Diseño y construcción de un horno de cerámica

-

Español
94 pages
Obtenez un accès à la bibliothèque pour le consulter en ligne
En savoir plus

Description


El objetivo de este proyecto es explicar el proceso seguido en el diseño, construcción, programación, ajuste y pruebas de un horno para cocción de cerámica. El horno consiste en un hueco de aproximadamente 11 x 11 x 10 cm rodeado de una capa de ladrillos aislantes, fibra cerámica, lana de roca y carcasa de chapa de aluminio. El caldeo es mediante una resistencia ubicada en el interior del hueco, y alimentada por un relé de estado sólido y un transformador. El controlador del horno consiste en dos placas de circuito impreso, con un microcontrolador de 8 bits, memoria EEPROM, conversor analógico a digital, sensor de temperatura, pantalla LCD alfanumérica, botones, leds indicadores y conexión serie RS-232. La programación del controlador del horno permite la creación, modificación y selección de programas de cocción, regulando la temperatura mediante un algoritmo similar al PID (pero con la parte proporcional elevada a un número real entre 0 y 1). La temperatura se sensa mediante un termopar tipo K, compensando la temperatura de la unión fría y aplicando la linealización correspondiente al termopar K.
Ingeniería en Informática

Sujets

Informations

Publié par
Publié le 01 mars 2009
Nombre de lectures 87
Langue Español
Poids de l'ouvrage 6 Mo
Signaler un problème

UniversidadCarlosIIIdeMadrid

Escuelapolitécnicasuperior

Depto.deIngenieríadesistemasyautomática

Proyectofindecarrera

Diseñoyconstruccióndeunhorno
decerámica.

Carrera:IngenieríaInformática
Autor:JoaquínBishTakeuchi
Tutor:D.RamónIgnacioBarberCastaño
Fecha:20demarzode2009

Agradecimientos

Amispadres,porlainfinitapacienciaquehandemostradotener.

Amisamigos,pordarmealientoyestarsiempreinteresadosensabercomoibaeldesa-
rrollo.

Amitutor,pordirigirmeelproyectoyalavezpermitirmelalibertaddeacciónque
siemprehedeseado.

I

Resumen

Elobjetivodeesteproyectoesexplicarelprocesoseguidoeneldiseño,construcción,
programación,ajusteypruebasdeunhornoparacoccióndecerámica.
Elhornoconsisteenunhuecodeaproximadamente11x11x10cmrodeadodeuna
capadeladrillosaislantes,fibracerámica,lanaderocaycarcasadechapadealuminio.El
caldeoesmedianteunaresistenciaubicadaenelinteriordelhueco,yalimentadaporun
relédeestadosólidoyuntransformador.
Elcontroladordelhornoconsisteendosplacasdecircuitoimpreso,conunmicrocontro-
ladorde8bits,memoriaEEPROM,conversoranalógicoadigital,sensordetemperatura,
pantallaLCDalfanumérica,botones,ledsindicadoresyconexiónserieRS-232.
Laprogramacióndelcontroladordelhornopermitelacreación,modificaciónyselección
deprogramasdecocción,regulandolatemperaturamedianteunalgoritmosimilaralPID
(peroconlaparteproporcionalelevadaaunnúmerorealentre0y1).
LatemperaturasesensamedianteuntermopartipoK,compensandolatemperatura
delauniónfríayaplicandolalinealizacióncorrespondientealtermoparK.

II

Índicegeneral

Agradecimientos
.......................................
I
Resumen
...........................................
II

1.Introducción
1
1.1.Estructuradeldocumento
..............................1
1.2.Motivación
.......................................2
1.3.Especificacionesdediseño
..............................2

2.Hornosparacerámica(estadodelarte)
4
2.1.Brevehistoriadelacerámica
............................4
2.2.Elprocesodecocción
.................................6
2.3.Opcionescomerciales
.................................6
2.3.1.Controladoresdehornos
...........................8

3.Desarrollodemóduloshardware
10
3.1.Horno
..........................................11
3.1.1.Paredes
.....................................11
3.1.2.Resistencias
..................................15
3.1.3.Materialesempleados
............................18
3.2.Controlador
......................................19
3.2.1.Fabricacióndelaplacadelmicrocontroladorprincipal
..........22
3.2.2.Fabricacióndelaplacadetermoparyfuentedealimentación
.....24
3.3.Reguladordepotencia
................................26
3.3.1.Relédeestadosólidoenelsecundariodeltransformador
........26
3.3.2.Protectorcontrasaturaciones
........................30
3.4.Montajeterminado
..................................32

4.Diseñosoftware
33
4.1.Módulossoftware
...................................33
4.2.Algoritmodecontrol
.................................35
4.3.Estructuradelosdatosdelosperfiles
.......................37

III

5.Transferenciadelcódigoalmicrocontrolador
5.1.Programador
......................................
5.2.Softwaredetransferencia
..............................

6.Problemasysolucionesduranteeldesarrollo
6.1.LíneasderelojydatosICSP
.............................
6.2.Tapadelhorno
.....................................
6.3.Controlproporcionaldepotencia
..........................
6.4.Transformador
.....................................
6.5.Amplificacióndelvoltajedetermopar
.......................
6.6.Compilador
.......................................
6.7.Limitacionesdelmicrocontrolador
.........................
6.8.Protectorcontrasaturaciones
............................

7.Ajustesypruebas
7.1.Ajustedelosparámetros
...............................
7.1.1.Parámetros
K
p
y
banda
p
(gananciaybandaproporcional)
........
7.1.2.Parámetros
K
i
y
banda
i
(gananciaybandaintegral)
...........
7.2.Pruebasyvaloración
.................................
7.2.1.Primeraprueba
................................
7.2.2.Segundaprueba
................................
7.3.Especificacionesobtenidas
..............................

8.Conclusionesyfuturostrabajos
8.1.Futurostrabajos
...................................
8.2.Conclusiones
......................................

A.Guíarápidadeusuario
A.1.Comprobacionesprevias
...............................
A.2.Ajustedelosparámetros
...............................
A.3.Edicióndeunperfil
..................................
A.4.Ejecucióndeunperfil
.................................
A.5.Mododetermostato
..................................
A.6.Enviarperfilesalordenador
.............................
A.7.Recibirperfilesdelordenador
............................
A.8.Borradodeunperfil
..................................
A.9.Formatearlamemorianovolatil
..........................

B.Opcióndefuentedealimentaciónconmutada

C.Opcióndetriacenelprimariodeltransformador

VI

939314

444454546464748484

1515153545455565

858595

06060616162626363636

46

96

D.Herramientassoftwareempleadas

E.Atacadorrápido

E.1.Mecanismoquímicodelatacadorrápidoparaplacasdecircuitoimpreso
...

E.2.Calculandolareceta
.................................

E.2.1.Resumiendolareceta
.............................

F.Tiendas

G.Glosario

Bibliografía

V

67

87

87

87

97

08

18

68

Capítulo1

Introducción

1.1.Estructuradeldocumento

Eldocumentoestáescritodeformaqueelordendelecturasealomásparecidoposible
alordencronológicodelasdiferentesetapasseguidaseneldesarrollo,seempiezapor
definirunosobjetivos,verloqueyaexisteenelmercado,diseñarelhardwareyelsoftware,
realizarlaprogramación,laspruebasyporúltimoextraerconclusiones.

Introducción
daunaidearápidadeenquéconsisteesteproyecto,sumotivaciónylos
objetivosquehandirigidoeldesarrollo.
Hornosparacerámica(estadodelarte)
permiteubicarallectorenelcontextodelo
quehistóricamentehainfluidoenloshornosdecerámica,yloqueactualmentehay
disponibleenelmercadoconusossimilares.
Desarrollodemóduloshardware
explicacomosehandescompuesto,calculado,deci-
dido,diseñadoyrealizadolasparteshardwaredelhorno.
Diseñosoftware
explicacómoseestructuraelsoftware(datosyprograma)ycómoesel
algoritmodecontrol.
Transferenciadelcódigoalmicrocontrolador
cubreelmétodo(hardwareysoftwa-
re)porelquesetransfiereunprogramanuevoalmicrocontrolador.
Problemasysolucionesduranteeldesarrollo
describelosprincipalesproblemasque
seencontraronduranteeldesarrollo,ycomosesolucionaron.
Ajustesypruebas
muestraelprocesodeeleccióndelosparámetrosdefuncionamiento,
laspruebasyresultadosobtenidos.
Conclusionesyfuturostrabajos
exponelasconclusionesextraídasdelproyectoylos
trabajosconquepuedeserinteresantecontinuar.

Sehanpuestocomoapéndicesaquellasseccionesquenocorrespondenafasesdeldesa-
rrolloprincipal,peroqueseconsiderandeinterésparaqueestamemoriaestécompleta.

Guíarápidadeusuario
describemuybrevementeelprocesoaseguirparautilizarel
horno.
Opcióndefuentedealimentaciónconmutada
esunodelosposiblesmétodospara
variarlapotenciaaplicadaalacarga,seanalizanlosprosycontrasdevariastopolo-
.saíg

1

Opcióndetriacenelprimariodeltransformador
esotroposiblemétodoparava-
riarlapotencia,exigeunhardwarediseñadoparaevitarcompletamentelasaturación
delnúcleodeltransformador.
Herramientassoftwareempleadas
describelosprogramasquesehanusadoysuuti-
lidadenelproyecto.
Atacadorrápido
explicaelmecanismoquímicousadoenesteproyectoparaeliminar
cobredeloscircuitosimpresos.
Tiendas
listaloscomerciosenlosquesehacompradomaterialnecesarioparahacereste
proyecto.
Glosario
eselapéndicealqueremitimosparaevitarromperelritmodelecturaconex-
plicacionesinvasivas.
Bibliografía
esladocumentaciónyreferenciasquesehanempleado,excluyendolasho-
jasdedatosdecadaunodelossemiconductores.

1.2.Motivación

Enunlaboratoriootaller,unhornopuedeemplearseparahacerpirólisis(evaporarla
materiaorgánicaapartirde550ºC),calcinaciones,recocidossobremetalesovidrios,fundir
metalesyvidrios,curarpolímeros,deshidratarsustancias,etc.
Losanterioresusos,unidosasuobviaaplicaciónenlacerámica,lohacenunaherra-
mientamuyútil.Sinembargo,elprohibitivopreciodeunhornodelascaracterísticasne-
cesariasparatrabajarencerámicahacenqueseaunaherramientamuypocoextendida
entreelpúblicogeneral.Conesteproyectosepretendediseñaryconstruirunapequeña
unidad,queexceptuandosubajacapacidad,cumplaconlasdemásexpectativas.

1.3.Especificacionesdediseño

Unhornodestinadoacocercerámicadebereunirunaseriedecaracterísticas:

Hadegenerarysoportarlasaltastemperaturasinvolucradas,quepuedenoscilar
entrelos900y1400ºC.
Hademantenerunatemperaturaaceptableensucarcasaexterior,enfuncióndesu
entornodetrabajo(enuntallerpuederondarlos150ºC).
Hadesoportarlaatmósferaenlaquesecuecelapieza(oxidante,reductoraoneutra).
Hadepermitirlaevacuacióndegasesgeneradosdurantelacocción(básicamente
H
2
O,CO
2
yCO).
Debepermitirunavelocidaddesubidadetemperaturaquenoprolongueenexcesola
yadeporsílargaoperacióndecocción.
Esdeseablequetengaelmínimoconsumoenergético(ytambiéneconómico).
Esdeseablequetengauncontrolprecisosobrelastemperaturas(yasícontrolarlos
puntosdefusióndelasdiversassustanciaspresentesenarcillasydecoraciones).

2

Perotambiénhayvariaslimitacioneslógicasparaestecasoparticular:

Nopuedesergrande(nosedisponedeuntalleroalmacén).

Debeteneruncosteasequible.

Debeserunhornoeléctricoderesistencias(elusodecombustibleshacemuyapara-
tosalainstalacióndelhorno,ademásdelasmedidasdeseguridadcorrespondientes).

Elconsumodebesermenordeunos2000W(sevaaemplearenunacasanormal,lo
quelimitalapotenciamáximaalacontratada).

Latemperaturadelacarcasaexteriornodebeserdemasiadoelevada,paraasíreducir
elriesgodeincendio.

Debepermitirunfáciltransporteeinstalación.

3

Capítulo2

Hornosparacerámica(estadodel
)etra

2.1.Brevehistoriadelacerámica

Lacerámica,esunarteeindustriaquedesdesuscomienzossebasaenlacocciónde
unamasaarcillosa.Sinembargo,ladistribucióngeográficadediferentesmateriasprimas,
lasdiferentesclimatologías,usosycostumbresdelosgruposhumanosquelafueroncono-
ciendoycomunicandodieronlugaradiferentestécnicasdesecado,conformado,decoración
ycocción.Enlaactualidad,aúnperduranlasdiferenciasgeográficasenlafabricaciónde
lascerámicas,demostradasenlosdistintosestilosregionales;porejemplo,porcelanachina
pintada,lozaesmaltada,alfareríaenarcillasrojas,cadaunaconunasmaterias,técnicas,
colores,formasyusospropios.
Estaindustriacuentaconvariosmilesdeañosdehistoria,unode
losejemplosmásantiguosencontradoshastaelmomentoeslaVenus
deDolníVeˇstonice,mostradaenlafigura
2.1
.Fuehalladaenunasen-
tamientopaleolíticoalsurdeBrno,enlaRepúblicaChecaysefecha
entreel29000yel25000a.C.
Alprincipio,laspiezassedejabansecaralsolocercadelfuego,
paraposteriormentesercocidasdentrodeunahoguera.Lastempera-
turasmáximasensuinteriorrondanlos680

920ºC,peroelmétodo
teníalosinconvenientesdeuncalentamientoyenfriamientodemasia-
dorápidos,unadistribuciónmuypocohomogéneadelastemperatu-
ras,yuncontroldifícil.Paracompensarlo,lasmasasarcillosascon-
teníanunaelevadaproporcióndematerialescapacesdecrearporos,
comoconchasmachacadasochamota.Lapresenciadeporospermi-
teexpulsarmejorlosgasesproducidosenelinteriordelacerámica
durantesucocción(provenientesdelacombustión,descomposición,y
evaporacióndemateriaorgánica,aguaycarbonatos)ydisminuirlasFigura2.1:
Venus
tensionesproducidasduranteelenfriamiento.
deDolníVeˇstonice
(fuente:PetrNovák,
Losrecipientesdecerámicamásantiguos,quesonlaprimeramues-
Wikipedia)
tradealfareríadatandeaproximadamenteel12700a.C.(aunquese
estimaquecercadel14000a.C.sehabíanempezadoaproducir).
Empiezanadesarrollarselosprimeroshornos,queinicialmenteeranagujerosenel
suelollenosdematerialescombustiblesypiezasacocer.Apesardeparecerunaforma
muytosca,yaofrecenmejorasimportantes,comounmejoraislamientodelaspiezasalaire

4