Lập quy trình chế tạo và thử nghiệm thiết bị cảnh báo sự cố máy chính tàu cá xa bờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN TRỌNG HÙNG

LẬP QUY TRÌNH CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ CẢNH BÁO SỰ CỐ MÁY CHÍNH TÀU CÁ XA BỜ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÒA - 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN TRỌNG HÙNG

LẬP QUY TRÌNH CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ CẢNH BÁO SỰ CỐ MÁY CHÍNH TÀU CÁ XA BỜ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành:

Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số:

8520016

Quyết định giao đề tài:

398/QĐ-ĐHNT ngày 12 tháng 4 năm 2018

Quyết định thành lập HĐ:

1319/ QĐ-ĐHNT ngày 21 tháng 10 năm 2020

Ngày bảo vệ:

11/11/2020

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
TS. PHÙNG MINH LỘC
Chủ tịch Hội đồng:
TS. HUỲNH VĂN VŨ
Phịng ĐT Sau Đại học:

KHÁNH HỊA - 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan mọi kết quả nghiên cứu của đề tài: “Lập quy trình chế tạo và
thử nghiệm thiết bị cảnh báo máy chính tàu cá xa bờ” là cơng trình nghiên cứu của
cá nhân tơi dƣới sự hƣớng dẫn của TS Phùng Minh Lộc và chƣa từng đƣợc cơng bố
trong bất cứ cơng trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này.
Khánh Hòa, ngày

tháng

năm 2020

Tác giả luận văn

Nguyễn Trọng Hùng

iii


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tơi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của q phịng
ban Trƣờng Đại học Nha Trang tạo điều kiện tốt nhất cho tơi hồn thành đề tài. Đặc
biệt là sự giúp đỡ, hƣớng dẫn tận tình của TS Phùng Minh Lộc để tơi hồn thành tốt đề
tài này. Qua đây, tơi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới sự giúp đỡ này.
Nhân dịp này, tôi cũng xin cảm ơn q Thầy cơ khoa Kỹ thuật Giao thơng, phịng
Đào tạo Sau đại học và Trung tâm Thí nghiệm - Thực hành, Trƣờng Đại học Nha
Trang đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Cuối cùng tác giả xin cảm ơn chân thành tới gia đình, thủ trƣởng Khoa Cơ điện,
Học viện Hải quân và các đồng nghiệp đã động viên trong suốt thời gian thực hiện
luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Khánh Hịa, ngày

tháng

năm 2020

Tác giả luận văn

Nguyễn Trọng Hùng

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................iv
MỤC LỤC .......................................................................................................................v
DANH MỤC KÝ HIỆU ............................................................................................... vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................................ix
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................x
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................xi
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN .......................................................................................... xiii
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................1
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc .............................................................. 2
1.3. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................... 10
1.4. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................................. 10
1.5. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 10
1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................ 11
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................12
2.1. Lý thuyết về cảnh báo sự cố máy chính tàu thủy ...................................................12
2.1.1. Khái quát về giám sát cảnh báo sự cố .................................................................12
2.1.2. Các phƣơng pháp giám sát tình trạng của máy chính tàu thủy ........................... 16
2.2. Cơ sở lý thuyết về chế tạo thiết bị cảnh báo sự cố máy chính tàu cá xa bờ ...........20
2.2.1. Khảo sát máy chính tàu cá xa bờ và các sự cố thƣờng gặp .................................20
2.2.2. Các thông số giám sát và ngƣỡng cảnh báo sự cố cho máy chính tàu cá. ...........23
2.2.3. Các loại cảm biến ................................................................................................ 25
2.2.4. Thiết bị thu thập và xử lý tín hiệu .......................................................................30

v

CHƢƠNG 3. QUY TRÌNH CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ CẢNH BÁO
SỰ CỐ MÁY CHÍNH TÀU CÁ ...................................................................................36
3.1. Quy trình chế tạo thiết bị ........................................................................................ 36
3.1.1. Sơ đồ thiết bị cảnh báo sự cố máy chính tàu cá ..................................................36
3.1.2. Thiết kế phần mềm .............................................................................................. 42
3.1.3. Lắp hoàn chỉnh thiết bị ........................................................................................ 44
3.1.3.1. Đấu nối mạch điện điều khiển ..........................................................................44
3.2. Quy trình thử nghiệm thiết bị .................................................................................54
3.2.1. Bố trí thiết bị thử nghiệm ....................................................................................54
3.2.2. Thiết bị đo kiểm chứng [11] ................................................................................57
3.2.3. Kết quả thử nghiệm và đánh giá độ tin cậy ......................................................... 62
CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ......................................................... 70
4.1. Kết luận...................................................................................................................70
4.2. Khuyến nghị ...........................................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 72

vi


DANH MỤC KÝ HIỆU
:

Cảm biến nồng độ ô xy.

nđc:

Tốc độ động cơ (vòng/phút).

tn:

Nhiệt độ nƣớc làm mát đầu ra của động cơ (0C).

tkx:

Nhiệt độ khí thải của động cơ (0C).

pđc:

Áp suất dầu bôi trơn của động cơ (kG/cm2).

x:

Sai số nhiệt độ trong đặc tính hoạt động của cảm biến (%).

H0 :

Giả thuyết đảo.

H1 :

Giả thuyết chính.

μ1 :

Giá trị trung bình của tập tồn bộ thứ nhất.

μ2 :

Giá trị trung bình của tập toàn bộ thứ hai.

Y, Z:

Các tập mẫu.

̅, ̅:

Giá trị trung bình của các tập mẫu.

N1, N2:

Các tập mẫu.

N:

Số lƣợng mẫu.

S1, S2:

Độ lệch chuẩn của các tập mẫu.

,

:

Phƣơng sai của các tập mẫu.

S:

Độ lệch chuẩn mẫu tƣơng đƣơng.

Sd:

Độ lệch chuẩn của tập các giá trị sai khác.

σ1, σ2:

Độ lệch chuẩn của các tập toàn bộ.

υ1, υ2:

Số bậc tự do của các tập mẫu.

υ:

Số bậc tự do dự đoán.

t:

Phân phối t Student.

di:

Lƣợng sai khác giữa các cặp dữ liệu từ hai tập mẫu.

̅:

Giá trị trung bình của tập các giá trị sai khác.

F:

Phân phối Fisher.

vii


2:

Phân phối Chi-bình phƣơng.

u, v:

Số bậc tự do của phân phối Chi- bình phƣơng của các tập tồn bộ.

α:

Mức ý nghĩa - mức độ mạo hiểm khi loại bỏ một giả thuyết đúng.

β:

Mức độ mạo hiểm khi chấp nhận một giả thuyết đảo sai.

δ:

Sai số cho phép (%).

viii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
MCS5:

Monitoring Control System 5th (Hệ thống điều khiển giám sát thế hệ 5).

ECU4:

Electronic Control Unit 4th (Bộ điều khiển điện tử thế hệ 4).

DAQ:

Data Acquisition (Bộ thu thập dữ liệu).

PZT:

PbO –ZrO2 – TiO3 (vật liệu gốm áp điện).

RTD:

Resistance Temperature Detectors (Nhiệt điện trở).

IC:

Integrated Circuit (mạch tích hợp).

PTC:

Positive Temperature Coefficient (hệ số nhiệt dƣơng).

NTC:

Negative Temperature Coefficient (hệ số nhiệt âm).

ADC:

Analog to Digital Converter (Bộ biến đổi tƣơng tự sang số).

PLC:

Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển logic khả trình).

CPU:

Central Processing Unit (Bộ xử lý trung tâm).

ROM:

Read Only Memory (Bộ nhớ chỉ đọc).

RAM:

Random Access Memory (Bộ nhớ tạm thời cho truy xuất ngẫu nhiên).

EPROM:

Erasable Programmable Read-Only Memory (Một loại chip nhớ chỉ đọc
ra ( ROM), có khả năng lập trình và lập trình lại đƣợc).

EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read Only Memory (Là một kiểu
EPROM có thể xóa bằng tín hiệu điện).

HMI:

Human-Machine-Interface (Giao tiếp giữa ngƣời vận hành và máy móc).

PTP:

Point to point (Kết nối điểm tới điểm).

ix


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Số lƣợng sự cố hệ động lực tàu cá theo các năm ..........................................21
Bảng 2.2. Sự cố thƣờng gặp của hệ động lực tàu cá .....................................................21
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật nhiệt kế hồng ngoại ......................................................... 57
Bảng 3.2: Các ký hiệu trên nhiệt kế hồng ngoại ........................................................... 58
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật thiết bị đo áp suất ............................................................ 61
Bảng 3.4: Kết quả tính tốn cơng suất thực tế của động cơ ..........................................64
Bảng 3.5: Kết quả đo nhiệt độ khí xả ............................................................................65
Bảng 3.6: Kết quả đo nhiệt độ nƣớc làm mát ................................................................ 65
Bảng 3.7: Kết quả đo áp suất dầu bôi trơn động cơ ......................................................66

x


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ thiết bị cảnh báo động cơ khi áp suất dầu bơi trơn thấp .......................3
Hình 1.2. Sơ đồ thể hiện thiết bị phát cảnh báo âm thanh khi động cơ quá nhiệt và mất
áp lực dầu bơi trơn (sáng chế) .........................................................................................3

Hình 1.3. Sơ đồ của một phƣơng án thay thế của sáng chế sử dụng kỹ thuật số và vi xử lý ..... 4
Hình 1.4. Nồng độ ơxy và nhiệt độ khí thải ở các điều kiện phun nhiên liệu khác nhau
của động cơ Ruston .........................................................................................................5
Hình 1.5. Nồng độ ơ xy và nhiệt độ của khí thải lúc mở xupap thải của động cơ Sulzer
7RTA84T .........................................................................................................................6
Hình 1.6. Cấu trúc hệ thống điều khiển, giám sát, bảo vệ động cơ diesel hàng hải .......7
Hình 1.7. Cấu trúc tổng thể của hệ thống tích hợp giám sát và chẩn đốn động cơ
diesel hàng hải .................................................................................................................8
Hình 1.8. Sơ đồ khối hệ thống cảnh báo sự cố máy chính tàu cá ....................................9
Hình 2.1. Tín hiệu rung động của thân động cơ 4 kỳ theo góc quay trục khuỷu ............14
Hình 2.2. Sự làm việc khơng bình thƣờng của động cơ diesel tàu thủy........................ 15
Hình 2.3. Minh họa về biểu đồ áp suất phun nhiên liệu ................................................17
Hình 2.4. Đồ thị áp suất trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu của động cơ 4 kỳ................ 18
Hình 2.5. Sự thay đổi giá trị điện trở theo nhiệt độ của Thermistors ............................ 29
Hình 2.6. Sơ đồ các thành phần cơ bản của một PLC ...................................................31
Hình 2.7. Chu kỳ quét của PLC .....................................................................................32
Hình 3.1. Sơ đồ thiết bị cảnh báo sự cố máy chính tàu cá xa bờ ..................................36
Hình 3.2. Cảm biến nhiệt độ .......................................................................................... 37
Hình 3.3. Cảm biến áp suất dầu bơi trơn .......................................................................38
Hình 3.4. Mơ đun đọc tín hiệu từ Thermocouple .......................................................... 39
Hình 3.5. Mơ đun đọc tín hiệu từ cảm biến áp suất.......................................................40
Hình 3.6. Hình ảnh bên ngồi và các vị trí kết nối của PLC S7-1200 .......................... 41
Hình 3.7. Các mô đun mở rộng .....................................................................................42
xi


Hình 3.8. Lƣu đồ thuật tốn cảnh báo theo ngƣỡng của các thơng số .......................... 43
Hình 3.9. Lƣu đồ thuật tốn lập trình trên PLC............................................................. 43
Hình 3.10. Lƣu đồ thuật tốn lập trình giao diện .......................................................... 44
Hình 3.11. Bản vẽ panel vận hành và sơ đồ bố trí thiết bị điều khiển .......................... 45

Hình 3.12. Bản vẽ panel vận hành và sơ đồ bố trí thiết bị điều khiển .......................... 46
Hình 3.13. Bản vẽ nguồn điều khiển .............................................................................47
Hình 3.14. Bản vẽ kết nối PLC và HMI ........................................................................48
Hình 3.15. Bản vẽ kết nối mơ đun Analog ....................................................................49
Hình 3.16. Tủ điều khiển của thiết bị cảnh báo sự cố máy chính tàu cá .......................50
Hình 3.17. Mơ tả q trình lắp đặt.................................................................................52
Hình 3.18. Quy trình chế tạo thiết bị cảnh báo sự cố máy chính tàu cá xa bờ ..............54
Hình 3.19. Sơ đồ bố trí thử nghiệm ...............................................................................55
Hình 3.20. Vị trí lắp cảm biến áp suất ...........................................................................55
Hình 3.21. Vị trí lắp cảm biến nhiệt độ .........................................................................56
Hình 3.22. Vị trí lắp đồng hồ đo áp suất .......................................................................56
Hình 3.23. Nhiệt kế hồng ngoại Fluke62 Max+ ............................................................ 59
Hình 3.24. Mặt hiển thị của nhiệt kế hồng ngoại .......................................................... 59
Hình 3.25. Hiển thị giá trị đọc nhiệt độ .........................................................................60
Hình 3.27. Cách thực hiện đo nhiệt độ bằng Fluke 62Max+ .......................................60
Hình 3.28. Đồng hồ đo áp suất GV50-173 ....................................................................62
Hình 3.29. Các đƣờng đặc tính của động cơ diesel 4CHE ............................................63
Hình 3.30. Quy trình thử nghiệm thiết bị cảnh báo sự cố máy chính tàu cá xa bờ .......69

xii


TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
Trong những năm gần đây, đƣợc sự quan tâm của Đảng và Nhà nƣớc, lực lƣợng
tàu cá xa bờ của nƣớc ta không chỉ gia tăng mạnh về số lƣợng mà chất lƣợng cũng
ngày càng đƣợc nâng lên. Điều này tạo ra sự yên tâm cho ngƣ dân vƣơn ra những ngƣ
trƣờng lớn, xa bờ nhằm nâng cao sản lƣợng khai thác và có thể tham gia vào các hoạt
động bảo vệ chủ quyền lãnh hải của quốc gia. Tuy nhiên, số lƣợng tàu cá xa bờ đƣợc
lắp các trang bị mới chỉ chiếm tỉ lệ nhỏ mà đa phần các tàu sử dụng trang bị cũ, đã qua
sử dụng. Mặt khác, trình độ và ý thức khai thác các trang thiết bị nhất là thiết bị động

lực của ngƣ dân còn hạn chế do chƣa đƣợc đào tạo một cách có hệ thống. Hai yếu tố
này là nguyên nhân chính gây ra những hƣ hỏng các thiết bị của hệ động lực. Thực tế
cho thấy, trong các hƣ hỏng của hệ động lực thì hƣ hỏng của máy chính chiếm tỉ lệ cao
nhất và các hƣ hỏng ở các thiết bị động lực còn lại hầu hết đều liên quan đến hƣ hỏng
của máy chính. Do đó, đối với những loại tàu này, giải pháp lắp đặt thiết bị cảnh báo
sớm nhằm kịp thời phát hiện các dấu hiệu sự cố của máy chính tỏ ra hợp lý và khả thi.
Mục tiêu của đề tài này sẽ là xây dựng một quy trình chế tạo và thử nghiệm thiết
bị cảnh báo sự cố máy chính của tàu cá xa bờ.
Quy trình chế tạo và thử nghiệm thiết bị cảnh báo sự cố máy chính tàu cá có thể
giúp chúng ta sản xuất ra số lƣợng thiết bị lớn, đảm bảo độ tin cậy, hạ giá thành sản
phẩm. sự dễ dàng trong điều chỉnh các quá trình tạo ra sự linh hoạt mạnh mẽ cho phép
thiết bị đƣợc ứng dụng rộng rãi..
Kết cấu của luận văn gồm có bốn chƣơng: Chƣơng một, trình bày tổng quan về
vấn đề nghiên cứu. Chƣơng hai, trình bày cơ sở lý thuyết về quy trình chế tạo và thử
nghiệm thiết bị cảnh báo sự cố máy chính tàu cá xa bờ. Chƣơng ba là kết quả nghiên
cứu lý thuyết và kết quả thực nghiệm trên động cơ tại phòng thực thành. Chƣơng bốn,
kết luận và khuyến nghị.
Từ khóa: quy trình chế tạo và thử nghiệm, máy chính tàu cá xa bờ, thiết bị cảnh
báo sự cố.

xiii


Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
Hệ thống cơ khí nói chung, động cơ diesel nói riêng có thể xuất hiện các tình
trạng bất thƣờng (lỗi) nếu làm việc trong thời gian dài. Các lỗi này tùy vào mức độ mà
ảnh hƣởng đến khả năng làm việc của động cơ nhƣ: Giảm hiệu suất, công suất, độ tin
cậy… hoặc có thể gây ra hƣ hỏng đối với động cơ nếu không đƣợc xử lý kịp thời.
Là thành phần quan trọng vào bậc nhất trong hệ động lực tàu thủy, đƣợc ví nhƣ

trái tim của con tàu, máy chính có nhiệm vụ tạo ra mơ men quay và quay chân vịt
thông qua hệ trục. Do làm việc trong điều kiện hàng hải phức tạp nên sự kiểm tra, theo
dõi máy chính thƣờng xuyên để kịp thời phát hiện những thơng số q trình bị sai lệch,
âm thanh khơng bình thƣờng của động cơ là việc làm hết sức cần thiết nhằm ngăn chặn
các sự cố, hƣ hỏng đột ngột của nó. Tuy nhiên, nếu trực tiếp kiểm tra động cơ thì
ngƣời vận hành chỉ có thể kiểm tra định kỳ động cơ vì lí do khơng gian buồng máy
chật hẹp, nhiệt độ buồng máy cao, tiếng ồn lớn, hơi dầu mỡ…
Đối với đội tàu vận tải biển, việc trang bị hệ thống giám sát để cảnh báo sự cố
buồng máy là bắt buộc theo Quy phạm của Đăng kiểm. Còn với tàu đánh cá việc này
hầu nhƣ chƣa đƣợc quan tâm vì máy chính đƣợc lắp đặt trên tàu cá hầu hết là máy đã
qua sử dụng, chắp vá và chất lƣợng còn lại thấp [11]. Theo thống kê của chi cục thủy
sản Khánh Hịa, tính đến ngày 30 tháng 01 năm 2017, số lƣợng máy chính đƣợc sử
dụng trên tàu cá của ngƣ dân Khánh Hòa chủ yếu là của 5 nƣớc sản xuất gồm Nhật
Bản, Hàn Quốc, Mỹ, Trung Quốc và Thụy Điển. Tuy nhiên, có đến 99,1% là máy cũ,
máy mới chỉ chiếm 0,9% (11 chiếc tàu đóng mới theo Nghị định số: 67/2014/NĐ-CP
ngày 07/7/2014 của Chính phủ về một số chính sách phát triển thủy sản). Máy chính
khơng có hồ sơ gốc là 87 chiếc chiếm 7,77% tổng số máy chính có cơng suất lớn hơn
90 CV của Khánh Hịa. Vì thế mà những tai nạn xảy ra đối với tàu cá liên quan đến sự
hƣ hỏng máy chính thƣờng chiếm tỷ lệ cao trong tổng số nguyên nhân tai nạn. Cũng
theo thống kê chƣa đầy đủ của chi cục thủy sản Khánh Hòa, trong hai năm 2015, 2016
có 15 tàu cá bị tai nạn do hỏng máy chính, chiếm 34,88% tổng số nguyên nhân tai nạn
của tàu cá [10]. Nhƣ vậy, việc trang bị hệ thống cảnh báo nhằm kịp thời phát hiện và
ngăn chặn các hƣ hỏng cho máy chính là cấp thiết.

1


Hiện nay, trên thị trƣờng có rất nhiều hệ thống đƣợc tích hợp các chức năng giám
sát, điều khiển, cảnh báo, bảo vệ động cơ diesel hàng hải nhƣ: hệ thống CoCos-EDS
của công ty MAN B&W, hệ thống CC-10 của công ty B&W, hệ thống DMTAS của

công ty MITSUBISHI, hệ thống EUB-CDS của viện nghiên cứu EUB, hệ thống Kyma
Diesel Analyzer của công ty Kyma, hệ thống Viking của công ty HEINZMANN hay
hệ thống Data Trend đƣợc phát triển bởi Norcontrol… Đây đều là những hệ thống
giám sát, điều khiển hiện đại có nhiều ƣu điểm: Độ tin cậy cao, dễ thích ứng, tuổi thọ
lâu bền, hiệu suất làm việc cao nhƣng cũng tồn tại nhiều nhƣợc điểm nhƣ: Đòi hỏi
trình độ ngƣời vận hành cao, dải cảnh báo khơng cịn phù hợp với thực trạng máy
chính tàu cá xa bờ, giá thành quá cao so với giá thành của máy chính.
Từ những phân tích ở trên, đề tài “Lập quy trình chế tạo và thử nghiệm thiết bị
cảnh báo sự cố máy chính tàu cá xa bờ” góp phần vào việc tạo ra những thiết bị cảnh
báo sự cố máy chính “made in Việt Nam” dễ sử dụng, hoạt động tin cậy, ổn định, giá
thành hợp lý.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
Trên thế giới, giám sát, cảnh báo động cơ diesel khơng cịn là vấn đề xa lạ. Yếu
tố quan trọng trong chƣơng trình giám sát tình trạng là thu thập thơng tin từ các cảm
biến gắn trên động cơ và sử dụng thông tin này để đánh giá tình trạng của động cơ.
Các thơng số phản ánh tình trạng kỹ thuật của động cơ diesel có thể kể đến nhƣ: Tiếng
ồn; rung động; áp suất trong xy lanh; nhiệt độ, áp suất dầu bôi trơn; nhiệt độ khí xả;
nhiệt độ nƣớc làm mát… Có rất nhiều cơng trình nghiên cứu ngồi nƣớc liên quan đến
vấn đề giám sát, điều khiển, cảnh báo động cơ diesel.
- Đầu tiên phải kể đến đó là thiết bị cảnh báo động cơ đƣợc cấp bằng sáng chế
vào năm 1975 của tác giả Albert J.Haupt, California, Hoa Kỳ. Đó là một thiết bị cảnh
báo bằng âm thanh dựa vào tín hiệu áp suất dầu bôi trơn. Khi khởi động động cơ, đèn
báo áp suất dầu bôi trơn thấp sáng và duy trì cho đến khi động cơ tạo đủ áp suất dầu
bơi trơn, cơng tắc áp suất đƣợc kích hoạt để tắt đèn. Tuy nhiên, thiết bị này không phát
ra âm thanh cảnh báo vào thời điểm đó. Nhƣng nếu áp suất dầu bôi trơn giảm liên tục,
đèn sẽ sáng trở lại, cho biết tình trạng nguy hiểm, cảnh báo bằng âm thanh sẽ phát ra
để báo động cho ngƣời vận hành (hình 1.1) [17].

2

Hình 1.1. Sơ đồ thiết bị cảnh báo động cơ khi áp suất dầu bôi trơn thấp [17]
3- công tắc khởi động; 5- công tắc nhiệt độ (thƣờng mở); 7, 11, 41- dây dẫn;
9- cơng tắc áp suất (thƣờng đóng); 13- chuông; 15, 19, 21, 27- điện trở; 17- đi ốt chỉnh
lƣu đƣợc điểu khiển bởi cổng silic; 23, 25, 29, 31, 35- đi ốt; 37, 39- tụ điện.
- Tiếp đến là cơng trình của tác giả Richard E. Watt, San Diego, California, Hoa
Kỳ đƣợc cấp bằng sáng chế vào năm 1983. Đó là thiết giám sát nhiệt độ động cơ và áp
suất dầu bơi trơn và tạo ra tín hiệu cảnh báo bằng âm thanh nếu xảy ra tình trạng q
nhiệt hoặc mất áp suất dầu bơi trơn (hình 1.2) [23].

Hình 1.2. Sơ đồ thể hiện thiết bị phát cảnh báo âm thanh khi động cơ quá nhiệt
và mất áp lực dầu bôi trơn (sáng chế) [23]
3


10- đồng hồ đo nhiệt độ; 12- cảm biến nhiệt độ; 13- ắc quy 12VDC; 15, 21, 26, 30, 35,
41- dây dẫn; 18, 32 - công tắc; 38- mạch điều khiển bugi sấy nóng; 45- bugi sấy nóng
động cơ khi khởi động; DS1- Bộ chuyển đổi tín hiệu âm thanh; A1- mạch tích hợp bộ
so sánh điện áp; R1, R2, R3, R4, R5- điện trở; CR1, CR2- đi ốt; C2- tụ điện.
Các phần tử cảm biến đƣợc sử dụng trong sáng chế gồm có cảm biến nhiệt độ
kiểu nhiệt điện trở và công tắc áp suất. Bộ xử lý là dạng mạch tích hợp dùng để so
sánh điện áp đầu ra từ cảm biến nhiệt điện trở với điện áp chuẩn đƣợc tạo ra bởi mạng
điện trở (bộ so sánh điện áp). Bộ so sánh điều khiển bộ chuyển đổi tín hiệu âm thanh
để cảnh báo ngƣời vận hành về tình trạng q nhiệt. Ngồi ra, đầu vào của bộ so sánh
từ công tắc áp suất dầu gây ra cảnh báo bằng âm thanh nếu sự cố mất áp suất dầu xảy
ra. Các tính năng tự kiểm tra đƣợc tính đến để tạo ra các tín hiệu âm thanh tức thời mỗi
khi động cơ đƣợc khởi động để cho biết mạch hoạt động chính xác. Tác giả cũng đề
cập đến một phƣơng án thay thế của sáng chế sử dụng kỹ thuật số và bộ vi xử lý làm
bộ so sánh kỹ thuật số để theo dõi nhiệt độ và áp suất dầu của động cơ và vận hành bộ
chuyển đổi cảnh báo nếu một tình huống nguy hiểm xảy ra (hình 1.3) [23].

Hình 1.3. Sơ đồ của một phƣơng án thay thế của sáng chế sử dụng kỹ thuật số
và vi xử lý [23]
50- đồng hồ đo nhiệt độ; 52- cảm biến nhiệt độ; 55, 61, 65, 67, 76- dây dẫn; 57- bộ vi
xử lý (bộ so sánh kỹ thuật số); 59- bộ biến đổi tƣơng tự-số; 63- tín hiệu đầu ra kiểu số;
70- công tắc; 73- bộ điều khiển bugi sấy; 79- bugi sấy nóng động cơ khi khởi động;
DS1- Bộ chuyển đổi tín hiệu âm thanh; R1, R2- điện trở; C1- tụ điện.
- Năm 1995, hệ thống điều khiển, giám sát động cơ và khí thải sử dụng cảm biến
khí của nhóm tác giả Frank W.Hunt, Massayoshi Kaneyasu, George Saikalis, bang
Michigan, Hoa Kỳ đã đƣợc cấp bằng sáng chế. Ở hệ thống này, ngoài các cảm biến
4


đƣợc sử dụng để đo các thông số đặc trƣng cho trạng thái làm việc của động cơ cịn có
ít nhất một cảm biến khí đƣợc gắn vào hệ thống xả để cung cấp tín hiệu đầu ra biểu thị
nồng độ NOX trong khí xả và có đầu ra thay đổi theo hàm của nồng độ NOX đó. Bộ xử
lý trung tâm thu thập tín hiệu từ các cảm biến, tƣơng ứng với các thuật tốn đã đƣợc
lập trình, giám sát động cơ về hƣ hỏng và sự xuống cấp của các bộ phận khác nhau
trong hệ thống giảm phát thải, đồng thời đƣa ra các tín hiệu đầu ra để điều khiển sự
hoạt động của các thành phần khác nhau của động cơ nhằm tối ƣu hóa trạng thái làm
việc cũng nhƣ đáp ứng các tiêu chuẩn về khí thải động cơ của chính phủ Hoa Kỳ [18].
- Liên quan đến vấn đề giám sát động cơ sử dụng cảm biến khí, nhóm tác giả
Sangram Kishore Nanda, Boru Jia, Andrew Smallbone and Anthony Paul Roskilly đã
phát triển hệ thống giám sát quá tải nhiệt của động cơ diesel dựa vào mối liên hệ giữa
nồng độ ô xy trong sản phẩm cháy với nhiệt độ khí ra khỏi xy lanh. Kết quả nghiên
cứu lý thuyết cho thấy nếu phần trăm nồng độ ơ xy trong sản phẩm cháy thốt ra ở giai
đoạn mở sớm xupap xả nhỏ hơn 9% thì động cơ thử nghiệm có nguy cơ cao hoạt động
ở điều kiện quá tải nhiệt, điều này sẽ gây ra vấn đề mỏi đối với bộ phận xy lanh. Để
kiểm chứng kết quả trên, nhóm tác giả đã sử dụng hai loại cảm biến: một cảm biến 
để đo nồng độ ô xy, một cặp nhiệt điện đáp ứng nhanh để đo nhiệt độ khí ra khỏi xy

lanh của động cơ. Đầu tiên nhóm tác giả thực hiện thử nghiệm trên động cơ diesel
trung tốc Ruston để đo các thông số q trình ở chế độ tải trọng khơng đổi và thay đổi
lƣợng cấp nhiên liệu (sự phun bình thƣờng và phun quá mức). Kết quả thử nghiệm cho
thấy nồng độ ô xy ở trƣờng hợp phun quá mức hiển nhiên thấp hơn ở trƣờng hợp phun
bình thƣờng, điều này sẽ gây ra khả năng hoạt động quá tải cao (hình 1.4) [20].

Hình 1.4. Nồng độ ơxy và nhiệt độ khí thải ở các điều kiện phun nhiên liệu khác
nhau của động cơ Ruston [20]
5


Nhóm tác giả tiến hành các thử nghiệm trên 4 xy lanh của động cơ Sulzer
7RTA84T có tỷ lệ đốt cháy đỉnh piston cao để tìm hiểu ảnh hƣởng của việc động cơ
hoạt động ở điều kiện quá tải nhiệt. Xy lanh đƣợc xác định có nồng độ oxy trong khí
xả khi xu pap xả mở thấp hơn tƣơng ứng với nhiệt độ khí thải cao hơn. Kết quả thử
nghiệm cho thấy nồng độ oxy trong xy lanh 4 là thấp nhất (gần 6%) và nhiệt độ khí
thải là cao nhất. Do đó, tỷ lệ cháy rỗ đỉnh piston của xy lanh 4 cao hơn nhiều so với xy
lanh còn lại, do tốc độ truyền nhiệt cao từ ngọn lửa lớn (hình 1.5) [20].

Hình 1.5. Nồng độ ơ xy và nhiệt độ của khí thải lúc mở xupap thải của động cơ
Sulzer 7RTA84T [20]
Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và
truyền thông, xu hƣớng nghiên cứu hệ thống giám sát và cảnh báo động cơ diesel đƣợc
tích hợp với các hệ thống khác của động cơ nhƣ: Điều khiển, bảo vệ, hay chẩn
đốn…đang đƣợc chú trọng nhiều.
- Nhóm tác giả Yong Chang, Yihuai Hu [14] đã nghiên cứu hệ thống giám sát và
chẩn đoán lỗi cho động cơ diesel dựa vào tốc độ tức thời và thuật toán phân tách
nguồn mờ (phƣơng pháp xử lý tín hiệu bằng cách tách các tín hiệu nguồn khỏi tập hợp
tín hiệu hỗn tạp), sau đó tiến hành thử nghiệm trên động cơ diesel bốn kỳ, có tăng áp
DF12V240 để chẩn đốn các xy lanh bị hƣ hỏng. Kết quả thử nghiệm của nhóm tác

giả cho độ chính xác trên 90%.
- Hệ thống điều khiển, giám sát và bảo vệ động cơ diesel hàng hải của nhóm tác
giả Qinpeng Wang, Yihang Qin, Jianguo Yang, Yonghua Yu, Yuhai He là sự kết hợp
của công nghệ phần cứng, phần mềm, thông tin và truyền thông. Cấu trúc đƣợc mơ
đun hóa làm tăng tính linh hoạt của hệ thống (hình 1.6). Các chức năng đƣợc tích hợp
6


trong hệ thống: giám sát, điều khiển, bảo vệ và báo động. Chức năng điều khiển gồm
có: khởi động, dừng, chuyển mạch điều khiển (từ xa/ tại chỗ), khôi phục báo động.
Trong giám sát, nhiều thông số của động cơ đƣợc lựa chọn: Tốc độ quay của động cơ,
tuabin tăng áp; nhiệt độ, áp suất dầu bôi trơn; nhiệt độ khí xả; nhiệt độ nƣớc làm mát;
áp suất nhiên liệu. Tín hiệu bảo vệ động cơ: Vƣợt tốc, áp suất dầu bôi trơn thấp, nhiệt
độ nƣớc làm mát cao. Hệ thống này đã đƣợc lắp đặt và thử nghiệm trên động cơ diesel
trung tốc MAN16/24 và hoạt động ổn định [22].

Hình 1.6. Cấu trúc hệ thống điều khiển, giám sát, bảo vệ
động cơ diesel hàng hải [22]
- Tƣơng tự, nhóm tác giả Nao Hu, Jianguo Yang và Yonghua Yu đã nghiên cứu
và thực thi hệ thống tích hợp giám sát và chẩn đoán động cơ diesel hàng hải. Kết quả
nghiên cứu của nhóm tác giả cho thấy cấu trúc của hệ thống, ngoài sự kết hợp giữa
phần mềm và phần cứng thì cơng nghệ kiểm tra tự động và cơng nghệ thơng tin, máy
tính đƣợc sử dụng đầy đủ trong thiết kế, cho phép nó phân tích tổng hợp và xử lý
nhiều lỗi với nhau để thực hiện giám sát và chẩn đốn động cơ diesel hàng hải (hình
1.7). Các thơng số đƣợc nhóm tác giả lựa chọn để giám sát gồm có: nhiệt độ, áp suất
dầu bơi trơn; nhiệt độ khí xả; áp suất trong xy lanh; tốc độ tức thời; độ xoắn của trục
cơng suất; sự rị rỉ khí qua xupap; hao mịn xéc măng. Thiết kế mơ đun đƣợc sử dụng
trong mọi hệ thống giám sát, có khả năng thích ứng và linh hoạt, có thể đƣợc tùy ý lựa
chọn theo nhu cầu giám sát và chẩn đoán của nhiều loại động cơ diesel hàng hải [22].

7


Hình 1.7. Cấu trúc tổng thể của hệ thống tích hợp giám sát và chẩn đoán động cơ
diesel hàng hải [22]
Ở trong nƣớc, vấn đề giám sát, cảnh báo động cơ diesel tàu thủy cũng luôn đƣợc
quan tâm và chú trọng theo cả hai hƣớng cải tiến và chế tạo mới. Các nghiên cứu tiêu
biểu có thể kể đến nhƣ:
- Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát động cơ chính với
mạng truyền thơng Profibus-DP và thiết bị của hãng Siemens - Đức để thay thế hệ
thống giám sát và điều khiển MCS5 trừ khối điều khiển động cơ (ECU4) của công ty
MTU đƣợc lắp trên tàu quân sự của Việt Nam của Viện kỹ thuật hải quân. Hệ thống
này vẫn đảm bảo đƣợc khối ECU4 hoạt động với đầy đủ các tính năng và chức năng
của hệ thống là tƣơng đƣơng. Hệ thống đƣợc hoàn thiện, thử nghiệm trên tàu quân sự
trong năm 2010 và cho kết quả hoạt động ổn định [7].
8


- Nhóm tác giả Lại Huy Thiện, Đỗ Đức Lƣu, Đinh Anh Tuấn đã phân tích, lựa
chọn tín hiệu dao động để xây dựng một hệ thống đo, phân tích dao động đa kênh hiện
đại để giám sát tổ hợp Diesel máy phát trên tàu thủy. Phần cứng của hệ thống gồm có
20 cảm biến chuẩn cơng nghiệp (19 cảm biến đo gia tốc, 1 cảm biến đo ĐCT của xy
lanh số 1), bộ góp dữ liệu DAQ của hãng National Instruments (Hoa Kỳ), 1 bộ máy
tính cơng nghiệp. Phần mềm đƣợc xây dựng trên phần mềm nền LabVIEW nhằm nhận
dạng tự động thiết bị ngoại vi của hệ thống, lƣu trữ và xử lý tín hiệu dao động đa kênh
trong miền thời gian và miền tần số, tự động báo động khi mức độ dao động vƣợt qua
ngƣỡng cho phép, xây dựng đƣờng phát triển (TREND) mức độ dao động chung cũng
nhƣ dao động của từng tần số đặc trƣng để dự báo hƣ hỏng cho các cơ cấu chính trong
tổ hợp diesel máy phát [13].
- Đề tài khoa học và công nghệ cấp bộ “Thiết kế, chế tạo thiết bị cảnh báo sự cố

hệ động lực tàu cá xa bờ” của tác giả Phùng Minh Lộc. Để giám sát, cảnh báo động cơ
chính, tác giả đã phân tích và lựa chọn các thông số nhƣ: Áp suất dầu bơi trơn, nhiệt
độ nƣớc làm mát, nhiệt độ khí xả. Từ đó, tác giả đã xây dựng mơ hình thiết bị cảnh
báo sự cố máy chính tàu cá nhƣ ở hình 1.8 [11].

Hình 1.8. Sơ đồ khối hệ thống cảnh báo sự cố máy chính tàu cá [11]
Tóm lại, thơng qua việc phân tích các nghiên cứu trong và ngồi nƣớc liên quan
đến đề tài, có thể rút ra một số nhận xét sau:
- Việc nghiên cứu chế tạo và lắp đặt hệ thống giám sát, cảnh báo động cho cơ
diesel nói chung và động cơ diesel tàu thủy nói riêng đã đƣợc thực hiện từ lâu theo quy
phạm của đăng kiểm. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu của mình, các tác giả, nhóm tác
9


giả thƣờng chỉ trình bày về cấu trúc tổng quát, nguyên lý hoạt động, hay những điểm
mới về công nghệ phần cứng, phần mềm, thông tin và truyền thông, sau đó đƣa ra kết
quả thử nghiệm đối với thiết bị mà khơng đƣa ra quy trình chế tạo cũng nhƣ kế hoạch
thử nghiệm thiết bị.
- Gần đây, các nghiên cứu dần tập trung vào các hệ thống tích hợp các chức năng
giám sát, điều khiển, cảnh báo, bảo vệ động cơ diesel hàng hải có cơng suất lớn hoặc
là hệ thống giám sát và báo động buồng máy tích hợp các chức năng giám sát, điều
khiển, cảnh báo máy chính, máy phụ, và nhiều thiết bị khác. Điều đó cho thấy việc
ứng dụng những nghiên cứu này không hƣớng tới tàu cá.
- Đề tài khoa học và công nghệ cấp bộ “Thiết kế, chế tạo thiết bị cảnh báo sự cố
hệ động lực tàu cá xa bờ” của tác giả Phùng Minh Lộc [11] có ý nghĩa thực tiễn cao.
Để sản phẩm của đề tài đƣợc ứng dụng rộng rãi vào cuộc sống thì phải xây dựng đƣợc
quy trình chế tạo và thử nghiệm sản phẩm trƣớc khi đi vào sản xuất với số lƣợng lớn.
Vấn đề này chƣa đƣợc tác giả đề cập đến trong nội dung nghiên cứu.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
* Mục tiêu chung

Lập quy trình chế tạo và thử nghiệm thiết bị cảnh báo sự cố máy chính tàu cá xa
bờ.
* Mục tiêu cụ thể
- Phân tích xác định các thơng số đầu vào, đầu ra;
- Phân tích các phƣơng pháp thu thập, xử lý dữ liệu;
- Xây dựng cấu trúc thiết bị cảnh báo sự cố máy chính tàu cá xa bờ;
- Lựa chọn vật tƣ, linh kiện phù hợp;
- Xây dựng quy trình chế tạo và thử nghiệm thiết bị.
1.4. Đối tƣợng nghiên cứu
Thiết bị cảnh báo sự cố máy chính tàu thủy.
1.5. Phạm vi nghiên cứu
Thiết bị cảnh báo sự cố cho máy chính tàu cá xa bờ thƣờng gặp có cơng suất từ
10


400 CV trở lên.
1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu
Sử dụng kết hợp các phƣơng pháp khác nhau nhƣ phƣơng pháp nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm kiểm chứng, cụ thể nhƣ sau:
- Nghiên cứu lý thuyết về thiết bị giám sát, cảnh báo động cơ diesel tàu thủy;
- Phân tích lựa chọn phƣơng án giám sát, cảnh báo cho máy chính tàu cá xa bờ;
- Xây dựng quy trình chế tạo và thử nghiệm thiết bị.
Trên cơ sở đó, nội dung đề tài đƣợc chia thành 4 phần chính nhƣ sau:
Chƣơng 1. Tổng quan
Chƣơng này tổng quan về đề tài nghiên cứu nhƣ: Lý do chọn đề tài; Tình hình
nghiên cứu trong và ngoài nƣớc; Mục tiêu, đối tƣợng, phạm vi, phƣơng pháp và nội
dung nghiên cứu của đề tài.
Chƣơng 2. Cơ sở lý thuyết
Chƣơng này trình bày những nội dung lý thuyết có liên quan tới đề tài nhƣ lý
thuyết về cảnh báo sự cố máy chính tàu thủy, cơ sở lý thuyết về chế tạo thiết bị cảnh

báo sự cố máy chính, lý thuyết về quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm.
Chƣơng 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Nội dung chính trình bày là kết quả nghiên cứu lý thuyết và kết quả thực nghiệm
thiết bị trên động cơ cao tốc 4CHE Yanmar tại phòng thực hành động cơ, Trung tâm
Thí nghiệm - Thực hành, Trƣờng Đại học Nha Trang. Động cơ đƣợc kết nối với phanh
thủy lực Dynomite 13 dual-rotor - Mỹ. Trên cơ sở đó phân tích, đánh giá và đối chiếu
kết quả nghiên cứu thực nghiệm với lý thuyết.
Chƣơng 4. Kết luận và khuyến nghị
Trình bày các kết luận và khuyến nghị sau khi thực hiện xong đề tài.

11


Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết về cảnh báo sự cố máy chính tàu thủy
2.1.1. Khái quát về giám sát cảnh báo sự cố
Giám sát tình trạng là một q trình theo dõi liên tục các đặc tính hoạt động của
máy móc để dự đốn nhu cầu bảo trì trƣớc khi xảy ra hƣ hỏng. Nhƣ vậy, giám sát tình
trạng là cơ sở của bảo trì dự đốn, nó trích xuất thơng tin liên quan đến khả năng làm
việc của hệ thống, máy móc từ tình trạng đƣợc xác định và dựa trên thơng tin này, có
thể dự đốn nhu cầu bảo trì trong tƣơng lai. Mục đích của nó là để phát hiện và theo
dõi các lỗi đang phát triển và dự đoán các lỗi sắp tới hay các sự cố có thể xảy ra [16],
[21].
Giám sát tình trạng giữ một vai trị quan trọng trong q trình tự động hóa hiện
đại nhằm bảo đảm chất lƣợng q trình và tuổi thọ của máy móc. Có hai phƣơng pháp
giám sát cảnh báo máy móc truyền thống: cảnh báo giới hạn và cảnh báo xu hƣớng.
Cảnh báo giới hạn là sự cảnh báo khi các thông số giám sát vƣợt quá ngƣỡng đƣợc xác
định thống kê bằng kinh nghiệm. Cảnh báo xu hƣớng là quyết định xem các sự cố đã
xảy ra hay sẽ xảy ra bởi sự thay đổi gradient của các thông số giám sát. Tất nhiên,
khơng phải tất cả các sự cố đều có thể đƣợc phát hiện với giám sát tình trạng cũng nhƣ

khơng thể ngăn chặn tất cả các sự cố. Một số hỏng hóc sẽ xảy ra đột ngột, khơng có
bất kỳ dấu hiệu cảnh báo nào hoặc có thể bỏ sót các dấu hiệu, do đó loại sự cố này hầu
nhƣ khơng thể ngăn chặn. Tuy nhiên, loại thứ hai có thể đƣợc giảm thiểu bằng cách tối
ƣu hóa các phƣơng pháp giám sát tình trạng đến mức tối đa để các dấu hiệu có thể
đƣợc phát hiện sớm hơn và dễ dàng hơn. Điều quan trọng là phải nghiên cứu, lựa chọn
phƣơng pháp giám sát thích hợp. Nghĩa là nó phải dễ áp dụng, giá thành hạ và không
phá hủy, không làm làm ảnh hƣởng đến sự hoạt động của máy móc và quan trọng nhất
là cần tạo ra sự biểu diễn hữu ích về trạng thái hiện tại của máy móc. Trong hầu hết
các trƣờng hợp, sự biểu diễn tốt nhất đạt đƣợc bằng cách giám sát càng gần các thành
phần hỏng hóc tiểm ẩn càng tốt. Điều này có vẻ đơn giản vì có thể loại bỏ rất nhiều
nhiễu và sự khơng chắc chắn từ tín hiệu, nhƣng khơng phải lúc nào cũng có thể thực
hiện đƣợc [21], [22].
Một số phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong giám sát tình trạng là
12