Giới thiệu dự án

Ngành sản xuất và chế biến lúa gạo đóng vai trò trụ cột trong nền kinh tế nông nghiệp Việt Nam. Với vị thế top 3 quốc gia xuất khẩu gạo lớn nhất thế giới (sản lượng xuất khẩu đạt trên 7 triệu tấn/năm) cùng các thương hiệu gạo chất lượng cao đạt chuẩn quốc tế như ST25, bài toán tự động hóa sau thu hoạch đang trở thành yêu cầu cấp thiết. Tuy nhiên, tại các hợp tác xã, doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs), cũng như các hộ kinh doanh cá thể, công đoạn cân định lượng và đóng gói gạo vẫn tồn tại nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng.

+---------------------------------------------------------------------------------------------------+
| THỰC TRẠNG PHÂN HÓA TRONG CÂN ĐỊNH LƯỢNG GẠO                                                      |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------+
|  [Cơ sở nhỏ lẻ / Bán lẻ]                 |  [Nhà máy xuất khẩu quy mô lớn]                       |
|  - Phương pháp: Thủ công (cân lò xo)     |  - Phương pháp: Dây chuyền tự động 2-4 cầu cân        |
|  - Tốc độ: 1 - 3 sản phẩm/phút           |  - Tốc độ: 10 - 20 sản phẩm/phút                      |
|  - Sai số: +/- (2% - 5%)                 |  - Sai số: +/- (0.2% - 0.5%)                          |
|  - Nhược điểm: Thất thoát, tốn nhân công |  - Nhược điểm: Chi phí đầu tư rất lớn, cồng kềnh      |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------+
                                           |
                                           v
    +-------------------------------------------------------------------------------+
    | GIẢI PHÁP TỐI ƯU CỦA ĐỀ TÀI: MÁY ĐỊNH LƯỢNG GẠO CHO CƠ SỞ VỪA VÀ NHỎ         |
    | - Dải định lượng: 1kg, 2kg, 5kg, 10kg                                         |
    | - Năng suất: 6 - 10 sản phẩm/phút                                             |
    | - Sai số kiểm soát: <= +/-0.2%                                                |
    | - Chi phí chế tạo tối ưu, tích hợp PLC - HMI - Loadcell - Động cơ bước        |
    +-------------------------------------------------------------------------------+
  • Problem Statement: Việc cân đong thủ công tại các cơ sở vừa và nhỏ gây hao hụt nguyên liệu từ 1.5% đến 3% tổng sản lượng mỗi ca làm việc, tốc độ đóng gói chỉ đạt 1–3 túi/phút và phụ thuộc hoàn toàn vào kỹ năng của nhân công. Ngược lại, các hệ thống cân định lượng công nghiệp nhập khẩu hoặc từ các công ty lớn có giá thành cao (từ 100–300 triệu đồng), kích thước cồng kềnh (chiều cao trên 3.2m), không phù hợp với mặt bằng xưởng nhỏ và khả năng thu hồi vốn của các cơ sở địa phương.
  • Mục tiêu dự án:
    1. Nghiên cứu cơ học dòng chảy hạt rời, thiết kế thùng chứa 80kg và thùng cân 10kg tạo dòng chảy khối (Mass Flow), loại bỏ hiện tượng tạo vòm và ứ đọng nguyên liệu.
    2. Thiết kế cơ cấu cấp liệu điều khiển cửa xả dạng tấm bằng cơ cấu trục vít me – đai ốc kết hợp động cơ bước (Stepper Motor).
    3. Xây dựng hệ thống điều khiển tự động hóa dựa trên bộ điều khiển lập trình logic PLC (Programmable Logic Controller) FX2N-16MT, bộ khuếch đại chống nhiễu Seneca Z-SG và cảm biến tải trọng (Load cell Strain Gauge).
    4. Lập trình giao diện điều khiển HMI trực quan, hỗ trợ 4 chế độ định lượng tiêu chuẩn: 1kg, 2kg, 5kg và 10kg với năng suất từ 6 đến 10 sản phẩm/phút, sai số không vượt quá $\pm 0.2%$.
  • Phương pháp tiếp cận: Kết hợp tính toán cơ học lý thuyết (áp lực tĩnh/động theo lý thuyết Rankine – Janssen – Enstad), mô phỏng phần tử hữu hạn FEM trên SolidWorks Simulation, thiết kế mạch phần cứng chống nhiễu công nghiệp và thuật toán định lượng 2 cấp (xả thô – xả tinh) tích hợp lọc số trên PLC.
  • Phạm vi và giới hạn: Hệ thống được tối ưu hóa cho sản phẩm gạo trắng và gạo lứt thương phẩm có độ ẩm tiêu chuẩn từ $12% - 14%$, kích thước hạt đồng đều; không áp dụng cho các loại nông sản dạng bột mịn hoặc hạt có độ ẩm $>18%$ gây dính bết.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tại thị trường chế tạo máy đóng gói Việt Nam, các đơn vị như Máy Thiết Bị Miền Nam, Công Ty Công Nghệ Hữu Quyền, Cân Điện Tử Nguyễn Minh và Máy Đóng Gói An Thành đều cung cấp các dòng cân định lượng điện tử. Tuy nhiên, việc lựa chọn cấu hình máy cho quy mô SME đòi hỏi phải cân đối giữa chi phí, diện tích lắp đặt và độ ổn định kỹ thuật.

Tiêu chí đánh giá Cân thủ công (Đồng hồ lò xo) Máy công nghiệp lớn (Nguyễn Minh / Hữu Quyền) Giải pháp đề tài (Định lượng SME chuyên dụng)
Độ chính xác $\pm (2.0% - 5.0%)$ $\pm (0.2% - 0.4%)$ $\pm (0.15% - 0.2%)$
Năng suất 1 - 3 gói/phút 10 - 15 gói/phút 6 - 10 gói/phút
Cấu hình phần cứng Không có 2 - 4 cầu cân, kích thước $>3\text{m}$ 1 phễu cân tối ưu, động cơ bước vi sai
Giao diện điều khiển Đọc kim trực tiếp HMI / PLC công nghiệp phức tạp HMI cảm ứng 7 inch, cấu hình linh hoạt
Chi phí chế tạo Rất thấp ($< 1\text{ triệu}$) Rất cao ($120 - 250\text{ triệu}$) Tối ưu ($25 - 35\text{ triệu}$)
Độ ổn định dòng liệu Phụ thuộc thao tác tay Cấp liệu rung / khí nén đa cấp Dòng Mass Flow + Trục vít định lượng 
MoSCoW Prioritization Framework:
- MUST HAVE: Cân chính xác 1-10kg (sai số <= 0.2%); Phễu Inox 304 góc nghiêng 25 độ tạo Mass Flow; PLC FX2N-16MT; Cảm biến Load cell chống rung; Giao diện HMI cài đặt thông số.
- SHOULD HAVE: Thuật toán cấp liệu 2 giai đoạn (Xả thô 85% + Xả tinh 15%); Cơ cấu kẹp giữ bao tự động bằng xylanh khí nén; Khả năng tự động trừ bì (Tare) và Calib zero/span.
- COULD HAVE: Bộ đếm mẻ tự động và tính tổng sản lượng theo ca; Cảnh báo hết liệu trên phễu chứa bằng cảm biến tiệm cận.
- WON'T HAVE: Cơ cấu tạo túi tự động từ cuộn màng (Vertical Form Fill Seal); Buồng hút chân không định hình bao bì.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống được phân tầng rõ ràng giữa khối chấp hành cơ khí, khối thu thập tín hiệu cảm biến và khối xử lý trung tâm.

graph TD
    A["Thùng chứa liệu (80kg Inox 304)"] -->|"Dòng chảy Mass Flow (Góc nghiêng 25°)"| B["Cửa xả định lượng 2 cấp"]
    B -->|"Dẫn động trục vít me"| C["Động cơ bước NEMA 17 + Driver TB6600"]
    C <-->|"Phát xung PTO (Y000/Y001)"| D["Bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX2N-16MT"]
    B -->|"Rót hạt rời"| E["Thùng cân (10kg)"]
    E -->|"Tác động lực"| F["Cảm biến Load cell Single-point (15kg)"]
    F -->|"Tín hiệu vi sai (mV)"| G["Bộ khuếch đại Seneca Z-SG"]
    G -->|"Tín hiệu chuẩn 0 - 10V"| H["Module chuyển đổi Analog FX2N-2AD"]
    H -->|"Bus mở rộng số"| D
    D <-->|"Giao tiếp RS422 / RS485"| I["Màn hình cảm ứng HMI Weintek TK6071iQ"]
    D -->|"Điều khiển van đảo chiều"| J["Xylanh khí nén xả đáy & Kẹp bao"]

+--------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| BẢNG ĐẶC TẢ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ HỆ THỐNG                                                            |
+----------------------+--------------------------+-----------------------+------------------------------+
| Phân hệ              | Thiết bị / Model         | Nhà sản xuất / Phiên bản | Thông số kỹ thuật chính     |
+----------------------+--------------------------+-----------------------+------------------------------+
| Khối xử lý trung tâm | PLC FX2N-16MT-DSS        | Mitsubishi Electric   | 8 In / 8 Out Transistor      |
| Module Analog        | FX2N-2AD                 | Mitsubishi Electric   | 2 kênh vào 12-bit (0-10V)    |
| Bộ khuếch đại loadcell| Seneca Z-SG             | Seneca (Italy)        | Chuyển đổi mV -> 0-10V, 24VDC|
| Cảm biến lực         | 1-PW6CMR/15KG-1          | HBM / A&D C3 standard | Dải đo 15kg, độ nhạy 2mV/V   |
| Động cơ cấp liệu     | NEMA 17 (M-1713-1.5)     | Schneider Electric    | Step angle 1.8°, Momen 1.2Nm |
| Driver động cơ bước  | TB6600 Microstepping     | Toshiba IC base       | Dòng 4.0A, vi bước 1/32      |
| Màn hình điều khiển  | TK6071iQ                 | Weintek / Weinview    | 7" TFT LCD, 800x480, 24VDC   |
| Bộ nguồn công nghiệp | RD-125B                  | MeanWell              | Nguồn kép: 5VDC/24VDC, 125W  |
| Cơ cấu chấp hành phụ | Xylanh khí nén Airtac    | Airtac Standard       | Hành trình 50mm, Áp suất 6bar|
| Kết cấu cơ khí       | Thép không gỉ Inox 304   | Gia công CNC / Hàn TIG| Ứng suất bền [σ] = 520 MPa   |
+----------------------+--------------------------+-----------------------+------------------------------+

Phương pháp nghiên cứu và phát triển (Methodology)

Dự án áp dụng mô hình phát triển chữ V (V-Model) trong kỹ thuật Cơ điện tử (theo tiêu chuẩn VDI 2206):

Quy trình phát triển kỹ thuật (V-Model):
[Yêu cầu kỹ thuật & Dòng chảy hạt rời] ----------------------------> [Kiểm nghiệm thực nghiệm đóng bao]
         \                                                                  /
    [Thiết kế giải tích Mass Flow & Trục vít]                      [Hiệu chuẩn cảm biến & Tinh chỉnh PID]
             \                                                          /
        [Mô phỏng áp lực MATLAB & FEM SolidWorks]        [Tích hợp PLC - HMI - Khí nén]
                 \                                          /
              [Lựa chọn linh kiện & Chế tạo phần cứng cơ khí]
  • Đánh giá rủi ro và biện pháp giảm thiểu:
    • Rủi ro trượt bước động cơ: Động cơ bước bị mất bước khi lực cản dòng hạt gạo tăng đột ngột. $\rightarrow$ Khắc phục: Chọn hệ số an toàn mô-men xoắn $S_m = 2.5$, sử dụng trục vít me bước nhỏ ($P=2\text{mm}$) và đai ốc đồng thau tự hãm.
    • Nhiễu tín hiệu Load cell: Môi trường công nghiệp và dao động cơ học khi xả gạo làm sai lệch tín hiệu ADC. $\rightarrow$ Khắc phục: Sử dụng dây bọc kim chống nhiễu, nối đất chuẩn sao (Star Grounding), kết hợp bộ khuếch đại công nghiệp Seneca Z-SG và bộ lọc số trung bình trượt (Moving Average Filter) 16 mẫu trong chương trình PLC.

Triển khai thực nghiệm và kết quả

Quá trình tính toán và thuật toán cốt lõi

1. Tính toán điều kiện dòng chảy Mass Flow cho hạt gạo

Đặc tính vật lý của gạo thương phẩm độ ẩm $12.5%$:

  • Khối lượng riêng xốp: $\rho = 1150\text{ kg/m}^3$.
  • Góc ma sát trong: $\varphi_e = 30^\circ$.
  • Hệ số ma sát thành Inox 304: $\mu = 0.42 \implies \varphi_w = \arctan(0.42) = 22.8^\circ$.
  • Góc nghiêng thành phễu lựa chọn: $\theta = 25^\circ$.
  • Ứng suất tới hạn từ thực nghiệm Jenike: $\sigma_{crit} = 0.86\text{ kPa} = 860\text{ N/m}^2$.

Đường kính miệng xả tối thiểu tránh hiện tượng tạo vòm: $$D_{min} = \frac{\sigma_{crit} \cdot \sin^2(\varphi_w + \theta)}{\rho \cdot g} = \frac{860 \cdot \sin^2(22.8^\circ + 25^\circ)}{1150 \cdot 9.81} = \frac{860 \cdot (0.7408)^2}{11281.5} \approx 0.0418\text{ m} \implies D_{min} = 85.8\text{ mm} \text{ (chọn an toàn)}$$

Lưu lượng xả lý thuyết cực đại qua cửa xả chữ nhật ($B = 0.086\text{m}$, $A = 0.086 \times 0.1\text{ m}^2$): $$\dot{m} = \rho \cdot A \cdot \sqrt{\frac{B \cdot g}{2 \cdot \tan\beta}} = 1150 \cdot 0.0086 \cdot \sqrt{\frac{0.086 \cdot 9.81}{2 \cdot \tan(25^\circ)}} = 9.89 \cdot \sqrt{\frac{0.8436}{0.9326}} \approx 9.4\text{ kg/s}$$

2. Mã nguồn MATLAB mô phỏng áp lực lên thành thùng chứa (Lý thuyết Janssen/Enstad)

% Script tinh toan ap luc tac dung len thanh va day hopper
clear all; clc;
D = 0.3;          % Duong kinh phan tru (m)
h = 0.35;         % Chieu cao phan tru (m)
h1 = 0.466;       % Chieu cao phan pheu (m)
h2 = 0.1;
gama = 1150;      % Khoi luong rieng (kg/m3)
g = 9.81;         % Gia toc trong truong (m/s2)
phi_e = 30;       % Goc ma sat trong (do)
beta = 25;        % Goc nghieng pheu (do)
muy = 0.42;       % He so ma sat vach inox
Cb = 1.3;         % He so khuech dai day silo

k = (1 - sind(phi_e)) / (1 + sind(phi_e)); % He so Rankine (k = 1/3)
C = pi * D; S = pi * (D^2) / 4;
z0 = (1 / (k * muy)) * (S / C);
P_ho = (gama * g) * k * z0;

% Tinh ap luc phan than tru
z = linspace(0, h, 100);
Yj = 1 - exp(-z / z0);
P_hf = P_ho .* Yj;               % Ap luc ngang
P_vf = P_ho .* Yj ./ k;          % Ap luc dung
P_vft = max(P_vf) * Cb;

% Tinh ap luc len vach day pheu non
lh = (h1 + h2) / sind(beta) - h2 / sind(beta);
x = linspace(0, lh, 100);
P_n1 = P_vft * (Cb * (sind(beta))^2 + (cosd(beta))^2);
P_n2 = P_vft * Cb * (sind(beta))^2;
P_n3 = 3 * (S / C) * ((gama * g * k) / sqrt(muy)) * (cosd(beta))^2;
p_nf = (P_n1 - P_n2) .* (x ./ lh) + P_n2 + P_n3;

fprintf('Ap luc phap tuyen cuc dai tai day pheu: %.2f N/m^2\n', max(p_nf));

3. Thuật toán điều khiển định lượng 2 giai đoạn trên PLC

// Structured Text Algorithm Representation for PLC FX2N
PROGRAM Weighing_Control
VAR
    Raw_ADC       : INT;      // Gia tri tu FX2N-2AD (0 - 4000)
    Current_Weight: REAL;     // Khoi luong tinh toan thuc te (gam)
    Set_Weight    : REAL;     // Khau cai dat tu HMI (1000g, 2000g, 5000g, 10000g)
    Coarse_Limit  : REAL;     // Nguong cat xa tho (85% Set_Weight)
    Fine_Limit    : REAL;     // Nguong ngat xa tinh (Set_Weight - In_Flight_Comp)
    In_Flight     : REAL := 15.0; // Bu luong roi tu do (gam)
    State         : INT := 0; // 0: Idle, 10: Fast Feed, 20: Fine Feed, 30: Settle & Discharge
END_VAR

// Chuyen doi tuyen tinh ADC sang Khoi luong
Current_Weight := (INT_TO_REAL(Raw_ADC) - Zero_Offset) * Calib_Scale_Factor;

CASE State OF
    0: // Trang thai cho bat dau
        IF Start_Button AND Bag_Clamped THEN
            Coarse_Limit := Set_Weight * 0.85;
            Fine_Limit   := Set_Weight - In_Flight;
            Stepper_Run(Position := Pos_Max, Speed := Fast_Freq); // Mo 100% cua xa
            State := 10;
        END_IF;

    10: // Giai doan xa tho (Fast Feed)
        IF Current_Weight >= Coarse_Limit THEN
            Stepper_Run(Position := Pos_Fine, Speed := Slow_Freq); // Thu ve 20% cua xa
            State := 20;
        END_IF;

    20: // Giai doan xa tinh (Fine Feed)
        IF Current_Weight >= Fine_Limit THEN
            Stepper_Run(Position := Pos_Zero, Speed := Fast_Freq); // Dong kin hoan toan
            Timer_Settle.IN := TRUE;
            State := 30;
        END_IF;

    30: // On dinh va mo cua xa day thung can
        IF Timer_Settle.Q THEN
            Cylinder_Discharge := TRUE; // Xa xuong bao
            IF Current_Weight <= 50.0 THEN // Da xa xong
                Cylinder_Discharge := FALSE;
                Cylinder_Clamp_Release := TRUE; // Nha kẹp bao
                State := 0;
            END_IF;
        END_IF;
END_CASE;

Kết quả kiểm nghiệm và thực nghiệm

Hệ thống đã trải qua đợt chạy thử nghiệm 100 chu kỳ liên tục cho mỗi dải cân tiêu chuẩn tại xưởng.

+-------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| BẢNG DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM ĐỊNH LƯỢNG GẠO (100 MẪU THỬ MỖI MỨC CÂN)                                     |
+-------------+----------------+-----------------+-----------------+---------------+--------------------+
| Dải cài đặt | Khối lượng TB  | Sai số cực đại  | Độ lệch chuẩn σ | Thời gian/mẻ  | Năng suất thực tế  |
+-------------+----------------+-----------------+-----------------+---------------+--------------------+
| **1.0 kg**  | 1001.2 gam     | +2.5 gam (0.25%)| 0.82 gam        | 5.8 giây      | **10.3 gói/phút**  |
| **2.0 kg**  | 2002.1 gam     | +3.8 gam (0.19%)| 1.15 gam        | 6.9 giây      | **8.7 gói/phút**   |
| **5.0 kg**  | 5004.5 gam     | +8.2 gam (0.16%)| 2.34 gam        | 8.4 giây      | **7.1 gói/phút**   |
| **10.0 kg** | 10008.0 gam    | +14.0 gam(0.14%)| 4.12 gam        | 9.8 giây      | **6.1 gói/phút**   |
+-------------+----------------+-----------------+-----------------+---------------+--------------------+
  • Ứng suất cơ khí thực nghiệm: Kết quả kiểm tra mô phỏng phần tử hữu hạn FEM trên khung máy và phễu Inox 304 dưới tải trọng cực đại ($80\text{kg}$ thùng chứa $+ 10\text{kg}$ thùng cân) cho thấy ứng suất Von Mises lớn nhất đạt $\sigma_{max} = 48.6\text{ MPa}$, nhỏ hơn rất nhiều so với giới hạn bền mỏi cho phép của Inox 304 ($[\sigma] = 520\text{ MPa}$), đạt hệ số an toàn $n > 10$.
  • Độ ổn định truyền động: Cơ cấu trục vít me ren bước $2\text{mm}$ bắt cặp với động cơ bước NEMA 17 qua bộ giảm tải mô-men $T = 1156\text{ Nmm}$ hoạt động mượt mà, không xảy ra hiện tượng kẹt hạt gạo tại khe cửa xả nhờ lưỡi gạt vát $45^\circ$.

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

  1. Tối ưu hóa hình học dòng chảy khối (Mass Flow Geometry): Khác với các thùng chứa đáy phẳng hoặc chóp côn tùy biến gây tắc nghẽn cục bộ (Funnel flow / Hiện tượng tạo ống rỗng rãnh), thiết kế thùng cân của đề tài áp dụng chính xác lý thuyết dòng hạt rời Jenike với góc nghiêng vách $25^\circ$ kết hợp Inox 304 đánh bóng cơ học, đảm bảo nguyên tắc vật liệu vào trước – ra trước (FIFO), loại bỏ $100%$ điểm đọng gạo cũ.
  2. Cơ cấu cấp liệu vi bước trục vít – đai ốc thay thế van khí nén: Đa phần các máy đóng bao giá rẻ dùng xylanh khí nén để đóng/mở cửa xả, chỉ có 2 vị trí on/off cố định gây dao động lưu lượng lớn và sai số rơi tự do. Giải pháp dùng động cơ bước điều khiển cửa xả dạng tấm cho phép biến thiên tiết diện mở linh hoạt theo đường cong giải tích, giảm rung động xung lực tác động lên Load cell đến $70%$.
  3. Mạch xử lý đo lường độ chính xác cao chi phí thấp: Tích hợp bộ tiền xử lý công nghiệp Seneca Z-SG lọc nhiễu chủ động cấp phần cứng trước khi truyền về module 12-bit ADC FX2N-2AD, giúp nâng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) mà không cần đầu tư bộ hiển thị cân chuyên dụng đắt tiền (như Mettler Toledo hay Unipulse).

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng trong sản xuất

  • Xưởng xay xát và chế biến gạo quy mô hộ gia đình / Hợp tác xã: Đóng gói trực tiếp gạo trắng vào các túi $1\text{kg}, 2\text{kg}, 5\text{kg}$ phục vụ tiêu thụ tại hệ thống siêu thị mini, cửa hàng thực phẩm sạch.
  • Doanh nghiệp phân phối gạo đặc sản: Đóng bao $10\text{kg}$ cung cấp cho các đại lý phân phối với sai số chuẩn, chống thất thoát.
Mô hình triển khai dây chuyền mở rộng trong thực tế:
[Vít tải nạp liệu nghiêng] ---> [Máy cân định lượng SME (Đề tài)] ---> [Băng tải dẫn hướng] ---> [Máy may bao công nghiệp]

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Chi phí đầu tư thiết bị: ~28.000.000 VNĐ (Bao gồm linh kiện cơ khí Inox, cảm biến, PLC, HMI, động cơ, khí nén).
  • Hiệu quả giảm thất thoát: Một cơ sở đóng gói 5 tấn gạo/ngày, giảm sai số từ $2%$ (cân tay) xuống $0.2%$ giúp giữ lại $90\text{kg}$ gạo/ngày $\times 18.000\text{ đ/kg} \approx 1.620.000\text{ VNĐ/ngày}$.
  • Giảm chi phí nhân công: Cắt giảm từ 3 công nhân đóng gói thủ công xuống còn 1 công nhân lồng bao.
  • Thời gian hoàn vốn (Payback Period): Ước tính đạt từ 1.5 đến 2.5 tháng vận hành liên tục.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế hiện tại:
    • Hệ thống vẫn phụ thuộc vào thao tác công nhân đưa bao bì vào cơ cấu kẹp thủ công.
    • Chưa có cơ chế tự động bù trừ độ ẩm khi nhập các lô gạo có độ ẩm chênh lệch lớn ($>15%$) mà phải hiệu chỉnh thông số xả tinh thủ công trên HMI.
  • Hướng phát triển:
    1. Tích hợp module cấp và gắn bao tự động (Automatic Bag Placer) bằng cánh tay hút chân không.
    2. Nâng cấp thuật toán điều khiển thích nghi (Self-tuning Adaptive In-flight Compensation) tự động đo gia tốc rơi của dòng gạo để điều chỉnh ngưỡng ngắt theo thời gian thực.
    3. Tích hợp truyền thông công nghiệp Modbus TCP/IP hoặc IoT Gateway (ESP32 / Raspberry Pi) gửi dữ liệu sản lượng lên Web Server/Cloud phục vụ quản lý sản xuất từ xa.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Cơ khí – Cơ điện tử – Tự động hóa: Là tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ khâu tính toán cơ học lưu chất rời, tính chọn bền trục vít me, ổ bi đỡ đến lập trình PLC Mitsubishi FX2N và thiết kế giao diện HMI.
  • Kỹ sư chế tạo máy đóng gói: Nắm vững cấu trúc kết hợp giữa Seneca Z-SG, Load cell Strain Gauge và động cơ bước trong các bài toán định lượng dòng hạt.
  • Chủ cơ sở sản xuất và hợp tác xã nông sản: Tiếp cận giải pháp công nghệ tự động hóa với chi phí chế tạo nội địa thấp, dễ dàng bảo trì và thu hồi vốn nhanh.
  • Nhà nghiên cứu cơ học hạt rời nông sản: Dữ liệu thực nghiệm về mối liên hệ giữa độ ẩm lúa gạo Việt Nam, góc ma sát vách Inox và thông số hình học phễu Mass Flow.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu nguồn điện và nguồn khí nén để vận hành máy là gì?

Hệ thống sử dụng nguồn điện dân dụng 1 pha $220\text{VAC} - 50\text{Hz}$, công suất tiêu thụ tối đa $< 500\text{W}$ (nhờ bộ nguồn chuyển đổi MeanWell RD-125B cung cấp $24\text{VDC}$ cho PLC, HMI, Driver và van khí). Nguồn khí nén yêu cầu áp suất từ $4 - 6\text{ bar}$ với lưu lượng tối thiểu $0.05\text{ m}^3\text{/phút}$ để cấp cho xylanh kẹp bao và mở cửa xả đáy.

2. Có thể mở rộng dải cân lên 25kg hoặc 50kg trên kết cấu này không?

Để nâng dải cân lên $25 - 50\text{kg}$, cần thay thế Load cell hiện tại ($15\text{kg}$) bằng loại Single-point hoặc dạng chữ S có tải trọng $50 - 100\text{kg}$ (ví dụ HBM PW15AH hoặc Zemic H3), đồng thời mở rộng kích thước thùng cân từ $10\text{L}$ lên $45 - 60\text{L}$ và tính toán lại đường kính trục vít me để chịu tải trọng cắt lớn hơn.

3. Làm thế nào để loại bỏ sai số do gạo còn đang rơi trong không khí khi cửa xả đã đóng?

Hệ thống sử dụng thuật toán bù hạt rơi tự do (In-flight Material Compensation). Trước khi đạt giá trị cài đặt $M_{set}$, PLC sẽ kích hoạt đóng cửa xả tại ngưỡng: $$M_{cut} = M_{set} - \Delta m_{flight}$$ Trong đó $\Delta m_{flight}$ được thiết lập thực nghiệm trên HMI (thường từ $10 - 20\text{g}$) tương ứng với thể tích dòng gạo nằm giữa mép cửa xả và mặt đáy thùng cân.

4. Quy trình hiệu chuẩn (Calibration) cảm biến Load cell trên máy thực hiện như thế nào?

Quy trình hiệu chuẩn được tích hợp trên giao diện HMI gồm 2 bước:

  1. Calib Zero: Đảm bảo thùng cân rỗng, nhấn nút "Calib Zero" trên HMI để ghi nhận điện áp trôi tĩnh làm giá trị trừ bì mặc định.
  2. Calib Span: Đặt quả cân chuẩn ($2\text{kg}$ hoặc $5\text{kg}$) vào thùng cân, nhập khối lượng quả cân lên HMI và nhấn "Calib Span". PLC sẽ tự động tính toán hệ số góc $\text{Scale Factor} = \frac{\Delta \text{ADC}}{\Delta \text{Mass}}$ và lưu vào thanh ghi phi biến đổi ($D200$).

5. Tại sao lựa chọn động cơ bước (Step motor) thay vì động cơ Servo hay Xylanh khí nén cho cửa xả?

Động cơ Servo có chi phí cao gấp 3–4 lần và yêu cầu bộ điều khiển vị trí phức tạp không cần thiết cho ứng dụng cửa xả định lượng. Trong khi đó, Xylanh khí nén chỉ có 2 vị trí đóng/mở cố định, không thể vi chỉnh lưu lượng xả tinh. Động cơ bước NEMA 17 kết hợp driver TB6600 là giải pháp cân bằng tối ưu: giá thành thấp, góc quay chính xác ($1.8^\circ/\text{bước}$), dễ phát xung từ ngõ ra Transistor của PLC FX2N ($Y000$) và lực giữ vị trí ổn định.

Kết luận

Đề tài tốt nghiệp "Thiết kế máy cân định lượng gạo cho cơ sở vừa và nhỏ" do sinh viên Lê Thanh Bình thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Việt Hồng (Khoa Cơ Khí – ĐH Bách Khoa TP.HCM) đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa công đoạn đóng gói nông sản quy mô vừa và nhỏ.

Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa tính toán cơ học hạt rời theo tiêu chuẩn Mass Flow, mô phỏng kết cấu FEM và tích hợp hệ thống điều khiển PLC – HMI – Load cell chuẩn công nghiệp, máy đạt năng suất từ 6 đến 10 sản phẩm/phút, sai số định lượng được kiểm soát chặt chẽ trong ngưỡng $\le \pm 0.2%$. Kết quả nghiên cứu không chỉ mang giá trị học thuật xuất sắc trong việc ứng dụng kỹ thuật Cơ điện tử mà còn mở ra tiềm năng thương mại hóa cao, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng cho chuỗi giá trị lúa gạo Việt Nam.