Nghiên cứu, thiết kế panel điều khiển và giám sát đèn hành trình tàu thủy ứng dụng công nghệ số

Bài viết này trình bày một phương pháp mới trong thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát đèn hành trình tàu thủy. Trong đó, mỗi trung tâm xử lý và điều khiển là một hệ vi xử lý có tích hợp thuật toán phát hiện và báo động cháy tiên tiến.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ PANEL ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT ĐÈN HÀNH TRÌNH TÀU THỦY ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SỐ RESEARCH, DESIGN THE MONITORING AND CONTROL PANEL OF NAVIGATION LIGHT USING DIGITAL TECHNOLOGY Phạm Tâm Thành Trường Đại học Hàng hải Việt Nam phamtamthanh@vimaru.vn Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển giám sát đèn hành trình tàu thủy Trong đó, trung tâm xử lý điều khiển hệ vi xử lý có tích hợp thuật tốn phát báo động cháy tiên tiến Hệ thống giao diện người sử dụng hình cảm ứng HMI dễ dàng xem kiện, điều khiển, giám sát hiển thị trang hình đồ họa với menu giao diện vận hành thân thiện dễ dàng xác định thông tin trạng thái chiếu sáng buồng lái Từ khóa: Đèn hành trình, thiết kế, tàu thủy Chỉ số phân loại: 2.1 Abstract: This paper presents a new method of designing the monitoring and control panel of marine navigation light The centure control panel is a microprocessor based advanced detection and alarm system The operation interface panel use of a HMI screen for ease of viewing of events, controls, monitoring, and a graphical display for user-friendly menu and control operation as well as ease of identifying information status of light system being sent to the the brigde house Keyworks: Navigator light, design, marine vessel Classification number: 2.1 Giới thiệu Trước phát triển lớn mạnh ngành Cơng nghiệp đóng tàu giới, ngành cơng nghiệp đóng tàu nước dần hịa nhập tiến tới nội địa hóa phần sản phẩm lắp đặt cho tàu thủy Một lĩnh vực tiên phong trào lưu lĩnh vực điện tự động hóa thể sản phẩm bảng điện chính, phụ, starter, BAT charger… tàu thủy Vấn đề báo hiệu, báo nói chung điều động tàu nói riêng bao gồm: Tín hiệu báo đèn, báo góc bẻ lái, hướng đi, tóc độ chân vịt, giữ ổn định hướng đi, bám theo quỹ đạo cho trước, ổn định tốc độ, ổn định điện áp Từ trước nay, có nhiều cơng trình nghiên cứu, phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển báo hiệu đèn hành trình, đèn tín hiệu hàng hải Tuy nhiên, để có hệ thống báo hiệu thật hiệu bao gồm kinh tế lẫn kỹ thuật tốn tiếp tục tìm tịi phương pháp để giải Đối với hệ thống điều khiển báo hiệu đèn hành trình, đèn tín hiệu hàng hải tồn số nhược điểm sau: + Tính xác kém; + Kích thước lớn; + Chưa đáp ứng tính ứng dụng đa năng; + Đặc biệt hệ thống hành thường ứng dụng cho đèn với loại nguồn (AC DC) loại công suất (60W 40W) định; + Khả ghép nối tín hiệu với hệ thống khác hạn chế Để phần làm phong phú thêm phương pháp hướng nghiên cứu chế tạo panel điều khiển giám sát đèn hành trình tàu thủy ứng dụng kỹ thuật số xu hướng đầy tiềm Trong đó, phần cảm biến dòng điện xoay chiều chiều cảm biến cách ly quang, phần xử lý trung gian báo động sử dụng vi điều khiển Việc thiết kế hệ thống tàu thủy đảm bảo độ tin cậy có đầy đủ chức năng, giá thành rẻ sở ứng dụng kỹ thuật số hay vi xử lý, vi điều khiển, hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, để đáp ứng 10 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 yêu cầu đăng kiểm ngành Hàng hải yêu cầu thiết thực Sản phẩm với tên gọi panel giám sát điều khiển đèn hành trình… nghiên cứu phát triển nhiều nơi giới, nhiều sản phẩm ứng dụng đời, phong phú Các hãng có truyền thống tiếng sản xuất, chế tạo sản phẩm phải kể đến hãng: Sentinel Control Technologies, Prime Mover Controls, Pan Delta Controls, Don Abney, Mariteam Lighting [4] Tuy nhiên, sản phẩm nhập ngoại không sử dụng đồng thời cho bóng đèn DC AC, giới hạn cơng suất bóng, kích thước cơng kềnh, khả ghép nối với hệ thống khác khó khăn, thời gian đáp ứng chậm gặp số vấn đề phức tạp cần bảo hành, bảo trì thiết bị, chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống thường cao Trong nước, chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống chưa có sản phẩm thương mại thị trường Vì vậy, để chủ động cơng nghệ, giảm chi phí để áp dụng lý thuyết vào thực tế, ta cần tìm phương án chế tạo hệ thống điều khiển giám sát đèn hành trình nhằm giảm bớt giá thành, ứng dụng linh kiện điện tử sẵn có thị trường nội địa khắc phục hạn chế tồn mục tiêu báo Khái quát hệ thống điều khiển giám sát đèn hành trình tàu thủy Để biết tàu hành trình theo chiều hướng nào, người ta sử dụng đèn để quy định; đồng thời cho biết kích thước tàu… nhờ mà tàu khác phát tránh khơng để tai nạn đáng tiếc xảy Với tầm quan trọng chúng, đèn tín hiệu hàng hải bị cố trường hợp Trên tàu ln có hệ thống đèn hành trình hệ thống đèn hành trình cố Tuy nhiên, nhiệm vụ đặt cho hệ thống đèn hàng hải tín hiệu gặp cố cháy bóng, đứt tóc, đứt dây… phải phát thay kịp thời Các bảng đèn hàng hải tín hiệu phải đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) quy phạm phân cấp đóng tàu biển vỏ thép với tính như: Thơng báo cịi, đèn đèn bị cố; khơng phụ thuộc vào cơng suất bóng đèn nguồn cung cấp sử dụng; số đèn mở rộng theo tàu cụ thể; bố trí trực quan, dễ sử dụng thao tác; thiết bị chắn, tin cậy dễ lắp đặt, sửa chữa… Hiện tại, Việt Nam thiết bị cung cấp lắp đặt nhiều nhà máy đóng tàu với chủng loại tàu như: Tàu hàng 20.000T, 2.000T, 12.500T, tàu hút bùn, tàu khách cao tốc… Đèn hành trình bao gồm: Đèn cột, đèn mạn đèn lái • Tàu có chiều dài 50m trở lên phải bố trí đèn cột (đèn cột trước đèn cột sau); • Đèn mạn phải màu xanh, trái màu đỏ; • Đèn lái lắp phía lái tàu Hình Vị trí góc chiếu đèn hành trình Với loại tàu khác có thêm bớt số đèn định để đảm bảo khả thông tin tàu cho phương tiện hoạt động xung quanh hệ thống đèn tín hiệu hành trình có cách bố trí định theo điều luật Người ta chia loại tàu để trang bị sau: - Tàu có chiều dài tính tốn (chiều dài hai đường vng góc mũi lái) 50 m phải trang bị hai cột đèn tín hiệu cột đèn đi, 50 m trang bị cột đèn tín hiệu đèn tín hiệu Tàu 20 m đèn trang bị thẳng đứng phải cách tối thiểu m cịn 20 m khoảng cách m ; - Bộ đèn hành trình tín hiệu tất tàu bao gồm: Đèn mạn (SSL: TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 Signal side light) trái đỏ phải xanh (nhìn từ lái mũi) Đèn tín hiệu cột (ML: Mast light) màu trắng góc nhìn thấy 225 độ từ mạn sang mạn Đèn chủ động (NUCL: Not under command light) góc nhìn thấy 360 độ (chú ý góc khuất độ đèn này) Đèn dẫn điều động (MVL: Maneuvering light) màu trắng góc nhìn thấy 360 độ (chú ý góc khuất độ đèn này), đèn (SL: Stern light) 135 độ màu trắng Đèn neo (AL: Anchor light) màu trắng góc chiếu 360 độ, trang bị hai Ngồi cịn có đèn hiệu khác : Đèn báo tàu chở hàng nguy hiểm màu đỏ 360 độ chớp tắt (nhấp nháy), đèn kéo (tàu kéo, tàu lai dắt), đèn hiệu qua kênh PANAMA Đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát đèn hành trình tàu thủy 11 Từ phân tích trên, mục đưa phương án thiết kế phần cứng hệ thống Cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển giám sát đèn hành trình tàu thủy trình bày hình Cấu trúc hệ thống bao gồm hai phần bản: - Phần cảm biến góc cháy bóng đèn, đứt tóc đứt cáp; xử lý trung gian sử dụng vi điều khiển AVR ATEMEGA 16 ; - Màn hình HMI có chức hiển thị thông số trạm phát, lưu lại nhật ký hoạt động giao diện trực tiếp với người vận hành Trung tâm điều khiển quản lý hoạt động 12 tổ hợp đèn kép kết nối với hình cảm ứng HMI để giao tiếp thu thập liệu thơng qua mạng Modbus/RS485 RS485 Hình Cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển giám sát đèn hành trình tàu thủy tảng vi điều khiển ATMEGA32 HMI Thiết kế, chế tạo module trung tâm xử lý Theo phân tích mục 3, module trung tâm quản lý lượng điện tàu thủy thiết kế phải điều khiển hoạt động trạm phát bao gồm tối đa bốn tổ hợp D/G, hệ thống tải Bên cạnh module cịn phải có khả giao tiếp mạng truyền thông với PC HMI theo giao thức chuẩn Vì để xây dựng module tảng chip vi điều khiển ATMEGA32 hệ thống phải có tính sau: + Cảm nhận tín hiệu áp dịng chiều xoay chiều cấp cho bóng đèn; + Xuất tín hiệu số DO dạng tiếp điểm khô rơ le để điều khiển ngoại vi thông qua mạch cách ly quang; + Có khả ghép nối với chuẩn giao diện vật lý RS485 xử lý giao thức mạng truyền thông chuẩn công nghiệp Modbus RTU + Về mặt phần mềm module phải thực đầy đủ chức nêu mục Ngồi ra, phải đủ “thơng minh” để phân tích số trường hợp cố mạng, cố cảm biến, nguồn dự phịng giám sát nguồn chính, nguồn “back up” online; phát đứt cáp cảm biến Trong khuôn khổ giới hạn báo tác giả xin giới thiệu sơ đồ xử lý tín hiệu 12 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 từ cảm biến điểm không (zero crossing) điện áp để đo dịng qua bóng đèn (hình 3) thuật toán thực chức báo động cháy bóng (hình 3) Trong đó, điện áp tỷ lệ VP1 đưa vào chân IC LM358 thuật toán để phát điểm khơng sau cách ly thơng qua IC cách ly quang 4N35 để chuyển tín hiệu vào đầu vào ngát PD3 ATMEGA32 Đây điểm báo so với giải pháp sử dụng giới sử dụng rơ le dòng, biến dòng transitor công suất tiếp xúc trực tiếp với mạch công suất Mạch cảm biến cháy bóng đèn sử dụng cơng nghệ có sơ đồ hình Trong dịng điện AC DC qua cầu D89 sau qua hai diode D87 D88 tạo sụt áp khoảng 1VDC, điện áp tương đối ổn định đủ để kích hoạt cách ly quang U3B mắc song song để đưa tín hiệu vào hệ vi điều khiển Ưu điểm lớn mạch sử dụng cho nguồn xoay chiều chiều, sử dụng cho tất loại bóng đèn chiếu sáng có cơng suất khác mà khơng cần có điều chỉnh mạch Mạch dimmer kích chng báo động có sơ đồ hình Mạch tác động đèn báo sử dụng cách ly quang để đảm bảo an tồn cho vi xử lý, tín hiệu sau cách ly quang kích hoạt cho IC driver đầu ULN2803 có dịng tải lên tới 500 mA Hình Sơ đồ cấu trúc mạch cảm biến cháy bóng đèn Hình Sơ đồ mạch dimmer kích chng báo động Như với sơ đồ giao diện với đèn hành trình (hình 3) giải pháp có điểm sau: - Có thể sử dụng cho đèn với hai loại nguồn xoay chiều AC chiều DC sử dụng mạch chỉnh lưu D89; - Có thể sử dụng cho đèn với dải cơng suất lớn tùy thuộc vào dịng định mức D89; - Cách ly quang phần công suất phần điều khiển thơng qua IC U3B Hình Lưu đồ thuật toán phát trạng thái cảm biến Để chế tạo mạch in cho trung tâm báo cháy phân tán ta phải vẽ sơ đồ mạch điều khiển phần mềm thiết kế chuyên dụng Trong đó, Ocad phần mềm thơng dụng phổ biến Việt Nam Sơ đồ mạch nguyên lý thiết kế phần mềm Ocad hình 6a Hình ảnh mạch in sau hàn gắn linh kiện đóng gói sản phẩm hình 6b Kích thước sản phẩm 220x150x180 giảm thiểu đáng kể so với sản phẩm loại thị trường TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 13 a) Hình Giao diện cửa sổ hệ thống b) Hình Sơ đồ mạch in (a) hình ảnh module xử lý trung tâm (b) Thiết kế giao diện giám sát cho hình HMI Trung tâm giao diện vận hành ứng dụng hình giao diện cảm ứng HMI có nhiệm vụ kết nối với trung tâm xử lý qua mạng truyền thông để thu thập xử lý tín hiệu từ kênh cảm biến, kết nối với máy tính PC để quản lý giám sát hệ thống mạng, lưu trữ liệu trình, liệu nhật ký vận hành hệ thống đèn vào sở liệu SQL server, điều quan trọng cho sỹ quan quản lý hệ thống cơng tác bảo trì, sửa chữa Để lập trình phần mềm cho hình HMI ta sử dụng phần mềm chuyên dụng DOPSoft hãng Delta, chương trình sau soạn thảo biên dịch nạp tập lệnh dạng C vào hình Như với giải pháp giao diện vận hành thực nút nhấn mềm mở khả kết nối đa dạng với hệ thống khác hệ thống điều khiển giám sát conning Một số giao diện đồ họa thiết kế cho hệ thống hình 7, hình a) b) Hình Giao diện cài đặt người vận hành (a) giao diện lưu nhật ký báo động (b) Màn hình HMI có cổng truyền thơng RS485 để giao diện với module điều khiển đèn cịn có thêm công truyền thông ethernet với chuẩn giao diện TCP/IP nên kết nối với hệ thống khác dễ dàng Sau thực nhiệm vụ mục ta có sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát đèn hành trình cho tàu biển bao gồm trung tâm xử lý trung tâm (đóng vai trị thu thập xử lý sơ bộ) giao diện người vận hành hình Kết luận Với giải pháp nghiên cứu báo, trung tâm xử lý có khả quản lý 12 đèn kép loại DC AC có dải cơng suất lên tới 100W đèn, trung tâm giao 14 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 diện vận hành HMI quản lý 32 trung tâm xử lý hệ thống quản lý 384 đèn hành trình tín hiệu, với số lượng lớn đèn hệ thống giải pháp tốt cho tàu khách du lịch cỡ lớn Việc nghiên cứu, ứng dụng khoa học công nghệ cao xu hướng tất yếu mang tính thời đại Bài báo giải vấn đề cụ thể nghiên cứu, thiết kế chế tạo hoàn chỉnh hệ thống điều khiển giám sát đèn hành trình sở ứng dụng kỹ thuật số, mạng truyền thơng cơng nghiệp để hồn thiện mục tiêu đề trên, đáp ứng yêu cầu đăng kiểm ngành Hàng hải sử dụng lắp đặt tàu biển Phát triển ứng dụng lý thuyết vi điều khiển, vi xử lý hệ SCADA vào thực tiễn sống Kết nghiên cứu sản phẩm chế tạo làm phong phú thêm giảng mơ hình vật lý phục vụ cơng tác thực hành thí nghiệm, đào tạo nguồn nhân lực tự động hóa Tài liệu tham khảo [1] Hồng Minh Sơn, Mạng truyền thơng cơng nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2001 [2] Phạm Thượng Hàn, Xử lý số tín hiệu ứng dụng, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội, 2006 [3] ATMEGA8 Instruction Manual, ATMEL [4] Global Marine & Offshore Lighting Solutions, Catalogue Control Panel for Navigation Light [5] Azam, Clémentine et al 2018 “Evidence for Distance and Illuminance Thresholds in the Effects of Artificial Lighting on Bat Activity.” Landscape and Urban Planning 175(December 2016): 123–135 http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0169 204618300677 [6] Bolton, D et al 2017 “Coastal Urban Lighting Has Ecological Consequences for Multiple Trophic Levels under the Sea.” Science of the Total Environment 576: 1–9 http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.10.03 [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] Kang, T W et al 2017 “Strong Thermal Stability of Lu3Al5O12:Ce3+single Crystal Phosphor for Laser Lighting.” Journal of Luminescence 191: 35–39 Liao, Ran, and Hui Ma 2014 “Probing the Suspended Marine Algae Using PolarizedLight Scattering.” OCEANS 2014 - TAIPEI: 1–5 Lin, Cheng-wei, Li-wei Wang, and Ching-cheng Lee 2012 “Energy-Efficient Electronic Light Sources for Marine Vessels Chun-Lien Su YiHung Yeh Ching-Hsiang Liu.” 2012 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting: 1–11 Range, Luminous 2017 “Proposed Minimum Luminous Range for Existing Lighthouses in This Age of Global Navigation Satellite Systems by Using the Correlation between Light Intensity And.” UMK Procedia 6: 29–36 http://dx.doi.org/10.1016/j.enavi.2017.05.004 Shen, Eric, Jia Hu, and Maulin Patel 2014 “Energy and Visual Comfort Analysis of Lighting and Daylight Control Strategies.” Building and Environment 78: 155–170 http://dx.doi.org/10.1016/j.buildenv.2014.04.02 Tian, Xiaorui, Ran Liao, Yi Tao, and Jianghu Wu 2013 “Obtaining Shape Information of Marine Microorganisms Using Polarized-Light Scattering.” 2013 OCEANS - San Diego: 2–6 Tsiotsios, Chourmouzios, Andrew J Davison, and Tae Kyun Kim 2017 “Near-Lighting Photometric Stereo for Unknown Scene Distance and Medium Attenuation.” Image and Vision Computing 57: 44–57 http://dx.doi.org/10.1016/j.imavis.2016.10.005 [14].Wang, Rong Tsu, and Jung Chang Wang 2016 “Analyzing the Structural Designs and Thermal Performance of Nonmetal Lighting Devices of LED Bulbs.” International Journal of Heat and Mass Transfer 99: 750–761 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.20 16.03.112 Yasin, Mohammad Salman, Mohammad Sharier Islam, and Tanmoy Biswas 2016 “Design of a Low-Cost Lighting System for the Rural Areas of Bangladesh.” 2016 International Conference on Innovations in Science, Engineering and Technology (ICISET): 4–7 Ngày nhận bài: 4/12/2018 Ngày chuyển phản biện: 7/12/2018 Ngày hoàn thành sửa bài: 28/12/2018 Ngày chấp nhận đăng: 4/1/2019 ... điều khiển giám sát đèn hành trình tàu thủy tảng vi điều khiển ATMEGA32 HMI Thiết kế, chế tạo module trung tâm xử lý Theo phân tích mục 3, module trung tâm quản lý lượng điện tàu thủy thiết kế. .. nháy), đèn kéo (tàu kéo, tàu lai dắt), đèn hiệu qua kênh PANAMA Đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát đèn hành trình tàu thủy 11 Từ phân tích trên, mục đưa phương án thiết kế phần cứng hệ... quát hệ thống điều khiển giám sát đèn hành trình tàu thủy Để biết tàu hành trình theo chiều hướng nào, người ta sử dụng đèn để quy định; đồng thời cho biết kích thước tàu? ?? nhờ mà tàu khác phát