Nghiên cứu hệ thống giám sát nhiên liệu trên tàu biển ứng dụng công nghệ IoT

Việc ứng dụng công nghệ IoT để giám sát lượng nhiên liệu của động cơ diesel theo thời gian thực (cách 5s truyền về một lần) cho phép người khai thác tàu có thể theo dõi trạng thái của động cơ ở các chế độ tải khác nhau từ đó lập kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa và cải thiện hiệu suất của động cơ, giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu, tiết kiệm chi phí năng lượng.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIÊN LIỆU TRÊN TÀU BIỂN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IoT STUDY ON FUEL CONSUMPTION MONITORING SYSTEM USING IoT TECHNOLOGY FOR SEA-GOING VESSELS TRẦN THẾ NAM*, TRẦN HỒNG HÀ, TRẦN THỊ LAN, TRẦN HỢP Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: thenam@vimaru.edu.vn Tóm tắt Việc đo nhiên liệu tiêu thụ tàu theo thời gian thực quan trọng giúp cho cơng ty tàu biển giám sát lượng nhiên liệu tiêu thụ tàu theo thời gian thực Từ liệu nhiên liệu thu thập được, công ty tàu biển đánh giá hiệu sử dụng lượng tàu biển trình khai thác Nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống giám sát tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu biển theo thời gian thực Hệ thống sử dụng công nghệ IoT để truyền liệu liên tục từ tàu trung tâm điều khiển Động diesel tàu biển thử nghiệm chế độ tải khác từ 20-80% tải Kết thí nghiệm cho thấy lượng nhiên liệu đo xác truyền liên tục trung tâm giám sát theo thời gian thực Dựa vào số liệu nhiên liệu thu thập liên tục giúp cơng ty tàu biển đánh giá hiệu sử dụng lượng phát thay đổi bất thường động từ có biện pháp khắc phục sửa chữa kịp thời để ngăn ngừa cố xảy Từ khóa: Nhiên liệu, động diesel, tàu biển Abstract Measuring fuel consumption on board ship in real time is important because it helps shipping companies to monitor the fuel consumption of each ship From the collected data, the shipping company can evaluate the energy efficiency of the ship in the operation The research team has designed and built a monitoring system to monitor fuel consumption in the real time This system is used IoT technology to transmit data continuously from the ship to the control center A marine diesel engine was tested at various loads from 20-80% Experiment results show that the amount of fuel was accurately measured and continuously SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) transmitted to the monitoring center in real time Based on continuously collected data, it will help shipping companies to evaluate the energy efficiency and detect any abnormal condition of the engine from which to take remedial measures and timely repair to prevent possible troubles Keywords: Fuel oil, diesel engine, ship Mở đầu Trong năm gần Tổ chức Hàng hải quốc tế IMO có qui định sử dụng lượng hiệu tàu biển Một lý đưa qui định hạn chế nguồn nhiễm khơng khí từ tàu biển Hệ thống quản lý sử dụng lượng hiệu tàu SEEMP áp dụng từ năm 2017 [1] Công cụ SEEMP sử dụng để tính tốn lượng, cụ thể tính số EEOI tàu trình khai thác tàu, cơng thức tính số lượng nhiên liệu tính toán chuyển thành lượng CO2 quãng đường lượng hàng hóa chuyên chở tàu, với mục đích đánh giá hiệu lượng mức độ nhiễm tàu q trình khai thác Hiện có nhiều nghiên cứu hệ thống đo giám sát nhiên liệu tàu biển theo thời gian thực hệ thống giám sát thông số tàu hãng NAPA [2] hệ thống thông minh để giám sát liệu khai thác hiệu hoạt động tàu Dữ liệu thu thập từ nhiều thiết bị đo khác nhau, từ đồng hồ đo lưu lượng nhiên liệu, đồng hồ đo mô-men xoắn/lực đẩy, hệ thống tự động, hệ thống hàng hải dịch vụ dự báo thời tiết Trên tàu nghiên cứu Simrad Echo [3] Na Uy Kongsberg sở hữu vận hành, trang bị hệ thống Internet of Things (IoT) Đây tàu hoạt động sử dụng giải pháp IoT ngành hàng hải để truyền liệu từ xa, hệ thống sử dụng để cải thiện hoạt động tàu thông qua việc giám sát phân tích liệu theo thời gian thực Công ty KVH Kongsberg Digital lắp đặt ăng ten KVAT Watch VSAT tàu để kết nối IoT, cung cấp sở hạ tầng tích hợp kết nối IoT liệu tàu Simrad Echo tiếp tục 35 TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 hoạt động bình thường nằm dự án thí điểm IoT ngành hàng hải Trong tàu sử dụng Kognifai Vessel Insight để giám sát hệ thống phụ tàu, giúp đảm bảo hiệu khai thác tàu Kongsberg Mapping Cloud chuyển liệu có độ phân giải cao từ tàu tới bờ theo thời gian thực để chuyên gia bờ phân tích liệu tối ưu hóa hoạt động tàu Hệ thống quản lý lượng Mega-Guard (EMS) Praxis Automation Technology [4] giống não quản lý toàn hệ thống động lực Mega-Guard EMS cho phép lựa chọn nguồn lượng điện tự động cho hai trường hợp sử dụng điện toàn bộ, hoạt động nối tiếp với động diesel hoạt động song song Hệ thống EMS điều khiển công suất tối đa cấp tới động điện lai chân vịt, bảo vệ lưu trữ lượng điện máy phát điện chiều không bị tải Ngồi ra, Mega-Guard EMS cịn kiểm sốt lượng điện sạc lưu trữ lượng điện sử dụng máy phát điện chiều điện cấp từ bờ Mega-Guard EMS kết nối thông với hệ thống khác thông qua mạng Ethernet Do việc nghiên cứu hệ thống giám sát nhiên liệu từ xa ứng dụng IoT vấn đề cấp thiết nay, cơng ty tàu biển giám sát nhiên liệu tiêu thụ cách liên tục có biện pháp kỹ thuật kịp thời để nâng cao hiệu sử dụng lượng tàu biển Hệ thống đo giám sát nhiên liệu 2.1 Lựa chọn đối tượng thí nghiệm đo nhiên liệu Động diesel lắp phịng thí nghiệm Khoa Máy tàu biển lựa chọn để đo giám sát nhiên liệu từ xa Động có thơng số kỹ thuật Bảng Động đầu lai chân vịt biến bước thông qua ly hợp, đầu lai phanh thủy lực Phanh thủy lực sử dụng để điều chỉnh tải động chạy chế độ tải khác nhau, tải tăng theo bậc ổn định Động sử dụng dầu nặng HFO dầu nhẹ DO ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng Các thông số động diesel Tham số Giá trị Loại động 6NVD26-2A Công suất 300 Số xy lanh Vòng quay 750 Đơn vị HP v/ph 2.2 Xây dựng hệ thống truyền liệu ứng dụng công nghệ IoT Hệ thống truyền liệu ứng dụng công nghệ IoT bao gồm: khối đo phát liệu, khối thu phân tích liệu, phần mềm giám sát phân tích lượng nhiên liệu tiêu thụ động diesel chế độ tải khác Hình Cấu trúc hệ thống gửi, nhận sử dụng GPRS Hệ thống bao gồm trạm phát, trạm thu, máy chủ trung gian (Remote Server) để truyền nhận liệu máy tính giám sát (monitoring PC) cài đặt phần mềm giám sát quản lý hệ thống Trạm phát trạm thu sử dụng hai PLC dòng S71200 CPU 1214 module GPRS CP 1247-7 Hai module CP 1247-7 kết nối vào mạng sử dụng giao thức GPRS kết nối tới hệ thống mạng Internet Một máy chủ trung gian với địa IP (Internet Protocol) tĩnh thiết lập với Port mở sẵn để sẵn sàng nhận truy vấn trạm S7-1200 Khi trạm phát muốn gửi liệu đến trạm thu, trạm phát thực việc truy vấn đến Remote Server Sau chấp nhận, trạm phát gửi gói liệu lên Remote Server Với trạm thu, định kỳ sau khoảng thời gian trạm thu gửi đến Remote Server truy vấn để hỏi có liệu hay khơng Nếu có u cầu Remote Server gửi liệu đến trạm thu Hình Động diesel 6NNVD26-2A 36 Sau nhận liệu mới, trạm thu gửi liệu qua cổng PROFINET tới máy tính giám sát Trên máy tính giám sát phần mềm cài đặt sẵn xử lý liệu nhận để đưa lên giao diện thực SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY thuận toán quản lý toàn diện toàn hệ thống Các thành phần module bao gồm: - PS1 (Pressure sensor): Cảm biến áp suất khí nén, đầu 4-20mA - PS2 (Pressure sensor): Cảm biến áp suất khí nén, đầu 4-20mA - PT100: Cảm biến đo nhiệt độ khí nén - CT (current transformer): Biến dòng, phục vụ đo cơng suất nhóm thiết bị tiêu thụ lượng điện - FM1, FM2: Cảm biến đo lượng nhiên liệu tiêu thụ, đầu cảm biến số tần số - I/V converter: Mạch chuyển đổi dòng thành áp phục vụ đo lường - R/U: Mạch chuyển đổi giá trị điện trở cảm biến nhiệt PT100 thành điện áp - CU: Mạch chuyển đổi giá trị dòng điện từ biến dòng thành điện áp chiều để phục vụ thuật tốn đo dịng - PU1, PU2: Bộ biến đổi đầu xung cảm biến lưu lượng thành điện áp - ARM STM32F103C8T6: Bộ vi điều khiển xử lý trung tâm module vào đầu vào tương tự PLC để nhận liệu vi điều khiển gửi đến Bộ vi điều khiển phải chuyển đổi biên độ giá trị vật lý thành điện áp đến 10V nhờ DAC Phương án giúp cho trình xử lý PLC đơn giản tận dụng đầu vào tương tự PLC 2.3 Xây dựng hệ thống đo giám sát nhiên liệu Hệ thống thí nghiệm xây dựng Hình Nhiên liệu tiêu thụ động diesel 6NVD26-2A đo lưu lượng kế đặt đường cấp đường nhiên liệu hồi động Lưu lượng kế truyền tín hiệu đo máy tính giám sát lưu lượng máy theo thời gian thực Quá trình thử nghiệm thực chế độ tải động khác từ 0-80% tải Tải tăng theo bậc khoảng thời gian 15 phút để máy chạy ổn định chế độ tải để phép đọc dụng cụ đo xác ổn định Tải đo phanh thủy lực, tải trì chế độ đo thời gian định Két DO Két FO - DAC (Digital Analog Converter): Bộ biến đổi thành tương tự 0-10V đưa tới PLC (Programable Logic Controller) thu Phin lọc receiver Internet Computer Bơm PS1 A PS2 A I/V I/V1 converter I/V R U PT100 Measure and transmission 0-10V 0-10V I/V2 converter ARM STM32F103C6T8 R/U converter I DAC 0-10V 0-10V 0-10V 0-10V Diesel engine 6NVD26 I U CT CU converter Cảm biến lưu lượng POWER U FM1 PU1 converter U FM2 PU2 converter Hình Sơ đồ luồng liệu phát thu Bảng Các thông số lưu lượng kế Hình Sơ đồ khối module đầu vào/ra Nguyên lý hoạt động mạch vào/ra: Mạch có vai trị biến đổi giá trị đầu khác cảm biến thành điện áp tỉ lệ (0 đến 10V) để đưa đến PLC đầu phát Để thực chức module sử dụng mạch biến đổi giá trị dòng, xung từ cảm biến thành điện áp chiều 0-3,3V đưa tới vi điều khiển ARM STM32F103C8T6 Vi điều khiển xử lý giá trị nhận tính tốn lượng giá trị vật lý (nhiệt độ, áp suất, dòng điện) đầu vào cảm biến gửi tới PLC thu Giữa vi điều khiển PLC khơng có chung giao thức kết nối phải sử dụng SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Tham số Cảm biến Dải đo Áp lực cho phép Nhiệt độ hoạt động Giá trị Đơn vị Coriolis 0-700 kg/h 0-3 atm 0-300 C Cảm biến lắp đường nhiên liệu cấp từ két trực nhật tới động diesel loại cảm biến đo theo ngun lý Corilois có thơng số Bảng 2, lưu lượng nhiên liệu đo tính tốn thành lưu lượng khối lượng Hệ thống đo giám sát bao gồm sensor đo 37 TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Kết thảo luận Hình Sơ đồ đo thơng số làm việc máy nén khí ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY với 580s Lượng nhiên liệu tiêu thụ trung bình 39kG/h Do động chạy chế độ tải ổn định chế độ vòng quay 600v/ph nên lượng nhiên liệu tiêu thụ gần không đổi qua thời gian đo Hình Lượng nhiên liệu 70% tải theo thời gian Hệ thống đo thu thập lượng nhiên liệu qua phần mềm giám sát, lượng nhiên liệu đo chế độ tải khác từ 20-80% tải động diesel Mỗi lần đo thực 10 phút Hình Lượng nhiên liệu 60% tải theo thời gian Hình Lượng nhiên liệu 80% tải theo thời gian Động chạy 60% tải tương ứng với công suất động 180kW, lưu lượng động đo theo thời gian thực Gói liệu gửi trung tâm 5s/lần tổng số 116 lần gửi liệu tương ứng với 580s Lượng nhiên liệu tiêu thụ trung bình 33 kG/h Do động chạy chế độ tải ổn định chế độ vòng quay 600v/ph nên lượng nhiên liệu tiêu thụ gần khơng đổi qua thời gian đo Hình Lượng nhiên liệu 80% tải theo thời gian thực Động chạy 80% tải tương ứng với công suất động 240kW, lưu lượng động đo theo thời gian thực Gói liệu gửi trung tâm 5s/lần tổng số 116 lần gửi liệu tương ứng với 580s Lượng nhiên liệu tiêu thụ trung bình 45 kG/h Do động chạy chế độ tải ổn định chế độ vòng quay 600 v/ph nên lượng nhiên liệu tiêu thụ gần không đổi qua thời gian đo Động chạy 70% tải tương ứng với công suất động 210kW, lưu lượng động đo theo thời gian thực Gói liệu gửi trung tâm 5s/lần tổng số 116 lần gửi liệu tương ứng 38 Hình 10 Lượng nhiên liệu 60% tải theo thời gian thực Động trì chạy ổn định 80% tải tương ứng với công suất phát động 240kW, thời gian đo thực 10 phút lưu lượng kế Động chạy nhiên liệu nhẹ với tỷ trọng SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 0,860kG/m3 Nhiệt độ đầu vào trì 400C Lưu lượng thể tích tính lưu lượng khối lượng kG/h Lượng nhiên liệu tiêu thụ 43,8kG/hrs Trong 10 phút động tiêu thụ 7,3kG/hrs TÀI LIỆU THAM KHẢO Kết luận [2] A Complete Cloud-Based IoT Solution for Ship Performance Analysis and Optimization DanelecConnect-Danelec-NAPA-brochure Kết nghiên cứu hệ thống đo giám sát lượng nhiên liệu tiêu thụ động diesel theo thời gian thực cho thấy: Việc ứng dụng công nghệ IoT để giám sát lượng nhiên liệu động diesel theo thời gian thực (cách 5s truyền lần) cho phép người khai thác tàu theo dõi trạng thái động chế độ tải khác từ lập kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa cải thiện hiệu suất động cơ, giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu, tiết kiệm chi phí lượng SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) [1] Guidance for the development of a ship energy efficiency managenment plan (SEEMP), Annex 19, MEPC 59/24/Add.1 IMO resolution [3] Henric Lassesson, Karin E Andersson, Energy efficiency in shipping - Review and evaluation of the state of knowledge, Göteborg, Sweden, 2009 [4] Energy Management System, Praxis Automation Technology, The Netherlands Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 30/6/2021 02/8/2021 17/8/2021 39 ... 6NVD26-2A Công suất 300 Số xy lanh Vòng quay 750 Đơn vị HP v/ph 2.2 Xây dựng hệ thống truyền liệu ứng dụng công nghệ IoT Hệ thống truyền liệu ứng dụng công nghệ IoT bao gồm: khối đo phát liệu, khối... DanelecConnect-Danelec-NAPA-brochure Kết nghiên cứu hệ thống đo giám sát lượng nhiên liệu tiêu thụ động diesel theo thời gian thực cho thấy: Việc ứng dụng công nghệ IoT để giám sát lượng nhiên liệu động diesel theo... cấp thiết nay, cơng ty tàu biển giám sát nhiên liệu tiêu thụ cách liên tục có biện pháp kỹ thuật kịp thời để nâng cao hiệu sử dụng lượng tàu biển Hệ thống đo giám sát nhiên liệu 2.1 Lựa chọn đối