Optimization of control power sources and island driver system design for remotely operated vehicle (ROV)

Nội dung text: Optimization of control power sources and island driver system design for remotely operated vehicle (ROV)

1. Journal of Mining and Earth Sciences Vol. 62, Issue 3a (2021) 85 - 91 85 Optimization of control power sources and island driver system design for remotely operated vehicle (ROV) Vinh Duc Le 1,*, Giap Ba Le 2, Tuan Thanh Nguyen 1, Dung Anh Hoang 1, Duyen Quang Le 1 1 Faculty of Oil and Gas ,Hanoi University of Mining and Geology, Hanoi, Vietnam 2 Joint Venture Vietsovpetro, Ba Ria – Vung Tau, Vietnam ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: st Remotely Operated Vehicle (ROV) diving equipment system is an Received 1 Mar. 2021 important device in oil and gas exploration and production, especially in Accepted 24th May 2021 the conditions of working in deep and complex water. By design, the ROV Available online 10th July 2021 Panther Plus 932 has not reverse steering function, limited visibility and Keywords: difficult operation. To overcome that shortcoming, the authors have Diving equipment, studied and fabricated an electronic circuit to take charge of the power reversing function on the Joystick with a function button and a Flip-Flop electronic circuit, Forward/Revert status indicator light. After adjusting, designing, IC 74LS74, controlling the ROV in the opposite direction, there is no need to turn the Reverse steering, head, avoid twisting, burning cables, getting caught in obstacles or being ROV control. caught up in the ROV during work, increasing cable life. Copyright © 2021 Hanoi University of Mining and Geology. All rights reserved. ___ *Corresponding author E - mail: leducvinh@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.2021.62(3a).10
2. 86 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 62, Kỳ 3a (2021) 85 - 91 Tối ưu hóa nguồn điện điều khiển và thiết kế đảo chiều hệ thống lái cho thiết bị lặn khảo sát ngầm ROV Lê Đức Vinh 1, *, Lê Bá Giáp 2, Nguyễn Thanh Tuấn 1, Hoàng Anh Dũng 1, Lê Quang Duyến 1 1 Khoa Dầu khí, Trường Đại học Mỏ-Địa chất , Hà Nội , Việt Nam 2 Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro, Bà Rịa – Vũng Tàu, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT Quá trình: Nhận bài 1/3/2021 Hệ thống thiết bị lặn ROV (Remotely Operated Vehicle) là thiết bị quan trọng Chấp nhận 24/5/2021 trong công tác thăm dò, khai thác dầu khí, đặc biệt trong điều kiện làm việc Đăng online 10/7/2021 ở vùng biển nước sâu, phức tạp. Theo thiết kế, ROV Panther Plus 932 không có chức năng lái ngược (lái lùi), hạn chế tầm quan sát và khó khăn khi vận Từ khóa: hành. Để khắc phục nhược điểm đó, các tác giả đã nghiên cứu chế tạo một Điều khiển ROV, mạch điện tử đảm nhận chức năng đảo nguồn trên bàn điều khiển (Joystick) IC 74LS74, Lái ngược, có nút nhấn chức năng và đèn báo trạng thái Tiến/Lùi (Forward/Revert). Mạch điện Flip-Flop, Sau khi điều chỉnh, thiết kế, muốn điều khiển ROV đi theo hướng ngược lại, Thiết bị lặn. sẽ không cần phải quay đầu, tránh được hiện tượng xoắn, cháy cáp, vướng vào chướng ngại vật hoặc cuốn vào ROV trong quá trình làm việc, tăng tuổi thọ của cáp. © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. được vận hành từ xa) đã được sử dụng mang lại 1. Giới thiệu rất nhiều ưu điểm cho công tác khảo sát đáy biển. Trong các công trình ngầm dầu khí, có những Ngoài ra, ROV còn được sử dụng trong việc. công trình mà độ sâu nước biển có thể lên tới hơn quan sát, hỗ trợ thợ lặn trong quá trình làm việc: 100m. Để khảo sát, bảo dưỡng cũng như sửa chữa Đây là chế độ làm việc đơn giản nhất, được thực những công trình này biển này thì phương pháp hiện bởi các camera, để quan sát tại một điểm người lặn gặp nhiều hạn chế, cho dù đó là những hoặc di chuyển xung quanh một đối tượng người thợ lặn giỏi nhất. Khi đó, những con robot (Seaeye Marine LTD., 2009). Hỗ trợ khảo sát đáy lặn biển ROV (Remotely operated vehicle - thiết bị biển: kiểm tra trực quan và không phá hủy trước và sau khi lắp đặt đường ống, dây cáp, các công trình dưới đáy biển. Hỗ trợ khảo sát đường ống ___ ngầm dưới biển: ROV được điều khiển đi dọc *Tác giả liên hệ đường ống, để kiểm tra tình trạng của đường ống E - mail: leducvinh@humg.edu.vn và các kết cấu đi kèm, kịp thời phát hiện các hư DOI: 10.46326/JMES.2021.62(3a).10
3. Lê Đức Vinh và nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 85 - 91 87 hỏng như các điểm rò rỉ, dịch chuyển điểm treo tác chuyển mạch bằng công tắc chuyển mạch cơ ống (Palmer và King, 2008). khí thông thường. Một số ROV được trang bị bánh xích và lưỡi cày có chức năng đào rãnh, chôn các đường cáp 3. Tối ưu hóa nguồn điện điều khiển điện và đường ống (Seaeye Marine LTD., 2009). Các tác giả đã tối ưu hoá nguồn điện, thiết kế bo mạch cấp nguồn 5 VDC để cung cấp nguồn cho 2. Hạn chế của các ROV thế hệ cũ bo mạch lái đảo chiều hoạt động, vì nguồn chính Hầu như các dòng ROV cũ (từ năm 2009 trở của hệ thống không cung cấp nguồn 5 VDC. Ngoài về trước) không được trang bị tính năng lái ra, phương pháp thiết kế bo nguồn xung này đã nghịch, như dòng ROV Panther 911 của PTSC G&S, thay thế cho nguồn sắt từ của hệ thống. Chúng ta ROV workclass Diablo 09 của Vietsovpetro và các có thể thiết kế ra các loại nguồn với điện thế khác dòng ROV Comanche của công ty Hải Mã nhau như 5 VDC, 12 VDC, 24 VDC, 36 VDC, 48 (Seahorse company), VDC, phù hợp cho từng chức năng yêu cầu sử Khi không có chức năng lái nghịch, trong quá dụng của từng thiết bị nếu cải tiến, phát triển thêm trình làm việc sẽ rất khó khăn, đòi hỏi người vận chức năng cho ROV (Rashid, 2001). Cụ thể: hành phải có kinh nghiệm mới xử lý được những - Thay thế nguồn đặc chủng do hãng thiết kế việc khó hoặc trong không gian hẹp như chân đế và chế tạo bằng nguồn phổ thông có chức năng giàn khoan, PLEM, xích neo tàu dầu. tương đương. Nhằm khắc phục nhược điểm đó, các tác giả - Cấp độc lập nguồn cung cấp và nguồn điều tập trung nghiên cứu đảo nguồn cấp cho hai biến khiển cho mỗi PSU (Power Supply Unit), (theo nhà trở điều khiển X Axis và Y Axis trên bàn điều khiển máy chế tạo PSU#6 phụ muốn làm việc thì phải (Joystic), TURN AXIS giữ nguyên vì khi lái lùi hay thông qua PSU#5 chính). tiến việc quay trở là cùng chiều. - Dùng nguồn độc lập PSU#6 cấp nguồn cho 2 Từ đó, các tác giả đã nghiên cứu, chế tạo một camera lắp thêm vào ROV (không có trong thiết kế mạch điện tử đảm nhận chức năng đảo nguồn cho sẵn của nhà sản xuất). X và Y Axis Joystick có nút nhấn chức năng và đèn Các tác giả không chỉ mua các PSU có bán sẵn báo trạng thái Forward/Revert. trên thị trường, bổ sung vào hệ thống thay thế Để đạt được mục đích trên, các tác giả đặt ra hàng đặc chủng, mà còn tự thiết kế, lắp ráp các PSU mục tiêu phát triển một mạch điện tử có khả năng nguồn xung 5 VDC/2 A, để chạy board mạch ngoại lặp trạng thái chuyển đổi ON/OFF bằng một nút vi theo yêu cầu và làm chủ công nghệ. nhấn không giữ khi kích hoạt. Nghĩa là, khi cấp Sau khi nghiên cứu các thông số kỹ thuật nguồn mạch điện mạch sẽ cho ra một trạng thái (datasheet), các tài liệu hướng dẫn (Application ON hoặc OFF và giữ đấy, sau đó tác động vào nút note) từ các hãng uy tín sản xuất, chíp IC nhấn (nhấn và nhả) mạch sẽ chuyển từ ON=>OFF (Integrated Circuit) uC3842 đã được các tác giả hoặc ngược lại OFF=>ON. Việc chuyển trạng thái lựa chọn (Hình 1). Đây là dòng chip được chế tạo này sẽ kích hoạt hoặc tắt một relay tương ứng thao chuyên biệt cho bộ nguồn SMPS (Switching Mode Power Supply), có các tính năng chuẩn, đầy đủ Hình 1. Hình ảnh thực tế uC4842 DIL-8 và loại SMD (surface - mount device - linh kiện dán).
4. 88 Lê Đức Vinh và nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 85 - 91 Hình 2. Sơ đồ mạch ứng dụng tiêu chuẩn uC3842 vào bộ nguồn ổn áp xung 5V/2A. 4. Thiết kế hệ thống đảo chiều hệ thống lái Trong điện tử, mạch flip-flop (còn gọi là mạch chốt) là một mạch chức năng có hai trạng thái ổn định và được sử dụng để lưu trữ thông tin trạng thái. Mạch có thể thay đổi trạng thái bằng các tín hiệu điện được tác động cho một hoặc nhiều đầu vào điều khiển và sẽ có một hoặc hai đầu ra (Hình 4 và Bảng 1). Nó là phần tử lưu trữ cơ bản giá trị logic tuần tự trong điện tử kỹ thuật số. Flip-flops là những đơn vị cơ bản của hệ thống điện tử kỹ thuật số được sử dụng trong máy tính ngày nay. Hình 3. Board nguồn xung uC3842 (Mặt trên, đầy đủ linh kiện). chức năng bảo vệ, phù hợp với dân dụng và được sử dụng nhiều. Trong bộ nguồn ổn áp xung, uC3842 điều khiển độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation), chuyển mạch của bộ chuyển đổi DC/DC (DC/DC converter) được hoạt động theo dạng Flyback (các Hình 2 và 3). Hình 4. Sơ đồ chức năng các chân IC 74LS74.
5. Lê Đức Vinh và nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 85 - 91 89 Bảng 1. Chức năng nhiệm vụ của các cấu ngành điện tử. Từ ban đầu là flip-flop RS cho đến flip-flop T ngày nay. kiện trong IC 74LS74. Trong nghiên cứu này, các tác giả không đi Số Chức Diễn giải sâu phân tích về kỹ thuật điện tử, nên không bàn chân năng nhiều về các loại flip-flop, vì về cơ bản chúng tuy có cách thức hoạt động khác nhau nhưng có cùng 1 1CLR’ Xóa trạng thái flip flop số 1 một đặc tính chung là lưu giữ một trạng thái thông 2 1D Ngõ vào dữ liệu Flip Flop số 1 tin và sẽ thay đổi trạng thái ngược lại khi chịu một 3 CLK1 Xung nhịp flip-flop số 1 tác động từ ngõ vào (Vũ Quang Hồi, 2009). 4 1SET’ Ngõ vào thiết lập flip-flop Các tác giả đã lựa chọn mạch Flip-Flop loại D để sử dụng, vì nó khá đơn giản, đặc biệt đã được 5 1Q Ngõ ra Flip Flop số 1 phát triển thành những vi mạch IC tích hợp cho 6 1Q’ Ngõ ra đảo Flip Flop số 1 thương mại dân dụng (Hình 5). Một trong những 7 GND Ground – 0VDC IC đó là 74LS74 (Hình 6), được sản xuất thương 8 2Q’ Ngõ ra đảo Flip Flop số 2 mại lần đầu bởi Motorola, có những đặc tính như sau: 9 2Q Ngõ ra Flip Flop số 2 - Có 2 bộ mạch chức năng flip-flop D trong 10 2SET’ Input SET pin for flip-flop một vỏ đóng gói IC (Hình 7 và 8); 11 2CLK Xung nhịp flip-flop số 2 - Điện áp làm việc từ 4.5÷5.5 VDC; 12 2D Ngõ vào dữ liệu Flip Flop số 2 - Mỗi bộ flip-flop có hai ngõ, có trạng thái đảo ngược nhau; 13 2CLR’ Xóa trạng thái flip flop số 2 - Khả năng chống nhiễu tốt; 14 VCC Nguồn nuôi - Nhiệt độ làm việc từ 0÷700C; - Trạng thái OFF của ngõ vào tương tứng dưới Các loại flip-flop này được phát triển theo thời 0.8 V và ON là từ 2 V; gian, ngày càng hiện đại theo sự phát triển của - Trạng thái OFF ngõ ra tương ứng 0. Hình 5. Sơ đồ mạch ứng dụng IC 74LS74: JB1- Đầu nối cấp nguồn nuôi 5VDC cho mạch (lấy từ OUTPUT bộ nguồn uC3842 – bộ nguồn ở mục 2.1); JB2-Đầu nối ngỏ ra điện áp điều khiển Joystick nối vào Pin-1 và Pin-3 bộ biến trở lái thuận/nghịch; JB4- Đầu nối nút nhấn chuyển đổi chế độ lái thuận/nghịch.
6. 90 Lê Đức Vinh và nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 85 - 91 Hình 6. Thiết kế PCB layout mạch ứng dụng IC 74LS74. Hình 7. Mặt trên PCB mạch ứng dụng IC 74LS74. Hình 8. Mặt dưới PCB mạch ứng dụng IC 74LS74. Chức năng từng chân của IC được mô tả trên chữa và thay thế các linh kiện, các nguồn cấp làm Hình 4. Bo mạch ứng dụng IC 74LS74 được lắp đặt việc độc lập với nhau. ROV giảm số lần quay trở như các Hình 9 và 10. không cần thiết, giảm thời gian thực hiện công việc, hạn chế hỏng cáp điều khiển, tăng khả năng 5. Kết luận quản lý cáp và dễ dàng vận hành, giúp cho công Sau khi lắp đặt bo mạch IC 74LS74, thiết bị ROV việc khảo sát các công trình ngầm dầu khí hiệu quả làm việc ổn định hơn, tiết kiệm chi phí do không hơn. Các tác giả đã áp dụng thực nghiệm giải pháp cần mua bo mạch nguồn chính hãng, dễ dàng sửa này một cách có hiệu quả vào hệ thống ROV
7. Lê Đức Vinh và nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 85 - 91 91 Hình 9. Bo mạch lắp linh kiện ứng dụng IC 74LS74. Đóng góp của các tác giả Tác giả chính Lê Đức Vinh lên ý tưởng, xử lý số liệu và biên tập. Lê Bá Giáp cung cấp tài liệu. Nguyễn Thanh Tuấn, Hoàng Anh Dũng và Lê Quang Duyến chỉnh sửa, hiệu đính nội dung. Tài liệu tham khảo Seaeye Marine LTD., (2009). Technical Manual Book Seaeye Panther Plus. Seaeye Marine LTD. UK, 932 pages. Andrew C. Palmer and Roger A. King, (2008). Subsea Pipeline Engineering, 2nd Edition. PennWell. 238 pages. Muhammad H. Rashid, (2001). Power electronics handbook. University of Florida. USA. 892 pages. Mohamed A. El-Reedy, (2012). Offshore Structures, Hình 10. Mặt dưới bo mạch ứng dụng IC 74LS74. Design, Construction and Maintenance. Gulf Professional Publishing. 664 pages. Panther và ROV Workclass Diablo 09 tại Liên Vũ Quang Hồi, (2009). Giáo trình kỹ thuật điều khiển doanh Việt – Nga Vietsovptro. Có thể áp dụng kết động cơ điện. Nhà xuất bản Giáo dục. Hà Nội. 156 quả nghiên cứu này vào các thiết bị ROV tương tự. trang.