Bài viết trình bày mô hình hóa cấu trúc bộ điều khiển phối hợp các chân vịt của thiết bị định vị tự động dựa trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học đã được công bố thuộc lĩnh vực điều khiển phương tiện biển tự hành và hệ thống định vị tự động.
116 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 60, Kỳ (2019) 116 - 122 Mô hình hố cấu trúc điều khiển phối hợp chân vịt hệ thống định vị tự động ngơn ngữ mơ hình hố hợp thời gian thực Hybrid Automata Nguyễn Sơn Tùng 1,*, Nguyễn Thanh Tuấn2, Đặng Quang Hưng3 Khoa Cơ -Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam 2Khoa Dầu khí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam Khoa Mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 25/11/2018 Chấp nhận 26/01/2019 Đăng online 28/02/2019 Hệ thống định vị tự động (Dynamic Positioning System) dành cho phương tiện biển nghiên cứu, phát triển từ kỷ XX cơng nghệ nhanh chóng áp dụng tàu khoan thăm dò, khai thác dầu khí vùng nước sâu Trong bối cảnh sản lượng dầu khí vùng mỏ truyền thống Bạch Hổ, Nam Rồng - Đồi Mồi, Nam Cơn Sơn có xu hướng suy giảm Để đáp ứng nhu cầu lượng nay, cơng ty, xí nghiệp khai thác dầu khí Việt Nam cần phải vươn mỏ tiềm vùng nước sâu Do đó, việc nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống định vị tự động tàu khoan giàn khoan đóng vai trò thiết yếu doanh nghiệp dầu khí Bài báo trình bày mơ hình hố cấu trúc điều khiển phối hợp chân vịt thiết bị định vị tự động dựa sở kết nghiên cứu nhà khoa học công bố thuộc lĩnh vực điều khiển phương tiện biển tự hành hệ thống định vị tự động Trên sở đó, báo đề xuất sử dụng ngơn ngữ mơ hình hố hợp thời gian thực Hybrid Automata q trình phân tích, đặc tả mơ hình hố hệ thống Kết nghiên cứu sở để thiết kế điều khiển hệ thống định vị tự động dành cho tàu khoan Từ khóa: Hệ thống định vị tự động DPS Chân vịt bầu xoay Khoan vùng nước sâu © 2019 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu 1.1 Giới thiệu Với đặc thù hoạt động vùng biển rộng lớn, ngày phương tiện biển sử dụng hệ thống dẫn đường định vị tự động thay _ *Tác giả liên hệ E - mail: nguyensontung@humg.edu.vn quan sát, phán đoán thuỷ thủ giàu kinh nghiệm Đặc biệt, với yêu cầu điều khiển phương tiện biển bám theo lộ trình thiết kế trước trì vị trí cố định mặt nước điều kiện sóng, gió dòng hải lưu hoạt động mạnh mẽ Cơng nghệ nghiên cứu đưa vào áp dụng phương tiện phục vụ thăm dò, khai thác dầu khí ngồi khơi tàu khoan, giàn khoan nổi, tàu rải ống ngầm, tàu rải cáp ngầm, tàu thăm dò địa chấn, tàu dịch vụ Nguyễn Sơn Tùng nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 116 - 122 Ở vùng nước nông, tàu khoan, giàn khoan bán chìm, kho chứa (cơng trình nổi) sử dụng cáp neo để định vị Tuy nhiên, phương pháp có nhược điểm tốn nhiều thời gian cho việc định vị thay đổi hướng cần thiết Ở vùng nước sâu, phương pháp trở lên hiệu biến dạng đàn hồi dây cáp neo dẫn tới cơng trình có dịch chuyển khơng mong muốn, dịch chuyển gây ứng suất dư có hại tác động lên cột ống chống, ống cách nước, cần khoan, ống nối Ngoài ra, việc neo đặt làm giảm tính linh động tàu khoan Ví dụ: tàu khoan khó di chuyển để tránh bão thời tiết xấu việc neo đặt trở lại gây tốn thời gian chi phí Như vậy, để đảm bảo hiệu khoan vùng nước sâu cần sử dụng công nghệ định vị tự động Hệ thống định vị tự động ngày trang bị chân vịt bao gồm chân vịt ống đạo lưu (tunnel thruster), chân vị bầu xoay (azimuth thruster) chân vịt thông thường Các chân vịt hoạt động phối hợp với nhằm giữ cố định vị trí tàu khoan, đồng thời hệ thống có chức điều khiển tàu khoan di chuyển tới vị trí tới cứ/cảng cách an tồn, nhanh chóng Hiện nay, điều khiển chương trình điều khiển hệ thống định vị tự động thường thiết kế theo nguyên lý hộp đen, cụm chức đóng gói mơ đun hố Việc cho phép nhà thiết kế dễ dàng nâng cấp hệ thống tuỳ biến hệ thống cách dễ dàng Tuy nhiên, điều lại khiến người sử dụng bị động, phụ thuộc vào công nghệ nhà cung cấp 1.2 Hệ thống định vị tự động chân vịt bầu xoay 1.2.1 Hệ thống định vị tự động Trên giới, hệ thống định vị tự động nghiên cứu áp dụng cho tàu biển vào kỉ XX Đặc biệt, hệ thống phát trển, ứng dụng tàu khoan hoạt động lĩnh vực thăm dò khai thác dầu khí ngồi khơi từ năm 60 70 kỉ XX Năm 1961, hệ thống định vị thô sơ bao gồm hệ thống điều khiển tương tự số (analogue control system) kết hợp với dây căng trang bị cho tàu khoan Vị trí tương đối tàu khoan miệng giếng khoan tính tốn thơng qua góc lệch dây căng Sau 10 năm, năm 1971, hệ thống định 117 vị tự động đại áp dụng tàu khoan thăm dò dầu khí vùng nước sâu Tới năm 1985 với phát triển ứng dụng định vị tồn cầu thơng qua vệ tinh Mỹ nghiên cứu, phát triển áp dụng cho lĩnh vực dân (ban đầu sử dụng cho mục đích quân Mỹ) tạo điều kiện thuận lợi vận hành hệ thống định vị tự động mở rộng phạm vi hoạt động tàu khoan vùng nước sâu, phương tiện biển, cơng trình phục vụ thăm dò, khai thác dầu khí ngồi khơi nói chung Trên website http://www.ge.com, Tomas Kellner giới thiệu tàu khoan khai thác dầu khí hoạt động khu vực Vịnh Walvis, Namibia trang bị hệ thống định vị tự động bao gồm điều khiển (phần cứng phần mềm) chân vịt bầu xoay Trong khoan, tàu giữ vị trí với sai số phạm vi bán kính m (15 ft) tác dụng tải trọng dòng chảy, sóng gió điều kiện có bão (Hình 1) Hình giới thiệu sơ đồ bố trí chân vịt số loại phương tiện biển/giàn khoan sử dụng khai thác dầu khí ngồi khơi (Chas and Ferreiro, 2008) Với tàu dịch vụ, việc cung cấp trao đổi hàng hoá, vật tư với giàn khoan, tàu khoan, tàu chứa… thực cần trục Do đó, yêu cầu đảm bảo giữ cố định khoảng cách hướng tàu so với cơng trình yếu tố hàng đầu để đảm bảo việc vận chuyển hàng hố an tồn Các chân vịt hệ thống định vị tự động dành cho tàu dịch vụ (Hình 2.a) bao gồm: hai chân vịt ống đạo lưu bố trí phía trước tàu, chân vịt thường gắn cố định hướng sinh lực đẩy ngang từ mạn tàu bên sang mạn tàu bên kia, chân vịt bầu xoay đặt thân tàu hai chân vịt bầu xoay cuối tàu (có thể sử dụng chân vịt biến bước) Hai chân vịt bầu xoay cuối tàu dùng để tạo lực đẩy lái tàu di chuyển Tàu rải ống cáp ngầm (Hình 2.b) có đặc điểm di chuyển chậm theo quỹ đạo xác định để rải cáp ngầm vừa yêu cầu trì vị trí cố định chuẩn bị ống vừa yêu cầu di chuyển chậm bám theo quỹ đạo định sẵn rải ống Các chân vịt tàu bố trí hình vẽ 2.b Giàn khoan bán chìm bị trơi dạt tác dụng gió lên phần kết cấu nổi, sóng dòng hải lưu tác dụng lên phần phao trụ đỡ bên Sử dụng chân vịt bầu xoay có khả xoay tròn 360o để thay đổi 118 Nguyễn Sơn Tùng nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 116 - 122 Hình Tàu khoan lắp chân vịt bầu xoay (Tomas Kellner, 2014) Hình Sơ đồ bố trí động đẩy/chân vịt hướng lực đẩy nhằm chống lại ngoại lực gây trôi dạt từ môi trường xung quanh 1.2.2 Chân vịt bầu xoay Chân vịt bầu xoay (Azimuth Thruster) thiết bị đẩy dành cho phương tiện biển Khác với chân vịt truyền thống, trục chân vịt bầu xoay không gắn cố định với vỏ tàu mà xoay đổi hướng Nhờ kết cấu hướng tác dụng lực đẩy thay đổi so với phương dọc trục cảu tàu Hướng trục chân vịt điều khiển động servo thông qua truyền bánh Với kết cấu việc lái chuyển hướng thực cách hiệu mà không cần tới bánh lái trường hợp tốc độ di chuyển tàu thấp (trường hợp định vị tàu khoan) việc sử dụng bánh lái khơng có tác dụng Hiện nay, nhà sản xuất cung cấp hai mẫu chân vịt bầu xoay phổ biến thị trường chân vịt bầu xoay dẫn động động diesel chân vịt bầu xoay dẫn động trực tiếp động điện (Hình 3, Hình 4) Nguyễn Sơn Tùng nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 116 - 122 Hình Chân vịt bầu xoay dẫn động khí (động đốt trong) 1.3 Ngơn ngữ mơ hình hố hợp thời gian thực Hybrid Automata Ngơn ngữ mơ hình hố hợp (unified modeling language) tiêu chuẩn hoá tổ chức Quản trị hướng đối tượng OMG (Object Management Group) ngơn ngữ đồ hoạ dùng để trực quan hố, đặc tả, xây dựng lập liệu cho ứng dụng phần mềm chuyên nghiệp (OMG, 2011) Ngôn ngữ mô hình hố hợp thời gian thực (Real-time unified modeling language) phát triển dựa ngơn ngữ mơ hình hố hợp (Lavagno et al., 2003) Ngơn ngữ mơ hình hố hợp thời gian thực dùng để đặc tả cấu trúc, ứng xử hệ thống điều khiển hệ thống thời gian thực hệ thống nhúng (Nguyen Son Tung, Ngo Van Hien, 2018) Ngôn ngữ mơ hình hố hợp thời gian thực bao gồm tất ký hiệu mơ hình hố ngơn ngữ mơ hình hố hợp nhất, ngồi đưa ký hiệu mơ hình hố: gói (Capsule), cổng giao thức nhằm mơ hình hố hệ thống điều khiển công nghiệp Hệ thống động lực lai công nghiệp (Hybrid dynamic system) hệ thống điều khiển có kể tới phần rời rạc, ứng xử liên tục mối liên hệ tác động thành phần Hơn nữa, hệ thống điều khiển có ứng xử khơng giống 119 Hình Chân vịt bầu xoay truyền động điện (động điện) thời điểm Hệ thống động lực lai công nghiệp mơ hình hố Hybrid Automata (Nguyễn Sơn Tùng nnk, 2018) Một Hybrid Automata định nghĩa (Hien et al., 2006) (1) H = Q, X , , A, Inv, F , q0 , x0 (1) Trong đó: Q - tổ hợp vị trí mơ tả chế độ hoạt động hệ thống; X - không gian trạng thái liên tục Hybrid Automata X ϵ Rn; Σ - tập hợp hữu hạn kiện; A - tập hợp chuyển đổi xác định ràng buộc bước nhảy; Inv - đại lượng bất biến dùng để theo dõi trạng thái liên tục phải trì (cụ thể vị trí q trạng thái liên tục phải xác định theo x = Inv(q)); F - hàm liên tục tổng thể (dòng liên tục) xác định theo vị trí hệ thống, tổng hợp phần tử liên tục hệ thống theo sơ đồ điều khiển xác định trước, tiến trình trạng thái liên tục xuất trạng thái làm việc, F thường biểu diễn bời hệ phương trình vi phân, hệ phương trình trạng thái hàm truyền đạt; q0 - trạng thái ban đầu; x0 - trạng thái ban đầu liên tục automate Mơ hình cấu trúc hệ thống định vị tự động dành cho tàu khoan 120 Nguyễn Sơn Tùng nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 116 - 122 Mơ hình cấu trúc hệ thống điều khiển cung cấp thông tin hữu ích, cần thiết cấu tạo, thành phần mối liên hệ thành phần hệ thống góc nhìn người vận hành, người thiết kế, người bảo trì Nói cách khác, mơ hình cấu trúc hệ thống cho biết phương thức hoạt động hệ thống cách tổng quát Cũng hệ thống điều khiển công nghiệp khác, hệ thống định vị tự động tàu khoan bao gồm phần cứng phần mềm Các phận phần cứng bao gồm động đẩy, hệ truyền động động phát lực, chân vịt cảm biến đo tốc độ động cơ, thiết bị định vị hướng tàu khoan, phần cứng vi xử lý, giao thức cổng nối Trong đó, chân vịt dẫn động động phận trực tiếp tạo lực đẩy cần thiết nhằm chống lại tác động không mong muốn từ mơi trường bên ngồi Phần mềm hệ thống bao gồm chương trình điều khiển, chương trình con, thuật tốn điều khiển Hình giới thiệu sơ đồ khối nguyên lý làm việc hệ thống định vị tự động sử dụng cơng nghệ định vị tồn cầu vi sai DGPS (Differential global postion system), chân vịt không biến bước dẫn động động điện Thiết bị định vị gồm thu phát sóng điện từ máy tính để đo khoảng cách từ tàu khoan (nơi để máy thu phát sóng) tới trạm tham chiếu đặt vị trí xác định rõ trái đất tới vệ tinh hệ thống định vị toàn cầu Thiết bị định vị có thời gian lấy mẫu theo chu kỳ giây gửi liệu vị trí tàu khoan cho điều khiển Ngồi ra, để tăng độ xác mang tính chất dự phòng, hệ thống trang bị thêm hệ thống thuỷ âm (transducer transponder) Bộ điều khiển máy tính chương trình phần mềm điều khiển Giải thuật tốn điều khiển sử dụng tích phân hồi tiếp Máy tính nhận tín hiệu điều khiển từ người vận hành (cài đặt tham số vị trí hướng) so sánh với liệu từ thiết bị định vị cung cấp, tín hiệu gửi từ cảm biến Sau đó, điều khiển so sánh sai khác trạng thái (vị trí) với trạng thái mong muốn phát tín hiệu điều khiển thay đổi tần số điện áp nguồn tới động dẫn động chân vịt điều khiển số vòng quay động servo điều khiển hướng trục chân vịt để triệt tiêu sai số Theo nghiên cứu phương tiện tự hành nước, hệ thống định vị tự động tàu khoan xem hệ thống động lực lai công nghiệp ứng xử hệ thống mơ hình hố hybrid automata Bởi vì, hệ thống có xét tới phần liên tục, phần rời rạc mối tác động qua lại chúng Chỉ có ứng xử liên tục thời điểm xác định hybrid automata Có đại lượng bất biến Inv để kiểm tra lại tiến trình dòng liên tục Fi Hybrid automata bắt nguồn từ automate nên mô hình ứng xử động hệ thống tương thích với mơ hình nhóm thiết bị loại nên Hình Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống định vị tự động Nguyễn Sơn Tùng nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 116 - 122 sử dụng chép số mơ đun có sẵn Với hệ thống định vị tàu khoan: Q xác định chế độ định vị tàu khoan chỗ, di chuyển tàu khoan tới vị trí khoan di chuyển tàu khoan dịch vụ, cảng neo đậu tránh bão, điều khiển hướng vận tốc di chuyển X mơ hình động lực học ba bậc tự tàu khoan, phương trình vi phân mơ tả động học động dẫn động Σ kiện lệnh định vị chỗ di chuyển tới vị trí khoan mới, di chuyển dịch vụ, cảng neo đậu tránh bão, sai lệch trạng thái thời trạng thái mong muốn A bước nhảy chuyển trạng thái F thành lập dựa theo sơ đồ khối chức Hình mơ tả cấu trúc hệ thống điều khiển phối hợp chân vịt (Thruster) mơ hình hố ngơn ngữ mơ hình hố hợp thời gian thực Hệ thống bao gồm điều khiển trung tâm (Thruster_HDS_Organizer) điều khiển phân nhánh động dẫn động chân vịt, bánh xoay hướng 121 (Thruster_Sub_HDS_Organizer), điều khiển trung tâm gồm điều khiển tổng thể chân vịt (Thruster_HDS_Controller) điều khiển dành riêng cho động dẫn động (Thruster_Sub_HDS_Controller), lớp chuyển đổi tín hiệu trao đổi thơng tin tổng thể (Thruster_HDS_Interpreter) lớp chuyển đổi, trao đổi thông tin từ động tới điều khển chung (Thruster_Sub_HDS_Interpreter) Như vậy, cấu trúc hệ thống mơ hình hố lớp/cấp, lớp/cấp điều khiển riêng biệt động dẫn động chân vịt Kết luận Qua nghiên cứu cho thấy hệ thống định vị tự động tàu khoan thuộc nhóm hệ động lực lai có cấu tạo ứng xử hệ thống phức tạp Việc sử dụng ngơn ngữ mơ hình hố hợp thời gian thực kết hợp với mô tả ứng xử hệ thống hybrid automata đạt kết bước đầu Hình Mơ hình cấu trúc điều khiển chân vịt hệ thống định vị tự động 122 Nguyễn Sơn Tùng nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 116 - 122 q trình phân tích, mơ hình hố, mô thiết kế điều khiển phối hợp chân vịt hệ thống định vị tự động Đồng thời, kết nghiên cứu góp phần giảm thiểu bị động, phụ thuộc vào công nghệ nhà cung cấp mua sắm tàu khoan, tàu dịch vụ, tàu rải ống… trang bị hệ thống định vị tự động phục vụ khai thác dầu khơi Ngô Văn Hiền, Hồ Tường Vinh, Soriano T., 2006 Using Model - Driven Architecture to Develop Industrial Control System IEEE - RIVF 2006, Vietnam Tài liệu tham khảo OMG, 2011 ULM Profile for MARTE: Modeling and Analysis of Real - Time Embedded Systems OMG Formal Version http://www.omg.org/spec/MARTE/ Chas, C S., and Ferreiro, R., 2008 Introduction to ship dynamic positioning systems Journal of Maritime Research (1) Lavagno, L., Martin, G., Selic, B., 2003 UML for Real: Design of Embedded Real - Time Systems Kluwer Academic Publisher Nguyen Son Tung, Ngo Van Hien, 2018 A Hierachical Implementation Model to Realize Cooperative Controllers of AUS - MAUVs Proceeding of ICFMAS 2018 Tomas, K., 2014 Keep Calm and Carry on: This Software Helps Hold Ships Steady in Heavy Seas, http://www.ge.com ABSTRACT Using the real - time unified modeling language and hybrid automata to model the controller of combining thrusters of dynamic positioning system Tung Son Nguyen 1,*, Tuan Thanh Nguyen 2, Hung Quang Dang 1Faculty of Elichtro-Mechanics, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam Faculty of Oil and Gas, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam Faculty of Mining, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam Dynamic positioning systems (DPS) and its applications were researched in 60s of the previous century In the world, oil and gas industry has a large number of this application In Vietnam, oil and gas industry was developped in the later half of the 20th century In 1981, the first oilwells were completed then they have been exploited for several decades So, the production trends to decrease in the traditional reservoirs such as Bach Ho, Nam Rong - Doi Moi and Nam Con Son etc To catch up with power requirement, the oil and gas enterprises must extend to deep water areas In deep water, it is believed that DPS plays an important role on drilling ships and other vessels used for oil exploration Based on the published research in ship manuevering and dynamic positioning, this paper shares the architecture model of controller of dynamic positioning system This paper also proposes to use real - time unified modeling language and hybrid automata for analysis, specification and modeling the dynamic positioning system This result can be used for developing a real dynamic positioning system carried out on drilling ship ... chức Hình mơ tả cấu trúc hệ thống điều khiển phối hợp chân vịt (Thruster) mơ hình hố ngơn ngữ mơ hình hố hợp thời gian thực Hệ thống bao gồm điều khiển trung tâm (Thruster_HDS_Organizer) điều khiển. .. hệ thống định vị tự động tàu khoan thuộc nhóm hệ động lực lai có cấu tạo ứng xử hệ thống phức tạp Việc sử dụng ngôn ngữ mô hình hố hợp thời gian thực kết hợp với mô tả ứng xử hệ thống hybrid automata. .. phát triển dựa ngôn ngữ mơ hình hố hợp (Lavagno et al., 2003) Ngơn ngữ mơ hình hố hợp thời gian thực dùng để đặc tả cấu trúc, ứng xử hệ thống điều khiển hệ thống thời gian thực hệ thống nhúng (Nguyen