Đồ án Tổng quan về trang thiết bị điện tàu 700TEU - Đi sâu nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình vật lý hệ thống giám sát diesel lai máy phát

) có điện, đóng tiếp điểm K102 (2/D6) chờ sẵn và đóng tiếp điểm thường mở K102(4/D3), mở tiếp điểm thường đóng K102 (4/D3) => đèn HL12 sáng báo D/G đang chế độ sẵn sàng hoạt động. Sau đó ta ấn nút khởi động tại chỗ LOCAL SB12 (page 2) => rơle K104 có điện và rơle thời gian KT101 có điện. Quá trình khởi động tương tự như điều khiển từ xa REMOTER như đã thuyết minh ở trên. c. Dừng D – G. Muốn dừng D/G ta có thể dừng tại chỗ LOCAL hoặc dừng từ xa REMOTE : - Dừng tại chỗ : Khi D/G đang hoạt động muốn dừng D/G ta ấn nút SB11(P2) => K108(P2) có điện, đóng tiếp điểm K108(2/D10) => rơle K107(P2) có điện, đóng tiếp điểm K107(2/D13) => van điện từ 105V có điện đóng của dầu đốt FO. Mở tiếp điểm K107(2/E2) dừng cấp điện cho các rơle điều khiển quá trình khởi động D/G => Dừng động cơ D/G. - Dừng từ xa : Để dừng D/G từ xa ta ấn nút SB(S3A-S4A) => rơle K108 có điện, đóng tiếp điểm K108(2/D10) => rơle K107(P2) có điện, đóng tiếp điểm K107(2/D13) => van điện từ 105V có điện đóng của dầu đốt FO. Mở tiếp điểm K107(2/E2) dừng cấp điện cho các rơle điều khiển quá trình khởi động D/G => Dừng động cơ D/G. Lớp : ĐTT46ĐH-1 53 Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh 3.2.2. Các báo động và bảo vệ. a. Báo động và bảo vệ khi áp lực dầu bôi trơn thấp. Khi Diesel- máy phát hoạt động thì làm cho rơle K111 có điện. Tiếp điểm của K111 ở 3/E7 đóng lại sẵn sàng cấp điện cho rơle K115. Khi áp suất dầu LO giảm thì tiếp điểm của cảm biến 163Q2 đóng lại => rơle trung gian K115 và K117 có điện: + Tiếp điểm của K115 (3/D12) đóng => rơle trung gian K118 có điện. + Tiếp điểm của K115 (4/D5) đóng vào cấp điện cho đèn báo áp lực dầu LO thấp sáng. + Tiếp điểm của K117 (3/D12) đóng vào cấp điện cho 105S cắt dầu FO cấp cho Diesel- máy phát. + Tiếp điểm của K117 (3/D13) đóng => rơle K119 có điện. + Rơle K119 có điện đóng tiếp điểm K119 (4/G9) => cấp điện cho khối A106 báo Diesel- máy phát bị dừng sự cố => K130(P3) có điện, đóng tiếp điểm K130(1/G7) => chuông kêu báo động áp lực dầu bôi trơn D/G thấp. Muốn tắt chuông báo động ta ấn nút SB13 => K130(P4) mất điện => chuông dừng kêu. Tiếp điểm của K119 (4/D6) đóng lại cấp điện cho đèn HL18 sáng báo Diesel- máy phát bảo vệ dừng máy. Quá trình dừng máy do bảo vệ giống như quá trình dừng khi ta ấn nút STOP ở chế độ điều khiển dừng Diesel- máy phát. b. Báo động và bảo vệ khi nhiệt độ nước ngọt làm mát cao. Khi máy phát đã hoạt động thì rơle trung gian K112 có điện làm cho tiếp điểm của K112 (3/E8) đóng đưa mạch bảo vệ nhiệt độ nước làm mát vào hoạt động. Khi nhiệt độ nước làm mát cao quá giới hạn cho phép đã đặt thì cảm biến 126W2 hoạt động đóng tiếp điểm của nó vào => các rơle trung gian K116 và K117 có điện: + Tiếp điểm của K116 (3/D13) đóng => rơle trung gian K118 có điện. + Tiếp điểm của K116 (4/D5) đóng => đèn HL17 có điện báo nhiệt độ nước làm mát cao. + Tiếp điểm của K117 (3/D12) đóng vào cấp điện cho 105S cắt dầu FO cấp cho Diesel- máy phát. + Tiếp điểm của K117 (3/D13) đóng vào làm cho rơle K119 có điện. Rơle K119 có điện đóng tiếp điểm K119 (4/G9) cấp điện cho khối A106 báo Diesel- máy phát bị dừng sự cố=> K130(P3) có điện, đóng tiếp điểm K130(1/G7) => chuông kêu Lớp : ĐTT46ĐH-1 54 Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh báo động nhiệt độ nước làm mát D/G cao. Muốn tắt chuông báo động ta ấn nút SB13 => K130(P4) mất điện => chuông dừng kêu . Tiếp điểm của K119 (4/D6) đóng lại cấp điện cho đèn HL18 sáng báo Diesel- máy phát bảo vệ dừng máy. Quá trình dừng máy do bảo vệ giống như quá trình dừng khi ta ấn nút STOP ở chế độ điều khiển dừng Diesel- máy phát. c. Báo động khi áp lực dầu bôi trơn ở tuabin thấp. Khi áp lực dầu bôi trơn ở tuabin thấp thì tiếp điểm 163QT(P4) mở ra => K1 mất điện => đèn HL19(P4) sáng báo áp lực dầu bôi trơn tuabin thấp và rơle K130(P4) có điện, đóng tiếp điểm K130(2/G7) => chuông HA kêu báo động áp lực dầu bôi trơn tua bin thấp, tắt chuông ta ấn nút SB13. d. Báo động khi áp lực khí điều khiển thấp. Khi áp lực khí điều khiển thấp thì tiếp điểm 163AC(P4) mở ra => K1 mất điện => đèn HL110 sáng báo áp lực khí điều khiển thấp và rơle K130(P4) có điện, đóng tiếp điểm K130(2/G7) => chuông HA kêu báo động áp lực khí điều khiển thấp, tắt chuông ta ấn nút SB13 . e. Báo động khi mức dầu LO trong két thấp. Khi mức dầu trong két thấp thì tiếp điểm 133Q(P4) mở ra => K1 mất điện => đèn HL111(P4) sáng báo mức dầu trong két thấp và rơle K130(P4) có điện, đóng tiếp điểm K130(2/G7) => chuông HA kêu báo động mức dầu trong két thấp, tắt chuông ta ấn nút SB13. f. Báo động khi có sự rò rỉ dầu bơm cao áp. Khi dầu FO bị rò rỉ thì tiếp điểm 133F mở ra => rơle thời gian KT106 mất điện sau thời gian trễ 10s đóng tiếp điểm KT106(4/G5) = đèn HL112 sáng báo dầu FO bị rò rỉ và rơle K130(P4) có điện, đóng tiếp điểm K130(2/G7) => chuông HA kêu báo động mức dầu trong két bị rò rỉ cao, tắt chuông ta ấn nút SB13. g. Báo động khi có sự chênh lệch áp lực trước và sau phin lọc. Khi áp lực dầu lọc LO trước và sau phin lọc giảm thì tiếp điểm ( L1A-L2A ) mở ra => đèn HL113 sáng báo áp lực dầu lọc LO giảm và rơle K130(P4) có điện, đóng tiếp điểm K130(2/G7) => chuông HA kêu báo động áp lực dầu lọc giảm, tắt chuông ta ấn nút SB13. Lớp : ĐTT46ĐH-1 55 Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh 3.3. Hệ thống điều khiển và giám sát D - G tàu 700 teu. 3.3.1. Nguyên lý hoạt động : Hình 3.1. Giao diện điều khiển. Trước khi điều khiển D/G chạy ta phải làm thao tác via máy, để máy tránh sức ì và không bị kẹt. Sau khi via máy xong tiếp điểm K4 (008-4) đóng, tín hiệu ‘Standby start’ được đưa vào (input diode 5)(008-4), khi đó tại output diode 6 (011-5) tín hiệu ‘Diesel ready’ được đưa ra, thông báo D/G sẵn sàng khởi động. Ta bắt đầu khởi động D/G . a . Khởi động bằng chế độ Manual : Bật công tắc chọn (select or switch) sang vị trí số 1 (Manual on) (008-1), ta ấn F3 để chọn chế độ Diesel manual (006), ấn phím F1 để khởi động. Tín hiệu điều khiển sẽ được đưa vào bộ xử lí tín hiệu thông qua đầu vào input diode 1 (008-1), tại đầu ra output diode 1(010-4) rơle K1 có điện sẽ đóng tiếp điểm 13-14 của nó (015-1) khởi động Diesel. • Nếu khởi động thành công, tại đầu ra output diode 5 (011-4) tín hiệu sẽ báo hiển thị trên màn hình ‘Diesel running’. • Nếu khởi động không thành công ta ấn nút F8 (006) để Reset và khởi động lại. Nếu sau khoảng 3 lần không thành công liên tiếp hệ thống sẽ báo lỗi không khởi động được thông qua hệ thống báo động chung Collective alarm (012-7), khi đó rơle K5 sẽ có điện đóng tiếp điểm 13-14 (015) báo động không khởi động được “reset failure”, đồng thời hiển thị trên màn hình lỗi không khởi động được. Lớp : ĐTT46ĐH-1 56 Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh b. Khởi động bằng chế độ Auto: Bật công tắc chọn (select or switch)(008-1) sang vị trí số 2 (Auto on), ta ấn F4 để chọn chế độ Diesel automatic (006), tín hiệu chọn chế độ tự động (Automatic on) được đưa ra ở output diode 7 (011-6) và được hiển thị trên màn hình. Nếu không có tín hiệu trên đầu vào input 8( reset failure) thì Diesel – máy phát sẽ tự động khởi động. Hệ thống có thể khởi động 3 lần cách nhau 5 giây khi không khởi động thành công và sẽ đưa ra tín hiệu báo động start failure => Rơle K4 đóng và tín hiệu khởi động sẽ được đưa về cho lần khởi động tiếp theo khi hệ thống đang ở chế độ Auto và có tín hiệu Ready. Tín hiệu khởi động D/G sẽ mất đi khi có tín hiệu tốc độ(input 13) hoặc điện áp máy phát > 85% (input9). Nếu máy phát đồng trục được chọn và tất cả các máy phát đều để ở chế độ Auto thì D/G 1 sẽ khởi động trước và lần lượt theo trình tự các máy còn lại. c. Điều khiển từ xa (Remote Start – Remote Stop) : Để điều khiển từ xa ta ấn nút ON (008-6), tín hiệu Remote Start (input diode 6) sẽ được đưa vào, tại output diode 1 (010-4) rơle K1 có điện, đóng tiếp điểm 13-14 (015- 1) để khởi động Diesel. Khởi động thành công hay không thành công máy sẽ hiển thị trên màn hình . Để dừng từ xa ta ấn nút OFF (008-6), tín hiệu ‘Remote Stop’(input diode 7)(008- 6) sẽ được đưa vào, tại output diode 2 (010-5) tín hiệu ‘Stop Diesel’ được đưa ra, rơle K2A, K2 có điện sẽ đóng các tiếp điểm 13-14 (015-4 & 015-3) dừng Diesel . 3.3.2. Báo động và bảo vệ D/G. a. Áp lực dầu bôi trơn thấp. Khi áp lực dầu bôi trơn giảm dưới mức cho phép Pcp > 3 Kg/cm2 thì tín hiệu áp lực dầu thấp (Oil pressure min) sẽ được cảm biến áp lực dầu Sensor oil pressure đưa vào input diode 11(009-3), khi đó tiếp điểm tại (009-3) được đóng lại, tín hiệu bảo vệ Wirebr oil press (input diode 3) (008-3) được đưa vào, sau khi được xử lí tín hiệu ra là Collective alarm (out diode 12)(012-8) báo động sẽ được hiển thị trên màn hình và ở các đèn báo, đồng thời tín hiệu Stop Diesel (output diode 2)(010-5), rơle K2A, K2 có điện sẽ đóng các tiếp điểm 13-14 (015-4 & 015-3) để mở Aptomat dừng Diesel. Lớp : ĐTT46ĐH-1 57 Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Các thống số báo động và bảo vệ áp lực dầu bôi trơn thấp: + Mức Alarm : P = 3 Kg/cm2 + Mức D/G stop: P = 2,5 Kg/cm2 b . Nhiệt độ nước làm mát cao. Khi nhiệt độ nước làm mát tăng vượt ngưỡng đặt Tmax ≥ 850 C, tín hiệu nhiệt độ nước làm mát cao (Cool water temp max) sẽ được cảm biến nhiệt Senso cool water temp đưa vào input diode 12, khi đó tiếp điểm (009-4) đóng lại, tín hiệu bảo vệ Wirebr cool w temp (input diode 4)(008-4) được đưa vào, sau khi xử lí tín hiệu ra là Collective alarm (out diode 12)(012-8) báo động sẽ được hiển thị trên màn hình và ở các đèn báo, đồng thời tín hiệu Stop Diesel (out put diode 2) (010-5), rơle K2A, K2 có điện sẽ đóng các tiếp điểm 13-14 (015-4 & 015-3) để mở Aptomat dừng Diesel. c . Động cơ bị quá tốc. Khi động cơ bị quá tốc n ≥ 720 vòng/phút, tiếp điểm 009-5 sẽ đóng tín hiệu Over speed được đưa vào từ input diode 14 (009-5), sau khi xử lí tín hiệu ra là Collective alarm (out diode 12)(012-8) báo động sẽ được hiển thị trên màn hình và ở các đèn báo, đồng thời tín hiệu Stop Diesel (out put diode 2) (010-5), K2A, K2 có điện sẽ đóng các tiếp điểm 13-14 (015-4 & 015-3) để mở Aptomat dừng Diesel . 3.4. Đánh gíá ưu nhược điểm của các hệ thống điều khiển và giám sát. 3.4.1. Đặc điểm cấu trúc chung của các hệ thống điều khiển và giám sát các thông số D- G. Hầu hết các hệ thống điều khiển và giám sát đều có cấu trúc chung như sau: LÖnh §iÒu KhiÓn ThiÕt BÞ NhËn TÝn HiÖu Vµo HÖ Thèng Xö Lý Trung T©m ThiÕt BÞ Thùc HiÖn §T B¸o §éng TÝn HiÖu B¶o VÖ TÝn HiÖu C¸c Th«ng Sè §T Hình 3.2. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển và giám sát Lớp : ĐTT46ĐH-1 58 Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Ta thấy rằng, đối tượng điều khiển được tác động bằng các thông số điều khiển từ bên ngoài thông qua quá trình tác động của con người hoặc các dạng thông số tín hiệu bên ngoài như nhiễu, các thông số biến dạng do điều kiện làm việc và thời gian làm việc. Khi lệnh điều khiển được tác động thì thông qua các thiết bị trung gian nhận các tín hiệu vào rồi tiến hành chuyển các tín hiệu này đến hệ thống xử lý tín hiệu ( có thể là trung tâm xử lý tín hiệu trung tâm hoặc trung tâm xử lý tín hiệu trung gian) các dạng tín hiệu này sẽ được xử lý đê tiến hành chuyển đổi các dạng tín hiệu đầu vào thành các dạng tín hiệu chuẩn sẽ được đưa ra các đấu ra của hệ thống xử lý tín hiệu. Một mặt các tín hiệu ra sẽ tác động đến các thiết bị hiện trường( thiết bị chấp hành để tiến hành điều khiển các đôi tượng điều khiển) mặt khác nó có thể so sánh với các thông số đã được cài đặt sẵn trong hệ thống để thực hiện thêm chức năng báo động và giám sát thông số và quá trình hoạt động của đối tượng điều khiển. Khi quá trình tự động hoá trên thế giới ngày càng phát triển. Độ tin cậy của các linh kiện điện tử và khả năng tích hợp cao có tính ưu việt đang được sử dụng nhiều trên các hệ thống thực tế hiện nay. Các hệ thống giám sát không còn bó gọn trong việc báo động bằng các dạng thông tin hiển thị thông thường như bằng đèn, còi... mà chúng càng ngày càng được hoàn thiện hơn với nhiều dạng hiển thị cũng như nhiều mức độ bảo vệ, xử lý khác nhau. 3.4.2. Đánh giá ưu, nhược điểm của các hệ thống điều khiển, giám sát D- G. a. Ưu điểm. Qua một số hệ thống điều khiển, giám sát thực tế trên tàu ta thấy rằng : Các hệ thống điều giám sát hệ D – G hiện nay đều sử dụng các hệ thống với chuẩn công nghiệp bằng việc chuẩn hoá các thông số đầu vào và chuẩn hoá các thông số đầu ra cơ bản là sử dụng các thiết bị điều khiển chuyên dùng kết hợp với các hệ chuẩn đã tạo ra sự đồng bộ hoá hoạt động dẫn đến khả năng làm việc tin cậy, nâng cao tính ổn định, khả năng vận hành dễ dàng và khả năng nâng cấp, sửa chữa của các hệ thống. Các hệ thống hiện nay hầu như được trang bị thêm chức năng giám sát các thông số, tín hiệu dạng liên tục như áp lực, nhiệt độ, áp suất, quá trình đóng mở, thời gian làm việc... mà các hệ thống cổ điển trước kia chưa có. Ngoài ra, các hệ thống còn chứng tỏ tính ưu việt của mình thông qua việc tiến hành thu thập dữ liệu về một trung tâm duy nhất giúp cho người vận hành khai thác có thể cùng lúc giám sát điều khiển được nhiều thông số cùng một lúc mà không cần nhiều đến thao tác vận hành. Việc thu thập dữ liệu về máy tình bằng việc áp dụng các chuẩn truyền thông công nghiệp cũng như việc xử lý tín hiệu và tác động trả lại các thiết bị hiện trường cũng trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn nhiều. Lớp : ĐTT46ĐH-1 59 Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Một số các tàu hiện nay còn được trang bị khả năng truyền dẫn không dây, tức là các tín hiệu các thông số hoạt động của con tàu sẽ được truyền trực tiếp về trung tâm điều hành xử lý trên đất liền để có thể hỗ trợ kỹ khi xảy ra sự cố hoặc khó khăn trong vận hành khai thác. b. Nhược điểm. Các thiết bị tự động đang được áp dụng các hệ thống theo chuẩn công nghiệp như PLC hay thiết bị tích hợp với nhiều ưu điểm vượt trội về mặt công nghệ cũng như khả năng làm việc tin cậy, vận hành đơn giản dễ dàng song nó cũng vẫn còn tồn tại những hạn chế khó tránh khỏi. Do được chế tạo từ các linh kiện bán dẫn nên hệ thống càng tích hợp nhiều linh kiện điện tử thì độ tin cậy của hệ thống càng suy giảm. Ngoài ra, các hệ thống hiện nay còn được thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm biến thông qua nhiều trạm trung gian và quá trình xử lý cũng còn chia nhiều cấp độ để xử lý do đó tính ổn định của hệ thống còn có hạn chế. Môi trường làm việc khắc nghiệt trên tàu thuỷ cũng là một trở ngại rất lớn đối với các hệ thống giám sát hiện nay. Tuy được sử dụng các thiết bị đã được chuẩn công nghiệp hóa nhưng thực tế thì các điều kiện công tác trên tàu như : sự rung lắc, nồng độ muối cao, sự biến động liên tục của nhiệt độ và các tác động của các nhiễu như sóng, gió, nồng độ dầu... cũng làm phần nào làm suy giảm khả năng hoạt động và thời gian, tuổi thọ và độ chính xác của các thiết bị. Ở nước ta, một thực tế là trình độ khai thác của các thuyền viên cũng như của người vận hành hiện nay còn nhiều hạn chế. Tuy các hệ thống được trang bị nhiều chức năng tuy nhiên khả năng khai thác và sử dụng theo đúng qui trình cũng như việc theo dõi các thông số của người vận hành vẫn chưa linh hoạt, do đó dẫn đến việc không sử dụng hết hoặc dẫn đến tâm lý ngại sử dụng các chức năng của hệ thống. Các hệ thống trang bị trên tàu tuy đã được tính toán hết sức cặn kẽ về khả năng công nghệ cũng như yêu cầu làm việc tuy nhiên sẽ có nhiều tình huống, nhiều yêu cầu khai thác vận hành thực tế mà các hệ thống này chưa đáp ứng được hết. Việc cải tiến các hệ thống còn chậm trễ và chưa thực sự được nâng cấp theo nhu cầu của ngành đóng tàu hiện nay. Xu hướng hiện đại hoá đang được phát triển, tầm hoạt động của các con tàu cũng ngày càng mở rộng, do đó sự hoạt động an toàn và ổn định là vấn đề rất qua trọng. Khi xảy ra sự cố thì các hệ thống này thể hiện tính ưu việt là cho phép tự động giám sát và bảo vệ các thông số báo động quan trọng. Nó giúp người vận hành sửa chữa nhanh chóng phát hiện ra hỏng hóc cũng như tiến hành sửa chữa, khắc phục hỏng hóc đó một cách linh hoạt và nhanh chóng. Tuy nhiên, một hệ thống tích hợp càng hiện đại thì đòi hỏi khả năng của người sửa chữa càng cao và có đủ điều kiện để khắc phục, trong khi việc sử Lớp : ĐTT46ĐH-1 60 Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh dụng các module giám sát và thu thập dữ liệu hiện nay lại cho thấy sự bất tiện cũng như khả năng sửa chữa là khó khăn và không khả thi nếu không có sự tham gia của các chuyên gia kỹ thuật của các hãng sản suất lớn. Do đó, khả năng bảo dưỡng, sửa chữa các hệ thống giám sát này là khó khăn và gây ra trở ngại rất lớn nếu quá trình hỏng hóc ảnh hưởng đến quá trình vận hành của con tàu trong điều kiện thời tiết xấu hoặc trong các tình trạng khẩn cấp như điều động, tránh va và giữ thăng bằng cho tàu khi có giông bão... Một vấn đề còn tồn tại nữa là tính kinh tế của các hệ thống này lả không cao. Chi phí ứng dụng lắp đặt các hệ thống này tường đối lớn, quá trình áp dụng để vận hành hệ thống cũng đòi hỏi chi phí để đào tạo người vận hành. Trong khi thực tế hiện nay, không phải tàu nào cũng có thể áp dụng các hệ thống này vì nó sẽ nâng giá thành đóng mới các con tàu và từ đó giảm tính kinh tế trong khai thác và vận hành. Các tàu trong nước có trọng tải nhỏ, mà yêu cầu khai thác vẫn không đổi do đó không thể áp dụng các hệ thống hiện nay để giám sát và điều khiển các thông số. Việc đòi hỏi tìm ra một hệ thống với chức năng tương tự nhưng lại có khả năng thay thế dễ dàng, tính ứng dụng cao và tính kinh tế lớn là một yêu cầu cần thiết trong giai đoạn nền kinh tế và ngành đóng tàu đang suy thoái hiện nay. Lớp : ĐTT46ĐH-1 61 Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh CHƯƠNG 4 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT D – G 4.1. Đề xuất cấu hình của hệ thống giám sát D – G. 4.1.1. Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống. Hiển thị LCD Tủ giám sát D - G Hình 4.1a. Cấu trúc chung của hệ thống. 4.1.2. Các thiết bị và cảm biến. a. Các loại cảm biến. • Cảm biến dạng ON/OFF: Vỏ cảm biến thường được làm bằng đồng hoặc nhôm, kín nước hoặc chịu được dầu. Trong vỏ cảm biến có một nam châm bị động, một cặp tiếp điểm và cọc nối dây. Các nam châm cùng cực đẩy nhau khi đến gần. Hình 4.1b. Cấu tạo cảm biến mức dạng phao. Lớp : ĐTT46ĐH-1 62 Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Hình 4.2.Cảm biến phao kiểm tra mức lacan Hình 4.3. Cảm biến kiểm tra mức nước két Cảm biến mức dạng điện cực: Với cảm biến điện cực dạng điện cực, khi mức chất lỏng ngập cả hai điện cực, xuất hiện dòng điện chạy qua hai cực và chất lỏng cấp điện cho Rơle. Lớp : ĐTT46ĐH-1 63 Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Cảm biến áp suất : Với chất lỏng có độ dẫn điện kém hoặc khu vực dễ cháy nổ ta sử dụng điện cực dạng tụ, tụ điện được nối vào mạch phân áp cho bộ khuyếch đại KĐ, đưa tín hiệu đến so sánh với tín hiệu chuẩn đóng mạch cho Rơle. Với loại cảm biến dạng màng, màng được chế tạo bằng đồng kết cấu theo dạng hộp xếp, áp suất P được đưa vào màng có diện tích A sẽ tạo ra lực đẩy F=P.A, lò xo tạo ra lực phản kháng Flx= -K.x, với x là khoảng dịch chuyển của màng. Nếu F>Flx thì màng được đẩy lên trên tác động làm thay đổi trạng thái tiếp điểm. Với loại piston cũng hoàn toàn tương tự. Với loại ống Bourdon áp suất sẽ làm ống giãn ra làm thay đổi trạng thái tiếp điểm. • Cảm biến tương tự. Cảm biến áp suất loại tương tự Lớp : ĐTT46ĐH-1 64 Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Cảm biến áp suất điện đo áp suất dựa trên nguyên tắc cảm ứng, khi áp suát thay đổi, khoảng cách giữa phần động (1) và phần tĩnh (2) thay đổi, điện cảm cuộn dây thay đổi, đưa vào đầu khuyếch đại KĐ, sau đó biến dổi thành tín hiệu điện, thường tín hiệu ra là dòng điện 4-20mA, hoặc có thể lá điện áp từ 1-5V hoặc tần số. Cảm biến áp suất điện dung đo áp suất dựa trên nguyên tắc điện dung. Khi áp suất thay đổi, khoảng cách giữa các bản cực thay đổi làm thay đổi điện dung, các quá trình tiếp theo xảy ra tương tự. Hình 4.10. Cảm biến nhiệt. Lớp : ĐTT46ĐH-1 65 Đồ án tốt nghiệp Đại học Hình 4.11. Cảm biến nhiệt dùng ống Bourdon Hình 4.12. Hình dáng bên ngoài Nhiệt điện trở được sử dụng trên tàu thuỷ thường có dạng dây hoặc màng mỏng kim loại điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ, phổ biến là kim loại Platin hoặc Niken. Platin được chế tạo với độ tinh khiết cao, cho phép tăng độ thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ, Platin còn trơ về hoá học và ổn định về tinh thể nên cho phép hoạt động tốt trong dải nhiệt độ rộng (-200 ÷ 1000oC). Platin có hai loại được sử dụng là Pt100 và JPt100. Niken có độ nhạy nhiệt cao hơn nhiều so với Platin, điện trở của Niken ở 1000C băng 1,617 so vởi ở 0oC, trong khi đó với Platin chỉ bằng 1,385, tuy nhiên Niken có hoá tính cao hơn, dễ bị Oxy hoá khi nhiệt độ cao, cho nên dải nhiệt độ hạn chế (< 250oC). Ưu điểm của điện trở là không cần dây bù nhiệt, nhược điểm là không đo được nhệt độ cao. Cặp nhiệt ngẫu là một mạch có ít nhất hai thanh dẫn kim loại khác nhau (Ni, Ni- Cr) nối với nhau tại hai điểm, điểm nối số 1 sẽ đặt ở cảm biến nhiệt độ, điểm nối số 2 sẽ đặt ở bên ngoài, khi nhiệt độ giữa hai điểm nối này khác nhau thì trong hai thanh dẫn sẽ xuất hiện dòng điện, khi để hở mạch điểm nối số 2 thì sẽ xuất hiện sức điện động và sức điện động này biến thiên theo nhiệt độ. Cặp nhiệt ngẫu có 3 loại : loại J (IC) sử dụng cho dải nhiệt độ (0-7500C), C, K (CA) sử dụng cho dải nhiệt độ 0÷1600oC. Ưu điểm của cặp nhiệt ngẫu là đo được nhiệt độ cao, nhược điểm là phải sử dụng dây bù nhiệt. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 66 Đồ án tốt nghiệp Đại học 4.1.3. Xây dựng cấu trúc hệ thống. Cấu trúc chung của hệ thống như sau: Biến đổi A/D Xử lý thuật toán Báo động Trung tâm xử lý Bảo vệ Hiện thị màn hình LCD Biến đổi và khuyếch đại Cảm biến và đo Khối đo Hình 4.13. Cấu trúc hệ thống báo động kiểm tra. Khối đo : bao gồm khối cảm biến + khối cảm biến và khuyếc đại. - Khối cảm biến : là các loại cảm biến thường dùng trên tàu thuỷ. Nhiệt độ, áp suất, độ chuyển dịch, mức các két, góc quay, chiều dài ..được biến đổi thành các tín hiệu liên tục (dạng điện trở, điện cảm, điện dung, điện áp ..). - Khối khuyếch đại : chuyển đổi các tín hiệu vật lý thành tín hiệu chuẩn 0÷5V hoặc từ 4÷20mA và khuyếch đại tín hiệu. Có thể so sánh giá trị đo với ngưỡng để có tín hiệu cảnh báo sự cố hoặc bảo vệ khi cần. Khối trung tâm xử lý: bao gồm khối biến đổi A/D và khối xử lý thuật toán. - Khối biến đổi A/D : biến đổi các dạng tín hiệu On/Off hoặc tín hiệu liên tục thành tín hiệu số gửi tới khối xử lý thuật toán. - Khối xử lý thuật toán: nhận dữ liệu và mã hoá dữ liệu đồng thời so sánh và gửi tín hiệu báo động và đưa tín hiệu hiển thị ra màn hình LCD. Khối màn hình LCD : Hiển thị giá trị các thông số giám sát. Khối báo động và khối bảo vệ : báo động và bảo vệ thiết bị ngoại vi dựa trên cơ sở dữ liệu của trung tâm xử lý. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 67 Đồ án tốt nghiệp Đại học 4.1.4. Lựa chọn các hệ thống giám sát và bảo vệ. a. Hệ thống tự động kiểm tra và báo động sử dụng Rơle. Thö ®Ìn vµ reset C¸c th«ng sè t¸c ®éng tøc thêi Tk Rk SkSk Lk Rk Sk Sk SENSOR k V+ CLOCK 0V Tk TIMER Tn Rn SnSn Ln Rn Sn Sn SENSOR n Tn TIMER LT ACC L BZ R R R R1 R2 R3 RnR3 V~ V~ Các thông số báo động có trễ Báo động Hình 4.14. Sơ đồ mạch hệ thống TĐKT và báo động bằng RƠLE Trên sơ đồ này vẽ minh hoạ một số kênh ON/Off không trễ và có trễ, mạch báo động ngoài (còi, đèn quay). • Nguyên lý hoạt động như sau : Giả sử xét kênh thứ nhất: Khi bình thường, rơle R1, S1 không có điện, đèn không sáng, còi không kêu. Khi xảy ra sự cố, tiếp điểm SENSOR 1 đóng, rơle R1 có điện, đóng tiếp điểm cấp nguồn xung nhấp nháy (1÷2Hz) cho đèn nháy, đóng tiếp điểm cho còi và đèn quay hoạt động. Ấn nút nhận biết sự cố (Accept), rơle S1 có điện, mở tiếp điểm thường đóng ngắt điện R1,đóng tiếp điểm cấp nguồn liên tục cho đèn, đèn chuyển từ sáng nháy sang sáng liên tục, R1 mở ngắt điện còi và đèn quay. Khi hết sự cố, tiếp điểm SENSOR 1 mở , đèn tắt hệ thống trở lại bình thường. Thử đèn : ấn nút Test, tất cả các đèn đều sáng, đèn nào không sáng là bị hỏng, cần được thay thế. Ưu điểm hệ thống sử dụng rơle là đơn giản, tin cậy. Nhược điểm là chỉ thực hiện được những thuật toán cơ bản, và các kênh ON/Off, khó thực hiện các thuật toán cho các kênh tương tự. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 68 Đồ án tốt nghiệp Đại học b. Hệ thống kiểm tra các thông số sử dụng cạc rời. Sơ đồ khối : CB BD Xử lý thông số Máy tự ghi Rơle Accept 3 2 1 + CB Test Acquy Hình 4.15. Sơ đồ hệ thống dùng card rời. Các hệ thống loại này thường được trang bị trên các tàu đóng trước năm 1980 và vẫn được trang bị trên các tàu đóng tại các nước t iển. Đặc điểm của hệ thống này là có kết cấu tương đối đơn giản nhưng tính n ng kỹ thu t cao. Khối CB : lấy tín hiệu từ đối tượng cần kiểm tra thông số (máy phát, diezen) đưa vào đầu vào của bộ biến đổi BD. Trong đó cảm biến thường dùng hai loại : • CB liên tục : các thông số lưu lượng, áp suât, nhiệt độ • CB không liên tục : các rơle. Khối BD : biến đổi tín hiệu đầu vào để đưa vào các khối xử lý số (các hàm logic). Khối xử lý các ng số: xử lý các thông số đầu vào, đưa ra máy tự ghi và báo độn 1 ho Sinh g đèn, chuông thôn ua các rơle báo động. Thông thườ các khối này báo động cho ặc 2 thông số. viên : Nguyễn Qthô g quang Thịnh Lớp : thôngng…tr ậch ă ậm pháĐTT46-ĐH-1 69 Đồ án tốt nghiệp Đại học c. Hệ thống kiểm tra các thông số sử dụng PLC và máy tính PC. Hệ thống ngày này được trang bị trên các tàu đóng mới hiện đại, có thể khái quát sơ đồ như sau : Cảm biến ON/OF Cảm biến tương tự Chỉ thị và Rơ le Đèn Đèn quay Còi PLC Máy tính/ thiết bị tự ghi Bảo vệ Test Hình 4.16. Hệ thống kiểm tra các thông số sử dụng PLC và máy tính PC. Khối chỉ thị và rơle có chức năng chỉ thị các thông số tương tự và đưa ra tác động rơle, trên khối này có núm chỉnh giá trị giới hạn để báo động và bảo vệ. PLC hoặc bộ vi xử lý thực hiên toàn bộ thuật toán tạo trễ, báo động, nhận biết sự cố… Tro t số tàu người ta sử dụng các bộ vi xử lý thay cho PLC với chức năng và nhiệm vụ tương tự, người ta sử dụng một card chủ điều hành các card rời, mỗi card rời ứng với một nhóm thông số riêng biệt, hệ thống loại này thể hiện sự cơ động hơn rất nhiều so với hệ sử dụng PLC. Nhận xét : các hệ thống iểm tra ngày nay có cấu trúc đa dạng, xử lý và thông báo cho người sử dụng heo nhiều cách khác nhau nhưng cơ bản vẫn là tuân thủ các yêu cầu, chức năng chung của hệ thống. Sinh viênng mộ : Nguyễn Quang T tự động k vận hành thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 70 Đồ án tốt nghiệp Đại học d. NHẬN XÉT. Sau khi khảo sát và nghiên cứu tình hình thực tế các hệ thống kiểm tra dưới tàu thuộc đội tàu Việt Nam và nước ngoài, ta nhận thấy các hệ thống sử dụng rơle-contactor có cấu trúc khá đơn giản, được lắp đặt trên các tàu cũ, những tàu đóng mới hiện nay hầu như không lắp đặt hệ thống này nữa do không đáp ứng được nhu cầu khai thác, không có tính năng giám sát trong hệ thống, không có khả năng lưu nhật ký báo động… Nói chung hệ thống loại này không đáp ứng được nhu cầu phát triển của công nghiệp đóng tàu hiện nay. Hệ thống sử dụng card rời có kết cấu khá cồng kềnh nhưng tính cơ động của hệ thống cao, trong khai thác có thể kiểm tra tình trạng hệ thống đơn giản, khi hỏng hóc có thể thay thế các card rời mà không ảnh hưởng tới các thông số khác đang làm việc. Thông thường hệ thống gồm hai phần, phần chỉ bảo các thông số ON/Off như báo mức, nhiệt độ, áp lực… mỗi thông số có một card riêng rẽ. Phần hai chỉ báo các thông số biến đổi liên tục thông qua các đồng hồ Quart, mỗi thông số một đồng hồ, các thông số đầu vào được đưa vào các khối xử lý tín hiệu ra ở dạng chuẩn từ 4÷20mA hoặc là từ 1÷5V, như vậy hệ thống có bao nhiêu thông số phải có bấy nhiêu bộ xử lý, điều này tạo sự cồng kềnh không cần thiết của hệ thống. Ưu điểm hơn cả là hệ thống sử dụng PLC hoặc vi xử lý kết hợp với máy tính, hệ thống có khả năng giám sát tất cả các thông số trên máy tính, các thông số được quản lý từ một trung tâm, trung tâm đó điều hành và xử lý tín hiệu trước khi đưa đi hiển thị hoặc đưa vào máy tính. Tất cả các tín hiệu đầu vào là đại lượng vật lý đều được chuyển sang tín hiệu chuẩn từ 4÷20mA hoặc từ 1÷5V trước khi đưa vào trung tâm tạo ra sự đồng bộ và đơn giản trong xử lý tín hiệu cho trung tâm điều hành. Ngoài ra hệ thống còn có khả năng kết nối trực tiếp với các hệ thống khác tạo thành một khối liên kết, từ đó thuận tiện cho việc tự động hoá toàn bộ con tàu. Đứng trước thực tế như vậy cho thấy việc xây dựng và chế tạo hệ thống mới có tính năng cao hơn để thay thế những hệ thống cũ hoặc lắp mới trên các tàu đóng mới là cần thiết. Mục tiêu của đề tài là thiết kế chế tạo một hệ thống có khả năng kiểm soát được toàn bộ các thông số báo động và bảo vệ của con tàu, ghi lại thời diểm sảy ra và thời điểm khắc phục sự cố trên máy tính PC, báo động bằng đèn và còi khi xảy ra sự cố, đo các đại lượng áp lực, nhiệt độ, tốc độ… và hiển thị giá trị trên màn hình, lập đồ thị biến thiên theo thời gian của các giá trị đo được, nâng cao chất lượng cho hệ thống đo lường. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 71 Đồ án tốt nghiệp Đại học 4.2. Xây dựng mô hình thực tế. 4.2.1. Thiết kế trung tâm thu thập xử lí tín hiệu dùng vi điều khiển AVR. a. Giới thiệu chung về vi điều khiển AVR. AVR là loại vi điều khiển do hãng ATMEL sản xuất với một số các đặc điểm nổi bật sau: + Kiến trúc RISC(Reduced Instruction Set Computer) với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định truy nhập bộ nhỡ nạp - lưu trữ (load - store) và 32 thanh ghi đa năng. + Kiến trúc đường ống lệnh kiểu hai tầng (Two – Stage Instruction Pipeline) cho phép làm tăng tốc độ thực thi lệnh. + Có chứa nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip bao gồm các cổng vào ra, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEPROM, bộ định thời, UART, bộ định thời RTC, bộ điều chế độ rộng xung(PWM). Đặc điểm này được xem là nổi bật so với nhiều họ vi điều khiển khác. Trên AVR đã tích hợp sẵn : - 48 đường dẫn vào ra lập trình được - Hai bộ truyển nhận UART lập trình được - Một giao diện SPI đồng bộ - Một giao diện TWI đồng bộ tương thích I2C - Ba bộ Timer/Counter 8-bit - Một bộ Timer/Counter 16-Bit với chức năng so sánh bắt mẫu - Bốn đầu ra điều biến độ rộng xung - Một đồng hồ thời gian thực - Một bộ biến đổi ADC 10-Bit với 8 kênh vào - Một bộ phát hiện trạng thái sụt điện áp nguồn nuôi - Một bộ so sánh Analog - Một bộ định thời Watdog. Đây là những chỉ dẫn chung về vi điều khiển này còn số lượng cụ thể thì so thể nhiểu hay ít hơn. + Hầu hết các lệnh (chỉ trừ các lệnh nhảy và nạp/lưu trữ) đều được thực hiện trong một chu kì xung nhịp. + Hoạt động với tần số xung nhịp lên tới 16MHz. So với các vi điều khiển khác trong họ ATMEL thì AVR cho phép tần số xung nhịp tương đối cao. Xung nhịp do bộ dao động tạo ra cũng chính là xung nhịp của hệ thống mà không cần qua một bộ chia tần Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 72 Đồ án tốt nghiệp Đại học nào như trong các vi điều khiển ra đời trước đó nên kéo theo tốc độ xử lí lệnh tương đối cao kết hợp với khả năng thực hiện lệnh trong một chu kì xung nhịp vi điều khiển AVR có khả năng đạt đến tốc độ xử lí 16 MPIS(triệu lệnh trong một giây). Có thể thấy được tốc độ xử lí lệnh của AVR trong giản đồ thực hiện lệnh của một số vi điều khiển theo giản đồ xung sau đây: xong xong xong 2 2 1 1 21 89C51 PIC AVR Xung nhip Hình 4.17: So sánh thời gian thực hiện 2 lệnh trong các vi điều khiển khác nhau. + Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được tích hợp ngay trên chíp. CPU có kiến trúc Harvard tức là bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu riêng biệt. Trên vi điều khiển AVR có tới 3 công nghệ bộ nhớ khác nhau: - Bộ nhớ EPROM xóa được kiểu flash (luôn luôn lập trình mới được) dùng cho người lập trình viết mã chương trình. - Bộ nhớ EEPROM hay PROM xoá được bằng điện nhưng nội dung bộ nhớ vẫn giữ nguyên sau khi tắt điện áp nguồn nuôi. Chương trình người dùng có thể được lập trình trong thời gian thực khi hệ thống đang hoạt động. - Bộ nhớ RAM tĩnh (SRAM) dùng cho các biến, nội dung của bộ nhớ sẽ mất đi khi tắt điện áp nguồn nuôi. Ngoài ra AVR có tới 32 thanh ghi làm việc tất cả đều được nối trực tiếp tới khối ALU (khối số học và logic) được trao đổi trực tiếp trên vùng địa chỉ bộ nhớ cụ thể là 32 ô đầu tiên của bộ nhớ (0x00 đến 0xFF) tương ứng với các thanh ghi làm việc R0 đến R31. + Khả năng lập trình được trong hệ thống. Do cách thiết kế và công nghệ bộ nhớ được sử dụng mà các vi điều khiển có thể lập trình ngay cả khi đang cấp nguôn trên bản mạch, không cần phải nhấc chíp ra khỏi bản mạch như vi điều khiển của các họ khác, hình thức này được gọi là hình thức lập trình tại chỗ(in situ). Các cổng giao tiếp RS232 và SPI cho phép dễ dàng thực hiện thao tác lập trình trên hệ thống tức là bộ nhớ chương trình có thể được lập trình theo hai chế độ nối tiếp hoặc song song. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 73 Đồ án tốt nghiệp Đại học + Được đóng vỏ với 8 chân đến 64 chân để thích ứng với nhiều loại ứng dụng khác nhau, từ các ứng dụng có chi phí thấp với các vi điều khiển TINY 8 chân(loại DIP hoặc SOIC) đến những loại thông dụng 20 hoặc 44 chân và cuối cùng là loại MEGA- AVR với 40 chân hai hàng(DIP) hoặc 64 chân kiểu đóng vỏ vuông(TQFP). Loại có vỏ 64 chân là bước đột phá chưa có đối thủ cạnh tranh về khả năng xử lí(với 16 bit) và cả giá thành. + Có tốc độ xử lí lớn hơn đến 12 lần so với các vi điều khiển CISC thông thường. + Hỗ trợ việc lập trình bằng các ngôn ngữ bậc cao, chẳng hạn như C. + Có mạch đặt lại trạng thái mỗi khi cấp lại điện áp nguồn nuôi cho hệ thống. + Có bộ định thời ngay trên chip và lập trình được với mạch chia tần só (Prescaler) tách biệt. Bộ định thời này được sử dụng cho các ứng dụng có sự phân định thời gian của các sự kiện. + Có các nguồn ngắt bên trong và bên ngoài. + Có bộ định thời Watchdog trên chip và lập trình được với bộ dao động độc lập. Khối này có tác dụng khôi phục lại trạng thái hoạt động của hệ thống trong trường hợp xảy ra lỗi(treo khi chạy phần mềm ). + Có chế độ hoạt động SLEEP(ngủ) và POWER DOWN(nghỉ) giảm dòng tiêu thụ khi không cần thiết. Đặc điểm này cho phép tiết kiệm năng lượng khi bộ xử lí không có công việc cần xử lí. + Được chế tạo bằng công nghệ CMOS 0.6um. + Điện áp làm việc được cho phép thay đổi trong khoảng rộng từ 2.7V cho đến 6.0V nên cho phép thể hiện ưu điểm rõ rệt trong các thiết bị xách tay, sử dụng pin. Với các thiết bị sử dụng pin thì một chỉ tiêu quan trọng là giảm dòng tiêu thụ. Thường thì tần số xung nhịp của hệ thống càng lớn thì dòng tiêu thụ càng lớn, vì vậy muốn giảm dòng tiêu thụ thì nên lựa chọn tần số giữ nhịp trong phạm vi cho phép. Ngoài ra việc hạ thấp điện áp nguồn nuôi cũng cho phép làm giảm dòng tiêu thụ hay kéo dài thời gian làm việc của pin. + AVR có tập lệnh gồm 133 lệnh cho phép lập trình bằng hợp ngữ. b. Cấu trúc và tài nguyên. Trong đồ án có sử dụng vi điều khiển ATMEGA16L là một vi điều khiển thuộc họ vi điều khiển AVR. Vi điều khiển này được đóng vỏ kiểu DIP 40 chân. Dưới đây là hình dạng vi điều khiển ATMEGA16L Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 74 Đồ án tốt nghiệp Đại học Hình 4.18. Sơ đồ chân của vi điều khiển ATMEGA16. c. Đặc trưng cơ bản của vi điều khiển ATMEGA16. + Là vi điều khiển 8-bit + Vơi tập lệnh rút ngọn 131 lệnh (RISC) và hầu hết các lệnh được thực hiện trong một chu kì xung nhịp. + Có 32 thanh ghi 8-bit là các thanh ghi làm việc chung. + MEGA16 có thể làm việc với dao động có tần số 16MHz tức là có thể thực hiện 16 triệu lệnh trong một giây. + MEGA16L làm việc với tần số dao động tối đa 8MHz. + Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu riêng rẽ. + Bộ nhớ chương trình với dung lượng 16K Bytes có thể ghi/xoá 10000 lần. + Có thể nạp chương trình ngay trên bản mạch khi hệ thống đang hoạt động điều này làm cho hệ thống hết sức linh hoạt. + Bộ nhớ dữ liệu với dung lượng 512 Bytes có thể ghi/xoá 100000 lần. + Bộ nhớ RAM có dung lượng 1K Bytes + Có thể khoá mã chương trình làm tăng tính bảo mật + Có hai Timer/Counter 8-bit + Có một timer 16-bit + Có đồng hồ thời gian thực Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 75 Đồ án tốt nghiệp Đại học + Bốn kênh ra điều biến độ rộng xung + Có bộ ADC 10-bit với 8 kênh vào + Các giao diện truyển thông I2C, UART, SPI + Có bộ định thời Watchdog với bộ dao động độc lập trên chip + Có bộ so sánh tương tự + Có sáu chế độ ngủ: Idle, ADC Noise Reduction, Power-Save, Power-Down, Standby, Extended Standby + 32 chân vào ra lập trình được. 4.2.2. Thiết kế hộp giám sát, hiển thị và giải thuật giám sát. a. Sơ đồ mặt trước của hộp giám sát. ALARM LIGHT MODE BUTTON TEST ACCEPT RESET MODE UP DOWN Hình 4.19. Mặt trước của tủ giám sát thiết kế. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 76 Đồ án tốt nghiệp Đại học b. Sơ đồ giải thuật giám sát và bảo vệ. S Bắt đầu Kiểm tra D- G hoạt động Kiểm tra sự cố và hiển thị Kiểm tra tính chất sự cố Báo chuông và đèn Báo tên sự cố Phát lệnh dừng D - G Đóng van S.V. E Stop Đ Đ Đ Sự cố nguy hiểm Đ S Đ Đã báo T ≥ 40 s S Đ S Đã báo Có sự cố S D – G đang hoạt động S 1 Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 77 Đồ án tốt nghiệp Đại học Khẳng định sự cố Tắt chuông Mất sự cố Tắt đèn chỉ tên sự cố Đ Đ Đ Đã khẳng định Tắt chuông Mất sự cố Tắt đèn 1 S S S S Đ Kết thúc Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 78 Đồ án tốt nghiệp Đại học 4.3. Cài đặt thông số. 4.3.1. Lựa chọn thiết bị, thông số cho các cảm biến. a. Cảm biến nhiệt độ. Hình 4.20. Cảm biến nhiệt độ. Ngày nay dưới sự phát triển của khoa học kỹ thuật người ta đã tích hợp những mạch transistor đo nhiệt độ thành những IC đo nhiệt độ hoàn hảo, được ứng dụng nhiều trong thực tế. • Ưu điểm: Thuận tiện trong sử dụng, độ chính xác cao, giá thành hạ,… • Nhược điểm: Khoảng nhiệt độ đo được hạn chế: -50 – 150oC. Nguyên lý hoạt động: Nhận tín hiệu thay đổi nhiệt độ dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ rồi chuyển thành các đại lượng điện như điện áp, dòng điện,… Một số loại IC đo nhiệt độ: - AD 590: Ngõ ra là điện áp. Độ nhạy 1A/oK. Độ chính xác +4oC. Nguồn cấp Vcc = 4 – 30V. Phạm vi đo: -55 – 150oC - LM135, LM235, LM335: Ngõ ra là điện áp. Độ nhạy 10mV/1oC. Dòng làm việc vào khoảng 400uA – 500uA. Sai số 1.5oC khi nhiệt độ lớn hơn 100oC. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 79 Đồ án tốt nghiệp Đại học Phạm vi đo: Lm335: -10 – 125oC Lm235: -40 – 140oC Lm135: -55 – 200oC Lm35: -55 – 150oC Sau khi nghiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ, thấy được ưu điểm của IC đo nhiệt độ là dễ sử dụng, độ chính xác cao,… Nên việc lựa chọn dùng IC để đo nhiệt độ, cụ thể là dùng IC LM35 là phương án tối ưu. ™ Lựa chọn cài đặt thông số ngưỡng bảo vệ nhiệt độ ban đầu cho hệ thống là 850C. ™ Ngoài ra, để tăng tính linh động cho hệ thống để có thể áp dụng trong thực tế thì hệ thống còn có thể cài đặt lại ngưỡng bảo vệ nhiệt độ theo yêu cầu thực tế. ™ Cách cài đặt như sau: ƒ Ấn nút mode để màn hình LCD chuyển sang phần hiển thị nhiệt độ. ƒ Khi màn hình đã hiển thị nhiệt độ ta ấn nút “Up” để cài đặt tăng ngưỡng bảo vệ nhiệt độ và ấn nút “Down” để cài đặt giảm ngưỡng bảo vệ nhiệt độ. b. Cảm biến áp lực, áp suất. Hình 4.21. Cảm biến áp suất thực tế. Chất môi đo : dầu, nước, khí và những chất môi khác. Đặc điểm : - Điều chỉnh điện trở bằng lazer để bù đắp nhiệt độ, phạm vi đo nhiệt lớn. - Năng lực chịu tải, chịu xung kích lớn. - Tính năng chống ăn mòn tốt, ứng dụng cho nhiều dung môi. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 80 Đồ án tốt nghiệp Đại học - Mạch điện bảo vệ quá áp, quá dòng. - Ứng dụng silic khuyếch tán nhập ngoài hoặc mảnh lõi gốm. - Tinh chế nhỏ gọn, dễ lắp đặt. Thông số kỹ thuật: - Phạm vi đo : trong khoảng 0 - 35 Mpa. - Mức đo nhỏ nhất : 5 Kpa.( cảm biến silic khuyếch tán); 30 Kpa ( cảm biến gốm). - Độ chính xác đo : + Cảm biến silic : cấp A : ±0.25%FS. cấp B : ±0.5%FS + Cảm biến gốm : cấp A : ±0.5%FS cấp B : ±1%FS - Nhiệt độ môi giới : -30 ~ 85 oC. - Nhiệt độ môi trường : - 20 ~ 85oC. - Điện áp nuôi : 12 ~ 32 VDC. - Điện áp ra : 0 ~ 5 V. - Dòng ra : 4 ~ 20 mA. - Thời gian phản ứng ≤ 100ms. - Dao động ở điểm 0 của nhiệt lực : ≤ ±0.2% FS/oC. ™ Lựa chọn cài đặt thông số ngưỡng bảo vệ áp suất ban đầu cho hệ thống là 3 Kg/cm2. ™ Ngoài ra, để tăng tính linh động cho hệ thống để có thể áp dụng trong thực tế thì hệ thống còn có thể cài đặt lại ngưỡng bảo vệ áp suất theo yêu cầu thực tế. ™ Cách cài đặt như sau: ƒ Ấn nút mode để màn hình LCD chuyển sang phần hiển thị áp suất. ƒ Khi màn hình đã hiển thị nhiệt độ ta ấn nút “Up” để cài đặt tăng ngưỡng bảo vệ áp suất và ấn nút “Down” để cài đặt giảm ngưỡng bảo vệ áp suất. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 81 Đồ án tốt nghiệp Đại học c. Cảm biến tốc độ. Hình 4.22. Cảm biến tốc độ. Thông số kỹ thuật : - Điện áp nuôi : 5 VDC. - Tần số : 100 Khz. - Độ phân giải : 10 ~ 2000 xung/ vòng. - Dòng tiêu thụ Imax: 160mA. - Sai số : ±0.2% ™ Lựa chọn cài đặt thông số ngưỡng bảo vệ quá tốc ban đầu cho hệ thống là 720vòng/phút. ™ Ngoài ra, để tăng tính linh động cho hệ thống để có thể áp dụng trong thực tế thì hệ thống còn có thể cài đặt lại ngưỡng bảo vệ quá tốc theo yêu cầu thực tế. ™ Cách cài đặt như sau: ƒ Ấn nút mode để màn hình LCD chuyển sang phần hiển thị tốc độ. ƒ Khi màn hình đã hiển thị nhiệt độ ta ấn nút “Up” để cài đặt tăng ngưỡng bảo vệ tốc độ và ấn nút “Down” để cài đặt giảm ngưỡng bảo vệ tốc độ. 4.3.2. Cài đặt thông số báo động và bảo vệ cho hệ thống. Việc cài đặt thông số báo động và bảo vệ cho hệ thống được thực hiện bằng 2 phương pháp: ™ Hệ thống ban đầu đã được cài đặt các thông số bảo vệ theo qui định của đăng kiểm đề ra và sẽ tiến hành giám sát liên tục giá trị thực tế của các thông số này, nếu giá trị của các thông số này vượt qua giá trị ngưỡng thì thông qua trung tâm xử lý tín hiệu sẽ đưa ra các tín hiệu báo động và bảo vệ cho Diesel lai máy phát. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 82 Đồ án tốt nghiệp Đại học ™ Ngoài ra, để nâng cao tính cơ động và mềm dẻo cho hệ thống thì trên mặt tủ giám sát có thêm các nút ấn cho phép cài đặt lại các thông số ngưỡng báo động và bảo vệ theo ý muốn của người vận hành và theo tình trạng kỹ thuật của máy. 4.4. Mô hình vật lí và cách vận hành hệ thống. 4.4.1. Mô hình vật lí. a. Sơ đồ nguyên lý mạch giám sát bằng vi điều khiển AVR. • Khối nguồn. Hình 4.23. Mạch nguyên lý khối tạo nguồn. • Khối tín hiệu. Hình 4.24. Mạch nguyên lý khối tín hiệu đầu vào. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 83 Đồ án tốt nghiệp Đại học • Khối xử lý trung tâm. Hình 4.25. Mạch nguyên lý khối xử lý trung tâm dùng AVR. • Khối thực hiện. Hình 4.26. Mạch nguyên lý khối thực hiện. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 84 Đồ án tốt nghiệp Đại học b. Mạch thực hiện. • Mạch dùng Orcad – Layout. Hình 4.27. Sơ đồ mạch khi layout. • Mạch hoàn thiện. Hình 4.28. Mạch hoàn thiện. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 85 Đồ án tốt nghiệp Đại học c. Tủ giám sát. Hình 4.29. Tủ giám sát 4.4.2. Vận hành hệ thống. Để hệ thống làm việc một cách an toàn và hiệu quả thì người vận hành, khai thác và lắp đặt cần tuân thủ một số các yêu cầu như sau: - Tủ điều khiển được đặt vào vị trí thuận lợi cho việc kiểm tra giám sát. - Trong quá trình đấu nối với thiết bị ngoại vi cần xử dụng đúng các loại thiết bị chuẩn. - Hệ thống giám sát 3 thông số là nhiệt độ, áp suất và tốc độ nhưng có thể kết nối thêm một số các thông số theo yêu cầu. - Các thông số giám sát được hiển thị thông qua màn hình LCD, việc lựa chọn hiện thị các thông số được chọn thông qua nút Mode. - Hệ thống có thể nhận biết, khẳng định sự cố của từng thông số giám sát thông qua các nút ấn đặt trên mặt tủ. - Các đèn báo, còi sử dụng điện áp 14VDC, nếu hỏng hóc phải thay thế đúng chủng loại. - Khối nguồn có thể lấy 3 cấp điện áp là: 5VDC cấp cho vỉ điều khiển trung tâm, 12VDC cấp cho các Rơle trung gian, 24VDC cấp cho nguồn đèn. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 86 Đồ án tốt nghiệp Đại học - Các nút ấn đều là nút ấn hoàn nguyên được. - Hệ thống được cài đặt thông số sẵn trong chương trình và có thể cài đặt lại thông số bảo vệ từ các nút ấn bên ngoài hoặc trực tiếp trên vỉ điều khiển. - Môi trường làm việc khắc nghiệt nên các phần tử có thể xảy ra hỏng hóc, việc thay thế các thiết bị mới phải đúng theo yêu cầu, chủng loại và thông số. 4.5. Kết quả đạt được. Sau 3 tháng làm việc, với sự nỗ lực của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo đặc biệt là sự giúp đỡ của thầy giáo, Ths. Kiều Đình Bình và Ks. Nguyễn Hữu Quyền đồ án của em đã đạt được các kết quả như sau: ™ Những kết quả của đồ án: - Giám sát thành công 3 thông số của Diesel lai máy phát là nhiệt độ, áp suất và tốc độ. - Hoàn thành được tủ điều khiển và hiện thị thành công các thông số thông qua màn hình LCD. - Hệ thống có thể đưa ra các tín hiệu báo động và có thể khẳng định sự cố ngay trên tủ điều khiển. - Hệ thống làm việc ổn định, có độ chính xác cao, các chỉ thị rõ ràng và liên tục. - Nguyên lý của hệ thống rõ ràng, đúng thuật toán đề ra và phù hợp với yêu cầu của thực tế. - Hệ thống mang tính thực tiễn, tính ứng dụng cao có thể áp dụng được trong thực tế, kiểm soát nhiều thông số. - Việc cài đặt, vận hành và đấu nối đơn giản, thay thế thuận tiện và tính kinh tế cao. ™ Những hạn chế còn tồn tại của đồ án: - Các thông số giám sát, hiển thị của hệ thống còn ít. - Việc chỉ thị các thông số qua màn hình LCD chưa thực sự thuận tiện vì không cùng lúc xem được các thông số giám sát và bảo vệ. - Khả năng kết nối với các thiết bị chuyên dùng còn hạn chế. - Không trang bị thêm phần truyền thông để kết nối với các hệ thống giám sát chung. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 87 Đồ án tốt nghiệp Đại học KẾT LUẬN Đối với hệ thống có nhiều đầu vào ra lớn có thể thiết kế dạng hệ thống mở với nhiều modun riêng biệt kết nối với modun chính. Kết luận và kiến nghị : Đồ án nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát các thông số tàu thuỷ bằng máy tính đã thực hiện nội dung sau : Phân tích một số hệ thống điện trên tàu Container 700 teu HEIMAN J để tìm hiểu vể trang thiết bị trên tàu đóng mới hiện nay, nắm bắt, học hỏi các công nghệ tiên tiến trên thế giới và tìm tòi tư liệu để thiết kế hệ thống cho phù hợp với thực tế và xu hướng phát triển của thế giới. Đồ án đã khái quát được toàn bộ chức năng, yêu cầu, nguyên tắc và thuật toán điều khiển đối với hệ thống tự giám sát và bảo vệ các thông số Diesel lai máy phát, giới thiệu tổng quan về các loại cảm biến thường được sử dụng trên tàu thuỷ. Đồ đã trình bày một số vấn đề có liên quan về chip Vi Điều Khiển ATMEGA16, cách ghép nối giữa Vi Điều Khiển và IC số… Để giám sát hoặc tiến hành điều khiển các quá trình thực thông qua tủ điều khiển trước hết phải kết nối giữa hệ thống và thiết bị ngoại vi. Một chương trình điều hành hệ thống phải có khả năng đảm nhận việc thu thập thông tin bên ngoài và điều khiển các thiết bị ngoại vi, vì thế đồ án này trình bày về truyền thông giữa phần cứng và phần mềm và xu hướng phát triển của mạng truyền thông trên thế giới. Tủ giám sát khá đơn giản, dễ dàng trong vận hành, phần cứng làm việc tương đối ổn định là ưu điểm của hệ thống này. Tuy nhiên việc thử nghiệm trong môi trường thực sẽ tạo điều kiện để người làm đề tài nâng cao chất lượng của hệ thống lên để thích ứng với mọi môi trường làm việc. Việc đồ án được ứng dụng trong thực tế là mong ước của em khi hoàn thành đồ án này. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 88 Đồ án tốt nghiệp Đại học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. NguyÔn BÝnh (1993), §iÖn tö vµ c«ng suÊt, Nhµ xuÊt b¶n §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi. [2]. TS. NguyÔn ThÞ Ph−¬ng Hµ (1996), Bµi tËp ®iÒu khiÓn tù ®éng, Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ KÜ thuËt . [3]. TS. NguyÔn ThÞ Ph−¬ng Hµ (1996), §iÒu khiÓn tù ®éng tËp 1, tËp 2, Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ KÜ thuËt. [4]. NguyÔn ThÞ Ngäc Mai (2002), Visual Basic 6.0 vµ LËp tr×nh c¬ së d÷ liÖu, Nhµ xuÊt b¶n lao ®éng - x· héi, Hµ Néi. [5]. V¨n ThÕ Minh (2000), KÜ thuËt vi xö lý, NXB Gi¸o dôc. [6]. Tèng V¨n On, Hoµng §øc H¶i (1999), Hä vi ®iÒu khiÓn 8051, NXB Lao ®éng – X· héi. [7]. Ng« Diªn TËp (2001), §o l−êng vµ ®iÒu khiÓn b»ng m¸y tÝnh, NXB Khoa häc vµ Kü thuËt. [8]. Ng« Diªn TËp (2002), Vi xö lý trong ®o l−êng vµ ®iÒu khiÓn, NXB Khoa häc vµ Kü thuËt. [9]. Ng« Diªn TËp (2001), Kü thuËt vi ®iÒu khiÓn AVR, NXB Khoa häc vµ Kü thuËt. [11]. Ng« Diªn TËp (2001), Vi diÒu khiÓn víi lËp tr×nh C, NXB Khoa häc vµ Kü thuËt. [12]. PGS, TS NguyÔn Träng ThuÇn (1986), Mét sè vÊn ®Ò vÒ ®iÒu khiÓn tù ®éng truyÒn ®éng ®iÖn, Nhµ xuÊt b¶n §¹i häc b¸ch khoa Hµ Néi. Sinh viên : Nguyễn Quang Thịnh Lớp : ĐTT46-ĐH-1 89