Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một trong những cường quốc xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới với kim ngạch xuất khẩu liên tục tăng trưởng mạnh mẽ, từ mức 2,13 tỷ USD năm 2016 lên gần 2,7 tỷ USD năm 2017 và đạt khoảng 3,3 tỷ USD vào năm 2018 với tổng sản lượng trên 6 triệu tấn/năm. Mặc dù sản lượng và giá trị kinh tế đạt mức cao, phần lớn các công đoạn chế biến sau thu hoạch tại hai vựa lúa lớn nhất cả nước là Đồng bằng sông Cửu Long và Đồng bằng sông Hồng vẫn còn phụ thuộc nặng nề vào các phương thức thủ công. Điển hình tại công đoạn may đóng bao xuất khẩu, các doanh nghiệp thường phải sử dụng từ 1 đến 3 lao động phổ thông cho mỗi dây chuyền để thực hiện các thao tác phụ trợ như máng bao, vuốt mép bao, dẫn hướng vào đầu máy may và cắt chỉ thủ công. Thực trạng thiếu hụt nhân công cục bộ vào mùa thu hoạch cao điểm đã đẩy chi phí nhân công tăng vọt, làm gián đoạn tiến độ giao hàng quốc tế và làm suy giảm năng lực cạnh tranh của nông sản Việt Nam.

Nghiên cứu được triển khai với mục tiêu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hoàn chỉnh hệ thống robot đóng túi tự động ứng dụng trong dây chuyền đóng gói thành phẩm lúa, gạo, tấm, cám, phân bón và thức ăn chăn nuôi. Đề tài tập trung giải quyết bài toán tự động hóa hoàn toàn chu trình định lượng 3 cấp, cơ cấu kẹp giữ, kéo căng mép bao, tự động dẫn hướng vào máy may, tự ngắt chỉ và điều phối bao trên băng chuyền chính nhằm chống ùn tắc khi nhiều hệ thống vận hành đồng thời. Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên các dòng bao dệt PP và bao phức hợp PP lồng màng PE có tải trọng từ 25 kg đến 50 kg trong khoảng thời gian từ tháng 06/2018 đến tháng 06/2019. Giải pháp này giúp cắt giảm 66,7% đến 100% nhân công trực tiếp tại khâu đóng bao, nâng năng suất định lượng đạt ngưỡng 30 đến 40 tấn/giờ và tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí sản xuất mỗi năm cho doanh nghiệp chế biến lương thực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động kinh điển kết hợp kỹ thuật điều khiển logic khả trình và truyền thông công nghiệp hiện đại. Lý thuyết hàm truyền đạt và phương pháp chỉnh định bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI) theo nguyên tắc Ziegler-Nichols được áp dụng để mô hình hóa đối tượng quán tính bậc nhất có trễ, qua đó tối ưu hóa tốc độ đóng mở của hệ thống van khí nén và kiểm soát lưu lượng dòng chảy vật liệu dạng hạt. Cấu trúc điều khiển phân tán được thiết lập thông qua việc ứng dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC Omron CP1E-N30 cho cụm định lượng và PLC Zen cho cụm cơ cấu may, cắt chỉ tự động kết hợp màn hình giao diện người - máy HMI Weintek Easyview.

Khung lý thuyết truyền thông mạng công nghiệp tập trung vào chuẩn truyền dẫn vi sai cân bằng RS-485 hai dây và chuẩn truyền nối tiếp RS-232, tích hợp giao thức Modbus RTU hoạt động ở tầng ứng dụng với cấu trúc bản tin 1 byte địa chỉ, 1 byte mã hàm, n byte dữ liệu và 2 byte kiểm tra lỗi CRC. Các khái niệm khoa học then chốt được phát triển trong đề tài bao gồm: sai số xác lập của hệ thống định lượng, thời gian trích mẫu gián đoạn theo thuật toán Tustin, truyền dẫn vi sai triệt tiêu điện áp nhiễu đồng pha và nguyên lý điều khiển khí nén phân cấp với van điện từ 5/2 cùng hệ thống xy lanh dẫn động Airtac.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích mô phỏng toán học trên máy tính. Cỡ mẫu thực nghiệm được xác định là 100 chu kỳ cân định lượng và đóng bao liên tục, chia làm 2 giai đoạn thử nghiệm độc lập với quy mô 50 mẫu cân ngẫu nhiên cho mỗi giai đoạn trên bao bì quy chuẩn 50 kg. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng trong điều kiện vận hành sản xuất thực tế tại nhà máy xay xát lúa gạo nhằm đảm bảo tính đại diện cho các yếu tố nhiễu cơ học, rung chấn từ sàn thao tác và sự thay đổi độ ẩm của nguyên liệu.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm kết hợp thuật toán rời rạc hóa C2D trên miền Z là nhằm đánh giá chính xác độ lệch chuẩn và sai số tuyệt đối của cảm biến lực Loadcell Mawin khi chịu tải động. Nguồn dữ liệu sơ cấp được thu thập trực tiếp thông qua hệ thống cảm biến quang E3F3-PNP, đầu cân điện tử công nghiệp và bộ nguồn Meanwell 24VDC - 2.5A. Toàn bộ quy trình nghiên cứu, chế tạo cơ khí, lập trình mã lệnh và phân tích dữ liệu thực nghiệm được triển khai tuần tự theo kế hoạch 12 tháng từ tháng 06/2018 đến tháng 06/2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình vận hành thực nghiệm hệ thống robot đóng túi tự động đã mang lại những kết quả kỹ thuật vượt trội:

Thứ nhất, độ chính xác của cụm định lượng được cải thiện rõ rệt qua 2 giai đoạn thử nghiệm. Trong 50 lần cân thử nghiệm ở giai đoạn 1, sai số mẻ cân dao động từ mức ±150 g đến ±250 g do hiện tượng nguyên liệu rơi tự do và quán tính đóng cửa phễu chưa được bù trừ tối ưu. Sau khi phân tích nguyên nhân và thiết lập lại tham số khuếch đại tỉ lệ kc bằng 1.5 và hệ số tích phân ki bằng 3, kết quả 50 lần cân ở giai đoạn 2 ghi nhận sai số giảm mạnh xuống dưới mức ±50 g, tương đương sai số chỉ 0,1% trên tổng khối lượng bao 50 kg.

Thứ hai, năng suất làm việc của hệ thống đạt mức ổn định từ 30 đến 35 tấn/giờ, tương đương khoảng 600 đến 700 bao thành phẩm loại 50 kg mỗi giờ. Mức năng suất này cao gấp 2,3 lần so với máy đóng bao bán tự động 1 phễu xuất xứ Trung Quốc (chỉ đạt 12 đến 15 tấn/giờ) và tương đương với các hệ thống tự động hoàn toàn nhập khẩu từ Anh sản xuất tại Thái Lan.

Thứ ba, cơ cấu kẹp mép bao và dao cắt chỉ tự động đạt độ tin cậy vận hành 98,5%, thực hiện hoàn hảo chu trình vuốt phẳng miệng bao và cắt đứt chỉ thừa sau khi may mà không xảy ra hiện tượng kẹt bao hay đứt chỉ trong suốt 8 giờ vận hành liên tục.

Thứ tư, hệ thống robot tự động hóa chứng minh khả năng tương thích 100% với cả bao bì dệt PP thông thường lẫn bao PP có lồng màng PE dẻo 2 lớp, xử lý triệt để bài toán trượt mép bao mà các thiết bị tự động nhập khẩu giá cao thường gặp phải.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội về độ chính xác của cụm cân định lượng bắt nguồn từ việc kết cấu phễu xả được chia thành 3 cấp thoát liệu (cấp thô 70%, cấp vừa 20% và cấp tinh 10%) kết hợp cùng thuật toán điều khiển PI bù trễ. Kết quả phân bố sai số qua các mẻ cân có thể được biểu diễn một cách trực quan thông qua biểu đồ phân phối chuẩn Gauss hoặc biểu đồ đường xu hướng sai số thời gian thực trên giao diện giám sát HMI, kết hợp cùng bảng thống kê so sánh phương sai và độ lệch chuẩn giữa hai giai đoạn thử nghiệm.

So với các dây chuyền bán tự động hiện có trên thị trường đòi hỏi 3 nhân công túc trực cho mỗi ca máy, hệ thống tự động mới giúp doanh nghiệp cắt giảm 2 nhân công trực tiếp trên mỗi dây chuyền. Về mặt kinh tế, trong khi các hệ thống tự động nhập khẩu nguyên chiếc của hãng Chronos có tổng mức đầu tư vượt quá 5 tỷ đồng, hệ thống robot tự chế tạo trong nước chỉ có chi phí dự toán khoảng 380 triệu đồng đến 420 triệu đồng (tiết kiệm hơn 90% chi phí đầu tư ban đầu). Điều này giúp các doanh nghiệp vừa và nhỏ dễ dàng tiếp cận công nghệ mới, rút ngắn thời gian thu hồi vốn từ hơn 5 năm xuống còn khoảng 8 đến 12 tháng.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa hiệu quả vận hành và mở rộng khả năng ứng dụng của hệ thống robot đóng túi tự động trong ngành công nghiệp chế biến nông sản, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình bảo dưỡng và hiệu chuẩn định kỳ hệ thống cảm biến lực Loadcell mỗi 3 tháng một lần bằng bộ quả cân chuẩn thương mại cấp chính xác F2 hoặc M1. Biện pháp này do đội ngũ kỹ sư cơ điện của nhà máy chịu trách nhiệm thực hiện từ Quý 1 năm 2020 nhằm duy trì độ lệch chuẩn sai số đo lường dưới 30 g trên mỗi bao 50 kg.

Thứ hai, nâng cấp mạng truyền thông công nghiệp từ chuẩn nối tiếp RS-485 lên chuẩn truyền thông không dây công nghiệp hoặc giao thức mạng Ethernet công nghiệp tích hợp OPC-UA. Bộ phận kỹ thuật tự động hóa của doanh nghiệp sẽ triển khai giải pháp này trong Quý 2 và Quý 3 năm 2020 nhằm truyền dữ liệu sản lượng thời gian thực về máy chủ điều hành với độ trễ truyền dẫn dưới 100 ms và mức độ sẵn sàng dữ liệu đạt 99,9%.

Thứ ba, nghiên cứu tích hợp cụm cấp bao tự động hoàn toàn sử dụng cơ cấu tay gắp hút chân không để thay thế công đoạn máng bao thủ công ban đầu. Nhóm nghiên cứu phát triển cơ khí chế tạo máy sẽ thực hiện đề xuất này trong khung thời gian 6 tháng của Quý 4 năm 2020, hướng tới mục tiêu tự động hóa 100% quy trình và nâng công suất toàn hệ thống lên 40 đến 45 tấn/giờ.

Thứ tư, ban hành quy trình vận hành tiêu chuẩn và tổ chức khóa đào tạo kỹ thuật định kỳ 40 giờ cho công nhân vận hành giao diện màn hình HMI Weintek. Phòng Quản trị sản xuất phối hợp cùng các kỹ sư chế tạo triển khai liên tục từ đầu năm 2020 nhằm giảm 80% thời gian dừng máy do lỗi thao tác của con người xuống dưới mức 5 phút cho mỗi ca sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, là tài liệu tham khảo thiết thực cho nhiều nhóm đối tượng:

Nhóm thứ nhất là các doanh nghiệp xay xát, chế biến và xuất khẩu lúa gạo, nông sản, thức ăn gia súc. Luận văn cung cấp giải pháp công nghệ tự động hóa với chi phí chỉ bằng 10% thiết bị ngoại nhập, giúp doanh nghiệp nâng công suất đóng gói lên 30 đến 40 tấn/giờ và tiết kiệm từ 150 triệu đến 200 triệu đồng chi phí nhân công hàng năm trên mỗi chuyền máy.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư cơ điện tử, tự động hóa và thiết kế chế tạo máy công nghiệp. Tài liệu này cung cấp toàn bộ hồ sơ bản vẽ cơ khí 3 cấp phễu, lưu đồ giải thuật điều khiển và chương trình lập trình thực tế trên PLC Omron CP1E-N30 cùng PLC Zen, hỗ trợ trực tiếp việc thiết kế các hệ thống chiết rót định lượng chính xác cao.

Nhóm thứ ba là giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa. Đề tài đóng vai trò là một case study hoàn chỉnh về ứng dụng phương pháp chỉnh định PID theo Ziegler-Nichols, mô hình hóa hàm truyền gián đoạn và tích hợp giao thức truyền thông Modbus RTU trên nền tảng phần cứng công nghiệp.

Nhóm thứ tư là các nhà quản lý dự án đầu tư và chuyên gia tối ưu hóa sản xuất trong ngành công nghiệp đóng gói. Luận văn cung cấp bảng tính toán dự toán chi phí chi tiết, phân tích điểm hòa vốn và phương pháp luận rõ ràng để đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi chuyển đổi từ dây chuyền bán tự động sang tự động hóa hoàn toàn trong thời gian từ 8 đến 12 tháng.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống robot đóng túi tự động có thể xử lý được những loại nguyên liệu và quy cách bao bì nào? Hệ thống được thiết kế chuyên biệt để đóng gói các loại nông sản dạng hạt và bột thô như gạo, tấm, cám, ngô, phân bón hạt và thức ăn chăn nuôi. Thiết bị vận hành hoàn hảo với các quy cách bao bì có trọng lượng từ 25 kg đến 50 kg trên các chất liệu bao dệt PP, bao giấy kraft tráng PE và đặc biệt là bao bì 2 lớp có màng lồng PE dẻo bên trong, loại bao bì chiếm hơn 80% thị phần xuất khẩu gạo tại Việt Nam nhưng các hệ thống ngoại nhập đắt tiền thường khó may tự động.

Giải pháp nào giúp cụm cân định lượng kiểm soát sai số chặt chẽ dưới mức quy định? Hệ thống ứng dụng bộ điều khiển PI với thông số khuếch đại kc bằng 1.5 và ki bằng 3 kết hợp cùng kết cấu phễu xả liệu 3 cấp độ độc lập điều khiển bằng van điện từ khí nén 5/2. Cơ chế này tự động ngắt dòng chảy theo 3 giai đoạn: xả thô 70%, xả vừa 20% và xả tinh 10%, giúp triệt tiêu hoàn toàn sai số do lượng rơi tự do của nguyên liệu và đưa sai số định lượng mẻ cân 50 kg từ mức ±250 g ở giai đoạn thử nghiệm đầu xuống dưới ±50 g (tức 0,1%) ở giai đoạn hoàn thiện.

Hệ thống giải quyết hiện tượng ùn tắc bao trên băng chuyền chính khi nhiều cụm máy hoạt động như thế nào? Hệ thống sử dụng cảm biến quang điện E3F3-PNP kết nối trực tiếp với bộ điều khiển PLC Zen để nhận diện vị trí bao và tính toán khoảng cách di chuyển. Thuật toán điều phối tự động thiết lập thời gian trễ xả bao xen kẽ giữa các trạm cân với khoảng cách an toàn duy trì từ 1,2 m đến 1,5 m, ngăn chặn 100% nguy cơ va chạm hoặc dồn ứ bao tải tại các điểm giao cắt của băng chuyền chính.

Chi phí đầu tư hệ thống robot tự chế tạo này có ưu thế gì so với máy nhập khẩu từ nước ngoài? Các hệ thống đóng bao tự động hoàn toàn nhập khẩu từ Anh hoặc Thái Lan có mức giá đầu tư rất cao, thường vượt 5 tỷ đồng cho mỗi dây chuyền và cần từ 4 đến 5 năm để thu hồi vốn. Trong khi đó, hệ thống robot tự thiết kế có dự toán chế tạo chỉ khoảng 380 triệu đồng đến 420 triệu đồng. Nhờ việc cắt giảm từ 2 đến 3 nhân công và nâng cao tốc độ xuất hàng, doanh nghiệp có thể hoàn vốn toàn bộ chỉ sau khoảng 8 đến 12 tháng vận hành thực tế.

Chuẩn giao tiếp RS-485 và giao thức Modbus RTU mang lại lợi ích gì cho hệ thống? Chuẩn RS-485 hoạt động theo phương pháp truyền vi sai cân bằng trên đôi dây xoắn, cho phép triệt tiêu nhiễu điện từ công nghiệp phát ra từ các động cơ công suất lớn và truyền tín hiệu ổn định trên khoảng cách lên tới 1200 m với tốc độ baud 115.200 bps. Giao thức Modbus RTU đảm bảo truyền nhận dữ liệu trọng lượng từ đầu cân Mawin về màn hình HMI Weintek với độ tin cậy tuyệt đối, tỷ lệ lỗi khung truyền dưới 0,01%.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình "Hệ thống robot đóng túi tự động" hoàn chỉnh, tích hợp đồng bộ cụm định lượng 3 cấp, cơ cấu kẹp vuốt mép bao và bộ phận may miệng bao, cắt chỉ tự động cho ngành chế biến nông sản.
  • Ứng dụng thành công thuật toán điều khiển PI trên PLC Omron CP1E-N30 và PLC Zen, giúp kiểm soát sai số mẻ cân định lượng dưới mức ±50 g (tương đương 0,1% trên bao 50 kg) và duy trì năng suất đóng bao ổn định từ 30 đến 35 tấn/giờ.
  • Mang lại hiệu quả kinh tế vượt bậc khi cắt giảm 66,7% lao động trực tiếp tại công đoạn đóng bao, tiết kiệm hơn 90% chi phí đầu tư so với thiết bị ngoại nhập (chỉ khoảng 380 triệu đến 420 triệu đồng so với mức trên 5 tỷ đồng của máy nhập khẩu) và cho phép thu hồi vốn sau 8 đến 12 tháng.
  • Khẳng định tính sáng tạo công nghệ cơ điện tử thông qua cơ chế kẹp mép bao tương thích 100% với bao bì PP lồng PE dẻo và giải thuật điều phối chống ùn tắc thông minh trên băng tải chính.
  • Định hướng phát triển trong 12 đến 24 tháng tới là tích hợp cơ cấu cấp bao tự động bằng cánh tay robot hút chân không và nâng cấp chuẩn truyền thông kết nối IoT công nghiệp về hệ thống SCADA toàn nhà máy.

Các doanh nghiệp chế biến lương thực, nhà máy sản xuất nông sản và các đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể liên hệ trực tiếp với nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM để tiếp nhận chuyển giao công nghệ, bản vẽ chi tiết và triển khai ứng dụng hệ thống robot đóng túi tự động vào dây chuyền sản xuất ngay trong mùa vụ tới.