từ khối trung tâm gửi xuống để điều khiển bơm Như vậy, vi điều khiển Arduino no là bộ điều khiến chính Vi điều khiển Arduino no này sẽ được lập trình theo lưu đỗ thuật toán được trình bảy ở hình 2.14 Ngoài ra, ch tiết về đoạn lệnh cho vi điều khiển Arduino no này sẽ được trình bày ở phân phụ lục I

Trang 38

Nghiên cứu thiết kế và chấn đoán vị trí rò rỉ của mô hình

Hình 2.16 Lưu đỗ thuật toán cua vi điều khiển Arduino no trong khối thu thập đữ

liệu và điêu khiên bơm đâu đường ông Thuật toán của Arduino no này chủ yếu là đọc cảm biến và nhận gui ØÓI tin thông qua mạng LoRa như trong hình 2.14 Thuật toán dựa trên việc kiểm tra tuần tự nút ấn và các gói tin nhận được qua mạng LoRa để xác định và thực hiện các yêu cầu của khối trung tâm Sau đó thuật toán trong khối nay duoc lập trình bằng Arduino

IDE

Trang 39

hệ thơng đường ơng dẫn nước thật: áp dụng thuật tốn ước lượng bên vững LPV

2.3.1.4 Kết quả hồn thiện thiết bị SLAVE 1

Thiét bi SLAVE I1 sau khi đã hồn thiện được thê hiện trong hình 2.15 Các

mạch được đặt trone các hộp nhựa Vỏ nhựa của thiệt bị được thiết kề trên AutoCad đề

gia cơng cắt CNC mica

Tén dé tai: Nghién citu thiét ké va chan đốn vị

triroric hình tệ thơng đường ong dẫn nước that: dp dung thugt todn ước lượng bên ving LPV

Hinh 2.17 Thiét bi SLAVE 1 sau khi hồn thành 2.3.2 Thiết kế khối thu thập dữ liệu cuối đường ống

2.3.2.1 Sơ đồ khối của khối thu thập dữ liệu cuối đường ống

Khối thu thập đữ liệu cuối đường ống được thê hiện trong hình 2.16 Chức năng

của khơi này là đọc dữ liệu từ 2 cảm biên áp suât và lưu lượng cuơi đường ơng, gửi dữ

liệu này về khơi trung tâm thơng qua mạng LoRa

Khối thu thập đữ liệu cuối đường ống cĩ các thành phần:

-_ Khối nguồn gồm: Nguồn tổ ong 24V cung cấp cho các cảm biến, nguồn tơ ong 12V dé cung cap cho mach SLAVE 2

- Cam bién lưu lượng và áp suất chuẩn cơng nghiệp để đo lưu lượng và áp suất ở đâu đường ơng Tín hiệu đâu ra của cảm biên này là tín hiệu analò chuẩn 4-

20mA

- Mach SLAVE 2 duoc chia trong hop gồm các bộ phận: mạch hạ áp 12V-5V, các mạch chuyến đổi đề chuyên đồi tín hiệu analog 4-20mA nhận từ cảm biến

sang tín hiệu analog 0-5V tương thích với Arduino no, mơ đun LoRa giao tiếp

với Arduino no qua giao tiệp ART Khơi này sử dụng vi điêu khiên Arduino no làm mạch xử lý trung tâm cho cả khơi

Mai Hồng Quý Thơng

Trang 40

=“ =

Hình 2.18 Sơ đồ khối của khối thu thập dữ liệu cuối đường ống

2.3.2.2 Thiết kế mạch in phần cứng của mạch SLAVE 2 trong khối thu thập dữ

liệu cuối đường ông

Như trong hinh 2.16, thi mach SLAVE 2 là bộ phận quan trọng nhất của khối thu

thập dữ liệu cuôi đường ông Do đó, trong phân thiệt kê mạch in chi trinh bay so do mach in cua mach SLAVE 2 nay

Việc thiết kế mạch in được thực hiện trên phần mém Altium, bao gom 2 bước: Bước I: So đồ nguyên lý mạch được vẽ trên phần mém Altium trước dé phuc vu cho viéc thiét ké mach In gia cong ở bước theo Chi tiết về sơ đô nguyên lý mạch ở bước này được thê hiện ở hình 2.17

Tiêu đề	Nghiên Cứu Thiết Kế Và Chẩn Đoán Vị Trí Rò Rỉ Của Mô Hình Hệ Thống Đường Ống Dẫn Nước Thật: Áp Dụng Thuật Toán Ước Lượng Bền Vững LPV
Tác giả	Nguyễn Văn Khương, Mai Hoàng Quý Thông
Người hướng dẫn	TS. Phạm Thanh Phong
Trường học	Đại học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	102
Dung lượng	26,22 MB

Nghiên cứu thiết kế và chẩn Đoán vị trí rò rỉ của mô hình hệ thống Đường ống dẫn nước thật áp dụng thuật toán ước lượng b$n vững lpv

Thiết kế khối giám sát

Hinh 2.41 Ham ghi dữ liệu vào bang