Trang chủ Công nghệ & Ứng dụng Công nghệ & Ứng dụng Xây dựng hệ thống mô phỏng hàng hải

Xây dựng hệ thống mô phỏng hàng hải

1. Giới thiệu chung

Hiện nay, ở Việt Nam các công ty vận tải biển, các đơn vị trong lĩnh vực hàng hải được trang bị mới ngày càng nhiều các chủng loại tàu thủy hiện đại và đa dạng về thiết kế. Do đó, để nghiên cứu tiếp cận và vận hành tốt các con tàu luôn là nhiệm vụ đặt lên vai những người đào tạo trong lĩnh vực này. Việc đào tạo các thủy thủ và sỹ quan hàng hải trên thiết bị thật rất tốn kém nhiên liệu, thiết bị, nguồn lực và dễ gây hỏng hóc hoặc tạo ra các tình huống sự cố nguy hiểm cho những thiết bị thật trong quá trình thực tập thực hành. Một xu hướng rất phổ biến trên thế giới, đặc biệt là ở các nước tiên tiến thường dùng công nghệ thực tại ảo để mô phỏng lại các trang thiết bị, các tình huống cần huấn luyện để thực hành trước khi chuyển sang đào tạo và thực hành trên thiết bị thực tế.

Các sỹ quan cảnh sát biển đang vận hành hệ thống mô phỏng hàng hải

Trên thế giới đã có rất nhiều hãng tham gia nghiên cứu, sản xuất các hệ thống này, có thể liệt kê ra ở đây như các hãng: Kongsberg Marine, Praxis, Transas, ARI... Các hãng này có lịch sử truyền thống lâu đời nên bên cạnh những ưu điểm nổi bật như sử dụng công nghệ tiên tiến trong phần cứng và lập trình đẹp, tối ưu trong phần mềm. Tuy nhiên các hệ thống mô phỏng nếu được nhập khẩu từ nước ngoài vào Việt Nam sẽ có rất nhiều nhược điểm khó khắc phục như sau:

- Giá thành sản phẩm thường rất cao;

- Giao diện sử dụng thường không sát với yêu cầu và không tùy biến với một con tàu cụ thể nào;

- Quá trình chuyển giao công nghệ gây ra tốn nhiều thời gian, tăng kinh phí;

- Gặp nhiều khó khăn khi cần bảo hành, bảo trì, nâng cấp trong quá trình vận hành hệ thống do khoảng cách địa lý và yếu tố bất đồng ngôn ngữ của nhà cung cấp tới đơn vị sử dụng;

- Dữ liệu bản đồ địa hình, địa vật không được update và xây dựng đúng như địa hình địa vật thực tế trong nước;

- Không đảm bảo các yếu tố bí mật thông tin an ninh quốc phòng của dữ liệu địa hình, địa vật nếu cung cấp các tham số dữ liệu địa hình đặc tả cho phía đối tác nước ngoài để xây dựng dữ liệu số (2D và 3D) phục vụ cho việc mô phỏng địa lý hệ thống;

- Khả năng làm chủ hệ thống không cao;

- Các hệ thống mô phỏng của nước ngoài thường có tính chất độc lập giới hạn phạm vi vận hành trong một phòng huấn luyện buồng lái, buồng máy hoặc bảng điện mà không hỗ trợ nhiều việc liên kết thông tin giữa các buồng để tạo ra một cấu trúc hợp luyện hoàn chỉnh như một con tàu.

Hiện nay, trình độ của các nhà khoa học và kỹ sư trong nước đã nắm bắt và làm chủ được các công nghệ tiên tiến trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, tự động hóa, cơ khí... cho phép xây dựng được các hệ thống mô phỏng phục vụ cho nhu cầu huấn luyện đào tạo thủy thủ và sỹ quan hàng hải như đã nêu ở trên. Giá thành sản xuất trong nước giảm hơn rất nhiều (đến hơn 70% so với giá thành nhập ngoại) và có thểgiải quyết được tám nhược điểm nêu trên của các hệ thống nhập ngoại. Từ những nhận định đó, Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã đầu tư nghiên cứu và xây dựng thành công Hệ thống mô phỏng hợp luyện hàng hải cho Lực lượng Cảnh sát biển Việt Nam.

Hình 2. Buồng huấn luyện hàng hải

2. Mô tả hệ thống

Cấu trúc của hệ thống mô phỏng hợp luyện hàng hải bao gồm 03 buồng huấn luyện cơ bản: buồng hàng hải, buồng điều khiển máy và buồng bảng điện chính. Các buồng huấn luyện này được trao đổi thông tin qua lại chặt chẽ và ràng buộc với nhau để tạo các tình huống thật sự cho người đi biển, ví dụ như: để vận hành được các thiết bị buồng máy thì hệ thống máy phát và bảng điện chính phải đảm bảo cung cấp đủ năng lượng điện trên lưới; con tàu muốn điều động được trên biển thì máy chính phải được chuẩn bị sẵn sàng dưới buồng máy; các thông số báo động kiểm tra được thu thập ở tất cả các buồng, đồng thời cũng hiển thị và báo động đến tất cả các buồng thông qua các màn hình giám sát 21 inch.

Nền tảng của công việc truyền thông tin và là xương sống của toàn bộ các kết nối là hệ thống mạng truyền thông ethernet. Toàn bộ các phần tử quan trọng trong các buồng huấn luyện như các bộ điều khiển khả trình PLC, các panel vận hành cài đặt HMI, các máy tính giám sát PC, các máy tính giả lập các đối tượng Industrial PC, các thiết bị như Engine Telegraph, GPS, máy đo sâu... đều được liên kết trong hệ thống mạng này. Do đó, thông tin dữ liệu từ buồng máy đến buồng hàng hải được thông suốt và có thể được truy cập bởi người quản trị mạng. Bên cạnh đó, một lợi ích rất lớn của hệ thống mạng này là nó hỗ trợ rất đắc lực cho người xây dựng và lập trình cho hệ thống. Với một máy tính Laptop có kết nối không dây và các phần mềm chuyên dụng, một nhà thiết kế có thể ở bất cứ vị trí nào trong không gian WIFI nội bộ đều có thể hiệu chỉnh, cài đặt và bảo trì hệ thống.

Buồng huấn luyện hàng hải (hình 2) có kiến trúc mạng kiểu song hành bao gồm 02 hệ thống mạng, đó là hệ thống mạng ethernet như giới thiệu ở trên và hệ thống mạng theo tiêu chuẩn hàng hải NMEA0183 để đảm nhiệm việc kết nối dữ liệu giữa các thiết bị cục bộ như: GPS, GYRO COMPASS, ENCHO SOUNDER, SPEED LOG, AUTOPILOT và ECDIS. Đặc tính động học của con tàu trên cơ sở các phương trình toán học được xây dựng bằng ngôn ngữ Visual C# và chạy trên một máy tính giả lập. Thông số của con tàu được truyền qua lại với hệ thống máy tính Workstation PC đảm nhiệm vai trò tạo ra các hình ảnh 2D, 3D các hiệu ứng ngày đêm, thời tiết, môi trường trên biển như sóng, gió, hải lưu. Hình ảnh điều động con tàu nhìn ra từ buồng lái Bridge House được thể hiện trong 03 màn hình LCD 60 inch. Các tình huống môi trường, tàu lạ, tình huống kỹ thuật có thể được tạo ra bởi một máy tính giáo viên để cho học viên huấn luyện. Dữ liệu tọa độ, hướng mũi tàu, tốc độ, độ sâu đáy biển được chuyển tới các thiết bị GPS, la bàn, máy đo tốc độ, máy đo sâu và hải đồ điện tử để người vận hành có thể khai thác và giám sát. Hệ thống lái tự động sẽ cung cấp góc bẻ lái cho máy tính mô hình tàu và từ sự chênh lệch hướng đi với hướng đặt sẽ đưa ra tác động bẻ lái khi vận hành lái tự động. Các chế độ lái NFU, HAND và AUTO/PID đều được tích hợp, các tình huống báo động máy lái như mức dầu, quá tải, mất pha, mất nguồn đều có thể được tạo ra từ máy tính giáo viên. Ngoài ra, hệ thống tay chuông truyền lệnh, điều khiển từ xa 03 diesel được tích hợp trên bàn điều khiển buồng hàng hải để liên lạc với buồng máy.

Hình 3. Các giảng viên Khoa Điện - Điện tử đang kiểm tra tình huống trong buồng huấn luyện điều khiển máy
Hình 4. Mô phỏng các Panel cạnh máy (LOCAL PANEL)

Buồng huấn luyện điều khiển máy (hình 3, 4) được tích hợp điều khiển đồng thời 03 máy chính MTU theo đúng yêu cầu của Cảnh sát biển. Một máy tính PC cũng được sử dụng để đảm nhiệm vai trò mô phỏng đặc tính động học của 03 máy chính với đầu vào là các điều kiện về khởi động, làm mát, nhiên liệu và bôi trơn; phản ứng đầu ra của hệ sẽ là các giá trị thông số của máy như tốc độ, nhiệt độ, áp suất nước, dầu LO, DO... Toàn bộ các thông số của máy sẽ được giám sát và chỉ thị trên một hệ thống SCADA riêng rẽ và kịp thời đưa ra các tình huống báo động cho người vận hành. Các chức năng điều khiển máy chính được tích hợp đầy đủ và được thực hiện bởi một PLC tốc độ cao 32 bit thông qua đầu vào của hệ là các tay điều khiển Control Handle 11 vị trí. Các chức năng điều khiển bao gồm: khởi động/dừng máy có thuật toán RAMP, COOL DOWN và EMG; điều chỉnh tốc độ, đảo chiều quay và điều khiển đồng bộ SYNCH. Các tình huống sự cố vận hành có thể được tạo ra dễ dàng thông qua máy tính giáo viên để học viên nhận biết và đưa ra phương án xử lý. Các panel điều khiển tại chỗ tích hợp các tình huống điều khiển sự cố tại máy và sử dụng hệ thống tay chuông truyền lệnh khi hệ thống REMOTE DIESEL CONTROL bị sự cố.

Buồng huấn luyện bảng điện chính tàu thủy được thể hiện trên hình 5. Cũng giống như 02 buồng mô phỏng ở trên, toàn bộ 03 tổ hợp diesel/máy phát của một con tàu được mô phỏng động học thông qua một máy tính giả lập HMI 10 inch, dữ liệu của đối tượng trạm phát như điện áp, dòng điện, tần số, công suất, đặc tính ngoài… được truyền qua lại giữa bộ điều khiển PLC và máy tính giả lập, đồng thời được thể hiện trên 03 màn hình giám sát HMI 7 inch. Cấu trúc của bảng điện chính gồm 05 panel, trong đó 03 panel máy phát, 01 panel hòa đồng bộ và 01 panel phụ tải. Toàn bộ các chức năng thao tác bảng điện từ đơn giản như đóng/cắt, phân phối tải, khởi động tổ hợp D/G, điều khiển ACB chính đến các chức năng cao cấp của bảng điện như PMS đều được mô phỏng đầy đủ. Các chức năng quan trọng của trạm phát như hòa đồng bộ/synchronize, phân chia tải/load sharer, chuyển tải/shedding, điều chỉnh tần số/frequency cotrol, shore connect… đều có tích hợp 02 chế độ điều khiển là MANU và AUTO. Các chức năng Blackout, interlock, các tình huống bảo vệ quá tải cấp 1, 2, bảo vệ ngắn mạch, công suất ngược, thấp áp, báo động điện trở cách điện, báo động tần số… được cài đặt chính xác khi người vận hành vô tình thao tác sai hoặc do ngẫu nhiên được thực hiện thông qua máy tính giáo viên. Hệ thống các đồng hồ chỉ thị, đèn báo, công tắc chuyển mạch được tổ hợp logic và khoa học đem lại cảm giác như thật cho người vận hành. Toàn bộ các thông số hiển thị và báo động cũng được gửi về hệ thống báo động kiểm tra SCADA thông qua đường mạng Modbus TCP và Modbus/RS485 để chia sẻ thông tin với các buồng huấn luyện khác.

Hệ thống giám sát, báo động kiểm tra SCADA được lập trình và chạy trên máy tính với phần mềm công nghiệp chuyên dụng, tốc độ truy nhập cao và khả năng đồ họa sống động. Màn hình đồ họa MIMIC, màn hình báo động Alarm Hist/List, màn hình Report… của các hệ thống máy móc trên tàu được thể hiện thân thiện, linh hoạt và sinh động trên màn hình lớn 21 inch, người vận hành có thể từ đó truy cập đến các hệ thống cần quan tâm một cách dễ dàng.

Ngoài ra, trong cả 03 buồng huấn luyện, hệ thống âm thanh thực tế của máy móc, sóng gió, sấm chớp, âm thanh chuông báo động cũng được mô tả trung thực tạo ra nhưng cảm giác trải nghiệm ấn tượng cho người học.

Hình 5. Buồng huấn luyện bảng điện chính


3. Kết luận

Sau thời gian nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống mô phỏng hợp luyện hàng hải, các giảng viên Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tổ chức kiểm tra, chạy thử theo các tiêu chuẩn đề ra. Kết quả của việc kiểm nghiệm đã cho thấy sự thành công của hệ thống thông qua khả năng đáp ứng được hầu hết các tình huống huấn luyện  cần thiết. Với kết quả ban đầu đạt được, hướng phát triển trong tương lai của nhóm nghiên cứu là tiếp tục hoàn thiện tính năng, tối ưu hóa nguồn lực và mở rộng phạm vi ứng dụng cho các đối tượng khác, nhằm góp phần mang một thương hiệu Việt ra thị trường công nghiệp tàu thủy trong nước và quốc tế.

TS. Trần Anh Dũng, TS. Đào Minh Quân, TS. Đinh Anh Tuấn
Khoa Điện - Điện tử - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

Số 183 (5/2016)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo


 
 
 



 



 
 
 

Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết