›
›

Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật dự án: Chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò - Nguyễn Thế Truyện

pdf 153 trang cucquyet12 3880
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật dự án: Chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò - Nguyễn Thế Truyện", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbao_cao_tong_ket_khoa_hoc_va_ky_thuat_du_an_che_tao_thiet_bi.pdf

Nội dung text: Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật dự án: Chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò - Nguyễn Thế Truyện

  1. BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 156A Quán Thánh, Ba Đình, Hà Nội X W Y Z X W Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Dự án: CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG ĐO VÀ CẢNH BÁO KHÍ MÊTAN CẦM TAY DÙNG CHO KHAI THÁC HẦM LÒ TS. Nguyễn Thế Truyện 6176 10/11/2006 Hà Nội - 2006 Bản quyền 2004-2005, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
  2. DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH THAM GIA THỰC HIỆN DỰ ÁN STT Tên Ghi chú 1 TS. Nguyễn Thế Truyện Chủ nhiệm dự án 2 KS. Nguyễn Công Hiệu 3 KS. Luyện Tuấn Anh 4 KS. Kiều Mạnh Cường 5 KS. Nguyễn Thế Vinh 6 KS. Nguyễn Văn Cường 7 KS. Nguyễn Xuân Phú Sơn 8 KS. Phạm Mạnh Tuấn 9 KS. Nguyễn Hùng Kiên 10 KS. Lê Anh Tuấn 11 KS. Nguyễn Văn Quang * CHUYÊN GIA CỐ VẤN CHUYÊN NGÀNH: TS. Lê Văn Thao, Kỹ Sư trưởng thông gió - Tập đoàn CN Than, khoáng sản VN
  3. TÓM TẮT VỀ DỰ ÁN Dự án KC.03.DA04 là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài KC.03.04 do Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) chủ trì thực hiện. Dự án được thực hiện từ tháng 1/2004 đến 12/2005. Các nội dung mà dự án đã thực hiện là: + Khảo sát các thiết bị đo khí hiện có tại các mỏ than của Việt nam từ đó xác định nhu cầu thực sự và cấp thiết của người sử dụng để chế tạo thiết bị phù hợp. + Lựa chọn vật tư, linh kiện đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó để mua và chế tạo thiết bị + Thiết kế phần cứng cho các thiết bị. + Xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển phần mềm cho các thiết bị. + Thiết kế mẫu mã, kiểu dáng công nghiệp cho thiết bị. + Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị. + Đưa thiết bị đi kiểm định để đánh giá các thông số kỹ thuật và kiểm tra an toàn phòng chống cháy nổ, + Thử nghiệm thiết bị tại thực tế hầm lò Việt Nam. + Thu thập ý kiến đóng góp để cải tiến khắc phục các nhược điểm của thiết bị + Nghiên cứu hoàn thiện thiết kế và công nghệ chế tạo. + Đào tạo cán bộ thiết kế cũng như hướng dẫn sử dụng tại các cơ sở để đảm bảo thiết bị được sử dụng có hiệu quả nhất. Trong thời gian 2 năm nhóm thực hiện dự án đã cố gắng hết sức để triển khai một cách hiệu quả nhất. Tuy nhiên do đặc thù ngành than là ngành lao động trong môi trường khắc nghiệt và luôn ẩn chứa nhiều hiểm hoạ do đó các thiết bị đưa vào sử dụng trong hầm lò đều phải trải qua các quy định hết sức ngặt nghèo: từ kiểm định, xin cấp phép cho vào sử dụng trong hầm lò đến thời gian thử nghiệm thực tế nên kết quả triển khai dự án cũng chưa được như mong muốn. Tuy nhiên với sự cố gắng hết mình của đơn vị thực hiện dự án cùng sự hỗ trợ, tạo điều kiện của các cơ quan chức năng và các đơn vị sử dụng, sản phẩm dự án đã được thị trường trong nước chấp nhận và được người sử dụng đánh giá cao. Kể từ khi được phép chuyển giao vào thực tế đến nay (tháng 11/2005) sản phẩm của dự án đã được các công ty trong Tập đoàn than và khoáng sản Việt Nam như: Công ty than Hạ Long, Hòn Gai, Vàng Danh, Đông Bắc, Hà Lầm, mua và sử dụng trong các khu vực khai thác với tổng kinh phí khoảng 3 tỉ đồng. Sản phẩm của dự án đã phát huy tốt tác dụng góp phần đảm bảo an toàn lao động, tạo tâm lý an tâm cho công nhân khi làm việc và sản phẩm bước đầu đã thay thế được thiết bị nhập ngoại đem lại hiệu quả kinh tế to lớn. Báo cáo này sẽ trình bày chi tiết về nội dung và kết quả thực hiện dự án.
  4. BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 156A Quán Thánh, Ba Đình, Hà Nội X W Y Z X W Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Dự án: CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG ĐO VÀ CẢNH BÁO KHÍ MÊTAN CẦM TAY DÙNG CHO KHAI THÁC HẦM LÒ TS. Nguyễn Thế Truyện Hà Nội - 2006 Bản quyền 2004-2005, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
  5. DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH THAM GIA THỰC HIỆN DỰ ÁN STT Tên Ghi chú 1 TS. Nguyễn Thế Truyện Chủ nhiệm dự án 2 KS. Nguyễn Công Hiệu 3 KS. Luyện Tuấn Anh 4 KS. Kiều Mạnh Cường 5 KS. Nguyễn Thế Vinh 6 KS. Nguyễn Văn Cường 7 KS. Nguyễn Xuân Phú Sơn 8 KS. Phạm Mạnh Tuấn 9 KS. Nguyễn Hùng Kiên 10 KS. Lê Anh Tuấn 11 KS. Nguyễn Văn Quang * CHUYÊN GIA CỐ VẤN CHUYÊN NGÀNH: TS. Lê Văn Thao, Kỹ Sư trưởng thông gió - Tập đoàn CN Than, khoáng sản VN
  6. TÓM TẮT VỀ DỰ ÁN Dự án KC.03.DA04 là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài KC.03.04 do Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) chủ trì thực hiện. Dự án được thực hiện từ tháng 1/2004 đến 12/2005. Các nội dung mà dự án đã thực hiện là: + Khảo sát các thiết bị đo khí hiện có tại các mỏ than của Việt nam từ đó xác định nhu cầu thực sự và cấp thiết của người sử dụng để chế tạo thiết bị phù hợp. + Lựa chọn vật tư, linh kiện đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó để mua và chế tạo thiết bị + Thiết kế phần cứng cho các thiết bị. + Xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển phần mềm cho các thiết bị. + Thiết kế mẫu mã, kiểu dáng công nghiệp cho thiết bị. + Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị. + Đưa thiết bị đi kiểm định để đánh giá các thông số kỹ thuật và kiểm tra an toàn phòng chống cháy nổ, + Thử nghiệm thiết bị tại thực tế hầm lò Việt Nam. + Thu thập ý kiến đóng góp để cải tiến khắc phục các nhược điểm của thiết bị + Nghiên cứu hoàn thiện thiết kế và công nghệ chế tạo. + Đào tạo cán bộ thiết kế cũng như hướng dẫn sử dụng tại các cơ sở để đảm bảo thiết bị được sử dụng có hiệu quả nhất. Trong thời gian 2 năm nhóm thực hiện dự án đã cố gắng hết sức để triển khai một cách hiệu quả nhất. Tuy nhiên do đặc thù ngành than là ngành lao động trong môi trường khắc nghiệt và luôn ẩn chứa nhiều hiểm hoạ do đó các thiết bị đưa vào sử dụng trong hầm lò đều phải trải qua các quy định hết sức ngặt nghèo: từ kiểm định, xin cấp phép cho vào sử dụng trong hầm lò đến thời gian thử nghiệm thực tế nên kết quả triển khai dự án cũng chưa được như mong muốn. Tuy nhiên với sự cố gắng hết mình của đơn vị thực hiện dự án cùng sự hỗ trợ, tạo điều kiện của các cơ quan chức năng và các đơn vị sử dụng, sản phẩm dự án đã được thị trường trong nước chấp nhận và được người sử dụng đánh giá cao. Kể từ khi được phép chuyển giao vào thực tế đến nay (tháng 11/2005) sản phẩm của dự án đã được các công ty trong Tập đoàn than và khoáng sản Việt Nam như: Công ty than Hạ Long, Hòn Gai, Vàng Danh, Đông Bắc, Hà Lầm, mua và sử dụng trong các khu vực khai thác với tổng kinh phí khoảng 3 tỉ đồng. Sản phẩm của dự án đã phát huy tốt tác dụng góp phần đảm bảo an toàn lao động, tạo tâm lý an tâm cho công nhân khi làm việc và sản phẩm bước đầu đã thay thế được thiết bị nhập ngoại đem lại hiệu quả kinh tế to lớn. Báo cáo này sẽ trình bày chi tiết về nội dung và kết quả thực hiện dự án.
  7. MỤC LỤC MỤC LỤC CÁC HÌNH 3 LỜI NÓI ĐẦU 4 1. Đặt vấn đề 4 2. Các thông tin chung về dự án 4 CHƯƠNG I. CÁC VẤN ĐỀ CHUNG 5 1.1 Tình hình xuất khí mêtan trong các mỏ than hiện nay 5 1.2 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 6 1.3 Thực trạng sử dụng các máy đo khí trong TKV 7 1.3.1 Thiết bị của Nga 7 1.3.2 Thiết bị của Trung Quốc 8 1.3.3 Thiết bị của Nhật 9 1.3.4 Thiết bị của Ba Lan 9 1.3.5 Thiết bị của Canada 10 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 11 1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của dự án 13 1.6 Trình tự tiến hành thực hiện dự án 14 1.7 Phương pháp nghiên cứu 15 CHƯƠNG II. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC SẢN PHẨM 16 2.1 Nguyên tắc thiết kế, chế tạo 16 2.2 Lựa chọn các phần tử 17 2.2.1 Lựa chọn sensor 17 2.2.2 Lựa chọn các linh kiện khác 22 2.2.3 Các vấn đề cần giải quyết 23 2.3 Thiết kế máy đo khí mêtan VIELINA-ĐCT.01 25 2.3.1 Thiết kế phần cứng máy đo VIELINA-ĐCT.01 25 2.3.2 Thiết kế phần mềm VIELINA-ĐCT.01 26 2.4 Thiết kế máy đo nhiều thông số 27 2.4.1 Thiết kế phần cứng máy đo nhiều thông số 27 2.4.2 Thiết kế phần mềm máy đo nhiều thông số 28 2.5 Thiết kế bộ nạp pin tự động 29 2.6 Chế tạo bộ nguồn 30 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 32 3.1 Về sản phẩm dự án 32 3.1.1 Máy đo VIELINA-ĐCT.01 32 3.1.2 Máy đo VIELINA-ĐCT.02 35 3.1.3 Máy đo VIELINA-ĐCT.03 36 3.1.4 Bộ nạp pin tự động 37 3.2 Quy trình công nghệ 38 3.2.1 Quy trình chế thử 38 3.2.2 Quy trình công nghệ chế tạo hàng loạt sản phẩm 40 Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 1 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  8. 3.2.3 Quy trình hiệu chuẩn thiết bị 44 3.2.4 Quy trình hoàn thiện công nghệ chế tạo sản phẩm 45 CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 4.1 KẾT LUẬN 46 4.1.1 Kết quả thực hiện 46 4.1.2 Đánh giá hiệu quả của dự án 47 4.1.3 Đánh giá về tính mới, tính sáng tạo của dự án 47 4.1.4 Đánh giá mức độ hoàn thành của dự án 48 4.2 Kiến nghị 49 LỜI CẢM ƠN 51 CÁC PHỤ LỤC BÁO CÁO 53 Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 2 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  9. MỤC LỤC CÁC HÌNH Hình 1 Máy đo GWJ-1A 8 Hình 2 Thiết bị đo R-7 9 Hình 3 Thiết bị đo TC-100P 10 Hình 4 Thiết bị đo GasAlertMicro 11 Hình 5 Cấu tạo sensor cảm biến đốt xúc tác 18 Hình 6 Nguyên lý hoạt động sensor đo khí CO 19 Hình 7 Sơ đồ đấu nối sensor theo cầu Wheastone 21 Hình 8 Các thông số chính của sensor NAP100AD 22 Hình 9 Bo mạch máy đo VIELINA-ĐCT.01 23 Hình 10 Sơ đồ khối thiết bị đo khí mêtan cầm tay VIELINA-ĐCT01 25 Hình 11 Lưu đồ thuật toán xây dựng phần mềm thiết bị đo khí mêtan cầm tay 26 Hình 12 Sơ đồ khối tổng quát thiết bị 27 Hình 13 Lưu đồ thuật toán xây dựng phần mềm thiết bị đo nhiều thông số 28 Hình 14 Sơ đồ khối bộ nạp pin tự động 29 Hình 15 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn an toàn tia lửa 30 Hình 16 Hình ảnh bộ nguồn cho các sản phẩm dự án 31 Hình 17 Sản phấm thế hệ thứ nhất 32 Hình 18 Sản phẩm thế hệ thứ 2 33 Hình 19 Sản phẩm thế hệ đang sử dụng 33 Hình 20 Mặt trước thiết bị VIELINA-ĐCT.02 35 Hình 21 Mặt trước thiết bị đo VIELINA-ĐCT.03 36 Hình 22 Bộ nạp pin tự động 38 Hình 23 Quy trình công nghệ chế thử sản phẩm 39 Hình 24 Quy trình sản xuất, hiệu chỉnh sản phẩm 43 Hình 25 Quy trình hoàn thiện công nghệ chế tạo sản phẩm 45 Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 3 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  10. LỜI NÓI ĐẦU 1. Đặt vấn đề Trong quá trình thực hiện đề tài KC.03.04: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ SCADA phục vụ an toàn lao động trong ngành khai thác hầm lò, chúng tôi thấy rằng nhu cầu trước mắt của các mỏ than lúc đó (năm 2002) là thiết bị đo khí cầm tay chứ chưa phải là hệ thống giám sát khí tập trung và chúng tôi đã đầu tư nghiên cứu chế tạo loại máy đo này. Sau khi đã chế tạo ra một vài sản phẩm được người sử dụng đón nhận, chúng tôi đã đăng ký dự án sản xuất thử nghiệm và được Bộ KHCN cho phép thực hiện dự án KC.03.DA04. Báo cáo này sẽ trình bày kết quả thực hiện dự án trong hai năm qua (2004-2005). 2. Các thông tin chung về dự án Tên dự án: Chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. Thuộc chương trình KHCN cấp Nhà nước: Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ Tự động hoá Mã số chương trình: KC.03 Cấp quản lý: Nhà nước Thời gian thực hiện: 24 tháng (01/2004 - 12/2005) Kinh phí thực hiện dự án: 5500 triệu đồng Trong đó, từ Ngân sách sự nghiệp khoa học: 2000 triệu đồng Thu hồi: Kinh phí thu hồi: 1400 triệu đồng (70% kinh phí hỗ trợ từ NSSNKH) Tổ chức chủ trì thực hiện dự án: Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá Địa chỉ: 156A Quán Thánh, Hà Nội Điện thoại: (04) 7164855 Fax: (04) 7164842 Chủ nhiệm dự án: Nguyễn Thế Truyện Học vị: Tiến sĩ Chức vụ: Giám đốc Trung tâm Điện tử công nghiệp Địa chỉ: 156A Quán Thánh, Hà Nội Điện thoại: CQ: (04) 7140150 NR: (04)7540302 Mobile:0912095442 E-mail: truyennt@hn.vnn.vn Cơ quan phối hợp chính: Tập đoàn Công nghiệp Than và Khoáng sản Việt Nam Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 4 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  11. CHƯƠNG I. CÁC VẤN ĐỀ CHUNG Chương này trình bày tổng quan về các vấn đề liên quan tới dự án, mục tiêu và nội dung thực hiện dự án, trình tự tiến hành thực hiện dự án và phương pháp nghiên cứu, thực hiện dự án 1.1 Tình hình xuất khí mêtan trong các mỏ than hiện nay Khí mêtan (CH4) có nguồn gốc từ than (gọi tắt là khí than) là một trong nhiều loại khí thiên nhiên được hình thành trong quá trình sinh hoá biến đổi vật chất hữu cơ ban đầu và quá trình biến chất than tiếp theo dưới tác động của nhiệt và áp suất. Khí mêtan có thể cháy và nổ khi gặp ngọn lửa trần và nồng độ khí từ (5 ÷ 15)% (khả năng dễ cháy nổ nhất là 9,5%). Điều kiện cháy nổ của khí mêtan (CH4) phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố: nồng độ của khí mêtan (%CH4), nồng độ khí Oxy (%O2), áp suất (at), Nhiệt độ (oC) và độ ẩm tương đối (%RH). Khi có sự cố cháy nổ thì trong hầm lò nhiệt độ có thể lên tới 2650oC và áp suất lên tới 10at. Phương trình phản ứng tổng quát cho khí cháy là: CmHn + (m+n/4)O2 ==> mCO2 + (n/2)H2O Với khí mêtan ta có phương trình: CH4 + 2O2 ==> CO2 + 2H2O Hiện nay chúng ta đang tăng cường hình thức khai thác than hầm lò nhưng khai thác càng xuống sâu thì nguy cơ cháy nổ khí mêtan ngày càng lớn. Việc xuất khí mêtan trong mỏ than là một quá trình diễn ra thường xuyên, căn cứ vào mức độ và hình thức xuất khí mêtan người ta phân loại mỏ như sau: Xếp loại mỏ Độ thoát khí mêtan tương đối (m3/T.than.ngđ) I < 5 II Từ 5 đến < 10 III Từ 10 đến < 15 Siêu hạng ≥ 15, những mỏ có nguy hiểm xì khí Nguy hiểm phụt khí bất ngờ Mỏ hầm lò khai thác các vỉa than nguy hiểm phụt than và khí bất ngờ Bảng 1 : Phân loại mỏ theo khí mêtan Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 5 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  12. Hiện nay, hàng năm Tập đoàn công nghiệp than và khoáng sản Việt Nam (TKV) luôn tiến hành đánh giá và phân loại mỏ theo mức độ thoát khí mêtan trên 1 tấn than trong 1 ngày đêm. Kết quả phân loại mỏ năm 2006 như sau: Độ thoát khí CH TT Mỏ 4 Xếp loại mỏ tương đối (m3/T.ngđ) 1 Khu 56 Mạo Khê 15,20 Siêu hạng 2 Quang Hanh (vỉa 7 cánh nam) 6,94 II 3 Vàng Danh 1,57 I 4 Hà Lầm 0,37 I 5 Cao Thắng 0,80 I 6 Giáp Khẩu 0,70 I 7 Thành Công 0,50 I 8 Nam Mẫu 0,25 I 9 Thống Nhất (Lộ Trí) 1,87 I 10 Dương Huy 0,47 I 11 Khe Chàm 3,85 I 12 Mông Dương 0,92 I 13 Đông Bắc (XN148) 3,64 I Bảng 2 : Kết quả phân loại mỏ năm 2006 Theo bảng trên thì hiện trong TKV chỉ có Công ty than Mạo Khê là mỏ siêu hạng, Công ty than Quang Hanh là mỏ loại II, còn hầu hết các mỏ là mỏ loại I. Tuy nhiên, qua trao đổi chúng tôi được biết nhiều khi phân loại này cũng chưa phản ánh đúng khả năng xuất khí ở các mỏ, vì vậy sau vụ tai nạn cháy nổ hầm lò ngày 6/3/2006 ở Công ty than Thống Nhất TKV đã quy định tăng cường việc kiểm tra giám sát khí trong hầm lò bất kể là mỏ loại nào cũng phải lắp đặt hệ thống giám sát tập trung. Việc lắp đặt hệ thống giám sát tập trung phải hoàn thành vào cuôi snăm 2007. 1.2 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Trong những năm qua sản lượng than khai thác của TKV tăng trưởng với tốc độ rất cao: năm 2003 là 18 triệu tấn, năm 2004 là 24 triệu tấn, năm 2005 là hơn 30 triệu tấn và kế hoạch năm 2006 là 40 triệu tấn. Sản lượng khai thác ngày càng tăng nhưng lượng than lộ thiên ngày một giảm, do đó TKV phải tăng cường hình thức khai thác than hầm lò. Khai thác càng xuống sâu thì nguy cơ cháy nổ khí mêtan ngày càng lớn. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 6 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  13. Trên thế giới (Trung quốc, Ukraina, Nga, thậm chí cả Mỹ) cũng như ở Việt nam trong các năm vừa qua đã xẩy ra rất nhiều vụ cháy nổ khí làm chết hàng chục, thậm chí hàng trăm người. Có thể kể ra một số vụ cháy nổ khí gần đây ở Việt nam như vụ nổ ngày 11/1/1999 tại lò thượng V9B đông Công ty Than Mạo khê làm 19 người bị chết và 12 người bị thương. Vụ nổ tại đường lò V13 khu tây bắc ngã hai thuộc xí nghiệp khai thác than 190 Công ty Đông bắc ngày 29/5/1999 làm 3 người chết và 2 người bị thương. Hai vụ nổ liên tiếp trong ngày 19/12/2002 tại XN than Suối lại (Công ty than Quảng ninh) và XN 909 (Công ty Địa chất và khai thác khoáng sản) làm tổng cộng 13 người chết và 5 người bị thương. Gần đây nhất là vụ nổ ngày 6/3/2006 tại Công ty than Thống Nhất làm 8 người bị chết. Hiện nay, trong TKV đã có 02 hệ thống tự động đo, cảnh báo khí mêtan (của Ba Lan và Nhật Bản chế tạo) tại Công ty than Mạo khê. Còn lại, hầu hết các mỏ đều mới chỉ có các máy đo cầm tay dùng cho phòng an toàn hoặc phòng chức năng đi kiểm tra định kỳ trong từng ca sản xuất. Theo quy định số 114/QĐ-AT ngày 28/5/2003 về việc đo khí mỏ của TKV (TVN trước kia) thì cần phải đo, kiểm soát khí thường xuyên tại tất cả các lò khai thác, các điểm quan trọng cũng như bất kỳ đoàn nào vào lò đều phải mang theo thiết bị đo khí. Do đó vấn đề đo kiểm soát khí cũng như việc trang bị thiết bị đo cảnh báo xách tay là bắt buộc phải thực hiện. Trong mấy năm qua TKV đã mua các máy đo khí mêtan của Nhật Bản (R7), Canada (GasAlert Lel, GasAlertMicro), của Trung Quốc, nhưng do giá thành các thiết bị đo kiểm soát khí quá đắt (của Nhật và Canada đều khoảng 30 triệu đồng/chiếc) nên các Công ty đều chưa trang bị được đầy đủ theo yêu cầu. Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo máy đo khí mêtan dùng cho khai thác hầm lò là rất cấp thiết, bức bách và có nhiều ý nghĩa cả về khoa học, kinh tế lẫn xã hội. 1.3 Thực trạng sử dụng các máy đo khí trong TKV Hiện trạng ứng dụng các thiết bị đo khí mêtan trong ở các mỏ của ta như sau: TKV chủ yếu là mua các thiết bị đo khí mêtan cầm tay của nước ngoài (Nga, Trung Quốc, Nhật bản, Ba Lan, Canada ) để trang bị cho các phòng an toàn, phòng thông gió, đi kiểm tra định kỳ trong ngày. Các thiết bị này có một số nhược điểm: 1.3.1 Thiết bị của Nga Các thiết bị của Nga (ШИ-10, ШИ-11) dùng sensor theo nguyên lý quang học, có vỏ bằng vật liệu composit rất chắc chắn. Thiết bị này có ưu điểm là đo chính xác, nhưng chúng có hạn chế là không đo được tự động, đọc số liệu khó thống nhất và mạch điện không được nhiệt đới hoá nên không Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 7 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  14. phù hợp với điều kiện khí hậu ở nước ta dẫn đến tuổi thọ không cao. Thiết bị chỉ mang theo người, không dùng để treo trong hầm lò làm cảnh báo cục bộ được. Hiện nay các máy này gần như đã hỏng hết và không thấy được mua để sử dụng tiếp trong các mỏ than Việt Nam nữa. 1.3.2 Thiết bị của Trung Quốc Theo chúng tôi được biết thì máy đo khí mêtan của Trung Quốc có nhiều chủng loại khác nhau, có giá cả cũng đa dạng. Loại đang được dùng trong các mỏ (loại GWJ-1A) có hình dạng như sau: Hình 1 Máy đo GWJ-1A Máy này cũng xác định nồng độ khí mêtan theo nguyên tắc quang học. Ưu điểm: Máy có giá thành thấp (khoảng 5 triệu đồng), đo khá chính xác Hạn chế: Không đo tự động được mà phải bóp thủ công mỗi khi đo, khó đọc kết quả đo và giá trị đọc không thống nhất. Thiết bị chỉ mang theo người, không dùng để treo trong hầm lò làm cảnh báo cục bộ được. Hiện nay máy này cũng ít được các mỏ than mua thêm để sử dụng. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 8 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  15. 1.3.3 Thiết bị của Nhật Thiết bị của Nhật có nhiều loại và do nhiều hãng khác nhau chế tạo như R-7 của Toka Keiki, GX-86 của Riken Keiki, nhưng hiện đang sử dụng tại TKV chủ yếu là máy đo R7. Máy đo R7 cũng dùng sensor theo nguyên lý quang học. Hình 2 Thiết bị đo R-7 Ưu điểm: Máy đo R-7 có độ ổn định, độ chính xác cao, bền. Hạn chế: Giá thành rất cao (khoảng 35 triệu), phải có bộ lọc khí CO2 nếu không sẽ bị lẫn khí khi đo, đọc theo vạch quang học nên khó sử dụng và cũng không đo tự động được mà phải dùng tay bóp khi muốn đo. Thiết bị chỉ mang theo người, không dùng để treo trong hầm lò làm cảnh báo cục bộ được. Năm 2006 TKV đã mua mấy trăm chiếc để cung cấp cho các mỏ. Thiết bị này, hiện đang được coi là thiết bị bậc cao nhất của TKV. 1.3.4 Thiết bị của Ba Lan Thiết bị Ba lan hiện có hai loại đang được sử dụng tại TKV là: M1CA và TC-100P Thiết bị M1CA: dùng sensor dạng đốt xúc tác (cầu Wheastone) và hiển thị số, thiết bị nhỏ gọn nhưng có nhược điểm là không đo tự động được và thiết bị cũng không phù hợp với điều kiện môi trường của mỏ hầm lò Việt Nam nên độ bền không cao Hiện thiết bị này vẫn còn một số nơi đang sử dụng nhưng không thấy các đơn vị mua mới nữa. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 9 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  16. Thiết bị TC-100P: Thiết bị này dùng cả hai loại sensor (quang học và đốt xúc tác), hiển thị số. Thiết bị này còn có khả năng điều khiển đóng cắt điện khi vượt ngưỡng nên hiện được sử dụng như thiết bị giám sát cục bộ. Ưu điểm: Đo tự động và có thể dùng làm thiết bị giám sát cục bộ, dải đo rộng (dùng 2 loại sensor). Thiết bị có thể treo trong hầm lò làm thiết bị giám sát cục bộ. Hình 3 Thiết bị đo TC-100P Hạn chế: Giá thành đắt (khoảng 40 triệu đồng/chiếc), thiết bị chưa được nhiệt đới hoá nên không phù hợp với môi trường hầm lò Việt Nam dẫn tới độ ổn định, độ bền không cao. Thiết bị này được TKV đặt mua một đợt vào khoảng năm 2003 để trang bị cho các đơn vị thành viên, sau đó không thấy mua đợt nào nữa. Hiện nay một số đơn vị vẫn còn sử dụng nhưng cũng không thấy đặt mua mới. 1.3.5 Thiết bị của Canada Năm 2004 và 2005 TKV đã mua và trang bị cho các đơn vị thành viên hai loại máy của Canada là: GasAlert Lel (máy đo khí cháy) và GasAlertMicro (máy đo nhiều loại khí: khí cháy, CO, O2). GasAlert Lel : đây là loại máy đo 1 thông số, dùng sensor catalytic, hiển thị số trên LCD và đo tự động, máy này nhỏ gọn, sử dụng dễ dàng. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 10 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  17. GasAlertMicro: Đây là máy đo nhiều thông số: CH4, CO và O2 cũng dùng sensor catalytic, hiển thị số trên LCD và đo tự động, máy này nhỏ gọn, sử dụng dễ dàng. Hạn chế: Giá đắt (khoảng 30 triệu đồng/chiếc) và không thể treo trong hầm lò được mà chỉ mang theo người đi kiểm tra. Hình 4 Thiết bị đo GasAlertMicro Các máy này hiện được sử dụng mang theo người để đi kiểm tra trong các hầm lò. Tóm lại: Hiện nay các máy đo khí của TKV đều là mua của nước ngoài cho nên ngoài việc tốn kinh phí mua các thiết bị này thì việc sử dụng chúng cũng rất phụ thuộc vì ta không làm chủ được công nghệ cũng như các vật tư, linh kiện thay thế. Việc bảo hành, bảo dưỡng sau thời gian bảo hành quy định của nhà sản xuất gần như không có (do thiết bị được cung cấp từ các công ty thương mại chứ không phải từ các nhà sản xuất). 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.4.1 Tình hình nghiên cứu và triển khai ở nước ngoài Ở nước ngoài, việc chế tạo thiết bị đo lường cho tất cả các lĩnh vực đều được đặc biệt quan tâm không chỉ riêng thiết bị phục vụ ngành khai thác hầm lò. Các hãng Riken keiki, Toka Keiki, ICS (Industrial Scientific Corporation), SICK/MIHAK, là các Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 11 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  18. hãng lớn trên thế giới chuyên chế tạo các thiết bị đo lường công nghiệp từ thiết bị đơn lẻ đến hệ thống lớn SCADA. Thiết bị đo kiểm soát khí mêtan phục vụ khai thác hầm lò cũng được các hãng sản xuất thiết bị đo lường chế tạo theo hai dạng chính: Thiết bị đo đơn lẻ: Cầm tay hoặc đặt cố định; Hệ thống lớn (SCADA): Tự động thu thập cảnh báo, và điều khiển. Về thiết bị đơn lẻ chủ yếu là thiết bị xách tay đo khí mêtan thì có 2 loại: loại không hiển thị giá trị đo mà chỉ báo động khi vượt ngưỡng đặt trước hoặc loại có hiển thị giá trị đo và báo động khi vượt ngưỡng. Các thiết bị của các nước công nghiệp phát triển như: Nhật, Anh, Mỹ, Đức, đều rất đắt. Còn của Trung Quốc chế tạo loại có giá cả vừa phải thì độ chính xác, độ ổn định không cao, còn loại có chất lượng cao thì cũng đắt như của các nước công nghiệp phát triển khác. Một xu hướng là chế tạo máy đo xách tay kết hợp đo nhiều loại khí như: CH4, CO, O2, H2S (GX86, GasAlertMicro). Tuy nhiên các thiết bị dạng này thường đắt và dải đo một số thông số chưa chắc đã phù hợp với mục đích sử dụng. Hãng CarboAutomatyka của Ba Lan đã chế tạo thiết bị TC-100P có thể đo, cảnh báo và điều khiển cắt điện cục bộ khi nguy hiểm (giá mỗi thiết bị này khoảng 40 triệu đồng/chiếc). Thiết bị này cũng đã được sử dụng tại các mỏ của Việt Nam, nhưng do các thiết bị này chưa thực sự phù hợp với môi trường hầm lò Việt nam nên làm việc không ổn định. Tóm lại, thiết bị đo khí mêtan nói riêng và khí cháy nổ trong hầm lò nói chung được nghiên cứu và chế tạo ở nhiều nước trên thế giới, nhưng hoặc là có giá quá cao hoặc là chưa phù hợp với điều kiện đặc thù của hầm lò Việt Nam nên hiện nay TKV vẫn còn thiếu rất nhiều để phục vụ an toàn lao động trong khai thác hầm lò. 1.4.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai trong nước Trong nước hiện nay mới chỉ có Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) là đơn vị đầu tiên đã nghiên cứu và chế tạo được thiết bị đo cảnh báo khí mêtan cầm tay, thiết bị này đã được kiểm định và cấp phép cho sử dụng trong hầm lò. Hiện đã đưa vào sử dụng trong thực tế được khoảng 300 chiếc. Vừa qua, Viện khoa học Vật liệu (thuộc Viện Khoa học Việt Nam) đã nghiện cứu chế tạo được máy đo khí ga, nồng độ cồn nhưng chưa chế tạo được máy đo dùng trong môi trường hầm lò. Từ những yêu cầu bức bách về việc sử dụng máy đo khí mêtan của thực tế và tình hình nghiên cứu, chế tạo máy đo khí mêtan trong nước như trên, từ năm 2004 VIELINA đã được Bộ Khoa học Công nghệ, Chương trình NCKH và phát triển công nghệ Tự động hoá cho phép chủ trì thực hiện dự án: Chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò – mã số KC03.DA04, nhằm Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 12 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  19. mục đích chế tạo ra các máy đo khí mêtan phù hợp với môi trường hầm lò đặc thù của Việt Nam cung cấp cho TKV. 1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của dự án 1.5.1 Mục tiêu Mục tiêu của dự án là thiết kế, chế tạo được thiết bị đo và cảnh báo khí mêtan cầm tay phục vụ cho khai thác hầm lò, đảm bảo an toàn cho người lao động. • Mục tiêu trước mắt là chế tạo ra thiết bị đo và cảnh báo một loại khí duy nhất là khí mêtan, có thể làm việc ổn định và chính xác trong điều kiện môi trường khắc nghiệt như khai thác hầm lò. Các thông số kỹ thuật chính là: - Dải đo CH4: 0 đến 5 % vol. - Sai số: 0,1% - Ngưỡng báo động theo TCVN: 1% Vol. - Thời gian làm việc liên tục: 10h - Nhiệt độ làm việc: 00C đến +500C - Độ ẩm tương đối làm việc: 5 đến 95% - Thiết bị có thể báo động bằng âm thanh và đèn nháy - Bảo đảm các tiêu chuẩn về an toàn theo TCVN - Giá cả bằng 2/3 hoặc ít hơn so với thiết bị có cùng tính năng của nước ngoài • Mục tiêu tiếp theo là chế tạo các thiết bị đo cảnh báo cầm tay có thể đo được nhiều thông số như: CH4; CO hoặc CO2 (gọi chung là COx); nhiệt độ; các sản phẩm này có ngay trong thời kỳ thực hiện dự án. • Mục tiêu lâu dài là chế tạo các hệ thống SCADA diện rộng để đo, cảnh báo các thông số môi trường trong khai thác hầm lò phục vụ an toàn lao động. • Mục tiêu lâu dài khác là làm chủ công nghệ để tiếp tục thiết kế chế tạo các loại thiết bị đo lường khác, phục vụ cho sự nghiệp Công nghiệp hoá đất nước như: Thiết bị đo các khí công nghiệp, đo các thông số môi trường nước, 1.5.2 Nội dung nghiên cứu - Khảo sát các thiết bị đo khí hiện có tại các mỏ than của Việt nam từ đó xác định nhu cầu thực sự và cấp thiết của người sử dụng để chế tạo thiết bị phù hợp. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 13 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  20. - Lựa chọn vật tư, linh kiện đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó để mua và chế tạo thiết bị - Thiết kế phần cứng, phần mềm cho các thiết bị. - Xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển. - Thiết kế mẫu mã, kiểu dáng công nghiệp cho thiết bị. - Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị. - Đưa thiết bị đi kiểm định để đánh giá các thông số kỹ thuật và kiểm tra an toàn phòng chống cháy nổ, - Thử nghiệm thiết bị tại thực tế hầm lò Việt Nam. - Thu thập ý kiến đóng góp để cải tiến khắc phục các nhược điểm của thiết bị - Nghiên cứu hoàn thiện thiết kế và công nghệ chế tạo. - Đào tạo cán bộ thiết kế cũng như hướng dẫn sử dụng tại các cơ sở để đảm bảo thiết bị được sử dụng có hiệu quả nhất. 1.6 Trình tự tiến hành thực hiện dự án Sau khi được phê duyệt dự án, chúng tôi đã khẩn trương triển khai thực hiện dự án với trình tự các bước như sau: - Khảo sát thực trạng thiết bị đo khí trong TKV, thu thập ý kiến người sử dụng để rút ra ưu nhược điểm của các thiết bị nước ngoài từ đó xây dựng bài toán cho thiết kế sản phẩm dự án (T1-T2/2004). - Tham khảo ý kiến các chuyên gia ngành than (đặc biệt các chuyên gia Nhật Bản và chuyên gia của Trung tâm an toàn Mỏ) làm cơ sở thiết kế sản phẩm (T3/2004). - Lựa chọn vật tư, linh kiện và thiết kế (phần cứng, phần mềm, vỏ hộp, kiểu dáng, ) sao cho sản phẩm đảm bảo tiêu chuẩn TCVN-7079 và phù hợp nhất với yêu cầu của người sử dụng (T3-T4/2004). - Chế tạo mẫu sản phẩm và đưa đi kiểm định tại Trung tâm An toàn Mỏ (trong quá trình kiểm định có hiệu chỉnh cả phần cứng và vỏ sản phẩm) (T4- T12/2004). - Sau khi có giấy chứng nhận kiểm định và công văn cho phép đưa vào sử dụng của Cục Kỹ thuật an toàn - Bộ Công nghiệp, chúng tôi đã làm việc với Lãnh đạo TKV xin ý kiến chỉ đạo về việc thử nghiệm (đơn vị thử nghiệm, thời gian, quy trình thử nghiệm, ) (T12/2005-T2/2004) Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 14 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  21. - Ký hợp đồng nguyên tắc thử nghiệm thiết bị, xây dựng quy trình thử nghiệm và đưa thiết bị đi thử nghiệm thực tế (từ T3/2005) - Tiến hành thử nghiệm (3 đến 6 tháng), lấy ý kiến đánh giá của cơ sở thử nghiệm và trình Lãnh đạo TKV để xin ý kiến về việc bán chính thức sản phẩm (T10/2005). - Tiến hành bán sản phẩm dự án từ tháng 11/2005 đến nay (máy đo VIELINA- ĐCT.01) - Hiện nay vẫn đang tiếp tục kiểm định cho máy đo nhiều thông số. Tóm lại, do đặc thù ngành than nên các thủ tục để triển khai một sản phẩm vào thực tế mất rất nhiều thời gian nên mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng phần kiểm định thiết bị đo nhiều thông số hiện vẫn chưa xong. Riêng với sản phẩm VIELINA-ĐCT.01 đã được thị trường chấp nhận và bước đầu đã chứng tỏ có thể thay thế được thiết bị nhập ngoại. 1.7 Phương pháp nghiên cứu Áp dụng phương pháp nghiên cứu hiện đại, khoa học phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam. Hiện đại là ứng dụng các công nghệ tiên tiến để nghiên cứu, chế tạo các thiết bị đo: Công nghệ điện tử số, công nghệ đo lường hiện đại, các chip công nghệ cao, và ứng dụng máy tính, công gnhệ thông tin để thiết kế, mô phỏng và xây dựng các phần mềm điều khiển thiết bị. Phương pháp nghiên cứu khoa học là: xuất phát từ tìm hiểu thực tế (các điều kiện đặc thù của môi trường hầm lò Việt Nam, yêu cầu và trình độ của người sử dụng, tình hình nghiên cứu chế tạo thiết bị tương tự trong và ngoài nước để kế thừa các tính năng họ đã có) để xây dựng bài toán. Lựa chọn các vật tư linh kiện hiện đại đáp ứng được yêu cầu bài toán để thiết kế sản phẩm. Sau đó chế thử sản phẩm đưa đi kiểm định và sử dụng thử nghiệm, lấy ý kiến của người sử dụng để hoàn thiện thiết kế. Xây dựng quy trình công nghệ chế thử, chế tạo hàng loạt và quy trình hoàn thiện công nghệ. Sau khi chuyển giao sản phẩm tiếp tục tiếp thu ý kiến khách hàng để hiệu chỉnh đưa ra sản phẩm tối ưu nhất. Có thể nói quá trình thiết kế, chế tạo xuất phát điểm là từ thực tế và kết thúc cũng ở thực tế, đặc biệt đã “lôi kéo” được người sử dụng tham gia vào quá trình thiết kế nên sản phẩm tạo ra rất phù hợp với điều kiện đặc thù về môi trường hầm lò và con người Việt Nam. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 15 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  22. CHƯƠNG II. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC SẢN PHẨM Chương này trình bày về nguyên tắc thiết kế, vấn đề lựa chọn vật tư linh kiện để thiết kế, chế tạo sản phẩm, các vấn đề cần giải quyết. Sau đó là thiết kế phần cứng phần mềm của các sản phẩm, bộ nạp pin tự động, chế tạo bộ nguồn an toàn tia lửa. 2.1 Nguyên tắc thiết kế, chế tạo Các sản phẩm của dự án sẽ phải làm việc trong môi trường có khí bụi nổ, với độ ẩm cao và nhiều yếu tố khắc nghiệt khác do đó thiết bị phải đảm bảo các yêu cầu an toàn tia lửa. Các sản phẩm của dự án phải đảm bảo tiêu chuẩn khắt khe về an toàn tia lửa đó là tiêu chuẩn TCN-7079 (thực chất là tiêu chuẩn IEC 79). Từ thực tế trên, quan điểm thiết kế thiết bị của chúng tôi như sau: + Thiết bị phải đạt tiêu chuẩn TCVN-7079 (thiết bị an toàn tia lửa Ex “ia”I) + Thiết bị phải làm việc chính xác, độ tin cậy và độ an toàn cao + Thiết bị dễ sử dụng, số liệu đo được phải dễ đọc + Thiết bị phải gọn nhẹ, chắc chắn phù hợp cho việc mang theo người. + Nguồn nuôi phải đảm bảo làm việc liên tục được ít nhất là 8 giờ (1 ca sản xuất) + Giá thành vừa phải Các thông số môi trường hầm lò cần đo và cảnh báo là CH4; CO2; CO; nhiệt độ; trong đăng ký dự án chúng tôi lựa chọn đo, cảnh báo các thông số: CH4; CO; nhiệt độ. Trong đó: - Máy đo 1 thông số VIELINA-ĐCT.01 chỉ đo CH4. - Máy đo 2 thông số VIELINA-ĐCT.02 đo CH4; CO. - Máy đo 3 thông số VIELINA-ĐCT.02 đo CH4; CO và nhiệt độ. Do điều kiện làm việc trong môi trường khắc nghiệt và lại phải đảm bảo thời gian làm việc liên tục khoảng 10 giờ sau mỗi lần nạp pin nên các vật tư linh kiện cần phải lựa chọn cho phù hợp. Sau đây chúng tôi xin trình bày phần lựa chọn các vật tư linh kiện cho các thiết bị. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 16 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  23. 2.2 Lựa chọn các phần tử 2.2.1 Lựa chọn sensor Sensor cần phải có dải đo phù hợp và đảm bảo làm việc được trong điều kiện đặc thù của môi trường hầm lò Việt Nam là có độ ẩm cao, có khí bụi nổ và có sự xuất hiện đồng thời của khí mêtan và khí CO2. Mặt khác sensor cũng phải chọn làm sao cho dễ chế tạo đo tự động, do đó trong quá trình thiết kế chế tạo chúng tôi đã liên hệ với hãng chế tạo sensor và họ đã khuyến cáo về việc lựa chọn sensor như sau. ™ Khuyến cáo của nhà sản xuất Khuyến cáo sử dụng sensor với các loại khí khác nhau của nhà sản xuất (Nemoto): • Các khí dễ cháy: Hidro, Mêtan, Prôpan, Izô-butan, hơi xăng, Êtanol, vv 0,001% 0,01% 0,1% 1% 10% Nồng độ khí Loại Sensor • Các khí độc: H2S, SOx, HCl, Cl, CO, vv 0,1ppm 1ppm 10ppm 100ppm 0,1% 1% Nồng độ khí Loại sensor • Các loại khí thải: Êtanol, khói thuốc, các khí có mùi khó chịu. 0,1ppm 1ppm 10ppm 100ppm 0,1% 1% Nồng độ khí Loại sensor • Các khí trơ: Cácbon điôxít, các khí Frêon 0,01% 0,1% 1% 10% Nồng độ khí Loại sensor Mục tiêu chế tạo thiết bị này là để đo khí CH4, với ngưỡng cháy nổ dưới (LEL) là 5%, cho nên theo khuyến cáo của nhà sản xuất thì chúng ta sử dụng loại sensor đo khí mêtan là loại làm việc theo nguyên lý catalytic. Còn với khí CO trong hầm lò cần báo động ở mức thấp (16 ppm) nên ta chọn loại sensor điện hoá hoặc bán dẫn. Để đo nhiệt Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 17 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  24. độ chúng tôi dùng loại sensor bán dẫn. Sau đây chúng tôi xin giới thiệu nguyên lý của sensor catalytic và sensor điện hoá. ™ Sensor catalytic Ưu điểm của sensor làm việc theo nguyên tắc catalytic là: • Thời gian nung ngắn, tốc độ đáp ứng nhanh • Độ nhậy khí cao và ít thay đổi trong thời gian làm việc 0 • Bền với nhiệt độ và độ ẩm cao (50 C, 98% RH) 0 • Có thể lưu giữ lâu ở nhiệt độ và độ ẩm cao (50 C, 95% RH) • Có khả năng chịu rung và va đập • Tuổi thọ cao • Nhiệt độ làm việc thấp so với điểm bốc cháy nên rất an toàn • Do mỗi loại khí nhậy ở một nhiệt độ khác nhau nên dùng sensor catalytic không bị hiện tượng lẫn khí do đó không xẩy ra hiện tượng báo động nhầm. ¾ Cấu tạo của Sensor Hộp nhỏ Hộp bảo vệ Cuộn dây bằng Platine Chốt Chất xúc tác Các chân ra Hình 5 Cấu tạo sensor cảm biến đốt xúc tác Một cuộn dây 50µm bằng Pt được đặt trên 2 bộ đỡ bằng dây. Nó hoạt động giống sự kết nối điện. Cuộn dây được gắn vào bên trong một hộp nhỏ được làm bằng AL cỡ 1mm. Alumin được tẩm một trong các chất xúc tác như Pt, Pd, hoặc hỗn hợp Pd- ThO2. Các chất xúc tác này có tác dụng làm tăng độ nhạy của cảm biến. Loại Sensor này thường được gọi là “Pellistor”. Sensor được đặt trong hộp bảo vệ sao cho khí vào sensor được điều khiển lớn và phân tán. Cảm biến xúc tác được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp để phát hiện chất khí dễ nổ dẽ cháy. Thông thường cảm biến được lắp vào một mạch cầu Wheastone với một Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 18 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  25. phần tử khác không nhạy với chất khí phân tích. Hai phần tử này được nung nóng bằng hiệu ứng Joule. Khi có mặt chất khí dễ cháy, hiện tượng cháy làm tăng nhiệt độ cảm biến dẫn đến sự mất cân bằng của cầu và tạo ra tín hiệu tương ứng với hàm lượng chất khí dễ cháy trong hần hợp khí. Cảm biến này có thể đo được nhiều chất khí khác nhau như: CH4, H2, CO ™ Sensor điện - hoá Cảm biến điện hoá gồm 2 điện cực chính được đặt vào một dung dịch điện phân. Một cực được gọi là cực làm việc, tại cực này xảy ra các phản ứng ôxi hoá giữa dung dịch với chất khí cần xác định tạo ra các điện tích tự do e và các ion. Cực thứ 2 sẽ tạo ra phản ứng giữa ion được tạo ra ở cực kia với các chất ngoài không khí để trung hoà điện tích trong dung dịch và đồng thời nó có dòng điện do electron tự do của phản ứng ôxi hoá. Với việc xác định dòng điện ta sẽ xác định được nồng độ khí đưa vào. Sensor loại này thích hợp cho đo khí CO, H2S, 2.2.1.1 Sensor đo khí CO Qua tìm hiểu trên thi trường chúng tôi lựa chọn sensor loại NAP-701 của hãng Nemoto (Nhật) để đo khí CO, đây là sensor làm việc theo nguyên lý điện hoá. ¾ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Màng mỏng cho khí xuyên qua O 2 Điện cực khô Điện cực Dòng CO 2H+ 2 điện 2H+ Điện cực Dung dịch H O CO 2 chuẩn H2O điện phân Điện Output trở Điện cự c làm việc CO+H2O + - →CO2+2H +2e POTENTIOSTAT Hình 6 Nguyên lý hoạt động sensor đo khí CO Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 19 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  26. Cấu tạo bên trong của NAP-701 gồm: điện cực, màng lọc và dung dịch điện phân. Điện cực gồm nhiều lớp phân thành các cực: cực làm việc (working electrode), ở đây tạo ra phản ứng ôxi hóa khử; cực đếm (counter electrode) có tác dụng làm hạn chế phản ứng ôxi hoá ở cực làm việc và cực chuẩn (reference electrode) có tác dụng quản lý và điều khiển chiết áp, mà giá trị của nó phụ thuộc vào phản ứng ôxi hóa. Màng lọc được làm bằng vât liệu đặc biệt, chúng có khả năng loại trừ khí nhiễu: NOx, SO2 . . . Nguyên lý hoạt động: NAP-701 hoạt động theo phương pháp điện - hóa. Khi khí CO được thổi vào, tại cực làm việc sẽ xảy ra phản ứng ôxi hóa tạo ra ion H+. ¾ Phương trình phản ứng + - CO + H2O → CO2 + 2H + 2e + Đồng thời tại cực đếm H sẽ xảy ra phản ứng với O2 ngoài không khí tạo thành nước. Điện tích e của phản ứng tạo ra dòng điện, dòng điện này tỷ lệ với lượng khí CO đưa vào. Như vậy, qua việc đo dòng điện ta sẽ xác định được nồng độ khí CO cần tìm. 22,4 x n 22,4 x n %CO = CO = e V V Trong đó : V - là thể tích của hỗn hợp khí đã biết nCO -số phân tử khí CO ne - số phân tử điện tích tự do ¾ Đặc tính làm việc - Dải đo : 0 – 1000 ppm - Nhiệt độ hoạt động : -20 ÷ 50°C - Điện trở : 10Ω - Điện áp nuôi: không yêu cầu - Áp suất: 0.9 ÷ 1.1 atm - Dòng ra : 50 +/- 10 nA/ppm 2.2.1.2 Sensor đo khí CH4 Chúng tôi lựa chọn loại NAP-100AD do hãng Nemoto chế tạo để đo khí mêtan. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 20 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  27. ¾ Cấu tạo và nguyên lý làm việc Cấu tạo gồm 2 điện trở: điện trở đo D và điện trở bù C. Điện trở đo D được chế tạo từ một dây platin quấn hình lò xo đặt chìm bên trong ôxit chịu lửa có độ xốp nhỏ, thường là alumin. Alumin được tẩm một trong các chất xúc tác như Pb, Pt, Ir hoặc hỗn hợp Pd-ThO2. Các chất xúc tác này có tác dụng làm tăng độ nhạy của cảm biến. Sensor này được lắp vào mạch cầu Wheastone với các phần tử khác không nhạy với chất khí cần phân tích . Hình 7 Sơ đồ đấu nối sensor theo cầu Wheastone Nguyên lý làm việc: Các phần tử của sensor sẽ được đốt nóng bằng điện áp cung cấp cho mạch cầu . Khi không có khí vào mạch cầu cân bằng, điện áp ra bằng 0. Khi có mặt chất khí vào, ở nhiệt độ làm việc, HC tác dụng làm điện trở của phần tử nhạy thay đổi, điện trở này phụ thuộc vào nồng độ khí HC, làm mạch cầu mất cân bằng, điện áp ra khác 0. Điện áp ra trên cầu tỷ lệ với nồng độ khí đưa vào . ¾ Đặc tính làm việc - Điện áp nguồn: DC 2.5 +/- 0.5V AC 2.5 +/- 0.5V ( f= 50 60 hz) - Nhiệt độ làm việc : -10 +50 °C - Dòng điện tiêu thụ: (160 - 180) mA ¾ Đặc điểm - Tính ổn định cao, đáp ứng nhanh - Tín hiệu ra tuyến tính Sau đây là những thông số chính của sensor NAP100AD do nhà sản xuất cung cấp: Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 21 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  28. Hình 8 Các thông số chính của sensor NAP100AD 2.2.2 Lựa chọn các linh kiện khác Các linh kiện khác được lựa chọn trên nguyên tắc sao cho nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và làm việc ổn định. Với quan điểm này chúng tôi lựa chọn các linh kiện hầu hết là loại dán bề mặt (các loại IC, điện trở, tụ điện, ) Với các linh kiện dán này chúng tôi đã chế tạo được thiết bị rất nhỏ gọn có độ ổn định, chắc chắn cao. Kích thước của mạch của máy đo VIELINA-ĐCT.01 hiện nay chỉ (8,5x5,0) cm Sau đây là hình ảnh về bo mạch của máy đo VIELINA-ĐCT.01 Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 22 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  29. Hình 9 Bo mạch máy đo VIELINA-ĐCT.01 2.2.3 Các vấn đề cần giải quyết Trong quá trình chế tạo thiết bị này chúng tôi đã phải nghiên cứu giải quyết rất nhiều vấn đề, trong đó có một số vấn đề chính như sau. 2.2.3.1 Giải quyết vấn đề nguồn nuôi Nếu nguồn nuôi không ổn định, thiết bị làm việc sẽ không chính xác. Nguồn trong thiết bị VIELINA-ĐCT01 là nguồn pin nạp nên yếu nhanh, nếu ta chỉ dùng nguồn ổn áp thông thường thì chẳng mấy chốc nguồn sẽ mất ổn định dẫn tới thiết bị làm việc không chính xác. Sau khi tìm hiểu, lựa chọn chúng tôi đã mua được linh kiện cho phần nguồn đảm bảo cho nguồn luôn ổn định (5V) ngay cả khi ắc quy chỉ còn khoảng 2,7V. Thiết bị cho phần nguồn chúng tôi lựa chọn là loại IC chuyên dụng có chức năng Step-Up/Down. Nhờ có chức năng Step Up/Down nên IC này rất phù hợp cho thiết kế của chúng tôi vì trong thiết bị VIELINA-ĐCT.01 có 2 nguồn cần ổn định là: Nguồn nuôi sensor (2,5V) và nguồn cho mạch đo (5V). Chúng tôi dùng 2 IC: 01 dùng chức năng Step Down để tạo ra nguồn cho sensor và 01 dùng chức năng Step Up để tạo ra nguồn 5V ổn định. Hiện cả hai phần nguồn của thiết bị đều ổn định khi điện áp pin thay đổi từ 5,5V xuống còn khoảng 2,7V do đó đảm bảo thời gian làm việc liên tục của máy sau mỗi lần nạp đầy hơn 10 giờ (thực tế là từ 12-13 giờ). Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 23 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  30. 2.2.3.2 Vấn đề hiệu chuẩn Hiện nay chúng tôi hiệu chuẩn thiết bị theo các bước sau: - Hiệu chuẩn dựa trên đặc tuyến của các linh kiện do nhà sản xuất cung cấp - Hiệu chuẩn theo nguồn khí chuẩn Để nâng cao độ chính xác chúng tôi tiến hành hiệu chỉnh bằng phần mềm, điều này đảm bảo cho máy đo thông minh hơn và dễ hiệu chuẩn hơn. 2.2.3.3 Vấn đề an toàn tia lửa Để đảm bảo an toàn tia lửa chúng tôi đã tham khảo kỹ các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam cũng như của IEC. Cụ thể chúng tôi đã giải quyết như sau: - Dùng nguồn điện áp thấp (4,8V) và chế tạo mạch có dòng điện tiêu thụ nhỏ (260mA) - Chế tạo các mạch cho phần nguồn đảm bảo hạn chế được đánh lửa khi chập mạch - Chọn sensor loại dùng cho hầm lò để đảm bảo thiết bị làm việc ổn định, chính xác. - Phần vỏ: Phải thiết kế gọn nhẹ, đảm bảo độ kín theo yêu cầu an toàn và có tính thẩm mỹ cao. - Tính toán các trị số linh kiện để đảm bảo tiêu chuẩn TCVN 7079: Thực chất ở đây phải tính toán các giá trị điện dung và điện cảm sau cho đảm bảo an toàn với mức điện áp nguồn nuôi và dòng điện cực đại như đăng ký. 2.2.3.4 Vấn đề ổn định của thiết bị Để thiết bị làm việc ổn định chúng tôi đã có lựa chọn và xử lý như sau: - Lựa chọn các loại vật tư linh kiện có độ ổn định nhiệt, độ chính xác cao và làm việc ổn định trong môi trường công nghiệp. - Bố trí phần tử có khả năng toả nhiệt nhiều nhất (sensor đốt xúc tác) ở nơi thoáng và riêng biệt (không nằm trong khoang với mạch điện) nên không gây ra bất ổn định về nhiệt cho thiết bị. - Mạch sau khi chế tạo xong được sơn phủ hợp chất chống ẩm (của Hàn Quốc) 3 lần nên đảm bảo làm việc ổn định trong môi trường có độ ẩm cao. Nhờ những biện pháp lựa chọn và xử lý như trên, các sản phẩm của dự án đã làm việc rất ổn định trong môi trường đặc thù của mỏ than hầm lò Việt Nam và được người sử dụng đánh giá cao. Nhiều thiết bị hoạt động liên tục hàng năm trong hầm lò mà vẫn ổn định. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 24 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  31. 2.3 Thiết kế máy đo khí mêtan VIELINA-ĐCT.01 2.3.1 Thiết kế phần cứng máy đo VIELINA-ĐCT.01 Sau khi đi khảo sát chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh báo khí mêtan cầm tay, phần cứng của thiết bị được thiết kế theo sơ đồ khối như sau: Sensor KĐ & CH ADC HiÓn thÞ cpu B¸o hiÖu Chu«ng , ®Ìn Nguån Hình 10 Sơ đồ khối thiết bị đo khí mêtan cầm tay VIELINA-ĐCT01 Trong đó: ƒ Sensor (đo khí CH4): làm nhiệm vụ chuyển đổi nồng độ khí CH4 thành tín hiệu điện. ƒ KĐCH: Làm nhiệm vụ khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu từ sensor cho phù hợp với mức vào ADC. ƒ ADC: Chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số đưa vào microcontroller. Hiện nay chúng tôi đang sử dụng loại ADC 12 bit để nâng cao độ chính xác của thiết bị. ƒ CPU: Thu nhận tín hiệu từ ADC, xử lí, đưa ra hiển thị, cảnh báo và lưu giữ số liệu đo. Vi xử lý đang dùng là loại 8 bit họ 8051. ƒ Phần báo hiệu: Dùng còi chip và đèn Led nhấp nháy khi nồng độ CH4 vượt quá ngưỡng cho phép ƒ Phần nguồn: Cung cấp điện áp cho toàn bộ các phần của thiết bị. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 25 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  32. 2.3.2 Thiết kế phần mềm VIELINA-ĐCT.01 Thiết bị đo khí mêtan cầm tay có nhiệm vụ đo nhanh nồng độ khí mêtan có tại vị trí đo rồi đưa ra hiển thị và cảnh báo (khi vượt ngưỡng). Lưu đồ thuật toán của một chu trình làm việc để xây dựng phần mềm cho thiết bị VIELINA-ĐCT.01 như sau: Bắt đầu Khởi động hệ thống Kiểm tra mức nguồn nuôi, còi, đèn Đọc và tính giá trị đo từ ADC C Vượt ngưỡng? K Báo động Hiển thị giá trị đo C K Hết báo động? Kết thúc Hình 11 Lưu đồ thuật toán xây dựng phần mềm thiết bị đo khí mêtan cầm tay Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C và đã được hiệu chỉnh, hoàn thiện qua nhiều thế hệ. Hiện nay thiết bị đã đáp ứng được các yêu cầu của người sử dụng. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 26 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  33. 2.4 Thiết kế máy đo nhiều thông số Máy đo VIELINA-ĐCT.02 và VIELINA-ĐCT.03 được thiết kế trên cơ sở giống nhau cả về phần cứng và phần mềm, nên để cho gọn báo cáo nhưng vẫn đảm bảo đầy đủ chúng tôi xin trình bày gộp thành máy đo nhiều thông số VIELINA-ĐCT.0x 2.4.1 Thiết kế phần cứng máy đo nhiều thông số Thiết bị được chế tạo với sơ đồ khối tổng quát như sau: Sensor 1 KĐ & CH MUX & Sensor n KĐ & ADC CH HiÓn thÞ cpu B¸o hiÖu Chu«ng , ®Ìn Nguån Hình 12 Sơ đồ khối tổng quát thiết bị Trong đó: ƒ Sensor (đo khí CH4; CO; nhiệt độ): làm nhiệm vụ chuyển đổi nồng độ khí CH4; CO và nhiệt độ thành tín hiệu điện. ƒ KĐCH: Làm nhiệm vụ khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu từ sensor cho phù hợp với mức vào ADC. ƒ MUX&ADC: Làm chức năng dồn kênh rồi chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số đưa vào microcontroller. Hiện chúng tôi sử dụng loại ADC 12 bit để nâng cao độ chính xác của thiết bị. ƒ CPU: Thu nhận tín hiệu từ ADC, xử lí, đưa ra hiển thị, cảnh báo và lưu giữ số liệu đo. Vi xử lý đang dùng là loại 8 bit họ 8051. ƒ Phần báo hiệu: Dùng còi chip và đèn Led nhấp nháy khi một trong các thông số đo vượt quá ngưỡng cho phép ƒ Phần nguồn: Cung cấp nguồn nuôi cho toàn bộ các phần của thiết bị. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 27 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  34. 2.4.2 Thiết kế phần mềm máy đo nhiều thông số Thiết bị đo nhiều thông số có nhiệm vụ đo nhanh nồng độ khí mêtan, CO, nhiệt độ tại vị trí đo rồi đưa ra hiển thị và cảnh báo (khi có bất kỳ 1 trong các thông số nào vượt ngưỡng). Lưu đồ thuật toán để xây dựng phần mềm cho thiết bị đo khí mêtan cầm tay như sau: Bắt đầu Khởi động hệ thống Kiểm tra mức nguồn nuôi, còi, đèn, sensor các loại Đọc và tính các giá trị đo từ ADC C Có gt vượt ngưỡng ? K Báo động Hiển thị các giá trị đo C K Hết báo động? End Hình 13 Lưu đồ thuật toán xây dựng phần mềm thiết bị đo nhiều thông số Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C và đã được hiệu chỉnh, hoàn thiện qua nhiều thế hệ. Hiện nay thiết bị đã đáp ứng được các yêu cầu của người sử dụng. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 28 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  35. 2.5 Thiết kế bộ nạp pin tự động Các thiết bị sản phẩm của dự án đều dùng nguồn nuôi là pin nạp loại Ni-MH, do đó trước mỗi lần sử dụng đều phải nạp pin. Nếu sử dụng bộ nạp thông thường, khi nạp với dòng nạp danh định là: Inạp = C/10 thì thời gian mỗi lần nạp sẽ là 14 giờ, thời gian nạp này là quá dài. Để giảm bớt thời gian nạp pin nhưng vẫn phải đảm bảo chất lượng và tuổi thọ của pin chúng tôi đã phải nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm bộ nạp pin tự động. Đến nay chúng tôi đã chế tạo thành công bộ nạp tự động cho pin Ni-MH. Rnạp ~ Hạ Mạch nạp 220 V áp và chỉnh Lấy lưu ~ mẫu So Sánh VRef Hình 14 Sơ đồ khối bộ nạp pin tự động Nguyên lý làm viêc của bộ nạp pin tự động như sau: Nguồn điện xoay chiều sẽ được hạ áp và chỉnh lưu ra điện áp 9V để cấp vào mạch nạp. Nếu điện áp của pin có giá trị sao cho điện áp lấy mẫu về nằm trong dải từ (1 – 2)V thì mạch nạp làm việc và pin được nạp với dòng nạp lớn (nạp nhanh), còn nếu điện áp lấy mẫu về nằm ngoài dải trên thì pin chỉ được nạp chậm qua điện trở nạp Rn. Như vậy tuỳ theo điện áp còn trên pin khi đưa vào nạp mà bộ nạp sẽ tự động điều chỉnh dòng nạp cho pin theo hai chế độ nạp nhanh hay nạp chậm nên thời gian nạp pin giảm và độ bền, tuổi thọ của pin không bị ảnh hưởng. Theo thiết kế hiện nay của Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 29 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  36. chúng tôi thì dòng nạp nhanh khoảng 1.1 A , còn dòng nạp chậm khoảng 0.3 A, thời gian nap đầy là từ 4 đến 4.5 giờ. Các linh kiện chính cho bộ nạp pin tự động đều là các linh kiện chuyên dụng và đã được sử dụng thử nghiệm trong thời gian dài cho thấy chất lượng tốt và bộ nạp hoạt động đúng theo ý đồ thiết kế. 2.6 Chế tạo bộ nguồn Phần nguồn được thiết kế theo yêu cầu an toàn tia lửa dạng bảo vệ Exd “ia”I và được đổ đầy hợp chất chống ẩm và chống đánh lửa (epoxy). Sơ đồ mạch điện của bộ nguồn như sau: Trong đó: - 3 diode để đảm bảo mạch an toàn theo tiêu chuẩn “ia” - r: điện trở hạn dòng - R điện trở chống đánh lửa khi bị chập đầu ra. - Chất đổ đầy để đảm bảo chống ẩm, axit, - Trong bộ nguồn còn có 2 rơle nhiệt để bảo vệ khi có sự cố. D0 D1 D2 Fuse RTC RN RP 1N5404 1N5404 1N5404 BT Uv UR BT Hình 15 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn an toàn tia lửa Ảnh bộ nguồn hoàn chỉnh Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 30 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  37. Hình 16 Hình ảnh bộ nguồn cho các sản phẩm dự án Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 31 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  38. CHƯƠNG III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Chương này trình bày kỹ về các kết quả đã đạt được trong thời gian thực hiện dự án: về các sản phẩm, các quy trình công nghệ. Sau hơn hai năm thực hiện dự án chúng tôi đã đạt được một số kết quả sau. 3.1 Về sản phẩm dự án Các sản phẩm của chúng tôi đều đã trải qua nhiều thế hệ cả về vỏ ngoài lẫn mạch phần cứng và phần mềm. Sau đây là cụ thể các sản phẩm 3.1.1 Máy đo VIELINA-ĐCT.01 Thiết bị đo khí mêtan cầm tay VIELINA-ĐCT.01 đã được chúng tôi thiết kế và hiệu chỉnh qua nhiều thế hệ, sau đây là một số hình ảnh các sản phẩm cụ thể: Hình 17 Sản phấm thế hệ thứ nhất Thế hệ thứ nhất là dùng vỏ của máy đo cũ do Nga chế tạo (mượn của công ty than Mông Dương), đây là sản phẩm sơ khai (ADC dùng loại 8 bit, sensor chưa có vỏ kim loại xốp bên ngoài, ) Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 32 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  39. Hình 18 Sản phẩm thế hệ thứ 2 Hình 19 Sản phẩm thế hệ đang sử dụng Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 33 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  40. • Tính năng của thiết bị đã thiết kế được − Dải đo CH4: (0 - 5)%. − Sai số: 0,1% trong dải đo (0 – 2)% và 0,2% với dải đo còn lại. − Báo động: Dùng còi và đèn nháy − Thời gian khởi động: 20 s − Nguồn nuôi: Dùng pin nạp loại Ni-MH: 4,8Vx3700 mAh. − Thời gian sử dụng liên tục sau mỗi lần nạp: 12h. − Nhiệt độ làm việc: 0oC ÷ +50oC − Làm việc được với độ ẩm tương đối: tới 98% Nồng độ khí CH4 đo về, sau khi xử lí, được đưa ra hiển thị bằng LED 7 thanh dưới dạng: x.xx% (Vol.) theo quy định TCVN. Nếu nồng độ vượt quá mức ngưỡng quy định (1%) thì sẽ có báo động bằng còi và đèn nhấp nháy. Khi nồng độ vượt quá dải đo sẽ hiện lên thông báo OVE (quá dải). • Về thủ tục pháp lý Thiết bị VIELINA-ĐCT.01 đã được Trung tâm An toàn Mỏ kiểm định và cấp giấy chứng nhận đạt tiêu chuẩn an toàn tia lửa TCVN-7079 (TCVN 7079-0 và 7079-11). Thiết bị đã được Cục Kỹ thuật an toàn Công nghiệp - Bộ Công nghiệp cho phép sử dụng trong hầm lò có khí bụi nổ (xem các tài liệu này trong phần phụ lục). Thiết bị VIELINA-ĐCT.01 cũng đã được đăng ký sở hữu trí tuệ: Đăng ký giải pháp hữu ích và đăng ký kiểu dáng công nghiệp (xem phụ lục). • Số lượng sản xuất Trong quá trình thực hiện dự án chúng tôi đã chế tạo được 320 chiếc máy đo VIELINA-ĐCT.01 và hiện đã bán chính thức (bàn giao xong) được 230 chiếc trong 7 hợp đồng kinh tế với tổng trị giá gần 3 tỉ đồng. Hiện nay đang chuẩn bị ký hợp đồng tiếp với một số công ty khai thác than hầm lò trong TKV như: Công ty than Quang Hanh, Nam Mẫu, Hồng Thái, Thống Nhất, Theo dự kiến đến hết năm 2006 sẽ ký thêm được các hợp đồng bán khoảng 100 chiếc nữa nên hiện nay chúng tôi đã phải chuẩn bị trước một số vỏ cũng như các vật tư linh kiện chính (mạch in, IC nguồn, ) để sẵn sàng khi có hợp đồng chính thức là giao hàng ngay. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 34 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  41. 3.1.2 Máy đo VIELINA-ĐCT.02 Đây là máy đo hai thông số CH4 và CO được chế tạo cùng với máy đo 3 thông số. sau đây là hình ảnh về máy đo này. Hình 20 Thiết bị VIELINA-ĐCT.02 • Tính năng của thiết bị đã thiết kế được − Dải đo CH4: (0 - 5)%. Sai số: 0,1% trong dải đo (0 – 2)% và 0,2% với dải đo còn lại. − Dải đo CO: (0 - 1000)ppm. Sai số: 5 ppm trong dải đo (0 – 200)ppm và 10 ppm với dải đo còn lại. − Báo động: Dùng còi và đèn nháy − Thời gian khởi động: 20 s − Nguồn nuôi: Dùng pin nạp loại Ni-MH: 4,8Vx3700 mAh. − Thời gian sử dụng liên tục sau mỗi lần nạp: 10h. − Nhiệt độ làm việc: 0oC ÷ +50oC − Làm việc được với độ ẩm tương đối: tới 98% Nồng độ khí CH4 và CO đo về, sau khi xử lí, được đưa ra hiển thị bằng LCD cùng với hình báo mức pin. Nếu nồng độ của một trong hai thông số vượt quá Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 35 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  42. mức ngưỡng quy định (1% với CH4 và 17 ppm với CO) thì sẽ có báo động bằng còi và đèn nhấp nháy. Khi nồng độ vượt quá dải đo sẽ hiện lên thông báo OVE (quá dải). Đồng thời khi nguồn nuôi (pin) xuống dưới mức 2,7V thì còi cũng báo để cho người sử dụng biết và đi nạp pin. • Về thủ tục pháp lý Thiết bị VIELINA-ĐCT.0x hiện đang được Trung tâm An toàn Mỏ kiểm định theo tiêu chuẩn an toàn tia lửa TCVN-7079. Thiết bị chưa được đăng ký sở hữu trí tuệ. • Số lượng sản xuất Hiện nay chúng tôi đã chế tạo được 20 chiếc máy đo VIELINA-ĐCT.02 và đang chờ kiểm định để tiếp tục chế tạo đưa vào thử nghiệm và bán cho các đơn vị khai thác than hầm lò. 3.1.3 Máy đo VIELINA-ĐCT.03 Đây là máy đo ba thông số CH4, CO và nhiệt độ được chế tạo theo nhu cầu của người sử dụng. Sau đây là hình ảnh về máy đo này. Hình 21 Mặt trước thiết bị đo VIELINA-ĐCT.03 Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 36 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  43. • Tính năng của thiết bị đã thiết kế được − Dải đo CH4: (0 - 5)%. Sai số: 0,1% trong dải đo (0 – 2)% và 0,2% với dải đo còn lại. − Dải đo CO: (0 - 1000)ppm. Sai số: 5 ppm trong dải đo (0 – 200)ppm và 10 ppm với dải đo còn lại. − Dải đo nhiệt độ: (0 - 100)OC. Sai số: 0,5OC trong dải đo (0 – 50)OCvà 1OC với dải đo còn lại. − Báo động: Dùng còi và đèn nháy − Thời gian khởi động: 20 s − Nguồn nuôi: Dùng pin nạp loại Ni-MH: 4,8Vx3700 mAh. − Thời gian sử dụng liên tục sau mỗi lần nạp: 10h. − Nhiệt độ làm việc: 0oC ÷ +50oC − Làm việc được với độ ẩm tương đối: tới 98% Nồng độ khí CH4, CO và nhiệt độ đo về, sau khi xử lí, được đưa ra hiển thị bằng LCD cùng với hình báo mức pin. Nếu có giá trị đo của một trong các thông số vượt quá mức ngưỡng quy định (1% với CH4 và 17 ppm với CO) thì sẽ có báo động bằng còi và đèn nhấp nháy. Khi nồng độ vượt quá dải đo sẽ hiện lên thông báo OVE (quá dải). Đồng thời khi nguồn nuôi (pin) xuống dưới mức 2,7V thì còi cũng báo để cho người sử dụng biết và đi nạp pin. • Về thủ tục pháp lý Thiết bị VIELINA-ĐCT.03 hiện đang được Trung tâm An toàn Mỏ kiểm định theo tiêu chuẩn an toàn tia lửa TCVN-7079. Thiết bị chưa được đăng ký sở hữu trí tuệ. • Số lượng sản xuất Hiện nay chúng tôi đã chế tạo được 20 chiếc máy đo VIELINA-ĐCT.03 và đang chờ kiểm định để tiếp tục chế tạo đưa vào thử nghiệm và bán cho các đơn vị khai thác than hầm lò. 3.1.4 Bộ nạp pin tự động Đây là sản phẩm không có trong đăng ký sản phẩm của dự án, nhưng do đặc thù của bộ nguồn dùng trong thiết bị an toàn tia lửa nên không thể mua bộ nạp có sẵn trên thị trường để sử dụng được, vì thế chúng tôi phải nghiện cứu chế tạo bộ nạp pin tự động Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 37 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  44. phù hợp với kết cấu của bộ nguồn an toàn tia lửa và phù hợp với yêu cầu người sử dụng. Phần thiết kế bộ nguồn đã trình bày ở chương II, ở đây chỉ trình bày về kết quả chế tạo bộ nạp pin tự động. Hình ảnh bộ nạp pin tự động như sau: Hình 22 Bộ nạp pin tự động Mỗi bộ nạp pin được thiết kế để có thể nạp đồng thời 2 máy một lúc, thời gian nạp hiện nay là 4,5 h/lần nạp. Hiện chúng tôi đang bán bộ nạp kèm theo máy đo với tỷ lệ 4 máy đo/1 bộ nạp, nhưng do đặc thù của từng công ty nên có những công ty phải lấy nhiều bộ nạp hơn. Số lượng bộ nạp chúng tôi đã chế tạo được là: 75 bộ 3.2 Quy trình công nghệ Trong quá trình thực hiện dự án chúng tôi đã đưa ra một số quy trình công nghệ sau: - Quy trình chế thử - Quy trình hoàn thiện công nghệ chế tạo sản phẩm - Quy trình hiệu chuẩn thiết bị - Quy trình hoàn thiện công nghệ Sau đây chúng tôi xin trình bày cụ thể các quy trình này. 3.2.1 Quy trình chế thử Chế thử là quá trình chế tạo loạt nhỏ để tạo ra các mẫu nhằm kiểm tra đánh giá tính đúng đắn của quá trình thiết kế, từ đó hiệu chỉnh và đưa ra thiết kế tối ưu. Quy trình chế thử này không chỉ đúng với chế tạo các sản phẩm trong dự án mà còn đúng với việc chế tạo các sản phẩm điện tử khác. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 38 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  45. Các yêu cầu của người sử dụng Lựa chọn linh kiện vật tư Thiết kế phần cứng, phần mềm Mua vật tư, linh kiện Vẽ mạch in Kiểm tra vật tư, linh Chế tạo mạch in kiện Lắp ráp sản phẩm Thiết kế vỏ hộp Kiểm tra, hiệu chuẩn sản phẩm Lắp ráp thành phẩm chế tạo vỏ hộp Kiểm định (chỉ dùng với sản phẩm đầu tiên) Kiểm tra, hiệu Tính năng hình thức chỉnh thiết kế Đánh giá Sửa thiết kế vỏ Được Thị trường, người sử dụng đánh giá Tính năng hình thức Đánh giá Được Hoàn thiện thiết kế Hình 23 Quy trình công nghệ chế thử sản phẩm Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 39 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  46. 3.2.2 Quy trình công nghệ chế tạo hàng loạt sản phẩm Quy trình sau đây có đi kèm theo bản danh sách các vật tư linh kiện sử dụng ứng với từng sản phẩm cụ thể (ở đây chúng tôi trình bày theo sản phẩm VIELINA-ĐCT.01 vì sản phẩm này đã được chế tạo nhiều). 3.2.2.1 Chuẩn bị sản xuất Ngoài việc chuẩn bị nhà xưởng cần chuẩn bị các thiết bị, phụ kiện chính sau: - Đồng hồ điện tử đo đa năng FLUKE 45 - Thiết bị đo, cấp dòng, áp chuẩn CA100 - Thiết bị cấp nguồn một chiều điều chỉnh được - Thiết bị đo khí CH4 tiêu chuẩn R7 (Nhật Bản) - Cáp nạp ISP 89S51/52 và chương trình nạp FLASH tương thích - Mỏ hàn, thiếc hàn, nhựa thông - Dây dẫn điện có vỏ bọc cách điện - Kìm cắt, kìm tuốt dây, kìm bấm - Các loại Tuốc-nơ-vít thích hợp - Buồng chuẩn khí - Bình khí CH4 - Hợp chất đổ đầy EPOXY, chất tạo đông cứng - Thủy tinh hữu cơ màu, gioăng cao su, tấm fít (nhựa tổng hợp), vải chống bụi - Hợp chất phun sơn chống ẩm, chống bụi cho mạch điện tử - Các điều kiện đảm bảo an toàn và vệ sinh lao động khác - Các vật tư phụ kiện khác 3.2.2.2 Quy trình sản xuất Dưới đây là các hạng mục công việc chính và trình tự thực hiện: 1. Thống kê, chuẩn bị các hạng mục vật tư linh kiện theo danh sách đã có. 2. Kiểm tra, đánh giá chất lượng vật tư linh kiện, loại bỏ những vật tư linh kiện không đảm bảo chất lượng. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 40 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  47. 3. Kiểm tra chất lượng mạch in, loại bỏ những mạch in chất lượng kém (nếu có) 4. Hàn lắp các linh kiện vào các mạch in gồm: Mạch chính, mạch phím bấm, mạch nạp Pin, mạch bảo vệ theo tiêu chuẩn phòng nổ và an toàn tỉa lửa. 5. Dùng đồng hồ vạn năng kiểm tra các mạch in đã hàn để đảm bảo mạch in đã được hàn lắp đúng và đầy đủ các linh kiện theo sơ đồ nguyên lý. 6. Hiệu chuẩn chiết áp chỉnh SPAN. 7. Cấp điện +5V một chiều tại nguồn đầu vào của mạch, đo kiểm tra các thông số, phát hiện và khắc phục các sai sót nếu có. 8. Nạp chương trình phần mềm. 9. Khởi động, chạy thử và tắt bật ít nhất 3 lần để đảm bảo mạch và chương trình hoạt động bình thường, sử dụng thiết bị CA100 cấp tín hiệu chuẩn (mô phỏng tín hiệu cảm biến) để kiểm tra toàn bộ các khối chức năng hoạt động chính xác theo thiết kế. Số liệu hiển thị cuối cùng trên Led hiển thị phải đảm bảo nằm trong dải thiết kế cho phép. 10. Vệ sinh, sấy khô các mạch điện. 11. Phun sơn chống ẩm, chống bụi cả hai mặt, sấy khô, bảo quản nơi tại khô, thoáng mát chờ lắp hoàn chỉnh vào vỏ máy. 12. Chế tạo hộp chứa Pin, hàn nối dây cấp điện từ Pin vào mạch bảo vệ, đặt Pin và mạch bảo vệ vào hộp chứa theo đúng vị trí và chiều quy định. 13. Nạp thử Pin bằng bộ nạp tiêu chuẩn, đảm bảo cơ cấu nạp Pin và Pin hoạt động tốt. 14. Phủ kín các chi tiết bằng hợp chất đổ đầy EPOXY sao cho khoảng cách nhỏ nhất từ điểm dẫn điện đến mặt ngoài lớp phủ lớn hơn 1mm. Đặt Pin đã phủ đầy ngay ngắn và chờ đông cứng trong thời gian quy định (khoảng 8 giờ đồng hồ tùy thành phần EPOXY). 15. Kiểm tra, vệ sinh vỏ máy, lắp ráp hoàn chỉnh các chi tiết trên vỏ máy gồm: - Lắp bản thủy tinh hữu cơ vào cửa sổ hiển thị số liệu mặt trước, phết EPOXY xung quanh đường tiếp giáp giữa tấm thủy tinh và vỏ máy để đảm bảo mối ghép hoàn toàn kín. - Lắp Led báo động vào vị trí tại mặt trước, đảm bảo có gioăng cao su và EPOXY bảo vệ Led và làm kín (EPOXY trong suốt). Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 41 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  48. - Lắp giắc nạp điện và phím bấm (tắt/bật máy) vào vị trí quy định tại sườn máy, đảm bảo các mối ghép được làm kín bằng gioăng cao su, kiểm tra phím bấm sao cho thao tác ấn nhả bình thường. - Gắn gioăng cao su vào mặt bản lề đậy giắc nạp và phím bấm. - Gắn gioăng cao su vào nắp đậy các chiết áp hiệu chỉnh. - Gắn lót điện vào mặt giữa tại vị trí luồn dây từ Pin vào mạch điện. - Bắt chặt Sensor khí CH4 (NAP100-AD) vào mặt giữa tại vị trí quy định, đảm bảo mối ghép có gioăng cao su làm kín. - Dán vải chống bụi vào cửa sổ thoát khí tại nửa sau của máy, đảm bảo keo dán bền, chặt. - Vệ sinh sạch sẽ cả trong và ngoài vỏ máy, sấy khô vỏ máy. 16. Sau khi đã hoàn thành việc lắp ráp và kiểm tra Mạch điện, Hộp Pin và Vỏ máy. Tiến hành việc hàn lắp thiết bị theo sơ đồ nối dây đã thiết kế, lắp ráp toàn bộ các chi tiết cơ khí, sẵn sàng chạy thử nghiệm và thực hiện các phép thử theo các tiêu chuẩn đã đăng ký. 17. Nạp đầy Pin và tiến hành chạy thử để kiểm tra hoạt động của mạch điện, chương trình phần mềm, các chức năng đo và báo động, khả năng chịu va đập cũng như thời lượng của Pin phải đảm bảo theo các tiêu chuẩn đã đăng ký. 18. Hiệu chuẩn thông số đo khí CH4 trong buồng chuẩn khí theo thiết bị tiêu chuẩn R7 (Nhật Bản). 19. Kiểm tra nhãn mác, đóng gói thiết bị. Lưu ý: Tuỳ theo số lượng nhân công tham gia quá trình sản xuất mà điều chỉnh trình tự tiến hành cho phù hợp, vì ngoài một số công đoạn phải theo đúng trình tự có một số công đoạn có thể tiến hành đồng thời. Sơ đồ quy trình sản xuất và hiệu chỉnh sản phẩm (Thiết bị nạp điện được chế tạo độc lập với quy trình này) Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 42 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  49. Chuẩn bị đầy đủ các vật tư linh kiện, nguyên vật liệu theo danh mục thống kê Hỏng Chất lượng vật tư linh kiện Loại bỏ Tốt Hàn lắp các mạch điện, kiểm tra, Kiểm tra Pin, Lắp ráp các chi hiệu chuẩn, nạp phần mềm, vệ sinh, mạch bảo vệ tiết vỏ máy, vệ phun sơn chống ẩm cho mạch điện Đổ đầy khối Pin sinh vỏ máy Lắp hoàn chỉnh máy, kiểm tra phần cứng và nạp phần mềm Nạp đầy pin, hiệu chuẩn thiết bị Không đạt Thực hiện các phép thử Đạt Kiểm tra nhãn mác, vệ sinh các chi tiết, đóng gói thiết bị Hình 24 Quy trình sản xuất, hiệu chỉnh sản phẩm Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 43 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  50. 3.2.3 Quy trình hiệu chuẩn thiết bị Sau đây chúng tôi xin trình bày quy trình hiệu chuẩn đo khí mêtan của các sản phẩm. 1. Chuẩn bị buồng khí, bình khí, thiết bị đo tiêu chuẩn (R7) để so sánh, thiết bị cần hiệu chuẩn. 2. Kiểm tra các van khí tại buồng chuẩn, bình chuẩn và đường ống dẫn khí từ bình khí chuẩn đến buồng khí. Đảm bảo tất các van đều ở trạng thái đóng kín, đường ống không bị dập đứt, không bị tắc. 3. Bật cả hai quạt khuếch tán khí trong buồng chuẩn để đảm bảo khí được trộn đều trong toàn bộ buồng chuẩn. 4. Đặt thiết bị cần hiệu chuẩn vào buồng chuẩn, đóng nắp đậy và tất cả các van khí. 5. Chỉnh không cho thiết bị R7 tại nơi có luồng khí sạch (không có thành phần khí CH4 trong không khí). 6. Mở van khí nối đường ống dẫn khí vào buồng chuẩn, từ từ xả khí sao cho mỗi lần nồng độ khí trong bình tăng lên khoảng 0.25% CH4, so sánh số liệu hiển thị giữa thiết bị cần hiệu chuẩn với thiết bị R7. Nếu có sai lệch lớn vượt quá sai số cho phép thì thiết bị phải được lấy ra để kiểm tra, phát hiện và điều chỉnh các sai sót phần cứng hoặc phần mềm. Cần kiểm tra hết dải đã đăng ký là từ 0% - 3% CH4. 7. Các sai số cho phép Nếu các sai lệch đều thuộc các phạm vi cho phép trên thì thiết bị đạt yêu cầu vệ độ chính xác. Lưu ý: Trước khi giao máy đo cho người sử dụng cần kiểm tra thời lượng của Pin: Các máy đều phải được nạp đầy Pin và chạy thử để đảm bảo máy có thể hoạt động liên tục trong khoảng thời gian trên 10 giờ sau khi nạp đầy. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 44 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  51. 3.2.4 Quy trình hoàn thiện công nghệ chế tạo sản phẩm Sản phẩm chế thử Phần cơ khí Phần cứng Phần mềm Từ kết quả kiểm định, thử nghiệm thực tế và xin ý kiến người sử dụng rút ra: - Các điều kiện, tình huống chưa tính đến. Điều chỉnh Điều chỉnh Điều chỉnh - Tính năng cần bổ sung, nâng cao. Thiết kế gia Hoàn thiện mạch Hoàn thiện công chế tạo nguyên lí, mạch thuật toán, in, tập kết vật tư, chương trình linh kiện Lắp ráp, hiệu Nạp chương chỉnh trình, kiểm tra, hiệu chỉnh. Lắp ráp, kiểm tra, chạy thử sản phẩm trong phòng thí nghiệm. Kiểm định, Thử nghiệm thực tế và theo dõi đánh giá hoạt động. Hoàn chỉnh thiết kế tiến tới chế tạo hàng loạt Hình 25 Quy trình hoàn thiện công nghệ chế tạo sản phẩm Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 45 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  52. CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Chương này đưa ra các kết luận, đánh giá về ý nghĩa, kết quả của dự án và cuối cùng là đề xuất một số kiến nghị với các cơ quan chức năng sau khi thực hiện dự án. 4.1 KẾT LUẬN 4.1.1 Kết quả thực hiện Dự án đã đạt được một số kết quả sau: ™ Về sản phẩm Đã chế tạo được đủ 03 sản phẩm với các chỉ tiêu chất lượng như đã đăng ký: - Máy đo, cảnh báo khí mêtan xách tay VIELINA-ĐCT.01 - Máy đo 2 thông số: VIELINA-ĐCT.02 - Máy đo 3 thông số: VIELINA-ĐCT.03 Ngoài ra còn chế tạo được bộ nạp nguồn tự động cho các loại máy đo trên. ™ Về tài liệu công nghệ Đã xây dựng và hoàn chỉnh được một số quy trình công nghệ - Quy trình công nghệ chế thử - Quy trình công nghệ chế tạo hàng loạt - Quy trình kiểm tra hiệu chuẩn thiết bị - Quy trình hoàn thiện công nghệ ™ Về tài liệu khoa học - Báo cáo định kỳ - Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật dự án - Tóm tắt báo cáo KHKT dự án ™ Về hợp đồng kinh tế Đã ký được 7 hợp đồng kinh tế với tổng giá trị 2,992 tỉ đồng ™ Các kết quả khác - Đã đăng ký kiểu dáng công nghiệp và giải pháp hữu ích cho thiết bị VIELINA-ĐCT.01 - Đăng 01 bài báo trong Kỷ yếu các công trình nghiên cứu KHCN nổi bật trong ngành công nghiệp giai đoạn 2001-2005 của Bộ Công nghiệp. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 46 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  53. 4.1.2 Đánh giá hiệu quả của dự án 4.1.2.1 Hiệu quả kinh tế Việc chế tạo thành công các sản phẩm của dự án mang lại hiệu quả kinh tế lớn cho đất nước, bởi vì chúng ta không phải nhập ngoại các thiết bị này nên tiết kiệm được nhiều ngoại tệ. Sản phẩm dự án tuy mới được đưa vào sử dụng nhưng được người sử dụng đánh giá cao và bước đầu đã thay thế được thiết bị nhập ngoại. Giá thành của thiết bị chỉ bằng từ 1/3 đến ½ giá thiết bị tương tự của nước ngoài do đó người sử dụng sẽ thu được hiệu quả kinh tế cao khi sử dụng sản phẩm của dự án. 4.1.2.2 Hiệu quả xã hội Dự án có ý nghĩa xã hội là góp phần đảm bảo an toàn cho người lao động đồng thời tạo ra tâm lý yên tâm cho người công nhân khi sử dụng sản phẩm dự án do đó làm tăng cao năng suất lao động. Ngoài ra dự án cũng tạo ra công ăn việc làm cho một bộ phận những người trực tiếp tham gia vào quá trình chế tạo và lưu thông sản phẩm. 4.1.2.3 Hiệu quả về khoa học công nghệ Dự án góp phần đào tạo, nâng cao trình độ chuyên môn cho các cán bộ khoa học trực tiếp tham gia nghiên cứu, chế tạo sản phẩm. Dự án cũng đã đào tạo, nâng cao hiểu biết, trình độ cho hàng trăm công nhân về thiết bị đo khí mêtan nói riêng và thiết bị an toàn nói chung. Dự án đã chứng tỏ Việt Nam hoàn toàn có thể chế tạo được các thiết bị đặc chủng dùng cho các lĩnh vực đặc biệt như dầu khí, công nghiệp hoá chất, 4.1.3 Đánh giá về tính mới, tính sáng tạo của dự án Tính mới của sản phẩm dự án: Đây là sản phẩm lần đầu tiên được chế tạo thành công tại Việt Nam. Những người thực hiện dự án đã tự thiết kế, chế tạo ra các sản phẩm trên cơ sở lựa chọn các vật tư linh kiện có chất lượng cao, phù hợp tính năng và có sẵn trên thị trường, không dựa trên bất cứ một thiết bị có sẵn nào. Tính sáng tạo: Cách thức tiến hành sáng tạo: Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của các thiết bị đang sử dụng tại TKV, nhóm thực hiện dự án đã thiết kế, chế tạo ra thiết bị làm việc ổn định trong điều kiện đặc thù của môi trường hầm lò Việt Nam: độ ẩm cao, có Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 47 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  54. nhiều khí bụi nổ và sự xuất hiện động thời của khí mêtan và CO2, Đặc biệt đã “lôi kéo” người sử dụng tham gia vào quá trình thiết kế sản phẩm nên tạo ra sản phẩm có chỗ đứng trên thị trường ngay sau khi đầy đủ các điều kiện chuyển giao chính thức. Chế tạo ra thiết bị gọn nhẹ (vỏ bằng Inox: kích thước (12x8,5x5,5) cm, khối lượng gần 1kg), chịu được va đập, dễ sử dụng, tạo ra thiết bị đa năng có thể xách theo người hoặc treo cố định trong hầm lò cũng được nên mở rộng phạm vi sử dụng. Sáng tạo còn thể hiện ở chỗ chế tạo thiết bị có độ tích hợp cao nên có thể dùng chung một loại vỏ cho các sản phẩm được vì vậy tiết kiệm kinh phí làm khuôn mẫu chế vỏ. 4.1.4 Đánh giá mức độ hoàn thành của dự án Về sản phẩm: - Chủng loại sản phẩm đủ 3 loại máy đo như đã đăng ký nhưng số lượng chưa được như đăng ký. - Thêm được bộ nạp pin tự động cho các máy đo - Đưa ra được các quy trình công nghệ phục vụ việc chế tạo sản phẩm TT Sản phẩm Số lượng Số lượng Phần đã chuẩn bị đăng ký thực hiện tiếp theo 1 Máy đo VIELINA-ĐCT.01 300 320 150 vỏ hộp và một số linh kiện chính 2 Máy đo VIELINA-ĐCT.02 200 20 100 vỏ hộp và một số linh kiện chính 3 Máy đo VIELINA-ĐCT.03 200 20 100 vỏ hộp và một số linh kiện chính 4 Bộ nạp pin tự động 0 75 30 vỏ hộp và 30 bộ linh kiện chính 5 Quy trình công nghệ 0 4 Nguyên nhân chưa hoàn thành về mặt số lượng là: - Do đặc thù ngành khai thác hầm lò các thiết bị cần phải qua rất nhiều bước (kiểm định, xin phép cho vào thử nghiệm, thử nghiệm và đánh giá kết quả thử nghiệm, ) nên thời gian thực hiện rất dài. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 48 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  55. - Do đây là thiết bị lần đầu chế tạo trong nước theo tiêu chuẩn an toàn cao nên vấn đề hoàn thiện thiết kế và kiểm định cũng rất chậm. - Máy đo nhiều thông số chưa kiểm định xong để đưa vào thử nghiệm nên không thể chế tạo nhiều rồi để đấy (sensor điện hoá sẽ hỏng nếu không sử dụng trong vòng 8 tháng). - Người sử dụng chưa thực sự tin tưởng các sản phẩm trong nước nên các đơn vị không được dùng thử nghiệm trước chỉ đặt mua một ít để thăm dò, sau đó mới đặt mua theo đúng nhu cầu. Về kinh phí: - Kinh phí hỗ trợ từ ngân sách SNNN được sử dụng đúng quy định về quản lý NSNN của Bộ Tài chính - Kinh phí huy động vốn: Huy động vốn dưới hình thức lấy kinh phí thanh toán của hợp đồng trước để thực hiện các hợp đồng sau nên phần kinh phí như đăng ký: Tổng kinh phí thực hiện dự án là 5,5 tỉ đồng, trong đó: + Từ ngân sách SNNN: 2,0 tỉ + Vốn tự có: 0,65 tỉ đồng + Huy động ngoài: 2,85 tỉ đồng thì mức độ huy động ngoài đã đủ như đăng ký (các hợp đồng đã ký trị giá gần 3 tỉ - xem phụ lục danh sách các hợp đồng) Đánh giá chung: Dự án đã đạt được các chỉ tiêu đã đăng ký. 4.2 Kiến nghị Qua thực tế triển khai dự án chúng tôi có một số kiến nghị với Bộ Khoa học Công nghệ và các cơ quan quản lý khác như sau: 1. Cần ưu tiên cho phép thực hiện các dự án sản xuất thử nghiệm vì đây chính là “cú hích” quyết định đưa kết quả nghiên cứu KHCN vào ứng dụng thực tế phát huy được hiệu quả đầu tư cho KHCN của Nhà nước. 2. Cần có cơ chế, chính sách khuyến khích các cơ sở sản xuất ứng dụng các kết quả nghiên cứu KHCN trong nước, có như vậy mới giúp cho các cơ sở nghin cứu có điều kiện hoàn thiện các kết quả nghiên cứu, tạo ra các sản phẩm đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 49 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  56. 3. Cần có chính sách tạo điều kiện cho các cơ sở nghiên cứu triển khai trong nước được tham gia vào các công trình lớn, có hàm lượng chất xám cao để góp phần đào tạo nâng cao năng lực chuyên môn cho các cán bộ KHCN trong nước. Có như vậy chúng ta mới trưởng thành và có khả năng tiếp cận, làm chủ các công nghệ tiên tiến, hiện đại để đến năm 2020 Việt Nam thành đất nước công nghiệp có trình độ tiên tiến trong khu vực. 4. Khi tiến hành chế tạo hàng loạt đơn vị được chuyển giao công nghệ (nếu có) cần phải chuẩn bị đầy đủ các thiết bị, vật tư linh kiện, như đã trình bày trong phần quy trình công nghệ chế tạo hàng loạt, đồng thời phải liên hệ mật thiết với cơ quan chủ trì thực hiện dự án để đảm bảo việc chế tạo hàng loạt thành công. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 50 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  57. LỜI CẢM ƠN Để thực hiện thành công đề tài này chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự ủng hộ, hợp tác và đóng góp của các tổ chức, cơ quan và các cá nhân sau: ƒ Bộ Khoa học Công nghệ, Bộ Công nghiệp, Ban chủ nhiệm và Văn phòng chương trình KC.03, Lãnh đạo VIELINA đã tạo điều kiện và cho phép chúng tôi được thực hiện dự án này, cũng như luôn có sự chỉ đạo kịp thời trong suốt quá trình thực hiện dự án. ƒ Tập đoàn Công nghiệp Than và Khoáng sản Việt Nam cùng các Công ty thành viên như: Công ty than Hạ Long, Công ty than Hòn Gai, Công ty than Hà Lầm, Công ty than Vàng Danh, Công ty than Đông Bắc, Công ty than Mông Dương, đã hợp tác giúp đỡ chúng tôi rất nhiều trong qúa trình thực hiện dự án. Có thể nói thành công của dự án này có sự đóng góp vô cùng to lớn và đặc biệt quan trọng của TKV và các đơn vị thành viên. ƒ Cục Kỹ thuật An toàn Công nghiệp - Bộ Công nghiệp, Trung tâm An toàn Mỏ, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ là những cơ quan chức năng đã thực hiện kiểm định các thiết bị của chúng tôi và cho phép đưa vào sử dụng thử nghiệm trong hầm lò tạo cơ sở cho việc thành công của dự án và tiến tới đưa kết quả vào ứng dụng thực tế. ƒ Các cá nhân có đóng góp đặc biệt cho sự thành công của dự án là: Ông Vũ Mạnh Hùng - Phó Tổng giám đốc TVN; Ông Lê Văn Thao - Kỹ sư trưởng thông gió TVN; Ông Nguyễn Văn Lăng - PGĐ và Ông Dương Sơn Bài – TP An toàn Công ty than Hạ Long Long; Ông Nguyễn Văn Quế – PTP Kỹ thuật Công ty than Hòn Gai, Ông Trần Tú Ba, Ông Phạm Xuân Thanh – GĐ, PGĐ TT An toàn Mỏ, Ngoài ra chúng tôi cũng xin bày tỏ sự cảm ơn tới Ban lãnh đạo TKV, Ban Giám đốc các Công ty thành viên cùng các cán bộ, công nhân của các Công ty. Một lần nữa, chúng tôi xin chân thành cám ơn sự hợp tác, giúp đỡ của tất cả các cơ quan và các cá nhân trong suốt quá trình triển khai thực hiện đề tài. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 51 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  58. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS. TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh; (2004), “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ SCADA phục vụ an toàn lao động trong ngành khai thác hầm lò”; VIELINA, Báo cáo tổng kết KHKT đề tài KC.03.04. [2] TS. Lê Văn Thao; “Nghiên cứu quá trình thoát khí mêtan ở các lò chợ mỏ than hầm lò và dự báo độ thoát khí mêtan khi khai thác xuống sâu”; Báo cáo tổng kết đề tài, 1997 [3] Bộ Công nghiệp; “Hướng dẫn thực hiện Quy phạm an toàn trong các hầm lò than và diệp thạch”; 2001 [4] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6734:2000; “Thiết bị điện dùng trong mỏ hầm lò – Yêu cầu an toàn về kết cấu và sử dụng”; 2000 [5] Bộ TCVN 7079: 2002 (0,1,2,5,6,7,11): Thiết bị điện dùng trong mỏ hầm lò [6] TCN-14.06.2000 (2000): Quy phạm an toàn trong các hầm lò than và diệp thạch. [7] IEC 79-11: Electrical apparatus for explosive gas atmospheres; Part 11: Instrinsic safety "i". [8] Philips semiconductor; “80C51 8-bit microcontroller family”; 27/Oct. 1999. [9] Philips semiconductor; “80C51 Family Hardware description”; 01/Dec. 1997. [10] Philips semiconductor; “80C51 family programmer's guide and instruction set”; 18/Sep. 1998. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 52 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  59. CÁC PHỤ LỤC BÁO CÁO 1. Danh sách các hợp đồng đã ký 2. Giấy chứng nhận kiểm định máy đo VIELINA-ĐCT.01 của Trung tâm An toàn Mỏ 3. Công văn cho phép đưa vào sử dụng máy đo VIELINA-ĐCT.01 của Cục kỹ thuật an toàn - Bộ Công nghiệp 4. Phiếu ghi nhận đơn hợp lệ của Cục sở hữu trí tuệ 5. Công văn của TKV yêu cầu các đơn vị trang bị máy cảnh báo khí mêtan. 6. Phụ lục sơ đồ nguyên lý, sơ đồ lắp ráp và phần mềm của các sản phẩm 7. Phụ lục các bản vẽ vỏ máy đo VIELINA-ĐCT01 Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 53 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  60. DANH SÁCH CÁC HỢP ĐỒNG ĐÃ KÝ TT Nội dung hợp đồng Đơn vị ký Giá trị HĐ Ngày ký (1000đ) 1 Nghiên cứu, chế tạo và cung cấp Công ty than Hòn Gai 590 625 18/11/2005 các thiết bị tự động đo, cảnh báo khí mêtan, ký hiệu VIELINA- ĐCT.01 2 Nghiên cứu, chế tạo và cung cấp Công ty than Hạ Long 866 250 5/12/2005 các thiết bị tự động đo, cảnh báo khí mêtan, ký hiệu VIELINA- ĐCT.01 3 Nghiên cứu, chế tạo và cung cấp Công ty than Dương 131 250 28/3/2006 các thiết bị tự động đo, cảnh báo Huy khí mêtan, ký hiệu VIELINA- ĐCT.01 4 Cung cấp các thiết bị tự động đo, Công ty than Vàng 630 000 30/3/2006 cảnh báo khí mêtan Danh 5 Cung cấp các thiết bị tự động đo, Công ty than Hà Lầm 131 250 17/4/2006 cảnh báo khí mêtan 6 Cung cấp các thiết bị tự động đo, Công ty Đông Bắc 210 000 16/5/2006 cảnh báo khí mêtan 7 Nghiên cứu, chế tạo và cung cấp Công ty than Hạ Long 432 862,5 25/5/2006 các thiết bị tự động đo, cảnh báo khí mêtan, ký hiệu VIELINA- ĐCT.01 TỔNG 2 992 237.5 (Hai tỉ chín trăm chín hai triệu hai trăm ba mươi bẩy nghìn năm trăm đồng) Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. 54 VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855
  61. U6 AT89S51(44) BZZ RP LG0 CBZ 40 P1.0 (AD0 )P0 .0 37 a 2 a 2 a DPY a DPY a DPY 41 P1.1 (AD1 )P0 .1 36 b 3 b 6 b a b a b a K0 42 35 c VCC c 10 c c c P1.2 (AD2 )P0 .2 4 f g b f g b f g b 33nF J2 K1 43 P1.3 (AD3 )P0 .3 34 d 5 d 8 d d d 1 SCK (P1.7) GND 2 K2 44 P1.4 (AD4 )P0 .4 33 e 6 1 e 7 e e c e e c e e c BUZZ 3 4 1 32 f f 3 f d f d f d 5 MISO (P1. 6) VCC 6 VCC 2 P1. 5 (MOSI) (AD5 )P0 .5 31 g 7 g 11 dp dp dp RQ0 RST NC P1.6(MISO) (AD6 )P0 .6 8 g g g 7 8 3 30 dp dp 9 dp K0dp K1dp K2 Q0 9 NC NC 10 39 P1.7(SCK) (AD7 )P0 .7 38 9 MOSI (P1. 5) GND 28 NC VCC 29 ISP 6 NC EA/VPP 27 K0 K1 K2 4 NC ALE/PRG 26 1 4 5 14 RST PSEN 17 C60 15 XTAL2 GND 16 C61 XTAL1 GND VCC OSC 5 P3.0(RXD) (A15)P2.7 25 U3 + 7 24 1 6 BUZZ 8 P3.1(TXD) (A14)P2.6 23 2 GND Vout 5 DET 9 P3.2(INT0) (A13)P2.5 22 BLINK 3 GND DNC* 4 R60 10 P3.3(INT1) (A12)P2.4 21 DNC* Vin VCC C62 C63 11 P3.4(T0) (A11)P2.3 20 CSSH C30 C31 CON 12 P3.5(T1) (A10)P2.2 19 DOUT CON 13 P3.6(WR) (A9 )P2 .1 18 CLK RDP P3.7(RD) (A8 )P2 .0 DP D01 VCC BLINK U4 VCC C51 U0 1 8 U5 SHARP_5PINS 2 RG RG 7 R41 ADS7822 2 3 Vin - V+ 6 2 8 ON/OFF 3 4 Vin + Vo 5 3 +IN VCC 7 CLK 1 Vout V - Ref -IN CLK 6 DOUT Vin J1 R0 INA1 2 6 C50 OUT 5 CSSH Cin 105 CS/SH 0.33uF NC GND 4 C21 4 1 3 R1 GND REF 2 + 5 4 5 1 VR1 U2 + C20 R2 VR0 VCC R01 68k 8 VOUT 3 D00 V+ GND JEX L10 VCC OSC CAP+ CAP- D10 VIN 1 2 NJM7660D 7 2 4 6 U1 S00 R10 8 1 7 IPC ISWC 5 4 3 2 1 6 IPK COMP 3 J0 4 + TCAP 2 R12 R00 - ISWE 3 NJM2360 + C11 Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Ký tên + C10 1 5DET C01 R11 A B C 47uF Người vẽ Kiều Mạnh Cường 2 K E 4 U7 Người kiểm tra Nguyễn Thế Truyện Người xét duyệt Trần Thanh Thủy Ngày hoàn thành 30/06/2005 Sơ đồ nguyên lý thiết bị VIELINA – ĐCT.01
  62. +5V +5V U4 RPU ISP AT89S51(44) 10K RBE 1 2 R/W 40 37 DB0 DB0 SCK (P1.7) GND P1.0 (AD0)P0.0 2 10K C40 + 3 4 E 41 36 DB1 DB1 MISO (P1. 6) VCC +5V P1.1 (AD1)P0.1 3 RDP FLASH 10uF 5 6 RS 42 35 DB2 DB2 Q1 Re0 +5V RST NC P1.2 (AD2)P0.2 4 7 8 RING 43 34 DB3 DB3 RB 22K 1K NC NC P1.3 (AD3)P0.3 5 9 10 FLASH44 33 DB4 DB4 DP MOSI (P1. 5) GND P1.4 (AD4)P0.4 6 10K BLINK 1 32 DB5 DB5 P1.5(MOSI) (AD5)P0.5 7 HEADER10 2 31 DB6 DB6 P1. 6 (MISO) (AD6)P0.6 8 R40 3 30 DB7 DB7 RC P1.7(SCK) (AD7)P0.7 9 8.2K 39 38 NC VCC 1 100 2 28 29 NC EA/VPP +5V Q0 OSC 6 27 15 2 Re1 NC ALE/PRG +5V A Vcc 2 11.0592 MHz 4 26 16 1K B C RST PSEN K 1 RING 14 17 3 B XTAL2 GND Vee 1 22pF 15 16 A E RBZ XTAL1 GND 1K C42 5 25 CSSH 1 P3. 0(RXD) (A15)P2.7 RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 Vss A564 C41 7 24 ADDR P3.1(TXD) (A14)P2.6 Buzz 22pF 8 23 DOUT 3 +5V P3.2(INT0) (A13)P2.5 9 22 DCLK LCD 4 5 6 7 8 9 P3.3(INT1) (A12)P2.4 10 11 12 13 14 BLI 10 21 8 x 2 Backlight P3.4(T0) (A11)P2.3 DET 11 20 P3.5(T1) (A10)P2.2 CON 12 19 P3.6(WR) (A9 )P2 .1 13 18 P3.7(RD) (A8 )P2 .0 RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 U2 3 C81 OPTO 4N35 +5V 1 5 2 +5V U8 A B C R51 LT1790 0.1uF C91 R1 2 4 1 3 20K 1 4 0.1uF K E 1 W 3 GND Vin +5V R20 D01 JHC 2 5 C82 1K GND DNC* 2K NAP-100AD VR1 1 8 3 6 U9 RG RG DNC* Vout 1K 2 7 MCP32 0 8 Vin - V+ 3 6 R50 1uF PW 1 16 Vin + Vo CH0 VCC 1 4 4 5 C90 C92 2 15 - D C + V - Ref 10K CH1 REF 3 14 CH2 AGND 1uF 4 13 DCLK CH3 CLK U5 1uF CO 5 12 DOUT +5V CH4 DOUT J0 D00 INA126 6 11 ADDR CH5 DIN R0 R2 R37 HC 7 10 CSSH CH6 CS/SH 025EF01 200 200 C30 10K R38 8 9 1 2 CH7 DGND S00 VR0 U3B 10K 1 8 RG RG U0 SHARP 0.1uF 2 7 1K Vin - V+ EF01 3 6 +5V Vin + Vo 4 5 V - Ref 8 1 2 3 4 INA126 5 +5V 1 3 R33 91K 7 R30 6 R00 U3A C R 10K RT0 68K R31 3 TLC27 10K C00 10K 1 0.1uF JCO 2 NAP-505 PW W VR3 4 R32 C31 1uF 2 10 16K R35 RT1 L10 22K R10 D10 10K 100uH R36 15K RTH 10K 200 N1589 R2W 8 1 2Ohm IPC ISWC Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Ký tên 7 5 IPK COMP 6 3 +5V R34 + TCAP 4 2 R12 10K - ISWE 68K R39 Người vẽ Kiều Mạnh Cường + U1 C62 10K NJM2360 U6 0.1uF C10 C11 +5V LMC7660 8 10uF 1500pF R11 VR2 Người kiểm tra Nguyễn Thế Truyện 22K 2 3 CAP+ GND + C12 V+ 100uF D11 D12 D13 C60 + + C61 C63 5V 5V 5V 10uF 10uF 0.1uF Người xét duyệt Trần Thanh Thủy 100K 4 5 CAP- VIN OSC VOUT R3A 100K Ngày hoàn thành 30/06/2005 6 7 +5V Sơ đồ nguyên lý thiết bị VIELINA – ĐCT.02
  63. +5V +5V U4 RPU ISP AT89S51(44) 10K RBE 1 2 R/W 40 37 DB0 DB0 SCK (P1.7) GND P1.0 (AD0)P0.0 2 10K C40 + 3 4 E 41 36 DB1 DB1 MISO (P1. 6) VCC +5V P1.1 (AD1)P0.1 3 RDP FLASH 10uF 5 6 RS 42 35 DB2 DB2 Q1 Re0 +5V RST NC P1.2 (AD2)P0.2 4 7 8 RING 43 34 DB3 DB3 RB 22K 1K NC NC P1.3 (AD3)P0.3 5 9 10 FLASH44 33 DB4 DB4 DP MOSI (P1. 5) GND P1.4 (AD4)P0.4 6 10K BLINK 1 32 DB5 DB5 P1.5(MOSI) (AD5)P0.5 7 HEADER10 2 31 DB6 DB6 P1. 6 (MISO) (AD6)P0.6 8 R40 3 30 DB7 DB7 RC P1.7(SCK) (AD7)P0.7 9 8.2K 39 38 NC VCC 1 100 2 28 29 NC EA/VPP +5V Q0 OSC 6 27 15 2 Re1 NC ALE/PRG +5V A Vcc 2 11.0592 MHz 4 26 16 1K B C RST PSEN K 1 RING 14 17 3 B XTAL2 GND Vee 1 22pF 15 16 A E RBZ XTAL1 GND 1K C42 5 25 CSSH 1 P3. 0(RXD) (A15)P2.7 RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 Vss A564 C41 7 24 ADDR P3.1(TXD) (A14)P2.6 Buzz 22pF 8 23 DOUT 3 +5V P3.2(INT0) (A13)P2.5 9 22 DCLK LCD 4 5 6 7 8 9 P3.3(INT1) (A12)P2.4 10 11 12 13 14 BLI 10 21 8 x 2 Backlight P3.4(T0) (A11)P2.3 DET 11 20 P3.5(T1) (A10)P2.2 CON 12 19 P3.6(WR) (A9 )P2 .1 13 18 P3.7(RD) (A8 )P2 .0 RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 U2 3 C81 OPTO 4N35 +5V 1 5 2 +5V U8 A B C R51 LT1790 0.1uF C91 R1 2 4 1 3 20K 1 4 0.1uF K E 1 W 3 GND Vin +5V R20 D01 JHC 2 5 C82 1K GND DNC* 2K NAP-100AD VR1 1 8 3 6 U9 RG RG DNC* Vout 1K 2 7 MCP32 0 8 Vin - V+ 3 6 R50 1uF PW 1 16 Vin + Vo CH0 VCC 1 4 4 5 C90 C92 2 15 - D C + V - Ref 10K CH1 REF TC 3 14 CH2 AGND 1uF 4 13 DCLK CH3 CLK U5 1uF CO 5 12 DOUT +5V CH4 DOUT J0 D00 INA126 6 11 ADDR CH5 DIN R0 R2 R37 HC 7 10 CSSH CH6 CS/SH 025EF01 200 200 C30 10K R38 8 9 1 2 CH7 DGND S00 VR0 U3B 10K 1 8 RG RG U0 SHARP 0.1uF 2 7 2 1K Vin - V+ EF01 3 6 +5V Vin + Vo 4 5 1 3 R71 V - Ref 1 W 3 8 1 2 3 4 VR4 22K INA126 20K 5 2 +5V 1 3 R33 91K 7 R30 6 R00 U3A 1 3 C R 10K +5V RT0 68K R31 3 TLC27 10K C00 10K 1 0.1uF JCO 2 U7 NAP-505 LM335 PW W VR3 4 R32 C31 1uF 2 10 16K R35 RT1 L10 22K R10 D10 10K 100uH R36 15K RTH 10K 200 N1589 R2W 8 1 2Ohm IPC ISWC Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Ký tên 7 5 IPK COMP 6 3 +5V R34 + TCAP 4 2 R12 10K - ISWE 68K R39 Người vẽ Kiều Mạnh Cường + U1 C62 10K NJM2360 U6 0.1uF C10 C11 +5V LMC7660 8 10uF 1500pF R11 VR2 Người kiểm tra Nguyễn Thế Truyện 22K 2 3 CAP+ GND + C12 V+ 100uF D11 D12 D13 C60 + + C61 C63 5V 5V 5V 10uF 10uF 0.1uF Người xét duyệt Trần Thanh Thủy 100K 4 5 CAP- VIN OSC VOUT R3A 100K Ngày hoàn thành 30/06/2005 6 7 +5V Sơ đồ nguyên lý thiết bị VIELINA – ĐCT.03
  64. BÁO CÁO KẾT QUẢ DỰ ÁN Chế tạo thiết bị tự động đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò Mã số: KC.03.DA04 Chủ nhiệm dự án: TS. Nguyễn Thế Truyện Cơ quan chủ trì: VIELINA Thời gian thực hiện: 2004-2005 1
  65. NNééii dungdung bb¸¸oo cc¸¸oo I. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu II. Các vấn đề chung III. Thiết kế chế tạo các sản phẩm của dự án IV. Kết quả đạt được V. Kết luận và kiến nghị 2
  66. I.I. MMỤỤCC TIÊUTIÊU VVµµ NNỘỘII DUNGDUNG NGHIÊNNGHIÊN CCỨỨUU ™ Mục tiêu đăng ký •Mục tiêu chế tạo ra thiết bị tự động đo và cảnh báo khí mêtan cầm tay, có thể làm việc ổn định và chính xác trong điều kiện môi trường khắc nghiệt như khai thác hầm lò. •Mục tiêu tiếp theo là chế tạo các thiết bị đo cảnh báo cầm tay có thể đo được nhiều thông số như: CH4; CO; nhiệt độ; các sản phẩm này có ngay trong thời kỳ thực hiện dự án. •Mục tiêu lâu dài là chế tạo các hệ thống SCADA diện rộng để đo, cảnh báo các thông số môi trường trong khai thác hầm lò phục vụ an toàn lao động. •Mục tiêu lâu dài khác là làm chủ công nghệ để tiếp tục thiết kế chế tạo các loại thiết bị đo lường khác, phục vụ cho sự nghiệp Công nghiệp hoá đất nước như: Thiết bị đo các khí công nghiệp, đo các thông số môi trường nước, 3
  67. ™ Nội dung nghiên cứu •Khảo sát các thiết bị đo khí hiện có tại các mỏ than của Việt nam từ đóxác định ưu nhược điểm của các thiết bị đang dùng đồng thời biết được nhu cầu thực sự và cấp thiết của người sử dụng để chế tạo thiết bị phù hợp. •Lựa chọn vật tư, linh kiện đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó để mua và chế tạo thiết bị •Thiết kế phần cứng, phần mềm cho các thiết bị. •Thiết kế mẫu mã, kiểu dáng công nghiệp cho thiết bị. •Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị. • Đưa thiết bị đi kiểm định để đánh giá các thông số kỹ thuật và kiểm tra an toàn phòng chống cháy nổ, •Thử nghiệm thiết bị tại thực tế hầm lò Việt Nam. • Thu thập ý kiến đóng góp để cải tiến khắc phục các hạn chế của thiết bị • Nghiên cứu hoàn thiện thiết kế và công nghệ chế tạo. • Đào tạo cán bộ thiết kế cũng như hướng dẫn sử dụng tại các cơ sở để đảm bảo thiết bị được sử dụng có hiệu quả nhất. 4
  68. II. CÁC VẤN ĐỀ CHUNG 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 2. Các thiết bị đo khí hiện đang sử dụng tại TKV 3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 4. Phương pháp nghiên cứu 5. Trình tự thực hiện dự án 5
  69. 1.1. TTíínhnh ccấấpp thithiếếtt ccủủaa vvấấnn đđềề nghiênnghiên ccứứuu -Sản lượng khai thác của TKV ngày càng tăng, hình thức khai thác than hầm lò ngày càng mở rộng. Do đó nguy cơ cháy nổ khí mêtan ngày càng lớn. -Trên thế giới cũng như ở Việt nam trong thời gian vừa qua đã xẩy ra rất nhiều vụ cháy nổ khí. -Trong mấy năm qua TKV đã mua các máy đo khí của nước ngoài nhưng do giá thành các thiết bị quá đắt nên rất tốn kinh phí và các Công ty đều chưa trang bị được đầy đủ theo yêu cầu. Do đóvấn đề nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo khí mêtan phục vụ khai thác hầm lò là yêu cầu rất bức bách và có nhiều ý ngiã cả về kinh tế lẫn xã hội. 6
  70. 2.2. CCáácc thithiếếtt bbịị đđoo khkhíí hihiệệnn đđangang ssửử ddụụngng ttạạii TKVTKV -Thiết bị của Nga: ШИ-10, ШИ-11 -Thiết bị của Trung Quốc: Máy đo GWJ-1A -Thiết bị của Nhật: R-7 do Toka Keiki chế tạo GX-86 của Riken Keiki -Thiết bị của Ba Lan Thiết bị M1CA Thiết bị TC-100P -Thiết bị của Canada GasAlert Lel (máy đo khí cháy) GasAlertMicro (máy đo nhiều loại khí: khí cháy, CO, O2) 7
  71. 3.3. TTììnhnh hhììnhnh nghiênnghiên ccứứuu trongtrong vvàà ngongoààii nnưướớcc - Tình hình nghiên cứu và triển khai ở nước ngoài: Các hãng Riken keiki, Koka Keiki, ICS (Industrial Scientific Corporation), SICK/MIHAK, Họ sản xuất thiết bị theo hai dạng chính: Thiết bị đo đơn lẻ (Cầm tay hoặc đặt cố định), Hệ thống lớn (SCADA) - Tình hình nghiên cứu và triển khai trong nước: Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) là đơn vị đầu tiên đã nghiên cứu và chế tạo được thiết bị đo cảnh báo khí mêtan cầm tay. Viện khoa học Vật liệu đã nghiên cứu chế tạo được máy đo khí ga, nồng độ cồn nhưng chưa thấy chế tạo máy đo dùng trong môi trường hầm lò 8
  72. 44 PhPhươươngng phpháápp nghiênnghiên ccứứuu Áp dụng phương pháp nghiên cứu hiện đại, khoa học phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam -Hiện đại: ứng dụng các công nghệ tiên tiến để nghiên cứu, chế tạo các thiết bị đo: Công nghệ điện tử số, công nghệ đo lường hiện đại, các chip công nghệ cao, và ứng dụng máy tính, công nghệ thông tin để thiết kế, mô phỏng và xây dựng các phần mềm điều khiển thiết bị -Khoa học: Cách thức tiến hành khoa học xuất phát từ tìm hiểu thực tế để xây dựng bài toán, lựa chọn các vật tư linh kiện hiện đại để thiết kế sản phẩm, sau đóchế thử sản phẩm đưa đi kiểm định và sử dụng thử nghiệm, lấy ý kiến của người sử dụng để hoàn thiện thiết kế. Xây dựng quy trình công nghệ chế thử, chế tạo hàng loạt. 9
  73. 6.6. TrTrììnhnh ttựự ththựựcc hihiệệnn ddựự áánn -Khảo sát thực trạng thiết bị đo khí trong TKV (T1-T2/2004). - Tham khảo ý kiến các chuyên gia ngành than (T3/2004). -Lựa chọn vật tư, linh kiện và thiết kế sản phẩm (T3-T4/2004). -Chế tạo mẫu sản phẩm và đưa đi kiểm định tại Trung tâm An toàn Mỏ (T4-T12/2004). - Đưa sản phẩm đi thử nghiệm (T12/2005-T2/2004) - Ký hợp đồng nguyên tắc thử nghiệm thiết bị, xây dựng quy trình thử nghiệm và đưa thiết bị đi thử nghiệm thực tế (từ T3/2005) -Tiến hành thử nghiệm (3 đến 6 tháng), lấy ý kiến đánh giá của cơ sở thử nghiệm và trình Lãnh đạo TKV để xin ý kiến về việc bán chính thức sản phẩm (T10/2005). -Tiến hành bán sản phẩm dự án từ tháng 11/2005 đến nay (máy đo VIELINA-ĐCT.01) -Hiện nay đang tiếp tục kiểm định cho máy đo nhiều thông số. 10
  74. III.III. THITHIẾẾTT KKẾẾ CHCHẾẾ TTẠẠOO CCÁÁCC SSẢẢNN PHPHẨẨMM CCỦỦAA DDỰỰ ÁÁNN 1. Nguyên tắc thiết kế, chế tạo 2. Lựa chọn các phần tử 3. Thiết kế máy đo khí mêtan VIELINA- ĐCT.01 4. Thiết kế máy đo nhiều thông số (VIELINA-ĐCT.02, VIELINA-ĐCT.03 ) 5. Thiết kế bộ nạp pin tự động 11
  75. 1.1. NguyênNguyên ttắắcc thithiếếtt kkếế,, chchếế ttạạoo -Thiết bị phải đạt tiêu chuẩn TCVN-7079 thực chất là tiêu chuẩn IEC 600079 (thiết bị an toàn tia lửa Ex “ia”I) -Thiết bị phải làm việc chính xác, có độ tin cậy và độ an toàn cao -Thiết bị dễ sử dụng, số liệu đo được phải dễ đọc -Thiết bị phải gọn nhẹ, chắc chắn phù hợp cho việc mang theo người. -Nguồn nuôi phải đảm bảo làm việc liên tục được ít nhất là 8 giờ (1 ca sản xuất) - Giá thành vừa phải 12
  76. 2.2. LLựựaa chchọọnn ccáácc phphầầnn ttửử Lựa chọn sensor: Sensor cần phải có dải đo phù hợp và đảm bảo làm việc được trong điều kiện đặc thù của môi trường hầm lò Việt Nam. * Khuyến cáo của hãng chế tạo sensor: 13
  77. - Sensor đo khí CO: NAP-701 của hãng Nemoto - Sensor đo khí CH4: NAP-100AD của hãng Nemoto - Lựa chọn các linh kiện khác: Các linh kiện khác được lựa chọn trên nguyên tắc sao cho nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và làm việc ổn định. Với quan điểm này chúng tôi lựa chọn các linh kiện hầu hết là loại dán bề mặt. 14
  78. 4.4. CCáácc vvấấnn đđềề ccầầnn gigiảảii quyquyếếtt z Vấn đề nguồn nuôi z Vấn đề hiệu chuẩn z Vấn đề độ ổn định của thiết bị z Vấn đề an toàn tia lửa 15
  79. * Nguồn nuôi: Cần ổn định khi điện áp pin thay đổi từ 5,5V xuống 2,7V. * Hiệu chuẩn: Đảm bảo độ chính xác và đồng đều của thiết bị sau khi lắp ráp hiệu chỉnh xong * Vấn đề ổn định: z Lựa chọn các loại vật tư linh kiện có độ ổn định nhiệt, độ chính xác cao, làm việc ổn định trong môi trường công nghiệp. z Bố trí phần tử có khả năng toả nhiệt nhiều nhất (sensor đốt xúc tác) ở nơi thoáng và riêng biệt (không nằm trong khoang với mạch điện) nên không gây ra bất ổn định về nhiệt cho thiết bị. z Mạch sau khi chế tạo xong được sơn phủ hợp chất chống ẩm (của Hàn Quốc) 3 lần nên đảm bảo làm việc ổn định trong môi trường có độ ẩm cao. 16
  80. VVấấnn đđềề anan totoàànn tiatia llửửaa - Dùng nguồn điện áp thấp (4,8V) và chế tạo mạch có dòng điện tiêu thụ nhỏ (250mA) -Chế tạo các mạch cho phần nguồn đảm bảo hạn chế được đánh lửa khi chập mạch -Chọn sensor loại dùng cho hầm lò để đảm bảo thiết bị làm việc ổn định, chính xác. -Phần vỏ: Phải thiết kế đảm bảo độ kín theo yêu cầu an toàn và có tính tẩm mỹ, gọn nhẹ. - Tính toán các trị số linh kiện để đảm bảo tiêu chuẩn TCVN 7079: Thực chất ở đây phải tính toán các giá trị điện dung và điện cảm sao cho đảm bảo an toàn với mức điện áp nguồn nuôi và dòng điện cực đại như đăng ký. 17
  81. 3.3. ThiThiếếtt kkếế mmááyy đđoo khkhíí mêtanmêtan VIELINAVIELINA ĐĐCTCT.01.01 -Thiết kế phần cứng máy đo VIELINA-ĐCT.01: Sensor KĐ & CH ADC HiÓn thÞ cpu B¸o hiÖu Chu«ng , ®Ìn Nguån 18
  82. -Thiết kế phần mềm VIELINA-ĐCT.01 Bắt đầu ChChươươngng trtrììnhnh đưđượợcc viviếếtt Khởi động hệ thống bbằằngng ngônngôn ngngữữ CC vvàà đđãã đưđượợcc Kiểm tra mức nguồn nuôi, còi, đèn hihiệệuu chchỉỉnh,nh, hohoàànn thithiệệnn quaqua Đọc và tính giá trị đo từ ADC nhinhiềềuu ththếế hhệệ C Vượt ngưỡng? HiHiệệnn naynay thithiếếtt K Báo động bbịị đđãã đđáápp ứứngng Hiển thị giá trị đo đưđượợcc ccáácc yêuyêu CK ccầầuu ccủủaa ngngưườờii Hết báo động? ssửử ddụụng.ng. Kết thúc 19
  83. 4.4. ThiThiếếtt kkếế mmááyy đđoo nhinhiềềuu thôngthông ssốố (VIELINA(VIELINA ĐĐCTCT.02,.02, VIELINAVIELINA ĐĐCTCT.03.03 )) -Thiết kế phần cứng máy đo nhiều thông số Sensor 1 KĐ & CH MUX & Sensor n KĐ & ADC CH HiÓn thÞ cpu B¸o hiÖu Chu«ng , ®Ìn Nguån 20
  84. -Thiết kế phần mềm máy đo nhiều thông số Bắt đầu Khởi động hệ thống Kiểm tra mức nguồn nuôi, còi, đèn, sensor các loại Đọc và tính các giá trị đo từ ADC C Có gt vượt ngưỡng ? K Báo động Hiển thị các giá trị đo CK Hết báo động? End 21
  85. 5.5. ThiThiếếtt kkếế bbộộ nnạạpp pinpin ttựự đđộộngng 22
  86. IV.IV. KKẾẾTT QUQUẢẢ ĐĐẠẠTT ĐƯĐƯỢỢCC 1. Về sản phẩm dự án 2. Quy trình công nghệ 23
  87. 1. Về sản phẩm dự án: - Máy đo VIELINA-ĐCT.01 - Máy đo VIELINA-ĐCT.02 - Máy đo VIELINA-ĐCT.03 -Bộ nạp pin tự động 24
  88. MMááyy đđoo VIELINAVIELINA ĐĐCTCT.01.01 Tính năng của thiết bị đã thiết kế được: • Dải đo CH4: (0 - 5)%. • Sai số: 0,1% trong dải đo (0 ÷ 2)% và 0,2% với dải đo còn lại. • Báo động: Dùng còi và đèn nháy • Thời gian khởi động: 20 s • Nguồn nuôi: Dùng pin nạp loại Ni-MH: 4,8Vx3700 mAh. • Thời gian sử dụng liên tục sau mỗi lần nạp: 12h. • Nhiệt độ làm việc: 0oC ÷ +50oC • Làm việc được với độ ẩm tương đối: tới 98% 25
  89. MMááyy đđoo VIELINAVIELINA ĐĐCTCT.01.01 ™ Về thủ tục pháp lý •Thiết bị VIELINA-ĐCT.01 đã đạt tiêu chuẩn an toàn tia lửa TCVN-7079 (TCVN 7079-0 và 7079-11). •Thiết bị đã được Cục Kỹ thuật an toàn Công nghiệp - Bộ Công nghiệp cho phép sử dụng. •Thiết bị VIELINA-ĐCT.01 cũng đã được đăng ký giải pháp hữu ích và đăng ký kiểu dáng công nghiệp. ™ Số lượng sản xuất • Đã chế tạo được 320 chiếc máy đo VIELINA-ĐCT.01 và hiện đã bán chính thức được 230 chiếc trong 7 hợp đồng kinh tế với tổng trị giá gần 3 tỉ đồng. •Hiện nay đang chuẩn bị ký hợp đồng tiếp với một số công ty khai thác than hầm lò trong TKV như: Công ty than Quang Hanh, Nam Mẫu, Hồng Thái, Thống Nhất, 26