Journal of Mining and Earth Sciences Vol 62, Issue 3a (2021) 85 - 91 85 Optimization of control power sources and island driver system design for remotely operated vehicle (ROV) Vinh Duc Le Quang Le 1 Faculty 1,*, Giap Ba Le 2, Tuan Thanh Nguyen 1, Dung Anh Hoang 1, Duyen of Oil and Gas ,Hanoi University of Mining and Geology, Hanoi, Vietnam Ba Ria – Vung Tau, Vietnam Joint Venture Vietsovpetro, ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: Received 1st Mar 2021 Accepted 24th May 2021 Available online 10th July 2021 Remotely Operated Vehicle (ROV) diving equipment system is an important device in oil and gas exploration and production, especially in the conditions of working in deep and complex water By design, the ROV Panther Plus 932 has not reverse steering function, limited visibility and difficult operation To overcome that shortcoming, the authors have studied and fabricated an electronic circuit to take charge of the power reversing function on the Joystick with a function button and a Forward/Revert status indicator light After adjusting, designing, controlling the ROV in the opposite direction, there is no need to turn the head, avoid twisting, burning cables, getting caught in obstacles or being caught up in the ROV during work, increasing cable life Keywords: Diving equipment, Flip-Flop electronic circuit, IC 74LS74, Reverse steering, ROV control Copyright © 2021 Hanoi University of Mining and Geology All rights reserved _ *Corresponding author E - mail: leducvinh@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.2021.62(3a).10 86 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 62, Kỳ 3a (2021) 85 - 91 Tối ưu hóa nguồn điện điều khiển thiết kế đảo chiều hệ thống lái cho thiết bị lặn khảo sát ngầm ROV Lê Đức Vinh 1, *, Lê Bá Giáp 2, Nguyễn Thanh Tuấn 1, Hoàng Anh Dũng 1, Lê Quang Duyến 1 Khoa Dầu khí, Trường Đại học Mỏ-Địa chất , Hà Nội , Việt Nam Bà Rịa – Vũng Tàu, Việt Nam Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro, THÔNG TIN BÀI BÁO Quá trình: Nhận 1/3/2021 Chấp nhận 24/5/2021 Đăng online 10/7/2021 Từ khóa: Điều khiển ROV, IC 74LS74, Lái ngược, Mạch điện Flip-Flop, Thiết bị lặn TÓM TẮT Hệ thống thiết bị lặn ROV (Remotely Operated Vehicle) thiết bị quan trọng cơng tác thăm dị, khai thác dầu khí, đặc biệt điều kiện làm việc vùng biển nước sâu, phức tạp Theo thiết kế, ROV Panther Plus 932 khơng có chức lái ngược (lái lùi), hạn chế tầm quan sát khó khăn vận hành Để khắc phục nhược điểm đó, tác giả nghiên cứu chế tạo mạch điện tử đảm nhận chức đảo nguồn bàn điều khiển (Joystick) có nút nhấn chức đèn báo trạng thái Tiến/Lùi (Forward/Revert) Sau điều chỉnh, thiết kế, muốn điều khiển ROV theo hướng ngược lại, không cần phải quay đầu, tránh tượng xoắn, cháy cáp, vướng vào chướng ngại vật vào ROV trình làm việc, tăng tuổi thọ cáp © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Giới thiệu Trong công trình ngầm dầu khí, có cơng trình mà độ sâu nước biển lên tới 100m Để khảo sát, bảo dưỡng sửa chữa công trình biển phương pháp người lặn gặp nhiều hạn chế, cho dù người thợ lặn giỏi Khi đó, robot lặn biển ROV (Remotely operated vehicle - thiết bị _ *Tác giả liên hệ E - mail: leducvinh@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.2021.62(3a).10 vận hành từ xa) sử dụng mang lại nhiều ưu điểm cho công tác khảo sát đáy biển Ngồi ra, ROV cịn sử dụng việc quan sát, hỗ trợ thợ lặn trình làm việc: Đây chế độ làm việc đơn giản nhất, thực camera, để quan sát điểm di chuyển xung quanh đối tượng (Seaeye Marine LTD., 2009) Hỗ trợ khảo sát đáy biển: kiểm tra trực quan không phá hủy trước sau lắp đặt đường ống, dây cáp, cơng trình đáy biển Hỗ trợ khảo sát đường ống ngầm biển: ROV điều khiển dọc đường ống, để kiểm tra tình trạng đường ống kết cấu kèm, kịp thời phát hư Lê Đức Vinh nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 85 - 91 hỏng điểm rò rỉ, dịch chuyển điểm treo ống (Palmer King, 2008) Một số ROV trang bị bánh xích lưỡi cày có chức đào rãnh, chơn đường cáp điện đường ống (Seaeye Marine LTD., 2009) Hạn chế ROV hệ cũ Hầu dòng ROV cũ (từ năm 2009 trở trước) khơng trang bị tính lái nghịch, dòng ROV Panther 911 PTSC G&S, ROV workclass Diablo 09 Vietsovpetro dòng ROV Comanche cơng ty Hải Mã (Seahorse company),… Khi khơng có chức lái nghịch, trình làm việc khó khăn, địi hỏi người vận hành phải có kinh nghiệm xử lý việc khó khơng gian hẹp chân đế giàn khoan, PLEM, xích neo tàu dầu Nhằm khắc phục nhược điểm đó, tác giả tập trung nghiên cứu đảo nguồn cấp cho hai biến trở điều khiển X Axis Y Axis bàn điều khiển (Joystic), TURN AXIS giữ nguyên lái lùi hay tiến việc quay trở chiều Từ đó, tác giả nghiên cứu, chế tạo mạch điện tử đảm nhận chức đảo nguồn cho X Y Axis Joystick có nút nhấn chức đèn báo trạng thái Forward/Revert Để đạt mục đích trên, tác giả đặt mục tiêu phát triển mạch điện tử có khả lặp trạng thái chuyển đổi ON/OFF nút nhấn khơng giữ kích hoạt Nghĩa là, cấp nguồn mạch điện mạch cho trạng thái ON OFF giữ đấy, sau tác động vào nút nhấn (nhấn nhả) mạch chuyển từ ON=>OFF ngược lại OFF=>ON Việc chuyển trạng thái kích hoạt tắt relay tương ứng thao 87 tác chuyển mạch cơng tắc chuyển mạch khí thơng thường Tối ưu hóa nguồn điện điều khiển Các tác giả tối ưu hoá nguồn điện, thiết kế bo mạch cấp nguồn VDC để cung cấp nguồn cho bo mạch lái đảo chiều hoạt động, nguồn hệ thống khơng cung cấp nguồn VDC Ngoài ra, phương pháp thiết kế bo nguồn xung thay cho nguồn sắt từ hệ thống Chúng ta thiết kế loại nguồn với điện khác VDC, 12 VDC, 24 VDC, 36 VDC, 48 VDC,… phù hợp cho chức yêu cầu sử dụng thiết bị cải tiến, phát triển thêm chức cho ROV (Rashid, 2001) Cụ thể: - Thay nguồn đặc chủng hãng thiết kế chế tạo nguồn phổ thơng có chức tương đương - Cấp độc lập nguồn cung cấp nguồn điều khiển cho PSU (Power Supply Unit), (theo nhà máy chế tạo PSU#6 phụ muốn làm việc phải thơng qua PSU#5 chính) - Dùng nguồn độc lập PSU#6 cấp nguồn cho camera lắp thêm vào ROV (khơng có thiết kế sẵn nhà sản xuất) Các tác giả không mua PSU có bán sẵn thị trường, bổ sung vào hệ thống thay hàng đặc chủng, mà tự thiết kế, lắp ráp PSU nguồn xung VDC/2 A, để chạy board mạch ngoại vi theo yêu cầu làm chủ công nghệ Sau nghiên cứu thông số kỹ thuật (datasheet), tài liệu hướng dẫn (Application note) từ hãng uy tín sản xuất, chíp IC (Integrated Circuit) uC3842 tác giả lựa chọn (Hình 1) Đây dịng chip chế tạo chuyên biệt cho nguồn SMPS (Switching Mode Power Supply), có tính chuẩn, đầy đủ Hình Hình ảnh thực tế uC4842 DIL-8 loại SMD (surface - mount device - linh kiện dán) 88 Lê Đức Vinh nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 85 - 91 Hình Sơ đồ mạch ứng dụng tiêu chuẩn uC3842 vào nguồn ổn áp xung 5V/2A Thiết kế hệ thống đảo chiều hệ thống lái Trong điện tử, mạch flip-flop (còn gọi mạch chốt) mạch chức có hai trạng thái ổn định sử dụng để lưu trữ thơng tin trạng thái Mạch thay đổi trạng thái tín hiệu điện tác động cho nhiều đầu vào điều khiển có hai đầu (Hình Bảng 1) Nó phần tử lưu trữ giá trị logic điện tử kỹ thuật số Flip-flops đơn vị hệ thống điện tử kỹ thuật số sử dụng máy tính ngày Hình Board nguồn xung uC3842 (Mặt trên, đầy đủ linh kiện) chức bảo vệ, phù hợp với dân dụng sử dụng nhiều Trong nguồn ổn áp xung, uC3842 điều khiển độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation), chuyển mạch chuyển đổi DC/DC (DC/DC converter) hoạt động theo dạng Flyback (các Hình 3) Hình Sơ đồ chức chân IC 74LS74 Lê Đức Vinh nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 85 - 91 Bảng Chức nhiệm vụ cấu kiện IC 74LS74 Số chân 10 11 12 Chức 1CLR’ 1D CLK1 1SET’ 1Q 1Q’ GND 2Q’ 2Q 2SET’ 2CLK 2D Diễn giải 13 14 2CLR’ Xóa trạng thái flip flop số VCC Nguồn ni Xóa trạng thái flip flop số Ngõ vào liệu Flip Flop số Xung nhịp flip-flop số Ngõ vào thiết lập flip-flop Ngõ Flip Flop số Ngõ đảo Flip Flop số Ground – 0VDC Ngõ đảo Flip Flop số Ngõ Flip Flop số Input SET pin for flip-flop Xung nhịp flip-flop số Ngõ vào liệu Flip Flop số Các loại flip-flop phát triển theo thời gian, ngày đại theo phát triển 89 ngành điện tử Từ ban đầu flip-flop RS flip-flop T ngày Trong nghiên cứu này, tác giả khơng sâu phân tích kỹ thuật điện tử, nên không bàn nhiều loại flip-flop, chúng có cách thức hoạt động khác có đặc tính chung lưu giữ trạng thái thơng tin thay đổi trạng thái ngược lại chịu tác động từ ngõ vào (Vũ Quang Hồi, 2009) Các tác giả lựa chọn mạch Flip-Flop loại D để sử dụng, đơn giản, đặc biệt phát triển thành vi mạch IC tích hợp cho thương mại dân dụng (Hình 5) Một IC 74LS74 (Hình 6), sản xuất thương mại lần đầu Motorola, có đặc tính sau: - Có mạch chức flip-flop D vỏ đóng gói IC (Hình 8); - Điện áp làm việc từ 4.5÷5.5 VDC; - Mỗi flip-flop có hai ngõ, có trạng thái đảo ngược nhau; - Khả chống nhiễu tốt; - Nhiệt độ làm việc từ 0÷700C; - Trạng thái OFF ngõ vào tương tứng 0.8 V ON từ V; - Trạng thái OFF ngõ tương ứng Hình Sơ đồ mạch ứng dụng IC 74LS74: JB1- Đầu nối cấp nguồn nuôi 5VDC cho mạch (lấy từ OUTPUT nguồn uC3842 – nguồn mục 2.1); JB2-Đầu nối ngỏ điện áp điều khiển Joystick nối vào Pin-1 Pin-3 biến trở lái thuận/nghịch; JB4- Đầu nối nút nhấn chuyển đổi chế độ lái thuận/nghịch 90 Lê Đức Vinh nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 85 - 91 Hình Thiết kế PCB layout mạch ứng dụng IC 74LS74 Hình Mặt PCB mạch ứng dụng IC 74LS74 Chức chân IC mơ tả Hình Bo mạch ứng dụng IC 74LS74 lắp đặt Hình 10 Kết luận Sau lắp đặt bo mạch IC 74LS74, thiết bị ROV làm việc ổn định hơn, tiết kiệm chi phí khơng cần mua bo mạch nguồn hãng, dễ dàng sửa Hình Mặt PCB mạch ứng dụng IC 74LS74 chữa thay linh kiện, nguồn cấp làm việc độc lập với ROV giảm số lần quay trở không cần thiết, giảm thời gian thực công việc, hạn chế hỏng cáp điều khiển, tăng khả quản lý cáp dễ dàng vận hành, giúp cho công việc khảo sát cơng trình ngầm dầu khí hiệu Các tác giả áp dụng thực nghiệm giải pháp cách có hiệu vào hệ thống ROV Lê Đức Vinh nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 85 - 91 91 Hình Bo mạch lắp linh kiện ứng dụng IC 74LS74 Đóng góp tác giả Tác giả Lê Đức Vinh lên ý tưởng, xử lý số liệu biên tập Lê Bá Giáp cung cấp tài liệu Nguyễn Thanh Tuấn, Hoàng Anh Dũng Lê Quang Duyến chỉnh sửa, hiệu đính nội dung Tài liệu tham khảo Hình 10 Mặt bo mạch ứng dụng IC 74LS74 Panther ROV Workclass Diablo 09 Liên doanh Việt – Nga Vietsovptro Có thể áp dụng kết nghiên cứu vào thiết bị ROV tương tự Seaeye Marine LTD., (2009) Technical Manual Book Seaeye Panther Plus Seaeye Marine LTD UK, 932 pages Andrew C Palmer and Roger A King, (2008) Subsea Pipeline Engineering, 2nd Edition PennWell 238 pages Muhammad H Rashid, (2001) Power electronics handbook University of Florida USA 892 pages Mohamed A El-Reedy, (2012) Offshore Structures, Design, Construction and Maintenance Gulf Professional Publishing 664 pages Vũ Quang Hồi, (2009) Giáo trình kỹ thuật điều khiển động điện Nhà xuất Giáo dục Hà Nội 156 trang ... thường Tối ưu hóa nguồn điện điều khiển Các tác giả tối ưu hoá nguồn điện, thiết kế bo mạch cấp nguồn VDC để cung cấp nguồn cho bo mạch lái đảo chiều hoạt động, nguồn hệ thống khơng cung cấp nguồn. .. thuật Mỏ - Địa chất Tập 62, Kỳ 3a (2021) 85 - 91 Tối ưu hóa nguồn điện điều khiển thiết kế đảo chiều hệ thống lái cho thiết bị lặn khảo sát ngầm ROV Lê Đức Vinh 1, *, Lê Bá Giáp 2, Nguyễn Thanh... Đăng online 10/7/2021 Từ khóa: Điều khiển ROV, IC 74LS74, Lái ngược, Mạch điện Flip-Flop, Thiết bị lặn TÓM TẮT Hệ thống thiết bị lặn ROV (Remotely Operated Vehicle) thiết bị quan trọng công tác