THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÁO CHÁY CHO TÀU THỦY

NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÁO CHÁY CHO TÀU THỦY NGUYỄN ĐÌNH THẠCH - KHOA HÀNG HẢI, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM ĐOÀN HỮU KHÁNH - KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM Bài báo trình bày việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống báo cháy tàu thủy đa kênh Nhằm mục đích thiết kế hệ thống báo cháy với giá thành thấp, dễ dàng vận hành sửa chữa, thay mà không bị phụ thuộc vào thiết bị hãng cung cấp nước Hệ thống thiết kế gồm trung tâm giám sát, điều khiển sử dụng hình cảm ứng định vị phát tín hiệu báo động giọng nói xác vị trí xảy cháy, hình nối tới vỉ báo cháy đặt vị trí cần giám sát Với khả mở rộng tối đa 31 vỉ báo cháy, vỉ hỗ trợ lên tới 16 kênh có địa cụ thể Như tối đa hệ thống giám sát 496 vùng với địa cụ thể, vùng mắc tối đa 16 cảm biến báo cháy nên lý thuyết hệ thống nối tối đa lên đến 7936 cảm biến nên áp dụng lắp đặt cho tàu kích thước vừa lớn 34 http://www.tauthuy.vn MỞ ĐẦU Cháy nổ vấn đề thời thời gian gần mà phần nhiều đến từ chủ quan người vấn đề phòng cháy nhà ở, khu dân cư, khu công nghiệp tàu thủy Hậu vụ cháy thường nặng nề từ mát tính mạng người đến tài sản, vật chất Trong năm qua, có nhiều vụ cháy thương tâm ghi nhận tàu thủy Có thể kể đến số vụ cháy vụ cháy tàu chở hàng X- press Pearl năm 2021 kéo dài 13 ngày gây thiệt hại lớn kinh tế thảm họa sinh thái tồi tệ lịch sử Sri Lanka Năm 2020 xảy vụ cháy tàu chở dầu Trung Thảo 36- BLC vùng nước cảng biển Dung Quất làm thủy thủ thiệt mạng nhiều tai nạn cháy nổ khác Để phòng ngừa vụ hỏa hoạn đáng tiếc xảy tàu thủy, việc nâng cao ý thức, trang bị kỹ phịng cháy, chữa cháy cho thuyền viên hệ thống báo cháy làm việc ổn định, tin cậy, kịp thời đưa cảnh báo cháy vị trí đám cháy có ý nghĩa quan trọng nhằm giảm thiểu thiệt hại người tài sản [2] Hiện thị trường có nhiều hệ thống báo cháy hãng khác Hochiki, Bosch, Horing,… Các hãng xây dựng chuẩn truyền thơng mạng riêng Khách hàng muốn sửa chữa, thay thiết bị hệ thống phải liên hệ với hãng nhiều thời gian, chưa kể kinh phí cao Vì vậy, việc chủ động nghiên cứu, thiết kế hệ thống báo cháy với chuẩn giao tiếp công nghiệp thông dụng Modbus RTU thiết bị kèm phổ biến thị trường sở cho việc chế tạo sản phẩm báo cháy thương mại tương lai KHÁI QUÁT CHUNG VÀ CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN 2.1 Khái qt chung Một hệ thống báo cháy thường có cấu trúc Hình Hệ thống bao gồm cảm biến báo cháy loại nhiệt hay loại khói, nút ấn báo cháy loại thơng thường loại có địa Các tín hiệu Hình Cấu trúc hệ thống báo cháy đơn giản 35 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI đóng vai trị tín hiệu đầu vào gửi đến tủ điều khiển trung tâm Tủ điều khiển trung tâm xử lý tín hiệu thu thập về, đưa tín hiệu cảnh báo, báo động cảnh báo cháy khu vực cụ thể, cảnh báo đứt dây cảm biến, nguồn chính,… Tín hiệu cảnh báo, báo động thường gửi tới đèn, còi hệ thống chữa cháy Với hệ thống báo cháy thơng thường có khoảng từ kênh đến 60 kênh (zone) Mỗi zone chứa nhiều cảm biến nút ấn báo cháy Khi xảy cố khơng thể biết xác cảm biến kích hoạt báo cháy zone [1], với tính đơn giản, giá thành rẻ, thiết bị áp dụng với tàu nhỏ Với hệ thống báo cháy địa chỉ, dung lượng địa xác định số mạch tín hiệu (loop) Một hệ thống báo cháy địa thường có khoảng loop, loop thường hỗ trợ khoảng 100 thiết bị địa chỉ, thiết bị thường hỗ trợ lập trình mềm dẻo phần mềm hãng cho phù hợp với yêu cầu thực tế Tuy nhiên hệ thống thường có giá thành cao, trình sửa chữa, thay sau bị phụ thuộc nhiều vào hãng hàng sử dụng công nghệ chuẩn truyền thơng riêng 2.2 Các cơng trình liên quan đóng góp báo Trên thực tế việc sử dụng hệ thống báo cháy truyền thống theo vùng báo cháy địa hãng nước Hochiki, Horing,… Các hãng lớn xây dựng chuẩn truyền thông riêng họ để giữ quyền công nghệ nên gây nhiều khó khăn cho khách hàng xảy cố trình sử dụng không làm chủ công nghệ, phụ thuộc nhiều vào hãng sản xuất Có số cơng trình sử dụng cơng nghệ khơng dây cơng trình [2], Lei Zhang cộng sử dụng cảm biến báo cháy không dây, tầng, khu vực sử dụng máy tính lặp Repeater để thu thập tín hiệu từ cảm biến để gửi máy tính trung tâm Trong báo [1] Hussam Elbehiery thiết kế hệ thống khối điều khiển trung tâm (Master Unit) khối trạm tớ (Slave Units) chứa nút ấn báo cháy, cảm 36 http://www.tauthuy.vn biến báo cháy truyền thông không dây với qua mạch vi xử lý sử dụng chip Wii khơng dây Các cơng trình phù hợp áp dụng bờ cho tòa nhà hộ dân cư không hiệu áp dụng tàu thủy với điều kiện làm việc khắc nghiệt, cấu trúc phức tạp, chật hẹp, nhiều nhiễu loạn ảnh hưởng tới hệ thống mạng không dây Hơn nữa, hệ thống lắp đặt tàu biển đòi hỏi hoạt động tin cậy, dễ dàng sửa chữa, thay xảy cố Vì vậy, nhóm tác giả đề xuất việc nghiên cứu, xây dựng hệ thống báo cháy có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, dễ dàng vận hành, sửa chữa thay giá thành hợp lý để tiến tới áp dụng vào thực tế cho đội tàu Việt Nam THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÁO CHÁY ĐỊA CHỈ SỬ DỤNG MẠNG MODBUS 3.1 Thiết kế sơ đồ khối chức Sơ đồ khối chức cho hệ thống nhóm tác giả xây dựng Hình Trên sơ đồ bao gồm hình cảm ứng HMI Delta Dop-100 vừa đóng vai trị điều khiển trung tâm, mặt khác hình cịn đóng vai trị giám sát toàn hệ thống hiển thị khu vực cháy, hiển thị danh sách báo động, lưu lại lịch sử báo động,… số tương tác khác với người sử dụng sửa tên cho khu vực cháy để thuận tiện cho việc giám sát Sơ đồ khối chức cho hệ thống nhóm tác giả xây dựng Hình Trên sơ đồ bao gồm hình cảm ứng HMI Delta Dop-100 vừa đóng vai trò điều khiển trung tâm, mặt khác hình cịn đóng vai trị giám sát tồn hệ thống hiển thị khu vực cháy, hiển thị danh sách báo động, lưu lại lịch sử báo động,… số tương tác khác với người sử dụng sửa tên cho khu vực cháy để thuận tiện cho việc giám sát Hệ thống thiết kế với khả hỗ trợ kết nối tối đa tới 31 vỉ báo cháy để giám sát cháy tương ứng với mạng Modbus RTU hỗ trợ tối đa tới 32 thiết bị [3] Mỗi vỉ báo cháy tác giả thiết kế (được trình bày mục 3.2) gồm zones, hỗ trợ ghép chồng vỉ lên nên tối đa hỗ trợ 16 zones Mỗi zone lại nối tới 16 thiết bị cảm biến nút ấn Hình Sơ đồ khối chức báo cháy Các zone định nghĩa địa Modbus nên điều khiển trung tâm xác định xác vị trí cháy có cố Ngồi điều khiển trung tâm gửi tín hiệu đến thiết bị ngoại vi bao gồm: Đèn, cịi báo động, gửi tín hiệu đến hệ thống chữa cháy gửi tín hiệu giọng nói đến loa thơng báo Bộ điều khiển trung tâm lập trình để phát giọng nói thơng báo xác vị trí xảy cháy [4] giúp người nhanh chóng xác định điểm cháy để dập lửa sơ tán 3.2 Thiết kế vỉ báo cháy Vỉ báo cháy nhóm tác giả thiết kế sử dụng điều khiển vi điều khiển ATmega32 cơng bố chi tiết cơng trình [4] Vỉ báo cháy chế tạo bao gồm số module là: Module mạch cảm biến báo cháy; Module mạch cấu hình cho vi điều khiển; Module truyền thơng với hình cảm ứng; Module nguồn, mạch báo động test chức Với nguyên lý thiết kế vỉ điều khiển bơm giá trị dòng điện đầu zone, zone nối tới cảm biến nút ấn báo cháy, dựa giá trị Hình Vỉ báo cháy chế tạo 37 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI dòng điện đo vỉ điều khiển biết zone xảy cháy hay lỗi đứt dây cảm biến Vỉ báo cháy chế tạo có zone, hỗ trợ ghép zone chồng lên để có vỉ 16 zone Mỗi zone định nghĩa địa Modbus tương ứng Hình hình ảnh vỉ báo cháy chế tạo Trên Hình thuật giải điều khiển tác giả xây dựng cho vỉ báo cháy thứ j Nó coi chương trình thuật giải điều khiển hệ báo cháy tồn tàu Hình Ký hiệu: j - Số thứ tự vỉ báo cháy hệ (tối đa theo mặc định j=31); i - Số thứ tự sensor đấu vào vỉ thứ j; nji - Số lượng sensor đấu vào vỉ thứ j; Zji - Vùng cháy thứ i vỉ j Trong thuật giải này, ban đầu điều khiển nhận lệnh quét nhận số sensor vỉ thứ j i gán giá trị tương ứng với cảm biến (sensor) nối vào vỉ j quét, vị trí i có cháy xảy vùng i Zji=1 giá trị ghi lại phát lệnh báo cháy vùng Zji Đồng thời giá trị i lại tăng lên đơn vị tương ứng với điều khiển quét sang sensor tiếp theo, trình sau hồn tồn tương tự với sensor kết thúc quét hết tất số sensor nối vào vỉ (i>nji) 38 http://www.tauthuy.vn Hình Thuật giải điều khiển vỉ báo cháy thứ j Hình Thuật giải báo cháy hệ Hình Giao diện Zone Boong cứu sinh 3.3 Thiết kế, lập trình điều khiển trung tâm Bộ điều khiển trung tâm nhóm tác giả sử dụng hình cảm ứng HMI cấu hình cao hãng Delta với model DOP-110WS a Xây dựng thuật giải điều khiển cho điều khiển trung tâm Thuật giải báo cháy hệ thuật giải hệ thống, thể Hình Với thiết kế mặc định mắc tối đa 31 vỉ Bộ điều khiển trung tâm quét tất vỉ từ j=1 j=31, quét đến vỉ thứ j gọi chương trình trình bày Hình Khi j=32 nguồn ngắt kết thúc chương trình, nguồn bật chương trình lại quét từ vỉ thứ ứng với j=1 Khi xảy cố vị trí i đó, HMI gửi tín hiệu tương ứng giọng nói báo xác vị trí có cháy cho thuyền viên Đồng thời tín hiệu gửi tới cịi, đèn hệ thống chữa cháy b Thiết kế giao diện điều khiển cho hình cảm ứng Giao diện giám sát hệ thống thiết kế phần mềm DOPSoft Version 4.0 bao gồm giao diện trang chủ, hình giám sát Zones, hình cài đặt, danh sách báo động, lịch sử báo động số nút ấn, hình phụ khác Hình giao diện nhóm tác giả thiết kế cho vùng số Boong xuồng cứu sinh Có 14 buồng 14 đèn báo động có cháy xảy tương ứng với buồng Các đèn lập trình sang nhấp nháy có cháy xảy minh họa KHO MT Hình có cháy xảy Ngồi hệ thống cịn thiết kế trang hình có khả hiển thị báo động xảy ra, lưu lại lịch sử báo động kết nối máy in c Lập trình cho hệ thống ngơn ngữ Marco Hình Lập trình cho điều khiển trung tâm Ngơn ngữ lập trình cho điều khiển trung tâm (HMI) ngôn ngữ Marco, đoạn code lệnh thể Hình Hiện thực tế hệ thống báo cháy tàu hầu hết đưa báo động còi đèn 39 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI Hình Lập trình giọng nói thơng báo cố xảy mà khơng thơng báo xác vị trí cháy loa Nhóm tác giả tạo ile giọng nói thơng báo cho vị trí dạng *.mp3 đưa vào hình Các ile mp3 lập trình tự động bật tắt theo Bit liệu tương ứng Hình Mỗi ile giọng nói bật/tắt bit điều khiển Bit bật lên có cháy xảy vị trí tương ứng THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG Sau thiết kế giao diện xây dựng xong chương trình phần mềm, tác giả tiến hành thử nghiệm hoạt động phần mềm điều khiển với 40 http://www.tauthuy.vn vỉ báo cháy phịng thí nghiệm Hình 10 Bộ điều khiển trung tâm (màn hình cảm ứng HMI) kết nối thử nghiệm với trường hợp: + Trường hợp 1: Kết nối điều khiển trung tâm với vỉ báo cháy; + Trường hợp 2: Kết nối đồng thời với vỉ báo cháy để kiểm tra khả nối tới nhiều vỉ báo cháy điều khiển trung tâm Ngồi nhóm tác giả cịn thực ghi trình thử nghiệm (Test Record) trường hợp theo mẫu hãng SIGMA chuyên cung cấp thiết bị báo cháy B N GHI THỬ NGHI M (TEST RECORD) Zone Tên khu vực (gi thiết) Số lượng lo i thiết bị CB khói CB nhi t Nút ấn BC Điện trở cuối Điện áp Kiểm tra ngắn m ch, hở m ch Kiểm tra báo động Kiểm tra lỗi 24VDC OK OK OK Zone Buồng SM(H) 1 10 kOhm Zone Buồng SM(G) 1 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone Buồng phó III 1 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone Buồng SM(F) 1 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone LAV (CO) 2 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone Buồng ngủ ĐP 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone Buồng l/việc ĐP 2 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone Buồng máy III 1 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone Kho Máy trưởng 3 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone 10 Buồng khách MT 2 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone 11 Buồng ngủ MT 2 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone 12 LAV (CE) 1 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone 13 Buồng 2/O 1 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone 14 Buồng máy II 1 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone 15 Buồng MPSC 3 10 kOhm 24VDC OK OK OK Zone 16 Dự phòng 1 10 kOhm 24VDC OK OK OK Bảng Bản ghi thử nghiệm (Test Record) Hình Giao diện giám sát HMI 41 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI Hình 10 Thử nghiệm hệ thống với vỉ báo cháy Bảng Trong trường hợp, kênh thử nghiệm với loại cảm biến nút ấn gồm: Thử đầu khói: AH-0311-2 (Horing lih); Thử đầu nhiệt: AHR- 871 (Horing lih); Thử nút ấn: AH-0817 (Horing lih), thiết bị kết nối đến kênh ngẫu nhiên Khi thử nút ấn, đầu khói đầu nhiệt, hệ thống đưa báo động giọng nói ánh sáng theo yêu cầu đặt Màn hình giám sát hiển thị xác khu vực xảy cháy Hình Giọng nói thơng báo hoạt động tốt thơng báo xác vị trí xảy cháy Trong chế độ thử nghiệm, xử lý cho thời gian xử lý nhanh, hồn tồn đáp ứng tốt mắc thêm nhiều vỉ báo cháy khác tùy vào nhu cầu sử dụng KẾT LUẬN Bài báo trình bày việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống báo cháy nhiều kênh cho tàu thủy với mục đích thiết kế hệ thống sử dụng thiết bị, chuẩn truyền thông phổ biến, dễ dàng sửa chữa, thay xảy hỏng hóc với giá thành thấp Kết thử nghiệm ban đầu cho thấy hệ thống hoạt động tốt, đáp ứng yêu cầu đặt tiền đề để chế tạo sản phẩm báo cháy thương mại lắp đặt cho tàu thủy TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Hussam Elbehiery, Developed Intelligent Fire Implementation of Automatic Fire Alarm System based on Wireless Sensor Networks, Proceedings of the 2009 International Symposium on Information Processing, 2009 [2] Lei Zhang, Gaofeng Wang, Design and Implementation of Automatic Fire Alarm System based on Wireless Sensor Networks, Proceedings of the 2009 International Symposium on Information Processing, 2009 [3] TS Đinh Anh Tuấn, PGS.TS Đào Minh Quân, Mạng truyền thông công nghiệp, NXB Hàng hải, 2017 [4] Đoàn Hữu Khánh, Lưu Văn Thủy, Nguyễn Văn Hùng, Bùi Thành Đạt, Nguyễn Xuân Thịnh, Phạm Minh Thảo, Thiết kế hệ thống báo cháy xây dựng ứng dụng giám sát, điều khiển, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, Số 55, tr.37-42, 2018 42 http://www.tauthuy.vn ... tùy vào nhu cầu sử dụng KẾT LUẬN Bài báo trình bày việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống báo cháy nhiều kênh cho tàu thủy với mục đích thiết kế hệ thống sử dụng thiết bị, chuẩn truyền thông phổ biến,... hiệu cảnh báo, báo động cảnh báo cháy khu vực cụ thể, cảnh báo đứt dây cảm biến, nguồn chính,… Tín hiệu cảnh báo, báo động thường gửi tới đèn, còi hệ thống chữa cháy Với hệ thống báo cháy thơng... Một hệ thống báo cháy thường có cấu trúc Hình Hệ thống bao gồm cảm biến báo cháy loại nhiệt hay loại khói, nút ấn báo cháy loại thơng thường loại có địa Các tín hiệu Hình Cấu trúc hệ thống báo cháy