Nghiên cứu hệ thống điều khiển cân bằng tàu thủy trọng tải lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ TOÀN THẮNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG TÀU THỦY TRỌNG TẢI LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH Hà Nội – Năm 2010 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .2 LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG CÂN BẰNG TÀU VÀ CÁC PHƯƠNG TIỆN NỔI 1.1 Tình hình khai thác tàu phương tiện giới 1.2 Vấn đề cân phương tiện 1.3 Một số công trình nhiên cứu giới cân tàu thủy .13 1.4 Tình hình nghiên cứu nước .15 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC TÀU THỦY, CÁC THUẬT TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG TÀU .18 2.1 Tìm hiểu số mô hình động học tàu thủy 18 2.1.1 Hệ thống két chống cuộn thụ động chủ động .18 2.1.2 Hệ thống két chủ động chống cuộn dạng chuyển động sáu bậc tự 22 2.2 Các phương pháp điều khiển cân tàu thủy phương tiện 24 2.2.1 Các kỹ thuật ổn định chuyển động cuộn cân tàu thuỷ 24 2.2.2 Phương pháp dùng quay hồi chuyển 26 2.2.3 Phương pháp dùng sống đáy tàu .26 2.2.4 Phương pháp ổn định kiểu vây kiểu quay bánh lái 28 2.2.5 Phương pháp dùng thùng chứa chống cuộn 29 2.2.6 Lựa chọn phương án thích hợp cho toán cân tàu thủy .34 2.3 Các thuật toán thông minh toán điều khiển cân tàu thủy 36 2.3.1 Ứng dụng thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình (MPC) 36 2.3.2 Ứng dụng thuật toán điều khiển Logic mờ (Fuzzy Logic Control) 41 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO TÀU LASH 51 3.1 Tìm hiểu tàu LASH đối tượng để xây dựng hệ thống cân .51 3.1.1 Các thông số Tàu LASH 51 3.1.2 Sơ lược trình làm hàng tàu Lash 52 3.1.3 Thực trạng hệ thống cân bằng tay tàu LASH 53 3.1.4 Các yêu cầu giải pháp cho toán cân tàu LASH 56 3.2 Xây dựng hệ thống cân cho tàu LASH 61 3.2.1 Định hướng thiết kế hệ thống điều khiển cân cho tàu Lash mẹ 61 3.2.2 Cấu trúc hệ thống cấu chấp hành cảm biến 62 3.2.3 Cấu trúc phần cứng hệ PLC điều khiển cân tàu LASH 65 3.2.4 Xây dựng phần mềm điều khiển giám sát hệ thống 71 3.3 Kết đánh giá việc thử nghiệm hệ thống cân tàu 90 3.3.1 Quá trình tiến hành thử nghiệm 90 3.3.2 Kết thử nghiệm đánh giá 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp tự hoàn thành hướng dẫn thầy giáo PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH Các số liệu kết luận văn hoàn toàn trung thực Để hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu khác mà không ghi phần tài liệu tham khảo Học viên Lê Toàn Thắng DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT FLFS Cấu trúc lớn FSO Kho chứa DWT Trọng lượng rẽ nước tàu FLC Điều khiển Logic mờ MPC Điều khiển theo mô hình dự báo RRS Hệ thống ổn định bánh lái MIMO Nhiều đầu vào – nhiều đầu AHCS Hệ thống điều khiển chống nghiên DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Kiểu thăng – Ví dụ ứng dụng 25 Bảng 3.1 Tham số bơm, van thiết kế 63 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật PLC dòng CS1H 69 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Nguyên lý hệ thống két chống chuyển động cuộn 18 Hình 2.2 Cơ sở thiết lập mô hình toán cho chuyển động cuộn .19 Hình 2.3 Sơ đồ khối mô tả điều khiển chuyển động cuộn tàu thủy 21 Hình 2.4 Cơ sở thiết lập mô hình toán chuyển động cuộn bậc tự 22 Hình 2.5 Sử dụng quay hồi chuyển hệ thống cân tàu 26 Hình 2.6 Sự xếp bố trí dằn đáy sống tàu 26 Hình 2.7 Kết cấu vị trí lắp đặt vây hai bên mạn để ổn định tàu 28 Hình 2.8 Nguyên lý hệ thống chống nghiêng lệch ngang kiểu thùng chứa .29 Hình 2.9 Chi tiết mặt cắt thùng điển hình vị trí ngang thân tàu 30 Hình 2.10: Âu Kongsberg Maritime 31 Hình 2.11 Âu SWM Pride of San Diego hình hiển thị trạng thái 32 Hình 2.12 Hệ thống bơm xả xà lan dằn (Barge Ballasting) hãng JGP 33 Hình 2.13 Màn hình hiển thị trạng thái bàn điều khiển cân xà lan 33 Hình 2.14 Phương tiện chở kết cấu siêu trường, siêu trọng 33 Hình 2.15 Cấu trúc giảm lắc hệ thống điều khiển lái tự động RRS .37 Hình 2.16 Sơ đồ khối biểu diễn cấu trúc điều khiển trượt mờ chống 49 Hình 3.1 Tàu Lash mẹ chở xà lan 51 Hình 3.2 Mâm cặp cẩu lắp tàu Lash dùng để cặp xà .52 Hình 3.3 Panel điều khiển tay bơm van dằn 53 Hình 3.4 Các van nguồn điều khiển thuỷ lực 54 Hình 3.5 Panel báo mức khoang két tàu Lash 54 Hình 3.6 Một ví dụ bố trí két chống lắc, két dằn 56 Hình 3.7 Yêu cầu giao diện vận hành giám sát 60 Hình 3.9 Cấu trúc hệ thống điều khiển cân tàu LASH 63 Hình 3.5 Panel báo mức khoang két tàu Lash 64 Hình 3.6 Kết cấu đo góc nghiêng cấu CAM dùng cảm biến kiểu chiết áp 65 Hình 3.8 Cấu hình hệ thống PLC 69 Hình 3.9 Sơ đồ tổ chức nhóm khoang khoang két 71 Hình 3.10 Ván bập bênh thăng .72 Hình 3.11 Cấu trúc điều kiển mờ modul LCB01 .73 Hình 3.12 Dạng hàm liên thuộc sử dụng điều khiển mờ .75 Hình 3.13 Cách thiết lập hàm liên thuộc đầu vào (điều kiện) 76 Hình 3.14 Cách thiết lập hàm liên thuộc đầu (kết luận) 76 Hình 3.15 Biễu diễn cách cách suy luận 77 Hình 3.16 Cách thiết lập luật hợp thành max .78 Hình 3.17 Xác định đầu phương pháp trọng tâm 78 Hình 3.18 Thuật toán xử lý trạng thái nghiêng lệch 80 Hình 3.19 Giao diện vận hành giám sát hệ thống 88 Hình 3.20 Giao diện vận hành bơm Ballast 89 Hình 3.21 Giao diện vận hành van giám sát mức nước khoang két 89 Hình 3.22 Cấu trúc hệ thống thử nghiệm 90 Hình 3.23 Mô hình tàu LASH thử nghiệm 91 Hình 3.24 Tàu LASH sông Sài Gòn – Đối tượng để thử nghiệm 92 Hình 3.25 Kết thử nghiệm tàu LASH lúc 01:00 PM ngày 17/03/2010 92 Hình 3.26 Kết thử nghiệm tàu LASH lúc 02:06 PM ngày 17/03/2010 93 Hình 3.27 Kết thử nghiệm tàu LASH lúc 03:32 PM ngày 17/03/2010 93 Hình 3.28 Kết thử nghiệm tàu LASH lúc 04:48 PM ngày 17/03/2010 94 LỜI MỞ ĐẦU Ngày mà không gian đất liền ngày hạn chế áp lực dân số môi trường Một số nước phát triển tìm cách khai thác không gian biển khơi rộng lớn sử dụng tàu thuyền phương tiện Và việc đảm bảo cân cho phương tiện quan tâm nhiều tập trung vào việc xử lý chuyển động cuộn (Roll) gây cân cho tàu thuyền nhằm giữ cho tàu cân ngang theo độ lệch mạn (Lift hay Heel) cân dọc liên quan đến mớn nước mũi đuôi tàu (Trim) Có đảm bảo an toàn cho người hàng hóa tàu thuyền Trải qua nhiều năm, nghiên cứu lĩnh vực nhà khoa học giới đề xuất nhiều thiết bị để hạn chế chuyển động cuộn phần nhiều triển khai thực tế Tuy nhiên giải pháp thường tốn mặt đầu tư triển khai Trước tình hình ngành công nghiệp đóng tàu nước có bước phát triển, mong muốn làm chủ công nghệ từ khâu thiết kế, chế tạo, lắp đặt, vận hành khai thác phương tiện an toàn hiệu Nhóm thực đề tài đề xuất giải vấn đề đề tài cấp nhà nước KC.03.09/06-10 Trong trình khảo sát phối hợp thực đề tài cấp nhà nước mã số KC.03.09/06-10 Tác giả sâu tìm hiểu giải vấn đề có liên quan đề tài bao gồm: * Về lý thuyết, đề tài phải nghiên cứu áp dụng công cụ lý thuyết mạnh, có khả giải toán phức tạp mang nhiều yếu tố bất định sở thiết lập thuật toán thông minh Các thuật toán phải linh hoạt giải pháp mạnh mẽ tính toán Các công cụ lý thuyết chọn giải pháp điều khiển theo mô hình dự báo MPC thích hợp cho việc dự báo hành vi đối tượng phức tạp tương lai đồng thời đưa chiến lược điều khiển tối ưu, điều khiển Logic mờ FLC lại giải toán mà việc mô tả toán học đối tượng bị hạn chế tri thức chuyên gia lại đóng vai trò quan trọng Đây công cụ lý thuyết đủ mạnh đẻ giải toán cân đối tượng * Về mặt thiết kế tích hợp hệ thống, hệ thống cân phương tiện phải thiết kế phần tử có độ tích hợp cao, có khả lập trình linh hoạt đặc biệt tích hợp tính để thực thuật toán thông minh Để thực yêu cầu này, hệ thống tự động cân kho (áp dụng cụ thể tàu Lash) thiết kế PLC tích hợp nhiều tính Nội dung của luận văn bao gồm ba chương : Chương : Tổng quan hệ thống cân tàu phương tiện Chương : Tìm hiểu mô hình động học tàu thủy, thuật toán phương pháp toán cân tàu Chương : Xây dựng thử nghiệm hệ thống điều khiển cân cho tàu LASH Trong trình tìm hiểu nghiên cứu tác giả có nhiều thuận lợi tạo điều kiện thuận lợi trang thiết bị điều kiện làm việc Được cung cấp nhiều tài liệu nghiên cứu hữu ích trình triển khai thử nghiệm Tôi chân thành cảm ơn PGS.TS Bùi Quốc Khánh TS Đặng Xuân Hoài người có kinh nghiệm làm việc thực tế lâu năm lĩnh vực công nghiệp tàu thủy với kiến thức chuyên sâu dẫn nhiệt tình cho trình thực luận văn Tôi gửi lời cảm ơn đến đồng nghiệp góp ý, hỗ trợ suốt thời gian qua Hà Nội, ngày tháng năm 2010 Học viên Lê Toàn Thắng CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG CÂN BẰNG TÀU VÀ CÁC PHƯƠNG TIỆN NỔI 1.1 Tình hình khai thác tàu phương tiện giới Ngày mà việc khai thác không gian đất liền bị thu hẹp áp lực tăng dân số vấn đề môi trường Một số nước phát triển giới Nhật bản, Hà Lan, Singapo tìm cách để khai thác mở rộng lãnh thổ biển Các nước đề xuất xây dựng biển cấu trúc lớn VLFS/VLFF (Very Large Floating Structures/ Flatforms) Các cấu trúc khơi bố trí cạnh bờ khơi xa bờ, kể đến số kết cấu loại như: Sân bay The Mega-Float Vịnh Tokyo, Nhật bản; Cầu Yumemai Osaka, Nhật Ngoài có cầu tàu, đê chắn song, hay kho chứa FSO (Floating Storage and Offloading vessels), trạm lượng sức gió mặt trời, cho mục đích quân sự, mặt khu công nghiệp, trạm cấp cứu, thiết bị giải trí, công viên giải trí, cấu trúc xa bờ di động, chí dùng làm nơi cư trú Các cấu trúc VLFF thường chia thành hai loại: Kiểu phao (Pontong) có cấu trúc đơn giản, phẳng, có tính ổn định cao, giá thành chế tạo thấp, dễ bảo trì, sửa chữa Tuy nhiên cần phải chủ trọng đến vấn đề đề biến dạng kiểu co giãn (elatics) đổi với khối vật rắn không chụi biến động lớn sóng gió thích hợp đặt gần bờ Trong kiểu nửa chìm (semisubmersible) sử dụng kết cấu khơi sóng to, gió lớn Cấu trúc thường sử dụng cho mục đích khai thác dầu khí nhiều mục đích khác Chúng cố định cột kiểu ống, đóng cừ hệ gia cường điều khiển cân (ngang) hệ thống điều khiển dằn kiểu ballast (điều khiển mức chất lỏng két) Trong lĩnh vực khai thác vận chuyển đường thủy, đặc biệt lĩnh vực khai thác dầu mỏ khơi độ cách xa bờ, vấn đề lưu giữ trung chuyển sản phẩm dầu mỏ toán phức tạp liên quan đến tính an toàn kinh tế Sản phẩm vừa khai thác chuyển vào đất liền vận chuyển đến nhà máy chế biến khối lượng thường không đủ lớn để vận hành hệ thống trung chuyển trực tiếp Thông thường, sản phẩm vừa khai thác tạm thời lưu giữ kho chứa FSO, trạm nổi, chứa hàng triệu mét khối sản phẩm dầu mỏ Sau khoảng thời gian, sản phẩm kho chứa đủ mức đáp ứng toán kinh tế kỹ thuật vấn đề trung chuyển, chẳng hạn đủ dầu cho vài chuyến tàu chở dầu lấy hàng Có thể nói, kho kho có sức chứa lớn, thay kho đất liền đặc thù điều kiện môi trường hoạt động Do phải hoạt động điều kiện mang tính đặc thù môi trường nước (đặc trưng hệ thống có tính co giãn đàn hồi kiểu elasatic), bị ảnh hưởng nhiều yếu tố môi trường khắc nghiệt sóng gió, dòng chảy, chế độ làm việc tình trạng tải trọng , nên việc điều hành hoạt động kho nổi, phương tiện phức tạp trạm, kho đất liền Các công trình nghiên cứu rằng, kho hầu hết phương tiện đối tượng mà động học phức tạp, có đến bậc tự do, có chu kỳ giao động riêng, hoạt động dựa nguyên lý sức nên vấn đề điều chỉnh trình động học, đặc biệt trình cân ngang (tức giữ cho phương tiện thẳng đứng mặt phẳng nước) đặt nhằm đảm bảo cho phương tiện hoạt động cách tối ưu, an toàn cho phương tiện, thiết bị người Đối với phương tiện tự hành, việc cân nhằm nâng cao hiệu hoạt động máy lái, hiệu hoạt động chân vịt, giảm rung hệ động lực chân vịt, máy chính, giảm ứng suất nguy hiểm chênh lệch áp suất bề mặt diện tích vỏ phần thể tích lượng chiếm nước Về nguyên tắc, bánh lái chân vịt hoạt động có hiệu ngập hẳn nước (tạo được mô men lái lực đẩy chân vịt lớn) Nếu tàu bị chúi mũi chân vịt hở, tốc độ tàu bị giảm nhiều máy hoàn toàn bị tốc độ nhẹ tải biên độ rung tăng lên lớn nguy hiểm Khi tàu bị nghiêng mạn, tính điều khiển tàu bị giảm, trường hợp bánh lái hệ trục chân vịt phân bố đối xứng theo sống tàu Trong trường hợp này, mô men lái lực đẩy chân vịt có độ chênh lệch lớn bên, khó giữ hướng chuyển động tàu theo hành trình Trong số trường hợp, nghiêng mạn nguyên nhân xô lệch trôi, dồn tải trọng nguy hiểm tàu chở công ten nơ Chính loại tàu này, thường yêu cầu trang bị két đặc biệt chống lắc (tank anti-roll) hệ thống tự động điều chỉnh theo độ nghiêng lệch (Auto hell) Các két chống lắc tạo đối trọng phù hợp theo trạng thái nghiêng lệch để vừa tạo cân vừa chống lắc cho phương tiện Ngoài két chống lắc kiểu anti-roll, tàu trang bị thêm két mũi (thậm chí phía đuôi) để điều chỉnh độ lệch dọc tàu theo mớn nước mũi đuôi (trim) Trong trường hợp hệ thống điều khiển cân có thêm chức điều chỉnh độ lệch dọc (Auto hell and trim control) Các két anti–roll két dùng để hiệu chỉnh lệch dọc (trim) két có dung tích lớn so với két ballast (két dằn) thông thường Mỗi két chứa hàng trăm, chí hàng nghìn mét khối nước bên nên tác động kiểu đối trọng chúng hiệu Tuy vậy, thể tích nước két khống chế khoảng từ 10-90% thể tích, bảo đảm dự trữ sức trường hợp phải thao tác dịch chuyển lượng nước bên Đối với phương tiện thụ động (không trang bị hệ động lực đẩy chính), việc cân điều kiện tất yếu đảm bảo tính phương tiện, chẳng hạn âu nổi, sân bay nổi, cầu nổi, khách sạn phải trạng thái cân trình hoạt động Các công trình nghiên cứu kết cấu nổi, điển rằng, nhiều phương tiện hoạt động phải có tính cân sức cách mềm mại (smooth) điều kiện thời tiết, thuỷ triều lên xuống, chất tải lên dỡ bớt tải khỏi phương tiện Trong trình khai thác hệ thống cầu tàu cho tàu chở ô tô hoạt động Ujina Nhật bản, Vancouver Canada, người ta thấy rằng, cầu tàu phải bảo đảm điều chỉnh sức để tạo đươc độ cân ngang độ dốc hợp lý hai đầu cầu (giữa cảng cầu, cầu tàu) để ô tô dễ lên, xuống thuỷ triều thay đổi mớm nước tàu thay đổi lượng ô tô tàu liên tục thay đổi Nguyên tắc tuân thủ nghiêm ngặt dịch chuyển kết cấu siêu trường, siêu trọng từ cảng xuống phương tiện ngược lại Trong trường hợp này, độ phẳng ngang mặt phẳng bến cảng mặt phẳng phương tiện tính toán điều chỉnh mức tốt (bằng cách điều chỉnh sức phương tiện thông qua lượng nước két dằn) Với phương tiện cỡ lớn dạng kho chứa dùng để chuyên chở, chứa xuất dầu thô dạng lỏng, yêu cầu đặt phải đo đựợc lượng dầu khoang chứa, xác tốt để bảo đảm việc nhận xuất dầu thô cách xác mà tránh tượng xuất ứng suất nguy hiểm lên thành vỏ phương tiện không kiểm soát áp suất khoang chứa Lý mức dầu khoang két phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, trạng thái đông đặc nhiệt độ xuống thấp, trạng thái lỏng hâm nóng phận hâm dầu Khi hâm nóng, thể tích dầu tăng lên, làm tăng áp suất khoang chứa, đông đặc thể tích dầu giảm, khoang chứa xuất áp suất kiểu chân không Áp suất luôn tính toán theo mức dầu, nhiệt độ, hệ số giãn nở nhiều yếu tố vật lý khác liên quan đến loại dầu lỏng khoang chứa Các kết nghiên cứu rằng, yếu tố quan trọng để kiểm soát áp suất khoang két phải đo xác mức dầu 83 Các ký hiệu luật vừa mô tả phù hợp với lý thuyết điều khiển mờ phù hợp với kiến trúc điều khiển mờ tích hợp phần cứng PLC lựa chọn Qui ước, ta nói lệch phía (theo trạng thái) 84 ngầm hiểu ta đo góc lệch mà tàu bị nghiêng lệch giá trị đo tương ứng qui ước theo biến ngữ, âm tàu chúi xuống dương theo chiều ngược lại phía nhô cao Việc xét trạng thái khoang két, nhóm bơm, van hiểu xét phân vùng phía đo trước, phía ngược lại xét sau Cụ thể, ký hiệu luật mờ (và số ký hiệu sử dụng sau) có ý nghĩa: - Ký hiệu góc nghiêng ϕ(s) để trạng thái nghiêng lệch theo mạn (heel), góc nghiêng ϕ(f ) để trạng thái nghiêng lệch theo chiều dọc tàu (trim) ký hiệu ϕcp góc nghiêng cho phép lệch dọc lẫn lệch ngang - Ký hiệu P (.), S(.), AF(.), FW(.) ký hiệu vị trí qui ước hướng lệch tàu, tương ứng với vị trí lệch phía mạn trái, lệch phía mạn phải, lệch phía phía sau (đuôi tàu), lệch phía phía trước (mủi tàu) - Các biến bên ngoặc đơn: PL, PM, PS, ZO, NS, NM, NL ký hiệu biến ngôn ngữ tập mờ (cho góc nghiêng) với nghĩa tương ứng dương lớn, dương trung bình, dương bé, zêro, âm bé, âm trung bình, âm lớn Ví dụ ký hiệu P (NL) ngụ ý lệch phía mạn trái âm lớn (chúi xuống lớn) - Ký hiệu V1(P)÷V9(P) V1(S)÷V9(S) van cấp xả nước vào vào khoang tương ứng mạn trái (P) mạn phải (S), thể vẽ Ký hiệu V0 van khoang dằn mủi tàu, HK(P) HK(S) trạng thái hút khô phía trái phía phải Ngoài ra, ký hiệu V1(P)÷V9(P); V1(S)÷V9(S); K0 ngụ ý van gắn với khoang két tương ứng K1(P)÷K9(P); K1(S)÷K9(S); K0 Như vậy, tính 1) nghiêng phải mô tả lời: Nếu tàu nghiêng trái dương lớn nghiêng phải âm lớn không chúi mủi không chúi đuôi (mở van trái từ 1÷9 cho nước vào khoang tương ứng van dằn trái mở van hút khô trái đóng) (mở van phải từ 1÷9 để xả bớt nước khỏi khoang tương ứng van hút khô phải mở van dằn phải đóng lại) (tùy trạng thái mức khoang két nhóm tương ứng) Các tình khác tượng nghiêng phải (và tất tình cho trạng thái nghiêng lại) mô tả tương tự Trong Hình 3.18, khối “ KIỂM TRA MỨC KÉT TRONG NHÓM” định trực tiếp điều kiện để xử lý tác động đầu Y1 , Y2, nói cách ngắn gọn mức nước khoang két vùng lựa chọn (cả phía bên chúi xuống bên kênh lên) mà vơi nên bơm nước vào (trạng thái dằn), đầy nên tháo 85 nước (trạng thái hút khô) ưu tiên hàng đầu tác động hút khô bị chúi xuống, tác động dằn kênh lên Một điều lưu ý mức cho phép điều chỉnh cần thiết khoang két dằn nằm khoảng từ 10% đến 90% chiều cao cho phép cột chất lỏng két (điểm thấp điểm cao nhất), 10% dằn, 90% hút khô Ngoài ra, kết cấu hệ ống dằn hút khô (xem vẽ thiết kế KC.03.09 / 06 − 10 tờ số 1) bố trí đối 704 − 01 xứng theo trục dọc tàu hệ hút khô dằn mổi thời điểm nên nhóm khoang két lựa chọn, thao tác hút không dằn dằn mà không hút khô Như vậy, nghiêng lệch theo mạn, nhóm khoang két phía đo phía đối diện thao tác kiểu nhóm hút, nhóm dằn ngược lại (thậm chí có thề đồng thời hút, dằn) chúi mũi hoặc, kênh mũi hệ thống hút hút khô dằn phải đưa trạng thái thống cho hai bên mạn Như vậy, mô tả thuật toán trạng thái khoang két (đã chọn theo trạng thái nghiêng lệch sau) Mô tả thuật toán cho khối: “KIỂM TRA MỨC KÉT TRONG NHÓM” Bước 1: Từ kết đo chiều cao tất khoang két trạng thái nghiêng lệch theo mạn (heel) ϕ(s), nghiêng theo chiều dọc (trim) ϕ(f ), xác định: + Kiểm tra trạng thái đo ϕ(s) ϕ(f ) Nếu ϕ(s) ≤ ϕcp ϕ(f ) ≤ ϕcp thực bước Nếu ϕ(s) > ϕcp ϕ(f ) ≤ ϕcp thực bước Nếu ϕ(s) ≤ ϕcp ϕ(f ) > ϕcp thực bước Nếu ϕ(s) > ϕcp ϕ(f ) > ϕcp , tạm thời ngừng xử lý lệch dọc, đặt ϕ(f ) = thực bước Bước 2: Kiểm tra trạng thái đo ϕ(s) > ϕcp ϕ(f ) < ϕcp , (ngừng trình đo xử lý độ lệch dọc) + Tàu cân dọc nghiêng mạn trạng thái chúi xuống ϕ(s) < − ϕcp Hút khô khoang đầy phía đo dằn khoang vơi phía ngược lại 86 +Tàu cân dọc nghiêng mạn trạng kênh lên ϕ(s) > ϕcp Dằn khoang vơi phía đo hút khô khoang đầy phía ngược lai + Kiểm tra điều kiện ϕ(s) ≤ ϕcp , thoả mãn thực bước tiếp theo, không thoả mãn lặp lại từ đầu trình bước Khôi phục kiểm tra trạng thái đo lệch dọc, ϕ(f ) ≤ ϕcp thực bước 4, không thoả mãn thực bước Bước 3: Kiểm tra trạng thái đo ϕ(s) < ϕcp ϕ(f ) > ϕcp , (ngừng trình đo xử lý độ lệch ngang, đưa tất bơm trạng thái hút khô trạng thái dằn) + Tàu cân ngang chúi mũi ϕ(f ) < − ϕcp Hút khô các khoang đầy phía đo mũi (nếu tất bơm trạng thái hút khô) dằn khoang vơi phía ngược lại (nếu tất bơm trạng thái dằn) + Tàu cân ngang kênh lên phía mủi ϕ(f ) > ϕcp Dằn khoang vơi phía đo mủi (nếu tất bơm trạng thái dằn) hút khô khoang đầy phía ngược lại (nếu tất bơm trạng thái hút khô) + Kiểm tra điều kiện ϕ(f ) ≤ ϕcp , thỏa mãn thực bước tiếp theo, không thỏa mãn lặp lại từ đầu trình bước Khôi phục kiểm tra trạng thái đo lệch ngang, ϕ(s) ≤ ϕcp thực bước 4, không thoả mãn quay bước Bước 4: Kết thúc trình xử lý Như vậy, thuật toán trình xử lý độ nghiêng lệch, đưa phương tiện trở trạng thái cân được thiết lập mô tả phần Các thuật toán lập trình phần mềm CX-ONE hãng OMRON, nạp vào phần cứng lựa chọn Toàn phần mềm in đĩa kèm theo phần phụ lục 87 3.2.4.2 Xây dựng chức giám sát hệ thống Phần trình bày giao diện vận hành giám sát hệ thống HMI Các giao diện thiết kế phần mềm CX-Designer gói phần mềm CXOne hãng OMRON a Giao diện vận hành giám sát Màn hình giao diện gồm phần sau: Phần hiển thị độ nghiêng chế độ vận hành: Người vận hành nhìn thấy rõ hình hiển thị độ nghiêng tàu (nghiêng ngang tàu nghiêng dọc tàu) Phần hiển thị trạng thái thao tác vận hành: Gồm trạng thái van bơm nằm nửa hình Hình 3.19 Giao diện vận hành giám sát hệ thống b Giao diện vận hành bơm Ballast Để vận hành bơm Ta nhấn vào hình biểu tượng bơm hình vận hành Sau Bật/Tắt bơm van để chuyển chế độ hoạt động Bơm dằn Hút khô cho hệ thống cung cấp nước cân tàu 88 Chế độ “Hút khô” Chế độ “Bơm dằn” Hình 3.20 Giao diện vận hành bơm Ballast b Giao diện vận hành van giám sát mức nước khoang két Để vận hành van Ta nhấn vào biểu tượng van hình vận hành Sau ấn nút ấn Đóng/Mở van theo yêu cầu (Ở chế độ vận hành tay) Còn việc giám sát mức nước két dằn Muốn quan sát mức nước két dằn Ta ấn vào khoang tương ứng mức nước két dằn để quan sát Nếu vượt qua mức giới hạn 10% 90% có cảnh báo mức nước thấp cao Vận hành van Giám sát mức nước khoang két Hình 3.21 Giao diện vận hành van giám sát mức nước khoang két Kết luận: Trong phần 3.2 đề cập đến vấn đề liên quan đến trình xem xét thiết kế xây đựng hệ thống tự động cân cho phương tiện kho nói chung cho tàu Lash nói riêng theo phương pháp dằn (kiểu ballast) Việc thiết 89 kế hệ thống điều khiển cân kiểu dằn cho tàu Lash phân tích sâu bao gồm từ giải pháp thiết kế, chọn cấu trúc phần cứng (trên hệ PLC), việc thiết kế phần mềm chức giao diện giám sát điều khiển v.v Các vấn đề điều khiển mờ, cấu trúc điều khiển mờ phần cứng lựa chọn thuật toán điều khiển mô tả chi tiết Các kết phần này thực tảng cho việc triển khai lắp đặt thử nghiệm hệ thống cân tàu Lash, trình bày phần 3.3 Kết đánh giá việc thử nghiệm hệ thống cân tàu 3.3.1 Quá trình tiến hành thử nghiệm 3.3.1.1 Tiến hành thử nghiệm mô hình xưởng thí nghiệm Hình 3.22 Cấu trúc hệ thống thử nghiệm Trên sở lựa chọn cấu hình hệ PLC Lập trình phần mềm điều khiển giám sát Trước đưa hệ thổng lắp đặt thử nghiệm tàu LASH mẹ Các tính hệ thống kiểm nghiệm phòng nghiên cứu qua mô hình tàu LASH (Xem hình 3.22) gần giống với tàu LASH thật bao gồm : * Hệ thống mô tả bơm van với đèn báo trạng thái * Hệ thống giả lập mô tả mức nước khoang két * Cơ cấu đo độ nghiêng cấu lắp tàu thật 90 Hình 3.23 Mô hình tàu LASH thử nghiệm Các hạng mục kiểm tra phòng thí nghiệm : - Kiểm tra tính thiết bị đo độ nghiêng - Kiểm tra tính giám sát (quá trình đo độ nghiêng, mức nước khoang két, giám sát hoạt động hệ thống ống, bơm, van) hình HMI - Kiểm tra tính điều khiển, chế độ hoạt động (chế độ tay, chế độ tự động ) Các kết thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động chức thiết kế, thỏa mãn điều kiện lắp đặt tàu thử nghiệm sẵn sàng cho lắp đặt thử nghiệm tàu LASH mẹ 3.3.1.2 Tiến hành thử nghiệm tàu LASH sông Sài Gòn Sau chạy thử thành công mô hình Nhóm thực đề tài liên hệ phối hợp với công ty vận tải viễn dương Vinalines đơn vị trực tiếp quản lý tàu LASH, vận chuyển toàn thiết bị cáp từ Hà nội vào Sài Gòn để lắp đặt thử nghiệm tàu LASH sông Sài Gòn 91 Hình 3.24 Tàu LASH sông Sài Gòn – Đối tượng để thử nghiệm 3.3.2 Kết thử nghiệm đánh giá 3.3.2.1 Kết thử nghiệm Hình 3.25 Kết thử nghiệm tàu LASH lúc 01:00 PM ngày 17/03/2010 Chúi đuôi tác động mở van: CBD.P1, No1.P, No2.P CBD.S1, No1.S, No2.S 92 Hình 3.26 Kết thử nghiệm tàu LASH lúc 02:06 PM ngày 17/03/2010 Nghiêng phải chúi mũi, mở van: No3.P, No4.P, No5.P, No6.P, CBD.P2, LAI.P Hình 3.27 Kết thử nghiệm tàu LASH lúc 03:32 PM ngày 17/03/2010 Nghiêng phải chúi đuôi, tác động mở van: CBD.P1, No1.P, No2.P 93 Hình 3.28 Kết thử nghiệm tàu LASH lúc 04:48 PM ngày 17/03/2010 Trạng thái cân dọc ngang: Đóng tất van 3.3.2.2 Đánh giá kết thử nghiệm Qua kết thử nghiệm mô hình trình thử nghiệm thực tế tàu LASH cho thấy Các tính hệ thống hoạt động thiết kế, tin cậy đạt tiêu chí đề Tuy nhiên công suất hệ ống, công suất lưu lượng bơm van chưa đủ lớn nên thời gian đáp ứng hệ thống chậm, theo thiết kế hệ thống tự động thể khả hoạt động cách linh hoạt, thao tác nhanh theo nhóm bơm van Nếu có phối hợp chặt chẽ khâu thiết kế từ ban đầu, hệ thống hoàn toàn mang lại kết điều chỉnh với chất lượng tốt linh hoạt 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Việc cân cho tàu thuyền phương tiện nhu cầu cấp thiết giải toán không đơn giản công cụ lý thuyết điều khiển truyền thống thong thường phải đối mặt với vấn đề phức tạp có liên quan đến động học sức đối tượng Chính tác giả đề xuất đề tài này, nhằm nghiên cứu theo hướng xây dựng hệ thống tự động cân tàu kho nổi, phương tiện hoạt động theo phương thức kiểu dằn Ballast (Auto heel and trim control system) sở áp dụng thuật toán điều khiển thông minh đáp ứng việc xử lý điều kiện phức tạp, thông tin động học đối tượng bị hạn chế Việc nghiên cứu áp dụng thuật toán điều khiển thông minh, đặc biệt ứng dụng công cụ điều khiển mờ FLC (cả lý thuyết lẫn thực tế) kết đề tài Khả ưu việt mà công cụ mang lại áp dụng vào toán cân tàu phương tiện đáng quan tâm vấn đề mang tính thời kể nước quốc tế Kiến nghị Có thể nói kết nghiên cứu đề tài số nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển phức tạp lĩnh vực tàu thủy, đối tượng Việc tiếp cận trực tiếp vào kĩ thuật tiên tiến lĩnh vực thủy động học, lĩnh vực điều khiển tin học, tự động hóa, đo lường điều khiển trình độ tiên tiến giới tạo sản phẩm có chất lượng cao, có khả triển khai nhanh để ứng dụng vào thực tế Tuy nhiên để việc triển khai ứng dụng sản phẩm công nghệ cao đề tài vào thực tế cách có hiệu quả, nhóm thực đề tài có kiến nghị: Cần có quan tâm hỗ trợ để tiếp tục hoàn thiện công nghệ cho sản phẩm Thực tế trình nghiên cứu hệ thống, thiết bị phục vụ giải toán phương tiện khởi xường nhiều năm trải qua nhiều hệ trang thiết bị mức độ khác Tuy nhiên bước phát triển loại hệ thống thường phải đến mười chí vài chục năm ngành công nghiệp đóng tàu giới rât tốn để đầu tư nghiên cứu lĩnh vực 95 Chúng ta sau, tiếp cận công nghệ tiên tiến lĩnh vực điều khiển, chưa thể có bề dày kinh nghiệm lĩnh vực chế tạo trang thiết bị tàu thủy, có yêu cầu chất lượng, độ tin cậy tính chuyên nghiệp yêu cầu khác ngặt nghèo Đây vấn đề mà cần phải có thời gian, kinh phí, nguồn lực để hoàn thiện sản phẩm Trên sở kết đạt, xét khả chiến lược lâu dài, kiến nghị nên có nghiên cứu tiếp sâu hơn, đặc biệt liên quan đến vấn đề công nghệ chế tạo phần tử, thiết bị (quan trọng) nước có khả thay phần tử nhập ngoại sử dụng sản phẩm đề tài 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tristan Perez (2005), Ship Motion Control – Course Keeping and Roll Stabilisation Using Rudder and Fins, Springer, Verlag London Limited Curt Baragar, Kyle Miller, (2004), Using Dynamic Ballast for Ship Stability, Micheal Olson, pp 1-10 Bennett S (1991), Ship Stabilization History – Concise Encyclopedia of traffic and Transportation Systems, Pergamon Press, pp 454-459 Hsueh, W.J (1996), Stabilization of Ship Roll by Intelligent Active Fins, Naval Architects Burgess K.L., Passino K.M (1995), Stability Analysis of Loading Balancing Systems, Int Journal of Control, pp 357-393 J Bell and P Walker (1996), Activated and passive controlled fluid tank system for ship stabilization, Transactions of Society of Naval Architects and marine Engineers, pp 74-79 Thomas W Treakle (1998), A Time-Domain Numerical Study of Passive and Active Anti-Roll Tank to Reduce Ship Motion, Blacksburg VA, pp 1-72 William N France, Thomas W Treakle (2001), An Investigation of Head-Sea Parametric Rolling and Its Influence on Container Lashing Systems, SNAME Annual Meeting 2001 Presentation, pp 1-24 E.F Camacho and C Bordons, Model Predictive Control, Springer, pp 23-37 10 L.X Wang (1995), Analysis and design of fuzzy identifiers of nonlinear dynamic systems, IEEE Trans On Automatic Control 40, pp 11-23 11 Shyh-Leh Chen and Wei-Chih Hsu (2003), Fuzzy sliding model control for ship roll stabilization, Asian Journal of Control, Vol 5, No 2, pp 187-194 12 Nguyễn Thái Bình, Đặng Xuân Hoài (2008), Hệ thống điều khiển cân tàu LASH, Tập đoàn công nghiệp tàu thủy Việt Nam 97 ... kế hệ thống điều khiển cân cho tàu Lash mẹ 61 3.2.2 Cấu trúc hệ thống cấu chấp hành cảm biến 62 3.2.3 Cấu trúc phần cứng hệ PLC điều khiển cân tàu LASH 65 3.2.4 Xây dựng phần mềm điều. .. minh để chế tạo hệ thống điều khiển tàu , hệ thống điều khiển truyền động điện ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn, chế tạo số phần tử thiết bị điều khiển, đo lường quan trọng tàu thuỷ phương... động học tàu thủy, thuật toán phương pháp toán cân tàu Chương : Xây dựng thử nghiệm hệ thống điều khiển cân cho tàu LASH Trong trình tìm hiểu nghiên cứu tác giả có nhiều thuận lợi tạo điều kiện