Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thu thập dữ liệu bằng máy tính trong hệ thống lạnh công nghiệp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.68 MB, 137 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU BẰNG MÁY TÍNH
TRONG HỆ THỐNG LẠNH CƠNG NGHIỆP
Sinh viên thực hiện:
MSSV
1. TRẦN HỒNG BẢO
17147129
2. LÊ BÌNH DƯƠNG
17147134
3. NGUYỄN THỊ KIM QUẾ
17147172
4. TRẦN ĐÌNH TRỌNG
17147190
Giảng viên hướng dẫn: ĐỒN MINH HÙNG
TP. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2021
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU BẰNG MÁY TÍNH
TRONG HỆ THỐNG LẠNH CƠNG NGHIỆP
Sinh viên thực hiện:
MSSV
1. TRẦN HỒNG BẢO
17147129
2. LÊ BÌNH DƯƠNG
17147134
3. NGUYỄN THỊ KIM QUẾ
17147172
4. TRẦN ĐÌNH TRỌNG
17147190
Giảng viên hướng dẫn: ĐỒN MINH HÙNG
TP. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2021
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
TP. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 01 năm 2021
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1. Trần Hoàng Bảo
MSSV: 17147129
(E-mail:
2. Lê Bình Dương
MSSV: 17147134
(E-mail:
3. Nguyễn Thị Kim Quế
Điện thoại: 0396 408 503)
MSSV: 17147172
(E-mail:
4. Trần Đình Trọng
Điện thoại: 0764 394 138)
Điện thoại: 0869 026 612)
MSSV: 17147190
(E-mail: Điện thoại: 0393 064 953)
Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Nhiệt
Khóa: K17
Lớp: 171470A, 171470B
1. Tên đề tài
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thu thập dữ liệu bằng máy tính trong hệ
thống lạnh công nghiệp.
2. Nhiệm vụ đề tài
- Tổng quan về các cơng trình nghiên cứu có liên quan để chỉ ra động lực thực hiện đề
tài.
- Tiến hành nghiên cứu cơ sở.
- Thiết kế và chế tạo hệ thống thu thập dữ liệu bằng máy tính.
- Viết phần mềm xử lý dữ liệu trên máy tính.
- Thử nghiệm kiểm tra chất lượng thiết bị đo.
- Thực nghiệm thu thập dữ liệu trên hệ thống lạnh trữ đông tại xưởng Nhiệt – Điện
lạnh.
- Đánh giá chất lượng dữ liệu từ hệ thống thu thập với các thiết bị đo hiện có trên hệ
thống lạnh.
- Thực nghiệm dữ liệu thu thập để chẩn đoán Pan.
- Viết báo cáo tổng kết.
3. Sản phẩm của đề tài
Bản thiết kế, chương trình nạp cho vi xử lý, phần mềm xử lý dữ liệu trên máy tính và hệ
thống thu thập dữ liệu.
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 27/11/2020
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 26/01/2021
TRƯỞNG BỘ MƠN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Đồn Minh Hùng
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
Bộ môn: Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ tên sinh viên:
MSSV:
1. Trần Hoàng Bảo
17147129
2. Lê Bình Dương
17147134
3. Nguyễn Thị Kim Quế
17147172
4. Trần Đình Trọng
17147190
Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thu thập dữ liệu bằng máy tính trong
hệ thống lạnh công nghiệp.
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
Họ và tên Giảng viên hướng dẫn: Đoàn Minh Hùng
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không đánh máy)
2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
2.2 Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp
tục phát triển)
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
2.3 Kết quả đạt được:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
2.4 Những thiếu sót và tồn tại (nếu có):
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
3. Đánh giá
TT
1.
2.
3.
4.
Mục đánh giá
Hình thức và kết cấu ĐATN
Điểm tối
đa
Điểm đạt được
30
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục
10
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
10
Tính cấp thiết của đề tài
10
Nội dung ĐATN
50
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật,
khoa học xã hội…
5
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá
10
Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy
trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
15
Khả năng cải tiến và phát triển
15
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên
ngành…
Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
5
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
Tổng điểm
10
10
100
7. Kết luận:
Được phép bảo vệ
Không được phép bảo vệ
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021
Giảng viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
Bộ môn: Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ tên sinh viên:
MSSV:
1. Trần Hoàng Bảo
17147129
2. Lê Bình Dương
17147134
3. Nguyễn Thị Kim Quế
17147172
4. Trần Đình Trọng
17147190
Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thu thập dữ liệu bằng máy tính
trong hệ thống lạnh công nghiệp.
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
Họ và tên Giảng viên phản biện: PGS.TS Hoàng An Quốc
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có
thể tiếp tục phát triển)
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
3. Kết quả đạt được:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
4. Những thiếu sót và tồn tại (nếu có):
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
5. Câu hỏi:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
6. Đánh giá
Hình thức và kết cấu ĐATN
1.
Điểm đạt được
30
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục
10
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
10
Tính cấp thiết của đề tài
10
Nội dung ĐATN
2.
3.
Điểm tối
đa
Mục đánh giá
TT
50
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật,
khoa học xã hội…
5
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá
10
Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy
trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
15
Khả năng cải tiến và phát triển
15
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên
ngành…
Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
5
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
4.
Tổng điểm
10
10
100
7. Kết luận:
Được phép bảo vệ
Khơng được phép bảo vệ
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021
Giảng viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thu thập dữ liệu bằng máy tính
trong hệ thống lạnh cơng nghiệp.
Họ tên sinh viên:
MSSV:
1. Trần Hồng Bảo
17147129
2. Lê Bình Dương
17147134
3. NguyễnThị Kim Quế
17147172
4. Trần Đình Trọng
17147190
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên
phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo về. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh
đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức.
Chủ tịch Hội đồng:
_______________________
______________________
Giảng viên hướng dẫn: _______________________
______________________
Giảng viên phản biện: _______________________
______________________
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2021
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, nhóm chúng em xin gửi đến tồn thể các q thầy cơ trong bộ mơn Cơng
nghệ Nhiệt – Điện lạnh, khoa Cơ khí Động lực, cùng các thầy cô trong trường Đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đã dạy dỗ và truyền đạt kiến thức từ cơ sở đến chuyên
ngành trong bốn năm qua với một lời cảm ơn sâu sắc. Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn
chân thành nhất đến thầy hướng dẫn “Đồn Minh Hùng”, người đã tận tình và đầy nhiệt
huyết chỉ dạy cho chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Ngồi ra, nhóm rất hạnh
phúc khi nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình từ bạn CNKT Nhiệt khóa 2017 đã hỗ trợ dụng
cụ chế tạo sản phẩm.
Vì kiến thức cịn hạn chế, trong q trình làm án tốt nghiệp, khơng thể tránh khỏi
những sai sót, hạn chế. Vì thế, rất mong q thầy cơ và các bạn thông cảm. Cuối cùng,
Chúng em chân thành cám ơn và chúc quý thầy cô và các bạn luôn vui vẻ và hạnh phúc!
Sinh viên thực hiện
1. Trần Hoàng Bảo
2. Lê Bình Dương
3. Nguyễn Thị Kim Quế
4. Trần Đình Trọng
i
TĨM TẮT
Hệ thống lạnh trong một tịa nhà, cơng trình chiếm tới hơn 50% năng lượng điện. Vì
thế, việc vận hành hiệu quả hệ thống lạnh đang là một vấn đề được quan tâm nhiều nhất,
nó sẽ mang nhiều lợi ích trong việc tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành cũng như
bảo vệ mơi trường. Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về cơng nghệ chẩn đốn lỗi của hệ
thống lạnh từ cục bộ, VRV đến cả hệ thống Watter Chiller. Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ
dừng lại ở việc phát hiện lỗi khi có những biểu hiện cụ thể và hầu như các lỗi đã xảy ra.
Điều đó có nghĩa hệ thống chưa chẩn đốn khi nào hoặc bao lâu sẽ xuất hiện dấu hiệu lỗi.
Việc phát hiện kịp thời và chẩn đoán lỗi cho các hệ thống lạnh bằng cơ sở dữ liệu
máy tính đang trở thành một ứng cử viên của những nghiên cứu công nghệ lạnh gần đây.
Vì vậy trong đề tài này sẽ giới thiệu một phương pháp chẩn đoán mang tên hệ thống thu
thập dữ liệu bằng máy tính trong hệ thống lạnh công nghiệp. Hệ thống là sự kết hợp hai
nền tảng: ngơn ngữ lập trình Matlab và mạch xử lý trung tâm Arduino.
Mơ hình đã được thử nghiệm trên hệ thống trữ đông một cấp tại xưởng Nhiệt – Điện
lạnh tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh và được thực hiện qua
nhiều ngày trong tuần. Kết quả cho thấy khả năng phát hiện những triệu chứng bất thường
với độ chính xác 97 %. Với kết quả đó, hy vọng sẽ đem lại giải pháp tối ưu trong tương
lai.
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... i
TÓM TẮT............................................................................................................................ ii
MỤC LỤC .......................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ........................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................................. vii
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................... x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 1
1.1. Vấn đề nghiên cứu .................................................................................................... 1
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước .............................................................. 1
1.2.1. Nước ngoài ........................................................................................................ 1
1.1.2. Trong nước ...................................................................................................... 10
1.3. Mục tiêu đề tài ........................................................................................................ 10
1.4. Phương pháp thực hiện ........................................................................................... 11
1.5. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 11
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU ............................................................................... 13
2.1. Cơ sở về chu trình máy lạnh nén hơi ...................................................................... 13
2.1.1. Chu tình máy lạnh một cấp .............................................................................. 13
2.1.2. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên hệ số làm lạnh ................................................ 15
2.2. Phương trình cân bằng nhiệt ................................................................................... 16
2.2.1. Đối với thiết bị trao đổi nhiệt với khơng khí ................................................... 16
2.2.2. Đối với thiết bị trao đổi nhiệt với nước ........................................................... 18
2.2.3. Các phương trình xác định mối quan hệ nhiệt độ trong hệ thống lạnh ........... 19
2.3. Quy trình chẩn đốn ............................................................................................... 21
2.3.1. Phân tích các triệu chứng ................................................................................ 21
iii
2.3.2. Bảng dữ liệu thu thập và xử lý dữ liệu ............................................................ 24
2.3.3. Sơ đồ quy trình chẩn đốn ............................................................................... 25
2.4. Cơ sở thiết kế .......................................................................................................... 27
2.4.1. Phần cứng ........................................................................................................ 27
2.4.2. Phần mềm ........................................................................................................ 32
2.4.3. Cảm biến dữ liệu ............................................................................................. 34
CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM.................................................................. 41
3.1. Chế tạo thiết bị........................................................................................................ 41
3.1.1. Bản vẽ thiết kế ................................................................................................. 41
3.1.2. Thi công phần cứng ......................................................................................... 44
3.1.3. Phần các phần mềm lập trình .......................................................................... 47
3.2. Kiểm nghiệm sản phẩm .......................................................................................... 52
3.2.1. Nhiệt độ ........................................................................................................... 52
3.2.2. Áp suất ............................................................................................................. 55
3.3. Vận hành ................................................................................................................. 59
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ...................................................................... 65
4.1. Một số tính năng của hệ thống ............................................................................... 65
4.2. Kết quả kiểm nghiệm.............................................................................................. 68
4.2.1. Nhiệt độ ........................................................................................................... 68
4.2.2. Áp suất ............................................................................................................. 71
4.2.3. Vận hành .......................................................................................................... 81
4.2. Đánh giá kết quả ..................................................................................................... 89
4.2.1. Sai số sản phẩm ............................................................................................... 89
4.2.2. So sánh sản phẩm ............................................................................................ 90
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 92
5.1. Kết luận................................................................................................................... 92
iv
5.2. Kiến nghị ................................................................................................................ 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 93
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 98
Phụ lục 1: Bảng các thông số và xử lý số liệu vận hành ............................................... 98
Phụ lục 2: Nguyên nhân và cách khắc phục 10 Pan đã nêu trong đề tài. ...................... 98
Phụ lục 3: Code Matlab ............................................................................................... 102
Phụ lục 4: Code Ardunio ............................................................................................. 114
Phụ lục 5 : Cơng thức tính sai số ................................................................................. 116
v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
CÁC TỪ VIẾT
TBNT
Thiết bị ngưng tụ
TBBH
Thiết bị bay hơi
TL
Van tiết lưu
MN
Máy nén
HVAC
Hệ thống điều hịa khơng khí
BMS
Hệ thống quản lý tịa nhà
IoT
Internet of Things
VRF
Variable Refrigerant Flow
KÝ HIỆU
tk
Nhiệt độ ngưng tụ (oC)
t0
Nhiệt độ bay hơi (oC)
pk
Áp suất ngưng tụ (bar)
p0
Áp suất bay hơi (bar)
Tc
Nhiệt độ đo được từ nhiệt kế điện tử DS-1
LP
Áp suất thấp
HP
Áp suất cao
vi
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1: Sơ đồ ngun lý ................................................................................................. 13
Hình 2.2: Đồ thị lgp-h ....................................................................................................... 14
Hình 2.3: Trường hợp t0’ < t0 ............................................................................................. 15
Hình 2.4: Trường hợp tk’ > tk ............................................................................................. 16
Hình 2.5: Các thơng số trên hệ thống lạnh trao đổi nhiệt với khơng khí .......................... 17
Hình 2.6: Các thông số trên hệ thống lạnh trao đổi nhiệt với nước .................................. 18
Hình 2.7: Sơ đồ chẩn đốn pan.......................................................................................... 26
Hình 2.8: Arduino Uno R3 ................................................................................................ 28
Hình 2.9: Màn hình LCD Nokia 5110 ............................................................................... 30
Hình 2.10: Sơ đồ kết nối màn hình Nokia 5110 với Arduino ........................................... 31
Hình 2.11: Giao diện phần mềm Arduino IDE ................................................................. 32
Hình 2.12: Giao diện chính của Matlab R2017b ............................................................... 34
Hình 2.13: Sơ đồ mẫu kết nối DS18B20 với mạch Ardunio ............................................. 36
Hình 2.14: Bản vẽ kết nói dây cảm biến nhiệt độ ............................................................. 36
Hình 2.15: Cảm biến áp suất ............................................................................................. 37
Hình 2.16: Kết nối đầu dây................................................................................................ 38
Hình 2.17: Sơ đồ kết nối cảm biến áp suất ........................................................................ 39
Hình 3.1: Bản vẽ thiết kế tổng thể ..................................................................................... 42
Hình 3.2: Sơ đồ lắp đặt vị trí cảm biến .............................................................................. 43
Hình 3.3: Thiết kế nắp trên mặt trước hộp kỹ thuật .......................................................... 44
Hình 3.4: Mặt trong nắp hộp kỹ thuật ............................................................................... 45
Hình 3.5: Lắp đặt các bo mạch và đấu dây với màn hình LCD ........................................ 45
Hình 3.6: Thực hiện bước 3 ............................................................................................... 46
Hình 3.7: Hồn thành sản phẩm ........................................................................................ 47
Hình 3.8: Lưu đồ Arduino ................................................................................................. 48
Hình 3.9: Lưu đồ Matlab ................................................................................................... 49
Hình 3.10: Kiểm nghiệm cảm biến nhiệt độ ở điều kiện khơng khí 24oC ........................ 53
Hình 3.11: Kiểm nghiệm cảm biến nhiệt độ trong mơi trường nước 25oC ....................... 53
Hình 3.12: Kiểm nghiệm cảm biến tại mơi trường nước có nhiệt độ 56oC....................... 54
Hình 3.13: Kiểm nhiệm cảm biến nhiệt độ tại môi trường nước có nhiệt độ 0oC............. 54
Hình 3.14: Kiểm nghiệm áp suất với đồng hồ nạp gas ..................................................... 55
vii
Hình 3.15: Kiểm nghiệm áp suất với mơi chất khơng đồng sơi ........................................ 56
Hình 3.16: Kiểm tra dữ liệu áp suất so với Testo 550 ....................................................... 58
Hình 3.17: Kết quả cảm biến áp suất thu được tại áp suất môi trường ............................. 58
Hình 3.18: Vị trí đặt cảm biến áp suất LP ......................................................................... 59
Hình 3.19: Vị trí đặt cảm biến áp suất HP ......................................................................... 60
Hình 3.20: Vị trí đặt cảm biến đo nhiệt độ gió vào thiết bị ngưng tụ ............................... 60
Hình 3.21: Vị trí đặt cảm biến đo nhiệt độ gió ra thiết bị ngưng tụ .................................. 61
Hình 3.22: Vị trí lắp đặt cảm biến đo nhiệt độ lỏng mơi chất sau ngưng tụ ..................... 61
Hình 3.23: Vị trí lắp đặt cảm biến lỏng môi chất trước khi vào van tiết lưu .................... 62
Hình 3.24: Vị trí lắp đặt cảm biến nhiệt độ môi chất sau khi qua van tiết lưu.................. 62
Hình 3.25: Vị trí đặt cảm biến đo nhiệt độ môi chất sau khi qua thiết bị bay hơi ............ 63
Hình 3.26: Vị trí đặt cảm biến đo nhiệt độ gió vào thiết bị bay hơi .................................. 64
Hình 3.27: Vị trí đặt cảm biến đo nhiệt độ gió ra thiết bị bay hơi .................................... 64
Hình 4.1: Lựa chọn mơi chất ............................................................................................. 65
Hình 4.2: Thiết lập thơng số ban đầu ................................................................................ 66
Hình 4.3: Hiển thị giá trị nhiệt độ, áp suất ........................................................................ 66
Hình 4.4: Tình trạng sức khỏe hệ thống ............................................................................ 67
Hình 4.5: Một số giả định chẩn đốn xu hướng hệ thống ................................................. 67
Hình 4.6: Đồ thị độ chênh nhiệt độ của cảm biến trong môi trường không khí ............... 69
Hình 4.7: Đồ thị nhiệt độ cảm biến trong mơi trường nước ở 25oC.................................. 70
Hình 4.8: Đồ thị nhiệt độ cảm biến trong môi trường nước ở dải nhiệt độ 57oC ÷ 59oC . 70
Hình 4.9: Đồ thị cảm biến trong mơi trường nước có nhiệt độ 0oC .................................. 71
Hình 4.10: Áp suất đồng hồ nạp gas tại 2 bar ................................................................... 72
Hình 4.11: Đồ thị dữ liệu áp suất tại 2 bar ........................................................................ 73
Hình 4.12: Đồ thị dữ liệu áp suất tại 6 bar ........................................................................ 74
Hình 4.13: Đồ thị dữ liệu áp suất tại 11 bar ...................................................................... 75
Hình 4.14: Áp suất đồng hồ của môi chất không đồng sơi tại 2 bar ................................. 76
Hình 4.15: Đồ thị cảm biến áp suất tại 2 bar ..................................................................... 77
Hình 4.16: Áp suất đồng hồ của môi chất không đồng sôi tại 14 bar ............................... 77
Hình 4.17: Đồ thị áp suất tại 14 bar................................................................................... 78
Hình 4.18: Giá trị áp suất đồng hồ Testo 550 đo được ..................................................... 79
Hình 4.19: Đồ thị kiểm nghiệm cảm biến áp suất với Testo 550 ...................................... 80
viii
Hình 4.20: Giá trị áp suất thấp thu được ở đồng hồ Testo 550 ......................................... 81
Hình 4.21: Giá trị áp suất thu được trên đồng hồ máy nén ............................................... 82
Hình 4.22: Giá trị áp suất thu được trên máy tính ............................................................. 82
Hình 4.23: Số liệu thu được hệ thống bắt đầu vận hành khoảng 5 phút ........................... 83
Hình 4.24: Trạng thái hoạt động của kho lạnh trữ đông trong thời gian vận hành ........... 84
Hình 4.25: Thơng báo có xu hướng ít gas ......................................................................... 85
Hình 4.26: Giá trị áp suất của Watter Chiller .................................................................... 86
Hình 4.27: Giá trị áp suất hiển thị trên màn hình máy tính ............................................... 87
Hình 4.28: Giá trị cài đặt ban đầu hiển thị trên máy tính .................................................. 87
Hình 4.29: Giá trị nhận được trong khoảng thời gian 5 phút đầu ..................................... 88
Hình 4.30: Hệ thống có xu hướng tiết lưu sớm ................................................................. 89
ix
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Tổng hợp các triệu chứng các Pan .................................................................... 23
Bảng 2.2: Thông số vận hành ............................................................................................ 24
Bảng 2.3: Thông số xử lý .................................................................................................. 25
Bảng 2.4: Tổng quan các thông số của Arduino Uno R3 [43] .......................................... 27
Bảng 2.5: Thơng số màn hình LCD Nokia 5110 ............................................................... 30
Bảng 2.6: Thứ tự kết nối các chân LCD Nokia 5110 và Arduino ..................................... 31
Bảng 2.7: Thông số cảm biến nhiệt độ DS18B20 [48] ..................................................... 35
Bảng 2.8: Thông số kỹ thuật cảm biến áp suất [50] .......................................................... 37
Bảng 2.9: Thông số mạch chuyển đổi tín hiệu dịng áp HW-685 [51] ............................. 40
Bảng 3.1: Thống kê số lượng ............................................................................................ 44
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của Testo 550 ...................................................................... 57
Bảng 4.1: Kết quả kiểm nghiệm cảm biến nhiệt độ trong môi trường khơng khí ............. 68
Bảng 4.2: Kết quả kiểm nghiệm cảm biến trong môi trường nước 25oC .......................... 69
Bảng 4.3: Kết quả kiểm nghiệm cảm biến áp suất tại 2bar ............................................... 72
Bảng 4.4: Kết quả kiểm nghiệm cảm biến áp suất tại 6 bar .............................................. 73
Bảng 4.5: Kết quả kiểm nghiệm cảm biến áp suất tại 11 bar ............................................ 74
Bảng 4.6: Kết quả kiểm nghiệm cảm biến áp suất tại 2 bar .............................................. 76
Bảng 4.7: Kết quả kiểm nghiệm tại 14 bar ....................................................................... 78
Bảng 4.8: Kết quả kiểm nghiệm cảm biến áp suất so với Testo 550 ................................ 80
Bảng 4.9: Nhật ký vận hành ở kho trữ đông ..................................................................... 85
Bảng 4.10: Nhật ký vận hành Water Chiller ..................................................................... 88
Bảng 4.11: Sự khác nhau giữa hai hệ thống ...................................................................... 90
x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Vấn đề nghiên cứu
Hiện nay IoT ngày càng phát triển, rất nhiều sản phẩm đánh giá chất lượng của hệ
thống ra đời giúp các quy trình công nghệ hoạt động hiệu quả. Trong kỹ thuật điều hịa
khơng khí cũng vậy, việc đảm bảo chất lượng là rất cần thiết, nó giúp người vận hành phát
hiện, chẩn đốn và cơ lập sự cố một cách chính xác và kịp thời. Chính vì thế, trong đề tài
nghiên cứu này, sẽ giới thiệu một sản phẩm phát hiện và xử lý sự cố một cách linh hoạt
ứng dụng công nghệ IoT mang tên hệ thống thu thập dữ liệu bằng máy tính trong hệ thống
lạnh cơng nghiệp.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trong những năm gần đây, có rất nhiều nghiên cứu từ trong ra ngồi nước về phương
pháp phát hiện và chẩn đoán liên quan đến sức khỏe của hệ thống lạnh. Nhằm mục đích
đưa ra những phương pháp phù hợp trong việc cải thiện, bảo trì và vận hành một cách hiệu
quả.
1.2.1. Nước ngồi
Ngày nay thế giới có rất nhiều nghiên cứu từ tổng quan đến mức độ chuyên sâu về
phương pháp phát hiện và chẩn đoán lỗi của hệ thống lạnh. Một số các nghiên cứu điển
hình như: Necati Kocyigit [1] và cộng sự đã sử dụng hệ thống suy luận mờ (fuzzy inference
system) và mơ hình mạng nơ-ron nhân tạo (artificial neural networks) để chẩn đoán các lỗi
của hệ thống Chiller. Trong nghiên cứu này, tác giả dùng các hệ thống trên để xác định tám
lỗi sau: Máy nén không hoạt động, tắc phin lọc, tắt van tiết lưu, rò rỉ van đầu hút, đầu đẩy
ở máy nén, thiếu gas, thừa gas, thiết bị ngưng tụ bị bám bẩn, quạt thiết bị bay hơi hỏng.Ông
đã thử nghiệm, ghi nhận và so sánh dữ liệu so với khi hoạt động bình thường và nhận dạng
các lỗi bằng việc chạy các quy trình chẩn đốn. Sau đó, ơng cùng cộng sự [2] đã chỉ ra cách
sử dụng đồ thị p-h để chẩn đoán lỗi trong hệ thống lạnh nén hơi. Thí nghiệm được thực
hiện bằng một hệ thống cơ bản với bốn thiết bị chính sử dụng môi chất R134A. Trong
nghiên cứu này, thử nghiệm với tám lỗi đã được sử dụng để chứng minh việc thực hiện
chẩn đoán. Thu thập số liệu trên hệ thống thực nghiệm và áp dụng trên những hệ thống
khác. Bằng việc sử dụng đồ thị p-h, sự khác biệt giữa tình trạng hoạt động bình thường và
có lỗi được quan sát dễ dàng hơn.
1
Tác giả Han cùng cộng sự [3] đã nghiên cứu và đưa ra phương pháp phát hiện lỗi của
VRF với độ chính xác đạt 99,30 % trên bảy lỗi thường gặp như: Thiếu lưu lượng môi chất
ở thiết bị bay hơi, ngưng tụ, tắc nghẽn thiết bị ngưng tụ, rò rỉ gas lạnh, môi chất không
ngưng tụ được, thừa gas, thừa dầu bơi trơn. Đó là phương pháp SA-DNN được kết hợp
giữa mô phỏng dữ liệu lỗi ảo (SA) và sử dụng phương pháp truyền tín hiệu bằng nhiều nơ
ron thần kinh (DNN) tạo ra SA-DNN. Phương pháp này đã rút ngắn thời gian phát hiện và
chẩn đoán lỗi đồng thời cũng cải thiện đáng kể độ ổn định và dự đoán sẽ rất phát triển trong
tương lai.
Alireza Behfar [4] cùng cộng sự đã sử dụng phương pháp mô phỏng Gray-box (hộp
xám) và bộ thu dòng chất lỏng với mục đích kiểm sốt và dự đốn lỗi, đồng thời mơ hình
cịn phân tích đặc điểm hoạt động của các thiết bị trong hệ thống điều hịa khơng khí làm
việc ở thời điểm khác nhau. Phương pháp này đã sử dụng dữ liệu, của các loại cảm biến
nhiệt độ và áp suất đầu vào và đầu ra khi hệ thống làm ổn định. Tuy nhiên mơ hình có sai
số lớn hơn so với một số nghiên cứu tương tự do khó khăn xác định số liệu, nhiệt độ ở bộ
thu dòng chất lỏng. Karami và Wang [5] đã thử dùng GMM để tìm và chẩn đốn lỗi cho
hệ thống Water chiller và GMM được dùng để thiết lập mơ hình hồi quy cho Water chiller
và PCA- GMM được áp dụng để chẩn đốn hệ thống VRF. Sau đó, ơng cùng các cộng sự
[6] tiếp tục nghiên cứu về áp dụng phương pháp deep learning (học sâu), cụ thể là mạng
lưới niềm tin chun sâu để dị tìm và chẩn đốn lỗi của hệ VRF. Phương pháp này có thể
trích xuất được các thuộc tính tiềm năng của dữ liệu sử dụng cho bộ điều khiển. Dữ liệu
vận hành thu thập từ hệ VRF được xử lý sơ bộ và đưa vào hệ thống mạng lưới niềm tin
chuyên sâu để tạo ra mơ hình mẫu. Mơ hình này được sử dụng để tối ưu hóa và tăng độ
chính xác cho việc dị tìm và chẩn đốn lỗi cho hệ VRF.
Zhengwei Li và cộng sự [7] sử dụng phương pháp CUSUM (Cumulative Sum) để
phát hiện lỗi và mở rộng chức năng chẩn đoán lỗi của phương pháp bằng cách kết hợp sử
dụng bộ đếm lỗi. Thiết lập một bộ đếm lỗi cho tất cả các biến điều khiển và các thành phần
kiểm soát liên quan của chúng. Các giá trị của bộ đếm lỗi được cập nhật dựa trên điểm
CUSUM, mạng lưới thông tin và cơ chế cập nhật tự động. Nếu bộ đếm lỗi phát hiện giá trị
của một thành phần quá lớn, thì thành phần đó được xem là có nguy cơ bị lỗi. Alireza
Behfar và các đồng sự [8] của mình đưa ra hai phương pháp chính cho mơ hình tự động dị
tìm và chẩn đốn sự cố của hệ thống điều hịa khơng khí tại các siêu thị. Đầu tiên là phương
2
pháp dựa vào quy luật: nếu các thông số vận hành về phía mơi chất và khơng khí vượt qua
các giới hạn các thơng số khi hoạt động bình thường thì sẽ bật cảnh báo, có khả năng đã
xảy ra sự cố. Thứ hai, chuyển hướng dữ liệu: có thể dị tìm và phát hiện lỗi sự cố của hệ
thống bằng cách phân tích năng lượng tiêu thụ. Lấy giá trị năng lượng tiêu thụ hiện hành
so sánh với các ngưỡng năng lượng tiêu thụ ước tính. Nếu vượt ngưỡng, hệ thống đã xảy
ra lỗi. Mặc dù có tiềm năng lớn nhưng hai phương pháp trên vẫn cần thời gian để phát triển
để đạt tỷ lệ áp dụng cao hơn.
Margaret B. Bailey và cộng sự [9] đã thu thập dữ liệu hoạt động của Chiller từ phòng
nghiên cứu tại đại học Colorado, Boulder (Hoa Kỳ). Các thông số sẽ được phân tích bởi
mạng lưới phân loại nơ-ron. Bộ phân loại này có khả năng phát hiện chính xác các mối
quan hệ và sự phức tạp tồn tại trong dữ liệu hoạt động của hệ thống Chiller. Các dữ liệu đã
phân tích sẽ được tổng hợp lại và hình thành thư viện dữ liệu lỗi. Thư viện lỗi này được
tạo ra nhằm mục đích phát triển cơng cụ dị tìm và chẩn đốn sự cố hệ thống lạnh. Phương
pháp này có tiềm năng giảm được hiệu suất năng lượng nhằm giải quyết vấn đề môi trường
và sức khỏe.
Zhou cùng cộng sự [10] đã đưa ra mơ hình chẩn đốn lỗi ngập lỏng máy nén trực
tuyến cho hệ thống VRF dựa trên mạng nơ-ron lan truyền ngược (BPNN). Phương pháp
được thực hiện theo ngữ cảnh: Thứ nhất, các cảm biến trong hệ thống VRF ghi lại và lưu
dữ liệu trong ba giây một lần để tạo thành tập dữ liệu gốc. Thứ hai, sau khi xử lý dữ liệu
xong, phân tích mối tương quan để lọc các biến dữ liệu. Thứ ba, mơ hình BPNN được thiết
lập bằng cách sử dụng thuật toán mạng nơron lan truyền ngược. Phương pháp này đã đem
lại hiệu quả phát hiện lỗi kịp thời với độ chính xác chẩn đốn trực tuyến của nó lên đến
99,48% và ngày nay phương pháp trên đang được cải tiến và phát triển. X.J. Luo, K.F.
Fong cùng đồng sự [11] đề xuất một phương án phát hiện và chẩn đoán lỗi của cảm biến
(SFDD) trong hệ thống Water chiller bằng cách sử dụng thuật toán phân cụm dữ liệu bằng
việc so sánh các thông số thu được với các thông số của trạng thái hoạt động bình thường.
Các lỗi của cảm biến bao gồm sai lệch, giảm độ chính xác, hư cảm biến. Khi cảm biến có
dấu hiệu bất thường thì việc phát hiện lỗi sai cảm biến sẽ mất từ 1 đến 2 ngày.
Hadi Shahnazari cùng cộng sự [12] đã phát triển các mơ hình và phương pháp chẩn
đốn lỗi (FDI) cho hệ thống HVAC có sử dụng mạng nơ-ron hồi quy (RNN), mạng hồi
quy layer (LRN) để chẩn đốn lỗi trong hệ thống HVAC. Xây dựng các mơ hình dự đốn,
3
ước tính đầu vào và đầu ra, sau đó đưa chúng vào bộ lọc FDI. Các mô phỏng cho thấy hiệu
quả vượt trội của phương pháp FDI đề xuất so với các phương pháp tiếp cận FDI cho cả
trường hợp mô phỏng và dữ liệu thực. Francesca Boem và cộng sự [13] đã đưa ra mơ hình
phát hiện và chẩn đốn lỗi bằng cảm biến khơng dây giám sát hệ thống HVAC. Phương
pháp sử dụng thuật tốn FDI và mơ hình IWSN với hai mươi cảm biến. Phương pháp này
cho phép phát hiện và thông báo các lỗi của các thiết bị, xem xét khả năng lỗi gây ảnh
hưởng đến hệ thống khi đang hoạt động.
Wisniewski cùng cộng sự [14] đã đưa ra phương pháp sử dụng dữ liệu để phát hiện
lỗi trực tuyến trên container lạnh bằng cách sử dụng đa thức Mahalanibis (ma trận nghịch
đảo). Phương pháp đã sử dụng các đơn thức kết hợp với ma trận nghịch đảo để lập trình
với độ phức tạp cao. Phương pháp này đem lại hiệu quả tuy nhiên chưa thể thử nghiệm
toàn bộ cho container trong thực tế do thời gian cịn hạn chế. Hệ thống tìm và chẩn đốn
sự cố rị rỉ mơi chất của S.A. Tassou và cộng sự [15] được sử dụng gồm nhiều mô đun như:
Mô đun thu thập dữ liệu: thu thập các thông số hoạt động thực tế của hệ thống. Mơ đun dự
đốn: sử dụng mạng lưới thần kinh nhân tạo dự đoán thông số hoạt động của hệ thống
không gặp sự cố. Mơ đun tính tốn thừa số: lấy dữ liệu từ hai mô đun trên và tạo ra thừa
số dựa trên sự khác biệt giữa hai thông số. Mô đun chẩn đốn: tiếp nhận các thừa số được
tạo ra sau đó đem so sánh với quy luật trong hệ thống và thực hiện chẩn đốn lỗi. Phương
pháp này có thể phát hiện được mơi chất rị rỉ dù chỉ một lượng rất nhỏ.
Guannan Li cùng cộng sự [16] đã nghiên cứu, đề xuất một phương pháp hiện bệnh
dựa trên sơ đồ chẩn đốn cho hệ thống VRF sử dụng mơi chất R410A. Phương pháp được
đề xuất là phương pháp ba giai đoạn kết hợp sơ đồ chẩn đoán (DT) với các cảm biến báo
lỗi (FI). Đầu tiên, FI được phát triển dựa trên lý thuyết cảm biến ảo (VS) cho các lỗi VRF
như thiếu lưu lượng khơng khí của bình ngưng, thiếu gas và thừa gas. Thứ hai, FI được sử
dụng như các biến đầu vào bổ sung để tạo ra sơ đồ hồi quy và phân loại mơ hình phân loại
dựa trên DT (CART). Thứ ba, mơ hình phân loại FIs-CART được sử dụng để chẩn đoán
dữ liệu trực tuyến. Còn nghiên cứu của Qingqing Liang [17] đã đề xuất việc dùng mạng
nơ-ron và mạng lan truyền nghịch đảo để chẩn đoán bảy loại lỗi của Chiller như: thiếu gas,
thừa gas, thừa dầu, bình ngưng bị bám bẩn, giảm lưu lượng nước của bình ngưng, khơng
thể ngưng tụ mơi chất và giảm lưu lượng nước của bình bay hơi. Kết quả so sánh cho thấy
hiệu suất chẩn đoán tổng thể của mạng nơron xác suất tốt hơn so với mạng lan truyền
4
ngược. Mạng nơ-ron xác suất có tỷ lệ chính xác cao hơn 3,48% so với truyền ngược và
thời gian chẩn đốn của nó thấp hơn 400 lần.
Mặc khác, Li và Braun [18] cùng nghiên cứu phương pháp phát hiện và chẩn đoán
lỗi cho bơm nhiệt chủ yếu tập trung về lỗi rò rỉ van đảo chiều và van một chiều của Bơm
nhiệt. Họ đã xây dựng các kỹ thuật FDD dựa trên mơ hình tốn học tổng qt và nhận thấy
rằng phương pháp phân tích độc tập là chìa khóa để xử lý nhiều lỗi cùng lúc. Phương pháp
phân tích độc lập biến đổi một bài toán FDD nhiều đầu vào và nhiều đầu ra phức tạp thành
bài toán một đầu vào và một đầu ra trở nên đơn giản hóa. Tuy nhiên, việc chẩn đốn này
khơng hoạt động tốt đối với hệ thống có ống mao ở chế độ sưởi ấm vì mơi chất ra khỏi dàn
bay hơi và đi vào van đảo chiều thường là hỗn hợp hai pha.
Woohyun Kim và James E. Braun [19] đã sử dụng ba mơ hình chính: Bằng cách sử
dụng những cảm biến để xác định nhiệt độ, áp suất, phát hiện và chẩn đốn lỗi của hệ thống
HVAC. Sử dụng phương trình tốn học để ước tính tốc độ dịng chảy của lượng mơi chất
(VRMF). Mơ hình một sử dụng các thơng số làm việc của máy nén. Mơ hình hai sử dụng
phương trình cân bằng năng lượng ở máy nén. Mơ hình ba sử dụng các thực nghiệm của
van tiết lưu điện từ (EEV). Kết quả là cả ba mơ hình đều hoạt động tốt trong việc ước tính
tốc độ lưu lượng môi chất cho các hệ thống khác nhau. Cặp đôi nhà nghiên cứu là Arie và
Laure Itard [20] đã đề cập đến quy trình phát hiện lỗi xảy ra ở hệ thống HVAC bằng cách
sử dụng nhận dạng lỗi tự động (AFI) dựa trên các triệu chứng được phát hiện bằng mạng
Bayesian (DBN). Phương pháp tiếp cận sơ đồ quy trình & thiết bị (P & ID) nhằm khắc
phục vấn đề của hệ thống lạnh, đồng thời có thể tiết kiệm năng lượng lên đến 25% sau khi
khắc phục lỗi. Hơn nữa, phương pháp này hầu như được áp dụng ở bất kể loại hệ thống
HVAC nhưng vẫn chưa được phát triển và triển khai thực tế. A.P. Rogers cùng cộng sự
[21] đã đề ra phương án mới cho việc phát hiện lỗi ở hệ thống điều hịa khơng khí dân
dụng. Đó là sử dụng bộ dữ liệu của Thermostat. Phương pháp này rất phù hợp cho việc
chẩn đoán các lỗi do Thermostat nắm bắt được tồn bộ thơng số của khu vực cần điều hòa
và đưa vào quy trình chẩn đốn. Tuy nhiên phương pháp này bị giới hạn do vẫn cịn khá
mới và chưa có nhiều bộ dữ liệu có sẵn.
Bên cạnh đó, Jung Ah Seo cùng cộng sự [22] sử dụng bộ mơ phỏng chu trình lạnh để
nghiên cứu cho việc phát hiện và chẩn đoán lỗi cũng hệ thống điều hịa khơng khí dân
dụng. Các phương trình mơ phỏng các thiết bị chính được viết trong Mathlab và Simulink.
5
