Mô phỏng bảng điều khiển trung tâm bơm hàng của tàu dầu để phục vụ công tác huấn luyện và đào tạo thuyền viên

 24 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 
MÔ PHỎNG BẢNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM BƠM HÀNG CỦA TÀU DẦU ĐỂ 
PHỤC VỤ CÔNG TÁC HUẤN LUYỆN VÀ ĐÀO TẠO THUYỀN VIÊN 
SIMULATE CARGO LOADING CONTROL SYSTEM OF OIL TANKER TO SERVE 
SEAFFERER TRAINING AND EDUCATION 
TRẦN HỒNG HÀ1, NGUYỄN KIM PHƯƠNG2 
1 Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 
2 Viện Sau đại học, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 
Tóm tắt 
Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu và chế tạo hệ thống điều khiển bơm hàng cho tàu 
dầu với mục đích huấn luyện cho sinh viên công tác xếp và dỡ hàng trên tàu dầu. Hệ 
thống được mô phỏng được kết nối với máy tính để giả định các trường hợp xếp và dỡ 
hàng trên tàu dầu. Kết quả cho thấy chức năng của các núm điều khiển bơm, nút điều 
khiển van, chức năng báo động hoạt động tốt và ổn định. Các chỉ thị từ đồng hồ phản 
ánh quá trình bơm dầu từ các bồn chứa của cảng xuống tàu và từ tàu lên bồn chứa là 
đồng bộ. 
Từ khóa: Tầu dầu, hệ thống bơm hàng 
Abstract 
This article introduces the results of research and design of cargo pumping control 
system for tankers to train students loading and unloading cargoes on the tanker. The 
simulated system is connected to the computer to assume the loading and unloading of 
the tanker. The results show that the functions of the pump control, the valve control 
button, the alarm are good and stable. Indications from the meter reflect the process of 
pumping the oil from the oil tanks to the vessel synchronized. 
Keywords: Tanker, cargo pumping system. 
1. Đặt vấn đề 
Việc vận hành, khai thác xếp hàng trên tàu thủy là một nhiệm vụ hết sức quan trọng của các 
thủy thủ trên tàu. Nếu hàng hóa trên tàu không được xếp hợp lý, theo các bước đặt trước có thể 
dẫn đến các hậu quả nghiêm trọng như nghiêng lật tàu hạy rạn nứt, biến dạng tàu do tác động của 
trọng lực hàng hóa. Vì vậy, việc đào tạo xếp hàng cho thủy thủ là một yêu cầu cần thiết trong giảng 
dạy và thực tế. Để tiến hành xây dựng mô hình vận hành của bảng điều khiển xếp hàng trên tàu, 
ta tham khảo một số bảng vận hành xếp hàng trên tàu trong thực tế như Hình 1. 
Hình 1. Bảng điều khiển xếp hàng của tàu dầu 
Để tiến hành xây dựng một mô hình bảng điều khiển theo hoạt động thực tế, ta xây dựng hệ 
thống mô phỏng hoạt động bơm hàng lên tàu như Hình 1. Hệ thống có 4 thành phần cơ bản là: mô 
hình bảng điều khiển, bộ điều khiển trung tâm, màn hình hiển thị và máy tính. Trong đó: 
+ Máy tính: là thiết bị thực hiện tính toán, mô phỏng các giá trị trên tàu thủy khi xếp hàng. Các 
kết quả tính toán, mô phỏng được gửi tới bộ điều khiển trung tâm. 
+ Bộ điều khiển trung tâm: là thiết bị nhận thông tin của hệ thống từ máy tính. Trên cơ sở đó 
chuyển dữ liệu xuống các bộ điều khiển dữ liệu trên mô hình vật lý để hiển thị giá tri lên mô hình. 
Măt khác bộ điều khiển trung tâm cũng thu thập các tác động điều khiển của người vận hành trên 
mô hình và gửi về máy tính để thực hiện mô phỏng tác động của người vận hành trên mô hình hệ 
thống. 
 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 25 
+ Màn hình hiển thị: hiển thị các thông tin của bộ điều khiển phục vụ chỉnh định và kiểm tra hệ 
thống. 
+ Mô hình bảng điều khiển: là mô hình vật lý mô phỏng lại bảng điều khiển vận hành xếp hàng 
trên tàu. Trên bảng này được lắp các bộ hiển thị dữ liệu, các nút vận hành để người vận hành thực 
hiện mô phỏng hoạt động xếp hàng. 
Hình 2. Cấu trúc mô hình hoạt động bảng điều khiển xếp hàng 
Bộ điều khiển trung tâm có 2 tính năng chính là: 
+ Bộ điều khiển trung tâm có nhiệm vụ nhận các giá trị, tham số tính toán từ máy tính và hiển 
thị, thực hiện trên các thiết bị vận hành, chỉ báo như đèn báo, đồng hồ, các chỉ báo mức,... để điều 
khiển mô hình hiển thị với các tham số mà máy tính đã gửi đến. 
+ Bộ điều khiển trung tâm có nhiệm vụ kiểm tra các nút điều khiển trên bảng điều khiển để 
kiểm tra tác động của người vận hành. Từ đó, đưa các tác động này về máy tính để thực hiện mô 
phỏng tác động điều khiển trên máy tính. 
2. Cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống bơm hàng 
Năng lượng trên một đơn vị khối lượng của dòng chảy 
Khi dòng chảy chuyển động từ điển i đến điểm j năng lượng được biến đổi trên một đơn vị 
khối lượng được tính theo phương trình Bernoulli [1]: 
 (1) 
Trong đó: pi,j: áp suất tại i và j; vi,j: vận tốc trong bình tại j và j; hi,j: độ cao so với mặt chuẩn của 
i và j; hf: tổng tổn thất năng lượng; he: năng lượng có trong dòng chảy (năng lượng có sẵn từ môi 
trường); h0: năng lượng được cấp từ bơm. 
Tại mỗi điểm tổng cột áp của dòng chảy bao gồm các năng lượng: động năng, áp 
năng và thế năng. Trong trường hợp chất lỏng là lý tưởng thì tổng tổn thất bằng 0, hf = 0, và he = 
h0 = 0, hoặc hf + he - h0 = 0. Công thức Bernoulli trên sẽ bằng không [1]: 
 (2) 
 (3) 
Đường đặc tính của bơm 
Trong hệ thống như Hình 3 biến đổi năng lượng từ điểm 1 đến điểm 3 được tính như sau [1]: 
 (4) 
Trong đó: ; 
Với H0 cột áp của bơm cấp cho chất lỏng: 
 (5) 
 26 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 
Ngoài ra có thể tính tổng cột áp của bơm theo sự biến đổi năng lượng ở hai đầu hút và đẩy 
của bơm [1] 
 (6) 
Trong đó: pd,h: áp suất đẩy và hút của bơm; vd,h: vận tốc tại cửa đẩy và hút của bơm. 
Trên tàu dầu có trang bị bơm ly tâm để bơm chuyển hàng, đường đặc tính của bơm theo 
vòng quay trung bình được thiết lập theo định luật Affinity H- n2 [1]. 
Hình 3. Đường đặc tính của bơm [1] 
Bảng 1. Đặc tính của bơm hàng Shiko 
TT Thông số Giá trị 
1 Loại bơm KVL 500-2 
2 Sản lượng 5.500 m3/h 
3 Công suất 2.500 kW 
4 Vòng quay 1.040 v/ph 
Trên đồ thị có thể xác định cột áp của bơm ở bất kỳ điểm khai thác nào. Ví dụ bơm cấp sản 
lượng 5.000 m3/h và ở vòng quay 1.005 v/phút hoặc 92% sản lượng, cột áp của bơm có thể xác 
định được là 120 m. Tùy thuộc vào độ nhớt của chất lỏng các thông số làm việc của bơm cũng 
thay đổi theo độ nhớt của chất lỏng. 
Hình 4. Đường đặc tính của bơm với độ nhớt chất lỏng khác nhau [1] 
Tính toán động năng của dòng dầu 
Tốc độ chất lỏng trong ống được tính bằng thể tích vận chuyển qua diện tích tích ống theo 
quãng đường vận chuyển [1]: 
 (7) 
 (8) 
 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 27 
Trong đó: V: thể tích chất lỏng, m3; A: diện tích mặt cắt ngang ống, m2; S: quãng đường chất 
lỏng chuyển động trong ống, m; Q: lưu lượng chất lỏng, m3/s; v: vận tốc trung bình của chất lỏng, 
m/s; t: thời gian, s. 
Bảng 2. Vận tốc chất lỏng ở lưu lượng khác nhau, đường kính ống D = 0.5 m 
TT Lưu lượng 
m3/h 
Lưu lượng 
m3/s 
Tốc độ 
m/s 
1 2.000 0,56 2,83 
2 3.000 0,83 4,25 
3 4.000 1,11 5,66 
4 5.000 1,39 7,08 
5 6.000 1,67 8,49 
Theo công thức 2 biến đổi năng lượng qua hai điểm i và j của bơm . Động năng khác 
nhau giữa hai điểm 2 và 3 là 0 vì v2 = v3 đối với dòng chảy đều. Động năng giữa điểm 1 và 3, do 
v1 = 0, Động năng tại điểm 3 được tính như sau [1]. 
 (9) 
Cách tính tương tự đối với độ chênh động năng tại cửa đẩy và cửa hút của bơm 
Bảng 3. Động năng của chất lỏng theo lưu lượng 
TT Lưu lượng 
m3/h 
Tốc độ 
m/s 
 m 
1 2,000 2,83 0,41 
2 3,000 4,25 0,92 
3 4,000 5,66 1,63 
4 5,000 7,08 2,55 
5 6,000 8,49 3,68 
Tổn thất do ma sát 
Tính tổn thất do ma sát giữa bơm và ống góp hf theo công thức Darcy [2]: 
 (10) 
Trong đó: f: hệ số ma sát; L: chiều dài đường ống, m; D: đường kính ống, m; v: vận tốc chất lỏng, m/s. 
Hệ số ma sát f đối với dòng chảy tầng (Re < 2.000) là hàm của hệ số Reynold Re. Đối với 
dòng chảy rối (Re > 4000) là hàm của đặc tính vách đường ống. 
Hệ số Reynold được xác định theo công thức sau: 
 (11) 
Trong đó: : độ nhớt động lực, m2/s; v: vận tốc chất lỏng, m/s; D: đường kính ống, m. 
Ví dụ đối với đường kính ống D = 0.5 m, lưu lượng dầu 2.000 m3/h, tốc độ v = 2,83 m/s, độ 
nhớt động học 60.10-6 m2/s. Hệ số Re = 23333, dòng chảy rơi vào vùng chảy rối. Khi dòng chảy rối 
hệ số ma sát không những phụ thuộc vào hệ số Reynold, nó còn phụ thuộc vào độ nhám của vách 
ống. Tổn thất do ma sát phụ thuộc chủ yếu vào đường kính ống và độ nhám của bề mặt ống. 
3. Xây dựng giải pháp điều khiển 
3.1. Xây dựng mạch điều khiển trung tâm 
Từ cấu trúc của hệ thống ta thấy rằng cần phải xây dựng được một bộ điều khiển trung tâm 
với các chức năng sau: 
- Giao tiếp với máy tính qua cổng RS232; 
- Giao tiếp với các bộ hiển thị dữ liệu qua cổng RS485; 
- Giao tiếp màn hình hiển thị LCD; 
- Đọc các thông tin từ các nút điều khiển của hệ. 
Như vậy, để thực hiện các yêu cầu này cần phải sử dụng một vi điều khiển có thể thực hiện 
được các tính năng như trên. Trong bài báo này, các tác giả lựa chọn vi điều khiển thực hiện là 
ATmega 128. Trung tâm của khối xử lý tín hiệu đo là vi điều khiển ATMEGA128 của hãng ATMEL. 
 28 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 
Hình 6. Mô phỏng bảng điều khiển 
bơm hàng 
Với tốc độ xử lý 16 triệu lệnh/s, tích hợp sẵn các cổng vào tương tự ADC 10 bit, cung cấp hai cổng 
truyền thông UART cho phép thực hiện toàn bộ các chức năng của khối xử lý tín hiệu mà nhóm đề 
ra. ATMEGA128 cũng được hỗ trợ đầy đủ các chương trình và công cụ phát triển hệ thống như: 
trình dịch C, macro assemblers, chương trình mô phỏng sửa lỗi, kit thử, làm cho việc xây dựng 
hệ thống tin cậy và nhanh chóng cũng như dễ dàng cho việc sửa chữa, bảo dưỡng, vận hành sau 
này. Mặt khác, để hiển thị được mức chất lỏng trong két chứa một cách trực quan, ta sử dụng một 
dãy led ghép vào cổng C của vi điều khiển và một Led 7 vạch ghép vào cổng A của vi điều khiển. 
Hai hình thức hiển thị này cho phép hiển thị được phần trăm giá trị mức trong các kết chứa. 
Ngoài ra, do yêu cầu hiển thị với các cơ cấu dễ nhìn như đồng hồ kim cho các tín hiệu khác 
như áp lực bơm, lưu lượng bơm,... ta sẽ phải sử dụng các đồng hồ như Hình 5. Trong hệ thống 
này, do các tín hiệu ta thực hiện đều là các tín hiệu được điều chế từ vi điều khiển để mô tả lại 
hoạt động của các tín hiệu thực. Vì vậy, ta sẽ chỉ sử dụng một loại đồng hồ đo với giá trị là điện áp 
24V. Còn mặt hiển thị sẽ được thay thế lại bằng với giá trị của hệ thống. Các đồng hồ này sẽ được 
nối tới mạch hiển thị qua cổng CON10. Việc điều khiển giá trị hiển thị trên đồng hồ được thực hiện 
theo phương pháp điều chế độ rộng xung với sơ đồ ghép nối như Hình 5. Với phương pháp này, vi 
điều khiển sẽ phát ra các xung với tần số 1kHz có độ rộng xung thay đổi được. Khi thay đổi giá trị 
của độ rộng xung thì điện áp trung bình trên đồng hồ sẽ thay đổi, do đó thay đổi được giá trị chỉ thị 
của đồng hồ đo. 
Hình 5. Điều khiển giá trị đồng hồ bằng vi điều khiển 
Để việc hiển thị và xây dựng hệ thống được dễ dàng, 
ta thiết kế bộ hiển thị thành các module, mỗi module sẽ 
được thiết kế một mặt tín hiệu giúp dễ dàng lắp đặt và 
quản lý. Hình dạng của module được mô tả như trên Hình 
5. Như vậy, trên mặt các module sẽ có 2 giá trị được hiển 
thị bằng led 7 đoạn là lưu lượng và áp lực bơm. Mức hàng 
hóa trong két được hiể thị bằng một dãy led báo hiệu từ 0 
đến 100% dung lượng két. Ngoài ra trên mặt hiển thị còn 
hiển thị một số thông số về hoạt động bơm, trạng thái của 
hệ và tín hiệu cảnh bảo của hệ thống. 
3.2. Chế tạo bảng điều khiển trung tâm bơm hàng kết 
nối với máy tính 
Tủ vận hành của mô hình được thiết kế với kích 
thước như Hình 6. Tủ cao 1,8m với phần mặt trên được 
thiết kế để hiển thị các thông tin về hệ thống. Các nút điều 
khiển được lắp đặt trên phần mặt tủ với kích thước 
1000x350. Tại đây được lắp đặt các nút điều khiển bơm, 
van và các nút dừng khẩn cấp. 
3.4. Kết nối bảng điều khiển trung tâm với máy tính 
Mạch điều khiển trung tâm nhiệm vụ nhận các thông tin điều khiển từ máy tính để điều khiển 
mô hình và thu thập các thông tin của người vận hành tác động lên mô hình để gửi về máy tính. 
CPU của AVR có chức năng bảo đảm sự hoạt động chính xác của các chương trình. Do đó nó 
 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 29 
phải có khả năng truy cập bộ nhớ, thực hiện các quá trình tính toán, điều khiển các thiết bị ngoại vi 
và quản lý ngắt. AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng bộ nhớ và các bus cho chương trình và 
dữ liệu. Các lệnh được thực hiện chỉ trong 1 chu kì xung clock. Bộ nhớ chương trình được lưu 
trong bộ nhớ Flash. Để thực hiện việc hiển thị dữ liệu, thông số cũng như hoạt động của thiết bị ta 
sử dụng một màn hình LCD 2004. Màn hình LCD sẽ được ghép nối trực tiếp với cổng A của vi 
điều khiển. Để thực hiện truyền thông với máy tính qua cổng RS232 ta sử dụng IC Max232 ghép 
với vi qua cổng COM1. Đường truyền này cho phép thực hiện truyền thông tin giữa vi điều khiển 
với máy tính với tốc độ 9600 baund và khoảng cách truyền là 10m. 
Mặt khác để truyền dữ liệu giữa bộ điều khiển trung tâm với các thiêt bị hiển thị, ta thực hiện 
truyền thông với chuẩn RS480. Đây là một chuẩn truyền thông 2 dây cho phép truyền dữ liệu lên 
đến 32 thiết bị trên một đường truyền. Chuẩn RS485 được thực hiện nhờ ghép nối thêm IC 
Max485 với vi điều khiển. 
Hình 7. Bảng mạch điều khiển 
Mạch thu thập dữ liệu và điều khiển cho phép kết nối với các thiết bị bên ngoài thông qua 4 
cầu đấu từ cầu đấu 1 đến cầu đấu 4. Thông tin thiết bị được truyền về máy tính qua cổng truyền 
thông RS232. Bố trí các cầu đấu và cổng truyền thông được mô tả như Hình 7. 
4. Kết quả và thảo luận 
Kết quả thử nghiệm chương trình mô phỏng xếp dỡ hàng dầu đối với tàu dầu, tàu mẫu được 
lựa chọn trong chương trình là tàu Đại Nam. Tàu Đại Nam có trọng tải trung bình, chở dầu thành 
phẩm đây cũng là loại tàu dầu phổ biến trong ngành vận tải biển của Việt Nam. Mô hình mô phỏng 
con tàu được xây dựng trong bảng tính 
điện tử Excel với giao diện giống như một 
phần mềm làm hàng (loading computer). 
Dữ liệu về hàng hóa trong các hầm được 
nhập tự động theo thời gian thực vào các ô 
tương ứng và được phần mềm tính toán 
liên tục cho ra các thông số như mớn 
nước, thế vững, sức bền thân tàu của con 
tàu. 
Các hầm hàng trong Khối cảng tương 
ứng với các ô từ C54 đến C57 trên 
Hình 8. Sau khi hướng dẫn viên phát 
lệnh bắt đầu làm hàng các ô tương ứng 
với hầm hàng sẽ được cập nhật số liệu 
theo thời gian thực đúng với lượng hàng 
xếp xuống/dỡ khỏi hầm. Nhóm nghiên cứu 
đã tiến hành vận hành bảng điều khiển 
trung tâm nhiều lần theo quy trình nói trên. 
Kết quả cho thấy nguồn điện cung cấp ổn 
định, chức năng của các núm điều khiển 
bơm, nút điều khiển van, chức năng báo động hoạt động tốt và ổn định. Các chỉ thị từ đồng hồ 
phản ánh quá trình bơm dầu từ các bồn chứa của cảng xuống tàu và từ tàu lên bồn chứa là đồng 
bộ. Kết nối giữa bảng điều khiển trung tâm và máy tính tương thích. Quá trình bơm dầu khi vận 
hành ở bảng điều khiển trung tâm đều được thể hiện trên chương trình mô phỏng đã lập. 
Hình 8 Các hầm hàng trên tàu 
 30 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 
5. Kết luận 
Chương trình mô phỏng thực hiện đầy đủ các chức năng của hệ thống điều khiển trung tâm. 
Giao diện đơn giản, dể hiểu, dễ sử dụng. Điều khiển kết nối với bảng điều khiển trung tâm là 
tương thích. Từ chương trình mô phỏng có thể điều khiển được các quá trình đóng, mở van; bật 
tắt bơm và hiển thị mức dầu trong các két. Chức năng báo động của chương trình là đồng bộ với 
bảng điều khiển trung tâm. Có khả năng kết nối đồng bộ với máy tính chạy mô-đun chương trình 
mô phỏng công tác xếp/dỡ hàng trên tàu dầu. Bảng điều khiển hoạt động ổn định, đáp ứng những 
yêu cầu cơ bản của công tác đào tạo và huấn luyện hàng hải. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] N.Adamopoulos, “Pumping Calculations and Under-Performance Evaluation in Crude Oil Tankers”. 
[2] Crane, “Flow of Fluids Through Valves, Fittings and Pipe”, Crane Valves North America, 2009. 
[3] Bộ môn Xếp dỡ Hàng hóa Khoa Hàng hải, Giáo trình Ổn định tàu, Trường Đại học Hàng hải 
Việt Nam, 2014. 
[4] Khoa Công nghệ điện tử và Truyền thông, Đại học Thái Nguyên. Bài giảng Mô phỏng và mô 
hình hóa, 2011. 
[5] Cục đăng kiểm Việt Nam, Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép, 2010 
[6] IMO, Công ước quốc tế về an toàn sinh mạng con người trên biển - SOLAS 74, 2014. 
[7] IMO, Công ước quốc tế về ngăn ngừa ô nhiễm từ tàu - MARPOL 73/78, 2011. 
Ngày nhận bài: 16/3/2018 
Ngày nhận bản sửa: 01/4/2018 
Ngày nhận bản sửa lần 2: 28/5/2018 
Ngày duyệt đăng: 20/6/2018