Thiết kế, chế tạo thiết bị đo áp suất cuối kỳ nén có kết nối máy tính phục vụ chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của động cơ diesel tàu cá

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2017<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ÁP SUẤT CUỐI KỲ NÉN<br /> CÓ KẾT NỐI MÁY TÍNH PHỤC VỤ CHẨN ĐOÁN TÌNH TRẠNG KỸ THUẬT<br /> CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU CÁ<br /> DESIGNING AND MANUFACTURING A PRESSURE MEASURING EQUIPMENT<br /> IN THE END OF COMPRESSION PERIOD WITH COMPUTER CONNECTION<br /> TO DIAGNOSE THE TECHNICAL CONDITION OF FISHING DIESSEL ENGINES<br /> Phùng Minh Lộc1, Mai Đức Nghĩa2<br /> Ngày nhận bài: 24/4/2016; Ngày phản biện thông qua: 29/9/2016; Ngày duyệt đăng: 15/6/2017<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Áp suất cuối kỳ nén là thông số chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ đốt trong. Bài báo này trình bày<br /> phương án thiết kế và thiết kế, chế tạo thiết bị đo áp suất cuối kỳ nén có kết nối máy tính phục vụ chẩn đoán<br /> động cơ diesel tàu cá.<br /> Từ khóa: Áp suất cuối kỳ nén, chẩn đoán tình trạng kỹ thuật, kết nối máy tính, động cơ diesel, thiết bị đo.<br /> ABSTRACT<br /> Final compression pressure of compression stroke is a diagnostic parameter of the engineering status<br /> of the internal combustion engine. This paper presents solutions to design as well as manufacture a device<br /> to measure final compression pressure of compression stroke connected to computer for the purpose of using<br /> diagnostics for marine diesel engines.<br /> Keywords: compression pressure, diagnosis engineering, connected computer, diesel engines,<br /> instrumentation.<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Tính đến năm 2014 nước ta có hơn<br /> 126.000 tàu cá, trong đó số tàu hoạt động xa<br /> bờ (loại 90 CV trở lên) là 27.000 tàu. Số tàu<br /> này ngoài việc tham gia phát triển kinh tế biển<br /> còn góp phần quan trọng bảo vệ an ninh chủ<br /> quyền biển, đảo quốc gia.<br /> Tàu đánh cá có thể hoạt động ở vùng biển<br /> cách bờ đến 200 hải lý và hầu như không có<br /> cảng trú, các động cơ diesel dùng làm máy<br /> chính trên tàu chủ yếu là máy cũ, chất lượng<br /> máy chỉ còn lại khoảng 50-70%, thiếu các thiết<br /> bị đo lường, kiểm tra; không có hồ sơ kỹ thuật<br /> 1<br /> 2<br /> <br /> phục vụ cho công tác vận hành và bảo dưỡng,<br /> sửa chữa. Điều đó dẫn đến giảm độ an toàn,<br /> tin cậy trong quá trình khai thác; hiệu quả sử<br /> dụng thấp làm tăng giá thành sản phẩm và đặc<br /> biệt là máy móc, thiết bị có thể hư hỏng đột<br /> ngột trên biển gây nguy hiểm cho người và tàu.<br /> Phần lớn các tai nạn của đội tàu này là do sự<br /> cố máy chính.<br /> Việc chế tạo thiết bị và xây dựng tiêu chuẩn<br /> kiểm định mức độ an toàn kỹ thuật là cơ sở<br /> chính để nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả<br /> khai thác đội tàu đánh cá của Việt Nam mà đặc<br /> biệt là tàu khai thác xa bờ.<br /> <br /> Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Nha Trang<br /> Trường Sỹ quan Không quân<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 49<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2017<br /> <br /> Thiết bị đo áp suất cuối quá trình nén có<br /> kết nối máy tính đáp ứng được một phần mục<br /> tiêu trên.<br /> <br /> + Đo áp suất cuối kỳ nén trên động cơ<br /> diesel có kết nối với máy tính và xử lý số liệu<br /> thực nghiệm.<br /> <br /> II. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI<br /> PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> <br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU<br /> <br /> VÀ PHƯƠNG<br /> <br /> 1. Đối tượng nghiên cứu<br /> Đo áp suất cuối kỳ nén của động cơ diesel<br /> có kết nối máy tính<br /> 2. Phạm vi nghiên cứu<br /> Đo áp suất cuối kỳ nén của động cơ diesel<br /> làm máy chính tàu cá<br /> 3. Phương pháp nghiên cứu<br /> - Phương pháp lý thuyết:<br /> + Quá trình nén và ảnh hưởng của áp suất<br /> cuối quá trình nén đến các thông số tính năng<br /> của động cơ diesel làm cơ sở xác định giới hạn<br /> hao mòn nhóm bao kín buồng cháy;<br /> + Quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm;<br /> + Công nghệ chế tạo máy;<br /> + Mạch điện tử và phần mềm kết nối thiết<br /> bị đo với máy tính.<br /> - Phương pháp thực nghiệm:<br /> + Chế tạo và thử nghiệm thiết bị<br /> <br /> 1. Xây dựng phương án thiết kế<br /> 1.1. Thiết kế hệ thống chung<br /> Do phương án thiết kế là một khâu quan<br /> trọng trong toàn bộ quá trình thiết kế và chế tạo<br /> thiết bị, nên đối tượng thiết kế và chế tạo phải<br /> đáp ứng các yêu cầu sau:<br /> Yêu cầu kỹ thuật: độ nhạy, độ chính xác,…<br /> nằm trong phạm vi cho phép đảm bảo độ tin<br /> cậy trong quá trình đo đạc, ghi nhận dữ liệu.<br /> Yêu cầu kinh tế: quá trình thiết kế, chế tạo<br /> các chi tiết, lựa chọn linh kiện điện tử và lắp<br /> rắp hoàn chỉnh thiết bị cần ưu tiên giá thành<br /> nhưng phải đáp ứng yêu cầu kỹ thuật;<br /> Yêu cầu sử dụng: đảm bảo tính sử dụng<br /> lâu dài, vận hành và đo đạc dễ dàng, ngoài ra<br /> còn có thể khắc phục sửa chữa khi thiết bị gặp<br /> sự cố.<br /> Sơ đồ thiết kế hệ thống chung được trình<br /> bày trên Hình 1.<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ thiết kế hệ thống chung thiết bị đo áp suất nén<br /> <br /> Động cơ dùng để thử nghiệm: Yanmar 4CHK<br /> Lựa chọn cảm biến: Kích thước cảm biến<br /> phải tương thích với vỏ vòi phun lắp trên động<br /> cơ diesel tàu cá thường gặp. Tầm đo áp suất<br /> đến 50 Bar, chịu được nhiệt độ đến 6000C<br /> 1.2. Đồ gá cảm biến<br /> Phương án thiết kế đồ gá được xây dựng<br /> dựa trên kết cấu, vị trí lắp đặt vòi phun và kích<br /> thước của lỗ vòi phun. Đồ gá được thiết kế<br /> phải đảm bảo được tính đa năng khi tiến hành<br /> lắp ghép cảm biến áp suất vào lỗ đặt vòi phun,<br /> nhưng vẫn đạt được độ kín khít theo yêu cầu<br /> cho nhiều loại động cơ khác nhau.<br /> Có hai phương án thiết kế đồ gá:<br /> <br /> 50 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> - Đồ gá gồm 1 chi tiết được chế tạo có kích<br /> thước như vòi phun, có lỗ dẫn khí từ trong xy<br /> lanh ra và cảm biến được lắp lên chi tiết đồ gá<br /> ở phần ngoài cùng.<br /> - Đồ gá gồm 3 chi tiết:<br /> + Ống lắp cảm biến áp suất tương tự như<br /> phần thân vòi phun, bên trong có lỗ dẫn khí;<br /> + Bích cố định ống với nắp xy lanh;<br /> + Bạc làm kín phần nắp đồ gá với nắp xy lanh.<br /> Chế tạo đồ gá một chi tiết sẽ thuận lợi hơn<br /> về mặt gia công. Tuy nhiên, đồ gá này chỉ có<br /> thể lắp cho một loại cảm biến và khả năng làm<br /> kín thấp khi cố định vào nắp xy lanh, sai số đo<br /> lớn do lọt khí.<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> Đồ gá gồm 3 chi tiết có mức độ gia công<br /> phức tạp hơn, nhưng khắc phục được các yếu<br /> điểm của loại một chi tiết: số liệu có độ chính<br /> xác cao do có bạc làm kín và có thể lắp với<br /> nhiều loại cảm biến khác nhau. Vì vậy, lựa<br /> chọn phương án thiết kết đồ gá gồm 3 chi tiết<br /> <br /> Số 2/2017<br /> sẽ đảm bảo được mục tiêu của thiết bị đo.<br /> 1.3. Bộ xử lý tín hiệu đo có kết nối máy tính<br /> Căn cứ vào yêu cầu đo (đầu vào) và dữ<br /> liệu nhận được (đầu ra) của thiết bị, xây dựng<br /> sơ đồ khối bộ xử lý tín hiệu đo có kết nối máy<br /> tính như sau:<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ khối bộ xử lý tín hiệu đo<br /> <br /> Sơ đồ khối bộ xử lý tín hiệu đo gồm 3 khối<br /> chính là khối đầu vào, khối xử lí trung tâm và<br /> khối đầu ra. Nhiệm vụ của khối đầu vào bao<br /> gồm việc thu thập các tín hiệu đo lường từ các<br /> cảm biến và gửi tới bộ xử lí trung tâm (ECU).<br /> Bộ ECU sau khi nhận tín hiệu sẽ tiến hành<br /> chuyển đổi, tính toán, phân tích và xuất các<br /> tín hiệu điều khiển cho khối đầu ra. Khối đầu<br /> ra bao gồm thiết bị hiển thị và ghi nhận dữ liệu<br /> đo (computer) .<br /> - Khối đo thông số đầu vào gồm:<br /> + Cảm biến tốc độ: Có nhiệm vụ báo tín<br /> hiệu cho ECU khi động cơ làm việc, trên cơ sở<br /> số vòng quay đo được trong một phút, ECU sẽ<br /> tính toán giá trị của tốc độ quay sang độ góc<br /> quay trục khuỷu.<br /> + Cảm biến áp suất: Có nhiệm vụ chuyển<br /> đổi tín hiệu của áp suất thành tín hiệu điện đưa<br /> tới ECU. Đối với loại cảm biến áp suất có trên<br /> thị trường, thường có độ phân giải thấp, nên<br /> cần thiết kế thêm một mạch khuếch đại để tín<br /> hiệu truyền đến ECU đủ lớn.<br /> - Bộ xử lí trung tâm (ECU):<br /> Để đảm bảo khả năng điều khiển mềm<br /> dẻo của thiết bị, cần xây dựng bộ xử lí trung<br /> tâm bằng vi điều khiển [2]. Vi điều khiển là một<br /> mạch đơn chứa bên trong một CPU và các<br /> mạch khác để tạo nên một hệ máy tính đầy đủ,<br /> <br /> chuyển đổi giá trị áp suất đo được theo độ góc<br /> quay trục khuỷu.<br /> - Khối đầu ra gồm:<br /> Computer với chương trình đo, hiển<br /> thị được thực hiện trên phần mềm điện tử<br /> (proteus) có thiết lập cổng kết nối tới bộ ECU,<br /> có thể hiệu chỉnh và thiết lập các chế độ để<br /> phục vụ đo đạc và lưu trữ dữ liệu theo yêu cầu.<br /> Như vậy, phương án thiết kế bộ xử lý tín<br /> hiệu đo có kết nối máy tính là khá phức tạp.<br /> Trong khi đó, một bộ tích hợp thông minh (đo<br /> và xử lý tín hiệu) có độ chính xác cao, được<br /> ứng dụng rất phổ biến trong đo lường kỹ thuật.<br /> Có thể kết nối cảm biến [2] và hiển thị kết quả<br /> trên máy tính thông qua phần mềm chuyên<br /> dùng kèm theo, người dùng có thể thiết kế các<br /> mạch đo theo yêu cầu trên phần mềm chuyên<br /> dùng Labview và cài đặt vào bộ xử lý thông<br /> minh (Myrio), kết nối và thiết lập các thông số<br /> đầu vào từ cảm biến đến Myrio, tạo thành hệ<br /> điều khiển hoàn thiện. Giá thành của bộ Myrio<br /> của hãng NI (National Instruments) của Mỹ chế<br /> tạo chỉ tương đương với việc thiết kế các bo<br /> mạch và mua linh kiện điện tử chế tạo bộ đo.<br /> Sản phẩm thương mại này có độ chính xác đạt<br /> chuẩn, vì vậy, phương án thiết kế sẽ sử dụng<br /> bộ Myrio có phần mềm Labview kèm theo.<br /> Sơ đồ khối hệ thống đo sử dụng bộ Myrio:<br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ khối hệ thống đo áp suất nén sử dụng bộ Myrio<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 51<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> 2. Chế tạo đồ gá cảm biến<br /> Đồ gá được chế tạo trên máy tiện và máy<br /> khoan CNC. Sản phẩm sau khi chế tạo như<br /> trên Hình 4.<br /> <br /> Số 2/2017<br /> 3.2. Cảm biến đo áp suất nén động cơ diesel<br /> Cảm biến đo áp suất nén là cảm biến của<br /> hãng Noeding của Đức chế tạo, là loại cảm<br /> biến chuyên dùng để đo áp suất nén trong xy<br /> lanh động cơ và phục vụ đo áp suất trong môi<br /> trường có nhiệt độ cao, chịu được chế độ làm<br /> việc khắc nghiệt, có độ chính xác cao. Cảm<br /> biến và các thông số được trình bày trên Hình<br /> 6 và Bảng 1.<br /> <br /> Hình 4. Đồ gá cảm biến áp suất nén<br /> <br /> 3. Kết nối cảm biến áp suất và cảm biến tốc<br /> độ động cơ với bộ xử lý tín hiệu<br /> 3.1. Bộ xử lý tín hiệu thông minh Myrio<br /> Bộ xử lý thông minh Myrio có khả năng<br /> ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, nhất là<br /> phục vụ công tác đo đạc và điều khiển.<br /> Kết cấu thiết bị như Hình 5, chương trình<br /> điều khiển của thiết bị được viết trên phần<br /> mềm chuyên dụng Labview, đây là phần mềm<br /> có bản quyền và chỉ được kèm theo thiết bị,<br /> khi sử dụng thiết bị của hãng NI. Sau khi cài<br /> đặt phần mềm trên máy tính, cần phải thiết kế<br /> sơ đồ mạch phù hợp với yêu cầu cần sử dụng<br /> (yêu cầu đo dữ liệu) và gán vào chip điều khiển<br /> của phần cứng của thiết bị. Thiết bị sau khi kết<br /> nối sẽ nhận dạng các cảm biến, thu thập dữ<br /> liệu chuyển về bộ chuyển đổi dữ liệu và hiển<br /> thị trên màn hình, lưu trữ dữ liệu đo vào ổ cứng<br /> máy tính.<br /> <br /> Hình 5. Kết cấu chung bộ xử lý Myrio<br /> 1-Myrio-mã hiệu 1900;2- Bo mạch xử lý tín hiệukhuếch đại; 3-Nguồn vào (AC);<br /> 4-Kết nối thiết bị ngoại vi; 5-Kết nối dữ liệu bên ngoài;<br /> 6-Led báo tín hiệu; 7-Khay kết nối tín hiệu đầu vào;<br /> 8-Kết nối tín hiệu âm thanh; 9-Nút điều khiển.<br /> <br /> 52 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Hình 6. Cảm biến của hãng Noeding<br /> dùng để đo áp suất nén động cơ<br /> <br /> Bảng 1. Thông số cảm biến Noeding<br /> mã hiệu P 125E<br /> Dải áp suất đo: 0 ... 80 bar<br /> Nhiệt độ hoạt động Min: - 400C<br /> Max: 6000C<br /> Hệ số độ nhạy nhiệt: ± 0,005%/0C<br /> Nguồn điện yêu cầu: 6V- DC<br /> Tín hiệu ra: 4…20 mA<br /> Kết nối cơ khí theo các tiêu chuẩn : G1/2″<br /> Có lớp bảo vệ chống nhiễu EMI<br /> Sai lệch: 0,015%<br /> 3.3. Kết nối các thiết bị<br /> Các cảm biến được kết nối bằng đường tín<br /> hiệu thông qua cổng kết nối của bộ điều khiển<br /> và xử lý tín hiệu Myrio. Sau khi kết nối hệ thống<br /> thiết bị như trên Hình 7.<br /> <br /> Hình 7. Kết nối các cảm biến với bộ xử lý tín hiệu<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> 3.4. Viết chương trình điều khiển bằng phần<br /> mềm Labview<br /> Trước khi viết chương trình, máy tính được<br /> kết nối với bộ xử lý thông minh và các cảm<br /> biến, có cấp điện nguồn để phần mềm nhận<br /> dạng tín hiệu và thiết bị (Hình 8).<br /> <br /> Hình 8. Kết nối cảm biến với bộ xử lý tín hiệu<br /> và máy tính để viết chương trình<br /> <br /> Số 2/2017<br /> Phần mềm Labview sau khi cài đặt trên<br /> máy tính, sẽ cho phép lập trình với các khối<br /> souce, sin… đặt thuộc tính và định nghĩa theo<br /> yêu cầu của bài toán đặt ra. Sau khi khởi động<br /> chương trình chính, nội dung được thực hiện<br /> như sau:<br /> - Khởi tạo chương trình chạy trên bộ Myrio,<br /> sử dụng hệ điều hành Realtime<br /> - Thiết lập khối AI0. Read – ADC Pressure<br /> sử dụng để đọc chuỗi tin hiệu áp suất<br /> - Thiết lập khối Count.Read- Angle sử dụng<br /> để đọc chuỗi góc, đo độ góc quay trục khuỷu<br /> (7200 với độ nhạy 0.50), sẽ có giá trị cần lấy là<br /> 1440 giá trị (giá trị áp suất theo độ góc quay<br /> trục khuỷu), sơ đồ liên kết các khối và thiết lập<br /> mạch xử lý… như trên Hình 9.<br /> <br /> Hình 9. Sơ đồ khối cơ bản của chương trình đo áp suất theo góc quay trục khuỷu<br /> <br /> 4. Thử nghiệm thiết bị<br /> Sử dụng động cơ Diesel 4CHE YanmarNhật Bản chế tạo, được trang bị tại Phòng<br /> Thí nghiệm Động lực - Trường Đại học Nha<br /> Trang để tiến hành thử nghiệm thiết bị. Động<br /> cơ Diesel 4CHE là động cơ cao tốc, 4 xy lanh,<br /> công suất 70hp/2300rpm, có số lượng tương<br /> đối nhiều tại các tỉnh duyên hải miền Trung và<br /> khu vực đồng bằng sông Mê Kông, Việt Nam [1],<br /> được dùng làm máy chính trên tàu cá hoặc<br /> <br /> máy phụ lai máy phát điện (Hình 10).<br /> 4.1. Lắp cảm biến lên động cơ và kết nối bộ xử<br /> lý tín hiệu<br /> Quá trình thử nghiệm thiết bị nhằm mục<br /> đích đánh giá khả năng làm việc và độ tin cậy<br /> của thiết bị sau khi chế tạo, cơ sở của việc<br /> đánh giá này dựa vào dữ liệu thu được và so<br /> sánh với giá trị áp suất nén của động cơ diesel<br /> theo nhà sản xuất. Cảm biến đươc lắp trên lỗ<br /> đặt vòi phun số 1 (Hình 10).<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 53<br /> <br />