Báo cáo Chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh báo khí meetan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò

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 DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH THAM GIA THỰC HIỆN DỰ ÁN STT Tên Ghi chú 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 TS. Nguyễn Thế Truyện KS. Nguyễn Công Hiệu KS. Luyện Tuấn Anh KS. Kiều Mạnh Cường KS. Nguyễn Thế Vinh KS. Nguyễn Văn Cường KS. Nguyễn Xuân Phú Sơn KS. Phạm Mạnh Tuấn KS. Nguyễn Hùng Kiên KS. Lê Anh Tuấn KS. Nguyễn Văn Quang Chủ nhiệm dự án * CHUYÊN GIA CỐ VẤN CHUYÊN NGÀNH: TS. Lê Văn Thao, Kỹ Sư trưởng thông gió - Tập đoàn CN Than, khoáng sản VN 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. 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 DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH THAM GIA THỰC HIỆN DỰ ÁN STT Tên Ghi chú 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 TS. Nguyễn Thế Truyện KS. Nguyễn Công Hiệu KS. Luyện Tuấn Anh KS. Kiều Mạnh Cường KS. Nguyễn Thế Vinh KS. Nguyễn Văn Cường KS. Nguyễn Xuân Phú Sơn KS. Phạm Mạnh Tuấn KS. Nguyễn Hùng Kiên KS. Lê Anh Tuấn KS. Nguyễn Văn Quang Chủ nhiệm dự án * CHUYÊN GIA CỐ VẤN CHUYÊN NGÀNH: TS. Lê Văn Thao, Kỹ Sư trưởng thông gió - Tập đoàn CN Than, khoáng sản VN 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. Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò. VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855 1 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. VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855 2 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. VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855 3 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. VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855 4 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. VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855 5 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