Nghiên cứu ứng dụng cảm biến MEMS trong mô hình hệ thống tự động cân bằng tàu

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được
chỉ rõ nguồn gốc.
Hải Phòng, ngày 08 tháng 09 năm 2015
Tác giả luận văn

Nguyễn Hoàng Hiếu

i


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo ở Khoa Điện–Điện tử,
trường đại học Hàng hải Việt Nam, đã đóng góp nhiều ý kiến quan trọng để tác giả
hoàn thành bản luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo của Viện Đào tạo Sau Đại
học đã tạo điều kiện và khích lệ để tác giả hoàn thành bản luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy TS. Trần Sinh Biên của Khoa Điện–
Điện tử trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tác
giả hoàn thành bản luận văn này.
Tác giả xin cảm ơn các thầy giáo, các anh chị em phòng thí nghiệm, trường
Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất để tác giả thực hiện
thành công bản luận văn.
Những lời cảm ơn chân thành tiếp theo xin được đến tới gia đình và bạn bè,
những người đã luôn động viên, khuyến khích và chia sẻ khó khăn trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu khoa học của mình.

ii

MỤC LỤC
Lời cam đoan………………………………………………………………………..i
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................ii
MỤC LỤC................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU.......................................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH........................................................................................vi
MỞ ĐẦU...................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU VÀ
hỆ thỐng tỰ đỘng cân bẰng tàu Victoria Leader....................................................3
1.1. Khái quát về hệ thống tự động cân bằng tàu..............................................3
1.2. Giới thiệu về hệ thống tự động cân bằng tàu Victoria Leader....................8
CHƯƠNG 2. CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TỰ
ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU.......................................................................................17
2.1. Cảm biến đo góc nghiêng.........................................................................17
2.2. Các phương pháp tiến hành cân bằng tàu thủy.........................................30
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG CỦA HỆ
THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU.................................................................40
3.1. Xây dựng mô hình vật lý mô phỏng chức năng đo góc nghiêng trong hệ
thống tự động cân bằng tàu..............................................................................40
3.2. Xây dựng chương trình điều khiển mô phỏng một số chức năng trong hệ
thống tự động cân bằng tàu..............................................................................58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................66

iii

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt
MEMS
ADC
MSB
LSB

Giải thích
MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM
Analog Digital Converter
Most Significant Bit
Least Significant Bit

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng
1.1
1.2
3.1
3.2

Tên bảng
Vị trí các cảm biến được đặt tại các két trên tàu Victoria
leader
Vị trí các van Ballast trong hệ thống
Bảng chức năng các chân của ADXL335
Lựa chọn giá trị của tụ lọc

v

Trang
10
13
48
50


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình
1.1
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18

2.19
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9

Tên hình
Cấu trúc của hệ thống tự động cân bằng tàu trên tàu Victoria
Leader
Sơ đồ hoạt động của Encoder
Đĩa mã hoá của encoder tuyệt đối 8 vòng rãnh
Đĩa quay của encoder tương đối
Mô tả đĩa encoder tương đối có lỗ định vị
Encoder tương đối với 2 vòng rãnh
Encoder tương đối trong thực tế
Minh hoạ cảm biến MEMS
Sơ đồ mô tả việc đo gia tốc dùng MEMS
Phương pháp sử dụng con quay hồi chuyển trong hệ thống cân
bằng tàu
Phương pháp sử dụng con quay hồi chuyển trong hệ thống cân
bằng tàu
Sự xếp bố trí dằn đáy sống tàu
Kết cấu và vị trí lắp đặt các vây hai bên mạn để ổn định tàu
Nguyên lý của hệ thống chống nghiêng lệch ngang kiểu thùng
chứa

Chi tiết về mặt cắt của thùng điển hình và vị trí ngang trên
thân tàu
Chi tiết về mặt cắt của két điển hình, và vị trí ngang trên thân
tàu, hiện tượng nghiêng lệch điển hình của tàu đánh cá
Hệ thống điều khiển chống nghiêng kiểu chủ động kết hợp
điều khiển bơm van
Các hiện tượng xảy ra nghiêng lệch thường gặp trên tàu thủy.
Một ví dụ về bố trí két chống lắc, két dằn
Hệ thống điều khiển cân bằng kiểu dằn ballast
Sơ đồ khối của hệ đo góc nghiêng
Sơ đồ tổng thể của mô hình
Sơ đồ nguyên lý khối xử lý tín hiệu đo
Vi điều khiển ATMEGA128 tích hợp ADC
Vi điều khiển ATMEGA128
Sensor đo góc nghiêng
Module cảm biến 5DOF
Sơ đồ khối của cảm biến ADXL335
Sơ đồ chân của cảm biến ADXL335
vi

Trang
8
18
19
20
21
21
22
24
27

28
30
31
32
33
33
35
35
37
38
39
41
42
42
43
44
46
46
47
48


Số hình
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16

3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
3.23
3.24
3.25
3.26
3.27

Tên hình
Cấu tạo của Gyroscope
Cảm biến MEMS Gyro
Mô tả hiệu ứng Coriolis
Hoạt động của MEMS Gyroscope
Cấu tạo của MEMS Gyroscope
Nguyên lý mạch biến đổi của MEMS Gyroscope
Khối nguồn của module
Khối hiển thị LCD
Màn hìnhText LCD 16x2.
Hình ảnh mạch in của mô hình mô phỏng
Mô hình vật lý mô phỏng một số chức năng của hệ thống tự
động cân bằng tàu
Khai báo cấu hình cho vi điều khiển dùng phần mềm
CodeVisionAVR
Khai báo cấu hình cho vi điều khiển
Khai báo cổng vào/ra cho vi điều khiển
Khai báo ngắt ngoài

Khai báo ngắt cho Timer
Giao diện viết chương trình cho vi điều khiển bằng
CodevisionAVR
Lưu đồ thuật toán mô phỏng một số chức năng của hệ thống
tự động cân bằng tàu

vii

Trang
51
51
52
52
53
53
54
54
55
56
57
59
59
60
61
61
62
63


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu là một hệ thống rất quan trọng
trên tàu, nó đảm bảo cho con tàu không bị nghiêng khỏi vị trí cân bằng ban đầu, hệ
thống này giám sát và đo đạc các thông số về độ nghiêng và gửi tín hiệu đến
buồng điều khiển để thông báo cho người điều khiển. Trên các con tàu hiện nay
không thể thiếu hệ thống này, nếu không có hệ thống này thì trong các chế độ hoạt
động của con tàu có thể bị nghiêng và lật do các tác động của sóng, gió hoặc do
việc xếp hàng hóa không cân bằng trên tàu.
Hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu là một hệ thống hết sức quan
trọng của con tàu, nó có nhiệm vụ giám sát và kiểm tra mọi sự sai lệch về độ
nghiêng thực tế của con tàu so với độ nghiêng được thiết kế. Hệ thống thực hiện
việc giám sát bằng các cảm biến mức nước các két ballast qua đó gửi tín hiệu đến
trung tâm tính toán.
Hệ thống tự động cân bằng tàu có nhiệm vụ chính là nâng cao tính ổn định
cho con tàu, đảm bảo cho tàu luôn cân bằng. Nâng cao hiệu suất đối với lực đẩy.
Trong hai thập kỷ qua nhiều hãng trên thế giới đã, đang và sẽ còn tiến hành
nghiên cứu giải quyết hai vấn đề nêu trên. Đồng thời đã thiết kế, chế tạo và đưa
vào sử dụng các hệ thống đo góc nghiêng.
Trong nước chưa đưa ra sản phẩm hệ thống đo góc nghiêng trên tàu thủy,
mà mới chỉ dừng lại ở trong các công trình nghiên cứu lắp đặt và vận hành khai
thác chúng.
Việc nghiên cứu nhằm chế tạo hệ thống đo góc nghiêng trên tàu thủy và chế
tạo hệ thống tự động cân bằng tàu được đặt ra trong giai đoạn phát triển mạnh của
công nghiệp đóng tàu Việt nam là cần thiết. Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cảm
biến MEMS trong mô hình hệ thống tự động cân bằng tàu” được đưa ra nhằm
giải quyết tính cấp thiết hiện nay.

1

2. Mục đích chung và nhiệm vụ của đề tài
Nghiên cứu chế tạo hệ thống đo góc nghiêng, ứng dụng xây dựng hệ thống
tự động cân bằng tàu trên tàu thủy.
3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
Đối tượng nghiên cứu là cảm biến MEMS, các loại van, bơm …. .
Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung nghiên cứu cảm biến MEMS, chức
năng tự động cân bằng tàu.
4. Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở tìm hiểu hoạt động của cảm biến đo góc nghiêng, hoạt động của
hệ thống tự động cân bằng tàu. Tác giả đã kế thừa và phát triển kinh nghiệm của
mình cho việc nghiên cứu mang tính ứng dụng cho thiết bị cụ thể.
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đề tài được ứng dụng dùng trong các hệ thống đo góc nghiêng, hệ thống tự
động cân bằng tàu. Thuật toán và mô hình đề xuất cũng cho phép có thể áp dụng
trong hệ thống tự động cân bằng tàu.
Nó cũng là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến cảm biến đo góc
nghiêng, hệ thống tự động cân bằng trên tàu thủy.

2


CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU
VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU VICTORIA LEADER
1.1. Khái quát về hệ thống tự động cân bằng tàu
1.1.1. Chức năng và phân loại hệ thống tự động cân bằng tàu
Tàu thuỷ là phương tiện hoạt động trong môi trường nước. Trong quá trình
hoạt động di chuyển do tác động của nhiều yếu tố môi trường như sóng, gió, bão…
tàu có thể bị mất cân bằng nghiêng ngang, chúi dọc, và một lí do chính khiến cho
tàu mất cân bằng là khi tàu xếp dỡ hàng hoá (xếp hàng không cân) hoặc trong quá
trình di chuyển tàu tiêu hao nhiên liệu và nước ngọt dự trữ trong các két ở hai bên

mạn tàu khiến cho trọng lượng của các két giảm xuống. Để giải quyết vấn đề ổn
định cho tàu trong quá trình hoạt động người ta sử dụng hệ thống dằn-hút khô
(ballast). Bản chất của hệ thống dằn-hút khô sử dụng trên tàu là: đưa nước ngoài
mạn vào các két trong tàu, thường người ta sử dụng các két này trong các khoang
đáy đôi, mũi tàu hoặc đuôi tàu nhằm mục đích cân bằng và ổn định thân tàu trong
quá trình hoạt động. Trong thực tế phụ thuộc vào tính năng, kết cấu, hình dáng và
kích thước của loại tàu người ta có thể sử dụng nhiều hoặc ít các két chứa nước
(két ballast) và nhiều hệ thống điều khiển đóng, mở, đo lường dung tích các két.
Đối với tàu chở ôtô Victoria Leader thì đặc điểm của nó là dung tích chứa hàng
lớn, độ mớn nước thấp, tàu chạy không tải thì nhẹ nên vấn đề cân bằng tàu càng
phải được chú trọng nhiều. Trong quá trình xếp dỡ hàng hoá, tàu chạy không tải,
tàu chạy có tải ở mỗi chế độ lại phải có phương thức điều chỉnh và điều khiển
riêng.
Dựa vào nguyên lý hoạt động của hệ thống ballast người ta chia ra làm 3
loại:
Loại 1: Nước ở ngoài mạn tàu được lấy vào bơm ballast thông qua hệ thống
ống thông biển. Bơm ballast hoạt động đưa nước vào các két cần thiết. Ngược lại
bơm ballast này cũng làm nhiệm vụ hút nước ở các két này đưa ra ngoài mạn.

3


Loại 2: Cũng tương tự như loại 1 nhưng các két ở trên tàu có thể thông với
nhau qua các van, trong trường hợp cần thiết có thể mở van để điều chỉnh lượng
nước giữa các két không cần phải bơm vận chuyển.
Loại 3: Các két trên tàu có thể lấy nước từ ngoài mạn vào thông qua hệ
thống các van.
Dựa vào cách sử dụng có thể chia thành:
Sử dụng đóng mở các van bằng tay.
Đóng mở các van bằng khí nén.

Đóng mở các van bằng điện (thông qua động cơ điện).
Đóng mở các van bằng hệ thống dầu thuỷ lực.
Đóng mở các van bằng ba hệ thống tổng hợp (điện, khí nén và dầu
thuỷ lực).
Hệ thống dằn (ballast) bao gồm:
Các két ballast ở đáy, mạn, mũi và lái tàu.
Các tổ bơm phục vụ bơm nước vào và hút nước ra khỏi các két.
Các van đặt trước và sau các tổ bơm.
Các giỏ hút.
Các bầu lọc trước bơm (chắn rác và cặn bẩn).
Hệ thống đường ống hút và đẩy.
Các két ballast trên tàu đều phải có các đường ống thông hơi (trước và sau),
các đường ống đo để xác định độ cao của nước.
Các tổ bơm ballast dưới tàu thường phải sử dụng các tổ bơm tự hút và có các
đường ống mồi nước tránh trường hợp “e” khí trong các đường ống.
Các van trong hệ thống ballast thường phải sử dụng loại có nấm bằng đồng,
gang hoặc inoc để kéo dài tuổi thọ khi sử dụng. Các van xả sau bơm phải sử dụng
van một chiều tránh nước chảy ngược khi bơm ngừng hoạt động.
Các đường ống sử dụng trong hệ thống ballast sau khi gia công xong phải
được mạ kẽm (mạ nhúng) hoặc ít ra cũng là loại ống mạ kẽm điện phân để kéo dài
thời gian sử dụng.

4


Hệ thống cân bằng tàu là hệ thống rất quan trọng trên con tàu và nó không
thể thiếu được đối với bất kì một con tàu nào để đảm bảo cho sự an toàn trong quá
trình bốc xếp hàng hoá cũng như trong quá trình hành hải của con tàu.
1.1.2. Các thành phần trong hệ thống tự động cân bằng tàu
Các két ballast

Là những két chứa nước dùng để cân bằng tầu. Các két này được bố trí đều
nhau dưới đáy tầu từ mũi đến lái. Dung tích của các két ballast phụ thuộc vào kích
thước của con tàu, ở mỗi một két người ta đều trang bị ống đo, ống thông hơi và
các cảm biến mực nước, cảm biến nhiệt độ của các két.
Bơm ballast
Dùng để hút nước dằn tàu từ ngoài vào làm đầy các két ballast, rút nước ra
khỏi các két hoặc chuyển nước dằn từ két này sang két khác. Bơm ballast là loại
bơm có lưu lượng lớn lên thường dùng bơm ly tâm. Thông thường thì bơm ballast
và bơm cứu hoả có thể thay thế cho nhau được. Tức là bơm ballast có thể làm bơm
cứu hoả được và ngược lại. Một vài tàu khi bơm của hệ thống nước biển làm mát
máy chính bị trục trặc thì có thể dùng bơm ballast thay thế.
Hệ thống đường ống và các van
Dùng để nối các két ballast với bơm ballast, nối bơm thông ra biển. Một
bơm ballast có đường ống hút từ ngoài biển, từ buồng máy, từ ống ballast chính,
hút trực tiếp ballast, có đường ống thông với ống lacanh chính và có đường ống xả
ra mạn tàu, xả vào ống ballast chính, đôi khi có đường ống thông sang hệ thống
nước biển làm mát máy chính.
Tuy nhiên không phải các tàu đều có bố trí hoàn toàn giống nhau. một vài
tàu có trang bị các két ballast hoặc két dầu là các két đáy đôi (trừ một hoặc hai két
ở mạn phải và mạn trái dùng để chứa nước ngọt là không phải đáy đôi), vài tàu thì
chỉ có 2 hoặc 3 két đáy đôi, những tàu khác có một két hoặc hơn ở dưới thấp nữa
làm két đáy (deep tank). Tất cả các tàu đều phải có két ballast ở phía mũi tàu và
5


phía lái tàu (forpeak tank và afpeak tank). Một vài tàu có một đường hầm (Tunnel)
nối từ buồng máy đến hầm hàng sau lái và đến mũi tàu để các đường ống lacanh,
các đường ống ballast, các đường ống dầu và các van của chúng đặt trong đó
(đường hầm này con người có thể vào được để kiểm tra, bảo dưỡng, sửa chữa các
van các ống khi cần thiết). Một số tàu lại trang bị một vòm dạng ống lớn chứa các

đường ống của các hệ thống nối từ buồng máy với phía mũi tàu, vòm tròn dạng
ống lớn này dưới tàu gọi thông thường là Duck keel. Các hộp van của hệ thống
ballast và bơm ballast thông thường được bố trí ở ngay trong buồng máy. Các van
trong hệ thống ballast thường là van chặn bình thường (khi mở thì van được nâng
lên).
1.1.3. Vai trò, phân loại, chức năng, nhiệm vụ của hệ thống giám sát và điều
khiển hệ thống tự động cân bằng tàu
1.1.3.1. Vai trò của hệ thống tự động cân bằng tàu
Hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu là một hệ thống rất quan trọng
trên tàu, nó đảm bảo cho con tàu không bị nghiêng khỏi vị trí cân bằng ban đầu, hệ
thống này giám sát và đo đạc các thông số về độ nghiêng và gửi tín hiệu đến buồng
điều khiển để thông báo cho người điều khiển. Trên các con tàu hiện nay không thể
thiếu hệ thống này, nếu không có hệ thống này thì trong các chế độ hoạt động của
con tàu như chế độ làm hàng, chế độ hành trình trên biển con tàu có thể bị nghiêng
và lật do các tác động của sóng, gió hoặc do việc xếp hàng hoá không cân bằng ở
trên tàu.
1.1.3.2. Phân loại hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu
Hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu có thể phân thành hai loại
chính:
Hệ thống có giám sát nhưng không tự động điều khiển cân bằng.
Hệ thống có giám sát và có thể tự động phát tín hiệu khởi động để cân bằng
tàu.
Đối với hệ thống có giám sát nhưng không tự động điều khiển cân bằng tàu
thì các quyết định đưa ra sau đó sẽ do sĩ quan boong (thường là đại phó) chịu trách
6


nhiệm và người thực hiện sẽ là sĩ quan máy. Hệ thống loại này có nhược điểm là
làm cho công việc của đại phó nhiều thêm nhưng nó có ưu điểm là tính an toàn và
chắc chắn cao hơn. Đối với hệ thống có giám sát và có tự động điều khiển cân

bằng tàu thì đáp ứng được tính tự động hoá cao trên tàu thuỷ nhưng lại có nhược
điểm lớn là nếu có trục trặc hay hỏng hóc nào đó với hệ thống thì độ nguy hiểm
đối với con tàu sẽ rất lớn. Ngày nay đối với các tàu có yêu cầu cao về độ ổn định
như các tàu chở container, tàu chở hàng rời thì được ứng dụng loại hệ thống có tự
động điều khiển cân bằng tàu nhưng hệ thống này cần phải được thường xuyên
theo dõi để đảm bảo không có hỏng hóc nào xảy ra đối với hệ thống cũng là đảm
bảo an toàn cho con tàu.
1.1.3.3. Chức năng, nhiệm vụ của hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu
Hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu là một hệ thống hết sức quan
trọng của con tàu, nó có nhiệm vụ giám sát và kiểm tra mọi sự sai lệch về độ
nghiêng thực tế của con tàu so với độ nghiêng được thiết kế (có nhiều nguyên nhân
dẫn đến tàu bị nghiêng khỏi vị trí cân bằng ban đầu của nó như do tác động của
sóng, gió, do quá trình xếp dỡ hàng hoá ở cảng, do quá trình luân chuyển và sử
dụng các két dầu đốt, các két nước ngọt…). Hệ thống thực hiện việc giám sát bằng
các cảm biến mức nước của các két ballast qua đó gửi tín hiệu thu được tới trung
tâm tính toán. Từ các số liệu thu được người vận hành sẽ tính toán và đưa ra quyết
định điều khiển các bơm ballast khác nhau ở các vị trí két khác nhau nhằm giữ cho
con tàu có thể cân bằng trong giới hạn cho phép. Đối với những con tàu có hệ
thống tự động điều khiển cân bằng tàu thì khi tín hiệu thu được từ các cảm biến
mức nước đưa về bộ xử lí trung tâm nó sẽ được tính toán và từ bộ xử lí trung tâm
này sẽ gửi tín hiệu điều khiển tới các rơle trung gian để khởi động các bơm ballast
tương ứng. Hệ thống này rất quan trọng đối với sự an toàn của con tàu và hàng hoá
vì nếu có sai sót hỏng hóc nào đó của hệ thống mà tín hiệu giám sát và điều khiển
không đúng thì có thể dẫn đến con tàu bị nghiêng quá nhiều gây ra tình trạng nước
tràn vào tàu và có thể bị đắm tàu.

7


Hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu có nhiệm vụ chính là nâng cao

tính ổn định cho con tàu, đảm bảo cho con tàu luôn luôn cân bằng (không bị
nghiêng, bị lệch).
Nâng cao hiệu suất đối với hệ lực đẩy. Hệ thống ballast dùng khi tàu xếp
hàng không đều, khi tàu không chở hàng (tàu chạy ballast) hoặc khi có ngoại lực
tác dụng lên tàu như sóng, gió.
Việc điều hành hoạt động của hệ thống ballast được thực hiện theo lệnh của
sĩ quan boong, thông thường là đại phó (chief officer) khi đã nghiên cứu tính ổn
định của tàu trong điều kiện khai thác thực tế. Sau khi nhận được lệnh bơm nước
ballast vào các két dằn hoặc hút khô một vài két nước dằn tương ứng thì sĩ quan
máy sẽ thực hiện các thao tác cần thiết.
1.2. Giới thiệu về hệ thống tự động cân bằng tàu Victoria Leader
1.2.1. Cấu trúc hệ thống tự động cân bằng tàu Victoria Leader
Cấu trúc hệ thống tự động cân bằng tàu Victoria Leader được thể hiện như hình 1.1

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống tự động cân bằng tàu trên tàu Victoria Leader
Hệ thống bao gồm: Hệ thống khoang ballast (Phòng riêng của hệ thống
ballast); Bảng điều khiển tại chỗ; Các thiết bị lắp đặt bên ngoài (các van, van phân
phối, bộ chuyển đổi mức).
8


Hệ thống khoang ballast: Có hai nguồn là 220V/50 Hz và nguồn một chiều
là 24V được đưa đến phòng riêng của hệ thống Ballast, các cáp điện cấp nguồn và
cáp tín hiệu được đặt trong ống ở phía dưới đáy. Các két Ballast này được chế tạo
bằng thép và được đặt phía trên sàn đáy của con tàu.
Bảng điều khiển tại chỗ: Bảng điều khiển tại chỗ được gắn trên vách của
buồng Ballast, trên bảng điều khiển tại chỗ sẽ thực hiện hiển thị trạng thái của các
bơm, góc nghiêng hiện tại của tàu, các chế độ làm việc của hệ thống.
Trong hệ thống tự động cân bằng tàu của tàu Victoria Leader ngoài hệ thống
các két Ballast và bảng điều khiển tại chỗ, thì nó còn có các van, các bộ chuyển đổi

mức.
Chức năng của hệ thống tự động cân bằng tàu:
Điều khiển bằng tay của hệ thống van ballast.
Điều khiển bằng tay tại chỗ bơm ballast từ bảng điều khiển tại chỗ.
Điều khiển bằng tay từ xa và tự động điều khiển bơm ballast.
Tự động cân bằng tàu.
Đo các mức trong các két ballast và các két nước vệ sinh.
Điều khiển lượng ra và bảo vệ bơm ballast.
Điều khiển từ xa bằng tay của:
Bơm cứu hoả - lacanh.
Bơm lacanh - cứu hoả.
Bơm cứu hoả sự cố.
Hiển thị tín hiệu theo những việc sau:
Đóng mở của từng van.
Điều khiển bơm ballast từ khoang điều khiển ballast.
Bơm ballast hoạt động.
Cho mỗi bơm cứu hoả.
Hệ thống sẽ cung cấp các tín hiệu báo động trong trường hợp có sự cố của
hệ thống.
Điều khiển và đưa ra các tín hiệu cho các bơm lacanh- cứu hoả.
9


1.2.2. Cấu tạo của hệ thống
1.2.2.1. Hệ thống các két
Bố trí các két
Là những két chứa nước dùng để cân bằng tàu. Các két này được bố trí đều
nhau dưới đáy tàu từ mũi đến lái. Dung tích của các két ballast phụ thuộc vào kích
thước của con tàu, ở mỗi một két người ta đều trang bị ống đo, ống thông hơi và
các cảm biến mực nước, cảm biến nhiệt độ của các két.

Bố trí các két ballast:
Trong các két bố trí các sensor để đo mức nước và nhiệt độ như bảng 1.1
Bảng 1.1. Vị trí các cảm biến được đặt tại các két trên tàu Victoria leader
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

Tank name
Fore peak C
BW TK1 PS
BW TK1 SB
BW TK2 PS
BW TK2 SB
BW TK3 PS
BW TK3 SB
BW TK4 PS
BW TK4 SB
BW TK5 PS

BW TK5 SB
Aft Peak C
Aft Peak PS
Aft Peak SB

Sensor Type
HCG 2011/4 FW
HCG 2011/4 FW
HCG 2011/4 FW
HCG 2011/4 FW
HCG 2011/4 FW
HCG 2011/4 FW
HCG 2011/4 FW
HCG 2011/4 FW
HCG 2011/4 FW
HCG 2011/4 FW
HCG 2011/4 FW
HCG 2011/4 FW
HCG 2011/4 FW
HCG 2011/4 FW

Tất cả các két đều sử dụng một loại cảm biến giống nhau với các thông số
như sau:
Khoảng đo: 160 mbar đến 3200 mbar.
Tín hiệu đầu ra: 4 – 20 mA.
Lập trình trên: FSK BUS.
Cảm biến có tác dụng cảm biến cả mức nước và nhiệt độ trong két và vì đặc
thù là phải nhúng chìm ở trong két nên cảm biến được chế tạo từ chất liệu thép
không rỉ và được phủ bề mặt một lớp epoxy. Cảm biến có độ tin cậy rất cao vì
10

được xây dựng mọtt cách linh hoạt, đặc biệt thích hợp sử dụng trên môi truờng
khắc nghiệt của tàu thuỷ. Các chế độ bảo vệ cảm biến cũng rất ưu việt: chế độ ngắt
kết nối với cáp nếu xảy ra sự cố, chế độ bảo vệ nổ.
Theo thiết kế thì trong trường hợp nhúng chìm trong két thì độ bảo vệ là: IP
68. Vật liệu thép không rỉ phủ nhựa epoxy. Cáp kết nối phủ inox số: 1.4462, NBR.
Kết nối điện bằng 5 cực cắm vật liệu bằng inôx. Sợi cáp thì được bọc bởi chất dẻo
olyamide để bảo vệ.
Tín hiệu đầu ra:
Với chế độ đo áp lực:
Khoảng 4 – 20 mA.
Phạm vi cho phép thực tế: 3,8 – 20,8 mA.
Phạm vi lớn nhất: 21,8 mA.
Báo động trạng thái khi: nhỏ hơn 3,6 mA và > 21 mA.
Thời gian tác động: 160 ms.
Với chế độ đo nhiệt độ:
Phạm vi: -40 đến 120 °C.
Độ chính xác: nhóm B theo EN 60751.
1.2.2.2. Hệ thống đường ống
Hệ thống đường ống trên tàu Victoria Leader vô cùng phức tạp dùng để nối
các két ballast với bơm ballast, nối bơm thông ra biển. Một bơm ballast có đường
ống hút từ ngoài biển, từ buồng máy, từ ống ballast chính, hút trực tiếp ballast, có
đường ống thông với ống lacanh chính và có đường ống xả ra mạn tàu, xả vào ống
ballast chính, đôi khi có đường ống thông sang hệ thống nước biển làm mát máy
chính.
Vì môi trường nước biển đi qua đường ống là chứa nhiều tạp chất nên vật
liệu thường dùng của đuờng ống là thép tráng men. Trên các đường ống luôn đi
kèm các van để khống chế đóng mở đường ống một cách thuận tiện. Ngoài ra, ở
những đường ống thông từ van ra biển có bố trí lớp lưới để giữ lại những cặn bẩn

lớn trong nước biển tránh hiện tượng tắc đường ống và làm mài mòn đường ống.

11


Hệ thống đường ống là hệ thống rất quan trọng trong quá trình cân bằng tàu.
Hệ thống đóng vai trò vận chuyển trực tiếp nước để dằn tàu nên cần thường xuyên
kiểm tra để kịp thời phát hiện những hỏng hóc như tắc nghẽn, rò rỉ. Trong quá
trình cân bằng tàu hệ thống mà tắc nghẽn quá trình cân bằng sẽ không thể thực
hiện được.
1.2.2.3. Hệ thống các van
Phân loại.
Trên tàu Victoria Leader được sử dụng rất nhiều loại van:
Theo nhiên liệu chạy qua van: có van nước, van dầu, van khí…
Theo cấu tạo của van: van 1 chiều, van 2 chiều, van áp suất, van tương tự…
Theo tín hiệu điều khiển: van điện, van thuỷ lực, van điện thuỷ lực.
Trong hệ thống tự động cân bằng tàu các van cũng có nhiệm vụ rất quan
trọng trong việc điều khiển và giám sát. Hệ thống sử dụng tương đối đầy đủ các
loại van (van 1 chiều, van 2 chiều, van tương tự, van nước, van dầu)
Các loại van 1 chiều như: BGV167, BGV168, BGV190, BGV191,…
Các van 2 chiều như: BW V011, BW V012, BW V13, BGV014,…
Các loại van tương tự: BW V005, BW V006.
Các loại van nước: của hệ thống van của bơm Ballast (BW…).
Các loại van dầu: hệ thống van của các két dầu (FOV…).
Ngoài ra còn có các loại van khác như: van giảm áp (BW V015,BW V016…)
Vị trí của các van trong hệ thống được bố trí như bảng 1.2

12

Bảng 1.2. Vị trí các van Ballast trong hệ thống
No.
Tên van
Vị trí
1
BW V011
Tại két BW 5P
2
BW V012
Tại két BW 5S
3
BW V013
Tại két BW 4P
4
BW V014
Tại két BW 4S
5
BW V015
Tại két BW 3P
6
BW V016
Tại két BW 3S
7
BW V017
Tại két BW 2P
8
BW V018
Tại két BW 2S
9
BW V019

Tại két BW 1P
10
BW V020
Tại két BW 1S
11
BW V021
Tại két BW porepeak C
12
BW V023
Tại két Afterpeak C
13
BW V024
Tại két Afterpeak P
14
BW V025
Tại két Afterpeak S
Ngoài ra còn các van BW V001, BW V002 đến BW V010 và BW V022,
BW V026, BW V027, BW V028, BW V034 nằm trên các đường ống.
1.2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hệ thống cân bằng tàu được thiết kế sao cho có thể điều khiển bằng tay hoặc
có thể điều khiển tự động. Việc chọn chế độ điều khiển bằng tay hay tự động còn
tuỳ thuộc vào yêu cầu điều khiển của tình trạng thực tế của con tàu, với chế độ
điều khiển bằng tay thì người điều khiển sẽ quan sát các cơ cấu chỉ báo độ nghiêng
của con tàu như độ nghiêng ngang về mạn nào của con tàu (nghiêng bên phải hay
nghiêng trái) và quan sát cơ cấu chỉ báo xem tàu có bị chúi lái hay chúi mũi không
và tuỳ thuộc vào điều kiện công tác hiện tại của con tàu mà người điều khiển sẽ ấn
các nút tác động cấp điện cho các van điện từ mở hay đóng tuỳ thuộc vào các két
cần bơm nước vào hay xả nước ra. Nếu tàu bị nghiêng bên trái thì bơm nước ở các
két bên trái ra và bơm nước vào các két ở bên phải, ngược lại nếu tàu mà bị
nghiêng mạn phải thì bơm nước ở các két ở bên phải ra và bơm nước vào các két ở

bên phải. Nếu tàu bị chúi mũi thì bơm nước ở két mũi ra và bơm nước vào két lái,
còn nếu tàu bị chúi lái thì ta làm ngược lại tức là bơm nước từ két lái ra và bơm
nước vào két mũi. Trong chế độ cân bằng tàu thì chỉ có hai két chính tham gia vào
việc điều chỉnh độ nghiêng của con tàu đó là hai két số bốn trái vào bốn phải. Các
13


két còn lại chỉ tham gia vào quá trình dằn tàu trong quá trình tàu hành trình trên
biển và bốc xếp hàng hoá ở cảng
1.2.3.1. Nguyên lý hoạt động của các van
Van điều khiển mở bằng dầu thuỷ lực
Sơ đồ điều khiển van bằng điện:
Tất cả các van 1 chiều trong hệ thống đều có sơ đồ nguyên lý và nguyên lý
hoạt động giống nhau nên ta chỉ cần thuyết minh nguyên lý của một van 1 chiều.
Thuyết minh nguyên lý hoạt động của van BGV167 (sơ đồ A - 34660 - 00101
- SP 8/17, xem Phụ lục 1).
Khi cấp nguồn điều khiển 24V từ bảng điều khiển van và có tín hiệu vào
(Output) là mở van thì tiếp điểm thường mở ở Output đóng lại cấp nguồn 24V cho
cuộn Y20. Cuộn Y20 có điện đóng sẽ mở cửa van và đồng thời đóng tiếp điểm Ye ở
V20 đưa tín hiệu đã mở van đến đầu vào (Input) của bảng điều khiển van và hiển thị
trên máy tính là van đã được mở.
Khi muốn điều khiển cho van đóng, ta đặt tín hiệu đóng van thì khi đó tiếp điểm
thường mở ở Output mở ra, cuộn Y20 mất điện. Do cấu tạo của van có cuộn lò xo
nên quá trình đóng van nhờ vào lực đẩy của lò xo.

14


Van điều khiển đóng và mở bằng dầu thuỷ lực
Tương tự như các van 1 chiều, tất cả các van 2 chiều trong hệ thống đều có sơ

đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động giống nhau nên ta chỉ cần thuyết minh nguyên
lý của một van 2 chiều.
Thuyết minh nguyên lý hoạt động của van FOV040 ( sơ đồ A – 34660 –
00102 – SP 5/33, xem Phụ lục 1).
Khi muốn điều khiển van mở ra: đặt tín hiệu mở van từ bảng điều khiển từ xa
van (Valve control system) tín hiệu ra ở Output sẽ đóng tiếp điểm thường mở, nguồn
được cấp cho cuộn B (cuộn open). Cuộn B có điện đóng tiếp điểm ye ở V36 đưa tín
hiệu đã mở van đến đầu vào (Input) của bảng điều khiển van và hiển thị trên máy
tính là van đã được mở.
Khi muốn điều khiển van đóng lại: đặt tín hiệu đóng van từ bảng điều khiển
từ xa van (Valve control system) tín hiệu ra ở Output sẽ đóng tiếp điểm thường mở,
cấp nguồn cho cuộn A. Cuộn A có điện sẽ thực hiện quá trình đóng van và đồng thời
đóng tiếp điểm bn ở V36 đưa tín hiệu đã mở van đến đầu vào (Input) của bảng điều
khiển van và hiển thị trên máy tính là van đã mở.
1.2.3.2. Nguyên lý hoạt động của các van theo sơ đồ thuỷ lực
Dựa theo sơ đồ thuỷ lực (A – 34660 – 00101 – SP 11/17 và 12/17, xem Phụ
lục 1) thì các van được chia làm các nhóm điều khiển như sau:
Nhóm 1: các van tác động đơn. Sau khi dầu thuỷ lực được bơm qua cụm van
ruột gà, được đo áp suát nhờ đồng hồ áp suất sẽ đi đến trước miệng van. Ban đầu van
ở trạng thái đang đóng, khi có tín hiệu điều khiển mở van tác động vào van làm đổi
trạng thái của van: đầu B sẽ nối lên đầu T, đầu P sẽ nối vào đầu A đưa dầu thuỷ lực
đi qua van tiết lưu tạo áp lực đẩy pittông mở cửa van.Quá trình đóng van sẽ thực hiện
nhờ lực đẩy của lò xo.
Nhóm 2: các van tác động kép. Nguyên lý chỉ khác van tác động đơn ở quá
trình đóng van. Khi đóng van sẽ ko phải nhờ lực đẩy của lò xo mà thực hiện đóng
van nhờ áp lực của dầu thuỷ lực. Van đang ở trạng thái mở muốn đóng van phải tác
động làm van đổi trạng thái (P nối với B, còn A nối với T) dầu thuỷ lực sẽ đi theo

15

đường ngược lại với quá trình mở van tạo ra áp lực đẩy pittông theo chiều ngược lại,
đẩy van đóng lại.
Nhóm 3: các van có thể khoá vị trí. Nguyên lý đóng mở van giống nhóm van
thứ 2 nhưng nhóm van này có thêm 2 cuộn khoá A và B có thể khống chế độ đóng
mở của van tuỳ theo giá trị mong muốn nhờ 2 tiếp điểm A và B.
Nhóm 4: nhóm các van giảm áp. Nguyên lý đóng mở van giống nhóm van thứ 2
nhưng nhóm van này còn được lắp thêm 2 van điều tiết trên 2 đường thuỷ lực của
cửa đóng và mở của van có tác dụng giảm áp lực dầu thuỷ lực theo giá trị mong
muốn của người sử dụng.
Các giá trị áp suất của van:
Áp suất thiết kế: 315 bar;
Áp suất làm việc: 90 bar;
Áp suất trả lại: 5 - 20 bar.
1.2.3.3. Hệ thống cân bằng tàu
Hệ thống tự động cân bằng tàu hoạt động trên nguyên tắc khi tàu bị nghiêng
thì sẽ có tín hiệu từ bộ phận đo độ nghiêng gửi đến khối xử lí trung tâm và từ đó sẽ
gửi tín hiệu điều khiển tới tự động khởi động bơm ballast để bơm chuyển nước từ
két 4 trái sang két 4 phải nếu như tàu bị nghiêng sang trái và chuyển từ két 4 phải
sang két 4 trái nếu như tàu bị nghiêng sang phải. Hệ thống bắt đầu hoạt động khi
độ nghiêng của tàu lớn hơn 1,5o và nó sẽ dừng hoạt động khi độ nghiêng của tàu
còn 0,5o ( hoặc khi độ nghiêng của tàu còn 1 o – do người điều khiển đặt trước) và
khi độ nghiêng của tàu lớn hơn 5,5o thì bơm sẽ dừng hoạt động và có tín hiệu báo
động bằng đèn.
Để chọn chế độ tự động cân bằng tàu thì trước hết ta kích hoạt chế độ
(Activate Mode) sang chế độ tự động (Automatic) khi đó tín hiệu cân bằng tàu sẽ
được đưa vào hoạt động tới khối hiển thị và xử lý trung tâm. Giả sử vì một lý do
nào đó mà tàu bị nghiêng sang trái thì sẽ có tín hiệu từ khối đo độ nghiêng.

16

CHƯƠNG 2. CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU
Có nhiều dạng cảm biến có thể được sử dụng để đo góc nghiêng của tàu
thủy. Tuy nhiên, chúng có thể được phân thành hai loại chính là cảm biến sử dụng
encoder và cảm biến dạng vi cơ điện tử (MEMS – MICRO ELECTRO
MECHANICAL SYSTEM).
2.1. Cảm biến đo góc nghiêng
2.1.1. Giới thiệu cảm biến đo góc nghiêng dùng ENCODER
2.1.1.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của Encoder
Encoder sử dụng một đĩa quay để xác định giá trị của góc quay của bánh xe,
trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc.
Encoder được chia làm 2 loại, encoder tuyệt đối và encoder tương đối.
Encoder tuyệt đối là dòng encoder có nhiều bit ra cho phép xác định chính xác giá
trị góc quay hiện thời của nó. Còn encoder tương đối là loại encoder chỉ có 1, 2,
hoặc tối đa là 3 vòng rãnh với tín hiệu phát ra là một chùm xung. Để xác định góc
quay của hệ thống với loại encoder này người ta sẽ căn cứ vào số xung đếm được
để tính ra giá trị góc quay thực.
Cấu tạo cơ bản của encoder gồm một đĩa tròn gắn trên một trục quay. Trên
đĩa có khắc các rãnh cách đều nhau sao cho ánh sáng có thể chiếu qua. Hai bên mặt
đĩa có các sensor thu và phát ánh sáng. Khi đĩa quay, nếu ở vị trí chỗ không có
rãnh sẽ ngăn không cho ánh sáng đi qua, ở vị trí có rãnh thì ánh sáng được chiếu
xuyên qua tới sensor thu. Dựa trên sự thay đổi của ánh sáng chiếu qua các rãnh sẽ
có các xung điện tương ứng được phát ra.
Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một rãnh duy nhất, cứ mỗi sensor thu
nhận được tín hiệu ánh sáng, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng. Nếu đĩa
được khắc n rãnh thì encoder sẽ phát ra n xung khi nó quay hết một vòng. Số lượng
rãnh càng nhiều thì độ chính xác của encoder càng cao.

17


Hình 2.1. Sơ đồ hoạt động của Encoder
2.1.1.2. Encoder tuyệt đối
Một trong các vấn đề cần quan tâm chính là độ mịn của encoder, đó là giá trị
góc quay nhỏ nhất mà encoder có thể xác định được. Nghĩa là làm thế nào biết đĩa
đã quay 1/2 vòng, 1/4 vòng, 1/8 vòng hay 1/n vòng, chứ không phải chỉ biết đĩa đã
quay được một vòng. Quay lại bài toán cơ bản về bit và số bit, chúng ta xem xét
vấn đề theo một cách hoàn toàn toán học. Với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng
ta sẽ có các tổ hợp 00, 01, 10, 11, tức là 4 trạng thái. Điều đó có nghĩa là với 2 chữ
số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng nhau. Và khi quay, chúng ta
sẽ xác định được độ chính xác đến 1/4 vòng. Tương tự như vậy, nếu với một số có
n chữ số, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/(2n) vòng.
Cách xác định 2n trạng thái này của đĩa encoder

Hình 2.2. Đĩa mã hoá của encoder tuyệt đối
Ở hình 2.2 đưa ra ví dụ với đĩa encoder tuyệt đối có độ phân giải 2 bit. Ta sẽ
thấy rằng, ở vòng trong cùng, có một rãnh rộng bằng 1/2 đĩa. Vòng phía ngoài, sẽ
có 2 rãnh nằm đối diện nhau. Như vậy, chúng ta cần 2 cặp sensor thu và phát tương
ứng với 2 vòng rãnh.

18