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

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




1
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 phẩ
m 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

2

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. Sả
n 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

3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ý NGHĨA GHI CHÚ
1 CNNL Công nghệ nung luyện
2 SP Sản phẩm



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


4
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


5
MỞ ĐẦU
Ở các nước đang phát triển, vấn đề tự động hoá cho quá trình nung luyện rất
được quan tâm giải quyết. Vì vậy công nghệ nung luyện (CNNL) được tự động hoá
ở mức cao. Đối với CNNL sử dụng nhiên liệu là khí hóa lỏng (một dạng nhiên liệu

phổ biến đang được sử dụng rộng rãi ở các làng nghề) thì bên cạnh việc điều khiển
các thông số công nghệ như nhi
ệt độ, thời gian nung, môi trường lửa bên trong lò
còn có nhiều vấn đề quan trọng khác cần quan tâm như:
- 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 hi
ện 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 t
ự 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.

6
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 v
ấn 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 chấ
t 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 c

ỡ của sản phẩm. Các sản phẩm có kích cỡ lớn phải được sấy lâu hơn để tránh

7
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 200
0
C.
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 v
ật 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 lạ
i 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 tồ
n tại pha khí, chúng tạo ra
lỗ xốp kín. Mặt khác, hình dạng và kích thước các hạt rắn rất khác nhau, bản chất

8
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
2.1. Thành phần hoá học
Trong quá trình nung, trong sản phẩm sẽ xảy ra các phản ứng hoá học phức tạp
giữa các oxyt bazơ và oxyt axit.
Lý thuyết và thực nghiệm đều chỉ ra thành phần hoá học của phối liệu là yếu tố
chủ yếu quyết định độ chịu l
ửa của nó tức là quyết định nhiệt độ và khoảng kết
khối.
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 ch
ất 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 th
ể hạ
thấp nhiệt độ nung cực đại đến khoảng 20
0
C–35
0
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
hoá học của phối liệu quyết định. Tuỳ thành phần hoá học mà hiện tượng kết khối
nói chung hay các phản ứng hoá học giữa các cấu tử nói riêng xảy ra ở
trạng thái

9
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 th
ấp hơn
nhiệt độ nung lý thuyết từ 20

0
C – 30
0
C 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 20
0
C – 30
0
C 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 nhi
ệt 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 giữ
a 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
.

10
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, n
ếu 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 đ
oạn
900
0
C - 1000
0
C 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 đế
n 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 th
ể 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 90
0
C – 800
0
C, do đó từ nhiệt độ nung cực
đại đến khoảng 950
0
C được phép làm nguội nhanh, sau đó tốc độ làm nguội giảm
dần. Loại sản phẩm chứa nhiều SiO2 dạng tự do thì ở 573
0
C là giai đoạn nguy
hiểm.

11
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 900
0
C -1050
0
C 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 1050
0

C – 1300
0
C 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 1170
0
C và 1205
0
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 1300

0
C còn
có phản ứng:
2Fe2O3
→
4FeO + O2
3Fe2O3
→
2Fe3 O4 + ½O2

12
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:
2CO
→
CO2 + C
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 1300
0
C
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
bị đồng bộ thay thế khi xảy ra sự cố) giá thành thiết bị cao, không phù hợp với tính

13
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 độ
ng 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: 03/2008/HĐ-
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.

14
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 l
ượng 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 đi
ều 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 th
ống.
• 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.


15
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 thuyế
t 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 s
ản 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 nhi
ệt.
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, nh
ằm đảm bảo phù hợp với mục đích
sử dụng trong các làng nghề Việt nam.

16
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
SENSOR
ĐO
NỒNG ĐỘ
CO, 02
CCCH
VAN NAP
KHÍ ĐỐT
Hinh 1: Sơ đồ cấu trúc h
ệ
thốn
g
THIẾT BỊ
LÀM MÁT
VÀ LỌC KHÍ
NÓNG
MỎ ĐỐT
TỰ ĐỘNG
TRỘN KHÍ
MÀN HÌNH GIAO
DIỆN

17
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 đi
ểm).
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

18




Hình 3. Sơ đồ khối chung của dspic33FJ256 MC710


19
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 đ
o lường trở lên đơn giản.






Hình 4. Sơ đồ khối kênh đọc ADC

20
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 n
ằm 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

21
- 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 b
ằng
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

22
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

23
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 đươ
ng 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

24
• 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