2. 1.1. Mô tả hệ thống
Đối tƣợng nghiên cứu là gói công việc bảo dƣỡng 24/7 của 8 phân xƣởng: Hàn, Sơn nhúng tĩnh điện CED, Sơn kim loại, Sơn nhựa, Xử lý nƣớc thải, Xử lý cặn sơn, Dây chuyền lắp ráp chính, Lắp ráp đồ gá. Yêu cầu kỹ thuật và tầm quan trọng là khá cao. Việc giám sát các thông tin vì thế rất quan trọng, bởi tính an toàn và liên tục của cả hệ thống. Chỉ cần một khâu bị gián đoạn do sự cố nào đó, tất cả nhà máy sẽ bị ảnh hƣởng. Ngoài ra, độ an toàn lao động và cháy nổ cực kỳ quan trọng và đặc biệt đề cao. Một sự cố không phát hiện kịp thời sẽ gây thiệt hại rất lớn, cả về giá trị thiết bị, kế hoạch sản xuất, an toàn lao động…
Các phân xƣởng cần giám sát bằng hệ thống mạng thu thập và xử lý tín hiệu dƣới hiện trƣờng, đƣa lên từ cảm biến (không dây). Bố trí các cảm biến nhƣ sau: 1- Phân xƣởng Hàn (Welding): đặt 4 sensor CO, 4 sensor nhiệt độ khí, 4 sensor độ ẩm.
2- Phân xƣởng Sơn nhúng tĩnh điện (CED): đặt 4 sensor pH, 4 sensor nhiệt độ nƣớc, 4 sensor độ ẩm.
3- Phân xƣởng Sơn kim loại (Metal painting): đặt 4 sensor CO, 4 sensor nhiệt độ khí, 4 sensor độ ẩm.
4- Phân xƣởng Sơn nhựa (Plastic painting): đặt 4 sensor CO, 4 sensor nhiệt độ khí, 4 sensor độ ẩm.
23
5- Phân xƣởng Xử lý nƣớc thải: (WWT- Waste Water Treatment) đặt 4 sensor pH, 4 sensor nhiệt độ nƣớc, 4 sensor độ ẩm.
6- Phân xƣởng Xử lý cặn sơn: (Sludge Paint) đặt 4 sensor pH, 4 sensor nhiệt độ nƣớc, 4 sensor nhiệt độ khí, 4 sensor độ ẩm.
7- Phân xƣởng Dây chuyền lắp ráp chính: (ASSY Main) đặt 4 sensor CO, 4 sensor nhiệt đô khí, 4 sensor độ ẩm.
8- Phân xƣởng Lắp ráp đồ gá: (ASSY Fixture) đặt 4 sensor CO, 4 sensor nhiệt độ khí, 4 sensor độ ẩm. Dây chuyền/ Cảm biến HÀ N SƠ N KIM LOẠI NHỰ A XLN T CẶN SƠN LẮP RÁP ĐỒ GÁ Sensor CO 4 0 4 4 0 0 4 4 Sensor nhiệt độ khí 4 0 4 4 0 4 4 4 Sensor nhiệt độ nƣớc 0 4 0 0 4 4 0 0 Sensor độ ẩm 4 0 4 4 4 4 4 4 Sensor pH 0 4 0 0 4 4 0 0
24
25
26
Hình 25: Phân xưởng Sơn/ cặn sơn- Piaggio Vietnam (Nguồn: ATP)
27
2. 1.2. Hiệu chỉnh hệ thống
Phần nhiệt độ khí: theo phép đo truyền thống, chuẩn hóa nhiệt độ bằng nhiệt kế chuẩn. Về cơ bản, hiệu chỉnh dựa trên hệ số cộng (độ trôi) và hệ số nhân (tỉ lệ). Trƣờng hợp độ tuyến tính không đƣợc nhƣ ý, phần mềm can thiệp đƣợc vào dữ liệu nhằm mục đích bù độ lệch tuyến tính (offset).
Lấy ví dụ một chức năng hiệu chuẩn sai số bằng phần mềm: Giá trị offset đƣợc lƣu trong bộ nhớ, K[0]-K[12], ứng với nhiệt độ 26-40 độ C.
Ô nhớ K0 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10 K11 K12 Vị trí bù 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
Bảng 2: Địa chỉ ô nhớ bù (Offset)
Tùy theo yêu cầu về độ chính xác và phân giải đo, offset có thể điều chỉnh theo ý muốn, sau mỗi lần hiệu chỉnh (Calibration)
28
Bảng 3: Thuật toán bù sai số trên phần mềm
Kết quả đo VA M=0 N=0 VA<40 VA=VA-2 N=N+1 K=K+1 VA>16 Cảnh báo: Nhiệtđộthấp (VA-16)>1 Cảnh báo: Nhiệtđộcao VA=VA+K[N] (VA-16)>2 VA=VA+K[N+1] VA>16 KẾT THÚC BẮT ĐẦU
29
- Phần nhiệt độ nƣớc: (theo nguyên lý hiệu chỉnh trên)
- Phần nồng độ khí CO: (theo nguyên lý hiệu chỉnh trên)
- Phần độ ẩm: (theo nguyên lý hiệu chỉnh trên)
- Phần pH: (theo nguyên lý hiệu chỉnh trên)
Nhƣ vậy, việc đo có thể hiệu chỉnh để đạt độ chính xác cao hơn nhiều, bằng phần mềm mà không cần tác động vào phần cứng, thiết bị. Điều kiện là phần cứng đƣa đƣợc giá trị đo ổn định (độ lặp lại phép đo).
Sau đó, kết quả đƣợc phân tích để đƣa ra các (nội suy) về chất lƣợng, trạng thái hoạt động của hệ thống, đƣa ra các hành động cần có.
Đƣa ra ví dụ về hệ thống xử lý cặn sơn.
Các thuật toán trong phần mềm của IOT có thể giải quyết rất nhiều vấn đề giới hạn bởi phần cứng, một cách nhanh chóng và dễ dàng. Đó là các chức năng chính:
- Hiệu chỉnh, bù sai số
- Lọc nhiễu, xử lý dữ liệu.
- Tính toán nội suy, phân tích kết quả để đánh giá đối tƣợng.
- Đƣa ra các hành động (Action) phù hợp.
- Tự động diều chỉnh hệ thống
Đó có lẽ là các ƣu điểm mạnh nhất của phần mềm, IOT.
2. 2. Phân tích hệ thống
Tác giả đã tiến hành nghiên cứu áp dụng vào đánh giá, giám sát các thông số trong dây chuyền xử lý cặn sơn, phục vụ cho hạng mục bảo dƣỡng dây chuyền xử lý cặn sơn, và hỗ trợ bộ phận sản xuất vận hành phân xƣởng sơn.
Trong phân xƣởng, hóa chất là thành phần chính, và là đối tƣợng tác động lớn nhất đến chất lƣợng hệ thống.
30 STT Tên hóa chất 1 Detackier BC4205NP 2 Floculant BCTL2200 3 Addittive PAOA10 4 PH adjuster PH adjuster 5 Biocide MZD7331 Bảng 4: Các loại hóa chất chính
Các hóa chất này cần cho vào thƣờng xuyên, để điều chỉnh, duy trì hoạt động hệ thống. Trƣớc đây, hệ thống chủ yếu vận hành bằng thủ công. Các số liệu đo và điều chỉnh đƣợc đƣa về báo cáo, từ đó nhân viên sẽ đƣa ra mức hóa chất bổ sung hằng ngày. Độ trễ của các đại lƣợng này khá cao, hằng ngày, đôi khi là hằng tuần. Cụ thể nhƣ bảng dƣới đây:
Các thông số cần điều chỉnh: (Nguồn: ATP)
STT Hạng mục
Đơn
vị Dải đo Phương pháp Tần suất
1 pH - 8 ÷ 9 Máy đo PH Hằng ngày
2 Độ nhớt NTU <100 Máy đo Độ nhớt Hằng tuần
3 Cặn lắng PPM <100
Thang đo
Filtration/Oven/Analytical Hằng tuần 4 % Cặn rắn % >60 Thang đo Oven/Analytical Hằng tuần 5 Mức cặn nổi Inch <1 Đo/ quan sát Hằng ngày 6 Điện dẫn μS <3000 Máy đo điện dẫn Hằng ngày 7 COD mg/l <10,000 Phân tích Hằng tuần
31
Bảng 6: Tham khảo: các tham số cần điều chỉnh, và cách điều chỉnh (Nguồn: ATP)
32
Do tính bảo mật công nghệ và tầm quan trọng của dây chuyền sản xuất, thử nghiệm của đề tài chỉ đƣợc phép giám sát các thông số khác, và không đƣợc tác động vào hệ thống sản xuất. Đề tài thử nghiệm đo và giám sát các thông số pH, nhiệt độ nƣớc, nhiệt độ khí, độ ẩm: đặt 4 sensor pH, 4 sensor nhiệt độ nƣớc, 4 sensor nhiệt độ khí, 4 sensor độ ẩm.
Hệ thống node: cảm biến+ MSP430+Zigbee+wifi
Sensor đo khí CO: MQ7
Sensor đo nhiệt độ và độ ẩm: SHT11
2.3. MẠCH NGUYÊN LÝ
2.3.1. Thiết kế hệ thống nút cảm biến không dây- IOT
Phần cứng đồ án trên đƣợc hỗ trợ, cộng tác và và phát triển bởi nhóm MOSWI- Viện Điện- ĐHBKHN.
Trong thiết kế, node mạng sử dụng Ultra-Low Power MCU MSP430, dòng vi điều khiển 16-bit tiết kiệm năng lƣợng, khối truyền thông sử dụng công nghệ Zigbee.
33
34
Hình 27: Một số hình ảnh Node mạng đã thiết kế (Nguồn: MOSWI)
“MSP430 là dòng vi điều khiển tích hợp đầy đủ các ngoại vi phục vụ cho nhu cầu sử dụng của các ứng dụng mạng cảm biến không dây, ví dụ nhƣ ADC,... nên việc thiết kế rất đơn giản khi ngoài khối vi điều khiển và khối truyền thông chỉ có thêm các led, điện trở đƣợc coi là các thành phần tiêu thụ năng lƣợng.”
Kết nối WSN: dùng giao thức MQTT, đơn giản, nhanh gọn
2.3.2. Thiết kế phần mềm
Phần mềm ở đây là giải thuật, các phƣơng pháp xử lý tín hiệu, thiết kế bố trí dữ liệu trên website/internet.
35 Phân xƣởng Hàn WELDING Sơn nhúng điện ly CED
PX Sơn kim loại
Metal Painting PX Sơn nhựa Plastic Painting Xử lý nƣớc thải WWT Xử lý cặn sơn Sludge Paint Lắp ráp chính ASSY Main Lắp ráp đồ gá ASSY Fixture
36 NHIỆT ĐỘ 1 NHIỆT ĐỘ 2 ĐỘ ẨM 1 ĐỘ ẨM 2 NHIỆT ĐỘ 3 NHIỆT ĐỘ 4 ĐỘ ẨM 3 ĐỘ ẨM 4 MESSAGE/ALARM/DIAGNOSIS NHIỆT ĐỘ 3 NHIỆT ĐỘ 2 NHIỆT ĐỘ 4 ĐỘ ẨM 1 ĐỘ ẨM 2 ĐỘ ẨM 3 ĐỘ ẨM 4
37 Mô phỏng giao diện trên phần mềm/ website:
VÙNG ĐO 1
Xanh: Bình thƣờng Vàng: Cảnh báo Đỏ: Lỗi
39
2.4. Kết quả, triển vọng và khó khăn
2.4.1. Lợi ích
Sau khi triển khai hệ thống giám sát mạng cảm biến không dây này, tác giả đã đƣa đƣợc thông tin khá hữu ích và chủ động trong khâu kiểm tra, báo cáo. Đồng thời, việc vận hành, bảo dƣỡng trở nên an toàn hơn. Ngoài ra, các số liệu cũng góp phần quan trọng trong lƣu trữ dữ liệu và báo cáo công việc. Đồng thời, về mặt hiệu ứng, đề án làm tăng phong trào cải tiến (Kaizen) của các bộ phận cũng nhƣ toàn công ty.
1- Piaggio Việt Nam- Phòng sản xuất (sơn): Biết đƣợc tình trạng môi trƣờng hoạt động thông qua các thông số, có thể đƣa cảnh báo (message, warning) phòng bảo dƣỡng và nhà thầu ATP trƣớc khi có sự cố
2- Piaggio Việt Nam- Phòng bảo dưỡng (sơn): Giám sát thuận tiện và chủ động hơn trong việc điều chỉnh tham số vận hành, cũng nhƣ điều tiết hóa chất.
3- ATP Việt Nam- Nhà thầu Bảo dưỡng: Giám sát thuận tiện và chủ động hơn trong việc cùng phòng bảo dƣỡng điều chỉnh tham số vận hành, điều tiết hóa chất. Đồng thời, giám sát đội ngũ nhân lực chủ động trong các tình huống phát sinh trong quá trình hoạt động dây chuyền. Nhƣ vậy, đã tạo sự an toàn và chủ động hơn trong quản lý công việc.
2.4.2. Khó khăn, hạn chế
- Việc bảo mật trong nhà máy do liên quan đến vấn đề công nghệ đã hạn chế khá nhiều khả năng thử nghiệm và mở rộng của đề án. Đồng thời, thời gian và các thiết bị mang vào-ra cũng bị hạn chế khá nhiều.
- Việc xây dựng hệ thống cảm biến đo chƣa sát với ứng dụng, do các thông số chính cần đo tƣơng đối chuyên dụng, chƣa có điều kiện cho phép thiết lập. Đó là các thông số Turbidity (độ nhớt), Suspended solids (độ cặn nổi), % Slugde Solids (% cặn lắng), Foam Level (mức bọt), Conductivity (dẫn suất nƣớc), COD (lƣợng chuyển hóa oxy)…
40
- Việc can thiệp đƣa ra giải pháp điều chỉnh thông qua các tác động đầu ra (action output) chƣa đƣợc phép, do tính an toàn, phân quyền trách nhiệm và bảo mật, bản quyền hệ thống.
2.4.3. Triển vọng
Đề tài có thể mở rộng tích hợp đầy đủ thông số cần đo của hệ thống. Đầu ra cũng có thể bổ sung, nhằm mục đích điều khiển tự động, tạo thành hệ có phản hồi. Sau đó, kết hợp công nghệ đặc thù, dùng thuật toán để đƣa ra phƣơng án điều khiển tối ƣu nhằm tăng tính tự động hóa, giảm sai số, tăng tính ổn định khách quan, giảm phụ thuộc con ngƣời. Nhƣ vậy, cần hoàn thiện bằng các tính năng:
- Hoàn thiện đầu vào: đo lƣờng các đại lƣợng của hệ thống; chuẩn hóa cảm biến hiện tại để trực tiếp lấy số liệu cho hệ thống.
- Nghiên cứu đặc tính công nghệ để đƣa ra thuật toán và phƣơng án điều khiển tối ƣu, tạo thành hệ kín cùng kết nối mạng.
- Hoàn thiện phần mềm (website, interface) cho hệ thống.
- Thêm phần cứng- panel hiển thị và điều khiển giao tiếp với ngƣời dùng (HMI- Human Machine Interface).
Ngoài ra, đề án này mang tính mở, ý tƣởng không chỉ áp dụng cụ thể cho hệ thống hiện tại, mà có thể áp dụng chung cho nhiều hệ thống công nghiệp.
41
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Với ƣu thế vƣợt trội, công nghệ IoT sẽ là nền tảng chính cho sự phát triển, và kết nối vạn vật, đúng nhƣ tên gọi của nó. Các thiết bị sẽ đƣợc kết nối, tƣơng tác với nhau tạo ra đột phá về quy mô và tốc độ, mà không cần phải luôn thông qua mắt xích trung gian là con ngƣời. Con ngƣời chỉ can thiệp thiết lập/ cài đặt ban đầu, và chỉ (và có thể) can thiệp bất kỳ mắt xích nào khi cần thiết.
Đối với ứng dụng của IOT trên WSN, sẽ là nền tảng của công nghệ 4.0 đang bắt đầu phát triển gần đây trong công nghiệp. Theo đó, các dây chuyền sản xuất sẽ có thể tự động hóa, tự kết nối, tự tƣơng tác khi không có sự can thiệp của con ngƣời. Và con ngƣời có thể ngồi một chỗ mà can thiệp bất cứ mắt xích nào trong hệ thống nhà máy.
- Đã kết nối và test đƣợc hệ thống, phần cứng và phần mềm, cùng internet và dữ liệu trực tuyến.
- Có thể triển khai đầy đủ ứng dụng của ý tƣởng, cả giám sát và điều khiển.
- Có thể áp dụng cho các nhà máy, dây chuyền khác, chỉ cần thay đổi các thông số cần đo. Có thể nhân rộng về cả chất và lƣợng.
42
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đề tài Bản đồ thông số môi trường trên nền tảng IoT và WSN- của nhóm MOSWI, ĐHBKHN
[2] Internet of Things:Wireless Sensor Networks. White Paper - International Electrotechnical Commision-Thụy Sỹ
[3] Trang Web https://www.enisa.europa.eu/ European Union Agency For Network And Information Security
[4] IERC-European Research Cluster on the Internet of Things: Internet of Things Strategic Research Roadmap
[5] Jennifer Yick, Biswanath Mukherjee, Dipak Ghosal, Wireless Sensor Network Survey, Computer Networks, August 2008, Volume52, Issue 12, pp. 2292-2330 [6] Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito, Internet of Things: A survey, Computer Networks 54 (2010) 2787–2805
[7] Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference Architectures for the Internet of Things, Corba 2015
[8] Trang Web : http://www.blueapp.io
[9] Trang Web http://www.wikipedia.com
[10] Trang Web https://www.enisa.europa.eu
[11] Trang Web https://www.aeteurope.com
[12] Anna Ha’c, Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd, Copyright 2003