Hoàn thiện và chế tạo các hệ thống tự động hóa công nghệ nung các sản phẩm gốm sứ

Hệ thống tự động hóa cho các CNNL thực hiện các chức năng đo lường, giám sát, điều khiển và quản lý các thông số công nghệ trong suốt quá trình nung đảm bảo được chính xác.. Điều hết sức

VIỆN TỰ ĐỘNG HÓA KỸ THUẬT QUÂN SỰ

BÁO CÁO TỐNG KẾT ĐỀ TÀI:

HOÀN THIỆN VÀ CHẾ TẠO CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA

CÔNG NGHỆ NUNG CÁC SẢN PHẨM GỐM SỨ

CNĐT: PHẠM TIẾN DŨNG

8595

HÀ NỘI – 2010

MỤC LỤC

Mở đầu 5

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SẢN XUẤT GỐM SỨ 6

1 Quy trình nung các sản phẩm gốm sứ.……… 6

1.1 Sấy sản phẩm 6

1.2 Nung sản phẩm……… 7

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm 8

2.1 Thành phần hoá học 8

2.2 Kích thước và thành phần hạt 8

2.3 Nhiệt nung cực đại và thời gian ủ 8

2.4 Tốc độ thay đổi nhiệt độ 9

2.5 Môi trường khí ……… 11

3 Nguồn gốc, xuất xứ, công nghệ lựa chọn của dự án ……… 12

3.1 Thực trạng công nghệ và kỹ thuật hiện có tại Việt nam 12

3.2 Nguồn gốc, cơ sở, quan điểm thiết kế các thành phần trong hệ thống ……… 13

3.3 Mục tiêu và công nghệ lựa chọn của dự án 15

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ……… 16

1 Sơ đồ cấu trúc và các module của hệ thống 16

1.1 Sơ đồ cấu trúc 16

1.2 Module CPU (khối xử lý trung tâm) 17

1.3 Module khuếch đại tín hiệu 23

1.4 Module điều khiển cơ cấu chấp hành 29

1.5 Khối nguồn……… 31

1.6 Màn hình giao diện và phần mềm hệ thống 31

2 Nội dung công nghệ đã được hoàn thiện trong dự án……… 43

2.1 Các sản phẩm cơ khí……… 43

2.2 Các sản phẩm là bảng mạch, module điện tử……… 46

3 Quy trình sản xuất và điều hành ……… 49

3.1 Mua vật tư linh kiện……… 49

3.2 Giao nhận vật tư linh kiện để sản xuất……… 51

3.3 Chuẩn bị sản xuất……… 51

3.4 Hàn linh kiện dán……… 52

3.5 Hàn linh kiện thông thường……… 52

3.6 Kiểm tra……… 52

3.7 Vệ sinh mạch và vệ sinh công nghiệp……… 53

3.8 Kiểm tra mạch……… 53

3.9 Chạy thử, hiệu chỉnh mạch……… 53

3.10 Lắp mạch vào vỏ……… 54

3.11 Kiểm định thiết bị……… 54

3.12 Đóng gói sản phẩm……… 54

3.13 Lắp đặt, bảo hành……… 55

3.14 Tổng kết nâng cao chất lượng……… 55

3.15 Quản lý sản phẩm……… 55

3.16 Tài liệu sản xuất……… 55

3.17 Kiểm soát quá trình sản xuất……… 56

3.18 Kiểm soát các thiết bị sản xuất……… 56

Chương 3: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN 57

1 Sản phẩm của dự án 57

1.1 Sản phẩm "Dạng I" 57

1.2 Sản phẩm "Dạng II" 57

1.3 Sản phẩm "Dạng III" 58

1.4 Hợp đồng kinh tế 59

1.5 Các kết quả khác 59

2 Đánh giá hiệu quả của dự án 59

2.1 Hiệu quả kinh tế, xã hội 59

2.2 Hiệu quả về khoa học công nghệ 60

3 Đánh giá mức độ hoàn thành của dự án 61

3.1 Về sản phẩm 61

3.2 Về kinh phí 61

4 Kết luận và kiến nghị 61

4.1 Kết luận 61

4.2 Kiến nghị 61

Tài liệu tham khảo 63

Hướng dẫn vận hành và lắp đặt 64

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Bảng quy đổi 12 bit từ số Hexa sang nhiệt độ của ds18b20

Bảng 2: Bảng chân lý cho động cơ thứ nhất

Bảng 3: Bảng chân lý cho động cơ thứ hai

Bảng 4: Địa chỉ các điểm ảnh trên LCD

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hinh 1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống

Hình 2: Sơ đồ chân

Hình 3: Sơ đồ khối chung của dspic33FJ256 MC710

Hình 4: Sơ đồ khối kênh đọc ADC

Hình 5: Sơ đồ cấu trúc khối đọc Encorder

Hình 6: Thiết lập cấu hình trực quan

Hình 7: Tạo hàm điều khiển PID và các bộ lọc trên Matlab Simulink

Hình 8: Sơ đồ chân của IC AD620

Hình 9: Sơ đồ chân của IC DS1307

Hình 10: Sơ đồ khối của IC DS1307

Hình 11: Địa chỉ vùng nhớ của IC DS1307

Hình 12: Sơ đồ đấu nối với vi điều khiển

Hình 13: Giản đồ xung của quá trình ghi đọc 1 byte

Hình 14: Giản đồ xung của quá trình ghi thông tin thời gian vào IC

Hình 15: Giản đồ xung của quá trình đọc thông tin thời gian từ IC

Hình 16: Sơ đồ khối của IC DS18b20

Hình 17: Sơ đồ khối IC UNL2803

Hình 18: Giản đồ thời gian của IC UNL2803

Hình 19: Sơ đồ chân và giản đồ thời gian của đặc tính vào ra

Hình 20: Sơ đồ chân vi mạch L298

Hình 21: Sơ đồ mạch logic mạch L298

Hình 22: Sơ đồ kích thước và thứ tự chân của LCD TG19264A

Hình 23: Sơ đồ các khối điều khiển bên trong LCD TG19264A

Hình 24: Giản đồ thời gian của quá trình đọc một byte dữ liệu từ LCD

Hình 25: Giản đồ thời gian của quá trình ghi một byte dữ liệu vào LCD

Hình 26: Giản đồ thời gian của quá trình ghi một chuỗi thông tin vào LCD Hình 27: Quy trình chế thử sản phẩm cơ khí

Hình 28: Quy trình chế tạo hàng loạt sản phẩm cơ khí

Hình 29: Quy trình chế thử sản phẩm điện tử

Hình 30: Quy trình chế tạo hàng loạt sản phẩm điện tử

- Điều khiển quá trình cháy đảm bảo sao cho tiết kiệm nhiên liệu nhất

- Giám sát và điều khiển quá trình nung đốt nhằm giảm thiểu đến mức tối đa khí thải độc hại, bảo vệ môi trường và đặc biệt là bảo vệ sức khỏe cho con người

Hệ thống tự động hóa cho các CNNL thực hiện các chức năng đo lường, giám sát, điều khiển và quản lý các thông số công nghệ trong suốt quá trình nung đảm bảo được chính xác Đặc trưng cho công nghệ trong quá trình nung luyện là các

"đường cong nung" Đối với mỗi chủng loại sản phẩm đòi hỏi một chế độ nung

riêng và tương ứng với nó là một đường cong nung riêng Với các hệ thống điều khiển tự động hóa hiện đại, các đường cong nung chính là cơ sở dữ liệu lưu trữ trong các chương trình phần mềm của hệ thống Để hệ thống hoạt động đạt kết quả cao nhất, đòi hỏi có sự kết hợp chặt chẽ giữa các chuyên gia điều khiển tự động với các chuyên gia công nghệ trong lĩnh vực nung luyện

Ở góc độ công nghệ, CNNL gắn liền với công nghệ tự động hóa Trong điều kiện hội nhập kinh tế sâu sắc như hiện nay, để đảm bảo khả năng cạnh tranh trên thị trường trong nước và quốc tế, nhu cầu nâng cao chất lượng, giảm giá thành sản phẩm đang trở nên bức thiết hơn bao giờ hết Chính vì xu thế nêu trên, đòi hỏi phải giải quyết các vấn đề liên quan đến thiết kế, chế tạo và trang bị cho các cơ sở sản xuất các thiết bị hệ thống tự động hóa tối ưu, vừa tốt, vừa rẻ vừa thuận lợi trong khai thác sử dụng, bảo hành, bảo dưỡng và nhân rộng một cách chủ động, vừa đáp ứng tốt nhất các yêu cầu của CNNL để tạo ra các sản phẩm chất lượng cao giá rẻ, vừa đảm bảo không gây ô nhiễm môi trường

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SẢN XUẤT GỐM SỨ

Gốm sứ là những sản phẩm được tạo hình từ nguyên liệu dạng bột, khi nung ở nhiệt độ cao, chúng kết khối, rắn như đá và cho nhiều tính chất quý: cường độ cơ học cao, bền nhiệt, bền hóa, bền điện

Để sản xuất gốm sứ có được tính chất quý như trên, công nghệ sản xuất chúng ngày càng phức tạp và hiện đại hơn Những vấn đề cơ bản của kỹ thuật sản xuất gốm sứ tập trung chủ yếu vào các nội dung chính sau:

• Nguyên liệu để sản xuất

• Gia công và chuẩn bị phối liệu

• Tạo hình

• Nung

Nung là khâu rất quan trọng trong kỹ thuật sản xuất gốm sứ vì nó ảnh hưởng quyết định đến chất lượng và giá thành sản phẩm Năng lượng được sử dụng trong sản xuất sản phẩm gốm sứ hiện nay là điện, than, củi, gas Xu thế sử dụng lò gas đang tăng mạnh do các doanh nghiệp cần nâng cao chất lượng sản phẩm nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng cao ở trong nước và xuất khẩu Đa số các sản phẩm xuất khẩu đều được nung đốt bằng lò gas Nung bằng lò gas cho sản phẩm đạt chất lượng cao và đồng đều, tỷ lệ thành phẩm cao Tuy nhiên việc điều chỉnh nhiệt độ và các thông số công nghệ quyết định đến môi trường lửa trong quá trình nung hiện nay chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người thợ đốt lò

1 Quy trình nung các sản phẩm gốm sứ

1.1 Sấy sản phẩm

Trước khi nung, sản phẩm được sấy từ 1 đến 5 giờ, tuỳ thuộc vào chủng loại và kích cỡ của sản phẩm Các sản phẩm có kích cỡ lớn phải được sấy lâu hơn để tránh

bị nứt trong khi nung Mục đích của quá trình sấy là giảm độ ẩm trong sản phẩm nung, nhiệt độ sấy thường vào khoảng 2000C

Khi sấy, hơi ẩm sẽ thoát ra, nếu chúng thoát ra đột ngột, phần nước ở trên bề mặt hay sát bề mặt thoát ra dễ dàng nhưng hơi ẩm trong lòng sản phẩm thoát ra rất khó, do đó áp suất riêng ở những vị trí nước tập trung sẽ tăng đột ngột, nếu áp suất

đó vượt quá lực liên kết của các hạt sét sẽ gây nên hiện tượng nổ sản phẩm ngay trong lúc sấy Vấn đề chủ yếu của kỹ thuật sấy là tìm biện pháp để rút ngắn thời gian sấy, giảm diện tích sấy và tăng năng suất Kinh nghiệm thực tế cho thấy chi phí cho quá trình sấy chiếm tỷ lệ khá cao trong giá thành sản phẩm Đối với các dạng sản phẩm, đặc biệt loại có kích thước lớn, dày, hình dạng phức tạp thì khâu sấy càng quan trọng, nếu để xảy ra sự cố ở giai đoạn này sẽ dẫn đến hư hỏng toàn

bộ sản phẩm trong lúc nung

1.2 Nung sản phẩm

Hiện tượng kết khối

Kết khối là quá trình giảm bề mặt (bên trong và bên ngoài hay ở chỗ tiếp xúc với nhau) của các phân tử vật chất do xuất hiện hay phát triển mối liên kết giữa các hạt Do sự biến mất của lỗ xốp trong vật liệu để hình thành một khối vật thể với thể tích bé nhất Quá trình giảm bề mặt ngoài xẩy ra đồng thời với sự xuất hiện hay tăng cường các cầu nối giữa các hạt, vật thể dưới tác dụng của áp suất hay nhiệt độ Trong quá trình kết khối thể tích của hệ giảm dần các lỗ xốp sẽ được lấp đầy và biến thành lỗ xốp kín rồi tách ra Độ xốp còn lại khoảng 10% thì quá trình kết khối chậm lại xong không dừng hẳn Nếu độ xốp đạt khoảng 8-10% thì các hạt không bị ngăn cách bởi các bọt khí nữa mà tiếp xúc với nhau, khi đó bắt đầu quá trình tái kết tinh Nếu duy trì lâu hay tăng nhiệt độ thì thể tích các hạt có thể đạt và vượt kích thước các hạt vật liệu ban đầu khoảng 2-3 lần

Cũng ở giai đoạn này trong sản phẩm nung thường tồn tại pha khí, chúng tạo ra

lỗ xốp kín Mặt khác, hình dạng và kích thước các hạt rắn rất khác nhau, bản chất

hoá học của nó cũng khác nhau Điều hết sức quan trọng và là điều chúng ta mong muốn là sau khi nung, cấu trúc của sản phẩm đạt được sự đồng đều về cách phân

bố, cùng với sự xuất hiện các kẽ nứt nhỏ trên bề mặt các hạt rắn có ý nghĩa rất lớn - ảnh hưởng mạnh đến tính chất của sản phẩm nhất là độ bền cơ học, độ bền nhiệt và tính năng về điện [1, tr.76-80]

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Thành phần khoáng vật chỉ giữ vai trò phân bố thành phần hoá và các đặc trưng diễn biến, các thay đổi trung gian dưới tác dụng của nhiệt độ và do đó có ảnh hưởng đến quá trình hình thành pha tinh thể mới trong quá trình nung

2.2 Kích thước và thành phần hạt

Kích thước và thành phần hạt chẳng những có tác dụng đến việc sắp xếp các hạt vật chất trong sản phẩm lúc mới tạo hình mà còn là nhân tố khá quan trọng ảnh hưởng đến quá trình kết khối Trong công nghiệp gốm sứ khi phân loại sản phẩm

đã phân chia ra gốm thô, gốm mịn thì ở mức độ nhất định đã thừa nhận vai trò và tác dụng của thành phần và kích thước hạt Nói chung kích thước các hạt càng bé, phối liệu càng kết khối tốt, nếu kích thước hạt đạt độ mịn mong muốn có thể hạ thấp nhiệt độ nung cực đại đến khoảng 200C–350 C

2.3 Nhiệt nung cực đại và thời gian ủ

Chúng ta biết rằng nhiệt độ nung hợp lý (tmax) và thời gian ủ là yếu tố cơ bản,

có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng sản phẩm nung và chính lại do thành phần

rắn hay ở giai đoạn đầu là kết khối pha rắn song cuối cùng lại xuất hiện thêm pha lỏng Trường hợp kết khối có mặt pha lỏng thì lượng và đặc biệt là các tính chất của nó quyết định điều kiện nung

Nhiệt độ nung hợp lý (lý thuyết) có thể tính toán được khi biết thành phần hoá học nhưng tốt nhất là xác định bằng thực nghiệm khi nghiên cứu mẫu nhỏ

Nhiều công trình nghiên cứu đều rút ra kết luận: chẳng những nhiệt độ nung cuối cùng mà còn thời gian lưu sản phẩm ở nhiệt độ đó cũng ảnh hưởng rất lớn tính chất của mẫu nung, thời gian ủ ngắn quá hay kéo dài đều ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm nung

Với phối liệu có khoảng kết khối hẹp nên nung ở nhiệt độ nung thực thấp hơn nhiệt độ nung lý thuyết từ 200C – 300C và kéo dài thời gian ủ ở nhiệt độ đó lâu hơn Phối liệu có khoảng kết khối rộng cho phép nung ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ

lý thuyết 200C – 300C song rút ngắn thời gian ủ ở nhiệt độ đó một ít vẫn thu được sản phẩm tốt đồng thời giảm được năng lượng tiêu tốn cho một đơn vị sản phẩm

2.4 Tốc độ thay đổi nhiệt độ

Tốc độ nâng nhiệt độ lúc nung sản phẩm gốm sứ phụ thuộc chủ yếu là quá trình biến đổi các cấu tử trong phối liệu theo nhiệt độ và đặc tính của từng loại sản phẩm, tuỳ thành phần khoáng vật của phối liệu mà ứng với các khoảng nhiệt độ, nhất định, sẽ xảy ra quá trình biến đổi thù hình, hiệu ứng thu, toả nhiệt phản ứng hoá học, kết khối, xuất hiện pha lỏng v.v ứng với quá trình trên trong sản phẩm vật chất có các trạng thái khác nhau: cấu trúc thay đổi, lực liên kết giữa chúng cũng khác nhau Do đó nếu tốc độ nâng nhiệt độ không hợp lý sẽ dẫn đến các dạng khuyết tật, thậm chí sản phẩm bị phá huỷ hoàn toàn (sứ cách điện, sứ vệ sinh lúc nung dễ bị nổ tung nếu nâng nhiệt độ quá nhanh)

Nói chung sản phẩm lớn, thành dày, hình dáng phức tạp phải nâng nhiệt độ từ từ; loại sản phẩm bé, mỏng đơn giản cho phép nâng nhanh nhiệt độ

Ứng với các khoảng nhiệt độ có các hiệu ứng đột biến (bao gồm cả biến đổi thù hình, phân huỷ ) thì tuỳ trường hợp cụ thể nâng chậm hay nhanh hoặc lưu ở nhiệt

độ nào đó nếu cần Trong thực tế sản xuất, khi xây dựng quy trình nung nói chung

và tốc độ nâng nhiệt nói riêng cần quan tâm đúng mức đến cấu tạo và loại lò nung Nếu lò lớn, chênh lệch nhiệt độ trong các vùng khác nhau nhiều, nếu nâng nhanh

sẽ không tránh khỏi phế phẩm

Ngoài các điều đã nêu ở trên cũng cần lưu ý thêm là đặc tính của sản phẩm cũng đòi hỏi phải xây dựng quy trình nung hợp lý Sản phẩm nung một lần hay nung hai lần có tráng men hay không, nung trong bao hay nung trần đều đòi hỏi quy trình nung riêng nhằm đảm bảo chất lượng cao nhất đồng thời tiêu tốn nhiên liệu ít nhất

Nung sứ tráng men muốn men bóng láng, không có bọt men ở giai đoạn

9000C - 10000C nhất thiết phải lưu vài ba giờ và duy trì môi trường oxy hoá mạnh (lượng O2 dư trong khí thải đủ lớn)

Nhìn chung đối với sản phẩm gốm sứ loại đơn giản thành mỏng, khối lượng bé thì việc nâng nhiệt độ lúc nung ít nguy hiểm bằng việc hạ nhiệt độ không hợp lý lúc làm nguội Tốc độ làm nguội chẳng những có ảnh hưởng đến việc phát triển các tinh thể rắn mà còn liên quan đến sự xuất hiện ứng xuất nội trong sản phẩm chứa pha thuỷ tinh, pha lỏng khi hạ nhiệt độ sẽ chuyển từ trạng thái dẻo nhớt sang dòn kèm theo có thể tích lớn, nếu co không đều (ngoài nguội nhanh, co trước) gây ứng suất làm nứt vỏ sản phẩm là loại lớn, dày và phức tạp Trường hợp pha rắn có mặt các khoáng chất có đặc tính biến đổi thù hình mãnh liệt sẽ làm thay đổi cấu trúc và thể tích ở giai đoạn chuyển pha lại càng nguy hiểm nếu chế độ làm nguội không hợp lý Thông thường pha thuỷ tinh trong sản phẩm gốm sứ chuyển từ trạng thái dẻo nhớt sang giòn trong phạm vi 900C – 8000C, do đó từ nhiệt độ nung cực đại đến khoảng 9500C được phép làm nguội nhanh, sau đó tốc độ làm nguội giảm

2.5 Môi trường khí

Trong quá trình nung sản phẩm gốm sứ, môi trường khí giữ vai trò quan trọng

vì nó có thể làm thay đổi thành phần hoá học và kéo theo là làm thay đổi tính chất của sản phẩm

Tuỳ loại sản phẩm trong giai đoạn nung mà điều chỉnh môi trường cần thiết cho chính xác: oxy hoá, khử, trung tính, chân không hay các khí bảo vệ khác (với gốm đặc biệt có thể nung trong môi trường khí O2, N2, v v)

Khi nung sứ dân dụng ở giai đoạn 9000C -10500C thường duy trì oxy nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ có trong nguyên liệu

Ở giai đoạn 10500C – 13000C cần duy trì môi trường khử (dư CO) là nhằm khử màu nâu của Fe3+ sang dạng Fe2+ để sứ trắng hơn:

Fe2O3 + CO → 2FeO + CO2

Theo Bowen thì FeO dễ phản ứng có SiO2 để tạo thành sắt silicat dễ nóng chảy:

FeO + SiO2 →FeO.SiO2

hay 2FeO + 2SiO2 →2 FeO.SiO2

Các silicat đó nóng chảy ở 11700 C và 12050 C

Ở nhiệt độ cao nếu FeO ở dạng tự do (chưa phản ứng kịp với SiO2 và dư O2 thì Fe2+ lại dễ chuyển thành Fe3+:

4 FeO + O2 ↔ 2 Fe2O3

và ngay cả sắt silicat cũng có khả năng sau:

2(2FeO.SiO2) + O2 → 2 Fe2O3 + 2SiO2

Khi trong môi trường tồn tại hợp chất sunfat thì ở nhiệt độ trên 13000 C còn

có phản ứng:

2Fe2O3 → 4FeO + O2

3Fe2O3 → 2Fe3 O4 + ½O2

Như vậy nếu duy trì môi trường không đúng thì chẳng những sứ không đạt được màu sắc mong muốn mà còn có thể gây nên bọt men Hàm lượng CO dư ở giai đoạn khử trong lò cần từ 2% – 5%

Trong phạm vi nhiệt độ cao, còn có khả năng xảy ra phản ứng:

Khi đó các hạt cacbon sẽ bám vào bề mặt sản phẩm, đó là nguyên nhân gây ra dạng khuyết tật chấm đen; vì vậy nếu sứ chỉ nung ở nhiệt độ thấp hơn 13000C thường tráng men đục và nung trong môi trường Oxy hay trung tính [1, tr.81-86] Đối với người sử dụng và qua thực tế khảo sát, do không có đầy đủ công cụ để ghi chép và đánh giá các thông số trong từng mẻ đốt nên đường cong nung không

rõ ràng Các tiêu chí về thông số công nghệ cho từng giai đoạn không có, việc điều khiển môi trường lửa chỉ thông qua kinh nghiệm nhìn màu sắc của môi trường trong lò mà điều khiển lượng khí ga đưa vào và khống chế đường thoát khí ra (thông qua ống khói)

Việc điều khiển mang tính kinh nghiệm như vậy gặp nhiều hạn chế như: chất lượng sản phẩm không đồng đều giữa các mẻ đốt, không đánh giá được mức tiêu hao năng lượng trong quá trình đốt, không làm chủ được quy trình công nghệ tiến tới hoàn thiện công nghệ nung, không kiểm soát được ô nhiễm môi trường và tác hại tới sức khỏe con người, không phù hợp với xu thế của thời đại

3 Nguồn gốc, xuất xứ, công nghệ lựa chọn của dự án

3.1 Thực trạng công nghệ và kỹ thuật hiện có tại Việt nam

Hiện tại ở Việt Nam chưa có cơ sở nào sản xuất “Hệ thống tự động hoá công nghệ nung các sản phẩm gốm sứ” như dự án Qua tìm hiểu cho thấy, hiện tại nhà máy sứ Hải Dương có mua một thiết bị điều khiển của nước ngoài có tính năng tương tự Tuy nhiên sau thời gian hoạt động hệ thống đã bộc lộ những nhược điểm như khó bảo trì, bảo dưỡng (do không có chuyên gia kỹ thuật, cũng như vật tư thiết

đa dạng sản phẩm của nhà máy, càng không phù hợp với các làng nghề thủ công

mỹ nghệ của Việt Nam

3.2 Nguồn gốc, cơ sở, quan điểm thiết kế các thành phần trong hệ thống

Sản phẩm của dự án là kết quả của đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước:

“Nghiên cứu xây dựng giải pháp tối ưu và thiết kế chế tạo hệ thống tự động hoá các công nghệ nung luyện” thuộc chương trình khoa học công nghệ cấp nhà nước,

mã số KC03.19 Đề tài này đã nghiệm thu ngày 14 tháng 04 năm 2007

Dự án được thực hiện trên cơ sở các quyết định:

- Quyết định số 2557/QĐ-BKHCN ngày 02/11/2007 về việc phê duyệt các tổ chức, cá nhân trúng tuyển chủ trì thực hiện các đề tài, dự án SXTN năm 2008 (đợt I) Thuộc chương trình Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ tự động hoá,

mã số KC.03/06-10

- Quyết định số: 434/QĐ-BKHCN ngày 20/03/2008 về việc phê duyệt kinh phí 01 dự án sản xuất thử nghiệm bắt đầu thực hiện năm 2008 thuộc chương trình KH&CN trọng điểm cấp nhà nước giai đoạn 2006-2010 Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ tự động hoá, mã số KC.03/06-10

- Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số: DACT- KC.03/06-10, ký ngày 24 tháng 04 năm 2008

Đề tài cấp nhà nước KC.03.19 (Xuất xứ của dự án) đã thiết kế, chế tạo ra “hệ thống tự động hoá công nghệ nung các sản phẩm gốm sứ” hoàn chỉnh, với các thành phần của hệ thống bao gồm cả phần cứng và phần mềm Hệ thống đã đi vào thực tế sử dụng và mang lại hiệu quả thiết thực Các nội dung chính mà đề tài đã thực hiện là:

Thiết kế được mô hình hệ thống điều khiển tự động hoá các công nghệ nung luyện và các thành phần của hệ thống

Thiết kế và tạo ra bộ chương trình phầm mềm điều khiển cho hệ thống

Xây dựng đường cong công nghệ cho một loại lò nung

Như vậy đề tài đã giải quyết được vấn đề tự động hoá công nghệ nung các sản phẩm gốm sứ Các sản phẩm của đề tài chính là hệ thống thiết bị và hệ thống phần mềm để thực hiện nhiệm vụ đó bao gồm:

a) Các thiết bị là cơ cấu chấp hành:

• Cơ cấu chấp hành (CCCH) điều khiển lưu lượng khí đốt

• CCCH điều khiển lưu lượng khí thải

• Mỏ đốt tự động trộn khí

• Thiết bị hút gió và làm mát phục vụ đo nồng độ khí thải

• Tủ vỏ hộp cho hệ thống

b) Các thiết bị là bảng mạch, module điện tử:

• Trung tâm thu thập số liệu và điều khiển

• Màn hình giao diện và điều khiển

• Thiết bị đo lường các thông số công nghệ

• Thiết bị đo và giám sát thành phần khí thải

• Thiết bị điều khiển van nạp khí đốt

• Thiết bị điều khiển cửa thoát khí

c) Phần mềm hệ thống

• Phần mềm thu thập số liệu

• Phần mềm điều khiển hệ thống

• Xây dựng đường cong công nghệ cho một loại lò

Chuyển sang giai đoạn dự án, cần giải quyết về công nghệ các nội dung sau:

• Nội địa hóa SP, làm chủ quy trình công nghệ và các thông số kỹ thuật

• Ổn định chất lượng sản phẩm, chủng loại sản phẩm Nâng cao số lượng SP cần sản xuất để khẳng định công nghệ và hạ giá thành sản phẩm

• Hoàn thiện phần mềm với tính năng mở, giúp cho người vận hành dễ thao tác sử dụng và tự hoàn thiện

3.3 Mục tiêu và công nghệ lựa chọn của dự án

Công nghệ chế tạo “hệ thống tự động hoá công nghệ nung các sản phẩm gốm sứ” mà dự án lựa chọn sử dụng là các thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực đo lường điều khiển và chế tạo gia công cơ khí Công nghệ hoàn toàn do chuyên gia trong nước xây dựng và làm chủ, cho phép sản xuất ra các sản phẩm hiện đại, chất lượng cao tương đương với các sản phẩm cùng loại của nước ngoài có cùng tính năng, giá thành hạ, phù hợp với trình độ và điều kiện trong nước

Trên quan điểm điều khiển, đã tính đến các yếu tố đặc thù của lò nung mang tính truyền thống, kết hợp với kinh nghiệm của các nghệ nhân để xây dựng mô hình động học cho đối tượng điều khiển Sử dụng phương pháp của lý thuyết điều khiển hiện đại để tổng hợp hệ thống nhằm đáp ứng tốt nhất các yêu cầu công nghệ nung Các chỉ tiêu tối ưu do công nghệ mang lại đối với người sử dụng là:

Giai đoạn đầu của quá trình nung (sấy khô sản phẩm) phải điều khiển chính xác tốc độ tăng nhiệt để chống méo, nứt, rỗ bề mặt sản phẩm, đồng thời tiết kiệm thời gian cho giai đoạn này

Các giai đoạn nung ở môi trường oxi hoá: đảm bảo cho nhiệt độ tăng lên theo đường cong công nghệ mà vẫn giữ được môi trường oxi hoá

Các giai đoạn khử: đảm bảo có chế độ khử, thời gian khử và duy trì tốc độ tăng nhiệt theo đường công nghệ trong quá trình khử

Giai đoạn trung tính: đảm bảo khí cháy hết và ổn định nhiệt

Thiết bị đo lường và điều khiển phải đơn giản, tin cậy, dễ thao tác, có độ chính xác hợp lý và giá thành phù hợp

Tính phù hợp của công nghệ đối với phương án sản xuất và yêu cầu thị trường Sản phẩm của dự án được thiết kế trên cơ sở có tính đến các điều kiện đặc thù

về môi trường, cũng như yếu tố con người, nhằm đảm bảo phù hợp với mục đích

sử dụng trong các làng nghề Việt nam

Chương 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG

1 Sơ đồ cấu trúc và các module của hệ thống

1.1 Sơ đồ cấu trúc

Mô hình tổng quát cho một hệ thống có cấu hình đầy đủ như sau:

MODULE KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ MODULE ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

SENSOR

ĐO NHIỆT

ĐỘ

MODULE VI XỬ LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

CCCH CỬA THOÁT KHÍ

1.2 Module CPU (khối xử lý trung tâm)

Bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển trung tâm dspic33FJ256 MC710

Các đặc điểm cơ bản của vi điều khiển dsPIC33FJ256

Đây là một dòng chip dsp 16 bit, có khả năng xử lý tín hiệu số khá mạnh,với 8 kênh DMA (Direct Memory Access) cho phép ta thực hiện các bộ lọc số, các phép nhân chập với tốc độ rất nhanh ( ví dụ như bộ lọc IIR, bộ lọc FIR, hoặc phép toán FFT 1024 điểm)

Tốc độ làm việc tối đa lên đến 40 MIPS (triệu lệnh trong 1 giây)

Với 9 bộ Timer 16 bit và 1 bộ Watchdog Timer giúp cho ta xử lý các bài toán điều khiển với tính năng thời gian thực

dsPIC33FJ256MC710 (MC : Motor control family) đây còn là một dòng IC chuyên dụng trong điều khiển động cơ với 8 kênh PWM vì vậy chỉ cần ghép với mạch công suất là ta có thể điều khiển động cơ 1 chiều, động cơ xoay chiều 3 pha hoặc động cơ bước Vì là dòng chip điều khiển động cơ nên tính kháng nhiễu rất cao

dsPIC33FJ256MC710 được thiết kế dưới dạng chip dán 100 chân,trong đó có thể sử dụng tối đa được 85 chân I/O

Hình 2 Sơ đồ chân

Hình 3 Sơ đồ khối chung của dspic33FJ256 MC710

Với bộ nhớ chương trình FLAT là 256K, bộ nhớ Ram 30K cho phép ta thực hiện được các bài toán phức tạp Một đặc điểm nổi bật là ta có thể ghi xoá vào bộ nhớ chương trình ngay trong lúc làm việc tương tự như bộ nhớ EEPROM, nhưng tốc độ ghi xoá nhanh hơn so với sử dụng bộ nhớ EEPROM nhiều lần

Trên chip có 24 kênh ADC 12 bit với tốc độ tối đa 500Ksp, vì vậy việc thực hiện các bài toán đo lường trở lên đơn giản

Hình 4 Sơ đồ khối kênh đọc ADC

Chip có thể hoạt động bằng nguồn dao động nội ở tần số tối đa 80Mhz, với tính năng này giúp cho nó có thể hoạt động tốt trong môi trường có độ ẩm cao

* Các tính năng khác

- Điện áp hoạt động từ 3 – 3.6v

- Dải nhiệt độ làm việc : -40°C to +85°C

- Độ rộng bus dữ liệu là 16 bit, độ rộng của bus chương trình là 24 bit

- Tập lệnh của dsPIC33FJ256 gồm 83 lệnh, mỗi lệnh được nằm trong 1 word (gồm 2 byte), và hầu hết chỉ thực hiện trong một chu kì CPU

- Với 2 thanh ghi tinh toán 40 bit có khả năng làm việc song song , có thể thực hiện phép nhân 16 bit x 16 bit trong một chu kì CPU, thực hiện phép chia 32bit cho

16 bit trong 18 chu kì CPU

- Có 1 Module đọc encoder, Module điều chế độ rộng xung PWM với 8 kênh

Hình 5: Sơ đồ cấu trúc khối đọc Encorder

- Trên chip có 4 chuẩn truyền thông nối tiếp UART, CAN, I2C, SPI Mỗi chuẩn có tới 2 modul, tổng cộng là có 8 modul truyền thông nối tiếp

- Có 118 vectơ ngắt (trong đó có 5 nguồn ngắt ngoài),với 7 mức ưu tiên khác nhau

* Công cụ lập trình cho vi điều khiển

Lập trình bằng ngôn ngữ C thông qua phần mềm MPLAB C30

MPLAB C30 cung cấp rất nhiều thư viện để phục vụ cho việc lập trình được thuận lợi Ngoài ra, MPLAB C30 còn cho phép chúng ta lập trình trực tiếp bằng ngôn ngữ Assembler bằng cách soạn thảo trên một files

Đặc biệt MPLAB C30 còn cho phép ta thiết lập cấu hình cho chip một cách rất trực quan, điều này giúp cho người lập trình tiếp cận đối tượng rất nhanh chóng, không cần mất nhiều thời gian nghiên cứu các chế độ của những thanh ghi điều khiển

Hình 6: Thiết lập cấu hình trực quan

Lập trình bằng Matlab Simulink

Ta có thể thiết kế hoạt động của vi mạch trên Matlab Simulink, việc này giúp cho các lập trình viên rút ngắn thời gian lập trình, có thể thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp (ví dụ như các bộ PID số, các bộ lọc số v v) Ngoài ra ta có thể sử dụng code mà Matlab tạo ra và chỉnh sửa lại theo ý của riêng mình thông qua phần mềm MPLAB C30

Hình 7: Tạo hàm điều khiển PID và các bộ lọc trên Matlab Simulink

1.3 Module khuếch đại tín hiệu

• IC khuyếch đại AD620 dùng để khuyếch đại tín hiệu nhỏ

Đây là loại IC khuyếch đại chuyên dụng của hãng Analog devices thường dùng trong các thiết bị đo lường có độ chính xác cao

Thông số kỹ thuật:

- Hệ số khuyếch đại có thể thay đổi từ 1 đến 1000

- Độ trôi theo nhiệt độ khá nhỏ 0.6 µV/ºC

- Cấu trúc bên trong IC tương đương với 3 IC khuyếch đại mắc theo sơ đồ vi sai

- Điện áp hoạt động từ ±2.3 V đến ±18 V

- Hệ số khuyếch đại được tính theo công thức sau:

Trong đó RG là điện trở nối giữa chân 1 và 8

Hình 8: Sơ đồ chân của IC AD620

• IC thời gian thực DS1307

Đây là IC đồng hồ thời gian, nó cung cấp Giây, Phút, Giờ, Thứ, Ngày, Tháng, Năm

X1,X2 là chân nối thạch anh tần số 32,768kHz

VBAT là chân nối với pin 3V ( Dải cho phép :2V đến 3,5V)

GND nối với nguồn 0v

VCC nối với nguồn 5V ( Dải cho phép :4,5V đến 5,5V)

SQW/OUT là chân đưa ra xung vuông

SCL là chân nhận xung nhịp đồng bộ truyền thông theo chuẩn I2C

SDA là chân dữ liệu truyền thông theo chuẩn I2C

Hình 9: Sơ đồ chân của IC DS1307

Hình 10: Sơ đồ khối của IC DS1307

IC có 7 byte lưu thông tin về thời gian và 58 byte Ram nhưng không bị mất thông tin ngay cả khi không có nguồn cung cấp, do thiết bị vẫn được duy trì bằng pin 3V

Năng lượng tiêu thụ từ pin rất nhỏ chỉ khoảng 500nA, với một viên pin dung lượng 48mAh thì đồng hồ có thể hoạt động trong 10 năm

Trên đường truyền thông I2C có thể có nhiều thiết bị Slave và một master, đường dây SCL và SDA phải được nối với điện trở 10K treo lên điện áp nguồn

Hình 11: Địa chỉ vùng nhớ của IC DS1307

Hình 12: Sơ đồ đấu nối với vi điều khiển

Hình 13: Giản đồ xung của quá trình ghi đọc 1 byte

Hình 14: Giản đồ xung của quá trình ghi thông tin thời gian vào IC

Hình 15: Giản đồ xung của quá trình đọc thông tin thời gian từ IC

• IC đo nhiệt độ môi trường ds18b20

Để đo chính xác nhiệt độ từ cặp nhiệt điện ta phải đo nhiệt độ môi trường để bù vào DS18b20 là IC đo nhiệt độ môi trường có độ chính xác cao và không cần Calib

Điện áp hoạt động : 3V – 5,5V

Dải nhiệt độ đo được : -55ºC đến 125ºC

Độ phân dải của phép đo là 12bit tức là 0,0625ºC và sai số tối đa của phép đo

là ± 0.5º

Hình 16: Sơ đồ khối của IC Ds18b20

Bảng 1: Bảng quy đổi 12 bit từ số Hexa sang nhiệt độ

Hình 17: Sơ đồ khối IC UNL2803

Hình 18: Giản đồ thời gian của IC UNL2803

Với điện trở tải là 50Ω thì độ trễ khi đóng < 5nS, độ trễ khi cắt < 10 ns

• Transitor cách ly (opto) PC817

Đặc điểm:

- Độ cách điện 5000V

- Dòng điện qua diot để mở transitor là 5mA

- Thời gian trễ đóng cắt tối đa là 18 µs

1.4 Module điều khiển cơ cấu chấp hành

• IC điều khiển động cơ một chiều L298

Hình 20: Sơ đồ chân vi mạch L298 Hình 19: Sơ đồ chân và giản đồ thời gian của đặc tính vào ra

Đặc điểm:

- Điện áp hoạt động 50V

- Có khả năng điều khiển đồng thời hai động cơ

- Dòng điện cấp cho mỗi động cơ đạt tối đa 2A

- IC có khả năng bảo vệ quá dòng

- Có khả năng đảo chiều và hãm động cơ

- Out1, Out2 là chân ra điều khiển cho động cơ 1

- In1, In2 là chân vào chọn chiều điều khiển cho động cơ 1

- EnA là chân cho phép chạy của động cơ 1

- Out3, Out4 là chân ra điều khiển cho động cơ 2

- In1, In2 là chân vào chọn chiều điều khiển cho động cơ 2

- EnB là chân cho phép chạy của động cơ 2

Hình 21: Sơ đồ mạch logic mạch L298

Bảng 2: Bảng chân lý cho động cơ thứ nhất

In1 = 1 , In2 = 0 Chạy thuận In1 = 0 , In2 = 1 Chạy ngược

En A= 1

đến đầu In1, In2

không cấp nguồn cho động cơ

Bảng 3: Bảng chân lý cho động cơ thứ hai

In3 = 1 , In4 = 0 Chạy thuận In3 = 0 , In4 = 1 Chạy ngược

En B= 1

đến đầu In3, In4

không cấp nguồn cho động cơ

1.5 Khối nguồn

Căn cứ vào thông số và chỉ tiêu kỹ thuật đã thiết kế của các Module điện tử; công suất động cơ của cơ cấu chấp hành đã tính chọn Ta tính được thông số nguồn điện cần thiết với các chỉ tiêu kỹ thuật như sau :

- Điện áp đầu vào: 220 – 240V Công suất lớn nhất 100W

Trong đó:

- VSS là nguồn 0V

- VDD là nguồn +5V

- V0 là điện áp chỉnh độ đậm nhạt

- RS là chân reset cho LCD

- R/W là chân điều khiển hướng, cho phép đọc hay ghi dữ liệu Ở mức cao thì LCD cho phép đọc, mức thấp thì LCD cho phép ghi

- E là chân cho phép của dữ liệu

- D0 đến D7 là tám chân dữ liệu

- CS1 là chân chọn khối điều khiển KS0108 thứ nhất

- CS2 là chân chọn khối điều khiển KS0108 thứ hai

- CS3 là chân chọn khối điều khiển KS0108 thứ ba

- VEE là chân đưa ra điện áp -10V để cung cấp cho chân V0

LCD TG19264A sử dụng 3 khối điều khiển KS0108 (mỗi khối điều khiển 64 cột) để điều khiển 192 cột và sử dụng 1 khối KS0107 để điều khiển 64 hàng

Hình 22: Sơ đồ kích thước và thứ tự chân của LCD TG19264A

Hình 23: Sơ đồ các khối điều khiển bên trong LCD TG19264A

Hình 24: Giản đồ thời gian của quá trình đọc một byte dữ liệu từ LCD6

Hình 25: Giản đồ thời gian của quá trình ghi một byte dữ liệu vào LCD

Bảng 4: Địa chỉ các điểm ảnh trên LCD

Khởi tạo các thông số

- Khởi tạo tần số hoạt động của chip

- Khởi tạo cổng COM

- Khởi tạo ngắt Timer, ngắt nhận số liệu từ máy tính

- Khởi tạo thẻ nhớ

- Khởi tạo Ic thời gian thực ds1307

- Khởi tạo Ic đo nhiệt độ môi trường ds18B20

- Khởi tạo LCD

- Khởi tạo ADC

- Đọc các bảng Calib từ bộ nhớ chương trình

Thu thập và xử lý số liệu

Xử lý giao diện giữa người - máy

Kiểm tra ĐK Calib thiết bị từ bàn phím

Calib thiết bị từ

bàn phím

Truyền thông với máy tính

Điều khiển quá trình nung

Lưu đồ thuật toán chương trình thu thập và xử lý số liệu

Bắt đầu

Từ bảng Calib, sử dụng phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn để tính ra các giá trị đo thực tế

Kết thúc

Đọc các giá trị ADC 12bit

Thời gian sao lưu T > 5 phút

- Ghi các giá trị đo được vào thẻ nhớ

- Khởi tạo lại bộ đếm thời gian

sao lưu T = 0

Y

N

Lưu đồ thuật toán chương trình xử lý giao diện giữa người – máy

hình LCD

Lưu đồ thuật toán chương trình truyền thông với máy tính

Nhận bài nung từ máy tính

Byte nhận = 150 Y Truyền bài nung lên máy tính

Byte nhận = 160 Truyền các kết quả đo được tức thời lên máy tính

Byte nhận = 165 liệu của một quá trình nung Đọc thẻ nhớ và truyền dữ

N

Truyền các giá trị ADC đo

được tức thời lên máy tính Y

Kết thúc