các quy trình côngnghệ chế tạo phần tử, thiết bị

tổng công ty công nghiệp tàu thủy việt nam
công ty cơ khí - điện - điện tử tàu thủy
_________________________________________________

Chơng trình KHCN cấp nhà nớc KC 06
"ứng dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuất sản phẩm xuất
khẩu và sản phẩm chủ lực"

Dự án

Chế tạo một số phần tử và thiết bị điều khiển,
đo lờng quan trọng trên tàu thủy
bằng phơng pháp chuẩn module và ứng dụng
các công nghệ tiên tiến
Mã số KC 06. DA.13.CN
______________________________________________________

Chuyên đề: các quy trình côngnghệ chế tạo phần tử, thiết bị

ThS Nguyễn sỹ hiệp

5473-3

Hà Nội - 5/2005


I. Sự cần thiết áp dụng quy trình công nghệ chế tạo phần
tử thiết bị ........................................................................................................... 4
II. Các công nghệ quan trọng từng đợc lựa chọn trong
quá trình chế tạo phần tử, thiết bị .................................................. 4
2.1. Công nghệ tích hợp vi mạch và lập trình ..............................................4

2.1.1. Họ vi điều khiển MCS51 ...................................................................5
2.1.2. Vi điều khiển PIC .............................................................................6
2.1.3. Vi điều khiển AVR ............................................................................8
2.1.4. Công nghệ ASIC...............................................................................9
2.1.4.1. Full-Custom Asic ........................................................................10
2.1.4.2. Standard-Cell-Based Asic:...........................................................10
2.1.4.3. Gate-Array-Based Asics..............................................................11
2.1.4.4. Programable Logic Devices: .......................................................11
2.1.4.5. Field-Programable Gate Arrays (FPGA): ...................................13
2.2. Vấn đề truyền dữ liệu và mạng công nghiệp.......................................16
2.2.1. Cấu trúc chung cho các phần cứng giao diện mạng............................17
2.2.1.1. Ghép nối các thiết bị trờng ........................................................18
2.2.1.2. Phần mềm giao diện mạng ..........................................................19
2.2.2. Thiết lập hệ thống mạng trên tàu thuỷ (SCADA) ................................19
2.2.2.1. Khái quát chung ..........................................................................19
2.2.2.2. Cấu trúc cơ bản hệ thống SCADA trên tàu thuỷ .........................20
2.2.2.3. Hệ SCADA trên tàu thuỷ.............................................................21
3. Công nghệ bảo vệ ..................................................................................23
III. Sơ đồ quy trìnhcông nghệ chế tạo ..........................................27
3.1. Sơ đồ quy trình công nghệ ..................................................................27
3.2. Các bớc thực hiện. ............................................................................28
3.2.1. Bớc 1: Thông tin đầu vào ..............................................................28
3.2.2. Bớc 2: Lựa chọn giải pháp tối u ...................................................28
3.2.2.1. Phơng pháp thiết kế chuẩn module ...........................................28
3.2.2.2. Các bớc cơ bản trong thiết kế sản phẩm module.......................29
3.2.2.3. Lựa chọn các thiết bị và giải pháp thiết kế..................................30
3.2.3. Bớc 3: Mua sắm nhập linh kiện......................................................36
3.2.4.Bớc 4: Thiết kế mẫu mã, kiểu dáng công nghiệp................................36
3.2.5. Bớc 5: Lắp ráp, tích hợp các thiết bị `` ...........................................38
3.2.6.Bớc 6: TEST trên các dụng cụ kiểm định ..........................................39

3.2.7. Bớc 7: Bảo quản, bảo vệ................................................................39
3.2.8. Bớc 8: Gia công vỏ, nhãn mác........................................................39

1


3.2.9. B−íc 9 : L¾p r¸p tæng thÓ, c«ng viÖc ®−îc thùc hiÖn hoµn thiÖn lÇn cuèi
..............................................................................................................39
3.2.10. B−íc 10 : C¸c b−íc thö .................................................................40
IV. KÕt luËn.......................................................................................................40

2


Mở đầu
Sự tiến bộ trong kỹ thuật hiện đại, trớc tiên đợc dựa vào sự tối u hoá kỹ
thuật trong ý nghĩa kinh tế. Tiến bộ kỹ thuật thực chất là tiến bộ kinh tế. Cùng với
sự bùng nổ của công nghệ thông tin thì các phần tử và thiết bị đo trên tàu cũng dần
đợc số hoá thay cho các mạch rơ le, mạch bảo vệ tơng tự. Khoảng từ những năm
70 trở lại đây với sự trợ giúp của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật số, các phần tử
thiết bị đã đợc tối u hoá về kiến trúc hệ thống cũng nh kích thớc vật lý nhng
vẫn đảm bảo đợc những tính năng cơ bản của các phần tử thiết bị, thậm chí còn có
sự nhảy vọt về công nghệ, bổ sung thêm nhiều tính năng cho các thiết bị do có sự
tham gia của các phần tử thông minh.
Trớc đây, các phần tử và thiết bị điều khiển, đo lờng trên tàu hầu hết đợc
chế tạo dới dạng các mạch tơng tự, rời rạc và cồng kềnh, bo mạch là tổ hợp của
các phần tử diode, transitor bán dẫn.. nên kích thớc cơ khí lớn, rất dễ chịu các tác
động của môi trờng biển cũng nh các ảnh hởng rung xóc của môi trờng làm
việc, dẫn đến tình trạng làm việc kém tin cậy, độ chính xác thấp. Khi xảy ra hỏng
hóc thì khó sửa chữa, thay thế do tính đồng bộ của hệ thống và thời gian khắc phục

sự cố thờng kéo dài, ảnh hởng rất lớn đến tiến độ và hiệu quả kinh tế. Đơn cử nh
hệ thống đo báo tập trung các thông số máy chính, với cách thiết kế hệ thống theo
kiểu hệ truyền động cơ khí, các tiếp điểm tác động dới sự điều khiển của các công
tắc tơ, rơ le nên hệ thống sẽ chịu ảnh hởng không nhỏ của trễ, khi có rung xóc của
môi trờng làm việc dễ gây ra các tác động sai lệch dẫn đến kết quả đo thiếu chính
xác. Khi xảy ra sự cố thì phải thao tác ngắt nguồn ở diện rộng mới tiến hành sửa
chữa, thay thế đợc, việc tìm ra chính xác vị trí bị sự cố cũng hết sức khó khăn. Nếu
ta thay thế hệ thống đo báo tập trung rời rạc nói trên bằng một hệ thống tích hợp
đợc chế tạo theo phơng pháp chuẩn module, ứng dụng kỹ thuật số có cấu trúc vật
lý gọn nhẹ, bền vững, hoạt động tin cậy với độ chính xác cao, chịu đợc các chấn
động, rung xóc và tác động ăn mòn của môi trờng biển. Các phần tử thiết bị đợc
chế tạo theo phơng pháp chuẩn module và đợc sản xuất đồng bộ theo công nghệ
tự động hoá hoàn toàn đảm bảo việc lắp ráp đơn giản, thuận tiện trong việc phối
ghép với các hệ thống điều khiển, đo lờng khác trên tàu và việc triển khai các hệ
SCADA, DCS cho các tàu lớn và hiện đại. Các module này đợc chuẩn hoá dựa trên
các công nghệ kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý, tin học công nghiệp, công nghệ khả
trình.
3


Các phần tử điều khiển, đo lờng trên tàu ngoài nhiệm vụ thu thập, giám sát,
còn có chức năng điều khiển theo các thông số đặt, nếu xảy ra trờng hợp vợt
ngỡng đặt, chúng có nhiệm vụ đa ra các cảnh báo và tự động ngừng hoạt động
trong một số trờng hợp để đảm bảo tính an toàn của hệ thống và của con tàu. Số
liệu gửi về các trung tâm xử lý là các vi mạch tích hợp sẽ đợc xử lý, hiển thị và đa
ra các cảnh báo khi cần thiết. Việc module hoá các phần tử, thiết bị dới dạng các
vi mạch tích hợp đòi hỏi công nghệ cao và các quy trình khá nghiêm ngặt. Do đó
việc lựa chọn các dòng linh kiện và đa ra giải pháp phù hợp ảnh hởng rất lớn đến
vấn đề công nghệ và hiệu quả kinh tế.

I. Sự cần thiết áp dụng quy trình công nghệ chế tạo phần
tử thiết bị
Nh chúng ta đã biết ở trên, các phần tử thiết bị đóng vai trò rất quan trọng
trong các Module, vì vậy việc tuân thủ một quy trình công nghệ để chế tạo là cần
thiết và nó có những lợi ích sau:
+ Cập nhật đợc nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới
+ Tuân thủ phơng pháp làm việc hiện đại
+ Đầu t quản lý, nâng cao hiệu quả quản lý trong quá trình sản xuất
+ Điều đặc biệt quan trọng trong quá trình chế tạo là tuân thủ quy trình công
nghệ nên dễ kiểm soát chất lợng của từng khâu sản xuất ra sản phẩm.
+ Đặc biệt hơn nữa, việc tuân thủ quy trình công nghệ đóng vai trò quan
trọng đa năng suất cao, thuận lợi cho việc chế tạo hàng loạt, giảm giá thành, đáp
ứng tốt khi phát triển nền kinh tế quản lý tri thức.

II. Các công nghệ quan trọng từng đợc lựa chọn trong
quá trình chế tạo phần tử, thiết bị
2.1. Công nghệ tích hợp vi mạch và lập trình
Sự ra đời của các vi mạch tích hợp đánh dấu một bớc phát triển của công
nghệ điện tử , nó giúp cho các nhà thiết kế dễ dàng thực hiện các chức năng của ứng
dụng làm giảm giá thành cũng nh không gian chiếm dụng. Từ khi ra đời đến nay
công nghệ sản xuất mạch tích hợp đã đạt đợc những thành tựu to lớn. Ngày nay
4


một chip điện tử có thể tích hợp hàng triệu, trăm triệu cổng logic, tốc độ, độ trễ tín
hiệu ngày càng đợc cải thiện đáp ứng đợc các yêu cầu về xử lí. Hiện nay, các loại
mạch tích hợp vô cùng phong phú và đa dạng, từ các loại TTL LS74, LM đến các
loại vi điều khiển, vi xử lí của rất nhiều các tập đoàn lớn trên thế giới đã đáp ứng
đợc tất cả các yêu cầu về thiết kế .

2.1.1. Họ vi điều khiển MCS51
Năm 1976 Intel giới thiệu bộ vi điều khiển (microcontroller) 8748, 1 chip tơng
tự nh các bộ vi xử lý và là chip đầu tiên trong họ vi điều khiển MCS 48. 8748 là
1 mạch chứa trên 17.000 transitor bao gồm 1 CPU, 1 Kbyte EPROM, 64 byte
RAM, 27 chân xuất nhập và 1 bộ định thời 8 bít. IC này và các IC khác tiếp theo
của họ MCS 48 đã nhanh chóng trở thành chuẩn công nghiệp trong các ứng dụng
hớng điều khiển (control oriented application). Độ phức tạp, kích thớc và khả
năng của các bộ vi điều khiển đợc tăng thêm 1 bậc quan trọng vào năm 1980 khi
Intel công bố chip 8051, bộ vi điều khiển đầu tiên của họ MCS 51. So với 8048,
chip 8051 chứa trên 60.000 transitor bao gồm 4 Kbyte ROM, 128 byte RAM, 32
đờng xuất nhập, 1 port nối tiếp và 2 bộ định thời 16 bit. Các thành viên mới đợc
đa thêm vào cho họ MCS 51 và các biến thể ngày nay đã đợc bổ sung thêm
nhiều tính năng:
Đơn vị xử lý trung tâm (CPU) 8 bit đã đợc tối u hoá để đáp ứng các chức
năng điều khiển.
Khối logic (ALU) xử lý theo bit nên thuận tiện cho các phép toán logic
Boolean.
Bộ tạo dao động giữ nhịp đợc tích hợp bên trong.
Giao diện nối tiếp có khả năng hoạt động song song/ đồng bộ.
Các cổng vào / ra hai hớng và từng đờng dẫn có thể đợc định địa chỉ một
cách tách biệt.
Có 5 hoặc 6 nguồn ngắt với 2 mức u tiên.
Hai hoặc 3 bộ đếm/ định thời 16 bit.
Bus và khối định thời tơng thích với các khối ngoại vi của bộ vi xử lý
8085/8088.

5


Dung lợng của bộ nhớ chơng trình (ROM) bên ngoài có thể lên tới 64

Kbyte.
Dung lợng của bộ nhớ dữ liệu (RAM) bên ngoài có thể lên tới 64 Kbyte.
Dung lợng của bộ nhớ ROM bên trong có thể lên đến 8 Kbyte.
Dung lợng bộ nhớ RAM bên trong có thể đạt đến 256 byte.
Tập lệnh phong phú.

2.1.2. Vi điều khiển PIC
Song song với vi điều khiển họ MCS51 đang chiếm lĩnh rộng trong thị trờng
điện tử Việt Nam gần đây do giá thành thấp, chơng trình nạp phổ thông, mạch nạp
có thể mua đợc với giá khá rẻ ngay tại Việt Nam hoặc tự chế tạo đợc, hoạt động
với độ tin cậy vừa phải thì gần đây trên thị trờng Việt Nam xuất hiện không ít
dòng Vi điều khiển mới nh PIC của Microsoft, AVR của Atmel.. Các dòng vi điều
khiển này đã có 1 số cải tiến đáng kể. Nh tính năng của PIC đã đợc nâng lên rất
nhiều so với MCS51:
Khối xử lý trung tâm của chíp này tuân theo kiến trúc RISC trở kháng cao
Tập lệnh chỉ có 35 lệnh đơn
Các chu kỳ lệnh đều đơn ngoại trừ lệnh rẽ nhánh chơng trình
Tốc độ hoạt động cao: tần số clock đầu vào là DC 20MHz, chu kỳ lệnh
200ns
Bộ nhớ chơng trình FLASH lớn có thể đến 8K x 14 từ (8K x 14words)
Bộ nhớ dữ liệu RAM lớn có thể đến 368 x 8 byte
Bộ nhớ dữ liệu ROM lớn có thể đến 256 x 8 byte
Số lợng nguồn ngắt lớn (có thể lên đến 14 nguồn ngắt) cho phép xử lý các
chơng trình phức tạp
Stack cứng sâu 8 mức (8 level deep)
Chế độ địa chỉ trực tiếp, gián tiếp, tơng đối
Có Watchdog timer để giám sát hoạt động của mạch
Cho phép bảo vệ mã chơng trình
Có chế độ tiết kiệm nguồn (SLEEP mode)
Có thể lựa chọn các đặc điểm cho các bộ dao động

6


Sử dụng kỹ thuật CMOS FLASH/EEPROM nên công suất tiêu thụ thấp, tốc
độ cao.
Lập trình nối tiếp trong mạch (ICSP In Circuit Serial Programing)
Có khả năng lập trình nối tiếp trong mạch với nguồn đơn 5v
Gỡ rối chơng trình trong mạch (In circuit Debugging)
Bộ vi xử lý có thể thực hiện đọc/ghi lên bộ nhớ chơng trình
Dải điện áp hoạt động rộng: Từ 2 đến 5,5v
Dòng sink/source cao (25mA)
Đợc thơng mại hoá và công nghiệp hoá, dải nhiệt độ làm việc đợc mở
rộng
Tiêu thụ công suất thấp
Thờng nhỏ hơn 0,6mA với điện áp 3v, tần số 4mHz
Bằng 20àA với điện áp 3v, tần số 32kHz
Dòng Stadby nhỏ hơn 1àA
Đặc điểm ngoại vi
Timer 0: Là bộ định thời/bộ đếm(timer/counter) 8 bit với bộ chia 8 bit
Timer 2: Là bộ định thời/bộ đếm(timer/counter) 8 bit, với bộ chia Prescaler
và Postscaler
Có các module so sánh (Compare), Capture, PWM (Pulsse Width
Modulation)
Module Capture 16 bit, độ phân giải 12,5ns
Module Compare 16 bit, độn phân giải 200ns
Module PWM độ phân giải 10 bit
Bộ chuyển đổi A/D nhiều kênh, 10 bit
Cổng nối tiếp đồng bộ (SSP) làm việc theo chuât SPI (chế độ Master) và
chuẩn I2C (Master/slave)
Bộ truyền nhận đồng bộ/không đồng bộ vạn năng dùng 9 bit địa chỉ

Cổng Slave song song 8 bit (PSP) với các đờng điều khiển ngoài: RD, WR,
CS
Mạch dò tìm nguồn yếu cho chế độ Brown out Reset (BOR).

7


Tuy nhiên, vi điều khiển PIC cũng mới chỉ đợc một số Công ty điện tử Việt
Nam thử nghiệm và đa vào sử dụng nhng cha đợc phổ biến rộng bằng dòng
MCS 51 do giá thành cao, không có sẵn ở thị trờng trong nớc mà phải nhập khẩu
thông qua nhà phân phối và yêu cầu phải mua với số lợng lớn.
2.1.3. Vi điều khiển AVR
Bên cạnh MCS51, thời gian gần đây vi điều khiển AVR của Atmel cũng đang
chiếm lĩnh thị trờng Việt Nam do độ ổn định, tốc độ cao và các ứng dụng rất
mạnh của nó:
*Tuân theo kiến trúc RISC, trở kháng cao, tiêu thụ nguồn thấp
Tập lệnh đầy đủ với 118 lệnh Phần lớn chu kỳ thực hiện lệnh đơn
32 thanh ghi 8 bit làm việc với mục đích chung
* Dữ liệu và bộ nhớ nonvotile


8K byte bộ nhớ chơng trình Flash


Giao diện SPI cho phép lập trình trong hệ thống (In System
Programming)


512 Byte EEPROM

Có khả năng chịu 100.000 lần viết/ xoá



512 byte SRAM trong


Khoá chơng trình để bảo vệ
* Đặc điểm vào ra


ADC 8 kênh, 10 bit



Giao diện nối tiếp SPI theo kiểu Master/Slave



2 bộ Timer/Counter 8 bit với bộ chia riêng và chế độ so sánh


1 bộ Timer/Counter 16 bit với bộ chia riêng, chế độ so sánh và bắt giữ
(capture), chế độ phát xung kép 8, 9, 10 bit.


Có Watdog Timer lập trình đợc với bộ dao động on-chip

Bộ so sánh tơng tự on-chip
*Một số đặc điểm riêng của dòng vi điều khiển này:


Mạch khởi động bật lại nguồn (Power-on Reset Circuit)



Mạch thời gian thực với mạch dao động riêng và chế độ Counter



Có nguồn ngắt trong và ngoài
8



Có 3 chế độ ngủ: Nhàn rỗi (Idle), tiết kiệm nguồn (Power save) và ngắt
nguồn (Power down)
Với những tính năng mạnh nh kể trên, chơng trình nạp chuẩn, bộ nạp và IC
dễ mua nên vi điều khiển AVR đã và đang đợc ứng dụng rất mạnh trong công
nghiệp nói chung và trong các bộ xử lý của các hệ thống đo lờng - điều khiển nói
riêng.
Tuy nhiên các chức năng của các loại IC tích hợp này đều do các nhà cung
cấp thiết kế. Khi xây dựng các ứng dụng ngời thiết kế phải vận dụng kiến thức của
mình lựa chọn linh kiện đi kèm và kết nối chúng để thực hiện các chức năng ứng
dụng. Tính năng của các ứng dụng này thờng rất khô cứng, sử dụng nhiều linh
kiện, công suất mạch lớn, độ trễ tín hiệu cao, chức năng của các mạch tích hợp bị
lãng phí, độ ổn định phụ thuộc nhiều vào môi trờng.

Các dòng vi điều khiển nói chung đều sử dụng ngôn ngữ lập trình là
assembly, là ngôn ngữ cấp thấp nhất nên có thể can thiệp rất sâu vào mã máy, cho
phép ngời lập trình hiểu rõ cấu trúc phần cứng, đợc chủ động và sáng tạo trong
thiết kế. Chơng trình đợc viết trên ngôn ngữ assembly có dung lợng nhỏ, có thể
sử dụng khoá chơng trình để bảo mật cho hệ thống, phòng tránh việc sao chép, phá
hoại chơng trình và hoạt động của các module. Tuy nhiên ngời lập trình phải mất
rất nhiều thời gian và công sức trong việc lập trình cho một module. Ngoài
assembly, ta có thể sử dụng ngôn ngữ C để lập trình, sau đó sử dụng các phần
chơng trình biên dịch chuẩn để nạp cho vi điều khiển. Chơng trình đợc viết trên
ngôn ngữ C với cùng nội dung nh viết trên ngôn ngữ assembly sẽ có dung lợng
chơng trình lớn hơn rất nhiều lần. Tuy nhiên, chơng trình đợc viết trên ngôn ngữ
C sẽ giúp tiết kiệm cho ngời lập trình rất nhiều thời gian và công sức do trong C có
rất nhiều hàm chức năng hỗ trợ cho việc lập trình. Hơn nữa, với ngôn ngữ C ta có
thể ứng dụng công nghệ nhúng, giúp ngời lập trình có thể làm việc theo nhóm, dễ
dàng trong việc mở rộng, phát triển các module.
2.1.4. Công nghệ ASIC
Khoảng đầu những năm 80 một công nghệ mới ra đời cho phép ngời thiết kế
chủ động hoàn toàn trong các ứng dụng của mình đó là công nghệ ASIC
(Application Specific Integrated Circuit), là công nghệ tích hợp tạo ra các ứng
9


dụng đặc biệt. Công nghệ này đợc ra đời dựa trên các nhu cầu cấp thiết về các vi
mạch, IC và các chip đòi hỏi có mật độ tích hợp cao, tốc độ xử lý nhanh và đặc biệt
là tính chính xác, đợc phát triển dựa trên công nghệ CMOS. Công nghệ ASIC sử
dụng ngôn ngữ bậc cao VHDL cho phép tạo ra các th viện chuẩn cho ngời sử
dụng cho các ứng dụng đã xác định một cách mềm dẻo và linh hoạt.
ASIC có thể định nghĩa nh một dãy cổng (gate array), một tuỳ biến
(custom), bán tùy biến (semi custom) hoặc công nghệ có thể lập trình và nh một
hệ phơng pháp thiết kế. Chủng loại ASIC cũng rất đa dạng và phong phú, cho phép

ngời thiết kế có thể lựa chọn phù hợp với yêu cầu sử dụng. Có 5 loại ASIC cơ bản
đó là:
2.1.4.1. Full-Custom Asic
Trong nhóm thiết kế loại Full-Custom, mỗi hàm logic đơn giản hoặc các
transistor đợc lựa chọn và chỉnh định bằng tay. Full-custom Asic có sự vận hành
cao nhất nhng thời gian sản xuất rất lâu, phức tạp, chi phí thiết kế cao và chịu rủi
ro về thiết kế cao nhất. Full custom Asic có thể đợc ứng dụng để thiết kế và sản
xuất vi xử lý cho các ứng dụng đã xác định.
2.1.4.2. Standard-Cell-Based Asic:

Một cell-based Asic gồm: Các ô logic chuẩn (Standard cells) và các khối cố
định (fixed blocks). Tất cả các lớp che (mask layer) là các transistor tuỳ chỉnh và
đợc kết nối với nhau, các khối Custom có thể đợc nhúng. Thời gian sản xuất kéo
dài khoảng 8 tuần. Trong hệ phơng pháp thiết kế Standard-cell, logic và các khối
chức năng đợc làm sẵn trong một ô th viện ( cell library ). Các th viện tiêu biểu
10


với các cổng mức độ cơ bản nh AND, OR, NAND, NOR, XOR, Inverters, flipflops, registers. Ngoài ra còn có các chức năng phức tạp hơn nh : adders,
multiplexers, decoders, ALUs, shifters và memory ( RAM, ROM, FIFOs, ...).
Trong một vài trờng hợp, các ô th viện chuẩn có thể gồm các chức năng phức tạp
nh multipliers, dividers, microcontrollers, microprocessers, và các chức năng hỗ
trợ microprocessor nh : cổng song song, cổng nối tiếp, bộ điều khiển DMA, bộ
định thời, real-time clock...
2.1.4.3. Gate-Array-Based Asics.
Có 3 loại :
Channeled gate arrays
Channelless gate arrays
Structured gate arrays

2.1.4.4. Programable Logic Devices:

Cuối những năm 80, công nghệ mạch tích hợp đã chuyển sang một hớng
mới , gần gũi hơn với các nhà thiết kế , các loại PLD ra đời ( Programmable Logic
Device ) . Với các PLD các nhà thiết kế đã có thể thiết kế các mạch logic tổ hợp
một cách nhanh chóng và khá mềm dẻo bằng một chơng trình phần mềm trên PC
và thực hiện việc định cấu hình thông qua các bộ nạp .
Programble logic device ( PLD ) đợc sử dụng để xây dựng các mạch logic .
Nó gồm một tập hợp các cổng logic và các khoá (switch) có thể lập trình. Các
11


switch có thể lập trình để kết nối các cổng logic tạo ra các hàm logic mong muốn ,
một số loại PLD có thể lập trình lại nhiều lần . Hiện nay ngời ta chia PLD thành
hai loại : SPLD (Simple PLD : PLD đơn giản) và CPLD (Complex PLD : PLD phức
tạp) .
SPLD bao gồm :
PLA (Programmable Logic Array )
PAL (Programmable Array Logic )
GAL (General Array Logic)
PLD (Programmable Logic Device)

Hình 2 : PLD
SPLD là một lựa chọn thay thế cho một số họ TTL 74. Nó thờng bao gồm từ
4 đến 22 macro cell. Mỗi macro cell có thể nối tới các cell khác bên trong nó. SPLD
đa phần sử dụng kỹ thuật đốt cầu chì hoặc linh động hơn nh sử dụng EPROM,
EEPROM, hay FLASH để định nghĩa các hàm chức năng.
Tuy nhiên các loại PLD có độ tích hợp thấp , chỉ sử dụng trong các ứng dụng
nhỏ , độ linh hoạt không cao ( không thể định cấu hình ngay bên trong mạch ) , chỉ
định cấu hình đợc một số lần nhất định .

12


2.1.4.5. Field-Programable Gate Arrays (FPGA):

FPGA đã mở ra một bớc phát triển mới trong việc thiết kế các mạch logic số
. Nó cho phép ngời thiết kế sử dụng ngôn ngữ lập trình bậc cao VHDL mô tả các
chức năng phần cứng một cách mềm dẻo và linh hoạt , tốc độ cao , độ trễ tín hiệu
thấp , tơng thích với tất cả các họ TTL và CMOS , định cấu hình ngay bên trong
mạch. FPGA đợc chế tạo theo công nghệ CMOS VLSI (Complemantary Metal
Oxide Semiconductor Very Large Scale Intergration) gồm 64 đến 10000 khối logic
(logic cell). Các cell riêng rẽ đợc kết nối với nhau bằng một ma trận wire và switch
có thể lập trình. Một ứng dụng đợc thực hiện bằng các chức năng logic đợc định
nghĩa trong các logic cell và sự lựa chọn trạng thái của các switch. Một mảng các
logic cell và sự kết nối của chúng có thể thực hiện đợc các chức năng logic rất đa
dạng.
Hiện nay FPGA đã phát triển rất mạnh, các tập đoàn điện tử lớn trên thế giới
đều có các họ FPGA với số lợng phong phú, chủng loại đa dạng. Tập đoàn Xilinx
với các họ nh XC2000, XC3000 , XC4000 , tập đoàn Atmel với AT40K, AT6K,
AT94K .ở Việt Nam FPGA mới xuất hiện trong một năm trở lại đây và đang
đợc ứng dụng mạnh mẽ trong các công ty hàng đầu về điện tử Việt Nam nh
ELCOM, SEEN ...
Một kỷ nguyên mới đang mở ra trong thiết kế hệ thống điện tử. Do những
ngời lập trình phần mềm phải giải quyết việc mã hoá các chi tiết bên trong máy
tính và ngời thiết kế điện tử ngày càng ít quan tâm đến sơ đồ bố trí mạch và các
thành phần chuẩn của mạch điện tử, đặc biệt khi nhắm mục tiêu vào lập trình
FPGA, EPLD.
13

Kỹ thuật mới đang phát triển để mô tả công cụ điện tử ở mức trìu tợng, với
việc sử dụng sau này, nhà thiết kế có thể giải quyết công việc phức tạp hơn là nhờ
vào u thế toàn vẹn của công nghệ VHDL. VHDL có những năng lực chính c.ùng
với những đặc điểm nổi trội tạo nên sự khác biệt của nó với những ngôn ngữ khác:
Ngôn ngữ có thể đợc sử dụng nh 1 hệ thống trao đổi, đóng vai trò trung
gian giữa những chip bán và công cụ sử dụng CAD. Khác nhau ở chỗ: các chíp bán
thì có thể cung cấp VHDL mô tả các thành phần của chúng đến những nhà thiết kế
hệ thống. Còn những ngời sử dụng công cụ CAD có thể sử dụng ngôn ngữ VHDL
để nắm bắt sự xử lý của thiết kế tại mức trìu tợng cao dành cho chức năng mô
phỏng.
Ngôn ngữ cũng có thể dùng nh một công cụ chuyển giao trung gian giữa
công cụ CAD và CAE. Ví dụ nh một chơng trình dới dạng biểu đồ có thể đợc
dùng để sinh ra VHDL mô tả cho thiết kế mà cũng có thể đợc dùng nh một đầu
vào đến chơng trình mô phỏng.
Ngôn ngữ hỗ trợ hệ thống phân cấp, nghĩa là một hệ thống số có thể đợc mô
hình nh một tập hợp kết nối liên tục các phần tử con (component) lại với nhau.
Ngôn ngữ hỗ trợ các phơng pháp thiết kế mềm dẻo, linh hoạt.
Tuy ngôn ngữ không có kỹ thuật đặc trng (Technology - specific), nhng nó
có khả năng hỗ trợ những đặc điểm kỹ thuật ấy. Ngôn ngữ cũng hỗ trợ những kỹ
thuật phần cứng đa dạng. Với sự tồn tại một cách độc lập của các kỹ thuật, những
mô hình giống nhau có thể đợc tổng hợp vào trong các th viện vendor khác nhau.
Ngôn ngữ hỗ trợ cả hai mô hình đồng bộ và không đồng bộ về thời gian.
Những kỹ năng phong phú về mô hình số, nh là: sự mô tả cơ cấu trạng thái
giới hạn (finite state machine description), sự cân bằng của kiểu Boolean thì đợc
mô phỏng sử dụng trong ngôn ngữ.
Nó thuộc chuẩn IEEE và ANSI.
Ngôn ngữ phổ biến mọi ngời đều có thể đọc, mọi máy đều có thể đọc và
trên hết VHDL không mang tính độc quyền.
Song song với sự ra đời của ngôn ngữ VHDL, hãng Altera đã nhanh chóng

đa ra phần mềm MAX + PLUS II dùng để thiết kế ra một CHIP để có thể sử dụng
đợc từ một CHIP trắng do hãng cung cấp. Với những CHIP cần tạo ra mà đơn giản
thì có lẽ chỉ sử dụng những phần tử có sẵn trong th viện hỗ trợ của Altera là đủ,
còn nếu không, tức là khi yêu cầu thiết kế cao hơn ta có thể sử dụng công cụ của
14


MAX + PLUS II để tạo ra những phần tử có cấu trúc và chức năng phức tạp đáp ứng
đợc yêu cầu khi thiết kế.
Ta có thể tóm tắt nhiệm vụ và chức năng chính của phần mềm này một cách
khái quát nhất nh sau : Phần mềm MAX + PLUS II cho phép ta soạn thảo một sơ
đồ khối dới dạng *.gdf hoặc *.sch, một bản thiết kế là một sơ đồ khối thì bao giờ
cũng thật đơn giản và dễ. Tuy nhiên khi gặp những yêu cầu thiết kế là phức tạp thì
ta không thể làm việc dễ dàng bằng một sơ đồ khối đợc mà phải chuyển sang một
cách thiết kế khác đó là lập trình bằng ngôn ngữ VHDL hoặc AHDL hoặc Verylog
.. Bằng các ngôn ngữ này thì ta có thể thiết kế đợc bất kỳ một phần tử thực hiện
chức năng phức tạp mà với cách thiết kế bằng sơ đồ khối thì thật là khó và nhiều khi
có thể là không thể thực hiện đợc. Tuy nhiên với phiên bản MAX + PLUS II đầy
đủ thì ta mới thực hiện thiết kế đầy đủ bằng cả 2 thể loại nh thế đợc, còn với E MAX + PLUS II thì ta chỉ có thể thiết kế dới dạng sơ đồ khối và Export ra các
files dạng VHDL hoặc AHDL hoặc Verylog HDL còn ta không thể dịch và
Inport một files dạng VHDL hoặc AHDL hoặc Verylog HDL vào trong E MAX +
PLUS II để biên dịch và nạp cho các CHIP đợc.
Sau khi đã thiết kế song ta có thể Compiler và chạy mô phỏng để kiểm tra,
kiểm tra cả lỗi và kiểm tra cả kết quả xem đã thiết kế đợc đúng yêu cầu cha.
Khi đã hoàn thành thì ta có thể nạp cho CHIP mà ta định lập trình thông qua
Menu MAX + PLUS II/Programmer và một số công cụ hỗ trợ mạch phần cứng bên
ngoài. Công cụ hỗ trợ mạch phần cứng bên ngoài bao gồm một Capble để truyền
chơng trình xuống và một mạch phần cứng tối thiểu để có thể nạp chơng trình
vào CHIP. Capble là cái mà ta cần phải có, còn mạch phần cứng ngoài thì ta có thể
tự thiết kế một mạch đơn giản nhất để có thể nạp cho CHIP. Altera cũng hỗ trợ tất

cả các công cụ và nếu cần thì ta có thể mua tất cả các thiết bị hỗ trợ phần cứng
ngoài đó từ hãng.
Cuối cùng là cần phải lu ý một điều rằng, MAX + PLUS II có rất nhiều phiên bản
và chỉ khi mua phần mềm này đúng tại Altera thì phần mềm này mới có thể có đầy
đủ chức năng vốn có của nó, còn lại tất cả những phần mềm đợc sao chép lại với
các tên hay Version khác nhau thì chắc chắn rằng đó không phải là một phần mềm
có thể làm đợc tất cả những gì trong quá trình thiết kế mà ta cần đến nó.

15


2.2. Vấn đề truyền dữ liệu và mạng công nghiệp
Trong phần này sẽ trình bày về sự quan trọng của mạng truyền thông công
nghiệp trong các lĩnh vực đo lờng, điều khiển và tự động hoá nói chung và trên tàu
thuỷ nói riêng. Sử dụng mạng công nghiệp, đặc biệt là bus trờng để thay thế cách
nối điểm tới điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt lợi ích
sau:
Đơn giản hoá cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp
Giảm đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hệ thống
Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin nhờ truyền thông số
Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống
Đơn giản hóa/ tiện lợi hoá việc chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị
Nâng cao khả năng tơng tác giữa các thành phần (Phần cứng và phần mềm)
nhờ các giao diện chuẩn
Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống nh các ứng
dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua
Internet
Trong điều khiển quá trình, các hệ thống bus trờng cũng dần thay thế các
mạch dòng tơng tự 4-20mA. Ưu thế của giải pháp dùng mạng công nghiệp không
những nằm ở phơng diện kỹ thuật, mà còn ở khía cạnh hiệu quả kinh tế. Nói tóm

lại, sử dụng mạng truyền thông công nghiệp là không thể thiếu đợc trong việc tích
hợp các hệ thống tự động hoá hiện đại trên tàu, đồng thời là một hớng đi đúng đắn,
thúc đẩy phát triển công nghệ, mang lại hiệu quả kinh tế.
Trong các hệ thống đo lờng điều khiển thì việc lựa chọn các chuẩn giao tiếp
cho các thiết bị trong hệ thống là vấn đề đặc biệt đợc quan tâm. Với môi trờng
hoạt động trên tàu thuỷ, các hệ thống chịu ảnh hởng, tác động của môi trờng rất
nhiều. Số lợng các đầu đo lớn, lại đợc đặt nằm dải rác trên tàu, chỉ có mạch điều
khiển trung tâm mới đợc đặt trên buồng điều khiển nên hệ thống bị suy giảm tín
hiệu và chịu không ít ảnh hởng của nhiễu. Để đảm bảo tín hiện cho các mạch thu
thập, đặc biệt với các tàu lớn, có khoảng cách truyền xa thì việc lựa chọn đúng
chuẩn truyền và phơng thức truyền sẽ mang lại hiệu quả tối đa. Các module đợc
thiết kế trong Dự án KC06.DA.13.CN đều có tính năng mở, tiện lợi dễ dàng trong
việc lắp ráp và thay thế khi xảy ra sự cố là do các hệ thống đều đợc xác định rất rõ
phơng thức truyền và chuẩn giao tiếp chung cho các thiết bị.
16


2.2.1. Cấu trúc chung cho các phần cứng giao diện mạng
Thực chất, một giao diện mạng bao gồm các thành phần xử lý giao thức
truyền thông (phần cứng và phần mềm) và các thành phần thích ứng cho thiết bị
đợc nối mạng. Hình dới mô tả một cấu trúc tiêu biểu, phần cứng ghép nối bus
trờng cho các thiết bị, sử dụng chủ yếu các vi mạch tích hợp cao. Phần cứng này
có thể thực hiện dới dạng một bảng mạch riêng để có thể ghép bổ sung hoặc tích
hợp sẵn trong bảng mạch của thiết bị.
Bus

Giắc cắm
Bộ thu phát
(RS - 485)
+24VDC

Cách ly
Nguồn
EPROM/
EEPROM/Flash

UART

RAM

Vi xử lý
(Xử lý giao thức)

Timer.
Watchdog

Giao diện với vi
mạch thiết bị hoặc
IO - Driver

Giao diện sử dụng
(Công tắc, Jumper,
LED)

Đất

Vi mạch thiết bị

Cấu trúc tiêu biểu mạch giao diện bus

Chức năng xử lý giao thức truyền thông có thể đợc thực hiện bằng một bộ vi

xử lý thông dụng kết hợp với vi mạch thu phát không đồng bộ đa năng UART
17


(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Vi mạch UART thực hiện việc
chuyển đổi các dữ liệu song song từ vi xử lý sang một bít dữ liệu nối tiếp. Phần
mềm xử lý giao thức đợc lu trữ trong bộ nhớ EPROM/ EEPROM hoặc Flash
ROM. Phơng pháp này có nhợc điểm là tính năng thời gian xử lý truyền thông rất
khó xác định và kiểm nghiệm một cách chính xác. Bên cạnh đó chi phí cho thiết kế,
phát triển, thử nghiệm và chứng nhận hợp chuẩn cho phần mềm xử lý giao thức cho
một loại vi xử lý cụ thể là rất lớn.
Để khắc phục vấn đề trên là sự xuất hiện của hàng loạt các vi mạch chuyên
dụng cho một loại bus, đợc gọi là ASIC (Aplication Specific Intergrated Circuit),
đa dạng về chất lợng hiệu năng và giá thành. Một số ASIC thậm chí còn đợc tích
hợp sẵn một số phần mềm ứng dụng nh các thuật toán điều khiển, chức năng tiền
xử lý tín hiệu và chức năng chẩn đoán. Nhờ đó, việc phân tán các chức năng tự động
hoá xuống các thiết bị trờng đợc nối mạng không những giảm tải cho máy tính
điều khiển cấp trên mà còn cải thiện tính năng thời gian thực của hệ thống.
Tuy nhiên, các bảng mạch điện tử cứng không đảm nhiệm đợc toàn bộ các
chức năng xử lý giao thức truyền thông mà chỉ thực hiện dịch vụ thuộc lớp dới
trong mô hình OSI, còn các phần mềm trên thuộc trách nhiệm của phần mềm th
viện hoặc phần mềm ứng dụng. Trong một số hệ thống bus hoặc trong một số sản
phẩm, nhà sản xuất tạo điều kiện cho ngời sử dụng tự lựa chọn một trong nhiều
khả năng.
Hầu hết các mạch giao diện bus đều thực hiện cách ly với đờng truyền để
tránh gây ảnh hởng lẫn nhau. Ngoài ra, cần một bộ cung cấp nguồn nuôi trong
trờng hợp đờng truyền tín hiệu không đồng tải nguồn. Đa số các thành phần ghép
nối cũng cho phép thay đổi chế độ làm việc hoặc tham số qua các công tắc, jumper
và hiển thị trạng thái qua các đèn LED.

2.2.1.1. Ghép nối các thiết bị trờng
Các thiết bị trờng đợc nói ở đây có thể là các bộ điều khiển số chuyên
dụng, các thiết bị quan sát, các đầu đo, van điện từ, biến tần,.. Về cấu trúc, ngời ta
18


cũng chia ra làm hai loại là cấu trúc module và cấu trúc liền. Việc nối mạng có thể
thực hiện theo hai cách tơng ứng là sử dụng một module truyền thông riêng biệt và
sử dụng các thiết bị tích hợp giao diện mạng.
2.2.1.2. Phần mềm giao diện mạng
Phần mềm của hệ thống mạng có thể đợc chia thành các lớp là phần mềm
giao thức, phần mềm hệ thống bao gồm trình điều khiển và các trình tích hợp trong
hệ điều hành và phần mềm giao diện ứng dụng. Phần mềm giao thức thực hiện các
chức năng nh xây dựng bức điện, bảo toàn dữ liệu.. Trình điều khiển có vai trò liên
kết phần cứng giao diện mạng với hệ điều hành. Các trình tích hợp trong hệ điều
hành có chức năng quản lý phần cứng, sắp đặt các vùng nhớ và ngắt cho trình điều
khiển, kiểm soát giao tiếp giữa các chơng trình ứng dụng và phần cứng giao diện
mạng.
Phần mềm xử lý giao thức hoặc đợc đổ cứng trong các vi mạch ghép nối
ASIC, đợc chứa trong các bộ nhớ lâu dài (EPROM, Flash-ROM), hoặc đợc nạp
lên bộ nhớ RAM trớc khi đi vào hoạt động. Hình thức sau cùng còn đợc gọi là
Bootloading hay downloading.
Để các chơng trình ứng dụng có thể sử dụng các dịch vụ mạng hoặc tham
gia một phần xử lý giao thức, lớp phần mềm giao diện ứng dụng có thể đợc thực
hiện thông qua các cách sau:
Dạng th viện cho một ngôn ngữ lập trình đa năng (chủ yếu cho ASIN C):
Trong một số trờng hợp, CPU chủ cần truy nhập trực tiếp vào một số vùng bộ nhớ
của ASIC ( ví dụ vùng nhớ DPM), phần tổ chức giao tiếp còn lại do ASIC đảm
nhiệm hoàn toàn. Một số vùng nhớ nh thanh ghi có thể chứa dữ liệu cấu hình, một
số vùng nhớ khác nh hộp th có thể chứa dữ liệu sử dụng cần trao đổi trong mạng.

2.2.2. Thiết lập hệ thống mạng trên tàu thuỷ (SCADA)
2.2.2.1. Khái quát chung
Hệ thống SCADA (Supervisor Cotrol And Data Acquisition) là hệ thống điều
khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Hệ thống SCADA trên tàu thuỷ để điều khiển và
19


giám sát quá trình hoạt động của tất cả các hệ thống máy móc thiết bị, tình trạng
của các két, các khoang và dự báo cháy ở tất cả các boong, các phòng trên tàu. Do
tính chất đặc thù của tàu thuỷ là làm việc độc lập trên biển và chịu môi trờng làm
việc khắc nghiệt nh độ rung lắc, độ ẩm, nớc mặn và sự thay đổi thờng xuyên của
nhiệt độ và áp suất. Vì vậy, ngoài những đặc điểm chung của một hệ SCADA thông
thờng thì để sử dụng trên tàu thuỷ bắt buộc hệ thống phải có thêm một số tính chất
khác đó là: Hệ thống phải có tính dự phòng, tính an toàn và khắc phục sự cố với
thời gian tác động nhanh, hệ thống phải vận hành đợc ở nhiều vị trí tại chỗ và từ
xa, có chế độ bằng tay và tự động.

2.2.2.2. Cấu trúc cơ bản hệ thống SCADA trên tàu thuỷ
Với những yêu cầu nh trên thì nguyên tắc chung để cấu trúc lên một hệ
SCADA trên tàu thuỷ gồm có ba cấp và hai hệ thống mạng. Các cấp của hệ thống
là: cấp trạm điều hành (control station level), cấp vận hành (operating level). Các
hệ thống mạng là mạng (bus) hệ thống (process bus) và bus trờng (field bus).
Cấp trạm vận hành là cấp cao nhất trong hệ thống, nó thực hiện nhiệm vụ
điều khiển và giám sát các quá trình trên tàu thông qua hệ thống máy tính với phần
mềm điều khiển giám sát nh Intouch, WinCC.., nó điều khiển và quản lý máy in
các báo cáo, lu trữ các giá trị thông tin quá trình và ghi nhật ký máy. Ngoài ra, cấp
này còn thực hiện công việc trao đổi thông tin giữa hệ SCADA với các hệ thống
khác trên tàu nh dịch vụ inmasat-C để trao đổi dữ liệu với công ty.
Cấp vận hành hay còn gọi là giao diện giữa ngời và máy, nó cho phép con
ngời can thiệp và các quá trình hoạt động của các thiết bị máy móc trên tàu thông

qua các phím, nút bấm, các đồng hồ chỉ thị và các tham số quá trình trên các panel
hiển thị. Ngoài ra có để vận hành an toàn và xử lý sự cố nhanh chóng, các hệ thống
ở cấp này có các nút ấn, công tắc đợc nối trực tiếp từ nơi vận hành xuống các thiết
bị thực hiện mà không thông qua hệ thống mạng bus trờng.

20


Cấp điều khiển và xử lý có nhiệm vụ thu thập xử lý dữ liệu và điều khiển sự
hoạt động của các đối tợng. Cấp này gồm các bộ điều khiển khả trình (PLC) với
các vào\ra tập trung và các vào\ra phân tán mà nó đợc nối với các PLC qua mạng
bus trờng. Từ các đầu vào\ra nối tới các sensor và các actuator.
Mạng (bus) hệ thống thực hiện liên kết các bộ điều khiển PLC cấp điều khiển
và xử lý với các tính ở cấp trạm vận hành. Bus trờng thực hiện liên kết các bộ điều
khiển PLC với các vào\ra phân tán và các panel vận hành.
Việc truyền thông của hai hệ thống mạng dựa trên cơ sở của mô hình OSI
gồm 7 lớp (giao thức) cho các hệ thống tự động. Tuy nhiên, thực tế hai hệ thống
mạng trên đây không thể hiện đủ 7 lớp mà chỉ thể hiện rõ lớp một (lớp vật lý), lớp
hai (Lớp liên kết dữ liệu) và lớp bảy (lớp ứng dụng) mà thôi. Mạng hệ thống thờng
là mạng ethernet, MPI còn bus trờng là CAN hay profibus DP hoặc AS i.
Mạng ethernet có dung lợng truyền lớn, bít truyền nối tiếp với tốc độ cao (đến
10Mbit/s) và sử dụng cáp đôi xoắn có bọc kim chống nhiễu. Bus trờng có dung
lợng truyền nhỏ, truyền bít nối tiếp với tốc độ thấp khoảng 250Kbit/s và sử dụng
cáp đôi xoắn có điện trở cuối khoảng 120w, khoảng cách truyền lên tới 1 km. Hai
hệ thống mạng trên đều đợc dự phòng gồm 2 đờng cáp mạng đi song song ở hai
mạn của tàu. Khi hệ thống làm việc bình thờng thì một đờng cáp mặc định đợc
sử dụng còn đờng kia ở chế độ standby nếu xảy ra hỏng hóc hệ thống sẽ có thuật
toán chuẩn đoán kịp thời khởi động đờng cáp dự phòng.

2.2.2.3. Hệ SCADA trên tàu thuỷ

Để thuận tiện cho việc quản lý, theo dõi và giám sát hoạt động của con tàu
thì tất cả các thiết bị máy móc trên tàu đợc chia ra làm 4 vùng đó là các vùng:
Vùng máy diesel chính lai chân vịt, hộp số, vùng các tổ hợp diesel máy phát, bảng
điện chính, vùng các máy phụ nh nồi hơi, máy lọc dầu, máy phân ly, hệ thống lái,
neo và làm hàng.., vùng gồm các két, khoang và dự báo cháy nổ xảy ra trên các
boong.

21


Control station level
(Bridge and engine
control room )

Process bus
Operating
Level
(Engine
control )
`

`

PLC

I/O

I/O

Field bus

PLC

Process Level
(Engine room , other)

I/O

I/O

Sơ đồ cấu trúc của hệ SCADA trên tàu thuỷ

Cấp trạm điều hành thờng có hai máy tính, hai máy in, một đặt ở buồng lái,
một đặt ở buồng điều khiển máy. Giao diện đồ hoạ trên máy tính cũng đợc chia ra
4 vùng nh trên, tuy nhiên có thể chuyển đổi việc theo dõi giám sát các vùng một
cách linh hoạt nhờ các phím chức năng. Chơng trình đồ hoạ hiển thị một cách sinh
động trạng thái và sự hoạt động của tất cả các thiết bị máy móc. Trên mỗi trang
màn hình giám sát đều có các tiện ích nh các phím bấm, hộp đánh dấu, con trợt..,
cho phép can thiệp một cách trực tiếp tới các quá trình. Mặt khác, các thông tin quá
trình còn đợc tự động lu vào cơ sở dữ liệu SQL theo các tình huống nh sự kiện,
theo chu kỳ hoặc do ngời vận hành quy định. Từ cơ sở dữ liệu đợc đa vào các
mẫu báo cáo và có thể trực tiếp in ra giấy.
Do tính chất vạn năng trên tàu thuỷ nên mỗi thiết bị đều có thể đợc điều
khiển bằng tay hoặc tự động, từ xa tại buồng lái, buồng điều khiển máy, buồng ở
hoặc tại chỗ tại buồng máy thông qua các panel đợc đặt tại các vị trí tơng ứng và
đợc nối bằng mạng bus trờng tới các bộ điều khiển khả trình PLC. Các PLC đợc
22


trang bị cho từng thiết bị, đối với các thiết bị chiếm vị trí không gian rộng lớn nh

diesel lai chân vịt, hệ thống lái, làm hàng, hệ thống kiểm tra mức các két, khoang,
hệ thống báo cháy và hệ thống chỉ báo từ xa.. thì ngoài bộ điều khiển PLC với các
đầu ra tập trung còn trang bị thêm các vào\ra phân tán đặt tại hiện trờng gần thiết
bị, ở xa bộ điều khiển và đợc nối với bộ điều khiển qua mạng bus trờng.
Hệ SCADA trên tàu thuỷ đã tích hợp toàn diện hệ thống tự động trên tàu và
thống nhất quá trình điều khiển. Từ giao diện đồ hoạ trên màn hình máy tính tại cấp
trạm vận hành một thuyền viên bất kỳ đều có thể thấy đợc toàn cảnh tình trạng
hoạt động của các thiết bị máy móc và các hệ thống trên tàu đồng thời qua một cơ
sở dữ liệu lu trữ có thể đảm bảo đầy đủ thông tin để định kỳ bảo dỡng máy. Do
đó hệ SCADA trên tàu thuỷ không những làm tăng tính an toàn, tin cậy cho những
ngời công tác trên biển mà còn tăng hiệu quả sản xuất, vận chuyển hàng hoá của
con tàu trên đại dơng.
3. Công nghệ bảo vệ
Với các trang thiết bị điện, điều khiển đợc lắp đặt trên bờ phải đáp ứng
không ít các tiêu chuẩn mới đợc đa vào sử dụng. Khi lắp đặt trên tàu, do phải
chịu ảnh hởng của môi trờng biển nên các yêu cầu đặt ra với với các trang thiết bị
này đòi hỏi nghiêm ngặt hơn trên bờ rất nhiều. Dới tác động ăn mòn của muối
mặn và hơi biển, độ rung lắc khi tàu hành hải trên biển và do máy phát hoạt động
gây ra sẽ làm giảm tuổi thọ và độ tin cậy của các hệ thống theo thời gian. Vì vậy
việc chuẩn hoá các module theo các chuẩn công nghiệp, đáp ứng các tiêu chuẩn, qui
phạm trong nớc và quốc tế là hết sức cần thiết.
Công nghệ chuẩn hoá module là tích hợp các mạch rời rạc với nhau để thành
các module thông dụng, gọn nhẹ, mang kiểu dáng công nghiệp, dễ dàng cho việc
lắp đặt trên nhiều tàu, thuận tiện cho việc thay thế sửa chữa khi xảy ra sự cố, hỏng
hóc.
Các module này đợc chuẩn hoá dựa trên các công nghệ vi điện tử, vi xử lý,
tin học công nghiệp, công nghệ khả trình. Việc chuẩn hoá module đợc thực hiện
riêng rẽ cho từng loại sản phẩm để đạt đợc những u thế đặc biệt cho chức năng
của nó, đạt đợc trình độ hiện có trên thế giới, phù hợp với điều kiện khí hậu nóng
ẩm ở Việt Nam, đặc biệt là môi trờng làm việc trên biển của tàu thuỷ, nơi mà các

thiết bị dễ dàng bị xâm nhập và huỷ hoại của nhiều yếu tố bên ngoài nh nớc
23


biển, độ ẩm, dầu mỡ, hoá chất, độ va đập,...Ngoài ra còn có các tác nhân gây nhiễu
lớn làm sai lệch tín hiệu trong hệ thống nh :
- Nhiễu do từ trờng : xuất phát từ các xung điện, ảnh hởng từ trờng
của các thiết bị điện trên tàu nh: các máy phát điện, khuếch đại từ,
công tắc tơ, rơle, động cơ điện, biến áp. Đây là một trong những nguyên
nhân gây nhiễu chủ yếu.
- Nhiễu do điện trờng : Trên tàu thờng sử dụng lới điện 220/380V50Hz để chạy động cơ điện. Yếu tố này cũng phát sinh nhiều nhiễu.
- Nhiễu do môi trờng của tàu gây ra: Do sự truyền nhiệt của các động cơ
đốt trong nh máy chính, máy phát điện, máy neo, máy cái chân vịt
mũi, máy cứu hoả
- ảnh hởng của độ ẩm, nồng độ muối trong không khí làm h hỏng thiết
bị.
- Độ rung động, độ ồn do các động cơ khi hoạt động.
- Nhiễu do sóng vô tuyến: thành phần nhiễu này do các máy Rada, VHF,
MF/HF, Echo sowder
- Nhiễu do bản thân mạch điện tử của hệ thống sinh ra.
Hiện nay, ngời ta không tách nhỏ các nguồn nhiễu nh trên nữa mà phân
thành 2 loại nhiễu chính là:
EMC (Electromagnetic Compatible): Là các nguồn nhiễu tơng thích trực tiếp do
bản thân các hệ thống, trang thiết bị gây ra ảnh hởng các hệ thống khác hoặc gây
nhiễu cho chính bản thân nó.
EMI (Electromagnetic Interference ): Là nhiễu giao thoa, các loại nhiễu xuất phát
từ các nguồn gây nhiễu khác nhau giao thoa với nhau gây ảnh hởng tới các hệ
thống.
Các nguồn nhiễu do EMC ( Electromagnetic Compatibility): thờng phát
sinh do các đờng nguồn, các tín hiệu logic, nguồn switching , các trạm phát radio,

và motor,..Để lọc nhiễu do EMC , các tín hiệu từ sensor về phải đợc truyền dẫn
qua cáp bọc kim.
Các nguồn nhiễu do EMI ( Electromagnetic Interference)
Để lọc nhiễu do EMI , tín hiệu cần truyền dùng cáp đôi dây xoắn.

24