MỘT SỐ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

Tay chuông buồng láihàm buớc xoắn-vòng quay hệ thống lôgic các giá trị giới hạn thiết bị phát tín hiệu thời gian của chuơng trình thay đổi buớc giới hạn tốc độ thay đổi buớc bộ điều chỉn

Tay chuông buồng lái

hàm buớc xoắn-vòng quay

hệ thống lôgic

các giá trị giới hạn

thiết bị phát tín hiệu thời gian của chuơng trình thay đổi buớc

giới hạn tốc độ thay đổi buớc

bộ điều chỉnh giới hạn tải

bộ điều chỉnh

cơ cấu thay đổi buớc Đặc tính thuỷ động của chân vịt

bộ điều chỉnh

thiết bị cảm biến vòng quay

tín hiệu đo vị trí trục điều khiển thanh răng nhiên liệu của động cơ

i H/D

i

p

A i

* 2

* 2

* 1

* 1

h

n v

tín hiệu thay đổi tốc độ đặt thông qua bộ điều tốc

+ _

+

_ +

_

+ _

H/D n

buồng lái

W/H

buồng điều khiển máy

C/R buồng máy

E/R

chỉ báo buớc chỉ báo vị trí thanh

răng bơm cao áp chỉ báo tải chỉ báo vòng quay

4.2.Hệ thống TĐĐK của một số hãng tiêu biểu

Phần sau đây giới thiệu cơ sở nguyên lý hoạt động, cấu tạo của một số hệ thống TĐĐK hệ động lực chân vịt biến bớc tiêu biểu

4.2.1.Hệ thống điều khiển PROFA của hãng SIEMENS (Đức)

Các hệ thống PROFA ZZ, PROFA ZZG và PROFA 23 do SIEMENS thiết kế, chế tạo đợc sử dụng để tự động điều khiển từ xa hệ động lực chân vịt biến bớc Chơng trình điều khiển của các hệ thống đảm bảo yêu cầu bảo vệ quá tải cho động cơ

điêzel Đây là những hệ thống điều khiển từ xa kiểu điện tử - khí nén Về mặt cấu tạo, PROFA 22 và PROFA 22G cơ bản rất giống nhau, phần khác nhau giữa hai hệ thống này là vị trí đặt thiết bị điều khiển và ở hệ thống PROFA 22G không có thiết

bị chỉ báo công suất

Hình 4.1 biểu thị sơ đồ của hệ thống PROFA 22 Hệ thống này cho phép điều khiển

động cơ điêzel và chân vịt biến bớc từ ba vị trí là buồng lái, buồng điều khiển máy

và bàn điều khiển sự cố (tại chỗ) Hệ thống PROFA 22 có các đặc điểm sau:

-Việc chuyển đổi vị trí điều khiển đợc thực hiện nhờ công tắc chuyển đổi

đặt ở buồng điều khiển máy (C/R) Khi điều khiển tại buồng điều khiển máy thì các tín hiệu điều khiển thay đổi vòng quay và bớc đợc tạo ra một cách độc lập

-Có thể điều khiển động hệ động lực chân vịt biến bớc có máy phát đồng trục (khi đó đặt n = const) và thờng đợc gọi là chế độ điều khiển cố định vòng quay (Fixed RPM Control)

-Tốc độ thay đổi bớc không phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của tay điều khiển Có hai chơng trình thay đổi bớc khác nhau cho chiều tiến và chiều lùi Thời gian điều khiển tăng bớc (thời gian thực hiện chơng trình tăng bớc)

có thể điều chỉnh đợc, nhng chơng trình giảm bớc cánh của chân vịt đợc thiết kế để có thể thực hiện giảm bớc trong thời gian ngắn nhất

-Dịch chuyển của tay điều khiển ở buồng lái đồng thời tạo ra tín hiệu làm thay đổi vòng quay n và bớc cánh H/D nhờ thiết bị tạo hàm điều khiển Quan hệ bớc cánh chân vịt và vòng quay là hàm của vị trí tay điều khiển

đ-ợc thể hiện nh đờng đặc tính trên hình 4.2

100% 100%

100%

100%

Ahead

Astern

n H/D

control handle position

n, H/D

Hình 4.1: Hệ thống điều khiển chân vịt biến bớc PROFA 22

 Khi tay điều khiển dịch theo chiều tiến trong khoảng 0 đến 20%, thì vòng quay là 60% và bớc cánh tăng từ 0 đến 20%

 Khi tay điều khiển dịch tiếp từ 20% đến 50% thì vòng quay tăng dần, bớc cánh tăng từ 20% đến 65%

 Khi tay điều khiển dịch từ 50% đến 100% thì vòng quay vẫn tiếp tục tăng với tốc độ nh cũ và đạt 100%, bớc cánh tăng đến 100% với tốc độ nhỏ hơn

cơ cấu thay đổi buớc chân vịt

BĐT

Động cơ diesel diesel engine

chân vịt biến buớc

governor c.biến vị trí

thanh răng fuel rack position transmitter

tạo t.hiệu c.trình

đ.khiển (ctrl progrm initiator)

tạo t.hiệu cho truớc reference value

Bộ điều chỉnh tải (auto load controller)

cơ cấu thực hiện actuator

chọn tín hiệu selector

n đc

n o

(H/D) o

n đc

control handle

MF đồng trục Shaft Generator pitch corrector

Hình 4.2: Quan hệ giữa vị trí của tay điều khiển với vòng quay và bớc cánh

- Tín hiệu thay đổi vòng quay (*1) đợc biến đổi thành tín hiệu khí nén thông qua thiết bị biến đổi (i/p) và tác động lên cơ cấu thay đổi tốc độ đặt của bộ

điều chỉnh vòng quay Tín hiệu điều khiển thay đổi bớc đợc đa qua hệ thống lôgic, tại đây tín hiệu này đợc so sánh với các giá trị giới hạn, với chơng trình thay đổi bớc theo thời gian, giới hạn tốc độ thay đổi bớc để đảm bảo

sự an toàn cho hệ động lực Tín hiệu điều khiển bớc sau khi đã qua xử lý ở

hệ thống lôgic đợc đa vào bộ điều chỉnh bớc làm thay đổi bớc cánh chân vịt nhờ cơ cấu cơ học hoặc thuỷ lực

- Bộ điều chỉnh giới hạn tải đợc sử dụng để bảo đảm cho động cơ không bị quá tải Tín hiệu vào bộ điều chỉnh giới hạn tải là độ lệch giữa giá trị tải cho tr ớc (tải cho phép) ở một vòng quay cho trớc và giá trị tải thực tế Giá trị tải cho phép đợc tạo ra do một thiết bị phát tín hiệu là hàm của giới hạn tải, còn giá trị tải thực tế nhận đợc thông qua tín hiệu đo góc xoay của trục điều khiển thanh răng nhiên liệu h Bộ điều chỉnh giới hạn tải hoạt động cả khi tàu "chạy tiến" và "chạy lùi" để ngăn ngừa tình trạng quá tải động cơ khi tăng vận tốc chuyển động của tàu

- Theo chơng trình điều khiển này, thì tải của động cơ trong bất kỳ trờng hợp nào cũng sẽ thấp hơn giá trị giới hạn Quá trình tăng tốc và dừng động cơ đ

-ợc chọn một cách thích hợp cho từng loại động cơ riêng biệt Chơng trình

điều khiển có khả năng cho phép tăng vòng quay của động cơ nhanh hơn bình thờng trong trờng hợp sự cố (by-pass chơng trình tăng theo thời gian) Nhờ có hệ thống lôgic xử lý trung tâm, nên quá trình điều khiển hệ động lực chân vịt biến bớc đợc thực hiện một cách chính xác, nhanh chóng và an toàn PROFA 22

có thể trang bị để điều khiển chân vịt biến bớc của các hãng Escher - Wyss, KaMeWa, Zeise Zamech và Lips

Hình 4.3: Hệ thống PROFA 23 PROFA 23 đợc thiết kế để điều khiển hệ động lực chân vịt biến bớc - máy phát

đồng trục Trong hệ thống này vòng quay đợc đặt với giá trị nc = const thông qua bộ

điều chỉnh vòng quay Sơ đồ của hệ thống đợc mô tả trên hình 4.3

4.2.2.Hệ thống tự động điều khiển động cơ điêzel - chân vịt biến bớc kiểu điện tử của hãng KAMEWA (Thụy Điển)

KaMeWa là một hãng chế tạo chân vịt nổi tiếng của Thụy Điển, hãng này đã thiết

kế, chế tạo và áp dụng hệ thống tự động điều khiển chân vịt biến bớc cho các tàu chở hàng lần đầu tiên vào năm 1972 Với những kinh nghiệm sẵn có, hãng đã cho

ra đời các hệ thống tự động điều khiển chân vịt biến bớc kiểu điện tử với hàng loạt những u điểm mà ở các hãng khác cha có và đợc ứng dụng trên nhiều con tàu hiện

đại đáp ứng đợc yêu cầu của khách hàng Một trong những hệ thống nh vậy là hệ thống ERC1

Hệ thống ERC1 bao gồm các hệ thống nhỏ (subsystem):

- Thiết bị điều khiển bớc và vòng quay chân vịt

- Thiết bị điều khiển tải

- Thiết bị tự động phân chia tải (cho các động cơ làm việc song song)

- Hệ thống điều khiển hỗ trợ bớc và chỉ báo bớc

- Hệ thống thực hiện chức năng điều động máy

- Hệ thống điều động từ cánh gà buồng lái

- Thiết bị tạo chơng trình tăng tải

- Hệ thống tay chuông buồng lái

Hệ thống ERC1 có những u điểm sau đây:

- Trang thiết bị đơn giản, phần lớn các thành phần của hệ thống đều nằm tại các bảng điều khiển

- Các thiết bị tạo ra lệnh có tính trễ và thiết bị tạo ra chức năng điều khiển tải

đảm bảo việc vận hành hệ thống an toàn, không gây mạo hiểm do có khả năng ngăn ngừa các trờng hợp động cơ bị quá tải hoặc vòng quay giảm tới mức xảy ra hiện tợng "black out" khi động cơ chính đang lai máy phát đồng trục

- Thiết bị điều khiển tải của động cơ đảm bảo khi đã đạt mức tải đối với động cơ thì mức tải đó sẽ đợc duy trì không phụ thuộc vào:

+ Điều kiện sóng và gió

pitch fine

adjustment

bridge stand

engine

room

stand

only pitch control

electronic control unit

pitch command signal

rpm command signal

combinator

pitch control

load control

solenoid drive signal

fps signal pitch response signal

rpm signal

pitch transmitter control

valve

fuel rack position (fps)transmitter

engine 1

engine 2 fuel rack

rpm governor

EI pneumatic

rpm transmitter

oil distribution box (OD box) pitch

+ Tình trạng vỏ tàu

+ Trạng thái của tàu và sự chênh lệch mũi lái

+ Mức độ nông sâu của vùng nớc tàu hành trình (luồng lạch)

Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ERC1

- Chơng trình của thiết bị tạo ra tín hiệu trễ và chơng trình điều khiển tải có thể hiệu chỉnh thông qua việc hiệu chỉnh các biến trở và có thể kiểm tra đợc tín hiệu ra bằng cách đo điện áp tín hiệu

- Có hệ thống điều khiển dự trữ độc lập với hệ thống chính (hệ thống back-up

- hệ thống này đảm bảo khả năng điều khiển hệ động lực trong trờng hợp sự

+_

G

Governor

engine 2

fuel pump trasmitter

Governor

engine 2

fuel pump trasmitter

Bridge erc ACC ACKN

responsibility system

astern on ahead

+

on

+

to

wings

back-up control pitch

pitch

indicator rpm

pitch

indicator

pitch control fail

bridge main stand

load control system

load increase program unit

bridge wing stand with electric shaft system

control room stand

on off

load control panel f.p.s

eng.1

f.p.s

eng.2

load adjust.

load balance

load curve v

rpm function generator

fv

pitch function generator

fs

fs

command delay fs

alarm relay

control responsibility circuit

d

fault detector

rr

control amplifier

pitch blocking relay

load sharing control amplifier

load sharing unit pneumatic electric

rpm transmitter

control valves

auxiliary servomotor od-box

pitch transmitter

pitch fine adjust.

multiplier

220v 50-60hz 220v

50-60hz

p change over to constant rpm

MAX

m off

cố hệ thống chính mất khả năng điều khiển)

Các bộ phận và chi tiết cấu thành nên hệ thống do một hãng sản xuất, nên việc cung ứng thiết bị thay thế chỉ cần qua một hãng cung ứng đảm bảo nhanh, chính xác và giá thành hạ

Hình 4.4 thể hiện sơ đồ của ERC1; nó là một hệ thống điều khiển điện tử với thiết

bị thực hiện việc thay đổi bớc của chân vịt kiểu điện - thuỷ lực Chơng trình điều khiển của hệ thống đợc xây dựng trên cơ sở chơng trình điều khiển tổng hợp, có nghĩa là cùng với sự thay đổi bớc của chân vịt thì vòng quay cũng đợc điều khiển thông qua mạch điều khiển tổng hợp (Combinator Control) Các lệnh điều khiển

đ-ợc đa đến bộ phận xử lý trung tâm (Electronic Control Unit) và tại đây lệnh điều khiển đợc chia thành hai tín hiệu, một đi đến kênh điều khiển bớc và một đi đến kênh điều khiển vòng quay Tín hiệu điều khiển bớc (pitch command signal) đợc đa tới bộ điều chỉnh bớc (pitch control) điều khiển các van điện từ (control valve) ở hộp phân phối dầu (oil distribution box), dầu thuỷ lực thực hiện điều khiển sự thay

đổi bớc cánh chân vịt Tín hiệu điều khiển thay đổi vòng quay đợc biến đổi thành tín hiệu khí nén nhờ thiết bị biến đổi tín hiệu (electric/pneumatic), đa tới cơ cấu thay đổi tốc độ đặt của bộ điều tốc (RPM governor)

Trong hệ thống còn có bộ điều khiển tải (load control) thực hiện chức năng duy trì tải của các động cơ hoạt động song song hoặc của động cơ hoạt động độc lập nằm trong giới hạn cho phép thông qua việc hiệu chỉnh tinh bớc của chân vịt một cách tự

động

Sơ đồ chi tiết của hệ thống ERC1 đợc thể hiện trên hình vẽ 4.5

Trên buồng lái (Bridge) có bố trí các thiết bị sau:

- Thiết bị chỉ báo bớc cánh chân vịt (pitch indicator): chỉ báo bớc cánh thực tế của chân vịt

Hình 4.5: Sơ đồ hệ thống ERC1

- Thiết bị chuyển đổi việc điều khiển sang hệ thống điều khiển dự trữ (back-up control pitch): có các công tắc điều khiển tiến (ahead), lùi (astern) và đèn chỉ báo

đang sử dụng hệ thống điều khiển dự trữ Khi hệ thống điều khiển chính gặp sự

cố không điều khiển đợc bớc cánh thì có thể chuyển sang điều khiển thay đổi

b-ớc cánh chân vịt bằng hệ thống dự trữ Hệ thống này sẽ điều khiển trực tiếp các van điện từ để làm thay đổi bớc cánh

- Thiết bị thay đổi vòng quay của động cơ (RPM): thông qua thiết bị này có thể thay đổi tốc độ đặt của bộ điều tốc để thay đổi vòng quay của động cơ

- Hệ thống chuyển đổi vị trí điều khiển (responsibility system): có các đèn chỉ báo

vị trí điều khiển hiện tại và các công tắc cho phép chấp nhận (acc.: acceptant) hay nhận biết (ackn.: acknowledgement) yêu cầu chuyển vị trí điều khiển từ buồng lái (bridge) xuống buồng điều khiển máy (ERC - Engine Room Control)

và ngợc lại Ngoài ra còn có chuông báo

- Đèn chỉ báo không điều khiển đợc bớc cánh (pitch fail): sáng đỏ trong trờng điều khiển thay đổi bớc cánh không thực hiện đợc

- Bàn điều khiển chính (bridge main stand): tay điều khiển, khi điều khiển tại đây

sẽ có tín hiệu điều khiển tổng hợp vòng quay và bớc cánh Tín hiệu này sau đó

còn đợc xử lý ở mạch tạo chơng trình tăng tải (load increase program unit) để hạn chế tốc độ tăng vòng quay và bớc cánh nhằm đảm bảo an toàn cho hệ động lực

- Mạch điều khiển tải (load control system): cho phép ngời khai thác thực hiện

điều chỉnh tinh bớc cánh để thay đổi tải của động cơ

- Các bàn điều khiển bên ngoài buồng lái (bên cánh gà buồng lái) (bridge wings stand with electric shaft system): vị trí của tay điều khiển trong các bàn điều khiển này đợc đồng bộ với tay điều khiển chính nhờ hệ thống các sensin đồng bộ M

Trong buồng điều khiển buồng máy (ERC) và trong buồng máy có các thiết bị sau:

- Chỉ báo bớc cánh (pitch indicator)

- Công tắc chuyển vị trí điều khiển (bridge <=> ERC (engine room control)) và các

đèn chỉ báo vị trí điều khiển

- Bàn điều khiển (control room stand)

- Bảng điều khiển tải (load control panel): có các đồng hồ chỉ báo tải (F.P.S) và thiết

bị hiệu chỉnh, cân bằng tải (load balance) của các động cơ hoạt động song song Ngoài ra còn có thiết bị hiệu chỉnh giới hạn tải (load limit adjust)

- Mạch điều khiển dự trữ (back-up control central unit): có thiết bị khuếch đại tín hiệu đo bớc cánh, công tắc chuyển đổi hệ thống điều khiển sáng hệ thống điều khiển dự trữ

- Mạch điều khiển chính (Main control central unit): xử lý và thực hiện các lệnh

điều khiển theo chơng trình điều khiển tổng hợp

- Mạch phân chia tải (Load sharing unit)

- Thiết bị biến đổi tín hiệu điện - khí nén (electric - pneumatic)

- Hộp van điện từ (control valve), hộp phân phối dầu (OD - box), thiết bị cảm biến vòng quay (rpm transmitter), cảm biến bớc cánh (pitch transmitter), cảm biến góc xoay của trục điều khiển thanh răng nhiên liệu (fuel pump transmitter)

- Tín hiệu điều khiển từ các tay điều khiển sau khi đợc xử lý (bao gồm cả khuếch

đại) đợc đa vào mạch điều khiển chính Tín hiệu điều khiển từ buồng lái sẽ đợc kiểm tra nhờ mạch phát hiện lỗi (fault detector) để ngăn ngừa những tín hiệu điều khiển không bình thờng hoặc nhiễu Mạch khống chế vị trí điều khiển (control responsibility circuit) sẽ điều khiển công tắc FS để chuyển đổi vị trí điều khiển Mạch làm trễ tín hiệu lệnh (command delay) đảm bảo thời gian điều khiển không phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển tay điều khiển Tín hiệu lệnh sau đó đợc đa vào mạch tạo tín hiệu điều khiển bớc (pitch function generator) và mạch tạo tín hiệu

điều khiển vòng quay (rpm function generator) Các mạch này sẽ cho tín hiệu ra

Governor

engine 2

fuel pump trasmitter

Governor

engine 2

fuel pump

pitch control fail

bridge main stand

load increase unit

bridge wing stand with electric shaft system

control room stand

rpm function generator

fv pitch

function generator

fs

fs

command delay fs

alarm relay

from control responsibility circuit

d

fault detector

rr

control amplifier

pitch blocking relay

load sharing unit

pneumatic electric

control valves

auxiliary servomotor od-box

pitch transmitter

p

correction signal from load control

ơng ứng với vị trí của tay điều khiển theo các đặc tính nh hình vẽ 4.7

Hình 4.6: Hệ thống ERC1 (phần điều khiển vòng quay và bớc)

- Tín hiệu điều khiển bớc (pitch command) sẽ đợc đa tới so sánh với tín hiệu bớc thực tế (đa tới từ phần tử khuếch đại S) và tín hiệu khống chế bớc theo tải cho phép của động cơ (đa đến từ mạch kiểm tra công suất M) tại mạch RR Tín hiệu ra khỏi phần tử so sánh sẽ đợc trích đa tới mạch phát hiện lỗi (fault detector) để kiểm tra

- Tín hiệu điều khiển bớc đợc khuếch đại tại mạch RR nhờ phần tử khuếch đại (control amplifier) sau đó qua rơle khống chế (pitch blocking relay) tới điều khiển các van

lever

index

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

time movement of lever

lever movement

internal decreasing program

output command signal

0 + 2 + 2 + 8 + 8 + 9 + 9 + 3 + 3 + 10 +10 + 7 + 7 + 3

điện từ tại hộp van điện từ Việc đóng mở các van điện từ này sẽ điều khiển dầu vào

ra các khoang của piston lực trong hộp phân phối dầu (OD - box) làm piston lực này dịch chuyển và thay đổi bớc của cánh chân vịt Nếu trạng thái của tín hiệu điều khiển

là bất thờng thì mạch phát hiện lỗi sẽ điều khiển mở rơle khống chế để ngắt tín hiệu

điều khiển bớc

- Tín hiệu điều khiển vòng quay đợc đa tới thiết bị biến đổi tín hiệu điện - khí nén (electric - pneumatic) Tín hiệu khí nén tác động lên cơ cấu thay đổi tốc độ đặt của các động cơ Trong hệ thống có các động cơ điêzel hoạt động song song thì tín hiệu thay đổi tốc độ đặt của động cơ số 1 phải qua mạch phân chia tải (load sharing unit) để đảm bảo phân chia tải đồng đều cho các động cơ

- ở đây tải của động cơ đợc đặc trng bằng vị trí của thanh răng nhiên liệu Tín hiệu

về tải thực của động cơ đợc xác định thông qua vị trí thực tế của thanh răng nhiên liệu (fuel pump setting signal) Tín hiệu này đợc khuếch đại và so sánh với tín hiệu

điều chỉnh cân bằng tải (load balance) từ mạch điều khiển tải (load control panel)

và đa tới mạch khuếch đại điều khiển cân bằng tải (load sharing control amplifier)

- Tín hiệu tải cho trớc (tải cho phép, hay thực chất là vị trí thanh răng nhiên liệu cho phép) của động cơ đợc tạo ra qua mạch tạo hàm tải theo vòng quay (theo đặc tính load curve biểu thị quan hệ giữa tải (vị trí thanh răng nhiên liệu) và vòng quay của

động cơ) Nguyên lý tạo tín hiệu của mạch này là ứng với mỗi vòng quay thực tế của động cơ sẽ tạo ra một giới hạn tải nhất định, nghĩa là tải lớn nhất cho phép mà

động cơ có thể mang ở vòng quay ấy Tín hiệu tải cho phép này sau đó đợc so sánh với tải thực của động cơ tại phần tử so sánh và khuếch đại (multiplier) để đ a

ra tín hiệu tự động điều chỉnh tinh bớc chân vịt nhằm điều khiển tải của động cơ

- Tại buồng lái, có thể không cho thiết bị điều khiển tải hoạt động, trong trờng hợp này có thể thực hiện điều khiển bớc bằng tay (pitch fine adjust)

- Chơng trình tăng tải đối với động cơ nhằm giảm tới mức thấp nhất ứng suất nhiệt cho động cơ điêzel trong thời gian làm nóng động cơ sau khi khởi động từ trạng thái nguội lạnh Hệ thống này bao gồm chơng trình làm chậm lệnh phát ra từ tay

điều khiển và lệnh tác động vào thiết bị tạo hàm điều khiển vòng quay và bớc của chân vịt Sơ đồ chơng trình thể hiện trong hình 4.7

Hình 4.7: Chơng trình tăng tải theo vị trí tay điều khiển