Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy sản Số 2/2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 59 THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT TỪ XA THÔNG SỐ VẬN HÀNH ĐỘNG CƠ YANMAR LÀM MÁY CHÍNH TRÊN TÀU DU LỊCH DESIGN THE EQUIPMENT FOR RE[.]
Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2021 THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT TỪ XA THÔNG SỐ VẬN HÀNH ĐỘNG CƠ YANMAR LÀM MÁY CHÍNH TRÊN TÀU DU LỊCH DESIGN THE EQUIPMENT FOR REMOTE MONITORING OF THE YANMAR ENGINE OPERATION PARAMETERS AS THE MAIN ENGINE ON TRAVEL SHIP Hồ Đức Tuấn Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Nha Trang (Email: tuanhd@ntu.edu.vn) Ngày nhận bài: 13/06/2021; Ngày phản biện thông qua: 25/06/2021; Ngày duyệt đăng: 29/06/2021 TĨM TẮT Trong cơng tác quản lý sử dụng tàu thuyền ngồi phần vỏ động xem trái tim tàu Việc động hoạt động tốt thông qua thông số vận hành như: áp lực dầu bôi trơn, nhiệt độ nước làm mát, áp suất tăng áp khí nạp số vòng quay sử dụng… động ln nằm giới hạn quy định, cần giám sát thông số (từ xa) song song với người vận hành trực tiếp Đây giải pháp quan trọng nhằm tăng tuổi thọ độ tin cậy động cơ, bảo quản tài sản doanh nghiệp Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế kỹ thuật thiết bị giám sát thông số vận hành động Yanmar tàu du lịch vùng biển Khánh Hịa Từ khóa: Thơng số vận hành; áp lực dầu bơi trơn; áp suất tăng áp khí nạp; tốc độ động cơ; nhiệt độ nước làm mát, tàu du lịch ABSTRACT In the management and use of ships, except the hull, the engine is considered the heart of the vessels The good operation of the engine is through the basic parameters in operation such as: lubricating oil pressure, coolant temperature, intake air pressure and number of revolutions used of the engine are always within specified limits, so it is necessary to monitor the above parameters (remotely) in parallel with the direct operator Therefore, it is necessary to improve the monitoring of the above parameters (remote) in parallel with the direct operator Monitoring engines also an essential solution to increase the engine's life and reliability and preserve the business's assets This paper presents the research results, design, and manufacture of equipment to monitor operating parameters of Yanmar engines installed on ships engaged in tourism activities in the inland waters of Khanh Hoa seas Keywords: operation parameter, Lubrication oil pressure, intake air booster pressure; engine speed; coolant temperature, travel ship I ĐẶT VẤN ĐỀ Khánh Hòa tỉnh ven biển Nam trung Việt Nam có vị trí địa lý thuận lợi cho phát triển du lịch, đặc biệt du lịch biển đảo, nên nhu cầu sử dụng tàu thuyền để đưa đón khách nơi du ngoạn vùng biển nội địa phương tiện di chuyển lớn Động máy thường dùng cho tàu biển nói chung tàu du lịch nói riêng chủ yếu loại động diesel Động diesel có tính ưu điểm động xăng tiết kiệm nhiên liệu, tuổi thọ độ tin cậy cao, chiếm ưu vượt trội so với động xăng trang bị tàu biển Vấn đề đặt cho người vận hành nhà quản lý việc sử dụng động cách hiệu quả, có thêm sở để bảo vệ máy chính, đồng thời dự đốn trình trạng kỹ thuật từ có chế độ bảo trì bảo dưỡng sửa chữa phù hợp, giảm chi phí q trình khai thác, nâng cao tuổi thọ Việc Thiết kế thiết bị giám sát thông số vận hành (nhiệt độ nước làm mát, áp lực TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 59 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản dầu bơi trơn, số vịng quay ) động YANMAR làm máy tàu có ý nghĩa q trình sử dụng Việc làm giúp giải vấn an tồn kỹ thuật cho máy tàu giúp cho người vận hành phát sớm thông số không nằm giới hạn cho phép, từ có phương án xử lý kịp thời trình khai thác nhằm tránh gây an toàn cho tàu thiệt hại lớn cho doanh nghiệp II ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.Đối tượng nghiên cứu: - Giám sát thông số vận hành động diesel làm máy tàu thủy hoạt động du lịch; - Thiết bị đo giám sát từ xa thông số vận hành động Phương pháp nghiên cứu: Lý thuyết III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Lựa chọn thông số giám sát Giám sát tình trạng trình theo dõi liên tục đặc tính hoạt động máy móc để dự đốn nhu cầu bảo trì trước xảy hư hỏng hỏng hóc Như vậy, giám sát tình trạng sở bảo trì dự đốn, trích xuất thông tin liên quan đến khả làm việc hệ thống, máy móc từ tình trạng xác định dựa thơng tin thu thập dự đốn nhu cầu bảo trì tương lai Mục đích của việc giám sát để phát theo dõi lỗi phát triển dự đoán lỗi tới hay cố xảy [4, 7] Giám sát cảnh báo góp phần khơng nhỏ để khai thác tin cậy hiệu hệ động lực tàu thủy Nói cách khác, giúp kiểm sốt, nâng cao tiêu kinh tế kỹ thuật hệ động lực Giám sát có vai trị đảm nhiệm việc thơng báo tình trạng kỹ thuật, tìm hư hỏng Thơng thường giám sát mơ tả trạng thái, cịn chẩn đốn ngồi việc mơ tả tình trạng kỹ thuật, tìm lỗi, hư hỏng, cịn phải nhận dạng, xác định vị trí ước lượng hóa hư hỏng Các phép đo thực trình giám sát để đưa dấu hiệu cho cơng tác chẩn đốn Các dấu hiệu chẩn đốn đánh 60 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Số 2/2021 giá riêng lẻ mơ hình đơn yếu tố đánh giá phối hợp mơ hình đa yếu tố Kết giám sát sở để cảnh báo cố, bậc kiểm định kỹ thuật hệ động lực mà tháo máy nâng cao độ tin cậy tuổi thọ động Để thông số giám sát dùng làm thông số cảnh báo cố phải hội đủ ba điều kiện [3]: (1) Đồng biến: Thông số dùng làm thơng số cảnh báo tương ứng (tỷ lệ thuận) với thông số kết cấu vận hành Ví dụ: Tốc độ quay động tỉ lệ thuận với lượng nhiên liệu mà động tiêu thụ nên thoả mãn điều kiện đồng biến; (2) Tính đại diện: Thơng số dùng làm thơng số cảnh báo thay đổi phản ánh đủ thay đổi thông số kết cấu vận hành mà đại diện Ví dụ: Áp suất dầu bơi trơn thấp vượt ngưỡng đủ phản ánh cố hệ thống bôi trơn, tương ứng với tăng ma sát đột biến làm hệ thống máy tê liệt; (3) Dễ đo, báo: Thông thường thơng số bên ngồi hệ thống máy dễ đo, báo Ví dụ: Nhiệt độ, áp suất bên ngồi máy; vịng quay động cơ,… Các thơng số giám sát an tồn (thơng số cảnh báo cố) máy móc khí nói chung hệ thống máy động lực nói riêng thơng số đánh giá tải trọng (áp suất, ứng suất cơ, biến dạng cơ, công suất, mô men, dao động) tải trọng nhiệt (nhiệt độ, ứng suất nhiệt, biến dạng nhiệt) An toàn kỹ thuật động đánh giá qua nhiều thông số kỹ thuật, nhiên động thường có ba hệ thống quan trọng là: Hệ thống bôi trơn, hệ thống làm mát tốc độ quay động Trong động diesel, hệ thống dầu bôi trơn gọi hệ thống tĩnh mạch, có nhiệm vụ tạo điều kiện tối ưu cho hình thành màng dầu tất cặp ma sát, chẳng hạn piston-xylanh, xéc măng-xylanh, ổ trục chính, v.v Một yếu tố có ảnh hưởng đến điều kiện hình thành màng dầu giá trị áp suất dầu hệ thống bôi trơn [5] Áp suất dầu bơi trơn cao độ nhớt Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản dầu cao tắc đường ống sau đồng hồ Hầu hết máy tàu thủy trang bị đồng hồ báo áp suất dầu bôi trơn, thể ngưỡng an tồn (cận cận dưới)[1] Hệ thống làm mát có nhiệm vụ trì nhiệt độ ổn định cho chi tiết động Do đó, nhiệt độ nước làm mát đầu thông số quan trọng phản ánh trạng thái làm việc động cơ, tình trạng hệ thống Hệ thống làm mát máy tàu thủy hệ thống làm mát hai vòng tuần hoàn, nước làm mát cho động làm mát nước nước biển Theo số liệu nhiệt độ nước khỏi động từ 800C đến 950C [1] Như vậy, nhiệt độ nước tăng nguyên nhân: thiếu nước két giãn nở, hỏng bình sinh hàn, hỏng điều nhiệt, hỏng bơm nước biển, động tải Nếu làm việc lâu trạng thái này, máy bị tải nhiệt, chi tiết nắp máy, xy lanh bị nứt vỡ, màng dầu bơi trơn bị phá hủy dẫn đến cháy bề mặt ma sát, động dừng hoạt động Vì vậy, nhiệt độ nước làm mát động coi thông số giám sát, cảnh báo cố Đối với động cơ, đồng hồ vòng tua máy có vai trị quan trọng khơng phận khác Người sử dụng kiểm sốt tốc độ làm việc động để tiết kiệm nhiên liệu tốt nhất, bảo quản động khơng bị q tải vịng quay Số 2/2021 Tăng áp từ chung dùng để hệ thống nạp khơng khí cưỡng Có thể hiểu đơn giản, tăng áp hệ thống nén thêm khơng khí vào buồng đốt, đưa vào nhiều nhiên liệu qua làm tăng cơng suất động 2.Thiết kế kỹ thuật 2.1 Nhiệm vụ yêu cầu thiết kế Thiết kế hệ thống giám sát thông số vận hành động Yanmar 6HYM-WET tàu du lịch nhằm mục đích giám sát đảm bảo thông số vận hành động hoạt động giới hạn cho phép, giám sát từ xa để nhắc nhở thuyền trưởng (người vận hành trực tiếp) có thơng số vận hành động (hình 1) khơng nằm giới hạn cho phép mà người vận hành khơng quan sát được, qua động bảo vệ tốt hơn, tuổi thọ, độ tin cậy cao Việc tính tốn lựa chọn phương án thiết kế khâu quan trọng toàn trình thiết kế chế tạo thiết bị giám động cơ, cần kết hợp hài hòa vào số tiêu sau: (1) Chỉ tiêu kỹ thuật: đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đo có độ tin cậy q trình đo đạc, ghi nhận liệu để giám sát thời điểm, xác; (2) Chỉ tiêu kinh tế: phân tích lựa chọn thiết bị có giá thành phù hợp; (3) Chỉ tiêu sử dụng: dễ vận hành, đo đạc, dễ dàng khắc phục sửa chữa thiết bị trục trặc Hình Sơ đồ khối thông số giám sát động 2.2 Phương án thiết kế kỹ thuật Trên sở phân tích thơng số giải pháp giám sát u cầu kỹ thuật đặt ra, phương án thiết kế ưu tiên tiêu kỹ thuật Hệ thống chung thiết bị gồm phần Hình TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 61 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2021 Hình Hệ thống giám sát thông số vận hành động (1) Phần điều khiển bao gồm: Bộ phận giao tiếp người thiết bị; phận xử lý liệu; phận cảnh báo; phận liên lạc (2) Phần thao tác bao gồm: phận học thực kết nối cảm biến với vị trí đo để ghi nhận tín hiệu đồng thời phát tín hiệu trực tiếp trung tâm điều hành Phương án thơng số giám sát an tồn cho máy vận hành lựa chọn thống sử dụng sở tổng hợp, phân tích thơng số giám sát phần Sơ đồ bố trí hệ thống thiết bị cảnh báo cố máy trình bày Hình 3[2] Hình Sơ đồ hệ thống giám sát cảnh báo cố máy 2.3 Xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống giám sát cảnh báo chung trình bày Hình Trên sở phương án thiết kế, nguyên lý modun cho máy giám sát cảnh báo thông số vận hành bao gồm: (1) Các cảm biến áp suất khí nạp từ Turbo, nhiệt độ nước làm mát, áp suất dầu bôi trơn cho máy chínhvà cảm biến vịng tua máy; 62 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG (2) Tín hiệu từ cảm biến đưa tới ECU để xử lý đối chiếu với ngưỡng giá trị cài đặt (ngưỡng giá trị cài đặt đảm bảo hệ động lực làm việc an toàn phù hợp với tiêu chuẩn động cơ) Khi giá trị đo vượt giới hạn giá trị cài đặt, hệ thống báo động thông qua đèn báo động sáng chng âm kết hợp với hình LED hiển thị thơng số giám sát Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản (3) Tín hiệu thu từ cảm biến phát trược tiếp trung tâm thông qua mạng 4G thiết kế Số 2/2021 (4) Các liệu thu thập lưu nhớ ECU với thời gian 10 phút ghi nhận lần Hình Sơ đồ hệ thống giám sát 2.4 Sơ đồ khối hệ thống chức hoạt động khối Sơ đồ hệ thống gồm khối khối đầu vào, khối xử lý trung tâm khối đầu (Hình 5) Nhiệm vụ khối đầu vào bao gồm việc thu thập tín hiệu đo lường từ cảm biến, tín hiệu điều khiển từ thiết bị giao tiếp gửi tới xử lý trung tâm Bộ xử lý trung tâm sau nhận tín hiệu tiến hành phân tích, chuyển đổi, tính tốn xuất tín hiệu điều khiển cho khối đầu Khối đầu bao gồm thiết bị hiển thị mạch điều khiển thiết bị cảnh báo thông số đầu vượt giá trị cho phép Hình Sơ đồ khối hệ thống giám sát cảnh báo cố (1) Khối đo thông số đầu vào - Cảm biến nhiệt độ: có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ nước làm mát thành tín hiệu điện đưa tới ECU Tùy thuộc vào giá trị điện áp nhận từ cảm biến ECU tính tốn chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ đối tượng cần đo - Cảm biến áp suất: có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu áp suất dầu bơi trơn máy thành tín hiệu điện đưa tới ECU - Cảm biến vịng tua động có nhiệm vụ truyền tín hiệu điện tới ECU - Bàn phím nhập liệu: cho phép người điều khiển lựa chọn chủng loại động TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 63 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản thay đổi vùng giá trị tác động theo chủng loại động tương ứng (2) Bộ xử lý trung tâm – PLC Là não hệ thống điều khiển tự động Bộ xử lý trung tâm chứa đựng chương trình điều khiển Chương trình quy định cách thức thu thập tín hiệu đầu vào, xử lí, tính tốn chuyển đổi thành giá trị thơng số đầu cho kích hoạt mạch báo động thông số vượt giá trị cho phép PLC chứa chương trình liệu thống kê, lịch sử thông số vận hành động (3) Khối đầu - Hiển thị LCD: cho phép hiển thị giá trị tức thời thông số động làm việc như: Tốc độ quay n, áp lực dầu bôi trơn, nhiệt độ nước làm mát - Phát tín hiệu trực tiếp thông số vận hành trung tâm thông qua thiết bị ECU 1051TL, trạm trung tâm người điều hành giám sát thông số vận hành động - Mạch điều khiển thiết bị báo động: bao gồm mạch điều khiển đèn hiển thị loại cố, giá trị cố Lựa chọn thiết bị xử lý tín hiệu, thiết kế hệ thống điều khiển giao diện Các phận cấu thành nên hệ thống phải chế tạo vật liệu phù hợp có độ bền cao, có độ xác đảm bảo kín khít đặt, chống xy hóa mơi trường độ ẩm lớn, có muối dầu Các cảm biến mạch điều khiển phải có đặc tính kỹ thuật thích hợp với thông số cần cảnh báo, dễ dàng đặt, bảo dưỡng nâng cấp Chương trình viết phải có giao diện phù hợp dễ sử dụng cho phép cài đặt lại ngưỡng cảnh báo khác thỏa mãn với chủng loại khác sử dụng giám sát thông số vận hành động Hệ thống cảnh báo phải đảm bảo làm việc tốt môi trường khắc nghiệt tàu, chịu nhiệt độ cao chấn động tượng lắc tàu sóng Hệ thống giám sát an tồn hai vị trí buồng lái trung tâm điều hành Các thiết bị hệ thống có điện áp làm việc phù hợp với nguồn điện trang bị 64 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Số 2/2021 tàu du lịch, cấp nguồn từ nguồn điện khác nhau, đảm bảo làm việc ổn định tàu điện 3.1 Lựa chọn phần tử xử lý tín hiệu giám sát Hiện nay, để xây dựng hệ thống điều khiển công nghiệp, người ta thường sử dụng điều khiển chuyên dùng PLC PLC viết tắt từ Programmable Logical Controller (chương trình điều khiển tự động có lập trình)[6], đời lần vào năm 1968 Mỹ Trong giai đoạn hệ thống điều khiển lập trình (PLC) đơn giản nhằm thay hệ thống Relay dây nối hệ thống Đến năm đầu thập niên 1970, với phát triển cơng nghệ phần mềm Bộ lập trình điều khiển PLC không thực lệnh Logic đơn giản mà cịn có thêm lệnh định thì, đếm kiện, lệnh xử lý toán học, xử lý liệu, xử lý xung, xử lý thời gian thực Từ năm 1975 Hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ với chức mở rộng như: Số lượng ngõ vào, ngõ nhiều có khả điều khiển ngõ vào, ngõ từ xa kỹ thuật truyền thông, lưu trữ liệu nhiều tích hợp nhiều loại mô đun chuyên dùng So với điều khiển cổ điển, hệ thống điều khiển PLC có tính vượt trội, liệt kê đây: - Giảm đến 80% số lượng dây nối; - Công suất tiêu thụ PLC thấp; - Có khả tự chuẩn đốn giúp cho việc sửa chữa nhanh chóng dễ dàng; - Chức điều khiển thay đổi dễ dàng thiết bị lập trình, khơng có u cầu thay đổi đầu vào khơng cần phải nâng cấp phần cứng; - Giảm thiểu số lượng rơle timer so với hệ điều khiển cổ điển; - Không hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng chương trình; - Thời gian để chu trình điều khiển hồn thành vài ms, điều làm tăng tốc độ suất PLC; - Chương trình điều khiển in Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản giấy thời gian ngắn giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì sửa chữa hệ thống; - Chức lập trình dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học; - Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, sửa chữa; - Dung lượng chương trình lớn để chứa nhiều chương trình phức tạp; Dễ dàng kết nối với thiết bị thơng minh khác như: máy tính, kết nối mạng Internet, mô đun mở rộng 3.2 Hệ thống điều khiển (1) Cấu trúc Tất PLC có thành phần nhớ chương trình RAM bên trong, vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC, module I/O Bên cạnh đó, số PLC hồn chỉnh cịn kèm theo đơn vị lập trình tay hay máy tính Hầu hết đơn vị lập trình đơn giản có đủ RAM để chứa đựng chương trinh dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình đơn vị sách tay, RAM thường loại CMOS có pin dự phịng, chương trình kiểm tra sẵn sang sử dụng truyền sang nhớ PLC Đối với PLC lớn thường lập trình máy tính nhằm hỗ trợ cho viết, đọc kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458… (2) Cấu tạo ECU ECU cấu thành từ phận chính: nhớ ECU, vi xử lý (bộ não ECU) đường truyền – BUS (Hình 6) Số 2/2021 Bộ nhớ ECU Bao gồm thành viên đãm nhiệm chức riêng biệt: RAM, ROM, PROM, KAM ( Hình 6) – ROM (Read Only Memory): Dùng trữ thơng tin thường trực Bộ nhớ đọc thông tin lập trình sẵn, khơng thể ghi vào Do đó, ROM nơi cung cấp thơng tin cho vi xử lý – RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên, dùng để lưu trữ thông tin ghi nhớ xác định vi xử lý RAM đọc ghi số liệu theo địa – PROM (Programmable Read Only Memory): Cấu trúc giống ROM cho phép lập trình (nạp liệu) nơi sử dụng nơi sản xuất ROM PROM cho phép sữa đổi chương trình điều khiển theo đòi hỏi khác – KAM (Keep Alive Memory): KAM dùng để lưu trữ thông tin (những thông tin tạm thời) cung cấp đến vi xử lý KAM trì nhớ cho dù động ngưng hoạt động tắt công tắc máy Tuy nhiên, tháo nguồn cung cấp từ acquy đến máy tính nhớ KAM bị Bộ vi xử lý (Microprocessor) Từ việc tiếp nhận thơng tin tín hiệu cảm biến động thơng qua nhớ ECU, tín hiệu gửi đến Bộ vi xử lý, lúc có chức tính tốn đưa mệnh lệnh cho phận chấp hành thích hợp Có thể nói, phận quan trọng ECU Hình Cấu tạo ECU TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 65 ... cầu thiết kế Thiết kế hệ thống giám sát thông số vận hành động Yanmar 6HYM-WET tàu du lịch nhằm mục đích giám sát đảm bảo thông số vận hành động hoạt động giới hạn cho phép, giám sát từ xa để... nghiên cứu: - Giám sát thông số vận hành động diesel làm máy tàu thủy hoạt động du lịch; - Thiết bị đo giám sát từ xa thông số vận hành động Phương pháp nghiên cứu: Lý thuyết III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU... thuật hệ động lực mà tháo máy nâng cao độ tin cậy tuổi thọ động Để thông số giám sát dùng làm thông số cảnh báo cố phải hội đủ ba điều kiện [3]: (1) Đồng biến: Thông số dùng làm thông số cảnh