Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tự động hoá tích hợp dùng cho tàu thuỷ

Hệ thống tự động hoá tích hợp tàu thủy IAS bao gồm các thành phần chính thuộc hai cấp sau: - Cấp điều khiển giám sát gồm cơ sở dữ liệu và các trạm thao tác tại Buồng chỉ huy Bridge; Buồ

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG

TỰ ĐỘNG HOÁ TÍCH HỢP DÙNG CHO TÀU THUỶ”

MÃ SỐ: KC.03.03/06-10

Chủ nhiệm đề tài: Cơ quan chủ trì đề tài:

ThS Mai Văn Tuệ TS Nguyễn Thế Truyện

Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ

3) Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

4) Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của Đề tài: 4

5) Các nội dung của Báo cáo 7

CHƯƠNG 1: XÁC ĐỊNH CẤU HÌNH VÀ CÁC CHỨC NĂNG CẦN CÓ CỦA HỆ IAS 8 1.1 KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH CÁC SẢN PHẨM TƯƠNG TỰ CỦA CÁC HÃNG SẢN XUẤT CHÍNH 8

1.1.1 Kongsberg 8

1.1.2 Sản phẩm của hãng Lyngsoe Marine: MCS2200 10

1.1.3 Sản phẩm của hãng Siemens 12

1.2 CẤU HÌNH VÀ CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH CỦA MỘT HỆ THỐNG IAS 16

1.2.1 Tính năng kỹ thuật của cấp giám sát 17

1.2.2 Tính năng kỹ thuật của hệ điều khiển máy chính MEC 19

1.2.3 Tính năng kỹ thuật của hệ quản lý nguồn điện tàu thủy EPM 19

1.2.4 Tính năng kỹ thuật của hệ đo và điều khiển mức TMC 20

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG CẤP GIÁM SÁT 21

2.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP GIÁM SÁT 21

2.1.1 Cấu trúc hệ thống IAS 21

2.1.2 Lựa chọn giải pháp công nghệ phù hợp với cấp Giám sát 23

2.1.3 Các vấn đề kỹ thuật cần giải quyết tại cấp Giám sát 26

2.1.4 Thiết kế cơ sở dữ liệu 32

2.2 THIẾT KẾ CÁC PHẦN MỀM CẤP ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 34

2.2.1 Giao diện MMI các trạm thao tác B_OS; ME_OS 34

2.2.2 Cơ sở dữ liệu thời gian thực RT_DB 34

2.2.3 Bộ giao thức giữa các phân hệ với cấp giám sát 36

2.2.4 Phần mềm dò lỗi và chẩn đoán 42

2.3 THỬ NGHIỆM CÁC CHỨC NĂNG HỆ GIÁM SÁT 45

2.3.1 Danh mục thiết bị cấp giám sát i Ship-S 45

2.3.2 Các chức năng cần thử 45

2.3.3 Chuẩn bị 46

2.3.4 Tiến hành thử 47

2.3.5 Kết quả thử: 50

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CHÍNH MEC 51

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ MEC 51

3.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG TRẠM ĐIỀU KHIỂN i Ship-M 55

3.2.1 Tính năng kỹ thuật của Trạm điều khiển i Ship-M 55

3.2.2 Sơ đồ cấu trúc của Trạm điều khiển i Ship-M 55

3.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM HỆ MEC 57

3.3.1 Nguyên lý hoạt động của i Ship-M 57

3.3.2 Tính năng của các module phần mềm 59

3.4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CỤ THỂ 69

3.5 THỬ NGHIỆM HỆ MEC 75

3.5.1 Danh mục thiết bị trạm điều khiển i Ship-M 75

3.5.2 Thử nghiệm offline 76

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG QUẢN LÝ NGUỒN ĐIỆN EPM 81

4.1 CHI TIẾT CÔNG NGHỆ CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH CỦA MỘT HỆ THỐNG EPM 81 4.1.1 Chức năng tự động hòa đồng bộ các tổ máy phát: 81

4.1.2 Chức năng tự động phân phối tải: 82

4.1.3 Chức năng tự động bảo vệ máy phát: 82

4.1.4 Chức năng giám sát, điều khiển: 83

4.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG EPM 85

4.2.1 Sơ đồ khối và nguyên lý làm việc của hệ EPM 85

4.2.2 Thiết kế phần cứng hệ EPM 89

4.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM HỆ THỐNG EPM 93

4.3.1 Phân hoạch chức năng theo các module phần mềm 93

4.3.2 Các tính năng của các module phần mềm 94

4.4 THỬ NGHIỆM EPM 98

4.4.1 Danh mục thiết bị trạm điều khiển i Ship-P 98

4.4.2 Thử nghiệm offline 99

4.4.3 Thử nghiệm ONLINE các chức năng hệ EPM 102

4.4.4 Thực hiện và kết quả 106

CHƯƠNG 5 HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN MỨC TMC 107

5.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ TMC 107

5.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG TRẠM ĐIỀU KHIỂN i Ship-T 110

5.2.1 Tính năng kỹ thuật của Trạm điều khiển i Ship-T 110

5.2.2 Sơ đồ cấu trúc của Trạm điều khiển i Ship-T 111

5.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM HỆ TMC 112

5.3.1 Nguyên lý hoạt động của i Ship-T 112

5.4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CỤ THỂ 114

5.4.1 Sơ đồ khối Hệ đo mức két và điều khiển TMC 114

5.4.2 Nguyên lý làm việc của hệ TMC 114

5.4.3 Đấu nối tín hiệu giữa i Ship-T với hiện trường 116

5.4.4 Các thông số đo lường/cảnh báo 120

5.4.5 Giới thiệu các giao diện phần mềm 121

5.5 THỬ NGHIỆM HỆ TMC 124

5.5.1 Danh mục thiết bị trạm điều khiển hệ EPM i Ship-T 124

5.5.2 Thử nghiệm offline 125

CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 129

6.1 SẢN PHẨM KH&CN ĐÃ TẠO RA 129

6.2 ĐÁNH GIÁ VỀ HIỆU QUẢ DO ĐỀ TÀI MANG LẠI 132

Hình 1 3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống IMAC L của hãng Siemens 13

Hình 1 4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển máy chính của hãng Siemens 15

Hình 1 5: Sơ đồ nguyên lý PMS của Siemens 15

Hình 2 1: Sơ đồ khối hệ thống IAS 22

Hình 2 2: Mô hình phân cấp đối tượng của OPCServer 33

Hình 2 3: Thiết kế sơ đồ quan hệ thực thể CSDL của IAS 33

Hình 3 1: Sơ đồ khối hệ MEC 51

Hình 3 2: Sơ đồ cấu trúc Trạm điều khiển i Ship_M 56

Hình 3 3: Lưu đồ thực hiện lệnh START 63

Hình 3 4: Lưu đồ thực hiện lệnh ĐẢO CHIỀU 65

Hình 3 5: Sơ đồ mô hình Hệ điều khiển máy chính MEC 69

Hình 3 6: Sơ đồ đấu nối đầu vào Trạm điều khiển i Ship_M 72

Hình 3 7: Sơ đồ đấu nối đầu ra Trạm điều khiển i Ship_M 74

Hình 3 8: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm đầu vào hệ MEC 79

Hình 3 9: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm đầu ra hệ MEC 80

Hình 4 1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống quản lý trạm phát điện trên tàu thủy 85

Hình 4 2: Sơ đồ khối chức năng Panel Đo lường - Công suất 86

Hình 4 3: Sơ đồ khối chức năng Panel Điều khiển 88

Hình 4 4: Sơ đồ khối chức năng module hòa tự động các máy phát 91

Hình 4 5: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm các bộ Supervisor hệ EPM 101

Hình 4 6: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm Controller hệ EPM 102

Hình 4 7: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm các bộ Supervisor hệ EPM 105

Hình 4 8: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm Controller hệ EPM 105

Hình 5 1: Sơ đồ khối hệ TMC 107

Hình 5 2: Sơ đồ cấu trúc Trạm điều khiển i Ship_T 111

Hình 5 3: Sơ đồ khối chi tiết Hệ đo mức két và điều khiển TMC 115

Hình 5 4: Kết nối hệ Cargo 119

Hình 5 5 Sơ đồ đấu nối thử nghiệm hệ Cargo TMC 128

IAS Integrated Automation System Hệ thống tự động hoá tích hợp MEC Main Engine Control System Hệ thống điều khiển máy chính EPM Electric Power Management

System

Hệ thống quản lý nguồn điện

TMC Tank Monitoring and Control

System

Hệ thống giám sát và điều khiển mức các thùng chứa

HMI Human Machine Interface Giao diện người máy

B_OS Bridge Operating Station Trạm thao tác Buồng lái

ME_OS Main Engine Operating Station Trạm thao tác buồng trung tâm

OPC OLE for Process Control Chuẩn giao thức truyền thông

OPC

ME Main Engine Máy chính

BR Bridge Buồng lái

CCR Cargo Control Room Buồng điều khiển làm hàng ECR Engine Control Room Buồng điều khiển máy

E STOP Emergency Stop Dừng khẩn cấp

PT Pressure Transmitter Bộ đo áp suất 4-20mA

TT Temperature Transmitter Bộ đo nhiệt độ 4-20mA

TS Temperature Sensor Đầu cảm biến nhiệt độ

PS Pressure Switch Bộ phát hiện quá áp suất

DPS Differentiate Pressure Switch Bộ phát hiện chênh áp suất

TS Temperature Switch Bộ phát hiện quá nhiệt

LS Limit Switch Công tắc hành trình

FLS Float Limit Switch Bộ báo mức dạng phao nổi

LO Lubricating Oil Dầu bôi trơn

FO Fuel Oil Dầu nhiên liệu

MỞ ĐẦU

1) Giới thiệu vắn tắt về sự hình thành đề tài

Từ khoảng hơn 10 năm nay, ngành công nghiệp tàu thủy Việt Nam đã đạt được bước phát triển mạnh mẽ, ấn tượng Tăng trưởng bình quân của riêng VINASHIN giai đoạn 1996-2006 là khoảng 45%/năm; năm 2007 so với năm 2001 thì doanh thu của VINASHIN tăng 5,64 lần, sản lượng tăng 5,92 lần

Trong các hệ thống thiết bị trên tàu thuỷ, các hệ thống điện và điều khiển/giám sát có vai trò rất quan trọng và có giá trị gia tăng lớn Nhằm phát huy nội lực thực hiện mục tiêu tăng dần tỷ lệ nội địa hoá về lượng cũng như

về chất, năm 2007 Bộ KH&CN đã giao đề tài NC cấp nhà nước

KC.03.03/06-10 ‘Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tự động hoá tích hợp dùng cho tàu

thuỷ”, thuộc Chương trình KC.03/06-10, cho Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin

học, Tự động hoá chủ trì thực hiện

2) Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Trước đây khoảng 10 năm chúng ta mới đóng được tàu cỡ 3.850 T, ngày nay chúng ta đang đóng tàu 53.000 T cho chủ tàu Vương quốc Anh, và đang tiến hành đóng tàu chở dầu thô 100.000 T Theo những số liệu từ khi xây dựng đề tài (năm 2007), tổng giá trị các hợp đồng đóng tàu xuất khẩu khi đó

là hơn 1 tỉ USD, và Tổng công ty công nghiệp tàu thủy Việt nam (VINASHIN) phấn đấu từ năm 2010 trở đi mỗi năm xuất khẩu khoảng 1 tỉ USD tàu đóng mới Bên cạnh đó, nhu cầu trong nước cũng rất lớn, có thể khoảng 2-3 tỉ USD/năm kể từ 2010 Mặc dù hiện nay VINASHIN đang gặp khủng hoảng nhưng nhu cầu thị trường vẫn tồn tại và trong tương lai gần sẽ lại phục hồi cùng với sự phục hồi của kinh tế thế giới, nên những con số đó vẫn mang tính thời sự và cũng chính vì thế mà Nhà nước đã khẳng định phải

sắp xếp lại VINASHIN với mục đích duy trì và phát triển ngành công nghiệp đóng tàu tại Việt nam Nếu các hệ thống điện, điều khiển, tự động hoá chiếm khoảng 5-10% giá trị con tàu đóng mới, thì nhu cầu của lĩnh vực này đã là hàng trăm triệu USD mỗi năm Ngoài ra còn nhu cầu sửa chữa nâng cấp và hiện đại hóa cũng ngày càng gia tăng

Rõ ràng, để ngành công nghiệp tàu thủy Việt nam có thể tiếp tục phát

triển thì vấn đề nội địa hoá các hệ thống tự động hoá, điều khiển là một yêu

cầu cấp thiết Hơn nữa, một mặt chúng ta đã có một số kinh nghiệm cơ bản, mặt khác nhờ sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, công nghệ

tự động hoá và một số kỹ thuật/công nghệ khác trong thời gian gần đây, chúng ta hoàn toàn có khả năng “đi tắt đón đầu” trong việc nghiên cứu, thiết

kế, chế tạo các hệ thống tự động hoá tích hợp dùng cho tàu thủy, và do đó tính khả thi của đề tài này rất cao

Với việc đầu tư nghiên cứu đề tài này, và sau đó là việc đưa được các sản phẩm của Đề tài vào ứng dụng, Đề tài sẽ là cơ sở để tạo ra đội ngũ cán bộ làm chủ các vấn đề kỹ thuật/công nghệ liên quan đến hệ thống tự động hoá tích hợp dùng cho tàu thủy, qua đó phát huy giá trị nội lực đồng thời giảm thiểu sự lệ thuộc vào công nghệ của nước ngoài, giúp làm tăng tỷ lệ nội địa hoá, tăng giá trị gia tăng trong nước, và từ đó làm tăng hiệu quả kinh tế của ngành đóng tàu trong mục tiêu hướng tới sự phát triển hiệu quả và bền vững trong môi trường kinh tế tri thức và toàn cầu hoá

3) Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Ngoài nước

Tự động hoá tàu thủy, là vấn đề đã được nghiên cứu từ lâu và vẫn đang được Thế giới rất quan tâm, vì tàu thủy là một trong những hệ thống phức tạp nhất, đòi hỏi an toàn cao, lại hoạt động trong môi trường phức tạp Người ta

đã thống kê và thấy rằng khoảng 75-95% sự cố đối với tàu thủy là do yếu tố

con người, vì vậy tự động hoá là một trong những phương thức hữu hiệu nhất

để đảm bảo tính an toàn và tăng hiệu quả vận hành của tàu thủy

Trong các thập niên 80-90 của thế kỷ 20, cùng với việc phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử, tin học, vũ trụ, các vấn đề an toàn và hiệu quả trong vận hành tàu thủy như chống va chạm (trên biển và trong luồng lạch, khu vực cảng), lái tự động thích nghi, tối ưu hoá quản lý nguồn điện, được tập trung nghiên cứu và giải quyết, dẫn đến sự ra đời của nhiều thế hệ các thiết bị, hệ thống hàng hải, việc tự động hoá buồng lái với One man bridge systems, Integrated Bridge Systems được tập trung nghiên cứu, chế tạo, và ngày nay có hàng chục hãng sản xuất (ví dụ: Kongsberg, MarineTalk, Nycroads, Klein Associates, Alstom, Uzushio, Sperry Marine, Kelvin Hughes, Navalsupport, L-3 communication MAPPS, )

Rõ ràng, các hệ thống tự động hoá tích hợp dùng cho tàu thủy (ship Integrated Automation Systems – ship IAS) ngày được quan tâm và mở rộng, phát triển hơn Cùng với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử, và các công nghệ khác, công nghệ thông tin và tự động hoá ngày càng tiến lại gần nhau, liên hệ mật thiết với nhau, và kết quả của sự kết hợp, phát triển đó

là sự ra đời của các hệ thống tự động hoá tích hợp cho tàu thủy với tính năng

đa dạng, mở, phục vụ cho nhu cầu ngày càng tăng về tính an toàn, hiệu quả kinh tế của hàng hải

Trong nước:

Có thể nói ở Việt nam các thiết bị, hệ thống điện, điều khiển, tự động hoá tàu thủy đã được quan tâm từ rất sớm Bắt đầu từ những năm 1980-1990 Chương trình Tự động hoá (52B) đã tiến hành nghiên cứu thiết kế chế thử 1

số thiết bị, hệ thống tự động tàu thủy Tuy vậy, đây mới là các thiết bị, hệ thống sơ khai, đơn giản, chủ yếu bằng rơ le, công tắc tơ

Trong những năm trước và sau năm 2000 đã có nhiều đề tài, dự án SXTN

về lĩnh vực tự động hoá tàu thủy, ứng dụng hệ thống SCADA để thu thập xử

lý và quản lý các thông số đo lường điều khiển nhằm hiện đại hoá hệ thống tự động hoá tàu thuỷ, ứng dụng chip thông minh để chế tạo các hệ thống điều khiển điện trên tàu, hệ điều khiển thông minh cho đầu hút (đầu ngoạm) các tàu hút bùn cỡ lớn, hệ thống tự động đánh chìm và làm nổi âu nổi, hệ thống tự động chống nghiêng cho tàu Container, tàu dịch vụ hoặc tàu thả phao, các hệ thống điều khiển truyền động điện cho máy và thiết bị tàu thuỷ (ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn), chế tạo một số phân tử và thiết bị điều khiển,

đo lường quan trọng trên tàu thuỷ bằng phương pháp chuẩn module và ứng dụng các công nghệ tiên tiến, chế tạo bộ điều khiển tự động theo công nghệ khả trình cho các hệ thống, thiết bị tự động tàu thủy, Một loạt các nghiên cứu, chế thử đó cho thấy các vấn đề liên quan đến thiết bị và hệ thống tự động hoá, điều khiển tàu thủy ngày càng được quan tâm hơn

Tuy vậy, nhìn chung các nghiên cứu, chế thử đó chưa đáp ứng được nhu cầu lớn, đa dạng và phong phú của ngành công nghiệp tàu thủy Việt nam Các nghiên cứu, chế thử đó chủ yếu mới là những kết quả bước đầu (tuy khá quan trọng), và mới chỉ được sử dụng cho một số ít tàu đóng mới cho chủ tàu trong nước, chưa tiếp cận được với sự phát triển của thế giới

4) Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của Đề tài:

Đề tài nhằm các mục tiêu sau:

• Làm chủ các kỹ thuật và công nghệ chủ yếu để thiết kế, chế tạo Hệ thống tự động hóa tích hợp cho tàu thủy thay thế nhập ngoại

• Đưa được các kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thử nghiệm tại một

số cơ sở của Tổng công ty Tàu thủy VN

Đối tượng mà Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo là mô

hình Hệ thống tự động hoá tích hợp - IAS (Integrated Automation System )

Hệ thống tự động hoá tích hợp tàu thủy IAS bao gồm các thành phần chính thuộc hai cấp sau:

- Cấp điều khiển giám sát gồm cơ sở dữ liệu và các trạm thao tác tại Buồng

chỉ huy (Bridge); Buồng điều khiển máy (Engine Control Room) và Buồng điều khiển làm hàng và cân bằng tàu (Cargo & Ballast Control Room) với các chức năng theo quy phạm Hàng hải

- Cấp điều khiển cơ sở gồm các phân hệ (subsystems) với chức năng

chuyên biệt như: nghi khí hàng hải, thiết bị phục vụ máy chính, hệ thống điện, thiết bị và hệ thống làm hàng (cẩu, nhập hàng, xuất hàng, ), thiết bị

an toàn (báo/cứu hoả, cứu sinh), thiết bị điều động tàu (chân vịt mũi), đo mức két nhiên liệu và điều khiển van; đo mớn nước và cân bằng tàu; hệ thống giám sát camera; các thiết bị phục vụ vệ sinh môi trường (thiết bị lọc nước ngọt, lò đốt rác, phân ly dầu nước, )

Hệ thống IAS như trên là một hệ thống rất phức tạp với giá thành hàng triệu USD Trong khuôn khổ của một đề tài nghiên cứu , những vấn đề cụ thể

mà đề tài lựa chọn để tập trung giải quyết cần theo các tiêu chí sau:

- Có hàm lượng chất xám cao để phát huy thế mạnh nội lực, tăng khả năng cạnh tranh (về giá) đối với sản phẩm ngoại nhập

- Giải quyết được những vấn đề kỹ thuật - công nghệ chính của hệ thống IAS tàu thủy nhằm đạt mục tiêu làm chủ công nghệ, giảm lệ thuộc vào nước ngoài

- Có thể đưa vào ứng dụng các cụm thiết bị một cách độc lập với quy mô linh hoạt phục vụ cho bài toán nâng cấp theo từng bước, đồng thời sẵn sàng cho khả năng tích hợp vào IAS

- Kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có và giải quyết vấn đề ở mức cao hơn, hoàn thiện hơn để trong một thời gian ngắn đưa ra sản phẩm có khả năng đưa vào ứng dụng

- Sản phẩm IAS của đề tài là một hệ thống với quy mô nhỏ để phù hợp với điều kiện thời gian và kinh phí của một đề tài nghiên cứu nhưng sẵn sàng cho phép mở rộng thành quy mô lớn (với nhiều phân hệ của nhiều nhà cung cấp khác nhau và số lượng đối tượng đo/điều khiển rất lớn) khi đưa vào ứng dụng cụ thể

- Đáp ứng yêu cầu mà Hội đồng tuyển chọn và thẩm định đề tài đã đặt ra là

tập trung giải quyết các vấn đề ở cấp điều khiển giám sát của hệ IAS

Với những tiêu chí trên, phạm vi mà đề tài cần tập trung để nghiên cứu là:

- Cấp điều khiển giám sát bao gồm Cơ sở dữ liệu (CSDL) và các trạm thao

tác tại Buồng chỉ huy B_OS; Buồng điều khiển máy chính ME_OS (Trạm thao tác tại buồng điều khiển làm hàng có thể được bổ sung dễ dàng do sự tương tự và khả năng thay thế lẫn nhau của các trạm thao tác)

- Đối với Cấp điều khiển cơ sở, đề tài lựa chọn để nghiên cứu là các phân

hệ điển hình sau:

• Hệ thống điều khiển máy chính MEC (Main Engine Control System)

• Hệ thống quản lý nguồn điện EPM (Electric Power Management System)

• Hệ thống giám sát và điều khiển mức các thùng chứa trên tàu TMC (Tank Monitoring and Control System)

Các phân hệ trên đều có mặt trên các loại tàu nên các sản phẩm nhánh của đề tài phải mang tính độc lập cao có thể ứng dụng riêng rẽ Cả hệ IAS sẽ được ứng dụng cho những tàu lớn hiện đại Với thời gian và kinh phí được cấp, mục tiêu mà đề tài đặt ra cho mỗi phân hệ điều khiển cơ sở đã nói trên

là thiết kế, chế tạo mô hình của phân hệ tương ứng thực hiện được các

chức năng cơ bản nhất như đo lường, điều khiển, cảnh báo, giám sát, bảo vệ

và kết nối truyền thông với cấp điều khiển giám sát Để có thể đưa vào ứng

dụng, các mô hình này cần phải được đầu tư nghiên cứu hoàn thiện (ngoài phạm vi của đề tài NC này) trên cơ sở yêu cầu của ứng dụng cụ thể để trở thành sản phẩm

Đề tài sẽ có sự phân tích và đưa ra giải pháp để hệ IAS đạt được tính

mở theo tiêu chí đã nêu trên, trên cơ sở đó tích hợp được các phân hệ còn lại của cấp điều khiển cơ sở vào hệ IAS của Đề tài

5) Các nội dung của Báo cáo

Báo cáo này được trình bày thành các chương với các nội dung như sau:

• Chương 1: Khảo sát, phân tích các hệ thống IAS của các hãng sản xuất

chính ở Châu Âu và Nhật bản cũng như khảo sát trực tiếp một số tàu cụ thể và tương đối điển hình, trên cơ sở đó xác định được cấu hình hệ IAS trong khuôn khổ của đề tài (gồm những phân hệ gì), đồng thời đưa ra các yêu cầu kỹ thuật và các tính năng cần có của từng phân hệ trong IAS

• Các Chương 2,3,4,5: Do tính độc lập tương đối của mỗi phân hệ và tính

tương tự trong bố cục báo cáo nên mỗi phân hệ: Cấp giám sát, hệ MEC, hệ EPM và hệ TMC sẽ được trình bày tương ứng trong một chương

• Chương 6: Trình bày chung các kết quả đạt được

CHƯƠNG 1: XÁC ĐỊNH CẤU HÌNH VÀ CÁC CHỨC NĂNG CẦN CÓ CỦA HỆ IAS

1.1 KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH CÁC SẢN PHẨM TƯƠNG TỰ CỦA CÁC HÃNG SẢN XUẤT CHÍNH

Có thể nói Châu Âu là một trong những cái nôi của ngành đóng tàu thế giới, hơn nữa, đối với ngành điện – điện tử phục vụ tàu thủy thì Châu Âu đã

và đang luôn là thế lực mạnh, với hàng loạt tên tuổi lớn, trong đó nổi bật là Kongsberg (Na Uy), Lyngsø Marine A/S (Đan Mạch – thuộc tập đoàn SAM Electronics), Callenberg A/S (Đan Mạch – tên cũ là SEMCO), Siemens (Đức), Schneider (Pháp)

1.1.1 Kongsberg

Đây là một tập đoàn đa quốc gia với hơn 200 năm lịch sử, có 4.000 lao động ở hơn 20 quốc gia Tập đoàn cung cấp các hệ thống công nghệ cao trong lĩnh vực dầu khí ngoài khơi, và sản phẩm gas, tàu hàng, công nghiệp quốc phòng và hàng không vũ trụ Đối với ngành hàng hải, Kongsberg cung cấp các hệ thống định vị, nghi khí hàng hải, khảo sát, tự động hóa cho tàu hàng và việc lắp đặt trong lĩnh vực dầu khí ngoài khơi Kongsberg là nhà sản xuất hàng đầu thế giới về các hệ thống định vị động, tự động hóa và giám sát, vệ tinh hàng hải và thủy âm học

Mô hình sản phẩm Hệ thống IAS của hãng Kongsberg được trình bày trên hình 1.1 Có thể nói hệ thống IAS của Kongsberg là hệ thống đặc trưng nhất trong số các hệ thống do các hãng hàng đầu thế giới chế tạo, và bao gồm các (phân) hệ thống chủ yếu sau:

- Hệ thống giám sát và điều khiển buồng máy (E/R Alarm and Monitoring and Control System);

- Hệ thống quản lý năng lượng (Power management);

- Hệ thống tích hợp hàng hải (Intergrated Navigation System);

- Hệ thống điều khiển lực đẩy (Propulsion control);

- Hệ thống giám sát và điều khiển làm hàng (Cargo monitoring and

control);

Hình 1 1: Sơ đồ nguyên lý IAS của Kongsberg

Có thể nói hệ thống IAS của Kongsberg là hệ thống đặc trưng nhất

trong số các hệ thống do các hãng hàng đầu thế giới chế tạo, và bao gồm các

(phân) hệ thống chủ yếu sau:

- Hệ thống giám sát và điều khiển buồng máy (E/R Alarm and

Monitoring and Control System);

- Hệ thống quản lý năng lượng (Power management);

- Hệ thống tích hợp hàng hải (Intergrated Navigation System);

- Hệ thống điều khiển lực đẩy (Propulsion control);

- Hệ thống giám sát và điều khiển làm hàng (Cargo monitoring and control);

Về mặt cấu trúc, có thể nói hệ IAS của Kongsberg có các đặc điểm sau:

- Mạng LAN có dự phòng để kết nối các (phân) hệ nêu trên;

- Trong mỗi phân hệ dùng mạng công nghiệp CAN;

- Hệ thống được kết cấu theo kiểu phân cấp Tại trung tâm điều khiển (buồng lái, buồng điều khiển tập trung, buồng điều khiển làm hàng) bố trí các các trạm thao tác OS (Operating Station) kết nối với nhau qua mạng LAN, tại hiện trường là các sensors hoặc các thiết bị chấp hành được kết nối với các khối xử lý phân tán (Distributed Processing Units – DPUs); các khối DPS này được kết nối với nhau bằng mạng CAN;

Do cấu trúc như trên, các OS có thể bố trí được bất cứ ở đâu theo yêu cầu khách hàng, và việc truyền thông tin giữa các OS là rất thuận lợi, chúng

có thể lắp lẫn nhau, hơn nữa, có thể thực hiện việc điều khiển từ OS tức là từ các vị trí khác nhau trên tàu thủy Nhờ việc sử dụng các DPU chuyên dụng (do Kongsberg sản xuất với chất lượng cao), các thiết bị chấp hàng, sensors được kết nối thuận lợi với các mạng CAN, và theo chuẩn để làm việc với các (phân) hệ thống khác nhau

Một điều cần nhấn mạnh là: nhiều hãng nổi tiếng có thể sản xuất một trong các (phân) hệ nêu trên của IAS, nhưng Kongsberg là nhà sản xuất duy nhất có hệ thống tích hợp tất cả các hệ thống trên (tức là sản xuất tất cả các hệ thống đó và tích hợp thành một hệ thống thống nhất), trong khi các nhà sản xuất khác chỉ sản xuất được một số (phân) hệ, và thực hiện việc tích hợp các (phân) hệ của các nhà sản xuất khác nhau, do đó đôi khi gặp phải khó khăn trong tính tương hợp, với giao diện

1.1.2 Sản phẩm của hãng Lyngsoe Marine: MCS2200

Hệ thống MCS bao gồm các chức năng báo động và giám sát, với các đặc trưng chủ yếu sau:

• Báo động, giám sát máy móc cho mọi loại tàu;

• Hệ thống báo động làm hàng riêng rẽ hoặc tích hợp cho các tàu chở dầu;

Hình 1 2: Hệ thống MCS2200 của Lyngsoe Marine (SAM Electronics) Bên cạnh đó, MCS 2200 cung cấp hệ điều khiển cho toàn bộ các hệ thống máy:

• Điều khiển máy móc cho mọi loại tàu;

• Tích hợp các chức năng mở rộng như PMS, điều khiển chân vịt (lực đẩy), v.v

• Điều khiển làm hàng của tàu container, tàu chở dầu, tính toán tải, v.v

• Giao diện tới mọi loại hệ thống mở rộng;

MCS 2200 được tạo ra dưới dạng cấu trúc phân tán cao:

• Lớp Giám sát với các máy chủ và các trạm thao tác (System Operating Devices) cho phép kiểm tra, chẩn đoán tình trạng toàn hệ thống, cấu hình và cấu hình lại các trạm hiện trường; giám sát và lưu trữ thống kê

dữ liệu hiện trường Các Giao diện người máy (HMI) được tạo ra trên lớp này để thông tin được trực quan

• Hệ thống báo động trực canh và các bảng thao tác từ xa (Duty Alarms System) Hệ thống báo động trực canh (duty alarm system) tích hợp các chức năng mở rộng gọi kỹ sư và báo động cũng như hệ thống theo dõi báo động (watch alarm system) ở buồng lái

• Lớp các trạm hiện trường ( Outstation Field Processing Device - FPD) ;

• Cuối cùng là lớp các thiết bị hiện trường kết nối với các FPD, gồm các sensor, thiết bị chấp hành

Ba lớp trên (trừ các thiết bị hiện trường) được kết nối qua mạng dự phòng

các hệ thống tương tự như vậy được nối bằng các giao diện tuần tự (serial interfaces) Để đạt được an toàn vận hành cao nhất, toàn bộ các thiết bị được nối bằng các đường link tuần tự được nối kép bằng các “bộ lặp” (repeater) (dùng profibus) Hệ thống bus ở cấp độ này là PROFIBUS DP dùng cáp đồng.

Hình 1 3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống IMAC L của hãng Siemens

- Các trạm phụ (substations) “cấp độ 2” được dùng cho xử lý điểm đo

và các chức năng điều khiển Ở cấp độ này, các PCU (Process Control Unit)

và SCU (Sub Control Unit) được nối vào PCU nối “cấp quá trình” với đường

dữ liệu cao tốc (Data Highway) và thực hiện tất cả các quá trình thu thập và

xử lý dữ liệu SCU bao gồm các đầu nối kéo dài (Extended Terminals) và làm việc chủ yếu như là “bộ thu thập vào/ra” (I/O collector) Trong một số trường hợp SCU còn có thể thực hiện công việc tiền xử lý Truyền thông giữa PCU

và SCU được thực hiện bằng các mạch PROFIBUS với cáp đồng Các hệ thống IMAC có thể gồm nhiều PCU và SCU, tùy thuộc vào yêu cầu của một

dự án cụ thể

- “Cấp độ 3” gồm toàn bộ các thiết bị cho giám sát, ghi lưu, thao tác và giai diện người – máy (HMI) Các bộ phận cấu thành chủ yếu là các trạm thao tác (Operation Stations – OS), các máy in để ghi lưu báo động và hệ thống báo động mở rộng (hệ thống báo động buồng lái) được nối vào OS Hơn nữa, các PC cho các ứng dụng khác như máy tính tafuthury có thể được nối tới OS bằng đường link dữ liệu (Data Link)

Truyền thông giữa cấp độ HMI (cấp độ 3) và cấp độ quá trình (cấp độ 2) được thực hiện bằng vòng bus cáp quang (đường dữ liệu cao tốc Data Highway) Hệ thống bus này làm việc theo kiểu sao cho trong các điều kiện làm việc bình thường thì vòng được mở ở một điểm (như là một vòng “U”) Nếu một trong các HUB nhận ra sự gián đoạn trong BUS thì nó sẽ tự động nối các nhánh còn lại (để tạo lại một vòng “U”) Như vậy một BUS hỏng sẽ được hệ thống tự động khôi phục

Trong hệ thống IMAC L của Siemens có các hệ thống sau liên quan đến các thiết bị và hệ thống được nghiên cứu:

a) Hệ thống điều khiển máy chính (Main Engine Control System – MEC):

Sơ đồ khối của hệ này được trình bày trên hình 1.4

Các chức năng chính của hệ là:

- Chọn vị trí điều khiển (Từ đài điều khiển Navigating Bridge – ECR);

- Đặt tốc độ và tỉ số truyền cho máy chính tương ứng với CPP;

- Khởi động, dừng, đảo chiều máy chính;

- Các chương trình tăng và giảm tốc cho máy chính;

- Giới hạn tải để bảo vệ máy chính khỏi quá tải;

- Ngăn gió (chỉ đối với CPP);

- Điều tàu trong chế độ sự cố;

Hình 1 4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển máy chính của hãng Siemens

b) Hệ thống quản lý nguồn năng lượng (Power Management System – PMS):

Hình 1 5: Sơ đồ nguyên lý PMS của Siemens

Hệ thống này để đảm bảo chắc chắn việc cung cấp đủ và an toàn năng lượng trên tàu thủy Các chức năng chủ yếu của PMS là: tự động khởi động các máy phát (các diesels dự phòng) và cung cấp nguồn lại, tự động nối hoặc cắt các máy phát khỏi lưới sau khi xảy ra sự can thiệp bằng tay hoặc tự động

Tự động cắt phụ tải không quan trọng hoặc tự động lần lượt khởi động các tải lớn như chân vịt mũi cũng là các chức năng có trong PMS của Siemens Các chức năng đặc biệt như: cân bằng hoặc không cân bằng tải; chia tải giữa các máy phát, có thể được thực hiện tùy theo yêu cầu

Hệ PMS được thiết kế với các bộ phận cấu thành bố trí phi tập trung dưới dạng các tủ bảng tiêu chuẩn (mỗi hệ PMS cho một panel máy phát) cũng như bố trí tập trung dưới dạng buồng điều khiển bảng điện tiêu chuẩn (nhiều PMS trên một buồng điều khiển)

1.2 CẤU HÌNH VÀ CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH CỦA MỘT HỆ

THỐNG IAS

Trên cơ sở phân tích các sản phẩm IAS điển hình trong phần 1.1, Đề tài xác định đối tượng tập trung nghiên cứu xây dựng là một hệ thống IAS hai cấp, cấp giám sát và cấp điều khiển hiện trường với các thành phần (phân hệ) sau:

§ Hệ Giám sát với các máy chủ và các trạm thao tác (Operating Station)

§ Hệ thống điều khiển máy chính MEC (Main Engine Control System),

§ Hệ thống quản lý nguồn điện EPM (Electric Power Management System)

§ Hệ thống giám sát và điều khiển mức các thùng chứa trên tàu TMC (Tank level Monitoring & Control System)

Các thành phần trên được kết nối với nhau qua mạng có dự phòng

Trên cơ sở tham khảo các hệ thống IAS của các hãng lớn trong phần trên, đồng thời căn cứ vào TCVN 6277 :2003 « QUY PHẠM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÀ TỪ XA » trên tàu thuỷ và tham khảo đặc tả của một số tàu do Vinashin đóng theo thiết kế của nước ngoài (ví dụ tàu dầu 13.500 DWT do SDARI - Nhật bản thiết kế và Công ty đóng tàu Bạch Đằng đóng năm 2006), ta có thể tổng hợp ra những tính năng kỹ thuật cần có của IAS mà Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo như sau:

1.2.1 Tính năng kỹ thuật của cấp giám sát

Cấp Giám sát trong IAS có nhiệm vụ kết nối với các (phân) hệ thống điều khiển hiện trường để thực hiện các chức năng chính là:

§ Cung cấp các thông tin tức thời cho người giám sát về:

o Giá trị tức thời các đại lượng dạng analog đo tại hiện trường như nhiệt độ, áp suất, mức, tốc độ cùng với cảnh báo vượt ngưỡng

đi kèm (quá cao; quá thấp )

o Trạng thái tức thời dạng digital ON/OFF các đối tượng giám sát/điều khiển tại hiện trường cùng với cảnh báo đi kèm (trạng thái không phù hợp, trạng thái lỗi )

o Các thông tin về tình trạng chung của từng hệ thống điều khiển (sẵn sàng, đang làm việc, đang chờ lệnh, đang ở chế độ điều khiển từ xa/tại chỗ, có lỗi hệ thống, bị dừng khẩn cấp; mất kết nối )

o Các thông tin về tình trạng chung của bản thân các thành phần của hệ Giám sát (tình trạng mạng LAN dự phòng; tình trạng các Server và CSDL )

§ Lưu trữ các thông tin trên tuỳ theo thuộc tính của từng dữ liệu vào CSDL để cho phép hiển thị lại theo dạng biểu đồ thời gian (trending); phân tích, thống kê, lập báo cáo về một dữ liệu (nhóm dữ liệu) liên

quan đến một cụm thiết bị hay một sự kiện nào đó Lưu trữ thông tin về cấu hình của toàn IAS (gồm hệ Giám sát và các hệ thống điều khiển MEC; EPM và TMC)

§ Cho phép điều khiển từ cấp giám sát các lệnh như Start, Stop một số cụm thiết bị trong hệ điều khiển nào đó

Với các yêu cầu đặc thù của tàu thuỷ, các chức năng của hệ Giám sát được cụ thể hoá như sau:

1 Thu thập, lưu trữ số liệu về giá trị các đại lượng đo, trạng thái các thiết bị, tình trạng hệ thống và cấu hình các phân hệ của cấp điều khiển vào Cơ

sở dữ liệu của toàn hệ thống IAS Đảm bảo chế độ dự phòng “ấm” cho Cơ

sở dữ liệu để dữ liệu thời gian thực luôn được cập nhật

2 Cho phép Giám sát và điều khiển các phân hệ cấp điều khiển từ trạm thao tác (Operating Station) đặt tại buồng chỉ huy và buồng điều khiển máy chính thông qua các giao diện đồ hoạ

3 Lập báo cáo, nhật ký dưới nhiều dạng khác nhau

4 Đảm bảo chế độ dự phòng “ấm” cho toàn hệ thống thông tin và lưu trữ trên tàu, bao gồm dự phòng về mạng LAN kết nối cấp giám sát với cấp điều khiển và dự phòng Cơ sở dữ liệu của toàn hệ thống IAS

5 Điều khiển từ xa từ trạm thao tác một số lệnh cơ bản như: Start, Stop một

số thiết bị thông qua trạm điều khiển

6 Mỗi hệ thống điều khiển (MEC; EPM và TMC) có một trạm điều khiển là trung tâm giám sát/điều khiển của hệ thống Cấp giám sát kết nối qua mạng Ethernet có dự phòng với tất cả các trạm điều khiển này của các hệ thống điều khiển

1.2.2 Tính năng kỹ thuật của hệ điều khiển máy chính MEC

Tổng hợp các hệ thống điều khiển máy chính (MEC) của các hãng hàng đầu thế giới nhất là các hệ thống đã và đang được sử dụng rộng rãi (trên các tàu đóng mới phục vụ xuất khẩu tại Việt Nam mới đây), có thể đưa ra các tính năng kỹ thuật sau:

- Điều khiển trọn vẹn tổ máy chính gồm: đo lường, giám sát, cảnh báo, điều khiển tốc độ, khởi động / dừng, bảo vệ , trừ phần phun nhiên liệu (là một phần đi theo máy);

- Kết nối hiện trường Modbus/RS485;

- Kết nối với cấp giám sát qua Ethernet (có dự phòng);

- Giao diện đồ hoạ;

- Các màn hình giám sát: Alarm list, History, Trend, Bargraph, Table;

1.2.3 Tính năng kỹ thuật của hệ quản lý nguồn điện tàu thủy EPM

Khác với hệ thống điều khiển máy chính tàu thủy (MEC), hệ thống quản lý nguồn điện tàu thủy EPM của các tàu khác nhau có các tính năng kỹ thuật cơ bản như nhau, bao gồm:

- Ra lệnh khởi động / dừng các tổ máy phát từ bục điều khiển;

- Tự động bảo vệ khi quá tải, cao/thấp áp, quá dòng, công suất ngược;

- Tự động hòa đồng bộ các tổ máy phát;

- Tự động phân phối tải các tổ máy phát;

- Tự động cắt máy phát khi dư thừa tải;

- Tự động khởi động tổ máy - hòa - phân phối tải khi nhu cầu tải tăng quá công suất phát hiện thời;

- Tự động tắt bớt tải (theo thứ tự quan trọng) khi công suất phát giảm (sự cố / cần bảo trì)

- Tự động khởi động lại tải theo đúng trình tự khi công suất khôi phục / sau khi mất điện

- Tích hợp tất cả chức năng quản lý nguồn điện trong một hệ thống nhất

- Kết nối hiện trường Modbus/RS485

- Kết nối với cấp giám sát qua Ethernet (có dự phòng);

- Giao diện đồ hoạ với các màn hình giám sát: Alarm list, History, Trend, Bargraph, Table;

1.2.4 Tính năng kỹ thuật của hệ đo và điều khiển mức TMC

Qua tập hợp chúng tôi thấy các hệ TMC cần đáp ứng một số các đặc tính kỹ thuật sau đây :

- Giám sát mức các két chất lỏng trên cơ sở mạng các đầu đo mức, bao gồm các két chứa nhiên liệu, dầu nhớt, nước ngọt, nước thải, két ballast (dằn tàu) và két chứa hàng hoá dạng chất lỏng Cho phép giám sát nhiều điểm đo, có khả năng mở rộng số điểm đo

- Cho phép điều khiển từ xa các hệ thống bơm, van để phục vụ các mục đích điều chuyển nhiên liệu; nạp/xuất hàng (là chất lỏng); cân bằng tàu

- Kết nối với cấp giám sát qua Ethernet (có dự phòng)

- Kết nối với cấp thiết bị hiện trường (đầu đo, thiết bị chấp hành ) qua bộ phối ghép đạt chuẩn an toàn cháy nổ

- Các màn hình giám sát mức các két

2 CHƯƠNG 2 CẤP GIÁM SÁT

2.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP GIÁM SÁT

2.1.1 Cấu trúc hệ thống IAS

2.1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống IAS

Hệ thống IAS mà đề tài thiết kế chế tạo gồm những thành phần sau: Cấp giám sát gồm:

• Hai máy chủ chứa Cơ sở dữ liệu, trong đó một máy chính và một máy phụ được đặt tại hai vị trí khác nhau trên tàu, đóng vai trò là DATA Client (Client1) trong mạng thông tin

• Hai trạm thao tác (Operating Station) đặt tại buồng chỉ huy (B_OS) và buồng điều khiển máy chính (ME_OS), đóng vai trò là DATA Client (Client2) trong mạng thông tin

• Ba trạm điều khiển thuộc ba hệ thống MEC, EPM và TMC; đóng vai trò là các DATA Server trong mạng thông tin

• Mạng LAN có dự phòng với hai đường trục cáp chạy độc lập và xa nhau (ví dụ chạy hai bên mạn tàu); cùng kết nối vào tất cả các máy chủ

và máy trạm (thao tác, điều khiển) đã nêu trên

Cấp điều khiển gồm:

• HT1: Hệ điều khiển máy chính MEC

• HT2: Hệ quản lý nguồn điện EPM

• HT3: Hệ đo mức két và điều khiển TMC

2.1.1.2 Chức năng của các thành phần thuộc cấp Giám sát

ü Chức năng, nhiệm vụ của các DATA Client1 (Database Server)

- Chạy trên nền hệ điều hành Server

- Yêu cầu các DATA Server cung cấp dữ liệu về giá trị các đại lượng đo, trạng thái các thiết bị, tình trạng hệ thống của cấp điều khiển

- Kết nối với CSDL (Database Server) để lưu dữ liệu do các DATA Server gửi lên

Hình 2 1: Sơ đồ khối hệ thống IAS

- Cung cấp dữ liệu lưu trữ từ CSDL cho DATA Client2 để chạy các ứng

Hệ đo mức két

và điều khiển TMC

DATA Client2

DATA Client1 (Database Server dự phòng)

Trạm thao tác buồng chỉ huy B_OS

Trạm thao tác buồng máy ME_OS

Mạng LAN có dự phòng

- Kết nối với các DATA Server để nhận dữ liệu online về hệ thống hiện trường tương ứng (HT1, HT2, HT3) phục vụ cho giám sát

- Kết nối với Database Server để lấy dữ liệu offline (để xem, phân tích thống kê về dữ liệu nào đó của hiện trường)

- Hiển thị màn hình cho phép giám sát và điều khiển các HT1, HT2, HT3; các lệnh điều khiển từ các trạm thao tác được gửi xuống các DATA Server tương ứng

- Thống kê, báo cáo các dữ liệu cần giám sát trên cơ sở lấy dữ liệu từ Database Server

ü Chức năng, nhiệm vụ của các DATA Server (thuộc cấp điều khiển)

- Cung cấp dữ liệu cho DATA Client1 để lưu trữ trên Database Server

- Cung cấp dữ liệu online cho DATA Client2 để theo dõi và giám sát

- Nhận dữ liệu (lệnh) từ DATA Client2 để điều khiển

- Dữ liệu do các DATA Server chuyển lên cấp Giám sát dựa trên nhu cầu lưu trữ, giám sát của các hệ thống HT1, HT2, HT3

2.1.2 Lựa chọn giải pháp công nghệ phù hợp với cấp Giám sát

Có thể đưa ra giải pháp lựa chọn công nghệ cho cấp giám sát trong hệ thống điều khiển tích hợp IAS trên tàu thuỷ như sau:

§ Hệ quản trị cơ sở dữ liệu là MS SQL Server và cơ chế dự phòng sử dụng chức năng Database Mirroring của hệ quản trị CSDL

§ Mô hình tương tác dữ liệu: Mô hình Client/Server

§ Chuẩn truyền thông trên hệ thống IAS: Chuẩn OPC

§ Ngôn ngữ sử dụng lập trình: VB.NET

Chuẩn OPC xuất phát từ thực tế là có rất nhiều hãng sản xuất phần

cứng( PLC có Siemens, AB, ABB , các thiết bị đo như Micromotion )

thông thường để kết nối hiển thị lưu các dữ liệu của các nhà sản xuất này yêu cầu ta phải biết được các protocol giao tiếp với các thiết bị đó hay mua các phần mềm giám sát, lưu số liệu của các thiết bị đó Giả sử nếu một ứng dụng muốn dùng sản phẩm của nhiều hãng như trên nếu vậy chúng ta phải mua rất nhiều phần mềm của họ, một mặt nữa là nếu như vậy không tạo ra được sự tập trung xử lý, một hệ thống lúc đó sẽ có rất nhiều phần mềm, ngoài ra các phần mềm giám sát thu số liệu của các hãng nó không phù hợp với yêu cầu của ứng dụng thực tế như định dạng lưu cơ sở dữ liệu, hoặc các phần mềm đó chạy chậm Chính vì lý do đó các hãng sản xuất thiết bị đưa ra chuẩn OPC (dựa trên chuẩn DCOM) của MicroSoft cho các ứng dụng thương mại mà tạo

ra OPC định nghĩa theo một chuẩn vì vậy có thể tạo ra các OPC client theo khuông dạng chuẩn và các phần mềm SCADA như WinCC, iFix có thể đọc được do vậy sẽ tích hợp các thiết bị trên cùng 1 hệ SCADA được tốt hơn Hiểu đơn giản OPC như một driver mà đầu ra của nó theo chuẩn và nó cho phép đọc được từ các máy tính khác hay trên internet( SCADA Web)

Thực chất OPC được thiết kế trên nền công nghệ DCOM của MicroSoft, do vậy với OPC chúng ta có thể sử dụng bất kì một ngôn ngữ nào như Visual C++, Visual Basic, Delphi., nền tảng công nghệ ngôn ngữ Dot Net , hoặc các phần mềm SCADA chuyên dụng để kết nối dễ dàng với các PLC, thiết bị trường, các thiết bị điều khiển phân tán Trong đó ngoài các phần mềm SCADA chuyên dụng thì ngôn ngữ Dot Net được sử dụng rộng rãi hơn cả

Cốt lõi của OPC là một phần mềm phục vụ OPC-Server, trong đó có các OPC-Items được tổ chức thành nhóm, thực chất nó là các thành phần dữ liệu của 1 đối tượng cụ thể như PLC hay các RTU OPC-Items là các tham

số điều khiển, dữ liệu quá trình, trạng thái thiết bị

Trong hệ SCADA, cơ sở dữ liệu là thành phần quan trọng và đó cũng là đối tượng để mỗi version mới sẽ có cải tiến mới Tuy nhiên, mỗi hãng có ý

tưởng riêng về cấu trúc hệ thống, trong đó có cơ sở dữ liệu Trong các hệ thống FA (Factory Automation system) thường có 3 lớp mạng (khác với mô hình 7 lớp của mạng) là mạng Field device, mạng điều khiển và mạng quản trị Các cơ sở dữ liệu thường nằm giữa 2 lớp mạng điều khiển và quản trị Theo khảo sát chung trên thế giới có rất nhiều hệ SCADA dùng cơ sở dữ liệu SQL Server

OPC có nhiều loại như OPC DA,OPC HDA OPC DA (data access) làm nhiệm vụ kết nối tới các thiết bị điều khiển theo chuẩn mạng nào đó, giao thức cụ thể nào đó, sau đó trao đổi dữ liệu với thiết bị Dữ liệu này được lưu vào cơ sở dữ liệu như thế nào lại thuộc module khác mà hay được gọi là data base connectivity Sau khi OPC server lấy được dữ liệu từ thiết bị, các client

sẽ trao đổi dữ liệu với OPC server theo cơ chế chuẩn Client/Server của Windows Mỗi lệnh sẽ được truyền từ Client tới OPC server Tại OPC server các dòng dữ liệu sẽ "xếp hàng" để chuyển tới thiết bị Có hai cơ chế trao đổi

dữ liệu giữa OPC server và thiết bị là synch và asynchr

Cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server (MS SQL) được xem là lựa chọn

phù hợp cho mô hình IAS vì những lý do sau:

§ Thiết kế hệ thống tích hợp trên tàu thủy đòi hỏi độ an toàn và bảo mật khá cao

§ Đảm bảo đồng bộ và chính xác theo thời gian trong toàn hệ IAS: Vì CSDL được sao lưu dự phòng và nằm trên 2 máy chủ khác nhau theo

cơ chế Database Mirroring Dữ liệu lưu trữ trên CSDL giữa 2 máy chủ

là đồng nhất, điều này đảm bảo tính đồng bộ và chính xác theo thời gian trong toàn hệ IAS

§ Đáp ứng yêu cầu dự phòng đối với máy chủ và cơ sở dữ liệu: CSDL có

sự sao lưu 1-1 giữa 2 Database nằm trên 2 máy chủ khác nhau Như vậy mỗi khi Máy chủ chính gặp sự cố thì hệ thống sẽ tự động chuyển

hướng làm việc với máy chủ phụ và CSDL trên máy chủ phụ, điều này đảm bảo tính dự phòng với máy chủ và CSDL Hệ thống vẫn hoạt động bình thường khi một trong hai máy chủ mất khả năng phục vụ

§ Đáp ứng được mức độ lưu trữ lớn và tần suất đọc ghi cao

2.1.3 Các vấn đề kỹ thuật cần giải quyết tại cấp Giám sát

Đó là các vấn đề:

• Xây dựng giải pháp dự phòng Database

• Xây dựng mạng LAN có dự phòng

2.1.3.1 Xây dựng giải pháp dự phòng Database của hệ thống IAS

2.1.3.1.1 Sự cần thiết về dự phòng Database của hệ thống IAS

Việc sao lưu dự phòng nhằm đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu và tính sẵn sàng của hệ thống trước những sự cố về lỗi phần cứng máy tính, lỗi thiết

bị lưu trữ, lỗi mạng (cáp, cổng mạng ), ảnh hưởng các phần mềm phá hoại (vius, tấn công mạng online,…), cũng như giảm thiểu rủi ro trước các sự cố lớn như mất nguồn điện, hỏa hoạn, ngập nước… Sao lưu dữ liệu cũng là công

cụ hữu dụng nhất và tiết kiệm chi phí cho việc phục hồi dữ liệu sau sự cố Công việc phục hồi dữ liệu thường được đánh giá là khó khăn, tốn thời gian

để xử lý, và hoàn toàn không đủ căn cứ để đảm bảo chắc chắn người quản trị

có thể phục hồi hiện trạng của dữ liệu sau khi có sự cố xảy ra

Nhu cầu thực tế trong hệ thống IAS, về mặt CSDL cần có sự sao lưu 1 -

1 giữa 2 Database nằm trên 2 máy Database Server Khi Database Server chính gặp sự cố không còn khả năng phục vụ, hệ thống sẽ được định hướng làm việc về mặt CSDL với máy Database Server dự phòng Khả năng dự phòng về CSDL được thực hiện trên cơ sở chức năng Database Mirroring của

hệ quản trị CSDL kết hợp với kỹ thuật lập trình cho phép tự động chuyển

hướng làm việc với CSDL dự phòng khi mà CSDL chính không có khả năng phục vụ

Nghiên cứu các giải pháp dự phòng Database trong nước và trên thế giới, chúng tôi thấy có nhiều giải pháp về dự phòng, nhưng để áp dụng với hệ thống IAS thì có những giải pháp sau:

- Dùng chức năng Replication của hệ quản trị CSDL MS SQL (Do hệ quản trị CSDL được chọn khi xây dựng hệ thống IAS là MS SQL), giải pháp này kết hợp với chức năng Backup / Restore của hệ quản trị CSDL MS SQL nhằm tăng tính dự phòng Database của hệ thống

- Dùng chức năng Database Mirroring của hệ quản trị CSDL MS SQL (Do

hệ quản trị CSDL được chọn khi xây dựng hệ thống IAS là MS SQL), giải pháp này cho phép dự phòng nóng Database của hệ thống

- Dùng phần cứng hỗ trợ để xây dựng kho dữ liệu chung (SANBOX + RAID)

- Dùng phần mềm CSBS-AA kết hợp với hệ thống Dedicated Link

- Dùng phần mềm Double-Take

§ Dùng chức năng Replication của hệ quản trị CSDL MS SQL

a Ưu điểm:

• Không sử dụng thêm phần mềm khác

• Thi công dễ, Giá thành rẻ

b Nhược điểm:

• Ánh xạ dữ liệu theo 1 chiều

• Phụ thuộc vào hạ tầng truyền thông mạng LAN

§ Dùng chức năng Database Mirroring của hệ quản trị CSDL MS SQL

a Ưu điểm:

• Không sử dụng thêm phần mềm khác

• Thi công dễ, Giá thành rẻ

• Cho phép dự phòng nóng Database

• Cơ chế ánh xạ dữ liệu hai chiều

• Thời gian đồng nhất dữ liệu nhanh (tối đa 6 giây với điều kiện truyền thông tốt)

b Nhược điểm:

• Yêu cầu cấu hình phần cứng và phiên bản phần mềm cao (Chạy tốt với Windows Server 2003 và MS SQL 2005 Service Pack I trở lên)

• Phụ thuộc vào hạ tầng truyền thông mạng LAN

• Không sử dụng phần cứng chuyên biệt nên không bảo vệ được dữ liệu khi xảy ra cháy nổ trên hai máy chạy Mirroring (Khắc phục bằng cách Backup định kì bằng tay và lưu trữ File Backup ở nơi khác)

§ Dùng phần cứng hỗ trợ để xây dựng kho dữ liệu chung (SANBOX + RAID)

a Ưu điểm:

• Giảm tải cho hệ thống chính do dùng thêm nhiều phần cứng

• Ánh xạ dữ liệu theo thời gian thực theo 2 chiều

b Nhược điểm:

• Giá thành cao (SANBOX $3213.53, RAID $8085, phụ kiện $600)

• Khó thi công, quản lý và điều hành

§ Dùng phần mềm CSBS-AA kết hợp với hệ thống Dedicated Link

b Nhược điểm:

• Giá thành cao (phần mềm Double-Take $2495 x 2 máy)

• Không tự động phục hồi hệ thống sau sự cố

Sau khi phân tích ưu nhược điểm của từng giải pháp và tính tới điều kiện cho phép của đề tài, chúng tôi quyết định sử dụng giải pháp Database Mirroring của MS SQL 2005 Khi đưa IAS vào ứng dụng sẽ căn cứ điều kiện thực tế để lựa chon giải pháp khác phù hợp hơn (Sử dụng phần cứng chuyên biệt)

Database Mirroring là một công nghệ mới do Microsoft phát triền cho MS SQL Server 2005 với mục đích tăng tính sẵn sàng cho cơ sở dữ liệu Database Mirroring có thể tự động chuyển phiên giao dịch từ một máy chủ gốc sang một máy chủ khác và nhanh chóng khôi phục lỗi cho hệ thống Người sử dụng có thể lập trình các ứng dụng phía máy khách để tự động chuyển hướng kết nối thông tin của chúng, và trong trường hợp xảy ra lỗi, hệ thống có thể tự động kết nối với các máy chủ và cơ sở dữ liệu dự phòng Database Mirror có khả năng khôi phục lỗi nhanh và giảm thiểu mất dữ liệu trong hệ thống Bên cạnh đó hệ thống này không yêu cầu phần cứng riêng biệt đồng thời rất dễ dàng trong việc thiết lập và quản lý dữ liệu

Trong hệ thống Database Mirroring, Server gốc liên tục gửi các Transaction Log (Phiên làm việc) cho Server dự phòng Server gốc có vai trò Principal, và Server nhận Transaction Log đóng vai trò của Mirror.Principal Server và Miror Server phải được phân biệt độc lập trong hệ thống

Ngoài hai Server nói trên, trong hệ thống Miroring có thể có một tùy chọn máy chủ thứ ba, gọi là Witness (người làm chứng) Các Witness có vai trò tự động kích hoạt failover (Khôi phục lỗi) Khi cơ sở dữ liệu mirroring sử dụng chế độ High availability, nếu Principal đột ngột mất đồng thời máy chủ Mirror nhận được thông báo từ Witness, nó có thể tự động lấy về vai trò của

Principal và khôi phục lại lỗi trong vòng vài giây (Tối đa 6 giây với điều kiện truyền thông tốt) Sau khi cài đặt thành công Mirror với chế độ làm việc High Avaibility thì sơ đồ của hệ thống được hiển thị như hình vẽ:

Cơ chế Mirroring trong chế độ High Avaibility

Các cơ chế làm của hệ thống Mirroring trong chế độ High Avaibility đáp ứng được việc dự phòng nóng cơ sở dữ liệu của hệ thống

2.1.3.2 Xây dựng mạng LAN có dự phòng trên tàu thủy

2.1.3.2.1 Sự cần thiết về xây dựng mạng LAN có dự phòng trên tàu thuỷ

Việc xây dựng mạng LAN trên tàu thuỷ cần có tính dự phòng cao nhất

để đảm bảo hoạt động bình thường của IAS, giảm thiểu ảnh hưởng của các sự

cố khách quan và chủ quan tác động đến tàu

- Dự phòng dùng phần cứng: router

+ Ưu điểm: dễ thi công, tính dự phòng ổn định

+ Nhược điểm: giá thành quá cao

- Dự phòng dùng phần mềm

+ Dùng Bridge Connection

a) Ưu điểm: Dễ thi công, giá thành rẻ, tính dự phòng ổn định

b) Nhược điểm: thời gian kết nối lại sau sự cố dài

+ Dùng phần mềm INTEL NETWORK CONNECTION của Intel

a) Ưu điểm: Tính dự phòng ổn định, thời gian sửa lỗi ngắn, giá thành rẻ b) Nhược điểm: Yêu cầu khắt khe về phần cứng và quá trình cài đặt phức tạp

Sau khi nghiên cứu các phương án và tiến hành thử nghiệm, chúng tôi chọn phương án dự phòng dùng Bridge Connection

Các bước lập cấu hình dự phòng đường truyền mạng dùng 2 Card mạng

3 Cài Driver cho các Card mạng, thiết lập Bridge Connection

4 Đặt địa chỉ IP cho Network Bridge

5 Nối 2 đường mạng vào 2 card và kiểm tra kết nối

2.1.3.2.4 Sơ đồ thiết kế mạng LAN có dự phòng trên tàu thủy

1 Yêu cầu:

- Kết nối 2 trạm thao tác, 2 Database Server và 3 trạm điều khiển (OPC Server) theo 2 đường mạng

- Mạng có tính dự phòng cao nhất

2 Thiết kế: 2 trục cáp mạng chạy theo 2 mạn tàu như sau và nối vào 2

Card mạng riêng rẽ trên mỗi máy như các sơ đồ sau:

b) Hình chiếu cạnh hệ thống mạng

Hình 2.2: Sơ đồ thiết kế mạng LAN có dự phòng trên tàu thủy

Với mạng như trên ta có được tính dự phòng như sau:

1 Hai trục cáp mạng chạy theo hai mạn tàu: dự phòng sự cố cáp mạng

2 Mỗi máy có 2 Card mạng: dự phòng sự cố Card mạng

3 2 Card trên 1 máy dùng chung 1 địa chỉ IP (trợ giúp của Network Bridge) định hướng trao đổi thông tin qua địa chỉ IP)

2.1.4 Thiết kế cơ sở dữ liệu

Trong hệ thống tự động hoá tích hợp dùng cho tàu thuỷ (IAS) chúng tôi chọn

hệ quản trị cơ sở dữ liệu là Microsoft SQL Server

Switch 4 port Cap RJ45

OPC1: OPC Server1 ; OPC2: OPC Server2 ; OPC3: OPC Server3 DBSV1: OPC Client1 (Database Server) DBSV2: OPC Client2 (Database Server dự phòng) WS1: Trạm thao tác buồng chỉ huy B_OS

WS2: Trạm thao tác buồng máy ME_OS

- Mô hình phân cấp đối tượng của OPCServer

Hình 2 2: Mô hình phân cấp đối tượng của OPCServer

- Thiết kế sơ đồ quan hệ thực thể

Hình 2 3: Thiết kế sơ đồ quan hệ thực thể CSDL của IAS

2.2 THIẾT KẾ CÁC PHẦN MỀM CẤP ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

2.2.1 Giao diện MMI các trạm thao tác B_OS; ME_OS

2.2.1.1 Đặc điểm yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế giao diện MMI các trạm

thao tác đối với hệ thống IAS

Hệ thống tự động hóa tích hợp dùng cho tàu thuỷ IAS bao gồm các trạm thao tác sau:

- B_OS: Trạm thao tác buồng chỉ huy

- ME_OS: Trạm thao tác buồng máy

Để đáp ứng khả năng giám sát, giao diện MMI các trạm thao tác B_OS; ME_OS cần đạt các yêu cầu sau:

• Màn hình theo dõi tổng

• Danh sách các thông số theo dõi (đo lường), giá trị hiện thời và trạng thái hiện thời

• Hiển thị kiểu biểu đồ thanh bargraph

• Hiển thị kiểu máy tự ghi trend

• Danh sách các thông số đang ở trạng thái bất thường (có báo động)

2.2.1.2 Các thiết kế giao diện MMI các trạm thao tác B_OS, ME_OS

Xin xem tài liệu "Hồ sơ thiết kế hệ Giám sát"

2.2.2 Cơ sở dữ liệu thời gian thực RT_DB

Các tính năng kỹ thuật đặc thù đối với cơ sở dữ liệu phục vụ cho hệ thống tự động hóa tích hợp dùng cho tàu thuỷ như đã trình bày tại Chương 1 của báo cáo bao gồm các tính năng: Chuẩn hóa; Độ bền vững, tin cậy; Đặc tính thời gian; Độ an toàn

• Chuẩn hóa

Cơ sở dữ liệu được thiết kế có tính mở, tính toàn vẹn tham chiếu Cơ sở

dữ liệu bao gồm các bảng cấu hình nhằm phục vụ cho toàn bộ hệ thống Các bảng được thiết kế nhằm lưu các thông tin cấu hình và sẵn sàng có thể cho phép cập nhật thêm về cấu hình khi hệ thống có sự thay đổi cũng như sự tích hợp thêm hệ thống thuộc cấp hiện trường khác

• Độ bền vững, tin cậy:

Cơ sở dữ liệu của hệ thống được xây dựng trên hệ quản trị cơ sở dữ liệu

là Microsoft SQL Server Hệ quản trị cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server là một hệ quản trị cơ sở dữ liệu nổi tiếng của hãng Microsoft, được rất nhiều nhà phát triển phần mềm lựa chọn để phát triển sản phẩm và là một hệ quản trị cơ

sở dữ liệu hoạt động ổn định, đáng tin cậy

• Đặc tính thời gian:

Nhu cầu xử lý dữ liệu thời gian thực đối với hệ thống IAS về mặt tần xuất cập nhật dữ liệu được tính bằng mili giây (ms) Để giải quyết vấn đề cập nhật dữ liệu theo thời gian thực chúng tôi đã tách dữ liệu của hệ thống gồm 2 phần: Thông tin về cấu hình của hệ thống sẽ được lưu vào các bảng cấu hình,

dữ liệu của các phần tử tương ứng trên các hệ thống cấp hiện trường có nhu cầu ghi dữ liệu sẽ được lưu vào các bảng dữ liệu Dữ liệu của mỗi phần tử sẽ được ghi vào một bảng nhằm đáp ứng khả năng đọc ghi dữ liệu của hệ thống theo thời gian thực cũng như vấn đề tái tạo bản sao, sao lưu dự phòng dữ liệu của hệ thống

• Độ an toàn:

Khi thiết kế cơ sở dữ liệu của hệ thống IAS chúng tôi giải quyết vấn đề

an toàn dữ liệu dựa trên các giải pháp sau: Cơ sở dữ liệu về cấu hình luôn được tái tạo giống nhau trên cả 2 máy Server là Database Server và Database Server dự phòng dựa trên cơ chế tạo bản sao (Mirroring) của hệ quản trị cơ sở

dữ liệu Microsoft SQL Server Dựa trên các giải pháp dự phòng tạo bản sao