Giám sát và phân tích hoạt động của băng tải

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THƠNG ĐỀ TÀI: GIÁM SÁT VÀ PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA BĂNG TẢI GVHD: TS.Nguyễn Mạnh Hùng SVTH: Trần Đặng Phước Ân MSSV: 13141009 Tp Hồ Chí Minh – 08/2018 LỜI CAM ĐOAN Chúng xin cam đoan đề tài này là chúng tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không chép từ tài liệu hay công trình nghiên cứu đã có trước đó Nếu không đúng đã nêu trên, chúng xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về đề tài của mình Người thực hiện đề tài Đặng Hữu Cường Trần Đặng Phước Ân i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Nguyễn Mạnh Hùng, giảng viên khoa Điện – Điện Tử người đã tận tình hướng dẫn, bảo chúng em suốt quá trình làm khoá luận Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung, các thầy cô Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp -Y Sinh nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương các môn chuyên ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em suốt quá trình học tập Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp Người thực hiện đề tài Đặng Hữu Cường Trần Đặng Phước Ân ii MỤC LỤC Trang bìa Nhiệm vụ đồ án tớt nghiệp Lịch trình làm đồ án tốt nghiệp Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Liệt kê hình v Liệt kê bảng vii Tóm tắt đề tài viii Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Giới hạn 1.5 Bố cục Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu phần cứng 2.1.1 Biến dòng 2.1.2 Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) 2.1.3 Mạch đo tốc độ (ENCODER) 11 2.1.4 Biến tần 13 2.1.5 Động xoay chiều 14 2.1.6 Giao diện đồ họa người dùng 15 2.1.7 Giao thức I2C 16 2.2 Khái quát về các công cụ máy học 17 2.2.1 Giới thiệu về máy học 17 2.2.2 Giảm chiều liệu 18 2.2.3 Chuẩn hóa liệu 22 2.2.4 Phát hiện điểm bất thường 23 2.2.5 Đọc một bảng Excel vào một pandas DataFrame 26 iii Chương TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 28 3.1 Giới thiệu 28 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thớng 28 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 28 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 29 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 54 Chương THI CÔNG HỆ THỐNG 55 4.1 Giới thiệu 55 4.2 Thi công hệ thống 55 4.2.1 Thi công bo mạch 55 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 56 4.3 Đóng gói thi cơng mơ hình 58 4.4 Lập trình hệ thống 58 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 58 4.4.2 Phần mềm lập trình cho máy tính nhúng 59 4.5 Quy trình đào tạo và phân loại liệu 61 4.5.1 Quá trình thu thập liệu chuẩn 62 4.5.2 Quá trình đào tạo hệ thống 62 4.5.3 Quá trình kiểm tra bộ nhận dạng 63 4.5.4 Kết luận đợ xác của bợ nhận dạng 64 4.6 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác 65 4.6.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 65 4.6.2 Quy trình thao tác 66 Chương KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 67 5.1 Kết 67 5.2 Nhận xét-đánh giá 73 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74 6.1 Kết luận 74 6.2 Hướng phát triển 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 76 iv LIỆT KÊ HÌNH Hình 2.1: Cấu tạo máy biến dòng Hình 2.2: Biến dòng dạng dây quấn Hình 2.3: Biến dòng dạng vòng Hình 2.4: Biến dòng dạng khới Hình 2.5: Mạch flash ADC bit Hình 2.6: Tín hiệu tương tự và lượng tử hóa 10 Hình 2.7: Nguyên lý mạch đo encoder 12 Hình 2.8: Sơ đồ khối của một biến tần 13 Hình 2.9: Cấu tạo của động điện xoay chiều 15 Hình 2.10: Mợt GUI có dạng máy tính cầm tay 16 Hình 3.1: Sơ đồ khối tồn hệ thớng 28 Hình 3.2: Mạch đo điện áp 30 Hình 3.3: Mạch đo dòng điện 31 Hình 3.4: Mạch kh́ch đại khơng đảo 32 Hình 3.5: Dạng sóng mạch khuếch đại không đảo 32 Hình 3.6: Mạch khuếch đại đảo 33 Hình 3.7: Dạng sóng mạch khuếch đại đảo 33 Hình 3.8: Mạch ghim điện áp 34 Hình 3.9: Dạng sóng mạch ghim điện áp 34 Hình 3.10: Giản đồ hệ sớ cơng suất 36 Hình 3.11: Dạng sóng điện áp, dòng điện trước và sau qua mạch so sánh 37 Hình 3.12: Cos φ biểu diễn theo vòng tròn lượng giác 37 Hình 3.13: Mạch đo hệ số công suất 38 Hình 3.14: Hình ảnh thực tế của ADS1115 39 Hình 3.15: Mạch encoder 20 xung 45 Hình 3.16: Hình ảnh thực tế của Raspberry Pi 46 Hình 3.17: Các chân của Raspberry Pi 47 Hình 3.18: Sơ đồ ngun lý khới còi báo 48 Hình 3.19: Còi báo 49 Hình 3.20: Biến tần Omron 3G3JX 50 v Hình 3.21: Động giảm tốc của băng tải 52 Hình 3.22: Mô hình băng tải 52 Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đôi 53 Hình 3.24: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 54 Hình 4.1: Sơ đồ mạch in 56 Hình 4.2: Lưu đồ chương trình 58 Hình 4.3: Logo phần mềm Python 59 Hình 4.4: Giao diện để lập trình Python 60 Hình 4.5: Giao diện GUI 61 Hình 4.6: Lưu đồ thao tác hoạt động của mạch 66 Hình 5.1: Hình ảnh thực tế của đề tài 68 Hình 5.2: Giá trị điện áp mà mạch đo 69 Hình 5.4: Giá trị điện áp đo đồng hồ đo 69 Hình 5.5: Hình ảnh liệu chuẩn sau huấn luyện 71 Hình 5.6: Hình ảnh một mẫu test bình thường 72 Hình 5.7: Hình ảnh một mẫu test bất thường 72 vi LIỆT KÊ BẢNG Bảng 2.1: Giá trị số ngõ sau giải mã Bảng 2.2: Các thông sớ và tḥc tính của hàm giảm chiều liệu 18 Bảng 2.3: Các thông số và tḥc tính của hàm chuẩn hóa liệu 22 Bảng 2.4: Các thông số và tḥc tính của hàm phát hiện Outlier 24 Bảng 2.5: Các thông số của hàm đọc định dạng excel 26 Bảng 3.1: Mô tả chân của ADS 1115 40 Bảng 3.2: Cấu hình byte của ghi (Write-Only) 40 Bảng 3.3: Thanh ghi chuyển đổi (Read-Only) 41 Bảng 3.4: Cấu hình ghi (Read/Write) 41 Bảng 3.5: Các bit cấu hình bộ ghép kênh đầu vào 42 Bảng 3.6: Dòng điện tiêu thụ của các linh kiện 53 Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện 55 Bảng 4.2: So sánh mạch đo và thiết bị kiểm tra (TBKT) 57 Bảng 4.3: Thớng kê tính xác của bợ phân loại với băng tải 64 Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật của mạch 67 Bảng 5.2: Thống kê giá trị trung bình mẫu liệu 70 vii TÓM TẮT ĐỀ TÀI Sự ổn định của các thiết bị một hệ thống giúp cho hệ thống đó hoạt động tốt và kéo dài tuổi thọ, đồng thời giảm nguy cháy nổ, hỏa hoạn các vấn đề về điện gây ra, tạo sự an tâm và an toàn cho người Giám sát phân tích hoạt động của băng tải một hệ thống giúp cho người biết trạng thái hoạt động, sự ổn định và đưa các cảnh báo về sự cố Hệ thống thực hiện giám sát băng tải sử dụng máy tính nhúng đo các thơng sớ điện áp, dòng điện, hệ sớ cơng suất, tớc đợ quay của băng tải, từ thông số đo có thể tính toán trạng thái thiết bị chạy thuật toán máy học để học hỏi Từ đó có thể dự đoán độ ổn định của băng tải trạng thái hiện có gì bất ổn để có biện pháp tốt nhằm ổn định và tiết kiệm điện, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị điện hoạt động tốt, có bất ổn phát hiện, hệ thống tự động điều chỉnh và có điều khiển nhằm ổn định hệ thống viii CHƯƠNG TỔNG QUAN Chương TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Điện trở thành một phần lượng thiếu đời sống người và công nghiệp hiện đại Nó góp phần tạo nên sự văn minh của nhân loại, giúp cuộc sống của người tiện nghi và hiện đại Chính vì thế việc trì sự ổn định và tiết kiệm điện là một vấn đề chú ý và đầu tư ngày càng nhiều Sự ổn định của các thiết bị đóng vai trò quan trọng sản xuất công nghiệp, đồng thời giảm nguy cháy nổ, hỏa hoạn các vấn đề về thiết bị gây ra, tạo sự an tâm và an toàn cho người Giám sát phân tích trạng thái hoạt động của thiết bị và đưa các cảnh báo về sự cố của thiết bị là một phần thiếu Hiện thị trường có nhiều thiết bị điện nhằm bảo vệ và ổn định dòng điện ổn áp, các loại CB chớng dòng rò, chớng giật…và nhiều loại khác Nhưng chủ yếu hoạt động ngắt nguồn điện tự động mà không có khả tự động đóng điện lại hết sự cố, không thông báo cho người dùng biết trạng thái hoạt động của thiết bị Trong sản xuất công nghiệp việc sử dụng băng tải phổ biến và đóng vai trò quan trọng hoạt đợng của nhà máy Giám sát và phân tích hoạt đợng của băng tải là hệ thống có thể đáp ứng các nhu cầu, chức cảnh báo và phát hiện trạng thái bất thường của động điện băng tải Đặc biệt với thuật toán máy học có thể dự đoán các sự cớ của băng tải Ngồi máy học học hỏi theo thói quen của người để có dự đoán xác nhằm bảo vệ thiết bị và giúp người sớm phát hiện sự cố Sự ổn định của hệ thống băng tải đóng vai trò quan trọng việc vận chuyển sản phẩm từ công đoạn này qua công đoạn khác góp phần tăng tốc độ vận hành của nhà máy giúp tiết kiệm thời gian chi phí BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP-Y SINH Trang Lưu đồ chương trình đo tớc đợ: BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 78 Chương trình và các chương trình đo điện áp, dòng điện, hệ sớ cơng suất, tớc đợ: from Tkinter import * from Tkinter import Tk, Frame import time from threading import Thread import xlwt from datetime import datetime from random import randint import os import pandas as pd import numpy as np from time import sleep import time import math import Adafruit_ADS1x15 import RPi.GPIO as GPIO from sklearn.preprocessing import MaxAbsScaler from sklearn.decomposition import PCA import matplotlib.pyplot as plt from sklearn.neighbors import LocalOutlierFactor from sklearn.externals import joblib day, month = 0, i=1 book = xlwt.Workbook(encoding="utf-8") dt = datetime.now() timertam=0 ph=0 ptime=0 #scaner excel file name begin process for file in os.listdir("/home/pi/DATN2/data"): BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 79 #If there is a file with the same name as the current time if file.endswith("data_"+str(dt.date().year)+"_"+ str(dt.date().month)+"_"+str(dt.date().day)+".xls"): #rename file data_ to datanew_ os.rename("data_"+str(dt.date().year)+"_"+ str(dt.date().month)+"_"+str(dt.date().day)+ ".xls","datanew_"+str(dt.date().year)+"_"+ str(dt.date().month)+"_"+str(dt.date().day)+".xls") #load excel file to df df = pd.read_excel("/home/pi/DATN2/data/datanew_"+str(dt.date().year)+"_"+ str(dt.date().month) +"_"+str(dt.date().day)+".xls",sheetname="sheet") #new excel file and copy sheet = book.add_sheet("sheet") sheet.write(0, 0, "voltage") sheet.write(0, 1, "current") sheet.write(0, 2, "factor") sheet.write(0, 3, "power") for n in range(0,len(df.as_matrix())): sheet.write(n+1, 0, df.as_matrix()[n][0]) sheet.write(n+1, 1, df.as_matrix()[n][1]) sheet.write(n+1, 2, df.as_matrix()[n][2]) sheet.write(n+1, 3, df.as_matrix()[n][3]) sheet.write(n+1, 4, df.as_matrix()[n][4]) i=n+2 #remove excel file data_ os.remove("/home/pi/DATN2/data/datanew_"+str(dt.date().year)+"_"+str(dt.date() month)+"_"+str(dt.date().day)+".xls") #do not create new file day = dt.date().day BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 80 adc = Adafruit_ADS1x15.ADS1115() GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setwarnings(False) GPIO.setup(16, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN) GPIO.setup(21, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN) GPIO.setup(27, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN) ################################################ class MBA(Frame): def init (self, parent, *args, **kwargs): Frame. init (self, parent, *args, **kwargs) self.gui = parent #*************************************** self.ap_out = StringVar() self.ap_out.set('') # self.dong_out = StringVar() self.dong_out.set('') # self.hscs_out = StringVar() self.hscs_out.set('') # self.congsuat_out = StringVar() self.congsuat_out.set('') # self.vantoc_out = StringVar() self.vantoc_out.set('') # self.canhbao_out = StringVar() self.canhbao_out.set('') # #tao bien tam hien thi thong so len layout bien thay doi BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 81 self.init_gui() collector_thread = Thread(target=self.run) collector_thread.start() def run(self): day, month = 0, timertam=0 #***********************DOC ADC****************** def get_adc(channe): if channe == 0: Gain=16 value=0.256 else: Gain=16 value=4.096 data=0 while 1: if data>=32000: if Gain==16: Gain=8 value=0.512 elif Gain==8: Gain=4 value=1.024 elif Gain==4: Gain=2 value=2.048 else: Gain=1 value=4.096 if data