Nghiên cứu sử dụng cảm biến đo mức bằng sóng radar để đo mức nhiên liệu trên tàu biển

Bài báo nghiên cứu phương pháp đo két bằng sóng Radar được thử nghiệm với các điều kiện nghiêng lắc khác nhau ở các cấp sóng được mô phỏng như thực tế. Mức nhiên liệu trong két được tính toán sử dụng thuật toán lọc Kalman để đưa ra mức nhiên liệu trong két được chính xác.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐO MỨC BẰNG SÓNG RADAR ĐỂ ĐO MỨC NHIÊN LIỆU TRÊN TÀU BIỂN STUDY RADAR SENSOR TO MEASURE FUEL OIL LEVEL ON BOARD SHIP TRẦN HỒNG HÀ*, NGUYỄN VĂN TIẾN, VŨ XUÂN HẬU Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: tranhongha@vimaru.edu.vn Tóm tắt Vấn đề giám sát nhiên liệu lại tàu tàu hành trình biển cơng việc khó khăn thuyền viên tàu công ty tàu biển, mức nhiên liệu két khó để đo xác điều kiện nghiêng lắc sóng biển Bài báo nghiên cứu phương pháp đo két sóng Radar thử nghiệm với điều kiện nghiêng lắc khác cấp sóng mơ thực tế Mức nhiên liệu két tính tốn sử dụng thuật toán lọc Kalman để đưa mức nhiên liệu két xác Dữ liệu lượng nhiên liệu gửi trung tâm giám sát công nghệ IoT Kết thực nghiệm cho thấy mức nhiên liệu két dự báo xác điều kiện nghiêng lắc khác két chứa nhiên liệu cáo liệu với sở liệu IMO từ năm 2019 [1] Điều ủy ban bảo vệ môi trường biển IMO (MEPC70) thông qua vào ngày 28/10/2016 sửa đổi cho Chương 4, Phụ lục VI MARPOL, bổ sung quy định 22A thu thập báo cáo liệu tiêu thụ dầu nhiên liệu tàu phụ lục bao gồm thơng tin đệ trình lên Cơ sở liệu tiêu thụ dầu nhiên liệu tàu biển IMO Các sửa đổi có hiệu lực vào ngày 01/3/2018 [2] Mở đầu Các tàu từ 5.000GT trở lên phải nộp báo cáo hàng năm mức tiêu thụ nhiên liệu, quãng đường số thực cho quyền họ, theo phương pháp nêu Phần II kế hoạch giám sát hiệu lượng tàu (SEEMP) Hướng dẫn xây dựng SEEMP năm 2012 sửa đổi cho phù hợp hướng dẫn năm 2016 thông qua MEPC (Nghị MEPC.282 (70)) Dữ liệu tổng hợp báo cáo cho Quốc gia treo cờ tàu sau kết thúc năm, điều cần xác minh liệu báo cáo phù hợp với yêu cầu trước ban hành chứng tuân thủ cho tàu Các công ty gửi liệu tổng hợp tới IMO [3] Bảng liệu tổng hợp (DCP) kế hoạch mô tả chi tiết cụ thể tàu qui trình sử dụng để giám sát mức tiêu thụ nhiên liệu, số thực quãng đường di chuyển DCP lập Phần II kế hoạch quản lý hiệu lượng tàu (SEEMP) phải có tàu DCP bao gồm phần: Các thông số tàu; hồ sơ sửa đổi Kế hoạch thu thập liệu tiêu thụ dầu nhiên liệu; Động tàu thủy hộ tiêu thụ dầu nhiên liệu khác loại dầu nhiên liệu sử dụng; Hệ số phát thải; Phương pháp đo mức tiêu thụ dầu nhiên liệu; Phương pháp đo quãng đường được; Phương pháp đo thực Các quy trình sử dụng để báo cáo liệu cho quan quản lý chất lượng liệu Sau kết thúc giai đoạn giám sát (2018), tàu từ 5.000GT trở lên phải lập báo cáo liệu dầu nhiên liệu cách sử dụng định dạng báo cáo liệu chuẩn IMO cung cấp Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) thông qua Hệ thống thu thập liệu dầu nhiên liệu (DCS) bắt buộc vận chuyển quốc tế, yêu cầu tàu có tổng trọng tải từ 5.000GT trở lên bắt đầu thu thập báo Báo cáo liệu nhiên liệu yêu cầu yếu tố sau: Phương pháp sử dụng để đo mức tiêu thụ nhiên liệu; Mức tiêu hao nhiên liệu cho loại nhiên liệu; Số thực quãng đường đi; Cơng Từ khóa: Nhiên liệu, cảm biến Radar, tàu biển Abstract To monitor the remained fuel on board when the ship running at sea is a very difficult work for the crew, as well as the shipping companies because the fuel level in the tanks is difficult to measure accurately in the oscilating condition due to sea waves The article studies the method of measuring tanks by Radar tested with various shacking conditions The fuel level in the tank is calculated using Kalman filter algorithm to give the correct fuel level in the tank Fuel quantity data is sent to the monitoring center by IoT technology Experimental results show that the fuel level in the tank is accurately measured at various shacking conditions of the fuel tank Keywords: Fuel oil, radar sensor, ship 86 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 suất đầu (các) động phụ công suất đẩy chính; Các thơng tin khác lớp băng (nếu có), EEDI, DWT, NT, GT, loại tàu, số IMO, ngày bắt đầu kết thúc Báo cáo liệu nhiên liệu gửi cho Cơ quan quản lý tổ chức quốc gia ủy quyền hợp pháp để xác minh Hiện đa số tàu biển Việt Nam khơng có hệ thống giám sát lượng nhiên liệu lại két cách liên tục tàu hành trình biển, tàu chạy ln bị nghiêng lắc sóng biển tác động Để đo xác mức nhiên liệu két thực dụng cụ đo thông thường Vì việc nghiên cứu hệ thống đo giám sát liên tục lượng nhiên liệu két theo thời gian thực tàu việc cần thiết, từ theo dõi lượng nhiên liệu tiêu thụ liên tục phát thay đổi bất thường lượng nhiên liệu tiêu thụ nhằm nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu tàu Hệ thống đo giám sát nhiên liệu 2.1 Cảm biến radar xung radar bề mặt chất lỏng Việc nhận dạng tín hiệu rõ ràng thực phần mềm PulseMaster® cảm biến Khoảng cách "D" từ cảm biến đến bề mặt chất lỏng tỷ lệ với thời gian truyền "t" sóng [4]: = /2 (1) Với "c" tốc độ sóng truyền Dựa khoảng cách trống biết "E", mức "L" tính: L=E – D (2) Độ ổn định điểm tham chiếu "E" phép đo có ảnh hưởng định đến độ xác phép đo, cảm biến có chức để khử tiếng vọng nhiễu Nó đảm bảo tiếng vọng nhiễu (từ cạnh đường hàn) không nhận tiếng vang mức Trước đo cảm biến phải hiệu chỉnh thông số: nhập khoảng cách trống "E" (= không), mức cao "F" (= khoảng cách) tham số ứng dụng Tham số ứng dụng tự động điều chỉnh thiết bị với điều kiện thực Các điểm đo "E" "F" tương ứng với 4mA 20mA tương ứng với 0% 100% thông số hiển thị Hình Cảm biến radar FMR532 Bảng Các thông số cảm biến radar Tham số Giá trị Đơn vị Loại FMR532 Tên cảm biến Micropilot S Tín hiệu 4-20 HART mA Ống đo 2000 mm Cảm biến đo radar Hình hãng Endress-Hauser sử dụng thí nghiệm, cảm biến có thơng số Bảng Tín hiệu cảm biến tín hiệu dịng từ ÷ 20 (mA) Ống dẫn hướng dài 2000mm Cảm biến lắp đỉnh két, két chứa hình trụ có chiều cao 1,0m, đường kính 0,8m Két làm sắt có chứa nhiên liệu mức khác từ ÷ 800 (mm) Các xung radar phản xạ nhận ăng-ten truyền vào thiết bị điện tử cảm biến Bộ vi xử lý đánh giá tín hiệu xác định mức dội âm phản xạ SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Vị trí lắp cảm biến radar két Điểm đo tham chiếu (cạnh mặt bích kết nối ren); Điểm mức (tấm tham chiếu máy đo); E Hiệu chuẩn điểm không; F Hiệu chuẩn mức cực đại (= span); D Khoảng cách đo được; L Mức (L = E - D) 2.2 Thiết bị truyền liệu IoT Hệ thống giám sát nhiên liệu két ứng dụng công nghệ IoT thiết kế chế tạo bao gồm: khối đo phát liệu, khối thu phân tích liệu, phần mềm giám sát đo mức nhiên liệu két Trong đó, hai khối đo phát, thu phân tích liệu sử dụng PLC S7-1200 kết hợp với GPRS (General 87 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Packet Radio Service) Hình để truyền liệu qua Internet máy chủ Bộ liệu gồm mức nhiên liệu thu thập từ hệ thống kỹ thuật đóng gói lại dạng gói tin truyền qua mạng internet với tốc độ 144kbps Sơ đồ luồng liệu cho thu phát liệu mơ tả Hình Bộ phát liệu bắt đầu việc cấu hình cho mô-đun AI (Analog Input) để nhận liệu từ cảm biến Điện áp sử dụng có dải đo ÷10 (V) cần cài đặt dải đo cho mơ-đun AI ÷10 (V), sử dụng kênh vào AI0 đến AI5 tương ứng cho kênh vào cảm biến Sau cấu hình cho mơđun AI, chương trình cần phải cấu hình cho mơđun GPRS để kết nối vào mạng kết nối đến trạm PLC nhận Việc cấu hình thực phần mềm TIA portal nhiễu ồn, nhiễu đo khơng chắn mơ hình động học, thông tin điều kiện ban đầu giá trị quan tâm [5] Hình Mơ hình đo lường ước lượng lọc Kalman [5] Hình Sơ đồ thuật tốn phát thu 2.3 Cơ sở thuật toán lọc liệu Thuật toán lọc Kalman sử dụng để lọc nhiễu mức nhiên liệu két thay đổi điều kiện lắc khác Bộ lọc Kalman đơn giản thuật toán xử lý liệu hồi quy tối ưu Có nhiều cách xác định tối ưu, phụ thuộc tiêu chuẩn lựa chọn trình thơng số đánh giá Nó cho thấy lọc Kalman tối ưu chi tiết cụ thể tiêu chuẩn có nghĩa Một khía cạnh tối ưu lọc Kalman hợp tất thông tin cung cấp tới Nó xử lý tất giá trị sẵn có, ngoại trừ độ sai số, ước lượng giá trị thời giá trị quan tâm, với cách sử dụng hiểu biết động học thiết bị giá trị hệ thống, Hình mơ tả số liệu thống kê hệ thống nhiễu, gồm 88 Hình Thuật tốn lọc Kalman Trong Hình 5, lưu đồ thuật tốn xảy ngắt Timer (10ms), lọc Kalman thực thi Nếu khơng có ngắt Timer 2, chương trình bỏ qua thực lệnh trễ 100ms cuối thực SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 chương trình gửi gói NMEA0183 Khi khởi động chương trình ngắt Timer (10ms), gán giá trị cho ghi TCNT2=178 Mục đích việc tạo định thời ngắt Timer 10ms, tần số Timer 7,813kHz ghi TCNT2 liên tục tăng từ 178 đến 255 (10ms) Vì sau 10ms Timer tạo ngắt Bên chương trình ngắt, tác giả sử dụng biến số để xác định “Dự đốn” “Chính xác” Nếu (index=0), thực trình "Cập nhật hẹn giờ" cho Kalman Đối với trường hợp này, viết index=1 (cho lần gián đoạn thử nghiệm tiếp theo) thực trình 150 lần (tiếp theo = 150) tiếp tục để lấy giá trị mức nhiên liệu sau lọc Kalman gán biến mức Trong q trình cập mức >2000