Hồ sơ chuẩn hóa module đo báo tập trung các két dầu

Với sự ứng dụng của toán học và phần mềm máy tính đã đưa ra các phương pháp thiết kế bộ điều khiển để hệ kỹ thuật vẫn đảm bảo các tính năng sử dụng khi có tác động của nhiễu và sai số, t

công ty cơ khí - điện - điện tử tàu thủy _

Chương trình KHCN cấp nhà nước KC 06

"ứng dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuất sản phẩm xuất

khẩu và sản phẩm chủ lực"

Dự án

Chế tạo một số phần tử và thiết bị điều khiển,

đo lường quan trọng trên tàu thủy bằng phương pháp chuẩn module và ứng dụng

các công nghệ tiên tiến

Mã số KC 06 DA.13.CN

Chuyên đề: hồ sơ chuẩn hóa:

module đo báo tập trung các két dầu

kS phạm thị thu phương

5473-20

Hà Nội - 5/2005

Mục lục

Lời nói đầu 3

Chương I Giới thiệu chung 4

1.1 Tổng quan về đo lường, điều khiển và tự động 4

1.2 Vai trò và ứng dụng đo lường, điều khiển và tự động trên tàu thuỷ 6

1.3 Yêu cầu thiết bị lắp đặt trên tàu 8

Chương II Hiện trạng ngành công nghiệp tàu thuỷ 9

Việt Nam 9

2.1 Tình hình ứng dụng KHCN trên tàu của Việt Nam 9

2.2 Đặc điểm đo lường, điều khiển và tự động trên các tàu thủy đang hoạt động tại Việt Nam 10

2.3 Hướng phát triển đo lường, điều khiển tự động trên tàu thuỷ của Việt Nam trong những năm tới 13

Chương III Nội dung hoàn thiện thiết kế kỹ thuật 16

3.1 ứng dụng số hoá 16

3.2 ứng dụng xử lý số vào xử lý thông tin đo 17

3.3 ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp 21

3.4 Chuẩn hoá vào ra (I/O) 25

Chương IV 28

nội dung hoàn thiện thiết kế công nghệ và công nghệ chế tạo 4.1 Phần mềm thiết kế 28

4.2 Công nghệ phủ Epoxy 29

4.3 Công nghệ làm mạch in và thiết kế vỏ hộp 36

a Công nghệ làm mạch in 36

b Công nghệ làm vỏ hộp 40

Chương V Chuẩn về mẫu mã và kiểu dáng công nghiệp42 5.1 Chuẩn về kích thước hộp và panel 42

5.2 Chuẩn về jack đấu và ốc xiết cáp 43

5.3 Chuẩn về các thiết bị lắp đặt trên mặt panel 43

5.4 Chuẩn về Font chữ và các ký hiệu 43

Chương VI 45 Nội dung thiết kế và chế tạo chuẩn module

đo báo mức các két Dầu

6.1 Chức năng của module 45

6.2 Sơ đồ khối tổng quan 45

6.3 Nguyên lý làm việc của module 47

6.4 Sai số và xử lý tín hiệu đo 48

a Các sai số gặp phải trong quá trình thiết kế 48

b Xử lý tín hiệu đo 49

c Bù sai số 51

6.5 Quá trình thử nghiệm và chế tạo hoàn chỉnh 52

a Thử nghiệm tại xưởng 52

b Qui trình bảo vệ mạch bằng epoxy 53

c Thử nghiệm tại hiện trường 54

d Bảo dưỡng và duy trì hoạt động 55

Chương VII Hướng dẫn sử dụng và lắp đặt 57

7.1 Giao diện thiết bị 57

7.2 Phạm vi ứng dụng của module 59

Kết luận 62

Phụ lục 63

Bản đấu lắp dây chi tiết: 63

Sơ đồ tổng quan của main xử lý: 64

Lưu đồ giải thuật: 65

Phần mềm: 71

Tài liệu tham khảo 79

Lời nói đầu

Ngành vận chuyển hàng hải là một ngành vận chuyển quan trọng

của mỗi quốc gia Phương tiện chủ yếu để vận chuyển là tàu thuỷ, vì vậy

việc hiện đại hoá công nghiệp tàu thuỷ sẽ đẩy mạnh việc giao lưu hàng hoá

giữa các quốc gia với nhau Đặc biệt đây là phương tiện vận chuyển hàng

hoá trọng tải nặng, với khối lượng vận chuyển lên đến hàng trăm nghìn

tấn

Hiện tại, ở Việt Nam ngành công nghiệp còn hạn chế ở nhiều mặt, thể

hiện ở việc chế tạo các trang thiết bị trên tàu thuỷ với tỷ lệ nội địa hoá các

thiết bị này là rất thấp Nhà Nước và Chính Phủ có chủ trương triển khai

cho tổng công ty tàu thuỷ Việt Nam dần dần nội địa hoá các sản phẩm để

thay thế được các sản phẩm ngoại nhập Đáp ứng yêu cầu đó dự án nghiên

cứu khoa học KC.06.DA.13.CN được acông ty Cơ khí Điện Điện tử tàu thuỷ

(Vinamarel) triển khai Dự án này nhằm chế tạo các thiết bị đo lường, điều

khiển và tự động phục vụ trên tàu Mục tiêu đề ra của dự án là hoàn thiện

công nghệ vốn có trên các tàu thuỷ cùng với chế tạo mới các thiết bị đã lạc

hậu Yêu cầu đề ra của các sản phẩm này phải có tuổi thọ và độ tin cậy cao,

giá thành thấp hơn nhiều so với nhập ngoại

Trong chuyên đề này giới thiệu qui trình thiết kế và hoàn thiện

module đo báo mức 15 két dầu Có khả năng giao tiếp với mạng toàn tàu,

thành lập được hệ thống giám sát tập trung bằng cách tích hợp các module

Qua thiết kế có thể áp dụng không những cho tàu chở hàng và khách mà

còn áp dụng cho các tàu chở dầu

Hà nội, ngày tháng năm 200

Chương I Giới thiệu chung

1.1 Tổng quan về đo lường, điều khiển và tự động

Đi song song với sự tiến bộ của KHKT thì ngành đo lường, điều

khiển và tự động cũng trải qua các giai đoạn lịch sử phát triển khác

nhau:

Cho đến những năm 40 của thế kỷ trước cơ sở lý thuyết điều

khiển tự động hình thành Giai đoạn này được coi là “điều khiển cổ

điển” với phương pháp khảo sát “single input, single output” (SISO)

Xung quanh những năm 1960 là giai đoạn phát triển của kỹ

thuật điều khiển tự động gọi là “điều khiển hiện đại” (Modern

Control) Khảo sát theo phương pháp “multi-input, multi-output”

(MIMO), hệ thống càng trở lên phức tạp

Giai đoạn từ năm 1980 đến nay là giai đoạn “Điều khiển bền

vững hệ đa biến” Với sự ứng dụng của toán học và phần mềm máy

tính đã đưa ra các phương pháp thiết kế bộ điều khiển để hệ kỹ thuật

vẫn đảm bảo các tính năng sử dụng khi có tác động của nhiễu và sai

số, từ đó hình thành các nhánh mới về điều khiển như là nonlinear,

adaptive, fuzzy, nơron…

Ngày nay với sự phát triển của Khoa học Công nghệ ngành đo

lường, điều khiển và tự động đã đạt những thành tựu hết sức to lớn

Nó đóng vai trò quan trọng quyết định đến năng suất chất lượng sản

phẩm, khả năng linh động, đáp ứng các thay đổi của thị trường Hiện

nay, thị trường các hệ điều khiển đang thay đổi nhanh chóng Một

điều cũng đáng lưu ý ở đây là trị giá phần cứng giảm đi nhưng chức

năng của nó ngày càng nhiều hơn, đồng thời trị giá phần mềm và các

dịch vụ đi kèm thì tăng lên, điều này quyết định giá trị đóng góp của

trí tuệ vào sản phẩm ngày càng lớn

Về mặt kỹ thuật, hệ điều khiển tự động thực hiện được các chức

năng điều khiển truyền thống Các chức năng đó bao gồm kết hợp

điều khiển giám sát và thu thập số liệu, điều khiển theo mẻ, khối,

điều khiển liên tục, điều khiển lai, điều khiển chất lượng Các chức

năng này được thực hiện qua sự kết hợp các phần cứng, phần mềm và

các dịch vụ khác nhau Các hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình

sản xuất xuất hiện trong những năm gần đây đều có một số đặc điểm

chung:

+ Tính mở

+ Các giao thức truyền thông được chuẩn hoá, tốc độ truyền dữ

liệu cao

+ Có hệ thống bus trường (fieldbus) kết nối từ các bộ điều khiển

xuống các bộ vào ra phân tán hoặc các thiết bị trường thông minh

+ Tích hợp hệ thống

Một đặc điểm nữa là trong công nghệ cần điều khiển rất nhiều

các tham số dạng không điện: áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, tốc độ, tỷ

lệ các thành phần…các tham số này có quan hệ chặt chẽ tác động đa

chiều, biến đổi phức tạp và ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm ra

Để điều khiển các thông số này cần phải đo và kiểm tra trạng thái của

chúng Vì vậy trong một hệ tự động thì khâu đo lường đóng vai trò

quyết định tính chất sản phẩm đầu ra Đòi hỏi càng cao về tính an

toàn thì càng cần tự động hoá cao và càng cần giám sát chặt chẽ

thông tin Đặc biệt đối với việc đo các chất dễ gây cháy nổ

1.2 Vai trò và ứng dụng đo lường, điều khiển và tự động

trên tàu thuỷ

Trên tàu thuỷ cũng là một hệ thống nhà máy khép kín nhưng

nó còn mang nhiều đặc điểm đặc trưng riêng, với môi trường làm việc

của các thiết bị lắp ráp trên tàu cũng có những đặc điểm khác đó là

+ Điều kiện về độ tin cậy trong phục vụ thấp

+ Điều kiện về giới hạn không gian, tập trung thiết bị trong diện

tích hẹp

+ Điều kiện về công tác an toàn, phòng tránh cháy nổ cũng ở cấp

cao hơn bất kỳ một phương tiện hay nhà máy xí nghiệp nào

Với những điều kiện trên thì việc ứng dụng đo lường, điều khiển

và tự động cũng có những đặc điểm chung nhưng cũng mang nhiều

đặc điểm riêng Thể hiện trong việc điều khiển hoạt động toàn tàu, ta

cần đo và xác định hàng nghìn thông số, chúng có thể chia thành các

cụm sau:

+ Thông số khí hậu, môi trường như nhiệt độ không khí, độ ẩm,

nồng độ muối trong không khí

+ Thông số của máy chính và máy phụ: nhiệt độ dầu bôi trơn,

nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí xả, áp suất dầu bôi trơn, tốc độ

động cơ

+ Thông số về mức các két: két nước thải, két dầu thải, két dầu

máy, két ballast, két nước ngọt

+ Thông số môi trường toàn tàu như độ ẩm nhiệt độ phòng làm

việc, nhiệt độ, phòng máy chính

+ Đo thông số khói, nhiệt độ phòng để kiểm tra cháy nổ

Thiết lập hệ điều khiển trên tàu:

Những thông số này rất quan trọng trong việc điều khiển hệ

thống toàn tàu Đặc biệt tàu các thông số này lại nằm rải rác trên tàu,

vì vậy cần điều khiển tức thời tại chỗ nhiều tham số thích hợp nhất là

thiết lập hệ thống điều khiển phân tán DCS (Disstributed Control

System) Hệ điều khiển phân tán trên tàu với nhiều ưu điểm phù hợp

trên tàu thuỷ đó là khả năng quản lý các đầu vào ra analog rất tốt,

khả năng hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông, độ tin cậy cao, cơ sở dữ

liệu trong hệ là cơ sở dữ liệu toàn cục và thống nhất, khả năng mở

rộng tích hợp cao, tuổi thọ ứng dụng lớn (15 – 20 năm) Với những ưu

điểm hệ DCS hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về một giải pháp điều khiển

tự động tổng thể

Thiết lập hệ thống giám sát tập trung:

Đặc biệt trên những tàu trọng tải lớn với hàng nghìn thông số

cần thiết lập hệ thống giám sát tập trung Trong đó hệ thống các két

trên tàu chiếm tỷ lệ rất lớn trong các thông số giám sát Mỗi két có

chiều cao đến chục mét, đồng thời gồm nhiều két chứa dầu và nước

phục vụ trên tàu Như vậy việc giám sát mức các két cũng trở lên

quan trọng và khối lượng két cần theo dõi cũng rất lớn việc giám sát

và báo động là cần thiết và không thể thiếu Nhiều nhà thiết kế đã

vận dụng đưa hàng loạt các hệ giám sát khác nhau lên tàu thuỷ

nhưng hệ thống SCADA (Supervisor Control And Data Acquisition )

tỏ ra có ưu điểm vượt trội

1.3 Yêu cầu thiết bị lắp đặt trên tàu

Với tình hình thực tế và môi trường làm việc của thiết bị thì các

sản phẩm được chế tạo và lắp đặt trên tàu thuỷ phải đảm bảo được

các tiêu chí sau:

- Nhỏ gọn, chính xác, đảm bảo mỹ quan công nghiệp

- An toàn và bền vững với môi trường nước biển, điện từ trường

cao, sự dao động lớn của thân tàu …

- Tính chuẩn hóa cao, xây dựng theo một tiêu chuẩn nhằm sản

xuất hàng loạt và lắp ghép các module theo một chuẩn

- Độ tin cậy cao, có tính mở, tích hợp cao

- Giá thành hoàn toàn thấp hơn rất nhiều so với sản phẩm cùng

loại được nhập từ các nước tiên tiến mà chất lượng không thua

kém

Chương II Hiện trạng ngành công nghiệp tàu thuỷ

Việt Nam

2.1 Tình hình ứng dụng KHCN trên tàu của Việt Nam

Hiện nay, được sự quan tâm của nhà nước và chính phủ, ngành

công nghiệp tàu thuỷ của Việt Nam trong thời gian qua đã có sự đầu

tư rất lớn và đã có những thành tựu vượt bậc, thậm chí đã xuất khẩu

tàu cho các nước tiên tiến, nhưng hiện tại chúng ta chỉ dừng ở việc gia

công phần vỏ và lắp ráp các thiết bị mua của nước ngoài Thực tế,

chúng ta đã chế tạo được vài phần tử đơn lẻ với chức năng hạn chế và

chất lượng còn thấp so với các sản phẩm cùng loại tại các nước tiên

tiến Để đáp ứng nhu cầu rất cần thiết cho ngành công nghiệp tàu

thuỷ cần phải thiết kế chế tạo hàng loạt các sản phẩm mang đặc

trưng của ngành tàu thuỷ, đặc biệt là hệ thống điều khiển tự động

Qua khảo sát thực trạng ngành tàu thuỷ đưa ra những mặt còn tồn

tại sau:

+ Tồn tại nhiều thế hệ tàu thuỷ khác nhau, với nhiều tàu có độ

an toàn thấp, hiệu quả hoạt động kém

+ Chưa có nhiều cơ sở trong nước cung cấp thiết bị phục vụ tàu

thuỷ, ít cơ sở tham gia nghiên cứu chế tạo các hệ thống thiết bị trên

tàu

+ Khả năng đóng mới các tàu trọng tải lớn còn hạn chế

+ Các tàu đóng mới chất lượng còn thấp so với các nước trong

cùng khu vực

Dựa trên những nhận định trên thì đây sẽ là khối lượng sản

phẩm khổng lồ cần nội địa hoá theo chủ trương của nhà nước và chính

phủ Điều này nằm hoàn toàn trong tầm tay của chúng ta Thực hiện

công việc này các dự án nghiên cứu được tổng công ty công nghiệp tàu

thuỷ chuyển giao cho các đơn vị thành viên đưa vào triển khai

2.2 Đặc điểm đo lường, điều khiển và tự động trên các

tàu thủy đang hoạt động tại Việt Nam

Do tình trạng ứng dụng chậm trễ KHCN vào hiện đại hoá tàu

thuỷ với những mặt hạn chế nhất định trong triển khai sản phẩm nên

trong ngành điều khiển còn tồn tại nhiều hệ thống điều khiển lạc hậu

với nhiều thế hệ tàu khác nhau, chất lượng cũng khác nhau, khó

đồng bộ hoá trong sửa chữa và thay thế Điều này chúng ta có thể

hiểu được do những hạn chế của đất nước và cũng đặc tính phục vụ

vận chuyển tàu thuỷ Qua khảo sát thực tế các tàu đang hoạt động tại

Việt Nam chúng ta có thể đưa ra các thế hệ tàu thuỷ với tỷ lệ ứng

dụng KHCN nói chung và ứng dụng tự động hoá nói riêng:

+ Điều khiển bằng cơ cấu truyền động cơ khí:

Những thế hệ tàu thuỷ này chưa đạt được tính năng tự động,

thông thường là do người điều khiển quan sát và tính toán rồi đưa ra

lệnh điều khiển, chưa có các thiết bị đo tự động Thường là các tàu

trọng tải nhỏ, hoạt động trong vùng nước nông với hiệu quả làm việc

thấp

Dùng các cơ cấu cơ khí như bánh răng, khớp nối, thanh răng…

với những cơ cấu cơ khí này thì có độ chắc chắn nhưng tuổi thọ rất

kém, điều hạn chế nhất của phương pháp này là khối lượng cồng

kềnh, thiết bị tiếp xúc với môi trường nước biển rất lớn gây gỉ sét

nhiều, hệ thống hay bị kẹt, trọng tải của tàu vì vậy cũng tăng lên rất

nhiều, độ an toàn và chính xác thấp Hơn thế đối với người điều khiển

là rất khó khăn, thao tác nặng nề, các cần gạt hay bị kẹt do gỉ sét nên

không thể áp dụng cho những thế hệ tàu cấp tự động hoá cao ngày

nay Đối với những thao tác chính xác hay thực hiện vi điều khiển gần

như hoàn toàn không thể thực hiện, các công tác kiểm tra thường chỉ

thao tác thủ công như dùng nhiệt kế, áp kế… điều này càng khó thực

hiện để đo thông số của máy chính khi tàu đang hoạt động vì phải

thực hiện tại chỗ, nơi có nhiệt độ cao và không di dời Dần dần các cơ

cấu này phải đã được thay thế hoàn toàn bằng thiết bị hiện đại

+ Đo và điều khiển tự động bằng mạch điện tử tương tự:

Phương pháp này dùng các bóng trường, transistor, tụ, trở… để

thiết kế mạch điện tử Công nghệ này so với dùng cơ cấu cơ khí có sự

tiến bộ hơn hẳn về mặt chính xác và an toàn, cùng với sự thu gọn về

kích thước, giảm nhẹ trọng tải Đồng thời cho phép thao tác nhanh

kết hợp các nút điều khiển rất nhẹ nhàng Từ khi đưa các mạch điện

bán dẫn vào trong hệ thống điện, điện tử của tàu đã nâng ngành công

nghiệp đóng tàu lên một bước Với những mạch điện này ta có thể

thực hiện kiểm tra giám sát các hệ thống trên tàu Đặc biệt công tác

đo như đo nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng… đã trở lên dễ dàng, có

thể truyền xa kết hợp với hiển thị kim chỉ đã cho ra hệ thống kiểm tra

trực quan Những công nghệ này đã được triển khai rất nhiều trên các

tàu thuỷ của thập niên 60 và 70 Nhưng những năm gần đây, đặc biệt

là thế kỷ này, công nghệ tương tự tỏ ra kém hiệu quả, không còn thích

với việc điều khiển tự động hoàn toàn Dùng các mạch tương tự

thường làm cho mạch điện tử thường rất lớn, các thiết bị to, bề mặt

tiếp xúc lớn dễ bị môi trường mặn xâm nhập gây hư hại và đứt mạch

Vì vậy chiếm nhiều diện tích, kích thước của thiết bị cũng trở lên to

và cồng kềnh trong khi các thiết bị tự động trên tàu càng nhiều Đòi

hỏi các thiết bị này có kích thước, diện tích chiếm dụng phải nhỏ Qua

đây để thực hiện đo và điều khiển thì phương pháp mạch điện tử

tương tự có nhiều nhước điểm sau:

- Độ chính xác không cao, hiển thị dạng kim chỉ, quán tính lớn

- Xử lý sai số và bù sai số kém gây sai số nhiều

- Chống nhiễu kém, chịu tác động của nhiều yếu tố bên ngoài

- Tín hiệu truyền xa hay bị suy hao trên đường dây

- Chưa chuẩn hoá thành các module chuẩn, không có các chuẩn

vào ra để tích hợp thành hệ thống đo lường điều khiển hiện đại

- Tính linh động chưa cao, thường là các phần tử rời rạc

- Mặt bảng điều khiển thường to và thô, hạn chế mặt mỹ quan,

khó khăn khi quan sát, khả năng tập trung trên panel điều

khiển kém

+ Đo và điều khiển tự động bằng công nghệ số:

Các linh kiện bán dẫn được thay thế bằng công nghệ số hoá

Thực tế thì ở Việt Nam vẫn còn tồn tại rất nhiều công nghệ mạch bán

dẫn Điều này cần đòi hỏi đưa công nghệ số vào kịp thời hiện đại hoá

ngành công nghiệp tàu thuỷ Dùng số hoá có những ưu điểm vượt trội

so với dùng mạch bán dẫn và mạch điện tương tự Đó là sự nhỏ gọn về

kích thước, tốc độ xử lý cao, chuẩn hoá thành module, dễ dàng tích

hợp… Nhiều nhà nghiên cứu cũng như các cơ sở sản xuất đã cho thử

nghiệm và đưa vào sản xuất nhưng những sản phẩm này còn nhiều

hạn chế, điều đáng nói là các sản phẩm này chỉ áp dụng trong những

điều kiện môi trường bình thường Trong môi trường nhiễm mặn và

đặt trên các tàu thuỷ thì việc áp dụng còn biểu hiện những nhược

điểm sau:

- Chưa chuẩn hoá theo các chuẩn công nghiệp tàu thuỷ

- Hỗ trợ truyền thông công nghiệp kém, chưa thành lập chuẩn

chung cho giao tiếp, gây khó khăn khi kết nối, cần các bộ chuyển

đổi giao thức

- Không thực hiện module hoá các phần tử điều khiển

2.3 Hướng phát triển đo lường, điều khiển tự động trên tàu

thuỷ của Việt Nam trong những năm tới

Mục tiêu của nhà nước và chính phủ là xây dựng cho ngành tàu

thuỷ Việt Nam một vị trí đứng trong khu vực cũng như thế giới Điều

này đòi hỏi chúng ta phải từng bước xây dựng nền tảng khoa học cơ

bản cho ngành đóng tàu Dựa trên đội ngũ cán bộ kỹ sư nghiên cứu

từng bước chúng ta thực hiện nội địa hoá từng phần Trong đó, ngoài

phần vỏ thép và phần máy chính thì hệ thống điện và điều khiển trên

tàu là rất quan trọng Đặc biệt trong sự tiến bộ của thế giới cùng

những ngặt nghèo của đăng kiểm tàu thuỷ, hệ thống đo lường điều

khiển trở thành nhân tố quy định chất lượng tàu thuỷ Hướng mục

tiêu trước mắt của ngành tàu thuỷ là bằng nội lực phải chủ động được

công nghệ và nghiên cứu tiếp thu các ứng dụng khoa học tiên tiến Để

đạt được điều này cần phát triển theo các hướng sau:

Chế tạo các thiết bị điều khiển, thay thế dần các sản phẩm nhập

ngoại Muốn làm điều này hướng đặt ra là thực hiện chuẩn hoá và

hoàn thiện công nghệ Tranh thủ sự hỗ trợ của các nước công nghiệp

tàu thuỷ phát triển Chúng ta cần chuyên môn hoá sản xuất, tự động

trên dây truyền sản xuất hàng loạt Tức là phân chia thành các phòng

ban thiết kế chuyên nghiệp Mỗi một đơn vị này chịu trách nhiệm

thiết kế một phần của sản phẩm

Chủ động công nghệ, không phụ thuộc vào các hãng sản xuất

thiết bị trên thế giới Điều này là cần thiết, một khi chúng ta chế tạo

được các sản phẩm thì việc lắp đặt và bảo trì trở lên thuận tiện và dễ

dàng hơn rất nhiều Muốn chủ động được công nghệ chúng ta cần phải

chuẩn hoá và chế tạo được các hệ thống và module sau:

- Hệ thống đo báo tập trung các thông số Diesel

- Các module điều khiển thiết bị và máy móc

- Hệ thống điều khiển phân tán DCS

- Hệ thống lái tự động

- Hệ thống đo báo tập trung các thống số toàn tàu

- Hệ thống các tủ bảo vệ thiết bị trên tàu

- Đồng hồ multimet đo các thông số điện

Kết luận:

Trong khi nền khoa học thế giới đã tiến những bước dài mà việc

ứng dụng KHCN nước nhà vẫn chỉ là những bước chuyển biến chậm

Đặc biệt trên tàu thuỷ thì các hệ thống đo lường điều khiển và tự

động còn rất kém Được sự đồng ý của nhà nước và chính phủ, tổng

công ty công nghiệp tàu đã triển khai dự án nghiên cứu khoa học

KC.06.DA.13.CN nhằm nội địa hoá dần dần các thiết bị lắp đặt trên

tàu, chủ yếu là phần đo lường và điều khiển Mục đích của dự án là

xây dựng các module chuẩn lắp đặt trên tàu, cùng với xây dựng cho

hệ thống mạng lưới điện, điện tử trên tàu thành một hệ thống nhất và

đồng bộ phù hợp với tình hình Việt Nam

Để đạt được điều này cần thiết phải triển khai các bước cho

ngành công nghiệp tàu thuỷ các hướng đi lên Đối với những thế hệ

tàu thủy lạc hậu, chất lượng và hiệu quả hoạt động thấp cần đưa vào

thay thế và phục hồi hoàn toàn Những thế hệ tàu sử dụng thiết bị

điện tử công suất cồng kềnh và nhiều nhược điểm cần sửa chữa và

thay thế từng phần Đối với thế hệ tàu đã cập nhật được công nghệ

hiện đại cần chuẩn công nghiệp về giao tiếp và lắp đặt

Trong khi tàu trở dầu càng phát triển ở Việt Nam Với trọng tải

rất lớn, trên mỗi tàu bao gồm nhiều khoang chứa, mỗi khoang chứa có

chiều cao từ 5m trở lên nên việc thiết kế những module đo báo là rất

cần thiết và rất hợp lý Những module này có thể được ghép thành hệ

thống giám sát trên tàu dầu Ngoài ra trên những tàu trọng tải lớn

thì số két chứa dầu cũng rất nhiều, chiều cao mỗi két khác nhau, việc

lắp đặt module này là rất hợp lý, phù hợp với điều kiện trên tàu Vì

vậy, việc thiết kế là rất cần thiết và mang tính hiệu quả cao

Chương IIINội dung hoàn thiện thiết kế kỹ thuật

Hoàn thiện công nghệ là quá trình ứng dụng KHKT vào sản

xuất các thiết bị Mục tiêu là chế tạo được các sản phẩm mang nhãn

hiệu Việt Nam Bằng cách chúng ta phải hoàn thiện dần các bước

thiết kế, chế tạo và đưa vào thử nghiệm sao cho các sản phẩm mang

tính đồng bộ về chức năng cũng như kiểu dáng sản phẩm Vì vậy,

chuẩn hoá thiết bị nhằm hoàn thiện sản phẩm là mục tiêu của chuyên

đề, công nghệ kỹ thuật được áp dụng bao gồm:

3.1 ứng dụng số hoá

Qua công tác nghiên cứu và tìm hiểu các công nghệ hiện đại số

hoá hay áp dụng công nghệ mới, tích hợp IC… để thiết lập thế hệ tàu

thuỷ với tính năng tự động hoá cao chúng ta không đi theo hướng cũ

tức là hoàn chỉnh và chuẩn hoá các mạch điện tương tự mà thay vào

đó là sử dụng ngay công nghệ số hoá, thay thế các phần tử điều khiển

cồng kềnh bằng các mạch vi điều khiển như 8051, Motorola, AVR,

Atmel… và các công nghệ mới như PSOC, FPGA, ASIC… để thiết lập

mạch xử lý tín hiệu và điều khiển Vận dụng công nghệ số hoá sẽ đạt

được nhiều ưu điểm hơn hẳn

+ Về mặt kích thước và cấu trúc luôn nhỏ gọn, chuyên nghiệp

cao Cùng một chức năng, vai trò như nhau nhưng dùng thiết bị số có

kích thước nhỏ hơn hẳn

+ Về mặt tính năng hơn hẳn ở khả năng tích hợp cao, tính mở

Đồng thời cho tốc độ xử lý cao

+ Về mặt chống nhiễu và xử lý tín hiệu thì công nghệ số tỏ ra ưu

điểm vượt trội Do thực hiện trên các bit 0 và 1 nên quá trình xử lý tín

hiệu ít sai số, không bị nhiễu của môi trường xung quanh như điện từ

trường hay các dao đông cơ học

+ Về mặt bù sai số bằng phần mềm trở lên dễ dàng hơn và có

nhiều giải pháp thực hiện bù sai số

+ Khả năng giao tiếp mạng là hơn hẳn, truyền xa tốt và tính

tích hợp hệ thống cao Cho phép thành lập các hệ thống tập trung

ứng dụng công nghệ số có thuận tiện là chủ động được công

nghệ, không phụ thuộc và các hãng sản xuất thiết bị đo lường điều

khiển và tự động trên thế giới Thông thường mỗi khi nhập thiết bị từ

các hãng trên thế giới ta đều phải nhập hệ thống đồng bộ, khi xảy ra

sự cố thì khắc phục rất khó Chúng ta lại thuê chuyên gia sửa chữa

hoặc mua các module để thay thế với giá thành cao Thời gian khắc

phục lại chậm trễ

3.2 ứng dụng xử lý số vào xử lý thông tin đo

Thông tin thu được thường ở dạng phi tuyến, để xử lý thông tin

chính xác cần đưa các phương pháp xử lý Trong chuyên đề này là việc

đo mức các két, quá trình xử lý thông tin thường chỉ sử dụng các

phương pháp xử lý thông thường Dưới đây là phần trình bầy về

phương pháp xử lý thông tin đo thường được áp dụng trên tàu thuỷ

Thuật toán lọc:

Để tăng độ ổn định của các giá trị đo, đồng thời giảm bớt dư

thừa thông tin, cần thực hiện thuật toán lọc

Thuật toán lọc bao gồm:

- Lấy giá trị trung bình:

Ta và n phải được chọn sao cho : n > τ , Ta > Tck/2

τ : hàng số quán tính của đại lượng đo

- Thuật toán lọc nhiễu:

Để chống nhiễu điện từ trường gây ra bởi môi trường xung

quanh Dùng thuật toán lọc và loại bỏ các giá trị đột biến ra khỏi

chuỗi giá trị đo

Dtn-1 - ∆max < Dtn < Dtn-1 + ∆max Sai lệch ∆max được chọn trong quá trình hiệu chỉnh thiết bị Nếu

giá trị đo tại thời điểm n vượt quá ∆max so với giá trị đo được ở thời

điểm đó thì loại bỏ giá trị đo đó

- Lọc tương quan:

Lọc tương quan cho phép chúng ta tách được tín hiệu có ích ra

khỏi nhiễu ngay cả khi tín hiệu nhiễu trùng cả tín hiệu có ích:

Ry(τ ) = Rx(τ ) + Rn(τ ) + Rxn(τ )

Hàm tương quan là một hàm tiền định nó đặc trưng cho mối liên

hệ ngẫu nhiên giữa hai thời điểm t1, t2 không liên hệ với nhau

Rx(t1, t2 ) = M{ ⋅ [ x ( ) t1 ư Mx ( ) t1 ] ⋅ [ x ( ) t2 ư Mx ( ) t2 ] ⋅ }

Trong đó:

Rx(τ ) : Hàm tương quan của tín hiệu x

Rxn(τ ) : Hàm hỗ tương quan giữa tín hiệu và nhiễu

Rn(τ ) : Hàm tự tương quan của nhiễu

- Lọc số:

Tương quan kế Ry(τ )y(t)

Lọc số không phải là một thiết bị mà là Angôrit

Nếu theo đáp ứng xung người ta chia làm 2 loại FIR (Finiti

Impulse Response), IIR (Infiniti Impulse Response)

r x n r a y n kb

) ( )

( 1

) (

b

0 0

) (

Bộ lọc FIR có đáp ứng xung chiều dài hữu hạn (M+1 mẫu) là hệ

thống luôn luôn ổn định

* Bộ lọc IIR là hệ thống có đáp ứng xung chiều dài vô hạn nên

không phải lúc nào bộ lọc cũng ổn định Do đó trước khi sử dụng loại

bộ lọc này cần phải xem xét tính ổn định của nó

r x n r a y n kb

) ( )

( 1

A/D Angôrit lọc

Lọc không đệ quy

Nếu phân chia theo đáp ứng biên độ gồm các loại sau: Bộ lọc

thông thấp, bộ lọc thông cao, bộ lọc thông dải, bộ lọc chắn dải

Các thuật toán lọc và thiết kế các bộ lọc trên còn được ứng dụng

trong kỹ thuật viễn thông, xử lý hình ảnh, các hệ thông anten, kỹ

thuật audio số, xử lý tín hiệu radar Điều này đặc biệt quan trong đối

với hệ thống thông tin trên tàu thuỷ

Thuật toán tuyến tính hoá:

Thường thì các cảm biến đo là phi tuyến Vì vậy sau khi lọc phải

được sửa phi tuyến ở đây sử dụng hai phương pháp sửa phi tuyến:

- Phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn:

Với phương pháp này đại lượng đo sẽ được tính qua một hàm

tuyến tính hoá

y = a.x + b

x: Là giá trị đo được

y: Là giá trị sau khi đã chỉnh phi tuyến

Phương pháp này giảm được dung lượng bộ nhớ, nhưng đòi hỏi

phải tường minh được hàm tuyến tính hoá trong từng đoạn

- Phương pháp tra bảng mẫu:

Thành lập một bảng mẫu chuẩn Các giá trị nhận về được so

sánh với bảng mẫu để cho ra kết quả của phép đo

Phương pháp đo này tuy chiếm dung lượng bộ nhớ lớn, nhưng

hay được sử dụng do đạt độ chính xác cao và giảm được thời gian tính

toán

Lọc đệ quy

3.3 ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp

Mạng công nghiệp là khái niệm chỉ các hệ thống mạng truyền

thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị

công nghiệp Sự liên kết mạng hiện nay cho phép liên kết ở nhiều mức

khác nhau, từ bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành cho đến những các máy

tính điều khiển, thiết bị giám sát, điều hành, quản lý của toàn bộ hệ

thống công ty, xí nghiệp, phương tiện

Trên tàu thuỷ rất nhiều thông tin hay tham số cần truyền đi,

những tín hiệu này được truyền đi bằng cách mã hoá dưới nhiều

phương thức truyền thông công nghiệp Từ hệ thống thông tin liên lạc

trên tàu cho đến các hệ thống giám sát điều khiển tập trung Đồng

thời hệ thống mạng công nghiệp còn cho phép kết nối mở với hệ thống

mạng toàn cầu như mạng Internet Việc giám sát định vị tàu ngày

này không còn mang tính độc lập mà có thể thực hiện giám sát từ một

trung tâm đặt trên đất liền Mọi thông tin trên tàu có thể cập nhật tại

bất kỳ nơi nào trên thế giới nhờ giao tiếp của mạng công nghiệp với

mạng toàn cầu Vậy thì dùng mạng công nghiệp trên tàu thuỷ là rất

phù hợp

Ngày nay mạng truyền thông công nghiệp được ứng dụng để

thiết lập hệ thống giám sát tập trung Đặc biệt là hệ SCADA với sự

linh hoạt trong việc triển khai Hệ thống này có thể áp dụng trên

nhiều dạng tàu thuỷ khác nhau Dưới đây trình bày về hệ thống

SCADA

Hệ thống SCADA là hệ thống thu thập, xử lý thông tin và báo

động tại các cấp khác nhau thông qua mạng truyền tin toàn tàu

Ngày nay việc phân chia mô hình thành các cấp khác nhau đã trở lên

thông dụng, nhằm giám sát chi tiết và chính xác hơn Sơ đồ dưới đây

Scene network

Process management

+ Cấp quản lý hiện trường (field managenment)

Trong cấp này, các bộ điều khiển nối trực tiếp với các thiết bị tại

hiện trường như các bộ đo, transmitter, các bộ chấp hành, các thiết bị

cảnh báo để thực hiện chức năng đo và điều khiển Đồng thời cấp

này được nối với cấp quản lý quá trình nhằm chuyển các số liệu về đặc

tính thiết bị, số liệu về các tham số tại hiện trường trong thời gian

thực Việc thu thập và xử lý trở lên dễ dàng khi mà các thiết bị thông

minh được đưa vào sử dụng hàng loạt Toàn bộ các thiết bị tại hiện

trường cũng như các bộ điều khiển được nối với nhau thành một mạng

các thiết bị hiện trường (fieldbus) Tất cả thông tin từ mạng được cung

cấp cho người sử dụng cũng như chương trình xử lý một cách thống

nhất

+ Cấp quản lý quá trình (Process managerment)

Cấp này bao gồm các trạm quản lý như trạm thao tác, trạm công

trình sư, trạm giám sát Cấp này có nhiệm vụ tự động thu thập, tổng

hợp thông tin về hiện trường từ các trạm ở cấp quản lý hiện trường,

hiển thị tập trung, thay đổi các tham số điều khiển và báo động tức là

đặt ngưỡng

+ Cấp quản lý kinh doanh (Bussiness managerment)

Cấp này thường chỉ có trong các hệ SCADA có tính mở và thực

hiện các nhiệm vụ tích hợp thông tin thu thập được từ cấp hiện dưới

vào hệ thống quản lý Đây là một cấp quản lý mang tính doanh

nghiệp thực hiện nhiệm vụ kinh doanh, phân tích thống kê đặt hàng,

sử dụng, xuất kho, điều tiết Doanh nghiệp có thể sử dụng thông tin

thu được từ hệ thống SCADA vào tích hợp hệ thống, xây dựng cơ sở dữ

liệu, lập bảng biểu thống kê

Ngoài việc phân cấp để quản lý, hệ thống phải mang tính linh

hoạt khi đưa vào sử dụng, tức là có thể thêm bớt các khâu khác nhau

cho phù hợp với tình hình thực tế Nhưng tựu chung thì hệ thống phải

đảm bảo các mục tiêu sau:

Xuất phát từ cấu trúc phân cấp và nhiệm vụ của từng cấp, phần

mềm ứng dụng cũng cần phải phân chia cho phù hợp với mỗi cấp

+ Đó là phần mềm giao tiếp giao diện người - máy (Man –

Machine Interface), hiện tại có nhiều giao diện được thiết lập, những

phần mềm thiết lập giao diện này có thể là Visual Basic 6.0, Visual C,

C++, Labview Phần mềm này phải thiết lập được các bảng biểu đồ

thị, mặt số để hiện thị thông tin về trạng thái các tham số, đồng thời

có các tín hiệu cảnh báo đi kèm trên màn hình Ngoài ra, phần mềm

này còn đảm bảo nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu theo thời gian, tự động tổ

chức dữ liệu thành các cụm nhóm cho người quản lý

+ Phần mềm liên kết dữ liệu (Connect Server) cho phép liên kết

dữ liệu của hệ thống với các cơ sở dữ liệu có sẵn như SQL server,

Access Database Phần mềm này được thiết lập để trao đổi thông tin

từ cấp quản lý xuống các cấp thấp hơn

+ Phần mềm liên kết mạng thiết bị (Data Server) là phần mềm thiết

lập cấu hình các thiết bị ghép nối, cho phép định nghĩa các giao thức

truyền đảm bảo các chức năng vào ra I/O server

Các thiết bị đi kèm trên hệ thống giám sát tập trung, đó là hệ

thống cảnh báo bằng còi đèn Thực hiện cảnh báo có thể tại mọi cấp

hay tại ngay gần thiết bị Thiết bị lưu trữ dữ liệu bằng bộ nhớ ngoài

hay máy tính

Nhờ mạng công nghiệp mà trên tàu ta lắp đặt được các hệ thống

giám sát tập trung hay điều khiển phân tán Cho phép liên lạc trên

toàn tàu thông qua hệ thống thông tin liên lạc Thành lập được các

buồng điều khiển và giám sát trung tâm, nhờ vậy cả hệ thống thiết bị

trên tàu trở thành một hệ thống nhất

3.4 Chuẩn hoá vào ra (I/O)

Các đầu vào ra phải thống nhất theo mức điện áp và dòng điện,

nhằm nối ghép giữa các thiết bị được thuận tiện tránh việc chuyển đổi

gây khó khăn khi thiết kế Thực hiện điều này chúng ta cần phải thực

thi chuẩn các mục sau:

- Nguồn cấp cho các thiết bị chuẩn:

Thông thường các thiết bị điều khiển tiêu thụ công suất rất nhỏ

Vì vậy nguồn sử dụng hợp lý và thuận tiện nhất là nguồn 1 chiều

24VDC Nguồn này thông thường được lấy từ nguồn sự cố của tầu

Dùng nguồn chuẩn sẽ quyết định tính chất ổn định làm việc của thiết

bị Khi nguồn ổn định, đủ công suất thì tuổi thọ hệ thống sẽ lâu hơn

Công suất tiêu thụ của các mạch đo và điều khiển là rất nhỏ Đối với

tàu thuỷ ta dùng nguồn sự cố 24V/DC do máy phát một chiều đặt trên

boong hoặc nguồn ắc qui, nguồn cấp này không cần biến đổi điện áp

từ 220VAC hay 380VAC xuống vì vậy sẽ đơn giản cho thiết bị Thiết

bị vẫn hoạt động khi có sự cố máy phát chính Đồng thời trong quá

trình hoạt động thì các thiết bị sẽ được cấp nguồn từ máy phát điện

chính Khi máy chính ngừng hoạt động lập tức công tắc chuyển mạch

được đóng sang nguồn sự cố để cấp nguồn cho thiết bị

- Cấp nguồn 24VDC cho đèn và còi cảnh báo

Đây là thiết bị cảnh báo trực quan cho người điều khiển tại

phòng điều khiển trung tâm nên thường phát ra âm thanh và ánh

sáng vừa đủ Chính điều này khi chọn còi đèn lắp đặt phải có công

suất tiêu thụ rất nhỏ, phát ra âm thanh chuẩn và ánh sáng đơn sắc

có được điều này thì thiết bị sẽ tiêu thụ dòng tương đối nhỏ không ảnh

hưởng đến công suất của toàn thiết bị

- Các đầu vào của sensor là 0 ữ 10VDC hoặc 4 ữ 20 mA

Chuẩn đầu vào tín hiệu đo trên các module là 0 ữ 10 V/DC

(4ữ20mA) Theo chuẩn này thì các cảm biến (sensor) đã chuẩn hoá

điện áp sẽ hoàn toàn ghép nối với module thu thập, điều này phù hợp

với chuẩn đầu ra các thiết bị đo của các hãng trên thế giới Thực tế

ngày nay khi sử dụng các sensor thì không cần thiết kế mạch đo Các

nhà sản xuất thiết bị đo trên thế giới đã thực hiện việc chuẩn hoá,

việc chuẩn hoá này theo chuẩn trên, thành lập các bộ transmiter Vì

vậy khi thiết kế mạch các đầu thu thập cũng tuân theo các chuẩn này

nhằm tăng tính thông dụng và dễ giao tiếp Mỗi thiết bị sensor có một

hệ số khuếch đại khác nhau phụ thuộc vào loại sensor Hệ số này là tỷ

lệ đầu vào không điện chia cho toàn bộ dải điện áp đầu ra như trên là

10V

- Đầu ra điều khiển các thiết bị có tín hiệu chuẩn

Đối với thiết bị một chiều được điều khiển để cấp nguồn 24VDC

Các thiết bị xoay chiều được điều khiển để cấp nguồn 220VAC Dùng

các thiết bị báo động chuẩn như còi, đèn có tín hiệu báo động phù hợp

Điện áp cấp là 24V/DC hoặc 220V/AC, dòng cấp cho còi đèn luôn đủ

theo các chủng loại lắp đặt

Kết luận:

Trong khi nền khoa học thế giới đã tiến những bước dài mà việc

ứng dụng KHCN nước nhà vẫn chỉ là những bước chuyển biến chậm

Đặc biệt trên tàu thuỷ thì các hệ thống đo lường điều khiển và tự

động còn rất kém Được sự đồng ý của nhà nước và chính phủ, tổng

công ty công nghiệp tàu đã triển khai dự án nghiên cứu khoa học

KC.06.DA.13.CN nhằm nội địa hoá dần dần các thiết bị lắp đặt trên

tàu, chủ yếu là phần đo lường và điều khiển Mục đích của dự án là

xây dựng các module chuẩn lắp đặt trên tàu, cùng với xây dựng cho

hệ thống mạng lưới điện, điện tử trên tàu thành một hệ thống nhất và

đồng bộ phù hợp với tình hình Việt Nam

Để đạt được điều này cần thiết phải triển khai các bước cho

ngành công nghiệp tàu thuỷ các hướng đi lên Đối với những thế hệ

tàu thủy lạc hậu, chất lượng và hiệu quả hoạt động thấp cần đưa vào

thay thế và phục hồi hoàn toàn Những thế hệ tàu sử dụng thiết bị

điện tử công suất cồng kềnh và nhiều nhược điểm cần sửa chữa và

thay thế từng phần Đối với thế hệ tàu đã cập nhật được công nghệ

hiện đại cần chuẩn công nghiệp về giao tiếp và lắp đặt Mục tiêu là

hoàn thiện công nghệ trên tàu thuỷ

Chương IVnội dung hoàn thiện thiết kế công nghệ và công

nghệ chế tạo

Nhằm triển khai tổng thể dự án các module được bóc tách riêng

rẽ để nghiên cứu và chế tạo Trong chuyên đề này trình bày quá trình

thiết kế và hoàn thiện module đo báo mức các két nước Để thiết kế

module chuẩn cần phải có các công nghệ và phần mềm thiết kế Trong

phần dưới đây trình bày các công nghệ ứng dụng vào việc sản xuất các

thiết bị

4.1 Phần mềm thiết kế

Việc thiết kế các sản phẩm trở lên chuyên nghiệp khi có sự hỗ

trợ từ máy tính Các phần mềm được đưa vào ứng dụng giúp cho việc

thiết kế trở lên thuận tiện, mang tính khoa học cao Với mỗi một khâu

thiết kế hay hoàn thiên đều có một phần mềm và bản vẽ đi kèm

Thiết kế mạch in:

Dùng các phần mềm Protel hay Orcad để vẽ mạch nguyên lý và

chuyển đổi thành mạch in tương ứng Trên phần mềm ta có thể bố trí

linh kiện cùng các vị trí bắt vít sao cho hợp lý và thuận tiện việc gá

lắp thiết bị vào vỏ hộp Từ phần mềm ta có thể Demo chương trình và

cho chạy thử nhằm kiểm tra trạng thái hoạt động của mạch, qua đó

nhằm xây dựng phần cứng một cách chính xác hơn

Thiết kế vỏ hộp và mặt panel:

Dùng phần mềm Autocad có độ phân giải cao, phù hợp cho việc

thiết kế các bản vẽ chi tiết lắp ráp Thiết kế bản vẽ trên máy tính rất

thuận tiện cho việc sửa đổi Hơn thế, ta có được những bản vẽ thống

nhất, đồng bộ Mỗi bản vẽ được thể hiện chính xác sẽ là cơ sở để kỹ sư

cơ khí chế tạo các vỏ hộp, mặt panel

Dùng phần mềm Corel draw để thiết kế mặt panel Đây là phần

mềm chuyên nghiệp dùng để thiết kế các kiểu dáng, mẫu mã… Các

kiểu front chữ, symbol, biểu tượng và ký hiệu được in trên bề mặt

panel

Phần mềm lập trình:

Đây là công cụ dùng để soạn thảo phần mềm và biên dịch thành

các file dạng duôi *.hex hoặc *.bin Các phần mềm thường dùng là

keil, read51, ridle… mỗi phần mềm này đều gồm các màn hình soạn

thảo và biên dịch Các chương trình nạp vào các chip VĐK được viết

bằng ngôn ngữ C hoặc ASM Sau khi hoàn chỉnh chương trình có thể

cho chạy demo trực tiếp trên phần mềm và kiểm tra giá trị các cổng

và trạng thái các cờ, các thanh ghi

4.2 Công nghệ phủ Epoxy

Đây là công đoạn cuối cùng của quá trình hoàn thiện mạch điện

tử, công đoạn này tỏ ra rất quan trọng khi thiết bị được lắp đặt trên

tàu Qui trình này là khâu khó nhất và đòi hỏi công nghệ hiện đại

Trước tiên cần biết khái niệm Epoxy Epoxy là nhựa polyete tạo

thành ban đầu bằng sự trùng hợp bisphenol A và epyclohydrin Có

tính các tính chất sau: độ bền cao và độ co ngót thấp trong khi đóng

rắn, dùng làm chất phủ, chất dính đúc hoặc vật liệu xốp

Nhựa epoxy có tính chất bền hoá học rất lớn, bám dính tốt có thể

gắn chắc bề mặt giữa các vật liệu ngoài ra còn tính năng chịu mài

mòn cách điện tốt Nhựa epoxy là loại nhựa chống ăn mòn hoá học tốt,

được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sơn và phủ board mạch

Cã c¸c lo¹i epoxy nh− sau:

DISCRIPTON REACTOR RESIN MIX

RATIO

MIXED VISCOSITY

1 WEEK HARDNESS

CC-1024A 100: 10 1,500 75 CB-1054A 100: 7 3,200 70 CR-1050 100: 7 3,300 75 CB-1069 100: 7 5,500 80

Class B, Fast Room Cure

Reactor High exotherm Pot

Life:60 minutes in a one pound

mass Initial cure:1-3 hrs @

70 0 F; Complete cure: 24 hrs @

70 0 F

RE-2000

CB-1078 100: 5 8,600 80 CC-1024A 100: 50 2,000 50 CB-1054A 100: 25 3,500 60 CR-1050 100: 30 3,680 65 CB-1069 100: 25 2,880 65

Class B Room Cure Reactor

Low viscosity, moderate

exotherm Pot Life: 2 hours in a

one pound mass Initial cure:2-4

hrs @ 70 0 F; Complete cure: 24

hrs @ 70 0 F

RE-2001

CB-1078 100: 20 3,840 75 CC-1024A 100: 15 2,200 75 CB-1054A 100: 10 5,500 65 CR-1050 100: 10 6,500 80 CB-1069 100: 10 6,880 80

Class F, Heat Cure Reactor

High exotherm Excellent

elevated temperature

electricals Pot Life: 5 days @

70 0 F in a one pound mass Cure

Class B,Very Fast Room Cure

Reactor High exotherm Good

potting or casting in small mass

or thin sections Pot Life: 15-30

minutes in a one pound mass

Class B,Room Cure Reactor

Low exotherm Low shrinkage

Pot Life: 1 1/2 hrs in a one

pound mass Initial cure: 4-6

hrs @ 70 0 F; Complete cure: 24

hrs @ 70 0 F

RE-2010

CB-1078 100: 20 11,520 75

Bảo vệ bảng mạch

Các lý do dẫn đến việc bảo vệ bẳng mạch sau khi lắp ráp bằng

việc phủ epoxy

(1) Cách ly điện áp cao:

- Epoxy có khả năng cách điện cao hơn không khí

- Khi mạch được sử dụng trong miền điện áp cao thì phải được

phủ kín bởi epoxy

- Một lỗ trống do bọt khí tồn tại trong lớp epoxy có thể là nguyên

nhân gây ra đánh thủng do tia hồ quang điện

- Chúng ta đã tạo ra epoxy có khả năng chịu được điện áp cao tới

120kV vào năm 1992

- Epoxy có thể chịu được điện áp 25kV đến 40kV trong thời gian

20 năm

- Epoxy có khả năng chịu nhiệt cao

(2) Epoxy cách ly mạch với điều kiện môi trường xung quanh

Epoxy có thể bảo vệ mạch điện khỏi dầu, hoá chất.v.v

Với lớp epoxy bao phủ các yếu tố thời tiết cũng như qúa trình

vận chuyển chúng không làm ảnh hưởng tới mạch

(3) Bảo vệ khỏi những va đập cơ khí

- Epoxy có khả năng bảo vệ mạch điện khỏi các va đập, rung

động Khi được bao phủ bằng lớp epoxy thì sự va đập rung động sẽ

ảnh hưởng lên cả khối mạch, các phần tử giằng co nhau không bị tháo

rời, hỏng hóc

- Epoxy sẽ bảo vệ mạch khỏi những phá huỷ do tai nạn va đập khi

vận chuyển

(4) Tính bảo mật cho bảng mạch

- Khi dùng epoxy chúng ta có thể ngăn chặn được việc ăn cắp bản

quyền của thiết bị Nếu đối thủ dùng hoá chất làm epoxy tan ra thì

các linh kiện của mạch cũng bị phá huỷ do vậy họ muốn khám phá

bản mạch cũng là điều rất khó khăn

Những quy tắc phủ epoxy cho bảng mạch

Tổng quát:

- Tất cả các khuôn được sử dụng cho việc phủ epoxy Một khuôn

gồm có 5 mặt (phải, trái, trước, sau và đáy) và mặt trên (top) Mặt

trên (pour surface) là mặt để rót epoxy vào khuôn, đây cũng là mặt để

tháo bảng mạch ra sau khi đã phủ xong Mặc dù 5 mặt đều có kết cấu

rắn chắc giống nhau nhưng chúng có cấu trúc theo những quy định

khác nhau Mặt trên (pour surface) phải đảm bảo có lớp epoxy khá

phẳng còn 4 mặt xung quanh được thiết kế nghiêng một góc 10 hoặc

lớn hơn do đó chu vi lớp mặt trên sẽ lớn hơn chu vi của lớp mặt dưới

Điều này làm cho việc tháo gỡ mạch ra khỏi khuôn sau khi phủ được

dễ dàng Việc làm như vậy cho phép kết thúc quá trình phủ mà không

sinh ra bất cứ xây sát gì cho bề mặt của khuôn, điều này làm giảm giá

thành vô ích cũng như hao mòn của khuôn

- Các khuôn thường có cấu trúc đặc trưng cần thiết cho việc giữ cố

định cho bản mạch trong suốt quá trình phủ epoxy Các góc của

khuôn thường được khoét tròn ít khi để góc vuông để tăng độ bền của

khuôn và ngăn ngừa những lỗi như tồn tại bọt khí trong lớp epoxy đã

phủ

Bản mạch đặt vuông góc với pour surface

Nguyên tắc 1:

Có ít nhất một lỗ với đường kính 0,15 ữ 0.20 inch trên diện tích

2 ữ 3 inch trên bảng mạch Điều này có tác dụng làm liên kết các mặt

của bảng mạch với nhau ngoài ra có tác dụng gắn chặt các lớp của

bảng mạch với những phần tử khác Việc này làm cho epoxy ở các mặt

kết nối với nhau thông qua lỗ đó, như vậy toàn bộ sức bền của bảng

mạch sẽ tăng lên đáng kể

Nguyên tắc 2:

Giữ các khoảng cách từ các linh kiện đến biên của bản mạch ít

nhát là 0,10 inch tốt nhất là 0,15 inch trừ mặt đổ epoxy và mặt đáy

(pour and bottom surfaces) Điện áp cao quá 2000V có thể yêu cầu

khoảng cách đó rộng hơn nữa

Giải thích: Tất cả các khuôn được thiết kế có các rãnh cắm khe sâu

khoảng 0,05 inch để giữ bảng mạch thẳng đứng trong suốt quá trình

phủ epoxy ở mọi bảng mạch các linh kiện trên bảng được đặt cách bờ

của bảng mạch ít nhất một khoảng 0,10 inch để phù hợp với mọi loại

khuôn khác nhau

Nguyên tắc 3:

Giữ cho lớp bảo vệ epoxy rộng ra ngoài mép của bản mạch là

0.10 inch trừ pour and bottom surfaces, có thể là > 0,15 inch nếu điện

áp cao trên 2000V

Giải thích: Tất cả các khuôn được thiết kế có các rãnh cắm khe sâu

khoảng 0,05 inch để giữ bảng mạch thẳng đứng trong suốt quá trình

phủ epoxy Thiết kế lớp epoxy rộng ra này ngăn chặn việc board mạch

bị lộ ra ngoài Điều này tránh được sự phá hoại mạch khi vận chuyển

hoặc lưu trữ Điều này có thể loại bỏ được ngắn mạch giữa đường tín

hiệu trong mạch và các đường tín hiệu gần đó

Nguyên tắc 4:

Tất cả các dây nối, các đường kết nối hoặc những mạch điện

khác, máy móc khác hoặc những phần nhìn thấy trên bề mặt cho

xuyên qua lớp mặt epoxy nếu có thể

Mặc dù có thể tạo ra được các lỗ ở bên cạnh của khuôn cho dây

đi ra/vào phù hợp nhưng giá thành sẽ tăng lên cho chi phí đóng gói

chúng cũng như khi lắp ghép hoặc tháo gỡ Đồng thời giảm tuổi thọ

của khuôn cũng như gây thiệt hại về kinh tế

Nguyên tắc 5:

Các linh kiện cao như tụ hoặc transistors đặt sát nhau trên bề

mặt đổ epoxy đến mức có thể

Để tháo được bảng mạch sau khi phủ epoxy ra khỏi khuôn thì

chu vi bề mặt trên của bảng mạch lớn hơn chu vi đáy Trong board sẽ

có các linh kiện có phần phình to (tụ, transistor) còn ở dưới nhỏ hơn

rất nhiều Như vậy, khi cắm linh kiện ở những vị trí sát nhau và sát

lên bề mặt đổ epoxy thì khe hở còn lại nhỏ, điều này tốn ít epoxy đỡ

tốn kém về kinh tế

Khi board mạch đặt song song với mặt đổ epoxy

Nguyên tắc 1:

Có một số lỗ nhỏ trên bảng mạch đường kính 0,15 inch đến 0,20

inch tốt nhất là 0,75 inch nếu có thể

Khi epoxy được đổ vào khuôn, không khí sẽ thoát theo chiều

ngang của bề mặt Các bọt khí di chuyển qua các lỗ khoét trên board

mạch sau đó di chuyển theo chiều ngang của board mạch để lên mặt

trên Điều này tuyệt đối đúng với những khuôn sâu hơn 1 inch

Việc khoét lỗ trên board mạch làm cho các bọt khí di chuyển

theo chiều ngang đi ra mép của bảng mạch giảm

Nguyên tắc 2:

Để khoảng cách giữa bảng mạch và đáy của khuôn là 0,10 ữ 0,15

inch có thể được mở rộng lên > 0,15 inch nếu mạch làm việc với điện

áp cao hơn 2000V

Để phần đỉnh của các phần tử, linh kiện trên bảng mạch hướng

lên trên bề mặt đổ epoxy (pour surfaces) Nên có một đế nhỏ đặt ở

dưới bảng mạch trên các góc của đáy của khuôn để epoxy không dính

vào vùng đó

Nguyên tắc 3:

Độ cao của các linh kiện trên board mạch nên < 0,10 inch Vi

theo khuôn này thì board cao hơn so với đáy của khuôn là 0,15 inch

Vì vậy, nếu độ cao đó > 0,10 có thể sẽ xuyên thủng epoxy và bị lộ ra

ngoài

Nguyên tắc 4:

Tất cả các dây nối, các đường kết nối hoặc những mạch điện

khác, máy móc khác hoặc những phần nhìn thấy trên bề mặt cho

xuyên qua lớp mặt epoxy nếu có thể

Mặc dù có thể tạo ra được các lỗ ở bên cạnh của khuôn cho dây

đi ra/vào phù hợp nhưng giá thành sẽ tăng lên cho chi phí đóng gói

chúng cũng như khi lắp ghép hoặc tháo gỡ Đồng thời giảm tuổi thọ

của khuôn cũng như gây thiệt hại về kinh tế

4.3 Công nghệ làm mạch in và thiết kế vỏ hộp

a Công nghệ làm mạch in

Đây là quá trình thiết kế mạch điện tử, trên panel các linh kiện

điện tử được lắp ráp và lập trình cho các chip điều khiển Chính điều

này đã cho thấy tầm quan trọng của quá trình làm mạch in Bất kỳ

một đường đi dây nào trên mạch khi xảy đứt hoặc bị giãn mạch đều

làm cho độ tin cậy của thiết bị trở lên rất thấp

Các công đoạn chính trong qui trình sản xuất mạch in theo phương pháp ăn mòn Qui trình sản xuất mạch in nói chung có thể

được minh hoạ sau:

Khoan

Mạ xuyên lỗ

Tạo dây nối

Mạch in nhiều lớp

Tuy nhiên, tuỳ theo yêu cầu cụ thể đối với các sản phẩm mạch

in mà một số công đoạn hoặc nguyên công nhất định nằm trong từng

công đoạn sẽ không được thực hiện hoặc một số công đoạn sẽ được lặp

lại trước khi chuyển xuống công đoạn tiếp theo Ví dụ như với những

tấm mạch in chỉ có một mặt đồng (gọi tắt là mạch in một lớp thì công

đoạn mạ lỗ sẽ được bỏ qua) Ngoài ra công đoạn ép nhiều lớp chỉ được

thực hiện trong trường hợp sản phẩm mạch in có nhiều hơn hai lớp

(tấm mạch in có phủ đồng 2 mặt được gọi là mạch in 2 lớp) và khi đó

qui trình làm mạch in cũng khác đi chút ít

Công đoạn khoan được sử dụng nhằm tạo ra các lỗ khoan trên

tấm mạch in Căn cứ vào các bản thiết kế card, được thiết kế trên

những phần mềm chuyên dụng như Orcad, Protel…, phần mềm CAM

sẽ xuất ra các thông tin: vị trí tương đối của các lỗ khoan, kích thước

các lỗ khoan và số lượng lỗ phục vụ cho các máy CNC trong việc

khoan lỗ trên tấm phôi mạch ở đây các lỗ khoan chủ yếu là các Via,

lỗ xuyên được mạ đồng, nối các đoạn mạch của một dây nối nằm tại

các lớp khác nhau và các chân cắm linh kiện Hình dưới đây mô tả

một cắt lát thẳng đứng tại một lỗ khoan nằm trên tấm mạch in 2 lớp

Lớp cách điện Lớp đồng

Nguyên tắc mạ xuyên lỗ (hay đôi khi còn gọi là mạ lỗ, PTH –

platting through hole) được thực hiện tương tự như nguyên tắc mạ

phi kim, tức là tìm cách mạ một lớp kim loại lên bề mặt của vật liệu

phi kim ( vật liệu không dẫn điện) Cơ chế mạ xuyên lỗ được thực hiện

như sau: đầu tiên bề mặt của lỗ khoan được tạo khả năng dẫn điễn

bằng việc tẩm lên đõ một loại hoá chất đặc biệt, kỹ thuật MHC –

Make hole conductive, sau đó phôi mạch in sẽ được đưa đi mạ xuyên

lỗ theo phương pháp điện phân trong công đoạn này kỹ thuật MHC

được coi là nguyên công quan trọng nhất trong công đoạn mạ xuyên

lỗ Nó quyết định sự có hay không khả năng mạ được các lỗ xuyên

bằng bẻ điện phân phía sau Cho đến này nhiều kỹ thuật MHC khác

nhau được sử dụng Có thể nêu ra đây như: kỹ thuật thiếc – Paladin,

kỹ thuật mức cácbon, kỹ thuật polime dẫn điện… Hình dưới đây minh

hoạ lat cắt của một lỗ khoan nằm trên tấm mạch in sau khi qua công

đoạn mạ lỗ

Lớp cách điện Lớp đồng

Công đoạn tạo dây nối bao gồm 4 nguyên công cơ bản

- Thứ nhất, phủ một lớp cảm quang lên trên bề mặt của phôi

mạch in, đây là một lớp hoá chất đặc biệt nhảy cảm với ánh sáng

cực tím

- Thứ hai, phơi tấm phôi đã phủ lớp cảm quang dưới ánh sáng cực

tím với phim đã chop hình sẵn mạch in, nhằm tạo đường mạch

Hai nguyên công sau được thực hiện bằng cách cho tấm phôi

mạch in lần luợt đi qua các bể hóa chất chuyên dụng, tại đó quá trình

bóc được thực hiện dựa vào các phản ứng hoá học

Lớp cách điện Lớp đồng

Hình trên minh hoạ phần phôi mạch in xung quanh một lỗ sau

khi bị bóc đồng Phôi mạch in lúc này đã có bề mặt giống như một tấm

mạch in hoàn chỉnh với các lỗ khoan và các đường mạch như trong

bản thiết kế Mức độ tinh xảo trong các đường dây như độ rộng của

dây, hoặc khoảng cách giữa các dây nối sẽ được quyết định tạii công

đoạn này

Lớp đồng Lớp cách điện Lớp bảo vệ Lớp thiếc che bên ngoài lỗ khoan

Hình trên minh hoạ tấm mạch in sau khi được mạ thiếc Gia cố

mạch in là công đoạn cuối cùng của quy trình sản xuất nhằm mục

đích hoàn thiện tấm mạch in trước khi đem ra sử dụng Mạch in được