Tài liệu NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CHÍNH TRÊN CÁC TÀU THỦY CỠ VỪA VÀ NHỎ Ở VIỆT NAM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI -----------o0o------------ TRƯƠNG VĂN ĐẠO NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CHÍNH TRÊN CÁC TÀU THỦY CỠ VỪA VÀ NHỎ Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Khai thác, bảo trì tàu thủy Mã số: 62.52.42.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HẢI PHÕNG - 2011 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM Người hướng dẫn khoa học 1. PGS.TSKH. ĐẶNG VĂN UY- Đại học Hàng hải Việt Nam 2. PGS.TS. PHẠM VĂN THỂ - Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 1: GS.TS.Phạm Minh Tuấn - Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS.Lại Văn Định - Học viện kỹ thuật Quân sự Phản biện 3: GS.TS.Lê Viết Lượng - Đại học Hàng hải Việt Nam Luận án sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án Tiến sỹ cấp trường tại trường Đại Học Hàng hải Việt Nam Vào hồi giờ ngày tháng năm 2011 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện trường Đại học Hàng hải Việt Nam DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1. Trương Văn Đạo (2007), Một số chiến lược bảo trì và khả năng áp dụng cho các trang thiết bị tàu thủy, Tạp chí khoa học công nghệ Hàng hải, Số 9/2007, tr. 9 - 13. 2. Trương Văn Đạo (2008), Hệ thống tự động điều khiển từ xa Diesel tàu thủy, Tạp chí khoa học công nghệ Hàng hải, Số 13/2008, tr. 3841. 3. Trương Văn Đạo (2008), Đánh giá hiện trạng hệ động lực đội tàu biển vừa và nhỏ của Việt Nam, Tạp chí khoa học công nghệ Hàng hải, Số 15/2008, tr. 44 - 47. 4. Đặng Văn Uy, Phạm Văn Thể, Trương Văn Đạo (2009), Thiết kế các mạch logic của hệ thống tự động điều khiển từ xa động cơ Diesel chính tàu thủy, Tạp chí khoa học công nghệ Hàng hải, Số 20/2009, tr. 3 - 7. 5. Trương Văn Đạo (2009), Thiết kế mô phỏng hệ thống tự động điều khiển từ xa cho Diesel tại trung tâm nghiên cứu hệ động lực trường Đại học Hàng hải, Đề tài NCKH cấp trường. 6. Trương Văn Đạo, Đặng Văn Uy, Phạm Văn Thể (2010), Xây dựng chương trình tự động điều khiển thay đổi vòng quay cho động cơ Diesel chính tàu thủy, Tạp chí giao thông vận tải, Số 10/2010, tr. 36 - 39. 7. Trương Văn Đạo (2010), Nghiên cứu mô phỏng chức năng báo động bảo vệ các thông số của động cơ Diesel tàu thủy, Đề tài NCKH cấp trường. 8. Đặng Văn Uy, Trương Văn Đạo (2011), Hoàn thiện công nghệ chế tạo các hệ thống điều khiển và giám sát động cơ diesel trong tự động hóa toàn phần buồng máy tàu thủy, Đề tài SXTN cấp Nhà nước. MỞ ĐẦU Tính thời sự của luận án Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp đóng tàu của Việt Nam có những phát triển vượt bậc, đã đóng những con tàu hàng trọng tải hơn 53.000 tấn, tàu container hơn 400 TEU, tàu dầu hơn 10.000 tấn, tàu chứa dầu thô 150.000 tấn, tàu huấn luyện sinh viên và các loại tàu chở ôtô, chở khách... [14]. Tuy nhiên hầu hết các trang thiết bị để đóng tàu vẫn phải nhập ngoại với giá thành cao và không đồng bộ. Các con tàu cỡ vừa và nhỏ do Việt Nam thiết kế, đóng mới với hệ động lực còn thô sơ, chưa có hệ thống điều khiển từ xa (ĐKTX) hoặc tự động điều khiển từ xa (TĐĐKTX). Đã có không ít sự cố đáng tiếc xẩy ra đối với các tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam do không trang bị những thiết bị tự động báo động bảo vệ động cơ chính. Ngoài ra, do không trang bị hệ thống TĐĐKTX nên không cải thiện được điều kiện làm việc của thuyền viên và không giảm được số lượng thuyền viên trên tàu. Để các tàu thủy Việt Nam có thể khai thác được trên các vùng biển quốc tế thì đến hết tháng 12/2010 Việt Nam phải tham gia công ước lao động biển (The Maritime Labour Convention – MLC 2006) [40]. Chính phủ Việt Nam đã đồng ý tham gia công ước này và giao cho Cục Hàng hải Việt Nam thực hiện. Một trong những yêu cầu của công ướ c quy định điều kiện làm việc của thuyền viên trên tàu phải có phòng điều khiển buồng máy . Vì vậy, để phù hợp với công ước thì phải trang bị hệ thống TĐĐKTX trên tàu là một yêu cầu bắt buộc. Theo số liệu thống kê của Cục Hàng hải Việt Nam năm 2009, số lượng tàu thủy cỡ vừa và nhỏ đóng tại Việt Nam chưa được trang bị hệ thống ĐKTX hoặc hệ thống TĐĐKTX là 672 tàu (chiếm 86%), số lượng tàu có trang bị hệ thống ĐKTX hoặc hệ thống TĐĐKTX là 114 tàu (chiếm 14%). Số lượng tàu thủy cỡ vừa và nhỏ đóng tại nước ngoài nhập vào Việt Nam chưa được trang bị hệ thống ĐKTX hoặc hệ thống TĐĐKTX là 38 tàu (chiếm 21%) [7]. Hệ thống TĐĐKTX hệ động lực tàu thuỷ ra đời đánh dấu một bước tiến mới trong công nghệ đóng tàu hiện đại. Hiện tại ở Việt Nam chưa có cơ sở nào chuyên thiết kế và chế tạo hệ thống ĐKTX hoặc TĐĐKTX chotàu thủy. Các nghiên cứu, bài báo của một số tác giả ở các trường đại học, trung tâm nghiên cứu cũng chỉ dừng lại ở các nghiên cứu riêng lẻ, mang tính lí thuyết. 1 Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo trang bị hệ thống TĐĐKTX cho các tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam trở thành một nhu cầu cấp thiết có ý nghĩa thời sự. Xuất phát từ những lý do trên kết hợp với kinh nghiệm thực tế, NCS lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống tự động điều khiển từ xa cho động cơ diesel chính trên các tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam”. Mục đích nghiên cứu của luận án Xây dựng cơ sở khoa học cho việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thực tế hệ thống TĐĐKTX động cơ diesel chính trên các tàu thủy cỡ vừa và nhỏ tại Việt Nam. Hệ thống này phải đảm bảo các yêu cầu theo tiêu chuẩn của Cục đăng kiểm Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế với giá thành phù hợp. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống TĐĐKTX cho các động cơ diesel chính trên tàu thủy cỡ vừa và nhỏ (công suất máy chính từ 200 đến 4000 mã lực) của Việt Nam. Lựa chọn động cơ diesel 6LU-32 (tại Trung tâm nghiên cứu hệ động lực tàu thủy trường Đại học Hàng hải) làm đối tượng trực tiếp thử nghiệm các kết quả nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và đặc điểm đối tượng để lập bài toán thiết kế, lựa chọn phần mềm mô phỏng phù hợp để thiết kế, lắp đặt và thử nghiệm hệ thống TĐĐKTX cho động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ ở Việt Nam. Về lý thuyết:  Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xây dựng các mạch logic truyền thống kết hợp ứng dụng PLC.  Nghiên cứu xây dựng chương trình tự động điều khiển đối tượng (động cơ diesel) trên cơ sở mô hình toán học của đối tượng.  Nghiên cứu đặc điểm đối tượng và các quy phạm đối với hệ thống TĐĐKTX, tham khảo các hệ thống điển hình để hoàn chỉnh thiết kế hệ thống.  Tìm hiểu, lựa chọn phần mềm mô phỏng phù hợp để thử nghiệm sơ đồ hệ thống thiết kế trước khi chế tạo và lắp đặt. Về thực nghiệm: 2  Nghiên cứu tổng hợp về đặc tính kỹ thuật các loại động cơ diesel chính trang bị cho các tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam, trong đó có động cơ diesel 6LU-32 do hãng Hanshin chế tạo.  Phân tích và đánh giá kết quả thử nghiệm.  Xây dựng quy trình khai thác hoàn chỉnh. Phƣơng pháp nghiên cứu Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm bao gồm:  Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng các mạch logic truyền thống gắn với việc sử dụng PLC;  Thử nghiệm thiết kế bằng mô phỏng trên máy tính và chế tạo thử nghiệm cho động cơ diesel 6LU-32. Ý nghĩa khoa học của luận án  Luận án đã nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học để tính toán thiết kế hệ thống TĐĐKTX cho động cơ diesel chính trang bị trên tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam, nhằm đáp ứng các yêu cầu hiện tại và có khả năng hiện đại hóa trong tương lai.  Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học tính toán thiết kế hệ thống TĐĐKTX cho động cơ diesel chính trang bị trên các tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn của luận án  Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng khi thiết kế mới hoặc hiện đại hóa hệ thống TĐĐKTX cho động cơ diesel chính trên tàu thủy cỡ vừa và nhỏ ở Việt Nam, tạo cơ sở pháp lý tham gia công ước lao động biển MLC2006.  Kết quả nghiên cứu góp phần tăng tỷ lệ nội địa hóa sản phẩm trong ngành công nghiệp tàu thủy ở Việt Nam.  Hệ thống TĐĐKTX thử nghiệm đã và đang góp phần phục vụ công tác nghiên cứu khoa học, đào tạo huấn luyện thuyền viên cho ngành Hàng hải Việt Nam. Những đóng góp mới của luận án  Xây dựng bài toán tổng quát thiết kế hệ thống TĐĐKTX động cơ diesel 3 chính tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam.  Lựa chọn phần mềm mô phỏng cho việc tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống TĐĐKTX động cơ diesel chính.  Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần nâng cao độ an toàn, tin cậy và hiện đại hóa hệ động lực tàu thủy. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm bốn chương: Chương 1. Phân tích quá trình phát triển hệ thống TĐĐKTX động cơ diesel chính tàu thủy Chương 2. Cơ sở lý thuyết thiết kế hệ thống TĐĐKTX động cơ diesel chính tàu thủy Chương 3. Tính toán và thiết kế hệ thống TĐĐKTX động cơ diesel chính tàu thủy Chương 4. Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm hệ thống TĐĐKTX động cơ diesel chính tàu thủy Chƣơng 1. PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA ĐỘNG CƠ DIESEL CHÍNH TÀU BIỂN 1.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển từ xa và tự động điều khiển từ xa động cơ diesel chính tàu thủy Hệ thống điều khiển từ xa: là hệ thống cho phép người khai thác điều khiển hoạt động của động cơ từ một vị trí cách xa động cơ thông qua một số cơ cấu thực hiện các chức năng điều khiển như tay đảo chiều, tay điều khiển nhiên liệu, nút ấn khởi động…. Với hệ thống loại này, người khai thác sẽ phải thao tác tuần tự các cơ cấu để điều khiển động cơ, nghĩa là sẽ phải thực hiện các phức lệnh. Hệ thống tự động điều khiển từ xa: là hệ thống cho phép người khai thác điều khiển hoạt động của động cơ từ một vị trí cách xa động cơ một cách hoàn toàn tự động thông qua tay điều khiển tích hợp nhiều chức năng. Như vậy hệ thống tự động điều khiển từ xa là hệ thống kín, các thao tác không chính xác của người khai thác được loại bỏ, tính an toàn và hiệu quả của quá trình điều khiển động cơ được nâng cao. 1.2 Sự phát triển hệ thống tự động điều khiển từ xa động cơ diesel chính tàu thủy trên thế giới 4 Năm 1963 có khoảng 15 con tàu được trang bị hệ thống TĐĐKTX của các nước Anh, Nhật, Pháp, Đức và Đan Mạch. Năm 1964 có 22 tàu nữa có hệ thống này và năm 1965 có thêm 37 tàu, đặc biệt trong đó có 4 tàu của Đan Mạch được trang bị buồng máy với các hệ thống tự động hoàn toàn. Giai đoạn những năm 80 của thập kỷ trước , các quốc gia có nền công nghiệp tiên tiến như Nhật, Đức và một số nước Châu Âu khác đã thiết kế và đóng mới thành công các con tàu loại "một người trực ca" (One Man Bridge Ship). Hiện nay hệ thống ĐKTX hoặc hệ thống TĐĐKTX đã trở thành một trang thiết bị tiêu chuẩn cho hầu hết các tàu đóng mới trên thế giới. 1.3 Đánh giá hệ thống tự động điều khiển từ xa diesel chính tàu thủy của một số hãng trên thế giới Trên thế giới đã có rất nhiều hãng thiết kế và chế tạo hệ thống ĐKTX & TĐĐKTX cho tàu thủy. Những hãng nổi tiếng là: Hanshin, Mitsubishi (Nhật Bản), Siemens (Đức), Nalito (Ý), Man B&W (Đan Mạch), Kamewa (Thụy Điển) và Sulzer (Thụy Sĩ). Việc phân tích đặc điểm kết cấu, nguyên lý điều khiển, ưu nhược điểm của từng hãng đã trình trình bày trong luận án mục 1.3 bao gồm:  Hệ thống điều khiển từ xa của hãng Sulzer (Thụy Sĩ)  Hệ thống tự động điều khiển từ xa của hãng Man B&W (Đan Mạch)  Hệ thống tự động điều khiển từ xa của hãng Siemens (Đức)  Hệ thống tự động điều khiển từ xa của hãng Hanshin (Nhật Bản) Các hệ thống điều khiển trên có những ưu điểm sau:  Về mặt chất lượng cũng như tính năng có thể đáp ứng cho các chủng loại tàu đóng mới khác nhau;  Các hãng thiết kế hệ thống cơ bản vẫn dựa trên cơ sở các hàm logic truyền thống;  Sự hoạt động của các hệ thống tin cậy , an toàn và đảm bảo được các quy phạm của các hãng đăng kiểm. Bên cạnh các ưu điểm các hệ thống trên có những nhược điểm sau:  Các hệ thống trên chỉ phù hợp cho một hệ động lực hay một chủng loại tàu nhất định nên không thể dùng cho các chủng loại khác;  Khi trang bị cho hệ động lực của các tàu cũ cần phải có các chuyên gia của hãng cài đặt lại;  Vật tư hoàn toàn phải nhập ngoại, nên giá thành tương đối đắt; 5  Việc bảo dưỡng, sửa chữa hoàn toàn lệ thuộc vào các chuyên gia nước ngoài, nên dẫn đến chi phí cao;  Giá thành đắt (40.000 ÷ 100.000 USD). 1.4 Đặc điểm hệ động lực chính của đội tàu thủy cỡ vừa và nhỏ Việt Nam  Theo số liệu thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam, đội tàu thủy cỡ vừa và nhỏ đến hết năm 2009 là 972 tàu (chiếm 76%) số lượng tàu thủy Việt Nam. Tàu chưa trang bị hệ thống ĐKTX và TĐĐKTX là 710 (chiếm 73%) số lượng tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam;  Hệ động lực chính của đội tàu thủy cỡ vừa và nhỏ là 100% trang bị động cơ diesel. Hệ động lực chính trang bị động cơ diesel 4 kỳ là 823 tàu (chiếm 85%) động cơ diesel 2 kỳ là 149 tàu (chiếm 15%);  Hệ động lực chính của đội tàu thủy cỡ vừa và nhỏ lắp chân vịt định bước là 100%. Máy chính lai chân vịt qua bộ giảm tốc là 323 tàu(chiếm 37%), lai trực tiếp chân vịt là 649 (chiếm 63%) .Việc đảo chiều quay chân vịt bằng đảo chiều quay máy chính là 649 tàu (chiếm 69%), đảo chiều quay của chân vịt bằng hộp giảm tốc là 298 tàu (chiếm 31%);  Số lượng tàu thủy cỡ vừa và nhỏ đóng tại Việt Nam chưa trang bị hệ thống ĐKTX & TĐĐKTX là 672 tàu (chiếm 86%), đã trang bị hệ thống ĐKTX & TĐĐKTX là 114 tàu (chiếm 14%);  Hết năm 2009 các hệ thống ĐKTX & TĐĐKTX đang trang bị trên đội tàu biển vừa và nhỏ Việt Nam của các hãng nước ngoài là: Hãng Hanshin là 156 tàu (chiếm 60%), hãng Mitsubishi là 18 tàu (chiếm 7%), hãng Sulzer là 34 tàu (chiếm 13%) và hãng Man B&W là 54 tàu (chiếm 20%). 1.5 Đề xuất thiết kế hệ thống tự động điều khiển từ xa động cơ diesel chính cho tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam 1.5.1 Bối cảnh hiện tại Nhu cầu trang bị hệ thống ĐKTX & TĐĐKTX cho đội tàu thủy cỡ vừa và nhỏ (công suất máy chính từ 200 đến 4000 mã lực) của Việt Nam là rất cần thiết, có đến 710 tàu (chiếm 73%) số lượng tàu. Những lợi ích của hệ thống ĐKTX & TĐĐKTX là rất lớn. Tuy nhiên cho đến nay vẫn còn một số lượng lớn tàu biển của Việt Nam chưa được trang bị . Tình trạng trên có thể do những nguyên nhân sau:  Một số chủ tàu không nhìn thấy hiệu quả đem lại của việc trang bị hệ thống ĐKTX & TĐĐKTX. Hiện tại chưa có sản phẩm nội địa đạt tiêu chuẩn và độ tin cậy cho các chủ tàu; 6  Trình độ của người khai thác còn hạn chế, không đảm bảo được vật tư sửa chữa, bảo dưỡng dẫn đến tháo bỏ toàn bộ hệ thống;  Trước đây do giá nhân công thuyền viên thấp nên các chủ tàu thường không tính đến các giải pháp kĩ thuật để giảm biên chế và cải thiện điều kiện làm việc của thuyền viên;  Do phải nhập khẩu toàn bộ trang thiết bị nên giá thành, chi phí sửa chữa và bảo dưỡng cao. Để khắc phục tình trạng trên đòi hỏi các nhà khoa học trong nước sớm thực hiện việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống TĐĐKTX cho đội tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam. Hệ thống TĐĐKTX được thiết kế cho đội tàu thủy Việt Nam cần thỏa mãn các yêu cầu sau đây:  Hệ thống phải hoạt động tin cậy và an toàn trong mọi điều kiện khai thác;  Hệ thống phải đảm bảo các yêu cầu và quy phạm của Đăng kiểm và lắp đặt được cho hệ động lực tàu cũ và tàu đóng mới;  Cấu tạo hệ thống không quá phức tạp;  Công việc bảo dưỡng, sửa chữa phải thuận tiện và dễ dàng;  Vật tư thay thế phải phổ biến với giá thành phù hợp;  Khai thác vận hành hệ thống đơn giản, quy trình hướng dẫn khai thác bằng tiếng Việt và tiếng Anh. 1.5.2 Đề xuất thiết kế hệ thống tự động điều khiển từ xa trang bị cho đội tàu thủy Việt Nam Cơ sở thiết kế hệ thống TĐĐKTX Hệ thống đề xuất được thiết kế dựa trên các cơ sở sau đây:  Hệ thống được thiết kế dựa trên các hàm logic truyền thống kết hợp với việc sử dụng PLC;  Kế thừa được các ưu điểm của các hệ thống TĐĐKTX phổ biến trên thế giới, khắc phục được những nhược điểm và có tính đến tính khả thi khi áp dụng tại Việt Nam;  Năng lượng sử dụng trong hệ thống sẽ kết hợp năng lượng điện, khí nén và thủy lực;  Hệ thống phải hoạt động tin cậy, tuổi thọ cao và an toàn trong điều kiện khí hậu nhiệt đới của Việt Nam;  Các phần tử được sử dụng trong hệ thống phải phổ biến trên thị trường Việt Nam với giá thành hợp lý; 7  Các phần tử logic kiểu điện sẽ được ưu tiên sử dụng trong bộ điều khiển trung tâm do chúng hoạt động nhanh, độ chính xác cao, gọn nhẹ và dễ tích hợp;  Các phần tử logic kiểu khí nén và thuỷ lực sẽ được sử dụng cho các phần tử thực hiện do có công suất lớn, khả năng chịu quá tải cao và bền vững trong môi trường làm việc khắc nghiệt. Sơ đồ cấu trúc hệ thống TĐĐKTX Sơ đồ cấu trúc hệ thống TĐĐKTX được đề xuất thiết kế bao gồm các trang thiết bị chính mô tả trên hình 1.1.  Khối thiết bị xử lý trung tâm đặt trong bàn điều khiển, cho phép nâng cấp và hiện đại hóa các chức năng của hệ thống như: dự báo hư hỏng, giám sát các thông số và chế độ làm việc của đối tượng điều khiển.  Màn hình cảm ứng PLC cho phép hiển thị các thông số điều khiển của hệ thống và các thông số làm việc của động cơ.  Khối thiết bị thực hiện được tích hợp trong một hộp (logic box) để thuận tiện lắp đặt tại động cơ bao gồm: phần tử thực hiện kiểu khí nén và thủy lực.  Khối thiết bị chỉ báo được trang bị trên bàn điều khiển từ xa cho phép người khai thác thuận tiện kiểm soát các thông số điều khiển, thông số làm việc của đối tượng điều khiển.  Tay điều khiển được tích hợp nhiều chức năng như: + Khởi động động cơ; + Dừng động cơ; + Đảo chiều động cơ; + Thay đổi tốc độ động cơ theo chương trình. 8 Thiết bị chỉ báo Màn hình PLC Thiết bị xử lý trung tâm Tay điều khiển Bộ điều tốc Điều khiển động cơ trực tiếp Phòng điều khiển từ xa Buồng máy Thiết bị truyền tín hiệu Thiết bị thực hiện Li hợp Động cơ Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống TĐĐKTX KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 Các phân tích về xu hướng phát triển, đặc điểm hệ thống và thực trạng đội tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam đã cho thấy:  Xu hướng trang bị hệ thống ĐKTX và TĐĐKTX đang ngày càng phổ biến. Yêu cầu trang bị hệ thống TĐĐKTX cho hệ động lực tàu thủy cỡ vừa và nhỏ ở Việt Nam là vấn đề cần thiết và mang tính thời sự;  Các hệ thống TĐĐKTX của các hãng lớn trên thế giới phần lớn được thiết kế chuyên biệt cho một hay vài dạng động cơ nhất định nên tính lắp lẫn rất hạn chế;  Kết cấu của các hệ thống tương đối phức tạp, hướng dẫn sử dụng được viết bằng ngoại ngữ nên đã gây không ít những khó khăn cho người sử dụng;  Các động cơ diesel chính trên các tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam có xuất xứ và chủng loại đa dạng. Do vậy, việc trang bị các hệ thống TĐĐKTX của các hãng trên thế giới cho các tàu thủy Việt Nam là hết sức khó khăn do giá thành cao;  Mô hình hệ thống TĐĐKTX đã đề xuất có tính khả thi cao, phù hợp cho các tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam (hình 1.1). Trên cơ sở phân tích các số liệu, tác giả đề xuất một mô hình hệ thống TĐĐKTX phù hợp cho các tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam. Nội dung của luận án này hy vọng sẽ đáp ứng được nhu cầu bức thiết của đội tàu thủy Việt Nam. 9 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ HỆ THỐNG TĐĐKTX ĐỘNG CƠ DIESEL CHÍNH TÀU THỦY 2.1 Nguyên lý xây dựng các mạch điều khiển trạng thái làm việc của động cơ diesel chính tàu thủy Thực chất của quá trình điều khiển động cơ diesel chí nh tàu thuỷ là quá trình chuyển đổi các chế độ làm việc của động cơ. Mỗi động cơ diesel có thể ở một trong bốn chế độ làm việc khác nhau là:  Làm việc bình thường;  Làm việc sự cố;  Dừng bình thường;  Dừng sự cố. Khả năng chuyển đổi trạng thái làm việc của động cơ diesel chính được mô tả trên hình 2.1. Số lượng khả năng chuyển trạng thái làm việc đối với động cơ diesel là 8, mỗi khả năng chuyển đổi trạng thái làm việc chính là một chế độ làm việc của hệ thống điều khiển. Chuyển sang trạng thái làm việc sự cố Làm việc bình thường ờn g th ư bì nh cố D sự ừn g g ừn Chuyển sang trạng thái dừng bình thường Chuyển sang trạng thái dừng sự cố D Dừng động cơ bình thường Khởi động động cơ Dừng bình thường Làm việc sự cố Xoá lệnh làm việc sự cố Dừng sự cố Hình 2.1 Những khả năng chuyển đổi trạng thái làm việc của động cơ diesel chính tàu thủy 10 2.2 Đại số Boole và các hàm trong thiết kế hệ thống logic Để thiết kế các phương trình logic cho hệ thống TĐĐKTX diesel chí nh tàu thủy NCS sử dụng các định luật của đại số Boole để tối giản các hàm logic và từ ký hiệu của các hàm logic cơ bản xây dựng sơ đồ mạch logic chức năng cho hệ thống. 2.3 Các phƣơng pháp thiết kế và tổng hợp hệ thống logic Hệ thống logic là hệ thống tổ hợp thì các bước cơ bản của quá trình tổng hợp lên hệ thống được thể hiện trên hình 2.2. Hệ thống TĐĐKTX diesel chí nh tàu thủy là hệ thống logic tổng hợp . Vì vậy, việc thiết kế hệ thống thực hiện theo các bước sau: Mô tả chức năng bằng lời  Sơ đồ thuật toán  Bảng giá trị thật  Dạng chính tắc  Dạng tối thiểu  Sơ đồ mạch logic [28]. Chức năng hệ thống Sơ đồ thời gian Mô tả chức năng bằng lời Mô tả chức năng bằng công thức Sơ đồ thuật toán Dạng thông thường Bảng giá trị thật Dạng chính tắc Dạng tối thiểu Sơ đồ mạch logic Hình 2.2 Sơ đồ chung về tổng hợp thiết kế hệ thống logic 2.4 Quy phạm và yêu cầu chung đối với hệ thống tự động điều khiển từ xa động cơ diesel chính tàu thủy Việc thiết kế hệ thống TĐĐKTX diesel chí nh tàu thủyphải tuân thủ theo quy phạm của các hãng đăng kiểm được trình bày tại mục 2.4 trong luận án. 2.5 Xây dựng mô hình toán cho động cơ diesel tàu thủy Mục đích xây dựng mô hình toán cho đối tượng điều khiển trong luận án là thiết lập mối quan hệ giữa tốc độ động cơ theo thời gian thông qua 11 phụ tải và công suất của động cơ. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới hằng số thời gian thay đổi tốc độ cho từng loại đối tượng điều khiển. Vì đối tượng nghiên cứu để xây dựng mô hình toán trong luận án là động cơ diesel chính tàu thủy tăng áp bằng tua bin khí xả. Các bước xây dựng mô hình toán được trình bày cụ thể trong luận án và kết quả mô hình toán nhận được là một khâu tỉ lệ cấp 2 như phương trình (2.1). d 2 d (2.1)  Td 1    K   K pt f 2 dt dt Trong đó: T2d2 - hằng số thời gian cấp hai (s2) Td1 - hằng số thời gian cấp một (s) φ - đại lượng không thứ nguyên của vận tốc  - đại lượng không thứ nguyên của vị trí thanh răng bơm cao áp  - đại lượng không thứ nguyên của công suất cản của phụ tải K - hệ số truyền theo vị trí thanh răng bơm cao áp Kpt - hệ số truyền theo phụ tải  Xây dựng các đặc tính động học của động cơ trên Matlab  Áp dụng phép biến đổi Laplace với điều kiện đầu bằng ''0'' vào phương trình (2.1) sẽ nhận được hàm truyền cho động cơ diesel tăng áp dưới dạng K chính tắc như sau: W1 ( P)  Hàm truyền về phía tác động điều 2 2 T d 2 P  Td 1 P  1 chỉnh.  Mô phỏng quá trình chuyển tiếp tốc độ quay theo thời gian của động cơ diesel có tăng áp khi phụ tải động cơ không đổi trên Matlab với một bộ số liệu: K = 2, Td 2  8 P , Td1 = 3P được thể hiện ở hình 2.3. T 2d 2.  % 25 20 15 10 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 2.3. Đặc tính quá độ vòng quay theo thời gian của động cơ 12 t(s) Kết quả cho thấy: đặc tính quá độ của động cơ là một quá trình dao động tắt dần, ổn định. Việc xây dựng đặc tính quá độ của quá trình chuyển tiếp là xác định các thông số đặc trưng của động cơ Td1, Td2 và K. Các thông số này phụ thuộc vào chủng loại, cấu tạo và tình trạng kỹ thuật của mỗi động cơ. Chúng có thể xác định bằng phương pháp thực nghiệm, từ đó làm cơ sở để xác lập hệ số thời gian khi xây dựng chương trình tự động điều khiển tốc độ cho động cơ diesel tăng áp bằng tua bin khí xả. 2.6 Ứng dụng PLC trong điều khiển tự động Hệ thống TĐĐKTX là một tiêu chuẩn để đánh giá mức độ hiện đại của mỗi con tàu. Chúng được tự động điều khiển theo chương trình, trình tự thực hiện các lệnh đều do chương trình điều khiển quyết định. Hiện nay kỹ thuật điều khiển hiện đại mới bằng PLC (Program Logic Control) đang được ứng dụng phổ biến trong tự động điều khiển cho các ngành công nghiệp. Do vậy, việc thiết kế chương trình TĐĐKTX động cơ diesel chính tàu thủy NCS sử dụng điều khiển lập trình PLC [2]. 2.7 Lựa chọn phần mềm mô phỏng  Việc sử dụng các phần mềm để mô phỏng hoặc kiểm nghiệm lại kết quả tính toán thiết kế lý thuyết là một bước phát triển cao trong thiết kế hiện đại. Trong luận án tác giả lựa chọn phần mềm để mô phỏng các thông số thực và sự hoạt động của hệ thống TĐĐKTX diesel chính tàu thủy được thiết kế trên máy tính. Việc mô phỏng sẽ rút ngắn thời gian thiết kế cũng như giảm được chi phí cho chế tạo thử nghiệm;  Automation Studio là một phần mềm chuyên nghiệp cho thiết kế, mô phỏng động các hệ thống tự động;  Mỗi ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng đều có những ưu nhược điểm riêng. Phần mềm Automation Studio đã đáp ứng được đầy đủ yêu cầu bài toán đặt ra và được sử dụng làm công cụ mô phỏng. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 Từ việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết thiết kế hệ thống TĐĐKTX động cơ diesel chính tàu thủy có thể rút ra một số kết luận sau:  Mô hình toán cấp hai cho động cơ diesel tăng áp được xây dựng trong luận án là cơ sở để xây dựng chương trình tự động điều khiển từ xa cho động cơ diesel chính trên tàu thủy cỡ vừa và nhỏ của Việt Nam. 13  Đã kết hợp sử dụng lý thuyết điều khiển logic truyền thống với bộ điều khiển khả trình PLC để xây dựng các mạch logic cho hệ thống tự động điều khiển từ xa động cơ diesel chính tàu thủy.  Phần mềm Automation Studio được lựa chọn là công cụ để mô phỏng hệ thống TĐĐKTX động cơ diesel chính tàu thủy trước khi chế tạo thử nghiệm.  Việc thiết kế hệ thống tự động điều khiển từ xa động cơ diesel chính tàu thủy phải tuân thủ theo các quy phạm Đăng kiểm tàu thủy. Chƣơng 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CHÍNH TÀU THỦY 3.1 Thiết kế mạch logic chức năng hệ thống TĐĐKTX động cơ diesel chính tàu thủy Các bước thiết kế sơ đồ mạch logic chức năng cho hệ thống trình tự theo các bước sau:  Đặt biến logic cho các tín hiệu vào và các tín hiệu ra;  Mô tả chức năng bằng lời;  Thiết lập sơ đồ thuật toán;  Xây dựng hàm logic; Lập bảng giá trị thật Tối giản hàm logic  Xây dựng sơ đồ mạch logic;  Tổng hợp sơ đồ mạch logic chức năng cho hệ thống. Kết quả sơ đồ tổng hợp mạch logic chức năng cho hệ thống TĐĐKTX động cơ diesel chính tàu thủy thể hiện hình 3.1 và hình 3.2. 14 Tín hiệu áp lực LO trên mức báo động Z4 = x16x26 x16 Z3 =x16x26 Z6 = x22x26 Tín hiệu gió điều khiển x22 Tín hiệu quá tốc x17 Z5 =x22x26 Z2 = x17x26 Z1 =x17x26 Z16 = x26(x16+x22+x17+x23+x28+x31+x25 Tín hiệu khẳng định sự cố x26 Tín hiệu gió khởi động x23 Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát động cơ cao x28 x16+x22+x17+x23+x28+x31+x25 Z8 = x23x26 Z7 = x23x26 Z12 = x28x26 Z11 = x28x26 Mạch báo động Z15 = x31x26 Tín hiệu động cơ x31 quay đúng chiều Z14 = x31x26 Z10 = x25x26 Tín hiệu có nguồn điện x25 Tín hiệu áp lực LO ở mức shutdown x30 Z9 = x25x26 x17 +x30 x29(x17 + x30) Z17 =x29(x17 + x30) +x29x27x23 t Tín hiệu động cơ đang ở trạng thái x29 hoạt động Tín hiệu reset Mạch bảo vệ x27 x29x27x23 t x23 t Hình 3.1 Sơ đồ mạch logic tổng hợp báo động và bảo vệ động cơ 15 x1x22x11 Y5=x1x22(x4x9x20+x10 +x18x20)+x1x22x11 x1x22x11 x18x20 Lệnh điểu khiển ra vào ly hợp tại máy x11 Lệnh điều khiển ra ly hợp từ buồng điều khiển x10 Lệnh đóng mở ly hợp tự động x9 Tín hiệu vòng quay ra ly hợp x20 Tín hiệu vòng quay vào ly hợp x21 Tín hiệu điều khiển dừng động cơ x4 tín hiệu vòng quay nđc <= nđm x24 Tín hiệu điều khiển dừng sự cố x5 x4x9x20+x10 +x18x20 x18 +x20 x1x22(x4x9x20+x10+x18x20) x1x22 Y6=x1x22(x18+x20)(x4 x9x21+x10)+x1x22x11 x1x22(x18+x20) x1x22 x1x22(x18 +x20)(x4x9x21+x10) tín hiệu quá tốc x4x9x20 x4x9x21+x10 x4x9x21 Mạch ra vào li hợp x1x4x24x22 Y2 = x22[x16 + x5 + x17] + x1x4x22x24 x22(x5+x16+x17) x17 x5+x16+x17 Mạch dừng động cơ Lệnh khởi động tại máy x3 Vị trí điều khiển x1 Lệnh khởi động từ buồng đk x2 x1x3 x1x2+x1x3 x1x2 Cam ở vị trí tiến x12 Cam ở vị trí lùi x13 x12+x13 Y1 = k(x1x2+x1x3) x8 Ra máy via Tín hiệu ly hợp ở trạng thái mở x14 Tín hiệu có áp lực dầu LO x16 Tín hiệu dừng sự cố x18 Tín hiệu áp lực gió điều khiển x22 Tín hiệu áp lực gió khởi động x23 k=x8x14x16x18x22x23x25(x12+x13) x8x14x16x18x22x23x25 Nguồn điện Mạch khởi động x25 x1x6 lệnh điều khiển dịch trục cam từ buồng điều khiển x6 lệnh điều khiển dịch trục cam tại máy x7 x1x6+x1x7 x1x7 Y3=x19x22(x1x6+x1x7) x1x6 x1x6+x1x7 x1x7 tín hiệu vòng quay cho phép dịch trục cam x19 Y4=x19x22(x1x6+x1x7) x19x22 Mạch đảo chiều Hình 3.2 Sơ đồ tổng hợp mạch logic khởi động,dừng, đảo chiều và ra vào li hợp động cơ diesel chính tàu thủy 16