Xây dựng mô hình điều khiển máy chính tàu thủy

LỜI CẢM ƠN Sau năm học tập rèn luyện trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ từ quý Thầy Cô, gia đình bạn bè Em xin gửi đến quý Thầy Cô khoa Điện – Điện tử nói chung ngành Điện tự động tàu thủy nói riêng lời cảm ơn sâu sắc truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt quãng thời gian học tập trường Qua thời gian thực tập tốt nghiệp em khoa nhà trường giao cho đề tài: “Xây dựng mô hình điều khiển máy tàu thủy” Đặc biệt với hướng dẫn tận tình thầy TS Vương Đức Phúc với giúp đỡ bạn bè nỗ lực không ngừng cố gắng từ thân, đến em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Bước đầu vào thực tế em bỡ ngỡ, thiếu nhiều kinh nghiệm với trình độ thân hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp từ quý Thầy Cô khoa Điện – Điện tử bạn để đồ án tốt nghiệp em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung đồ án thực hiện, hướng dẫn trực tiếp T.S Vương Đức Phúc Mọi tham khảo dùng đồ án trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Sinh viên Đinh Văn Thiết MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 Tên hình Trang Động diesel tàu thủy Bàn điều khiển máy tàu thủy Bộ điều tốc điện tử Phần mềm lập trình Labview Giao diện điều khiển Front Panel Lập trình Block Diagram Bo mạch Arduino Uno R3 Bộ thư viện thuật toán PID Labview Giao diện điều khiển Led Chương trình điều khiển Led phần mềm Labview Giao diện cấu hình cho LCD 16x2 Chương trình giao tiếp với hình LCD 16x2 Sơ đồ kết nối LCD 16x2 với Arduino Giao diện điều hiển hiển thị Chương trình đọc tín hiệu Analog từ kênh “0” bo mạch Arduino Kết nối phần cứng đọc tín hiệu analog từ kênh “0” Arduino Giao diện điều khiển động Servo Chương trình điều khiển động Servo Ghép nối động Servo với Arduino Bo mạch Arduino Uno Động chiều tích hợp Encoder Động Servo SG90 Mạch khuếch đại công suất Sơ đồ khối ghép nối phần cứng Sơ đồ kết nối Arduino với máy tính Kết nối động servo với Arduino Sơ đồ kết nối động servo với mạch công suất Chương trình điều khiển lập trình môi trường Labview Chương trình khởi động máy Chương trình đảo chiều quay chân vịt Chương trình điều chỉnh tốc độ 7 12 12 13 13 14 14 15 15 16 16 17 18 18 19 20 20 21 22 22 23 24 25 26 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 3.1 3.2 Chương trình tính toán tốc độ máy Chương trình điều chỉnh tốc độ Chương dừng máy bình thường Chương trình dừng máy cố Chương trình tạo thời gian trễ có tín hiệu cố Các nút, công tắc điều khiển giao diện Đồng hồ tốc độ đèn báo trạng thái Đồ thị biểu thị giá trị điều khiển Sơ đồ nguyên lý thết kế phần mềm Altium Mạch Mạch in in socket socket Arduino Arduino Bo mạch Arduino sau đặt lên Socket Chương trình điều khiển máy tàu thủy Giao diện hệ thống điều khiển máy 27 29 29 30 31 31 32 32 33 34 34 35 35 MỞ ĐẦU Trong thời đại công nghệ, khoa học phát triển mạnh mẽ Sự tự động hóa lao động sản xuất ngày trọng đẩy mạnh Do việc nắm vững hệ thống tự động, nâng cao kỹ thực hành nhiệm vụ quan trọng học sinh, sinh viên trước rời khỏi ghế nhà trường lên đường xây dựng đất nước Bản thân sinh viên chuyên ngành Điện tự động tàu thủy giác ngộ phần nhiệm vụ, trách nhiệm thân đất nước Do đó, chọn đề tài tốt nghiệp là: “Xây dựng mô hình điều khiển máy tàu thủy” Đề tài gồm phần sau: - Chương 1: Cơ sở lý thuyết - Chương 2: Xây dựng mô hình điều khiển - Kết đạt Với kiến thức học tập trường giúp đỡ, bảo tận tình thày giáo TS Vương Đức Phúc hoàn thành đồ án tốt nghiệp thời gian cho phép Do hạn chế kiến thức nên đồ án chắn nhiều điểm sai xót Kính mong thày, cô bạn góp ý để đồ án hoàn thiện Hải Phòng, năm 2016 Sinh viên Đinh Văn Thiết CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan máy tàu thủy hệ thống điều khiển từ xa máy 1.1.1 Máy tàu thủy Máy tàu thủy thiết bị quan trọng tàu thủy có chức lai chân vịt tạo lực đẩy giúp tàu di chuyển sông, biển… Phần lớn tàu thủy động sử dụng làm máy động diesel đạt hiệu suất cao có số tàu sử dụng máy loại động điện chiều Hình 1.1 Động diesel tàu thủy Động diesel sử dụng nhiên liệu loại dầu: DO, FO HFO…Việc thay đổi tốc độ động thực cách thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào…Đối với động điện sử dụng làm máy nhận lượng điện từ máy phát điện lai động diesel Chân vịt tàu gắn đồng trục với máy chính, để đảo chiều quay chân vịt ta đảo chiều quay máy với máy có chức đảo chiều quay Đối với máy chức đảo chiều chân vịt đảo điều ly hợp 1.1.2 Hệ thống điều khiển từ xa máy tàu thủy Để cải thiện điều kiện làm việc người giảm bớt số lượng thuyền viên tàu thủy hệ thống điều khiển tàu thủy ngày tự động hóa tiến đến tự động toàn tàu Điều khiển máy hệ thống thiếu tàu thủy việc tự động hóa hệ thống điều khiển hệ thống giám sát máy tàu thủy vô quan trọng Hình 1.2 - Bàn điều khiển máy tàu thủy Dựa vào mức độ tự động hóa người ta chia ra: - Hệ thống điều khiển từ xa máy - Hệ thống tự động điều khiển từ ca máy 1.2 Thuật toán điều khiển máy tàu thủy 1.2.1 Thuật toán khởi động Đưa tay điều khiển đến vị trí khởi động Khi có tín hiệu đưa tham số điều tốc điều tốc giá trị min(0,2n đm) Hạn chế nhiên liệu vào động khởi động Tiếp theo gió khởi động mở, gió khởi động từ chai gió đưa qua xupap khởi động(có áp lực từ 15-30 Kg/Cm 2) vào xylanh để quay động Động quay gió khởi động với nhiên liệu phun vào xảy trình cháy – giãn nở nếu: Động khởi động thành công: Tốc độ động tăng đạt đến tốc độ khởi động thành công có tín hiệu ngắt gió khởi động, ngắt hạn chế nhiên liệu đưa tín hiệu bảo vệ áp lực thấp dầu bôi trơn động vào hoạt động , động gia tốc đến tốc độ đặt Động khởi động không thành công: Tốc độ động không tăng, sau thời gian đặt có tín hiệu ngắt gió khởi động Và tính thời gian để cấp gió khởi động lại thời gian nghỉ lần khởi động lại Động Diesel khởi động lại từ đến lần không thành công khóa khởi động có tín hiệu báo động cho người vận hành biết đèn còi Ngoài khống chế số lần khởi động động diesel tàu thủy phải khống chế tổng thời khởi động, thời gian khởi động vượt thời gian cho phép chưa số lần khởi động khóa khởi động báo động đèn còi 1.2.2 Thuật toán đảo chiều quay Trường hợp máy không đảo chiều chiều quay chân vịt thay đổi nhờ vào ly hợp hộp số Khi có tín hiệu đảo chiều từ tay điều khiển điều khiển đưa tốc độ máy tốc độ cho phép đảo chiều nhờ tác động tham số điều tốc Khi tốc độ máy giảm đến giá trị cho phép đảo chiều có tín hiệu ly hợp chiều quay cũ tiến hành đóng ly hợp chiều quay mới, sau máy gia tốc lên tốc độ đặt 1.2.3 Thuật toán điều chỉnh tốc độ dùng điều tốc điện tử Hình 1.3 - Bộ điều tốc điện tử CONTROL UNIT: Bộ điều khiển theo thuật toán PID SPEED ORDER: Tốc độ đặt trước ENCODER: Máy phát xung F/V: Bộ chuyển đổi tần số sang điện áp SPEED FB: Tín hiệu phản hồi tốc độ từ encoder PID: Bộ điều khiển PID LIMITER: Giới hạn ngõ PID ACTUATOR DRIVE UNIT: Khuếch đại công suất ACTUATOR: Phần tử thực F.O: đường cấp nguyên liệu vào động Tốc độ đặt từ tay điều khiển so sánh với tốc độ phản hồi từ encoder thông qua biến đổi tần số điên áp Đầu so sánh sai lệch tốc độ đặt tốc độ thực máy đưa đến đầu vào điều khiển PID, tiếp đến giới hạn ngõ qua khuếch đại công suất đến điều 10 Trên mạch công suất cấp nguồn +12V, đầu “Motor +” “Motor - ” đưa động chiều 2.3 Xây dựng chương trình giao diện điều khiển môi trường Labview 2.3.1 Xây dựng chương trình điều khiển Hình 2.9 - Chương trình điều khiển lập trình môi trường Labview 29 2.3.1.1 Chương trình khởi động máy Hình 2.10 - Chương trình khởi động máy Khi máy sẵn sàng khởi động (Đã máy via, chạy bơm nước làm mát, áp lực gió khởi động sẵn sàng…) Để khởi động máy ta đưa tay điều khiển đến vị trí “Start” tương ứng với giá trị tay điều khiển Giá trị tay điều khiển đưa vào cấu trúc “Case structure” để kiểm tra thực đặt góc quay cho động Servo điều chỉnh nhiên liệu để hạn chế nhiên liệu khởi động Giá trị khoảng (0,1 – 0,2)nđm Tín hiệu khởi động đưa đến tạo thời gian “Elapsed Time” đặt 10s Khi có tín hiệu khởi động đầu thời gian “Elapsed Time” “False” đưa vào cấu trúc “Case structure” thứ hai làm cho có tín hiệu mở gió khởi động máy chính, rơ le tốc độ kiểm tra tốc độ động tốc độ tăng đến giá trị làm cho động tự khởi động có tín hiệu cắt gió khởi động Sau 10s đặt đầu thời gian chuyển sang giá trị “True” lúc cấu trúc “Case structure” thực kiểm tra tốc độ động cơ, tốc độ động không tăng cắt gió điều khiển 30 2.3.1.2 Chương trình đảo chiều quay Máy chức đảo chiều quay nên việc đảo chiều quay chân vịt thực đảo chiều ly hợp Việc thực đảo chiều thực sau: Hình 2.11 - Chương trình đảo chiều quay chân vịt Khi tàu chạy tốc độ theo chiều tiến lùi người điều khiển đưa tay điều khiển tốc độ theo chiều ngược lại làm cho giá trị đặt tương ứng với vị trí tay điều khiển thay đổi, tín hiệu so sánh với “0” đưa qua khối “Boolean crossing” Ở đầu khối “Boolean crossing” xuất xung đưa đến chân “Reset” tạo thời gian đưa tín hiệu đảo chiều Khi có tín hiệu đảo chiều, giá trị đặt thuật toán PID đưa giá trị cho phép đóng mở ly hợp Khi ly hợp động vào với chiều quay phù 31 hợp máy gia tốc lên tốc độ đặt tay điều khiển Chương trình đảo chiều quay chân vịt thể Hình… Khi người điều khiển đưa tay điều khiển “Front Panel” vị trí “Stop” để thực dừng động cơ, tốc độ động giảm dần ly hợp tự động tốc độ giảm tốc độ cho phép 2.3.1.3 Chương trình điều chỉnh tốc độ • Chương trình đếm số xung nhận từ Encoder Hình 2.12 - Chương trình điều chỉnh tốc độ Tín hiệu xung từ encoder đưa đến chân số bo mạch Arduino lúc đặt chế độ “Input” Tín hiệu xung được đưa qua “Boolean Crossing” có chức phát sườn lên xung Cứ có sườn lên xung đầu có giá trị “True” làm tăng giá trị biến đếm lên đơn vị 32 • Chương trình tính toán vận tốc động Vận tốc máy tính toán theo công thức sau: Trong đó: = Xungsau - Xungtrước 0.02 tần số lấy mẫu 200 độ phân giải encoder Hình 2.13 - Chương trình tính toán tốc độ máy • Chương trình điều chỉnh tốc độ dùng thuật toán PID Khối PID.vi VI xây dựng sẵn phần mềm Labview, ta sử dụng để điều khiển hệ thống cần thiết thiết lập thông số điều khiển PID 33 - Output range: giới hạn tín hiệu đầu PID, gồm có giới hạn “output high” giới hạn “output low” - Setpoint: Tín hiệu đặt trước - Process variable: Tín hiệu phản hồi giá trị thực tế - PID gains: Đặt hệ số KP, KI, KD Output: Đầu PID d(t): thời gian lấy mẫu Vận tốc đặt từ tay điều khiển đưa đến đầu vào “setpoint” so sánh với vận tốc thực tế phản hồi đầu vào Process variable PID.vi Khi có sai lệch đầu PID có tín hiệu đưa đến quay động servo gắn liên động với nhiên liệu làm cho lượng nhiên liệu đưa vào động bị thay đổi theo hướng làm giảm sai lệch Khi sai lệch “0” động servo dừng Động servo có góc quay thay đổi từ – 180 o nên giới hạn đầu đăt với giá trị giới hạn “0” giới hạn 180 Các hệ số KP, KI, KD chọn cho với điểm dải tốc độ động hệ thống hoạt động ổn định sau: Đưa tay điều khiển tới vị trí cho tốc độ đặt lúc nằm dải tốc độ hoạt động động Sau chọn hệ số K P, KI, KD làm cho hệ ổn định 34 Hình 2.14 - Chương trình điều chỉnh tốc độ 2.3.1.4 Chương trình dừng máy • Dừng máy bình thường: Hình 2.15 - Chương dừng máy bình thường Để thực điều khiển dừng máy chính, người điều khiển thực đưa tay điều khiển giao diện “Font Panel” vị trí “Stop” tương ứng với giá trị tay điều khiển “0” Qua cấu trúc “Case structure” có tín hiệu đưa góc quay động Servo “0” điều khiển nhiên liệu cắt nhiên liệu vào động làm cho tốc độ máy giảm từ từ dừng hẳn 35 • Dừng máy cố: Trong trường hợp máy bị cố người điều khiển ấn nút dừng cố máy hình điều khiển thông số quan trọng máy vượt giá trị cho phép lúc có tín hiệu gửi từ đầu vào chân số “3”, “4” bo mạch Arduino tín hiệu tốc trả giá trị “True” tốc độ động tăng đến ngưỡng bảo vệ Khi tín hiệu tác động sau thời gian trễ đặt trước có tín hiệu đưa góc quay động servo vị trí “0” ngắt nhiên liệu vào động làm động dừng lại Hình… Hình 2.16 - Chương trình dừng máy cố Khi muốn Reset tín hiệu cố người điều khiển phải thực đưa tay điều khiển vị trí “Stop” Khi cố khắc phục người điều khiển đưa máy vào trạng thái hoạt động bình thường Nếu cố chưa khắc phục máy bị khóa khởi động 36 Hình 2.17 - Chương trình tạo thời gian trễ có tín hiệu cố 2.3.2 Xây dựng giao diện điều khiển Giao diện điều khiển hệ thống điều khiển từ xa máy xây dựng “Front Panel” phần mềm Labview gồm phần: - Phần điều khiển: Tay điều khiển máy chính, nút dừng cố, công tắc vào máy via, cài đặt thông số điều khiển Hình 2.18 - Các nút, công tắc điều khiển giao diện - Phần hiển thị: Đồng hồ hiển thị tốc độ, đèn hiển thị trạng thái, đồ thị thể trình điều chỉnh điều chỉnh tốc độ, dạng xung… 37 Hình 2.19 - Đồng hồ tốc độ đèn báo trạng thái Hình 2.20 - Đồ thị biểu thị giá trị điều khiển 2.4 Thực thi công mô hình vật lý 2.4.1 Tạo socket cho bo mạch Arduino Uno Các chân vào bo mạch Arduino nhà sản xuất làm Jumper cái, sử thường phải sử dụng dây jumper đực để cắm vào kết nối đến ngoại vi Điều làm cho kết nối điều khiển không chắn, lỏng lẻo gây nên chập chờn tín hiệu hệ thống Vì 38 cần thiết phải có socket gắn bo mạch Arduino lên để tạo kết nối chắn tin cậy Các bước chuẩn bị để làm Socket: - Vẽ mạch in phần mềm Altium Hình 2.21 - Sơ đồ nguyên lý thết kế phần mềm Altium 31 30 29 28 27 26 4 25 24 23 22 10 21 11 20 12 19 13 18 14 15 16 17 1 3 39 Hình 2.22 - Mạch in socket Arduino - Chuẩn bị dụng cụ làm mạch in: Bàn là, mỏ hàn thiếc, Header, dao cắt phíp đồng, hóa chất rửa mạch(FeCl3)… Hình 2.23 - Bo mạch Arduino sau đặt lên Socket CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ Sau thời gian nghiên cứu thực đồ án em làm đạt kết sau: Xây dựng chương trình giao diện điều khiển hệ thống điều khiển từ xa máy phần mềm Labview với chức năng: Khởi động, dừng, đảo chiều quay chân vịt, điều chỉnh tốc độ, vào ly hợp 40 Hình 3.1 - Chương trình điều khiển máy tàu thủy Hình 3.2 - Giao diện hệ thống điều khiển máy Kết nối thành công bo mạch Arduino với phần mềm Labview để điều khiển mô hình thực tế Xây dựng mô hình mô điều khiển máy tàu thủy KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau tháng thực đồ án với kiến thức em thực xây dựng thành công mô hình điều khiển máy tàu thủy phần mềm Labview bo mạch thu thập Arduino Tuy mô hình tồn nhiều điểm hạn chế 41 Và qua việc thực đồ án lần em gửi tới thày cô khoa Điện – Điện tử nói riêng nhà trường nói chung mong muốn là: Mong thày cô tạo điều kiện để sinh viên có môi trường thực hành nhiều đưa Labview đến gần sinh viên trường ta từ nâng cao chất lượng giảng dạy nhà trường 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Labview (Ts Nguyễn Bá Hải) [2] Giáo trình Hệ thống tự động tàu thủy I(Hoàng Đức Tuấn, Đinh Anh Tuấn, Nguyễn Tất Dũng) [3] Hướng dẫn tự học ARDUNIO (Ths Huỳnh Minh Phú) Tài liệu tiếng anh [1] Programming Arduino with LabVIEW Website [1] https://www.labviewmakerhub.com/ [2] http://www.ni.com/en-vn.html [3] https://vi.wikipedia.org/ 43 ... quan máy tàu thủy hệ thống điều khiển từ xa máy 1.1.1 Máy tàu thủy Máy tàu thủy thiết bị quan trọng tàu thủy có chức lai chân vịt tạo lực đẩy giúp tàu di chuyển sông, biển… Phần lớn tàu thủy. .. đến tự động toàn tàu Điều khiển máy hệ thống thiếu tàu thủy việc tự động hóa hệ thống điều khiển hệ thống giám sát máy tàu thủy vô quan trọng Hình 1.2 - Bàn điều khiển máy tàu thủy Dựa vào mức... chiều chân vịt đảo điều ly hợp 1.1.2 Hệ thống điều khiển từ xa máy tàu thủy Để cải thiện điều kiện làm việc người giảm bớt số lượng thuyền viên tàu thủy hệ thống điều khiển tàu thủy ngày tự động