MỤC LỤC

1


Më §ÇU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống truyền động điện tời quấn dây là một trong những hệ thống rất
quan trọng dưới tàu thủy, nó có ảnh hưởng lớn đến mức độ an toàn của con
tàu khi tàu cập cảng, hay khi tàu điều động ra vào luồng lạch… Ảnh hưởng
đến mức độ an toàn của con tàu ngoài sự hoạt động ổn định của hệ thống thì
thông số sức căng của dây cũng là một trong những thông số rất quan trọng và
có ảnh hưởng lớn đến an toàn của con tàu khi đỗ bến tại các cảng biển có mực
nước thủy triều thay đổi bất thường. Hiện nay, trong hệ thống tời quấn dây
trên một số con tàu hiện đại có mức độ tự động hóa cao thì thông số sức căng
của dây luôn được điều khiển và giám sát rất chặt chẽ.
Dựa trên những cơ sở quan trọng đó, với những xu thế trên một số con tàu
hiện đại ngày nay và do nước ta hiện nay chưa có đơn vị nào nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo hệ thống này. Chính vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống tự
động điều chỉnh sức căng cho tời quấn dây tàu thủy mang tính cấp thiết.Vì
vậy, nhóm tác giả chọn hướng đề tài: “Nghiên cứu thết kế hệ thống tự động
điều chỉnh sức căng cho tời quấn dây tàu thủy”
2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh sức căng của tời quấn
dây có ghép nối, điều khiển và giám sát trên máy tính và màn hình cảm ứng
HMI.
Việc nghiên cứu thành công đề tài này sẽ làm cơ sở cho việc ứng dụng
trong thực tế, tăng tính an toàn hàng hải, nâng cao hiệu quả kinh tế trong khai
thác vận tải biển.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tượng nghiên cứu cña ®Ò tµi là hệ thống truyền động điện tời quấn dây

1.1.1 Chức năng
Truyền động điện tời quấn dây thuộc nhóm các thiết bị điện trên boong, về
cơ bản hệ thống có những chức năng sau :
Giữ cố định tàu ở cầu cảng, cầu phao, hay ở các vùng neo đậu.
Thu thả cáp buộc tàu trong quá trình ra vào cầu cảng hoặc trong các quá
trình lai dắt[3].
Hỗ trợ và đảm bảo an toàn cho con tàu trong quá trình điều động, quay trở
ra vào luồng lạch.
Đối với các tời chuyên dụng được dùng để : giữ mã hàng, trục vớt, di chuyển
trong các quá trình công nghệ như cho tàu di chuyển dọc theo quỹ đạo thả
đường ống dầu.
Với các chức năng như vậy, tời quấn dây được xếp vào nhóm máy phụ
quan trọng trên tàu. Sự hoạt động tin cậy của hệ thống này có ý nghĩa lớn đối
với sự an toàn và có vai trò trực tiếp trong vận hành và khai thác con tàu.
1.1.2 Phân loại
Phân loại theo kết cấu.
Phân loại theo kết cấu gồm có 2 loại :
+ Tời đứng
+ Tời nằm ngang
Phân loại theo cơ cấu truyền động

4


+ Tời điện cơ : Với cấu trúc bao gồm động cơ điện kết hợp với bộ truyền cơ
khí.

Hình 1.1. Cấu trúc tời điện cơ
Tời điện thủy lực :


biệt là khi khởi động
1.1.4 Đặc điểm chung của hệ thống điều khiển
Để điều khiển động cơ thực hiện trong hệ thống truyền động điện tời quấn
dây có thể sử dụng một số sơ đồ điều khiển sau :
+ Sơ đồ điều khiển bằng tay khống chế.
+ Sơ đồ điều khiển bằng contactor-rơle ( trạm từ ).
+ Sơ đồ điều khiển theo hệ thống máy phát-động cơ.
+ Sơ đồ điều khiển bằng thyristor.
Các hình thức bảo vệ và quá trình khởi động.
6


Theo quy định của đăng kiểm, hệ thống truyền động điện tời quấn dây nhất
thiết phải có các hình thức bảo vệ sau:
Bảo vệ quá tải.
Bảo vệ điện áp thấp.
Bảo vệ không.
Ngoài các hình thức bảo vệ trên, hệ thống nhất thiết phải có thiết bị ngắt
khẩn cấp trong trường hợp khẩn cần thiết.
1.2 Nghiên cứu, đánh giá chung một số hệ thống tời quấn dây trên tàu
thủy hiện nay
1.2.1 Hệ thống tời quấn dây tàu container B170
Hệ thống truyền động điện tời quấn dây tàu container B170 là một trong
những hệ thống hiện đại với tính điều khiển cơ động cao có thể đáp ứng được
các yêu cầu của một tàu chở container đòi hỏi sự điều động linh hoạt khi ra
vào cảng hay luồng lạch. Hệ thống có thể được điều khiển với nhiều chế độ
khác nhau : Auto1, Auto2, Manu hay Remote rất thuận tiện cho người vận
hành. Đặc biệt trong chế độ Auto thì hệ thống có chức năng tự động điều
khiển và giám sát thông số sức căng trên dây cáp, góp phần nâng cao mức độ
tự động hóa và tăng hiệu quả vận tải cho con tàu. Ở chế độ này động cơ có thể


8


Chương 2. NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG CẤU TRÚC VÀ LỰA CHỌN
THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH SỨC CĂNG
TỜI QUẤN DÂY
Ngày nay truyền đông điện được sử dụng hết sức rộng rãi và đang trở
thành một phần không thể thiếu của mọi quá trình tự động hóa. Với sự phát
triển vượt bậc của vi điều khiển, hệ thống truyền động điện xoay chiều ba pha
đang ngày càng trở nên phổ biến và thay thế cho các hệ thống truyền động
của động cơ một chiều trước đây do dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích
thước nhỏ có khả năng điều khiển trơn cả về tốc độ và moment động cơ
2.1. Đề xuất sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống
Ngày nay, việc ứng dụng biến tần vào điều khiển truyền động điện xoay
chiều trong quá trình tự động hóa đã mang nhiều ưu điểm vượt trội và ngày
càng phổ biến. Vì vậy nhóm tác giả lựa chọn sơ đồ khối của hệ thống như
hình 2.1 và sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống như hình vẽ 2.2:

Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống
Trong đó :
9


PC : Là máy tính công nghiệp cho phép việc điều khiển và giám sát hoạt
động của toàn bộ hệ thống.
Control box : Là tủ điều khiển tại chỗ, bên trong bao gồm có PLC là thiết bị
thu thập các dữ liệu gửi về từ cảm biến sức căng Load cell, sau đó thực hiện
các xử lý theo thuật toán và xuất các tín hiệu ra điều khiển biến tần. Tại tủ
điều khiển tại chỗ này có thể thực hiện nhiều chức năng ví dụ như : lựa chọn


Hình 2.3. Một số hình ảnh về load cell
Mỗi load cell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V. Các thiết bị đo
lường hoặc bộ hiển thị khuếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC,
vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa kết
quả đọc được lên màn hình và xuất tín hiệu đầu ra chuẩn dạng Áp: 0 – 10V
hoặc dạng dòng 4 – 20mA.
Lựa chọn Loadcell sử dụng cho mô hình.
Qua nghiên cứu nguyên lý, đặc điểm của Loadcell, và dựa trên cơ sở thực
tiễn, đề tài đã sử dụng loadcell dạng chịu kéo S- Beam Load cell SSL300.

12


Trong quy mô của phòng thí nghiệm, loại Loadcell được sử dụng có tải trọng
lớn nhất là 50kg.
Bảng 2.1. Đặc điểm của loại Loadcell sử dụng trong đề tài
Đặc điểm
Tải trọng

Đơn vị
kg

Điện áp đầu ra

mV/V

Đại số tuyến tính

%

cho loadcell.
-30 to Là dải nhiệt độ môi trường có thể
+80
mà loadcell vẫn làm việc ổn định.
IP 66
- Khả năng chống xâm nhập của bụi:
thiết bị được đảm bảo chống bụi
hoàn toàn, đảm bảo hoạt động tốt
trong môi trường nhiều bụi.

Chất liệu
Cân bằng điểm 0 mV/V
0 ± 0.02
Hiệu ứng nhiệt độ %
/ 0.028
tại điểm không
10ºC
Hiệu ứng nhiệt độ %

/ 0.015
13

- Khả năng chống lại nước: Thiết bị
vẫn hoạt động khi nhúng hoàn toàn
vào nước.
Thép mạ kền / thép không rỉ
Là điện áp lối ra khi chưa có tải
Trị số điện áp ở 2 đầu tín hiệu ra bị
lệch đi 0.028 % điện áp RO khi tăng
/giảm 10ºC.

vào hệ thống hoặc ở chế độ không
tải.
350
± Cho dưới dạng trở kháng được đo
3.5
giữa Ex+ và EX- trong điều kiện
load cell chưa kết nối hoặc hoạt
động ở chế độ không tải.
> 2,000

Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim
loại của load cell và thiết bị kết nối
dòng
điện.

0.03

Là hệ số chính xác của đo lường
Hệ số này có nghĩa là: sau khi
loadcell chịu tải và theo dõi 30 phút,
thì sẽ có bao nhiêu mức độ sai lệch
có thể xảy ra.

2.2.2 Bộ đo và hiển thị giá trị sức căng
Để có thể sử dụng tín hiệu từ đầu ra của loadcell một cách chính xác và
ổn định thì hệ thống cần một thiết bị chuyên dụng. Trong giới hạn đề tài này,
tác giả xin giới thiệu đồng hồ cân MI-830.
Loại thiết bị này rất thích hợp dùng trong các hệ thống công nghiệp nặng.
Cổng giao tiếp RS232 có thể sử dụng lên tới 4 cổng, dễ dàng kết nối tới các
thiết bị khác và PC. Ngoài ra, MI-830 còn có 3 đầu ra chuẩn điều khiển rơ le.

Xích ma - Delta
520.000 lần đếm (19bit)
Lớn nhất là 200 lần/ 1s
0.01 %FS
1/30.000

Hình 2.4. Mặt ngoài hiển thị MI- 830
Steady : Đèn sáng khi giá trị sức căng là ổn định.
Zero : Đèn sáng khi giá trị sức căng là 0 (bao gồm cả khi không tải).
Low : Đèn sáng khi giá trị sức căng đạt tới “ giá trị cài đặt thấp nhất” .
Hi : Đèn sáng khi giá trị sức căng đạt tới “ giá trị cài đặt cao nhất”.
15


END (OK): Đèn sáng tín hiệu trọng lượng hết.
Hold: Đèn sáng khi chức năng Hold được kích hoạt.
RTxD : Đèn sáng khi truyền thông được kích hoạt.
Mặt sau của bộ hiển thị MI830 :

Hình 2.5. Hình ảnh mặt phía sau MI-830
Đầu nối Loadcell EXC +~ | SHLD |
Nối đất : F.G của nguồn 24V vào
Đầu vào nguồn: PWR của nguồn 24V vào (không phân cực)
Đầu vào số: ICOM, IN1, và IN2 ( kiểm tra chức năng 11)
Lựa chọn: Đầu ra tương tự (4 ~ 20mA hoặc 0-10V) => Số 1 (mA+) và số
4/5 (GND)
RS-232C => số 2 ~ 4 (RXD, TXD, GND) và RS422 => số 5 ~ 9 (RX+,
RX-, TX+, TX-)
2.2.3 Biến tần Delorenzo
Chức năng của biến tần trong mô hình để điều chỉnh tốc độ, đảo chiều quay

3

(0-10V)
Dòng điều khiển Tốc độ đặt trước
17

Ghi chú

Không dùng


đầu

vào

(4-

4

20mA)
Điện áp

5

chiếu analog 10V I/O tương tự
Tín hiệu đầu ra

6

analog

24V= đặt lại tốc

10

Đầu vào số

độ
24V = chạy
0V= dừng

2.3. Lựa chọn thiết bị điều khiển và liên kết mạng
2.3.1 PLC hãng Delta
Đặc điểm PLC hãng Delta
PLC hãng Delta là thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic
Controller) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông
qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng
mạch số[13]. Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở
thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao

18


đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy
tính).
Một ưu điểm rất lớn của PLC Delta là việc tích hợp được các loại Modul
chuyên dụng cho phép kết nối trực tiếp với các cảm biến (PT100, cặp nhiệt,
bộ đếm tốc độ cao…). Modul truyền thông cho phép kết nối với nhiều thiết bị
truyền thông chuẩn sử dụng các kiểu truyền dẫn khác nhau
PLC của Delta với các loại Modem như : DVP – ES, SC, SX, SA, EX, PM,
SV trong đó dòng Modem DVP – SV có cổng kết nối Ethernet[13].

Máy tính công nghiệp hãng Siemens (SIMATIC )
Panel PC hãng Siemens là hệ thống màn hình phẳng là các PC công
nghiệp mạnh và nhỏ gọn. Do có thiết kế nhỏ gọn, bền chắc về cơ học và bề
mặt có độ bảo vệ IP65, nền màn hình này có thể đặt ngay bên cạnh máy, trong
khoảng thời gian chật hẹp và trong môi trường nhiều bụi, bẩn và rung động.
Dạng nhỏ nhất - SIMATIC PC F110 có các đặc tính sau đây :
Bộ vi xử lý Intel Pentium 200MHz MMx, bộ nhớ mở rộng 128 MB, màn
hình màu DSTN 14.4", độ phân giải 640 x 480, 256 màu, ổ đĩa mềm 3,5, ổ
đĩa cứng 3.2GB.
Dạng lớn nhất - SIMATIC PC F45 với Intel Pentium II MMX, 333 MHZ,
màn hình mầu TFT 13.3, độ phân giải 102 x 768, 64kB, ổ đĩa mềm 3.5, ổ đĩa
cứng 3.2 GB và ổ CD - ROM.
Màn hình cảm ứng Delta (Touch Screen Delta )
Touch Screen là màn hình chất lượng cao dùng trong môi trường tự động
hoá các nhà máy sản xuất và các quá trình công nghiệp, tàu thuỷ…
Touch Screen cho phép tạo được các đồ thị quá trình để điều khiển giám
sát các thiết bị máy móc hay nhà máy, lưu trữ dữ liệu và sự kiện với các mốc
thời gian trong một cơ sở dữ liệu, quản lý tất cả các thông tin của nhà máy,
máy móc và có thể in được dưới dạng báo cáo.
Touch Screen cho phép thực hiện chức năng điều khiển hoạt động (khởi
động, dừng) ngay trên màn hình của một hệ thống, các thiết bị máy móc từ xa
với phần cứng có tốc độ cao.
Touch Screen có khả năng kết nối rộng có thể sử dụng nó để mở rộng hệ
thống một cách linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp tuỳ theo từng yêu cầu công
nghệ.
Đặc điểm và chức năng phần cứng

21




Hình 2.10. Khả năng kết nối mở rộng của DOP hãng Delta
Sơ đồ chân khi kết nối truyền dẫn của DOP
23


DOP kết nối với máy tính PC, PLC, DOP…qua cổng truyền dẫn COM1,
COM2 sử dụng cáp truyền dẫn 9 chân với sơ đồ chân như sau :

Hình 2.11. Sơ đồ chân kết nối cổng truyền thông của DOP
2.3.3 Phần mềm điều khiển giám sát Visual C #
Ngôn ngữ C# được dẫn xuất từ C và C++, nhưng nó được tạo từ nền tảng
phát triển hơn[12]. Microsoft bắt đầu với công việc trong C và C++ và thêm
vào những đặc tính mới để làm cho ngôn ngữ này dễ sử dụng hơn. Không
dừng lại ở đó, Microsoft đưa ra một số mục đích khi xây dựng ngôn ngữ
này. Những mục đích này được được tóm tắt như sau :
C# là ngôn ngữ đơn giản
C# là ngôn ngữ hiện đại
C# là ngôn ngữ hướng đối tượng
C# là ngôn ngữ mạnh mẽ và cũng mềm dẻo
C# là ngôn ngữ ít từ khóa
C# là ngôn ngữ hướng module
C# sẽ là một ngôn ngữ phổ biến
Hệ thống đồ hoạ của Visual C # xử lý tất cả các đầu vào và đầu ra thể hiện
trên màn hình trong quá trình vận hành. Khả năng hiển thị thông tin dưới
dạng đồ hoạ được thể hiện bởi một thư viện chương trình có tên gọi là
(Gadgets_ActiveX_P). Thư viện này có thể cung cấp các công cụ có sẵn như :
24