Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cảnh báo và điều khiển cân bằng tàu khi có sự cố bất ổn định

TĨM TẮT

Trạng thái tàu do gió tác động, xếp dỡ hoặc dịch chuyển hàng hóa là một trong
những mối quan tâm hàng đầu gây mất ổn định ngang. Giải pháp ổn định ngang tàu
đóng vai trị hết sức quan trọng nhằm bảo đảm an toàn đối với con tàu, hàng hóa, và
tính mạng con người. Hệ thống nước dằn bao gồm một mô tơ điện, bơm kết nối với bộ
kiểm soát các van điều khiển từ xa là một trong những giải pháp phù hợp để cân bằng
ổn định ngang sử dụng trên các phương tiện thủy cỡ lớn hiện nay. Ngoài ra, giải pháp
dự báo mất ổn định dựa trên trạng thái nghiêng ngang tàu cũng được nghiên cứu và đề
xuất.

2


ABSTRACT

An heeling angle due to any winds, loading conditions and shifted cargoes is one of
factor to effect a tranvese stability of ship. A solution of ship stability has an important
role in order to ensure safety of ship, cargoes and human life. Anti-heeling system
includes electrical motor, pumps and controlled valves is a suitable solution to balance a
tranverse stability of large vessel. Also, our research is to explain a solution for
prediction of status of transverse stability as fast as possible.

3


MỤC LỤC

TÓM TẮT ................................................................................................................................ 2
ABSTRACT............................................................................................................................. 3
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................ 9
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG......................................................................... 12
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HÌNH DÁNG TÀU MẪU............................................. 14
2.1.

Giới thiệu trình tự thiết kế sơ bộ

2.2.

Tỉ số kích thước hình học tàu

2.3.

14
14

Số liệu khảo sát tàu mẫu 15

2.4.

Thơng số hình học mẫu tàu khảo sát có liên quan đến đặc trưng ổn định
ngang 17
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH NGANG VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH THU
NHỎ TÀU .............................................................................................................................. 21
3.1 Ảnh hưởng của chuyển dịch hàng hóa đến ổn định ngang....................... 21
3.2. Kiểm tra ổn định và xây dựng mơ hình đồng dạng .................................. 22
3.3 Phương án thi cơng mơ hình tàu đồng dạng .............................................. 25
3.3.1 Tâm ổn dịnh ngang tàu mơ hình ................................................................ 26
3.3.2 Xây dựng mơ hình thử nghiêng lệch tàu ................................................... 27
3.3.3 Tiến hành thử nghiêng lệch mơ hình ........................................................ 30

CHƯƠNG 4.THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ................... 32
4.1 Mơ hình tàu ................................................................................................... 32
4.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống ................................................................... 33
4.2.1 Khối xử lý trung tâm ........................................................................................... 33
4.2.2 Khối điều khiển tại chỗ....................................................................................... 35
4.2.3 Khối hiển thị ........................................................................................................ 36
4.2.4 Driver động cơ bơm............................................................................................ 37
4.2.5 Cảm biến mức ...................................................................................................... 38
4


4.2.6 Cảm biến đo góc ................................................................................................. 38
4.2.7 Khối giao tiếp dữ liệu ......................................................................................... 39
4.2.8 Hộp điều khiển .................................................................................................... 40
4.2.9 Bơm nước ............................................................................................................. 41
4.2.10 Van ...................................................................................................................... 41
4.3 Hoạt động của hệ thống ...................................................................................... 42
4.3.1 Chế độ điều khiển tự động ................................................................................. 42
4.3.2 Chế độ điều khiển bằng tay ............................................................................... 42
4.4 Giải thuật điều khiển ........................................................................................... 42
4.4.1 Chương trình chính............................................................................................. 42
4.4.2 Chương trình điều khiển tự động ...................................................................... 45
4.4.3 Chương trình trên vi điều khiển slave .............................................................. 45
CHƯƠNG 5. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU PHẦN MỀM CẢNH BÁO TRÊN MÁY TÍNH............................................................. 47
5.1 Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu ................................................. 47
5.2 Phần mềm cảnh báo trên máy tính............................................................................ 49
CHƯƠNG 6.THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỬ NGHIÊNG............................................ 51
6.1 Phương án bố trí và thơng số thiết kế két nước dằn tàu ....................................... 51
6.2 Phương án thay đổi tải trọng ...................................................................................... 53
CHƯƠNG 7. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .............................................................................. 55

7.1 Thí nghiệm đặt vật nặng bên mạn phải tàu ............................................................ 57
7.1.1 Tải trọng trường hợp 1 ................................................................................................ 57
7.1.2 Tải trọng trường hợp 2 ................................................................................................ 59
7.2 Thí nghiệm đặt vật nặng bên mạn trái tàu: ............................................................. 60
7.2.1 Trạng thái 1 ................................................................................................................... 60
7.2.2 Trạng thái 2 ................................................................................................................... 61
7.3 Lưu trữ và tải lại dữ liệu vào matlab ........................................................................ 62
7.4 Đánh giá ổn định trên mẫu tàu khảo sát .................................................................. 63
CHƯƠNG 8. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 66
5


8.1 Kết luận ............................................................................................................................ 66
8.2 Thống kê kết quả thực hiện đề tài ........................................................................ 67
8.3 Kiến nghị ............................................................................................... sử dụng két dằn chiếm 40% dung tích tồn
tàu, có khả năng áp dụng hiệu quả cho phương tiện thủy nội địa cỡ nhỏ ở Việt Nam như
sau:
 Hiệu chỉnh góc nghiêng ngang khi có sự cố tối đa 12 độ (giới hạn này dựa
trên khối lượng và dung tích chứa nước dằn được thiết kế ban đầu của mơ
hình tàu mẫu và mơ hình đồng dạng)
 Hiệu chỉnh phân bố tải trọng không đồng đều do chuyển dịch hoặc xếp dỡ
hàng hóa tại cảng, với lượng dịch chuyển dưới 10% tải trọng toàn tàu (giới
hạn này dựa trên khối lượng và dung tích chứa nước dằn được thiết kế ban
đầu của mơ hình tàu mẫu và mơ hình đồng dạng)
 Hàng hải (di chuyển tại những khu vực có tĩnh khơng cầu thấp tại các tuyến
đường thủy nội địa hoặc ngược lại khi di chuyển vào các khu vực có mớn
nước hạn chế)
Nhóm nghiên cứu hy vọng trong giai đoạn tiếp theo có thể triển khai tiếp các
nghiên cứu theo hướng này để có thể hồn thiện sản phẩm hướng đến việc triển khai tại
Việt Nam.

66


8.2 Thống kê kết quả thực hiện đề tài

TT

Các nội dung, công
việc chủ yếu

Kết quả thực hiện
Theo kế hoạch

Thực tế đạt được

Đánh
giá

Khảo sát thu thập dữ Số liệu thu thập bao gồm Thực tế các số liệu thu thập
liệu hình dáng phương dữ liệu hình dáng tàu bè là dữ liệu hình dáng các mẫu
tiện thủy cỡ nhỏ thuộc tại khu vực đồng bằng
tàu đạt tiêu chuẩn khai thác
nhóm tàu chở hàng
sông Cửu Long.
trên tuyến nội địa & quốc tế
hoặc tàu khách tại khu
vực thành phố Hồ Chí
Minh và vùng lân cận
(dự kiến mơ hình tàu

xây dựng L < 2m).

Đạt

Thiết lập bản vẽ thi
cơng mơ hình tàu, xây
dựng qui trình thử
nghiêng tàu dựa vào
phân tích đặc trưng mất
ổn định và dự báo tình
huống rủi ro của tàu mơ
hình.

Báo cáo trình bày các
phân tích tình huống rủi
ro và phương án xử lý
thông qua hệ thống cân
bằng. Kết quả báo cáo là
các đồ thị ổn định tại các
tình huống giả định, hệ
thống cân bằng tàu sẽ
điều khiển các van cấp –
xả nước dựa vào số liệu
đo mức nước và trạng
thái ổn định tại tình
huống đang xét.

Đạt

3.

Thiết kế hệ thống điều
khiển trung tâm: điều
khiển bơm và các van
thông qua cảm biến
mức và cảm biến đo
góc

Báo cáo phân tích tính Hồn thành hệ thống điều
khả thi của phương án khiển trung tâm
tích hợp điều khiển tự
động cân bằng tàu thông
qua hệ thống dằn tàu.

4.

Hệ thống điều khiển Kiểm tra hoạt động thực Hoàn thành phần mềm điều
giám sát và thu thập dữ tế giao tiếp với mạch khiển giám sát và thu thập
liệu qua máy tính
điều khiển trung tâm, dữ liệu qua máy tính
kiểm tra hoạt động của
phần mềm.

Đạt

5.

Phần mềm cảnh báo Kiểm tra hoạt động thực Hồn thành phần mềm cảnh

Đạt

1.

2.

67

Hồn thành mơ hình tàu
Xây dựng quy trình thử
nghiêng cho mơ hình thu
nhỏ
Bảng tính ổn định

Đạt


trên máy tính

tế cho các trường hợp cụ báo trên máy tính
thể và kiểm tra kết quả
cảnh báo của chương
trình.

6.

Thiết kế hệ thống thử Kiểm tra hoạt động thực
nghiêng
tế cho các trường hợp cụ
thể và kiểm tra kết quả
qua chương trình máy

tính.

Hồn thành việc đánh giá
thử nghiêng trên mơ hình
thu nhỏ dựa trên các tải
trọng giả định.

Mơ hình tàu hoạt động ổn
định.

7.

So sánh kết quả, đánh
giá hiệu quả phương án
thông qua thực nghiệm
đặc tính đường ổn định
khi tàu nghiêng và khả
năng phục hồi của tàu
trước và sau khi tích
hợp hệ thống điều khiển
cân bằng

8.

Viết báo cáo tổng kết đề Báo cáo tổng kết đề tài
tài

Báo cáo kết quả đạt
được, ưu điểm và mặt
hạn chế của phương án.

Kết quả ghi nhận được
từ qui trình thử nghiêng
là các đồ thị ổn định,
đáp ứng của hệ thống
cân bằng trên tàu mơ
hình.

Hồn thành bảng tính các hệ
số an tồn trước và sau khi
lắp đặt két dằn

Đã hoàn thành

Đạt

Đạt

Đạt

 Sản phẩm dạng I: Các sản phẩm mềm

TT

Tên sản phẩm

Theo kế hoạch

Thực tế đạt được

Đánh

giá

2

3

4

5

6

1
Quy
1.

Mứcchấtlượng

Đơn vị
đo

trình

cơng

nghệ

Bản báo cáo tổng Chun
đề
kết

2.

Trình bày chi tiết qui Hồn thành các bản
trình cơng nghệ của vẽ hình dáng, bố trí
chung tàu
phương án
Trình bày chi tiết kết

Đạt

Hồn thành

quả nghiên cứu chế
tạo thực nghiệm của

Đạt

đề tài
Hồ sơ thiết kế hệ Bộ
3.

thống

Đầy đủ tính tóan, bản Hồn thành thuyết
vẽ thiết kế hệ thống, minh thiết kế hệ
thống
68

Đạt

hướng dẫn lắp đặt, sử
dụng
Phần
4.

mềm

hệ

Giải thuật và phương

thống điều khiển

án xử lý thực hiện cân

cân bằng của mạch

bằng tàu

Hoàn thành
Đạt

điều khiển chính
5.

Hệ

thống

phần

điều

khiển

mềm

Phần mềm cho phép Hồn thành phần
điều khiển và thu thập mềm ghi nhận trạng
thái nghiêng và cảnh
dữ liệu trên máy tính
báo nguy hiểm

giám sát và thu

Đạt

thập dữ liệu trên
máy tính
 Sản phẩm dạng II: Các sản phẩm cứng
Mức chất lượng
Đơn vị
đo

Theo kế hoạch

Thực tế đạt được

Đánh

giá

2

3

4

5

6

Prototype tàu mẫu

Tàu

Tàu mơ hình thu nhỏ

Hồn thành tàu mơ
hình thu nhỏ hoạt
động ổn định

Đạt

Hệ thống điều khiển

Hoàn thành hệ thống
điều khiển điều khiển
mơ hình tàu hoạt
động ổn định

Đạt

TT

Tên sản phẩm

1

1.

+ các bản vẽ thiết
kế và thi công
Hệ

2.

thống

điều Thiết bị

khiển cân bằng tàu

 Sản phẩm dạng III, kết quả đào tạo và đăng ký SHTT

1. Kết quả cơng bố khoa học
TT

2

Tên sản
phẩm

Bài
đăng
tạp

báo
trên
chí

u cầu khoa học
cần đạt
Theo
Thực tế
đăng ký
đạt được
0 BBQT
01BBQT
Nguyen Anh Tuan, Le
Tat Hien “Study of the
69

Số lượng, nơi
cơng bố
(Tạp chí, nhà xuất
bản)
International
Jounal
of

Machanical

Minh chứng

Đánh
giá

-

Vượt
u
cầu

Bìa
Mục lục
Bài tồn


effects of roll motion Engineering and
văn
on transcerse stability Applications,
of a smal boat”
Vol.3,
No.1-3,
2015, pp 24 – 28,
ISBN: 2330-0248
Bài
báo 01 BCTN
AETA
2013: - Bìa

01 BCQT
cáo đăng
Tat-Hien
Le,
Vo Recent Advances - Mục lục
trên
hội
Electrical Bài tồn văn
Hoang Duy, Pham in
trong nước
Nhat Phuong, and Engineering and
Jong-Ho Nam “A Related Sciences,
Hybrid
Genetic ISBN 978-3-642Algorithm – Sequential 41967-6, pp 363Quadratic Programing 370
Approach for Canting
Keel Optimization in
Transverse Stability of
Small Boat Design”
trong nước

3

Đạt

2. Kết quả đào tạo
Số
TT

Cấp đào tạo,
chuyên ngành

đào tạo

Số lượng
Đăng ký

Thực tế đạt được

Thời gian
kết thúc

Đánh giá

2015

100%

2013

100%

01 HVCH
Tên HVCH: Lê Trung Kiên
1

Thạc sĩ

01
HVCH

Tên luận văn: Thiết hệ

thống đo và giải pháp làm
giảm biên độ lắc ngang tàu
thủy
02 SV
1. Tên SV: Nguyễn Thành
Quang

2

Đại học

02 SV

Tên đề tài: Điều khiển mơ
hình cân bằng tàu chở hàng
2. Tên SV: Nguyễn Sĩ Bằng
Tên đề tài: Hệ thống cân
bằng tàu thủy

8.3 Kiến nghị
Cho phép Nhóm nghiên cứu nghiệm thu đề tài

70


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Krata et al., Ship’s ballast tanks size and dimensions review for the purpose of
model research into the liquid sloshing phenomenon, Scientific Journals, Maritime
University of Szczecin, 2012

[2]. E. V. Lewis, “Principles of Naval Architecture – Volume 1: Stability and Strength”,
The Society of Naval Architects and Marine Engineers, 1988
[3]. H. Schneekluth and V. Bertram, “Ship design for efficiency and economy”,
Butterworth Heinemann, 1998.
[4]. Nguyen Anh Tuan, Tat-Hien Le, Study of the effects of roll motion on transverse
stability of a small boat, International Journal of Mechanical Engineering and
Application, 3, 24-28, 2015
[5]. Quy chuẩn phân cấp và đóng phương tiện thủy nội địa, QCVN72 – BGTVT, 2013

71