Iot trong thiết kế, chế tạo mạng cảm biến không dây thu thập và giám sát thông số tại nhà máy

- NGUYỄN QUÝ AN IOT TRONG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY THU THẬP VÀ GIÁM SÁT THÔNG SỐ TẠI NHÀ MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- NGUYỄN QUÝ AN IOT TRONG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY THU THẬP VÀ GIÁM SÁT THÔNG SỐ TẠI NHÀ MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS.
- 1 CHƢƠNG I: CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN.
- Khái niệm và tổng quan công nghệ.
- Mạng cảm biến không dây.
- Phân loại và ứng dụng.
- Tình hình ứng dụng IOT/ WSN trên thế giới.
- CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG IOT-WSN.
- Tự động hóa thiết bị dân dụng, căn hộ.
- 20 1.4.5 IOT trong y tế.
- 21 CHƢƠNG 2 – HỆ THỐNG GIÁM SÁT THÔNG SỐ TRONG NHÀ MÁY, DẠNG IOT- WSN ĐÃ TRIỂN KHAI.
- Hệ thống giám sát quá trình bảo dƣỡng nhà máy Piaggio.
- Mô tả hệ thống.
- Hiệu chỉnh hệ thống.
- Phân tích hệ thống.
- Thiết kế hệ thống nút cảm biến không dây- IOT.
- 42 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Số lƣợng các cảm biến trong các dây chuyền.
- 31 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Cấu tạo IOT trong cảm biến thông minh.
- 14 Hình 12: So sánh các công nghệ truyền không dây .
- 17 Hình 16: Lĩnh vực ứng dụng của IOT.
- 18 Hình 17: IOT trong tòa nhà thông minh (Smart Building.
- 18 Hình 18: IOT trong căn hộ thông minh (Smart Home.
- 19 Hình 19: IOT trong giao thông thông minh (Smart Transport.
- 19 Hình 20: IOT trong thành phố thông minh (smart city.
- 20 Hình 21: IOT trong y tế thông minh (Smart Healthcare.
- 21 Hình 22: IOT trong nhà máy thông minh (smart factory.
- Trong đó đầu vào gọi chung là các cảm biến (lấy dữ liệu đo, trạng thái.
- Hiệu quả và hiệu suất công việc không chỉ phụ thuộc vào độ hiện đại của từng thiết bị máy móc, mà là của cả hệ thống và liên hệ thống.
- Và giá trị hệ thống sẽ tăng lên rất nhiều lần nếu có sự đồng bộ, tối ƣu của các thiết bị và con ngƣời.
- Việc kết nối các thiết bị, dữ liệu và con ngƣời thành một hệ thống nhằm tối ƣu không chỉ trong phạm vi một hệ thống, mà còn nhiều hệ thống thiết bị kết hợp với “hệ thống đặc biệt” là con ngƣời.
- Giới thiệu mạng cảm biến không dây (WSN- Wireless Sensor Network), nền tảng IOT (Internet of Things.
- Các ứng dụng của hệ thống mạng cảm biến không dây nền tảng IOT (WSN-IOT).
- Hệ thống mạng cảm biến không dây nền tảng IOT đã triển khai - Phần cứng, phần mềm, giao diện ngƣời dùng 2 Cuối cùng là kết luận, nhận định định hƣớng phát triển và khả năng mở rộng ứng dụng thực tế cho đề tài.
- Phòng kỹ thuật R&D của công ty CP Xúc tiến công nghệ mới ATP (Các đồng nghiệp) Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và cộng tác của mọi ngƣời trong thời gian qua! 3 ĐẶT VẤN ĐỀ Công ty ATP là một đơn vị chuyên thiết bị và dịch vụ phụ trợ trong lĩnh vực sản xuất ô tô, xe máy.
- Gần đây, công ty đã và đang thực hiện hạng mục bảo dƣỡng một số dây chuyền cùng thiết bị trong nhà máy Piaggio Việt Nam (KCN Bình Xuyên, Vĩnh Phúc).
- Xuất phát từ bất cập trong thực tiễn cũng nhƣ sự cố cụ thể nói trên, tác giả đã cùng phòng nghiên cứu phát triển (R&D) của công ty ATP đã đề xuất thiết kế một hệ thống đo, thu thập, giám sát các thông số của môi trƣờng làm việc trong các dây chuyền.
- Hệ thống dựa trên kỹ thuật mạng cảm biến không dây (WSN- Wireless Sensor Network) và IOT (Internet Of Things).
- Hệ thống này dựa trên nền tảng IoT, có nghĩa là các thông số đo đƣợc lƣu trữ, có thể đƣợc cập nhật thông qua kết nối internet với cơ sở dữ liệu trực tuyến.
- Đây cũng chính là luận văn thạc sỹ “IoT trong 4 thiết kế, chế tạo mạng cảm biến không dây thu thập và giám sát thông số tại nhà máy”.
- Để triển khai hệ thống giám sát thông số tại nhà máy dựa trên nền tảng WSN và IOT, tác giả đã tiến hành tìm hiểu về công nghệ WSN và IOT trƣớc tiên.
- 5 CHƢƠNG I: CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ IOT Trong chƣơng này, các khái niệm và tổng quan về công nghệ WSN- IOT đƣợc trình bày.
- Các ứng dụng của WSN-IOT trên thế giới cũng nhƣ xu hƣớng và thị trƣờng công nghệ này hiện nay cũng đƣợc tóm lƣợc tổng quan.
- Khái niệm và tổng quan công nghệ 1.
- Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks, gọi tắt là WSN) là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến (sensor nodes), đƣợc trang bị các nút cảm biến có khả năng cảm biến môi trƣờng nhƣ cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến cƣờng độ ánh sáng.
- và có khả năng giao tiếp không dây (wireless) với các nút còn lại tạo thành một mạng cảm biến không dây phủ sóng một vùng vật lý nào đó nhằm giám sát, theo dõi và quản lý vùng đó.
- 2292-2330) Hình 1: Cấu tạo IOT trong cảm biến thông minh (Nguồn: sách trắng IEC- International Electrotechnical Commision-Thụy Sỹ) 6 1.1.2 WSN trong IoT Khái niệm IOT: Công nghệ hiện nay thay đổi liên tục, do tính kế thừa và giới hạn hạ tầng làm cho dƣ địa phát triển theo hƣớng truyền thống ngày càng khó, đặc biệt là với những ngƣời mới khởi nghiệp.
- Vì thế, cái tiến dựa trên phần mềm và ứng dụng công nghệ thông tin đang là xu hƣớng,và có ƣu thế vƣợt trội.
- Công nghệ này đang bắt đầu ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành, lĩnh vực trong công nghệ và đời sống.
- (Nguồn: Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito, Internet of Things: A survey, Computer Networks Theo định nghĩa từ tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things (IoT-GSI), IoT là "hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ (điện toán) chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực lẫn ảo) đƣợc kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu đƣợc tích hợp" Còn theo IERC- IoT European Research Cluster, “Internet Vạn Vật hoặc là Mạng lƣới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt là IoT) là một hạ tầng mạng lƣới toàn cầu động, cùng khả năng tự cấu hình, dựa trên giao thức truyền thông trên tiêu chuẩn và tƣơng tác đƣợc, nơi sự vật (cả sự vật thực và ảo) đƣợc nhận biết, phân quyền vật lý, định danh ảo và dùng giao diện thông minh, và đƣợc liên tục tích hợp vào mạng thông tin.
- 7 Hình 2: Ảnh minh họa IOT (Nguồn: IERC) Cấu trúc của mạng cảm biến không dây trong IoT gồm 3 lớp: lớp mạng cảm biến (Accquistion), lớp truyền thông (Communication), và lớp ứng dụng (Application.
- Lớp mạng cảm biến (Accquistion): gồm các sensor, thiết bị chuẩn hóa, bù sai số, lọc, xử lý tín hiệu đo.
- Lớp truyền thông (Communication): gồm các thiết bị truyền thông không dây, thiết bị chuyển hóa, ăng ten, thiết bị thu phát.
- Lớp ứng dụng (Application): gồm các thiết bị mạng, thiết bị đầu cuối, phần mềm xử lý, hệ thống web và các ứng dụng mạng trên internet, thiết bị lƣu trữ và bảo mật… Các thiết bị IOT Thế giới thực Thế giới ảo 8 Hình 3: Cấu trúc của một WSN-IOT (Nguồn: IEC- International Electrotechnical Commision) Hình 4: Mô hình một WSN-IOT (Nguồn: IEC- International Electrotechnical Commision) Lớp ứng dụng Lớp truyền thông Lớp thu thập dữ liệu Lớp ứng dụng Lớp mạng Mạng cảm biến không dây 9 Hình 5: Các lớp dữ liệu của mạng WSN (Nguồn: IEC.
- Giao thức mạng cảm biến: Có 3 kiểu giao thức bố trí WSN.
- Phân loại và ứng dụng Thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến: 1- Các cảm biến: phân bố theo mô hình tập trung hoặc phân bố rải.
- 2- Mạng lƣới liên kết giữa các cảm biến.
- 3- Các node cảm biến, là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý.
- 4- Mạng cảm biến không dây: là mạng kết nối giữa các node cảm biến bằng sóng vô tuyến (không dây).
- (Nguồn: Anna Ha’c, Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd, Copyright 2003) Mỗi node cảm biến gồm có.
- Một hay nhiều cảm biến.
- Các phần ứng dụng khác.
- (Nguồn: Anna Ha’c, Wireless Sensor Network Designs, John Wiley & Sons Ltd,) Kết nối mạng cảm biến không dây chia làm 2 loại: Loại 1: Hệ thống kết nối các node sử dụng giao thức định tuyến động (C1WSN, các node tìm đƣờng đi tôt nhất đến đích) 11 Hình 7: Cấu trúc mạng loại giao thức dạng 1(định tuyến động) Loại 2: Hệ thống kết nối các node sử dụng giao thức định tuyến tĩnh (C2WSN, liên kết các node là điểm-điểm).
- Cấu trúc WSN- IOT Điều kiện của IoT là các thiết bị phải giao tiếp đƣợc với nhau (D2D- device to device).
- Lớp thiết bị: phần vật lý cứng, là các thiết bị công nghiệp, dân dụng, các đối tƣợng ảo, gateway.
- Lớp hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng: xử lý, lƣu trữ dữ liệu.
- Lớp ứng dụng: ứng dụng IOT (Nguồn: Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference Architectures for the Internet of Things, Corba 2015) Lớp ứng dụng Lớp truyền thông Lớp thu thập dữ liệu 13 Hình 10: Cấu trúc các lớp mạng (Nguồn: Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference Architectures for the Internet of Things, Corba Giao thức WSN- IOT Trong IOT, điều kiện cần là các thiết bị phải giao tiếp đƣợc với nhau (D2D), và giao tiếp đƣợc với máy chủ (thu thập và gửi thông tin) (D2S).
- Các thiết bị và máy chủ đều đƣợc gán địa chỉ- IP adddress, để kết nối với mạng (internet) và kết nối với nhau (cũng thông qua internet).
- Vì thế số địa chỉ IP và năng lực truyền tải quyết định quy mô và tốc độ của hệ thống IOT.
- Lớp ứng dụng Lớp mạng Lớp hỗ trợ Lớp thiết bị 14 Hình 11: Minh họa MQTT (Nguồn: IERC Cluster SRIA 2014) MQTT hoạt động đơn giản, cung cấp nhiều lựa chọn điều khiển.
- So sánh các công nghệ truyền không dây (Zigbee, 2004): Chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4 Bluetooth UWB IEEE 802.11 B/G Tần số làm việc 868/915 MHz, 2.4GHz 2.4GHz 3.1-10.6GHz 2.4GHz Khoảng đo Dải dữ liệu 20/40/250 kbs 1 Mbps 100+ Mbps 2-54 Mbps Thiết bị 255-65k 8 50-200 Nguồn tiêu thụ ~1mW 40-100 mW ~160 mW-600W Giá (USD Hình 12: So sánh các công nghệ truyền không dây 1.3.
- Tình hình ứng dụng IOT/ WSN trên thế giới Hiện nay cảm biến thông minh đang đƣợc phát triển rất nhanh, nhất là mạng cảm biến không dây (WSN) đang tăng tỷ trọng rất nhanh.
- Bảng 13: Thị trường sensor thông minh trong công nghiệp (Nguồn: IEC) Quá trình công nghiêp Dầu khí Truyền tải điện Nâng cấp/ cải tiến Tự động hóa xí nghiệp 16 Bảng 14: Thị trường sensor thông minh trong công nghiệp (Nguồn: IEC) Ứng dụng IOT trên thế giới tuy mới bắt đầu 1 vài năm nhƣng đã phát triển rất rộng, lên hầu hết các lĩnh vực thiết bị dân dụng tòa nhà, căn hộ thông minh, văn phòng thông minh, sản xuất, quản lý đô thị, môi trƣờng, quản lý hành chính… Tuy nhiên, độ sâu của các ứng dụng này vẫn còn rất tiềm năng.
- Ta có thể chia ra một số nhóm chính ứng dụng của IOT.
- IOT trong tòa nhà (Smart Building.
- IOT trong thiết bị dân dụng, trang bị căn hộ (Smart Living, smart home.
- IOT trong vận tải (Smart Transport.
- IOT trong y tế (Smart Health.
- CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG IOT-WSN WSN-IOT đã đi vào hầu hết các ngành, lĩnh vực, và tạo hiệu quả bƣớc đầu.
- Dƣới đây là các lĩnh vực ứng dụng chính: trong năng lƣợng, tòa nhà, thiết bị căn hộ, sức khỏe, giao thông, đô thị thông minh… Thế hệ Thế hệ 1 Thế hệ 2 Thế hệ 3 Thế hệ 4 (dữ liệu) Tƣơng tự Dữ liệu sô Tốc độ cao Băng ALL-IP Hệ số thấp Đa thời gian Ubiquiteus, seamless Tốc độ truyền tối đa Trmax (Mbps) Năm 18 Hình 16: Lĩnh vực ứng dụng của IOT (Nguồn: European Research Cluster SRA) 1.4.1 IOT tòa nhà - IOT trong tòa nhà (Smart Building): hệ thống văn phòng thông minh, tòa nhà thông minh, công nghệ xanh… đang dần phổ biến Hình 17: Tòa nhà thông minh (Nguồn: www.blueapp.io) 19 1.4.2.
- Tự động hóa thiết bị dân dụng, căn hộ - IOT trong thiết bị dân dụng, trang bị căn hộ (Smart Living, Smart Home): Các thiết bị thông minh phục vụ căn hộ, đồ dùng cá nhân đang ngày càng phổ biến, kết nối thành một hệ thống căn hộ thông minh, nhằm quản lý và chia sẻ các nhu cầu chi tiêu/ hoạt động hằng ngày.
- Hình 20: IOT trong thành phố thông minh (smart city) (Nguồn: IEEE, IEC) 1.4.5 IOT trong y tế - IOT trong y tế (Smart Health): giám sát các thông số tình trạng sức khỏe của cá nhân lẫn hệ dân cƣ, trang thiết bị bệnh viện, quản lý luồng dƣợc phẩm… 21 Hình 21: Y tế thông minh (Nguồn: www.aeteurope.com) 1.4.
- IOT-WSN trong năng lƣợng, sản xuất - IOT trong năng lƣợng (Smart Energy): quản lý lƣợng tiêu thụ năng lƣợng, chất lƣợng nguồn điện, hoạt động của các thiết bị thông qua năng lƣợng tiêu thụ (dòng, áp, các biến thiên năng lƣợng tiêu thụ).
- Qua đó, việc giám sát, điều chỉnh, quản lý thiết bị lẫn hệ thống đƣợc dễ dàng hơn.
- Đồng thời, IOT trong nhà máy (smart factory) cũng đƣợc tích hợp rất nhanh.
- Hình 22: IOT trong nhà máy thông minh (smart factory) (Nguồn: www.elisa.com) Y tế thông minh (chăm sóc sức khỏe) 22 CHƢƠNG 2 – HỆ THỐNG GIÁM SÁT THÔNG SỐ TRONG NHÀ MÁY, DẠNG IOT- WSN ĐÃ TRIỂN KHAI Trong chƣơng này, tác giả sẽ đề cập đến việc thiết kế mạng giám sát thông số nhà máy, WNS- IOT.
- Sau đây là các hệ thống thiết kế phần cứng, phần mềm với một số phân tích nhất định, và đối chiếu kiểm tra kết quả.
- Hệ thống giám sát quá trình bảo dƣỡng nhà máy Piaggio 2.
- 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.
- Việc giám sát các thông tin vì thế rất quan trọng, bởi tính an toàn và liên tục của cả hệ thống.
- 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.
- Dây chuyền/ Cảm biến HÀN SƠN KIM LOẠI NHỰA XLNT CẶN SƠN LẮP RÁP ĐỒ GÁ Sensor CO Sensor nhiệt độ khí Sensor nhiệt độ nƣớc Sensor độ ẩm Sensor pH Bảng 1: Số lượng các cảm biến trong các dây chuyền 24 Hình 23: Phân xưởng lắp ráp- Piaggio Vietnam (Nguồn: ATP) 25 Hình 24: Phân xưởng Sơn/ cặn sơn- Piaggio Vietnam (Nguồn: ATP) 26 Hình 25: Phân xưởng Sơn/ cặn sơn- Piaggio Vietnam (Nguồn: ATP) Hình 26: Phân xưởng hàn- Piaggio Vietnam (Nguồn: ATP) 27 2.
- Hiệu chỉnh hệ thống Phần nhiệt độ khí: theo phép đo truyền thống, chuẩn hóa nhiệt độ bằng nhiệt kế chuẩn.
- 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.
- Đƣa ra ví dụ về hệ thống xử lý cặn sơn.
- Tự động diều chỉnh hệ thống Đó có lẽ là các ƣu điểm mạnh nhất của phần mềm, IOT.
- 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.
- Có 5 loại hóa chất chính, theo bảng nhƣ sau: 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

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt