3.1.1. Các thông số chính của Tàu LASH
Hình 3.1. Tàu Lash mẹ chở xà lan
Tàu LASH mẹ chở xà lan (Xem hình 3.1) là đối tượng được sử dụng để thử nghiệm các kết quả nghiên cứu của đề tài này. Về qui mô, đây là một đối tượng nổi có kích thước tương đối lớn, là loại tàu kết cấu kiểu tự hành, vỏ thép, một boong liên tục miệng hầm hàng rộng phía mũi, buồng máy phía đuôi, có các thông số chủ yếu:
* Tải trọng : DW = 10,900 DWT * Chiều dài lớn nhất : Lmax = 176,9m * Chiều dài thiết kế : Ltk = 156,0m * Chiều rộng : B = 25,0m * Chiều cao mép trong : H = 12m * Mớn nước : T = 6m
Tàu có hai máy chính, hai chân vịt làm nhiệm vụ chở các xà lan, loại xà lan phù hợp với phương thức vận tải hàng rời kiểu bột xi măng, than v.v. Tàu có sức chứa 40 chiếc xà lan kích thước L x Bx H =20 x 7,2 x 2,8 m, với trọng lượng xà lan và hàng hoá đến 260 tấn. Ngoài ra, tàu Lash mẹ còn còn chở thêm được 02 chiếc tàu đẩy với kích thước L x Bx H =16,15 x 7,4 x 1,8 m. Xà lan (kể cả khi có hàng)
và các tàu đẩy được một cần cẩu trên tàu (kiểu dàn, với mâm kẹp đặc biệt nặng 160T, Hình 3.2) nhấc lên và có thể chạy dọc theo hầm hàng để bố trí cố định chúng trong hầm hàng của tàu Lash mẹ bằng các hệ thống dẫn hướng chống dồn và xô lệch kiểu ngăn kéo đứng. Hoạt động của quá trình làm mất cân bằng do thay đổi tải trọng này rất giống, thậm chí còn nặng nề hơn quá trình bốc dỡ các công ten nơ trên tàu chở công ten nơ. Tải trọng lớn (gần 500T, kể cả mâm kẹp khi nhấc xà lan có hàng) thay đổi rất nhanh, có thể dịch chuyến theo dọc hầm hàng làm cho đối tượng này bị nghiêng lệch cả về theo phương ở các mạn lẫn chiều dọc thân tàu.
Hình 3.2. Mâm cặp của cẩu lắp trên tàu Lash dùng để cặp xà
3.1.2. Sơ lược quá trình làm hàng trên tàu Lash
Quá trình làm hàng trên tàu Lash diễn ra tương đối đặc biệt, mang đặc thù riêng với những yêu cầu kỹ thuật tương đối khắt khe so với quá trình làm hàng trên các tàu chở hàng khác. Xà lan khi chất đầy hàng với trọng lượng có thể lên đến 260 tấn (kể cả vỏ) và các tàu kéo đẩy (có thể trọng lượng còn nặng hơn) được một cần cẩu trên tàu (Xem hình 3.2) nhấc lên đồng thời di chuyển trên hai thanh ray, được lắp đặt song song phía trên và chạy dọc suốt chiều dài hầm hàng để bố trí, cố định chúng vào các ngăn kéo đứng bằng các hệ thống dẫn hướng chống dồn và xô lệch. Điểm nâng xà lan có hoặc không có tải trọng từ mặt nước lên tàu hoặc ngược lại, hạ xà lan từ tàu xuống mặt nước được thực hiện ở vị trí phía cuối đuôi tàu nên sự mất cân đối về mặt phân bố tải trọng so với phía mủi tàu là rất lớn, làm cho con tàu có thể bị chúi mũi hoặc chúi đuôi ở góc nghiêng lệch lớn. Quá trình dịch chuyển tải trọng (mâm cặp và xà lan hoặc tàu kéo đẩy) dọc thân tàu là quá trình thay đổi việc phân bố tải trọng một cách liên tục dọc theo thân tàu làm cho độ nghiêng cũng liên tục bị thay đổi. Quá trình dịch chuyển này diễn ra thuận lợi và an toàn nếu góc nghiêng của các thanh ray so với mặt phẳng ngang không quá lớn đồng thời độ chênh lệch về chiều cao so với mặt phẳng ngang giữa các thanh ray không được
vượt quá mức cho phép. Nếu các điều kiện này không được thoả mãn, rất có thể trọng lượng hàng cùng với mâm cặp không thể dịch chuyển được do góc nghiêng thanh ray quá lớn khi phải leo dốc hoặc bị kẹt do trọng lượng lớn bị dồn về phía thanh ray thấp khi độ chênh giữa các thanh ray quá lớn. Khi hiện tượng này xảy ra, khối hàng trọng lượng lớn làm cho con tàu bị nghiêng kéo theo hầu hết lượng chất lỏng trong các khoang két của tàu có xu hướng dồn về phía tàu bị nghiêng chúi. Lúc này, ảnh hưởng của hiệu ứng mặt thoáng trong các khoang két làm thay đổi ví trí trọng tâm cuả chúng và đều có xu hướng dịch chuyển về phía tàu bị nghiêng chúi làm cho con tàu có nguy cơ bị chúi thêm. Đây là một hiện tượng không mong muốn, rất nguy hiểm cần phải được loại trừ.
3.1.3. Thực trạng hệ thống cân bằng bằng tay trên tàu LASH.
Trên tàu này đã được trang bị hệ thống cân bằng kiểu ballast điều khiển bằng tay, gồm 23 két dằn, hệ thống ống và các bơm, van dằn. Thiết kế cơ bản và sơ đồ chức năng điều khiển bơm van của hệ thống này được thể hiện trên mặt bàn điều khiển lắp trên tàu (Xem hình 3.3). Số lượng, chức năng từng loại két ở các mạn được bố trí đối xứng qua mặt phẳng tâm tàu, mổi bên gồm 07 két dằn bố trí dọc mạn tàu chủ yếu để điều chỉnh sức nổi và chống nghiêng lệch theo mạn, 02 két có dung tích lớn chủ yếu để giảm lắc ngang, 01 két dằn lái (trái, phảỉ tuỳ theo mạn) ở phía gần mũi tàu để chống nghiêng lệch do lực ly tâm khi tàu quay trở ở tốc độ lớn. Ngoài ra, tàu có 01 két chung dung tích rất lớn, được bố trí ở đường tâm gần mũi tàu (có ảnh hưởng dằn như nhau đối với các mạn), dùng để điều chỉnh cân bằng dọc (trim) khi tàu chất hoặc dỡ tải phân bố dọc thân tàu.
Hình 3.3. Panel điều khiển bằng tay bơm van dằn
Ở mỗi két dằn, một van có lưu lượng lớn được bố trí, nó có thể điều khiển khiểu từ xa bằng điện thuỷ lực để đóng mở bơm nước vào hoặc xả nước ra tuỳ
thuộc vào việc kích hoạt hệ thống bơm hút hay bơm xả (Xem hình 3.4). Hệ thống hút khô- dằn gồm các bơm truyền động điện kiểu ly tâm đứng, tự hút, độc lập với nhau, có khả năng khi một bơm đang hút khô qua ống chính (hoặc dằn) thì bơm kia có thể dằn (hoặc hút khô qua nhánh hút trực tiếp). Toàn bộ các hệ thống vừa mô tả được sử dụng để đưa con tàu về trạng thái nghiêng lệch ở mức cho phép khi tàu mất cân bằng. Thao tác đóng mở các bơm, van được điều khiển bằng tay một cách riêng lẻ thông qua việc quan sát đồng hồ đo độ nghiêng của tàu (kiểu cơ học) để đóng mở các bơm van cho phù hợp.
Hình 3.4. Các van và bộ nguồn điều khiển thuỷ lực
Khi các bơm van hoạt động, thông qua hệ thống ống dằn, lượng nước trong các khoang két dằn được điều chỉnh một cách hợp lý hơn, bù trừ lại sự nghiêng lệch do mất cân đối của việc phân bố lại tải trọng trên tàu hoặc do bị tác động bởi các yếu tố khác. Trong quá trình cân bằng, lượng nước trong các khoang két thường xuyên được kiểm soát thông qua tín hiệu đo từ các đầu đo liên tục lắp tại mỗi mỗi két.
Chiều cao mức nước trong các khoang két tỉ lệ với tín hiệu đo tương ứng và được hiển thị trên bảng đồng hồ đo chỉ báo mức nước khoang két lắp đặt trên buồng lái (Xem hình 3.5). Về mặt nguyên lý, đây là hệ thống cân bằng được thiết kế không quá phức tạp đối với chức năng điều khiển, dễ thao tác và hoàn toàn có thể sử dụng để cân bằng cho con tàu trong một số tình huống đơn giản. Tuy nhiên, việc điều chỉnh cân bằng con tàu (thực hiện bằng tay) trong quá trình làm hàng là rất khó khăn, làm cho người vận hành rất căng thẳng và mệt mỏi, đòi hỏi người vận hành phải có kinh nghiệm mới có thể xử lý các tình huống nghiêng lệch một cách nhanh chóng và an toàn. Để hạn chế những nhược điểm vừa nêu, hệ thống điều khiển cần phải được thiết kế ở mức độ linh hoạt hơn, khắc phục những hạn chế chủ quan của con người.
Trên cơ sở thực trạng hệ động lực bơm van có sẵn, nhóm đề tài đã ứng dụng các kết quả nghiên cứu để thiết kế hệ thống tự động điều khiển cân bằng áp dụng trên tàu Lash. Mặc dù hệ thống này có thể áp dụng ngay trên tàu Lash với điều kiện hệ động lực hiện có nhưng với cách thiết kế mang tính mở thể hiện ở phần cứng (được thực hiện trên các phần tử PLC có nhiều tính năng mới, có độ tích hợp cao) và phần mềm được lập trình linh hoạt. Hệ thống hoàn toàn có thể áp dụng trên những đối tượng có quy mô lớn và phức tạp hơn (số lượng két, bơm, van, số điểm đo và tín hiệu cần xử lý), đáp ứng được các yêu cầu chất lượng điều chỉnh cao. Các phần tiếp theo sẽ lần lượt trình bày quá trình thiết kế hệ thống điều khiển cho tàu Lash. Quá trình thiết kế được lấy xuất phát điểm từ các kết quả nghiên cứu lý thuyết (hiểu biết bản chất động học của đối tượng về mặt lý thuyết, các tính toán cơ bản áp dụng để tính cân bằng v.v...) và hệ thống động lực bơm van, sẵn có trên tàu Lash.
3.1.4. Các yêu cầu và giải pháp cho bài toán cân bằng tàu LASH. 3.1.4.1. Yêu cầu về các khoang két dằn tạo mô men cân bằng tàu. 3.1.4.1. Yêu cầu về các khoang két dằn tạo mô men cân bằng tàu.
Hình 3.6. Một ví dụ về bố trí két chống lắc, két dằn
Trên các tàu để tạo ra mô men chống nghiêng lệch theo phương pháp cân bằng kiểu dằn ballast hệ thống thiết kế sử dụng các két dằn. Các két này được thiết kế sao cho phù hợp với kiến trúc chung của thân tàu, bảo đảm tạo ra được các mô men cân bằng sức nổi hiệu quả nhất nhưng lại ít ảnh hưởng đến tính ổn định chung của phương tiện nổi.
Như đã phân tích, việc tồn tại các két dằn sẽ làm tăng trọng lượng chết được ước lượng trong phạm vi 1–4% trọng lượng rẽ nước. Như vậy, việc thiết kế các két này cần phải được xem xét hài hoà với các két nhiên liệu, két nước sinh hoạt, két nước thải v.v... để phối hợp việc giảm trọng lượng chết trong quá trình khai thác phương tiện. Chính vì thế việc thiết kế các két đối xứng theo các trục của tàu, bố trí được càng xa, càng cao về phía các mạn càng tốt, nhất là các két chống cuộn (anti roll tank). Hình 3.6 thể hiện cách bố trí các khoang két dằn trên các tàu lớn. Việc bố trí như vậy sẽ có nhiều lợi thế trong quá trình tạo ra các mô men chống nghiêng lệch lớn, thuận lợi trong việc thiết kế hệ thống điều khiển, dễ vận hành trên cơ sở bản năng của con người và qui luật tự nhiên. Tuy nhiên, các chuyên gia cũng đã khuyến cáo rằng, để giảm ảnh hưởng của hiện tượng mặt thoáng, các két nên thiết kế mặt thoáng tự do có diện tích bé (cố gắng phân nhỏ các két nhưng tăng chiều cao) để giảm ảnh hưởng việc thay đổi trọng tâm của các két.
Đối với tàu LASH, hệ thống này gồm 23 két dằn được bố trí dọc theo thành vỏ tàu và đối xứng về hai phía qua sống tàu.
3.1.4.2. Yêu cầu về hệ thống đo báo mức nước các két dằn và độ nghiêng
Hệ thống chức năng đo báo là hệ thống yêu cầu để vừa thực hiện chức năng giám sát các quá trình đo mức trong các khoang két, đo độ nghiêng lệch giữa các mạn của phương tiện nổi đồng thời tạo ra các tín hiệu cho hệ thống điều khiển hoạt động. Thông thường, để giám sát mức trong từng khoang két (chứa nước) một cách liên tục đồng thời đưa ra được tín hiệu điều khiển (để thực hiện phân bố lại mức chất lỏng trong khoang két), thường sử dụng các loại đầu đo kiểu áp suất, mỗi két tuỳ theo yêu cầu có thể lắp một đến vài chiếc đầu đo với tín hiệu ra chuẩn thường là 4-20mA. Nếu là các khoang két chứa dầu, hoá chất và yêu cầu độ chính xác cao thì nên dùng các loại đầu đo kiểu sóng rađa với nhưng tiêu chuẩn về an toàn chống cháy nổ cao. Tuy nhiên, hệ thống đo kiểu đầu đo sóng rađa rất đắt tiền, lắp đặt khó khăn, vận hành cũng rất phức tạp. Việc chọn lựa đầu đo phải căn cứ vào chiều cao của két nhằm bảo đảm quá trình đo được chính xác.
Đối với vấn đề đo độ nghiêng, thông thường người ta sử dụng thiết bị đo độ nghiêng lệch chuyên dụng, chẳng hạn như thiết bị con quay gydrocope, có thể phát ra tín hiệu tỉ lệ với độ nghiêng lệch. Với một hệ thống điều khiển cân bằng thông thường, yêu cầu phải có một thiết bị đo đảm bảo đo được trạng thái nghiêng của đối tượng theo mọi phương và việc bố trí lắt đặt cho thiết bị này cũng không quá phức tạp như lắp các đầu đo cho các khoang két. Ngoài hai loại đầu đo này, trên một số phương tiện đặc biệt, chẳng hạn các âu nổi cỡ lớn, người ta còn lắp đặt các đầu đo mớn nước ở các góc của phương tiện để đo mớn nước, lắp đầu đo ở giữa các mạn để đo độ chùng (độ uốn của phương tiện) khi tải trọng phân bố bất hợp lý.
Trên tàu LASH, được bố trí 23 cảm biến đo mức tín hiệu chuẩn hóa 4-20mA và một bộ đo độ nghiêng tàu kiểu điện trở để cung cấp trạng thái về độ nghiêng của tàu theo phương dọc và ngang tàu.
3.1.4.3. Yêu cầu về hệ thống điều khiển động lực bơm van
Đây là phần quan trọng quyết định chất lượng hệ thống cân bằng kiểu dằn ballast. Thông thường, khi thiết kế hệ thống này, người thiết kế thường phải giải quyết bài toán với những điều kiện đã được yêu cầu và có cơ hội khắc phục các khiếm khuyết của các kết cấu hệ động lực nhằm tăng hiệu quả cho hệ điều khiển. Đây là thực tế do điều kiện bị ràng buộc bởi kết cấu của con tàu, các ràng buộc mà hệ thống phải thỏa mãn về điều kiện vận hành khai thác. Về mặt lý thuyết, để thiết
kế một hệ thống như vậy, người thiết kế phải biết được khá tường tận về các hành vi của đối tượng điều khiển, các cơ sở toán học mô tả đối tượng điều khiển v.v... Tuy nhiên trên thực tế, các điều kiện này không dễ gì có được và cũng thiếu thực tế trong quá trình phát triển về tính đa dạng của loại hình đối tượng nổi. Để đáp ứng với sự phát triển và cũng khắc phục được trở ngại này, hệ thống được thiết kế phải đáp ứng được việc thích nghi trong một phạm vi rộng, khả năng điều chỉnh được linh hoạt để bù đắp việc thiếu hụt thông tin trong quá trình thiết kế.
Trước đây, trong quá trình thiết kế các hệ thống cân bằng, một trở ngại thường gặp phải về kỹ thuật đó là độ linh hoạt của bộ điều khiển, bị hạn chế do kỹ thuật tính thực hiện trên các máy tính tương tự, rất chậm chạp và cứng nhắc làm cho việc thực hiện các hệ thống này rất khó khăn. Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết điều khiển, kỹ thuật tính trên máy tính số đã đạt đến tốc độ rất cao đủ để giải quyết nhiều bài toán phức tạp. Thừa hưởng các thành tựu này, nhiều hãng chế tạo thiết bị đã thiết kế những hệ thống tự động điều khiển cân bằng mới, hiện đại, luôn gắn với công nghệ xử lý trên thiết bị điều khiển thông minh có khả năng lập trình hoặc hệ thống máy tính. Đây là một bước đột phá trong kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển trên tàu, nơi có các điều kiện để hiệu chỉnh hệ thống là vô cùng ít ỏi do hầu hết các nhà thiết kế không có điều kiện để khảo sát trước. Việc áp dụng các thiết bị thông minh, khả trình trong thiết kế hệ thống điều khiển cân bằng sẽ mang lại các lợi ích sau:
- Dễ sữa lỗi hệ thống thông qua việc hiệu chỉnh phần mềm. Đây là lợi ích quan trọng đối với các hệ thống trên tàu, nơi hầu như không có và hầu như không thể có khả năng thay đổi kết cấu phần cứng. Ngoài ra, thiết kế theo xu hướng này sẽ đòi hỏi tính chuyên nghiệp không quá cao, một thực tế rất hay gặp là những người làm ra thiết bị trên tàu thuỷ không phải là những người có điều kiện để chứng kiến và giám sát quá trình thiết bị đó hoạt động trên tàu như thế nào.