Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia có sản lượng xoài lớn, đứng thứ 13 trên thế giới với khối lượng xuất khẩu năm 2020 đạt khoảng 893.200 tấn. Vùng Đồng bằng sông Cửu Long là vùng trồng xoài trọng điểm, chiếm khoảng 48% tổng diện tích xoài cả nước với hơn 47.000 ha, năng suất trung bình đạt từ 11 đến 13 tấn/ha và sản lượng đạt 567.732 tấn. Trong đó, có khoảng 1.789 ha được canh tác theo tiêu chuẩn VietGAP và GlobalGAP phục vụ xuất khẩu. Năm 2020, xoài Việt Nam đã được xuất khẩu sang 40 quốc gia, trong đó thị trường lớn nhất là Trung Quốc (đạt 151,8 triệu USD, chiếm 83,95% tổng kim ngạch) và thị trường thứ hai là Nga (đạt 8,4 triệu USD, chiếm 4,68%). Mặc dù sản lượng lớn và nông dân có thể xử lý ra hoa trái vụ để thu hoạch quanh năm, kim ngạch xuất khẩu xoài của Việt Nam chỉ chiếm 1,51% tổng kim ngạch xuất khẩu xoài toàn cầu.

Một trong những nút thắt lớn của chuỗi giá trị xuất khẩu xoài nằm ở khâu cân và phân loại sau thu hoạch. Ước tính mỗi năm nông dân và cơ sở chế biến phải chi trả khoảng 100 tỷ đồng cho công tác cân và phân loại thủ công, với lực lượng lao động hơn 3.000 người. Một nhân công trung bình chỉ phân loại được 40 đến 80 kg xoài mỗi ngày với mức chi phí khoảng 100.000 đồng/ngày. Hoạt động cân thủ công mang tính lặp đi lặp lại, dễ gây mệt mỏi cho người lao động và dẫn đến sai sót trong việc phân loại kích cỡ sản phẩm, từ đó ảnh hưởng đến tiêu chuẩn xuất khẩu. Các thiết bị phân loại hiện có trên thị trường trong và ngoài nước chủ yếu phục vụ các loại quả có dạng hình cầu (như cam, cà chua, khoai tây) hoặc các loại quả kích thước nhỏ, chưa có hệ thống chuyên biệt tối ưu cho hình dạng thuôn dài đặc thù của quả xoài.

Đề tài đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về hiện trạng phân loại nông sản, tiêu chuẩn xuất khẩu xoài và các giải pháp cân định lượng công nghiệp.
  2. Phân tích, tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí cân định lượng xoài có khả năng ghép nối đồng bộ giữa băng tải cấp liệu xử lý ảnh và băng tải phân loại.
  3. Lựa chọn cảm biến, thiết kế hệ thống điện, điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC và biến tần.
  4. Xây dựng thuật toán xử lý tín hiệu analog từ cảm biến cân, chuyển đổi sang đơn vị khối lượng thực tế và phân nhóm kích thước theo tiêu chuẩn.
  5. Chế tạo mô hình thực tế, vận hành thử nghiệm và đánh giá độ chính xác của hệ thống trên các giống xoài thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hai giống xoài phổ biến tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long gồm xoài Cát Hòa Lộc và xoài Cát Chu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế trạm cân định lượng trung gian trong dây chuyền phân loại xoài tự động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng các cơ sở lý thuyết chuyên ngành cơ điện tử, tiêu chuẩn nông nghiệp quốc tế và phương pháp đo lường:

  • Đặc tính nông học của xoài: Xoài Cát Hòa Lộc có trọng lượng trung bình từ 450 đến 600 gram, dạng quả thuôn dài, phần cuống tròn bầu, năng suất trung bình 100 kg/cây/năm (cây 10 năm tuổi). Xoài Cát Chu có trọng lượng trung bình từ 340 đến 350 gram, dạng quả hơi tròn, cuống cao, năng suất đạt khoảng 400 kg/cây/năm.
  • Tiêu chuẩn GlobalGAP cho xoài tươi: Quy định phân hạng chất lượng thành 3 cấp (Hạng Đặc biệt - "Special" Class, Hạng I - Class I, Hạng II - Class II) và phân loại kích cỡ dựa trên khối lượng quả.
Mã kích thước (Size code) Khoảng khối lượng (Weight) Độ chênh lệch tối đa cho phép trong cùng kiện
A Từ 200 gram đến 350 gram 75 gram
B Từ 351 gram đến 550 gram 100 gram
C Từ 551 gram đến 800 gram 125 gram

Ghi chú: Khối lượng tối thiểu của quả xoài tươi đạt chuẩn không được nhỏ hơn 200 gram.

  • Lý thuyết cân định lượng công nghiệp: Nghiên cứu 4 phương pháp định lượng cơ bản bao gồm định lượng chủ động (Positive batching), định lượng không chủ động/định lượng âm (Negative batching), định lượng quá tải (Material overload) và định lượng tích lũy (Quantitative accumulation). Nghiên cứu lựa chọn kết hợp nguyên lý cân tĩnh từng quả rời rạc với cơ cấu gắp chuyển tự động để đảm bảo độ chính xác cao.
  • Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật trong và ngoài nước; phương pháp tính toán thiết kế cơ khí và động lực học máy; phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa tích hợp PLC - biến tần; phương pháp thực nghiệm đo kiểm trên mô hình thực tế tại xưởng.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống cân định lượng được thiết kế dưới dạng một mô-đun trung gian độc lập kết nối giữa băng tải xử lý ảnh (băng tải cấp liệu) và băng tải phân loại, gồm hai phần chính: cơ cấu cơ khí và hệ thống điện - điều khiển.

1. Giải pháp thiết kế cơ khí

Khung máy có kích thước tổng thể $1250 \text{ mm} \times 720 \text{ mm} \times 1500 \text{ mm}$, gia công từ thép hộp vuông $40 \times 40 \text{ mm}$. Hệ thống gồm 3 máng đỡ cố định (máng đón quả từ băng tải cấp, máng gắn cảm biến cân, máng nghiêng xả quả sang băng tải phân loại) và một khung chuyển động song song (Parallel motion frame).

Khung chuyển động được chia làm 3 làn (lane), mỗi làn có kích thước chiều dài 30 cm và chiều rộng 12 cm, cấu tạo từ các thanh tròn uốn cong đan xen dạng ngón tay với các máng đỡ nhằm hạn chế khoảng trống rơi và chống dập quả. Cơ cấu tay đòn sử dụng 4 khớp xoay bố trí song song liên kết bằng thanh ngang với độ lệch pha bằng 0 độ, cho phép nâng - hạ và tịnh tiến quả xoài qua 11 giai đoạn hoạt động liên tục:

  • Giai đoạn 1 - 3: Quả xoài từ băng tải cấp rơi vào máng thứ nhất; khung chuyển động quay và nâng quả di chuyển theo quỹ đạo định sẵn.
  • Giai đoạn 4 - 6: Khung đặt quả xoài êm dịu lên máng của cảm biến cân Load cell để thực hiện quá trình cân tĩnh; đồng thời quả xoài tiếp theo được cấp vào vị trí máng chờ.
  • Giai đoạn 7 - 11: Khung chuyển động tiếp tục quay để gắp đồng thời hai quả (chuyển quả đã cân sang máng trượt nghiêng đi vào băng tải phân loại và đưa quả mới vào vị trí cân), lặp lại chu trình khép kín.
+------------------+      +-------------------+      +--------------------+
|  Băng tải cấp    | ---> |  Hệ thống cân     | ---> |  Băng tải phân     |
|  (Xử lý ảnh)     |      |  định lượng       |      |  loại sản phẩm     |
+------------------+      +-------------------+      +--------------------+
                                    |
                    +---------------+---------------+
                    |                               |
          [Cơ cấu cơ khí]                 [Điện & Điều khiển]
          - Khung chuyển động             - Cảm biến Single point Loadcell
            song song (3 làn)             - Bộ khuếch đại tín hiệu
          - Bộ truyền xích ngoài          - PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C)
            (Tỉ số truyền 1:3)            - Biến tần VFD & Động cơ 3 pha
          - Máng đỡ thanh tròn            - Lệnh NORM_X & SCALE_X

2. Tính toán truyền động và đồng tốc

Để tiết kiệm chi phí và không gian lắp đặt, hệ thống tận dụng động cơ điện 3 pha hiện hữu của băng tải xử lý ảnh (công suất $0,4 \text{ kW}$, điện áp $220\text{V}/380\text{V}$, tần số $50\text{Hz}/60\text{Hz}$, tốc độ định mức $1380 \text{ RPM}$ ở $50\text{Hz}$ và $1680 \text{ RPM}$ ở $60\text{Hz}$).

Hệ thống sử dụng bộ truyền động xích con lăn (vận tốc xích tối đa $2 \text{ m/s}$, khoảng cách trục khoảng $70 \text{ cm}$). Cơ cấu truyền động nội bộ gồm 6 đĩa xích 24 răng đồng kích thước gắn trên trục chính để dẫn động song song hai bên. Bộ truyền xích ngoài sử dụng đĩa xích kép 14 răng và 42 răng tại trục động cơ kết nối với các đĩa xích 48 răng trên trục băng tải và trục chính của máy cân, tạo tỉ số truyền lần lượt là 1 và 3. Việc tính toán này đảm bảo trục chính của hệ thống cân quay nhanh hơn trục băng tải cấp liệu, triệt tiêu nguy cơ ùn tắc hoặc bỏ sót quả khi dây chuyền vận hành liên tục.

3. Lựa chọn cảm biến và cấu trúc điều khiển

Qua phân tích so sánh giữa 4 dòng thiết bị cân (Cân phân tích phòng thí nghiệm, Mô-đun cân nén, Cảm biến tải độ chính xác cao và Cảm biến tải điểm đơn), đề tài chọn loại Single-point load cell chế tạo từ nhôm thụ động hóa, đạt chuẩn bảo vệ IP67, dải đo phù hợp với khối lượng nông sản, chi phí hợp lý và dễ tích hợp.

Hệ thống điều khiển trung tâm bao gồm:

  • Bộ điều khiển lập trình PLC: Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C).
  • Mạch khuếch đại tín hiệu Load cell: Tiếp nhận tín hiệu điện áp từ cảm biến tải và chuyển đổi thành tín hiệu tương tự (Analog) tiêu chuẩn truyền về cổng ngõ vào Analog của PLC.
  • Biến tần (VFD): Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ không đồng bộ 3 pha.
  • Thuật toán xử lý: Tín hiệu analog được xử lý thông qua hàm chuẩn hóa NORM_X và hàm tỉ lệ SCALE_X trong PLC để chuyển đổi thành giá trị khối lượng thực tế (đơn vị: gram). PLC sau đó so sánh giá trị này với ngưỡng cài đặt GlobalGAP để gán mã kích thước (A, B hoặc C) và xuất tín hiệu điều khiển cho các trạm phân loại tiếp theo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu (Overview)

Trình bày bối cảnh kinh tế ngành xoài Việt Nam năm 2020; phân tích số liệu xuất khẩu và chi phí nhân công phân loại tại Đồng bằng sông Cửu Long. Khảo sát các giải pháp công nghệ hiện hữu gồm: máy đóng gói định lượng của Southern Machinery and Equipment Company, máy cân tổ hợp quả nhỏ (GMP, thép 304, 8 kênh rung), dây chuyền phân loại của Zhengzhou First Industry Co. (chỉ hợp quả hình cầu) và công nghệ cân định lượng của hãng Ishida Co. Xác định mục tiêu, phương pháp và giới hạn phạm vi đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn phân loại (Foundational Theories)

Tổng hợp đặc điểm hình thái và năng suất của giống xoài Cát Hòa Lộc và Cát Chu. Trình bày chi tiết tiêu chuẩn GlobalGAP về phân hạng chất lượng, khuyết tật vỏ quả và bảng phân loại kích cỡ theo khối lượng (Mã A, B, C). Trình bày lý thuyết khối lượng và 4 phương pháp cân định lượng (chủ động, âm, quá tải, tích lũy), từ đó đề xuất phương án ứng dụng đo lường khối lượng từng quả vào hệ thống phân loại.

Chương 3: Phân tích và thiết kế hệ thống cơ khí (Analysis and Design of Mechanical System)

Xác định yêu cầu kỹ thuật của trạm cân trung gian. So sánh 4 phương án cảm biến cân và lựa chọn Single-point load cell. Phân tích cấu hình khung máy ($1250 \times 720 \times 1500 \text{ mm}$), thiết kế chi tiết khung chuyển động song song 3 làn dạng nan tròn đan xen ($30 \times 12 \text{ cm}$/làn). Tính toán phương án động cơ 3 pha ($0,4 \text{ kW}$), bộ truyền xích nội bộ (6 đĩa xích 24 răng) và bộ truyền xích ngoài với đĩa xích kép (14 và 42 răng) liên kết đĩa xích 48 răng để đạt tỉ số truyền 1:3. Mô tả chi tiết chu trình vận hành 11 giai đoạn của cơ cấu gắp - cân - chuyển quả.

Chương 4: Hệ thống điện và điều khiển tự động (Electrical-Control System)

Thiết kế sơ đồ kiến trúc hệ thống điều khiển tự động. Trình bày thông số kỹ thuật và sơ đồ đấu nối phần cứng của PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C), biến tần VFD, bộ khuếch đại tín hiệu và cảm biến Single-point load cell. Xây dựng lưu đồ giải thuật đọc ngõ vào analog, thuật toán chuyển đổi bằng tập lệnh NORM_X và SCALE_X để tính khối lượng thực (gram) và phân loại mã kích thước. Thiết kế giao diện giám sát người dùng (GUI) và hệ thống dừng khẩn cấp bảo đảm an toàn lao động.

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả (Experimental and Results Assessment)

Thiết lập hệ thống thực nghiệm tại xưởng cơ khí. Tiến hành chạy thử nghiệm cân định lượng thực tế trên các mẫu quả xoài Cát Hòa Lộc và xoài Cát Chu. Xây dựng biểu đồ dữ liệu đo lường khối lượng thực tế, đánh giá độ ổn định của chuyển động cơ khí và độ chính xác của thuật toán xử lý tín hiệu analog từ load cell.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển (Conclusion and Future Work)

Đánh giá tổng kết mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu; khẳng định tính khả thi trong việc chế tạo và tích hợp hệ thống vào dây chuyền sản xuất nông nghiệp. Đề xuất các nội dung cần hoàn thiện và hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình hệ thống cân định lượng có kết cấu cơ khí nhỏ gọn, vững chắc từ thép hộp $40 \times 40 \text{ mm}$, tương thích kích thước với băng tải cấp liệu xử lý ảnh và băng tải phân loại.
    • Ứng dụng thành công cơ cấu chuyển động song song 3 làn với các thanh tròn đan xen, cho phép đưa quả vào vị trí cân tĩnh một cách êm dịu, hạn chế va đập gây tổn thương quả.
    • Tận dụng hiệu quả động cơ 3 pha $0,4 \text{ kW}$ có sẵn thông qua bộ truyền xích ngoài với tỉ số truyền tối ưu (1 và 3), đảm bảo đồng tốc và chống nghẽn quả.
    • Xây dựng hệ thống điều khiển tự động hoàn chỉnh dựa trên PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C và biến tần VFD, xử lý tín hiệu ngõ vào tương tự từ cảm biến Single-point load cell qua bộ lệnh NORM_X / SCALE_X, phân loại chính xác xoài thành các nhóm kích thước A (200 - 350g), B (351 - 550g) và C (551 - 800g) theo chuẩn GlobalGAP.
  • Đóng góp của đề tài:
    • Giải quyết bài toán phân loại theo khối lượng cho quả xoài có hình dạng oval thuôn dài — đối tượng mà các máy phân loại dạng phễu rung hay con lăn hình cầu hiện nay không xử lý hiệu quả.
    • Đưa ra giải pháp công nghệ cơ điện tử nội địa hóa với chi phí chế tạo thấp, cấu tạo đơn giản, dễ bảo trì, có khả năng thay thế phương pháp cân thủ công tốn kém chi phí nhân công tại các vựa và nhà máy đóng gói nông sản.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài:
    • Nghiên cứu chỉ tập trung khảo sát và thử nghiệm trên hai giống xoài đặc thù của Đồng bằng sông Cửu Long (xoài Cát Hòa Lộc và xoài Cát Chu).
    • Hệ thống chỉ mới dừng lại ở việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm trạm cân định lượng trung gian độc lập tại xưởng, chưa tiến hành lắp ráp tích hợp dài hạn trong một dây chuyền phân loại công nghiệp quy mô lớn khép kín.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Nâng cấp và tối ưu hóa thuật toán lọc nhiễu rung động cơ học tác động lên cảm biến load cell để tăng tốc độ lấy mẫu và chu kỳ cân trên mỗi quả.
    • Tích hợp truyền thông công nghiệp đồng bộ hoàn toàn với trạm camera xử lý ảnh nhận diện khuyết tật bề mặt và trạm phân loại khí nén ở đầu ra.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành:

  • Kỹ thuật Cơ điện tử và Tự động hóa: Tham khảo giải pháp ghép nối tín hiệu analog của cảm biến tải (Load cell) với PLC S7-1200, phương pháp lập trình hàm NORM_X/SCALE_X, cũng như giải pháp điều khiển biến tần VFD cho động cơ 3 pha.
  • Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo máy: Tham khảo thiết kế cơ cấu chuyển động song song (Parallel motion mechanism), phương pháp tính toán bộ truyền động xích đồng tốc cho dây chuyền sản xuất liên tục và kỹ thuật thiết kế máng nan đan xen vận chuyển nông sản mềm dễ dập nát.
  • Công nghệ Sau thu hoạch và Chế biến Nông sản: Tham khảo các quy định phân hạng khối lượng, kiểm soát sai số bao gói theo tiêu chuẩn quốc tế GlobalGAP và VietGAP ứng dụng trong tự động hóa phân loại quả tươi.

Câu hỏi thường gặp

1. Tiêu chuẩn GlobalGAP quy định phân chia xoài thành các nhóm kích thước khối lượng nào trong nghiên cứu?
Theo bảng tiêu chuẩn GlobalGAP trong đề tài (Table 2.1), xoài tươi được phân chia thành 3 nhóm kích thước: Mã A (từ 200g đến 350g, độ lệch tối đa trong kiện là 75g), Mã B (từ 351g đến 550g, độ lệch tối đa trong kiện là 100g), và Mã C (từ 551g đến 800g, độ lệch tối đa trong kiện là 125g). Quả có khối lượng dưới 200g không đạt tiêu chuẩn.

2. Vì sao nhóm nghiên cứu lựa chọn cảm biến Single-point load cell thay vì các dòng cảm biến tải khác?
Qua so sánh giữa cân phân tích (kích thước cồng kềnh, không phù hợp nhà xưởng), mô-đun cân nén (phù hợp tải trọng lớn như bồn chứa, xe tải) và load cell độ chính xác cao (chi phí quá đắt), cảm biến Single-point load cell được chọn nhờ kết cấu nhỏ gọn, vật liệu nhôm thụ động hóa chống ăn mòn, chuẩn bảo vệ IP67 chống bụi ẩm, dải đo phù hợp và giá thành hợp lý.

3. Giải pháp đồng tốc chuyển động giữa hệ thống cân và băng tải xử lý ảnh được thực hiện như thế nào?
Hệ thống sử dụng chung động cơ 3 pha $0,4 \text{ kW}$ của băng tải cấp liệu và truyền động qua bộ truyền xích ngoài. Trục động cơ lắp đĩa xích kép 14 và 42 răng kết nối với đĩa xích 48 răng của trục băng tải và trục chính của máy cân, tạo tỉ số truyền 1 và 3. Thiết kế này giúp trục chính quay nhanh hơn trục băng tải, đảm bảo cân xong 1 quả trong 1 vòng quay ($360^\circ$) tương ứng với bước cấp quả góc $132^\circ$ trên băng tải, tránh gây nghẽn quả.

4. Khối lượng xoài được PLC Siemens S7-1200 tính toán và xử lý bằng các lệnh nào?
Tín hiệu điện áp tương tự từ cảm biến load cell sau khi qua mạch khuếch đại được đưa vào ngõ vào analog của CPU 1214C. PLC sử dụng lệnh NORM_X để chuẩn hóa giá trị nguyên nhận được về khoảng $0.0 - 1.0$, sau đó dùng lệnh SCALE_X để chuyển đổi sang giá trị thực có đơn vị gram, từ đó so sánh với bảng ngưỡng GlobalGAP để gán mã kích thước phân loại.

5. Cơ cấu cơ khí gắp đặt của máy có đặc điểm gì để bảo vệ quả xoài không bị dập nát?
Khung chuyển động và các máng đỡ được thiết kế dạng các thanh tròn đan xen nhau (tương tự các ngón tay lồng vào nhau) có độ cong định hình phù hợp với kích thước trung bình của quả xoài ($30 \times 12 \text{ cm}$/làn), giúp nâng đỡ nhẹ nhàng, triệt tiêu khoảng hở rơi tự do và giảm thiểu chấn động trong quá trình gắp - đặt lên cảm biến cân.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng cho dây chuyền phân loại xoài" của sinh viên Nguyễn Phi Hùng và Nguyễn Trung Thành, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Trường Thịnh (Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM), đã giải quyết hiệu quả bài toán tự động hóa công đoạn cân nông sản dạng quả oval. Hệ thống kết hợp cơ cấu chuyển động song song 3 làn chống va đập với hệ thống điều khiển PLC S7-1200 và cảm biến Single-point load cell, cho phép xác định chính xác khối lượng và gán mã kích cỡ theo tiêu chuẩn GlobalGAP. Kết quả thử nghiệm thực tế khẳng định tính khả thi, độ tin cậy và khả năng ứng dụng thực tiễn cao của mô hình trong việc nâng cao năng suất và giá trị xuất khẩu xoài Việt Nam.