Bộ vi mạch điện tử xử lý trung tâm được thực hiện bằng nhiều công đoạn, cách thức thực hiện được thể hiện cụ thể qua hình 3.20.
Hình 3.320: Thiết kế mạch sơ bộ
Nhóm đã lên ý tưởng cho toàn hệ thống mạch điện tử được tóm gọn trong 1 hộp đen bảo vệ. Các vị trí đặt các thiết bị chính được đánh dấu, bố trí hợp lí và khoét lỗ sẵn để lắp ráp vào. Tiếp đến là việc định vị từng bộ phận chính cho hệ thống, thể hiện rõ qua hình 3.21 .
48
Hình 3.321: Bố trí hoàn thiện lắp ráp mạch hệ thống
Các thiết bị chính được cố định cụ thể bằng keo nến, các mối nối mạch được thực hiện bằng phương pháp hàn chị, cụ thể qua hình 3.22.
49
Mối nối được thực hiện ở nhiệt độ cao, dùng dây chì để hàn kín chỗ kết nối, đảm bảo độ chắc chắn và ổn định trong đường truyền tín hiệu. Ngoài ra, thông qua hình dưới đây có thể xem được tổng quan các cách thức làm ra được hệ thống hoàn chỉnh:
Hình 3.323: Mạch hoàn thiện
Qua hình, những cách thức kết nối có thể nói cụ thể là:
- Arduino với LCD: kết nối bằng 6 dây tín hiệu điện, 1 dây điện nguồn của LCD nối vào chân 3,3V trên mạch Arduino. Tất cả đều kết nối bằng chốt cắm.
- Arduino với bộ chuyển đổi tín hiệu: kết nối bằng 2 dây điện tín hiệu, chốt cắm tại vị trí chân A2 và Ao trên mạch Adrunio. 2 dây nguồn chốt tại vị trí chân 5V và chân GND trên mạch. Tất cả kết nối bằng chốt cắm. Riêng bộ chuyển đổi tín hiệu được nuôi bằng 1 nguồn DC 24V.
- Arduino với nguồn: mạch được nuôi bằng 1 nguồn DC 9V riêng biệt, kết nối bằng dây điện nguồn tại chốt cắm sạc trên mạch.
- Arduino với laptop: truyền tín hiệu giữa hai thiết bị bằng dây truyền tín hiệu, kết nối tại các cổng USB có trên thiết bị.
- Các thiết bị đo nhiệt độ: truyền tín hiệu về mạch bằng dây điện dài, thông qua các con điện trợ và bộ chuyển đổi tín hiệu
- Tại vị trí kết nối giữa chân các con thiết bị đo tín hiệu và bộ chuyển đổi, dùng các cổng 3 chân kết nối, hàn chì dây tín hiệu và quấn băng keo điện cho đảm bảo an toàn.
50 - Tất cả các thiết bị đều được hàn chì và cố định bằng keo nến trên tấm Phip.
- Các con thiết bị đo nhiệt độ và áp suất được cố định bằng băng keo điện tại các vị trí cần đo trên hệ thống lạnh.
Một vài hình ảnh về quá trình nhóm cùng chung sức thực hiện chế tạo mạch hệ thống, thể hiện qua hình:
51
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Cảm biến nhiệt độ và áp suất:
4.1.1Cảm biến nhiệt độ:
a) Ảnh hưởng của độ dài dây đến giá trị cảm biến nhiệt độ:
Dùng cảm biến nhiệt độ T1 có độ dài dây là 1m và T4 có độ dài dây là 10m để thực hiện đo kiểm tra như hình 4.1.
Ta thấy rằng khi dùng dây dẫn tín hiệu dài 10m sẽ cho ra giá trị nhiệt độ thấp hơn khi dùng dây dẫn tín hiệu dài 1m là từ 0,4oC – 0,6oC ( Giá trị trung bình là 0,5oC). Điều này cho thấy độ dài dây có ảnh hưởng đến giá trị nhiệt độ thu được từ các cảm biến nhiệt. Tuy nhiên, vấn đề này có thể được khắc phục khi ta cho nó một hệ số điều chỉnh giá trị nhiệt độ nhận về tương ứng với độ dài dây dẫn sử dụng cho từng cảm biến nhiệt.
( Hệ số hiệu chỉnh: Khi độ dài dây tín hiệu tăng thêm 1m thì cộng thêm 0,05oC vào giá trị nhận về của cảm biến đó )
Hình 4.11: Ảnh hưởng của độ dài dây đến giá trị cảm biến nhiệt độ
b) Ảnh hưởng của môi trường đến giá trị cảm biến nhiệt độ:
- Ở điều kiện nhiệt độ âm ( Kho trữ đông ở xưởng nhiệt ): 7 cảm biến nhiệt độ cho giá trị lệch nhau dao động trong khoảng 0oC đến 1oC. Tuy nhiên nếu để các cảm biến hoạt
52
động trong thời gian khoảng vài giờ thì độ chênh lệch giữa chúng càng nhỏ, giúp các cảm biến cho giá trị ổn định hơn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chúng em đã sử dụng 7 cảm biến nhiệt độ được đánh số từ T1 đến T7 để thực hiện thí nghiệm này, giá trị nhận về được thể hiện trong hình bên dưới.
a) Nhiệt độ hiển thị của kho b) Nhiệt độ hiển thị của cảm biến Hình 4.12: Kết quả kiểm tra cảm biến ở nhiệt độ thấp
- Ở điều kiện nhiệt độ cao ≈70oC ( Nước nóng ): 7 cảm biến nhiệt độ cho giá trị lệch nhau dao động trong khoảng 0.5oC đến 1oC. Tuy nhiên nếu để các cảm biến hoạt động trong thời gian khoảng vài giờ thì độ chênh lệch giữa chúng càng nhỏ, giúp các cảm biến cho giá trị ổn định hơn.
- Trong thí nghiệm này, chúng em vẫn sử dụng 7 cảm biến nhiệt độ được đánh số từ T1 đến T7 để thực hiện thí nghiệm này, giá trị nhận về được thể hiện trong hình bên dưới.
53
4.1.2Cảm biến áp suất:
Mặc dù đa số các thiết bị điện tử đã được chế tạo theo dây chuyền tự động với độ chính xác cao nhưng ta vẫn chưa thể chắc chắn 2 cảm biến áp suất mà nhóm đã lựa chọn tương đồng với nhau về độ chính xác. Vì vậy, nhóm đã hiệu chỉnh tín hiệu từ từng cảm biến áp suất đưa về bằng các hệ số có được trong quá trình kiểm tra độ chính xác của cảm biến áp suất.
Khi giảm hay tăng áp suất từ từ thì giá trị áp suất nhận về cũng thay đổi đều so với đồng hồ đo gas tại xưởng Nhiệt – Điện lạnh.
Kết quả cho thấy 2 cảm biến áp suất cho ra tín hiệu áp suất gần bằng nhau với độ chênh lệch không đáng kể ( 0 bar - 0,13 bar ) được thể hiện ở hình 4.4
Hình 4.14: Độ lệch giữa 2 cảm biến áp suất.
4.2 Hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu
4.2.1Phần cứng:
Sau khi được lắp đặt hoàn thiện thì phần cứng của bộ vi xử lý đã có thể kết nối được với máy tính như hình 4.5.
Kết nối được toàn bộ thiết bị được lựa chọn bao gồm bộ mạch vi xử lí trung tâm Arduino R3 với các cảm biến nhiệt độ DS18B20. (Sử dụng 7 điện trở giá trị 4,7 K tạo dòng điện phù hợp giúp các cảm nhiệt độ hoạt động biến hoạt động).
54
Hình 4.25:Hệ thống thu thập và xử lí dữ liệu nhiệt độ, áp suất
- Kết nối cảm biến áp suất với mạch chuyển tín hiệu dòng áp HW-685 (tín hiệu từ cảm biến áp suất là 0/4-20mA chuyển thành 0-3.3V/5V/10V) đưa về bộ vi xử lý trung tâm Arduino R3.
- Kết nối bộ vi xử lý trung tâm Arduino R3 với máy tính thông qua cổng USB ( Cổng COM ).
- Kết nối màn hình LCD hiển thị chất lượng hệ thống lạnh.
- Chế tạo được các chốt cắm cảm biến liên kết giữa bộ vi xử lý trung tâm Arduino R3 với các cảm biến tách rời.
- Chế tạo được nguồn phụ bằng pin 9V cho bộ vi xử lý trung tâm Arduino R3.
4.2.2 Phần mềm:
- Hoàn thiện phần code Arduino dùng để đọc tín hiệu truyền về từ các cảm biến nhiệt độ và áp suất
- Giao tiếp giữa Arduino với Visual studio thông qua cổng giao tiếp UART trên nền tảng ngôn ngữ lập trình VB.NET
- Thu thập và phân tích được các dữ liệu từ các cảm biến, thiết kế giao diện hiển thị các dữ liệu đó trên màn hình máy tính.
55
- Chẩn đoán và hiển thị được xu hướng lỗi có thể sắp xuất hiện của hệ thống trên màn hình máy tính.
- Vẽ được đồ thị thể hiện sự thay đổi của áp suất đầu đẩy (Pk), áp suất đầu hút (Po),
Tair TBNT và Tair TBBH theo thời gian.
- Sử dụng các dữ liệu nhiệt độ và áp suất để đánh giá chất lượng của hệ thống lạnh thông qua 5 cột sóng hiển thị trên LCD. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bên dưới là hình ảnh giao diện chính của phần mềm sau khi hoàn thiện.
Hình 4.26: Giao diện chính của phần mềm trên máy tính
4.3 Kết quả thực nghiệm
Từ những số liệu thu thập được trong quá trình vận hành nhóm đã theo dõi sự thay đổi nhiệt độ và áp suất của hệ thống trữ đông tại các vị trí lắp đặt cảm biến đã được xác định trước đó trong các điều kiện môi trường khác nhau. Trời mưa, nắng được thể hiện qua hình 4.7.
Qua hình 4.7 chúng ta thấy được giá trị của LP và HP cùng giảm xuống khi thời tiết chuyển mưa ( nhiệt độ môi trường thấp ). Điều này có ảnh hưởng đến các điều kiện để xét lỗi về giá trị cao hay thấp trong phần mềm mà nhóm đang thực hiện.
56
Với điều kiện nhiệt độ môi trường thấp, áp suất của hệ thống trữ đông có xu hướng giảm và hệ thống hoạt động hiệu quả hơn so với điều kiện môi trường có nhiệt độ cao hơn.
Tuy nhiên, độ chênh nhiệt độ giữa gió cấp và gió ra thiết bị ngưng tụ không thay đổi nhiều (delta gió cấp và gió ra TBNT ở khoảng 2 – 3oC).
Ở thiết bị bay hơi độ chênh của gió cấp và gió ra tương đối thấp (delta gió cấp và gió ra của TBBH ở khoảng 1,2 – 2,2oC).
Hình 4.37: Dữ liệu nhiệt độ và áp suất thu thập thực tế
Nhóm tiếp tục thu thập và cho ra số liệu vào ngày tiếp theo, kết quả được thể hiện ở hình 4.8.
Hệ thống thu thập các dữ liệu về ở hình trên tương đối ổn định. Nhiệt độ kho ổn định ở mức -19 đến -20oC do trong quá trình thu thập dữ liệu đã đảm bảo đóng kín không thường xuyên mở kho lạnh.
57
Hình 4.38: Dữ liệu nhiệt độ và áp suất thu thập được từ quá trình vận hành
4.4 Một số chẩn đoán của hệ thống
Nhờ có các chương trình con đảm bảo tính logic và sự chính xác của các cảm biến khi vận hành thì phần mềm xuất ra được các hộp thoại thông báo khi xảy ra các lỗi liên quan đến vấn đề này. Ví dụ trường hợp cảm biến nhiệt độ gió cấp vào Thiết bị bay hơi bị rơi hoặc nằm sai vị trí sẽ có thông báo như sau:
Hình 4.49: Thông báo cảm biến gió cấp cho TBBH đặt sai vị trị.
Khi nhập số liệu bằng tay để tạo giả định 1 số lỗi của hệ thống lạnh nhằm kiểm tra tính năng chuẩn đoán của phần mềm sẽ nhận được các thông báo như sau:
58 d)
Hình 4.410: Một số thông báo khi tạo lỗi giả định cho hệ thống a) Van tiết lưu và máy nén bé b)TBBH thiếu lưu lượng không khí
c)Van tiết lưu bé và TBNT bám bẩn d) Lỗi ở cảm biến áp suất
- Khi các dữ liệu thực nghiệm truyền về , hệ thống đảm bảo chất lượng sẽ xử lý và đưa ra kết quả nếu dữ liệu từ hệ thống tốt thì màn hình LCD sẽ hiển thị 5 cột như hình.
59
Khi các dữ liệu thực nghiệm truyền về, hệ thống đảm bảo chất lượng sẽ xử lý và đưa ra kết quả nếu dữ liệu từ hệ thống không tốt thì dựa vào mức độ ảnh hưởng màn hình LCD sẽ hiển thị ra số cột sóng tương ứng như hình.
Hình 4.412: Hệ thống thực nghiệm đang hoạt động không tốt.
4.5 Đánh giá các kết quả đạt được:
- Các cảm biến sử dụng trong mô hình đều cho ra các kết quả đo đạc tốt, đáp ứng được yêu cầu về chức năng là thu thập các dữ liệu, độ chính xác đạt mức cần thiết cho nghiên cứu.
- Liên kết các phần cứng của hệ thống thu thập và xử lí dữ liệu thành công, kích thước nhỏ gọn, kết nối máy tính dễ dàng đúng theo ý tưởng ban đầu theo mục tiêu của đề tài.
- Phần mềm hoạt động đúng mục đích, đưa ra được các lỗi của hệ thống lạnh và xuất ra đồ thị từ các dữ liệu đưa về
- Cụ thể hóa được chất lượng hệ thống lạnh bằng cách hiển thị các cột sóng lên màn hình LCD. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
60
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận
Đối với các hệ thống lạnh lớn hiện nay, chúng không thể thiếu một hệ thống giám sát thông số đi kèm nhằm đảm bảo bộ ổn định cũng như sự liên tục của một chuỗi hoạt động sản xuất mà trong đó hệ thống lạnh là một thành phần. Khi thực hiện đề tài Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu nhiệt độ của hệ thống lạnh bằng máy tính, nhóm đã hoàn thành một hệ thống thu thập dữ liệu và đưa vào thử nghiệm nhằm có những đánh giá khách quan về tình trạng cũng như xu hướng xảy ra những lỗi, hệ thống bao gồm:
1. Các cảm biến nhiệt độ và áp suất để đo đạc các thông số trên một hệ thống lạnh. 2. Một bộ phần cứng vi xử lý để kết nối giữa các cảm biến với máy tính, cụ thể là cung cấp dữ liệu cho phần mềm.
3. Một phần mềm được lập trình nhằm xử lý các vấn đề đối với dữ liệu nhận về, với công dụng: hiển thị các thông số đo đạc được, đưa ra đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống lạnh và các chẩn đoán sơ bộ về tình trạng của hệ thống lạnh.
4. Thiết bị và hệ thống đã được thực nghiệm lên hệ trữ đông để thực hiện nhiệm vụ chính của nó là: thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu.
Hệ thống thực hiện giám sát các thông số của một hệ thống cụ thể bằng các cảm biến và đưa dữ liệu về máy tính xử lý. Với cách làm này, việc thu thập các thông số sẽ thường xuyên hơn, và các số sẽ chính xác hơn. Nhờ vậy, nhóm có được một lượng dữ liệu dày đặc làm cơ sở cho việc xem xét các lỗi có thể xảy. Từ đó, nhóm đưa ra các quyết định vận hành và bảo trì đúng đắn hơn, giảm chi phí sửa chữa và tránh được việc tổn hao do phải gián đoạn quy trình sản xuất.
Đây là một hướng đi mới trong quy trình quản lý hệ thống lạnh, và hướng đi này mang đầy sự hứa hẹn.
5.2 Kiến nghị
Ở thời điểm hiện tại, hệ thống chỉ được thực nghiệm trên hệ thống trữ đông tại xưởng Nhiệt – Điện lạnh. Để phần mềm có thể hoạt động chính xác và ổn định hơn,
Để tài cần được phát triển hơn về độ chính xác do có nhiều sai số xảy ra trong quá trình tính toán để đưa ra các thông số cuối cùng cho việc xử lý dữ liệu. Từ những số liệu
61
thu thập được, đề tài có thể mở rộng hơn về mặt dự đoán lỗi có thể xảy ra với hệ thống trong tương lai bằng các thuật toán tối ưu. Mặt khác, nhóm kiến nghị phần mềm nên được thử nghiệm trên nhiều hệ thống khác nhau để phần mềm được ổn định và tăng độ tin cậy.
Với hướng nghiên cứu hiện tại, nhóm thực hiện hệ thống thu thập, xử lý dữ liệu bằng máy tính cho 1 loại môi chất lạnh R22. Đề tài cần được bổ sung thêm nhiều loại môi chất lạnh hơn nữa để tăng tính phổ biến và dễ sử dụng hơn.
Từ những nội dung đề tài thực hiện được, nhóm hi vọng góp phần vào việc hoàn thiện một hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu, nâng cao mức độ hiệu quả của một phần mềm quản lý dữ liệu và có thể thực hiện được phần dự đoán lỗi từ sớm để hệ thống lạnh có thể hoạt động ổn định và nâng cao hiệu suất.
62
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Zhe Sun, Huaqiang Jin, Jiangping Gu, Yuejin Huang, Xi Shen, "Gradual fault early stage diagnosis for air source heat pump system using deep learning techniques,"
International Journal of Refrigeration, vol. 107, pp. 63-72, 2019.
[2] "Novel application of multi-model ensemble learning for fault diagnosis in