5) Các nội dung của Báo cáo
3.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM HỆ MEC
• Thông qua mạng Lan, OPC Server trên máy tính trạm đọc toàn bộ trạng thái cũng như các cảnh báo của tổ máy chính từ MEC Box và chuyển cho cấp giám sát và Cơ sở dữ liệu tại Buồng lái, đồng thời nhận về các lệnh điều khiển máy và chuyển xuống cho MEC Box. Tại máy tính cấp giám sát có phần mềm cho phép thực hiện các chức năng:
o Hiển thị tại chỗ hầu hết các thông sốđo từ buồng máy o Xem danh sánh các cảnh báo gần nhất,
o Thiết lập giá trị cho các tham số hệ thống gồm: dải đo của từng kênh đo analog gắn với đối tượng đo tại một điểm đo cụ thể trong buông máy; ngưỡng cảnh báo của từng điểm đo; các tham số thời gian phục vụđiều khiển máy liên quan tới hành trình của các cơ cấu chấp hành. Các tham số này khác nhau đối với từng tổ hợp máy và chức năng này cho phép thiết lập hệ i Ship-M phù hợp với nhiều loại tổ hợp máy khác nhau.
• MEC Box thực hiện chức năng sau:
o Đo lường tất cả các đầu vào analog, thông qua giá trị các tham số hệ thống mà tính ra giá trị thực của các điểm đo analog cũng như so sánh với các ngưỡng mà tạo ra các cảnh báo tương ứng để đưa ra đèn/còi đặt tại ECR/ER. Các tín hiệu cảnh báo trực tiếp từ các bộ bảo vệ gắn trên các thiết bị hiện trường (như phát hiện quá áp, quá nhiệt, áp suất không đủ .v.v) cũng được thu thập thông qua các đầu vào digital. Tất cả các giá trị (analog và digital) đầu vào cùng với các cảnh báo được gửi lên cho OPC Server trên máy tính trạm. o Nhận các lệnh điều khiển máy do OPC Server gửi xuống hay do Tay
chuông (Telegraph Unit) điều khiển thông qua các lối vào số, thực hiện điều khiển máy bằng các lối ra số thông qua các thuật toán điều khiển tương ứng với từng lệnh.
o Khi xuất hiện các tình trạng nguy hiểm (do tín hiệu báo từ các đầu vào số hay do tính toán - như tốc độ máy quá cao...), MEC Box thực hiện chức năng bảo vệ bằng cách đưa ra các tín hiệu giảm tốc hay dừng máy để tránh xảy ra sự cố đối với người và máy móc liên quan.
Dựa trên nguyên lý hoạt động trên, Đề tài tiến hành thiết kế phần mềm cấp điều khiển cơ sở hệ MEC gồm các module sau:
- Module phần mềm xử lý đo lường, cảnh báo. - Module phần mềm điều khiển máy chính. - Module phần mềm xử lý bảo vệ.
- Module phần mềm truyền thông.
- Module phần mềm giám sát trên máy tính.
3.3.2 Tính năng của các module phần mềm
3.3.2.1 Module phần mềm xử lý đo lường, cảnh báo
Để máy chính hoạt động bình thường thì các hệ thống phụ trợ gồm Hệ thống dầu bôi trơn (LO), Hệ thống dầu nhiên liệu (FO), Hệ thống nước làm mát máy, Hệ thống khí đều phải hoạt động bình thường thể hiện qua các thông số nhiệt độ, áp suất, mức... Theo Quy phạm TCVN 6277 :2003 « QUY PHẠM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÀ TỪ XA » trên tàu thuỷ và tham khảo một số tài liệu, các thông số sau cần được giám sát:
TT Thông số
Hệ thống dầu bôi trơn (LO)
1 Áp suất đầu vào dầu bôi trơn máy chính và làm mát piston thấp
2 NĐđầu vào dầu bôi trơn máy chính và làm mát piston cao 3 NĐđầu ra dầu làm mát piston cao 4 NĐổđỡ cao 5 NĐổ bi trục chính cao 6 Bộ lọc LO bẩn 7 Mức LO trong két chứa thấp 8 Mức LO trong két dầu cặn cao 9 Mức LO trong két dầu thải cao
Hệ thống dầu nhiên liệu (FO)
10 Áp suất đầu vào phun cao áp FO thấp 11 Mức dầu FO trong két dầu rò rỉ cao 12 Mức FO trong két trực nhật thấp 13 Mức FO trong két dầu cặn cao 14 Mức FO trong két dầu thải cao Hệ thống nước làm mát máy 15 Áp suất đầu vào nước làm mát thấp 16 Nhiệt độđầu ra nước làm mát cao
17 Mức nước làm mát máy chính trong két giãn nở thấp 18 Hàm lượng muối trong bơm nước sạch cao
19 Hàm lượng dầu trong nước thải trên mức bình thường
Hệ thống khí
20 Nhiệt độđầu ra khí xả cao
21 Áp suất khí khởi động máy chính thấp 22 Áp suất khí điều khiển thấp
Máy chính
1 Tốc độ máy chính từ đầu vào nối với Tacho. 2 Đếm tích luỹ số vòng quay máy chính
3 Máy chính STOP 4 Máy chính E STOP 5 Máy chính TIẾN 6 Máy chính LÙI
7 Chế độđiều khiển : Local/ ECR/BR
Trên thực tế máy chính không phải chỉ có 1 Xilanh nên khi đó sẽ phải giám sát nhiệt độ đầu ra dầu làm mát và nhiệt độ đầu ra khí xả cao của từng piston.
Tính năng cảnh báo thực hiện trên cở sở so sánh các thông sốđo lường trên với các giá trị ngưỡng (được thiết lập trong Bảng tham số hệ thống) hoặc từ các tín hiệu báo về từ các bộ cảnh báo ngưỡng nhiệt độ, áp suất (Temperature, Pressure Switch). Chi tiết xin xem "Hồ sơ thiết kế phân hệ MEC"
3.3.2.2 Module phần mềm điều khiển máy chính
3.3.2.2.1Khởi động
+ Giai đoạn chuẩn bị: Thực hiện via máy, khởi động bơm nước làm mát, khởi động bơm dầu bôi trơn độc lập, bật công tắc nguồn, chọn vị trí điều khiển, kiểm tra máy không có bất thường.
+ Giai đoạn khởi động: Từ trạng thái dừng, lệnh khởi động được thực hiện như trên hình 3.3. Đầu tiên các van STOP được kích hoạt để ngắt dầu vào động cơ, van BOOST mở để đưa tốc độ về mức thấp nhất để hạn chế nhiên liệu khi bắt đầu khởi động, trục cam được điều khiển để dịch chuyển theo hướng Tiến (Lùi) đã chọn bằng van Tiến (Lùi). Khi trục cam đã ở đúng vị trí và có lệnh START thì kiểm tra các điều kiện khởi động, ngắt van STOP và mở van START để đưa khí khởi động với áp suất khoảng 20 kg/cm2
vào làm quay động cơ, tốc độ động cơ nhanh dần. Nếu sau một thời gian T_ST (10s) mà tốc độ động cơ không đạt mức khởi động (n<nStart = 0,15 đến 0,2 ndm) thì cắt khí khởi động, báo khởi động không thành công và sau đó hệ thống phải trở về trạng thái bình thường để chuẩn bị cho lần khởi động sau. Nếu khởi động thành công (n>nStart) thì cắt khí khởi động đểđộng cơ tự chạy, sau khoảng thời gian chờ cho máy ổn định (T_GOV) thì van BOOST ngắt, từ đó tốc độ động cơđược điều chỉnh bằng cần đặt tốc độ.
Có lệnh TIẾN / LÙI ? ME : STOP
Xóa Flag START FAILURE
Điều khiển trục cam theo hướng đã chọn: - Van Stop : ON Để ngắt ngắt dầu đốt - Van Boost : ON Đểđưa tốc độđặt về MIN
- Van Tiến/Lùi : ON Đểđưa trục cam theo hướng đã chọn
Trục Cam ởđúng vị trí Tiến/Lùi ?
Van STOP : OFF (Sẵn sàng cấp dầu đốt)
Delay 2s Van Tiến/Lùi : OFF
Thỏa mãn các điều kiện khởi động ?
Các điều kiện khởi động : - Hộp sốở vị trí “không cài”
- Áp suất dầu bôi trơn không quá thấp - Trạng thái “Dừng khẩn cấp” đã được xóa - Áp suất chai gió khởi động không quá thấp
Khởi động máy chính: Van START : ON Máy chính bắt đầu quay nhờ áp lực khí khởi động. Động cơ bắt đầu nổ. Kích hoạt bộđếm thời gian START T_ST A N Y Y N Y END N - Nếu Đ/K từ ECR : Tay điều khiển
từ STOP đưa về trước (TIẾN) hoặc ra sau (LÙI).
- Nếu Đ/K từ BR : Flag TIẾN (LÙI) tích cực được dựng.
Hình 3. 3: Lưu đồ thực hiện lệnh START
3.3.2.2.2 Đảo chiều
Từ trạng thái Tiến (Lùi) mà có lệnh LÙI (TIẾN) thì quá trình đảo chiều sẽ được thực hiện như trên hình 3.3. Chức năng này là sự kết hợp 2 quá trình: dừng máy và khởi động máy chính theo chiều ngược lại. Đầu tiên các van STOP được kích hoạt để ngắt dầu vào động cơ làm tắt động cơ, tốc độ máy n giảm dần. Khi n<nStart , van BOOST mở để đưa tốc độ về mức thấp nhất. Khi n<nRevers , trục cam được điều khiển để dịch chuyển theo hướng Lùi (Tiến) đã chọn. Khi trục cam đã ở đúng vị trí và n<nStop thì ngắt van STOP và nếu có
lệnh START thì mở van START để đưa khí khởi động vào làm quay động cơ theo chiều ngược lại, sau đó tiếp tục thực hiện quá trình START.
3.3.2.2.3Dừng máy chính
Khi có lệnh dừng trong các trường hợp sau: Flag STOP được dựng nếu trong chế độ “Từ xa từ BR” hoặc tay điều khiển được đưa về vị trí STOP nếu trong chế độ “Từ xa từ ECR”. Lúc đó sẽ có tín hiệu mở van STOP để tác động vào thanh răng nhiên liệu (fuel handle) để ngắt nhiêu liệu làm tắt động cơ.
3.3.2.3 Module phần mềm xử lý bảo vệ
3.3.2.3.1 Giảm tốc khẩn cấp máy chính
Khi có một trong các cảnh báo nguy hiểm yêu cầu giảm tốc khẩn cấp (bảng 3.5.4), i Ship-M sẽ tạo tín hiệu mở van SLOW DOWN để giảm tốc độ máy về mức SLOW.
3.3.2.3.2 Dừng khẩn cấp máy chính
Thao tác này xảy ra khi tàu bị sự cố hoặc máy chính bị sự cố, với các khả năng sau:
• Dừng sự cố bằng tay bằng các phím “Dừng khẩn cấp” tại Buồng lái, tại buồng điều khiển ECR hoặc tại buồng máy. Các công tắc này được đấu song song và tác động trực tiếp tới van E STOP trong buồng máy làm ngắt nhiên liệu
• Khi có một trong các sự cố nguy hiểm yêu cầu dừng khẩn cấp (bảng 3.5.3), i Ship-M sẽ tạo tín hiệu mở van E STOP để dừng máy.
Khi đó Tình trạng E STOP này sẽ được i Ship-M được lập tức thông báo cho các cấp của hệ MEC và khi đó lệnh START sẽ bị khoá. Tình trạng này được xoá (để khởi động lại sau khi các sự cố đã được khắc phục) bằng cách đưa thanh răng nhiên liệu trong buồng máy về vị trí STOP.
Khi phím Kiểm tra báo động trên i Ship-M được bấm, i Ship-M sẽ tạo tín hiệu bật tất cảc các lối ra điều khiển đèn và còi cảnh báo để kiểm tra khả năng hoạt động bình thường của các thiết bị cảnh báo theo yêu cầu của TCVN 6277 :2003
3.3.2.3.4 Khoá liên đới
• Khi máy đang quay với tốc độ lớn hơn mức đảo chiều nRevers thì không thể di chuyển trục cam
• Máy chính chỉ chạy được nếu tất cả các điều kiện sau được thoả mãn : o Không ở trong trạng thái E. STOP
o Trục cam đã ở đúng vị trí;
o Hộp sốđảo chiều không được gài số;
o Giá trị các đại lượng sau không nhỏ hơn giá trị ngưỡng: § Áp suất dầu bôi trơn máy chính;
§ Áp suất đầu vào nước làm mát;
§ Áp suất dầu điều khiển van khí xả máy chính;
• Khoá liên đới vòi phun dầu đốt: Khi máy chính trong điều kiện sau thì dầu đốt không được cung cấp (van STOP làm việc):
o Nếu trục cam đang chuyển động;
o Nếu vị trí của trục cam không tương ứng với hướng của máy chính; • Trong trường hợp mất nguồn trong khi máy chính đang làm việc, máy
chính phải giữ nguyên trạng thái như trước khi xảy ra mất nguồn. Tuy nhiên khi đó các van solenoid không làm việc nên phải chuyển về chế độ điều khiển Local tại buồng máy.
• Trong trường hợp xảy ra mất khí điều khiển, máy chính cần giữ nguyên trạng thái như trước khi sự cố, nhưng tốc độ máy chính giảm đến tốc độ dead-slow sau một khoảng thời gian nhất định.
3.3.2.4 Module phần mềm quản lý, giám sát từ hệ thống máy tính trạm
Hệ MEC được thiết kế với khả năng kết nối với máy tính trạm, kết nối được với hệ thống mạng chung (Modbus, Ethernet) của tàu biển. Các chức
năng quản lý của phần mềm và các giao diện được trình bày trong "Hồ sơ thiết kế Hệ Giám sát". Sau đây là ví dụ về hai giao diện trạm thao tác
3.4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CỤ THỂ
3.4.1 Sơđồ khối Hệ điều khiển máy chính MEC
Qua khảo sát một số máy thông dụng với động cơ diesel như Man B&W, Hanshin hay Sulzer Denis ta thấy các thao tác điều khiển/bảo vệ nói chung giống nhau. Sơ đồ khối chi tiết của Hệ điều khiển máy chính MEC dược thể hiện trên hình 3.4.
3.4.2 Các chế độĐiều khiển máy chính
Chế độ chạy của máy chính do công tắc Remote/Local tại buồng máy ER và công tắc BR/ECR tại buồng điều khiển máy ECR quy định.
Chế độ Công tắc Remote/Local Công tắc BR/ECR Mô tả Bằng tay tại chỗ
Local X Điều khiển máy trực tiếp tại ER thông qua bộđiều khiển trực tiếp DGU
Từ xa từ ECR
Remote ECR Điều khiển máy từ ECR thông qua bộ tay chuông (Telegraph Unit)
Từ xa từ BR
Remote BR Điều khiển máy từ Buồng lái thông qua màn hình điều khiển trên cấp giám sát
3.4.3 Cách thức điều khiển máy chính
• Tay chuông lệnh - Telegraph Unit là thiết bị độc lập để liên kết giữa người chỉ huy trên buồng lái (thông qua Telegraph Order) và người vận hành máy trong ECR (thông qua Telegraph Receiver với bộ đặt tốc độ) để thực hiện các lệnh Start; Stop; Tiến, Lùi và đặt tốc độ. • Telegraph Receiver có các LS có các tín hiệu (On/Off) TIẾN, LÙI,
START kết nối với đầu vào của bộ điều khiển i Ship-M để truyền lệnh.
• Bộđiều khiển i Ship-Mđiều khiển máy chính :
o Nhận các lệnh Start; Stop; Tiến, Lùi từ Telegraph Receiver (trong chế độ Từ xa từ ECR) hoặc từ cấp giám sát (trong chế độ Từ xa từ BR) để điều khiển máy chính thông qua các thuật toán tương ứng.
o Thực hiện chức năng tự động bảo vệ để điều khiển Giảm tốc hoặc Dừng sự cố.
Điều khiển từ cấp giám sát (trên Buồng lái BR) của hệ MEC
• Trên màn hình điều khiển trên cấp giám sát có đèn báo vị trí điều khiển (chếđộ điều khiển) Local/ ECR/BR
• Khi là vị trí BR thì mới cho phép điều khiển từ màn hình giám sát • Các phím lệnh điều khiển : Start; Stop; Tiến, Lùi có Confirm được gửi
xuống i Ship-Mđể thực hiện.
3.4.4 Đấu nối tín hiệu giữa i Ship-M với buồng máy
Trong mô hình thử nghiệm hệ MEC, các thông số cần giám sát cảnh báo và bảo vệ tuân theo yêu cầu trong TCVN 6277 :2003 « QUY PHẠM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÀ TỪ XA » trên tàu thuỷ, đồng thời tham khảo đặc tả của một tàu dầu 13.500 DWT do SDARI thiết kế. Các tín hiệu lấy từ buồng máy trong mô hình chỉ là những tín hiệu cơ bản nhất và được tối thiểu hoá (ví dụ không giám sát riêng từng cụm xi lanh/ pistong mà chỉ giám sát chung cả máy). Điều này không làm mất đi tính thực tế của mô hình. Khi triển khai thực tế chỉ cần mở rộng các đối tượng cần giám sát là được.
Sơ đồ đấu nối tín hiệu I/O giữa i Ship-M với máy chính và các hệ thống phụ trong buồng máy được trình bày trên các hình 3.6. và 3.7.
Một số ký hiệu viết tắt:
Ký hiệu Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt
ME Main Engine Máy chính
E STOP Emergency Stop Dừng khẩn cấp
PT Pressure Transmitter Bộđo áp sất 4-20mA TT Temperature Transmitter Bộđo nhiệt độ 4-20mA PS Pressure Switch Bộ phát hiện quá áp suất
DPS Difference Pressure Switch Bộ phát hiện chênh áp suất TS Temperature Switch Bộ phát hiện quá nhiệt
LS Limit Switch Công tắc hành trình
FLS Float Limit Switch Bộ báo mức dạng phao nổi
3.5 THỬ NGHIỆM HỆ MEC
Yêu cầu: Thiết bị thử phải đạt được các yêu cầu về chất lượng của đề tài đồng thời phải phù hợp với các yêu cầu theo Quy phạm TCVN 6277 :2003 « QUY PHẠM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÀ TỪ XA » trên tàu thuỷ.
3.5.1 Danh mục thiết bị trạm điều khiển i Ship-M Số