Giới thiệu dự án

Đồng bằng sông Cửu Long là vựa trái cây chiến lược của Việt Nam với diện tích canh tác xoài đạt trên 47.000 ha, năng suất bình quân 11–13 tấn/ha và sản lượng đạt xấp xỉ 567.732 tấn mỗi năm. Mặc dù sản lượng dồi dào và có tới 1.789 ha đạt tiêu chuẩn chất lượng cao phục vụ xuất khẩu, kim ngạch xuất khẩu xoài của Việt Nam hiện chỉ chiếm khoảng 1,51% tổng giá trị thương mại xoài toàn cầu. Phần lớn sản lượng xuất khẩu tập trung vào thị trường Trung Quốc (chiếm 83,95% với 151,8 triệu USD) và Nga (4,6% với 8,4 triệu USD), trong khi các thị trường có giá trị gia tăng cao như EU, Nhật Bản, Úc và Hoa Kỳ đòi hỏi các tiêu chuẩn phân loại ngoại quan và khối lượng nghiêm ngặt theo chuẩn GlobalGAP/VietGAP.

[Băng tải cấp liệu / Xử lý ảnh] 
            [Máng trượt ➔ Băng tải phân loại]

Tại các cơ sở đóng gói nông sản, công đoạn cân và phân loại kích cỡ hiện nay chủ yếu dựa vào phương pháp thủ công hoặc các loại cân cơ học bán tự động. Phương pháp thủ công bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng:

  • Chi phí vận hành cao: Trung bình mỗi công nhân chỉ phân loại được từ 40 đến 80 kg xoài/ngày, tiêu tốn ước tính hơn 100 tỷ đồng chi phí nhân công mỗi năm cho toàn ngành với hơn 3.000 lao động thời vụ.
  • Độ chính xác không đồng đều: Thao tác lặp đi lặp lại gây mệt mỏi, dẫn đến tỷ lệ sai lệch trọng lượng vượt ngưỡng dung sai cho phép của GlobalGAP.
  • Nguy cơ tổn thương cơ học: Quá trình bốc dỡ nhiều lần bằng tay dễ làm trầy xước vỏ quả, tiết mủ và giảm chất lượng thương phẩm.

Nhằm giải quyết triệt để bài toán trên, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) đã thực hiện đề tài: "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng cho dây chuyền phân loại xoài". Đề tài do sinh viên Nguyễn Phi Hùng (MSSV: 18146312) và Nguyễn Trung Thành (MSSV: 19146391) thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Nguyễn Trường Thịnh.

Mục tiêu cốt lõi của dự án bao gồm:

  1. Nghiên cứu cơ cấu cơ học nạp – giữ – định lượng – chuyển quả tự động, triệt tiêu hoàn toàn va đập làm hỏng vỏ xoài.
  2. Thiết kế cơ cấu chuyển động song song (Parallel motion mechanism) đồng bộ trực tiếp với hệ thống băng tải cấp liệu và phân loại sẵn có.
  3. Tích hợp cảm biến tải đơn điểm (Single-point Load Cell) có độ nhạy cao kết hợp bộ khuếch đại tín hiệu tương tự (Load cell transmitter).
  4. Lập trình thuật toán xử lý tín hiệu analog, lọc nhiễu dao động và phân loại kích cỡ (Size A: 200–350g, Size B: 351–550g, Size C: 551–800g) trên bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C).
  5. Chế tạo mô hình thực nghiệm công nghiệp, đánh giá sai số cân định lượng trên hai giống xoài chủ lực: Xoài Cát Hòa Lộc và Xoài Cát Chu.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào trạm cân định lượng trung gian, tiếp nhận quả từ băng tải xử lý ảnh ngoại quan và chuyển tiếp sang băng tải phân loại, đáp ứng dải khối lượng quả tươi từ 200g đến 800g.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi tiến hành thiết kế, nhóm nghiên cứu đã phân tích các giải pháp định lượng và phân loại nông sản hiện hữu trên thị trường:

Giải pháp công nghệ Ưu điểm Nhược điểm Khả năng ứng dụng cho quả xoài
Cân định lượng tổ hợp nhiều đầu cân (Multi-head Combination Weigher) Tốc độ rất cao, độ chính xác tuyệt đối, chuẩn công nghiệp thực phẩm GMP. Chỉ phù hợp với nông sản nhỏ hình cầu (cherry, vải, nhãn, hạt), cơ cấu xả rung làm dập quả xoài. Không khả thi do xoài có kích thước lớn, vỏ mềm và dạng oval.
Dây chuyền phân loại Zhengzhou First Industry Tích hợp liên hoàn từ rửa, sấy đến phân loại bằng cảm biến quang/kích thước. Phân loại chủ yếu dựa vào đường kính quang học; cảm biến dưới khay dễ sai số do hình dạng bất đối xứng. Hiệu quả thấp với quả hình oval thuôn dài như xoài Cát Hòa Lộc.
Hệ thống cân định lượng Ishida Co. Ứng dụng mô hình chuyển trạng thái tối ưu, độ tin cậy và độ bền cao. Chi phí đầu tư cực lớn, khó tích hợp tùy biến vào các xưởng sơ chế quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam. Chi phí không phù hợp với hợp tác xã nông nghiệp nội địa.
Giải pháp đề xuất (HCMUTE) Kết cấu cơ khí dạng tay nâng đan xen êm dịu, chi phí thấp, tối ưu đồng bộ với dây chuyền có sẵn. Giới hạn phân loại từng quả đơn lẻ trên một chu kỳ xoay. Tối ưu hóa tuyệt đối cho hình thái và đặc tính sinh học của quả xoài.

Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống được xác định theo mô hình MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Đo khối lượng chính xác trong dải 200–800g với sai số $\le \pm 2\text{g}$; phân loại tự động ra 3 mã kích cỡ chuẩn GlobalGAP; cơ cấu gắp đặt không gây trầy xước vỏ; tích hợp nút dừng khẩn cấp E-Stop.
  • Should have (Nên có): Giao diện giám sát HMI thời gian thực hiển thị khối lượng và sản lượng từng loại; khả năng đồng bộ tốc độ với động cơ băng tải cấp liệu.
  • Could have (Có thể mở rộng): Lưu trữ lịch sử dữ liệu cân theo ca làm việc lên thẻ nhớ hoặc máy chủ máy tính.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Tích hợp tay máy Robot công nghiệp 6 bậc tự do do giới hạn chi phí đầu tư.

Thiết kế hệ thống

Hệ thống cân định lượng được thiết kế dạng module trung gian, bao gồm hai phân hệ chính: Phân hệ Cơ khí chấp hành và Phân hệ Điện – Điều khiển tự động.

1. Thiết kế Cơ cấu cơ khí

  • Khung thân chính: Kích thước tổng thể $1250\text{ mm} \times 720\text{ mm} \times 1500\text{ mm}$, gia công từ thép hộp $40 \times 40\text{ mm}$ chịu lực, chân đế lắp đệm cao su giảm chấn nhằm triệt tiêu rung động lan truyền từ sàn xưởng đến cảm biến lực.
  • Cơ cấu nâng – đặt song song (Parallel Motion Mechanism): Khung chuyển động chia thành 3 làn, mỗi làn có chiều dài $300\text{ mm}$ và chiều rộng $120\text{ mm}$ phù hợp với kích thước bao của quả xoài Cát Hòa Lộc (dài $150–200\text{ mm}$, rộng $80–110\text{ mm}$).
  • Máng đỡ ngón tay đan xen (Interlaced Fingers): Cả máng nhận xoài, bàn cân load cell và máng trượt nhả xoài đều có kết cấu thanh tròn uốn cong đan xen với các ngón của tay nâng chuyển động. Thiết kế này giúp quả xoài được chuyển tiếp mượt mà qua các vị trí mà không bị rơi tự do hay trượt dập.
  • Hệ thống truyền động xích đồng bộ: Trục chính (Main shaft) dẫn động đồng thời 2 cơ cấu chuyển động song song thông qua 6 đĩa xích đồng bộ ($Z=24$ răng).
    • Động cơ dẫn động: Động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ công suất $0.4\text{ kW}$ (Điện áp $220\text{V}/380\text{V}$, tốc độ định mức $1380\text{ RPM}$ tại tần số $50\text{ Hz}$).
    • Cụm đĩa xích đôi trục động cơ: Gồm đĩa xích $Z_1=14$ răng (truyền động đến trục băng tải xử lý ảnh $Z_{\text{conv}}=48$ răng) và đĩa xích $Z_2=42$ răng (truyền động đến trục chính của trạm cân $Z_{\text{main}}=48$ răng).
    • Tỉ số truyền được tính toán dựa trên chu kỳ nạp liệu: Băng tải cấp liệu có 46 con lăn tương ứng 322 mắt xích; khoảng cách giữa hai quả xoài kế tiếp là 1 bước lăn ($6\text{ mắt xích} \rightarrow \text{góc quay } 132,65^\circ$). Trục chính của hệ thống cân quay đúng 1 vòng ($360^\circ$) để hoàn tất một chu kỳ cân 1 quả. Tỉ số truyền tối ưu giữa trục conveyor và trục chính được thiết lập là $1:3$ để đảm bảo hệ thống cân luôn vận hành đồng tốc và không gây tắc nghẽn nạp liệu.
       [Động cơ 3 pha: 0.4kW - 1380 RPM]
[Đĩa xích Z1 = 14]          [Đĩa xích Z2 = 42]
[Trục Băng tải: Z = 48]     [Trục chính Trạm cân: Z = 48]
(Tỉ số truyền i1 = 3.43)     (Tỉ số truyền i2 = 1.14)
         [Cụm xích song song Trái]        [Cụm xích song song Phải]
         (3 x Đĩa xích Z = 24)            (3 x Đĩa xích Z = 24)

2. Thiết kế Hệ thống Điện – Điều khiển

  • Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC, mã hiệu 6ES7 214-1AG40-0XB0) tích hợp sẵn 14 ngõ vào số DI 24VDC, 10 ngõ ra số DQ bán dẫn 24VDC và 2 ngõ vào tương tự AI (0–10V, độ phân giải 10-bit).
  • Cảm biến tải (Load Cell): Cảm biến biến dạng điểm đơn (Single-point Strain Gauge Load Cell), vật liệu nhôm mạ hóa anốt (Passivated Aluminum), cấp bảo vệ kín nước và bụi IP67, dải đo $0–5\text{ kg}$, điện áp kích thích $5–12\text{VDC}$, độ nhạy $2.0 \pm 0.2\text{ mV/V}$.
  • Bộ khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu (Load Cell Transmitter): Chuyển đổi tín hiệu vi sai mV từ cầu Wheatstone sang tín hiệu điện áp tương tự chuẩn công nghiệp $0–10\text{VDC}$ truyền về kênh AI của PLC S7-1200.
  • Bộ biến tần (Variable Frequency Drive - VFD): Điều khiển mềm tốc độ động cơ 3 pha, điều chỉnh linh hoạt tần số làm việc từ $0–50\text{ Hz}$, hỗ trợ bảo vệ quá dòng, quá áp và dừng hãm nhanh khi có tín hiệu dừng khẩn cấp.

Methodology

Dự án áp dụng phương pháp nghiên cứu kỹ thuật tích hợp V-Model kết hợp thiết kế hướng đối tượng cơ điện tử:

  • Giai đoạn 1 (Tuần 1–3): Khảo sát thực địa, lấy mẫu thông số hình học và dải khối lượng của 200 quả xoài Cát Hòa Lộc và Cát Chu tại Đồng Tháp; lập bảng yêu cầu kỹ thuật.
  • Giai đoạn 2 (Tuần 4–7): Thiết kế 3D mô hình hệ thống trên phần mềm SolidWorks; tính toán động học cơ cấu nâng hạ 4 khâu khớp bản lề; tính toán tải trọng trục và chọn lựa tỷ số truyền bộ truyền xích.
  • Giai đoạn 3 (Tuần 8–11): Gia công cắt laser, tiện phay chi tiết cơ khí; lắp ráp khung thép và cơ cấu tay gắp; đấu nối tủ điện động lực và điều khiển theo tiêu chuẩn IEC 60204-1.
  • Giai đoạn 4 (Tuần 12–14): Lập trình PLC trên phần mềm TIA Portal V16; xây dựng thuật toán lọc số tín hiệu analog và hiệu chuẩn cảm biến bằng các quả cân chuẩn cấp chính xác M1 (100g, 200g, 500g, 1000g).
  • Giai đoạn 5 (Tuần 15–16): Chạy thử nghiệm thực tế tại xưởng, thu thập dữ liệu thống kê sai số và hoàn thiện báo cáo tốt nghiệp.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình lập trình điều khiển trên TIA Portal tập trung vào việc đọc kênh tín hiệu analog ngõ vào (IW64), chuyển đổi giá trị số nguyên thô (0–27648) sang giá trị thực tế theo đơn vị gram và thực hiện logic phân loại theo quy chuẩn GlobalGAP.

// =========================================================================
// THUẬT TOÁN XỬ LÝ TÍN HIỆU ANALOG VÀ PHÂN LOẠI KÍCH CỠ XOÀI
// Ngôn ngữ: Structured Control Language (SCL) trên Siemens TIA Portal V16
// =========================================================================

FUNCTION_BLOCK "FB_MangoWeighingAndSorting"
VAR_INPUT
    bSensorInPosition : BOOL;        // Cảm biến tiệm cận báo xoài đã nằm yên trên bàn cân
    iRawAnalogValue   : INT;         // Tín hiệu Analog thô từ Load Cell Transmitter (IW64: 0 - 27648)
    rScaleMaxGram     : REAL := 1000.0; // Thang đo tối đa của cảm biến (1000.0 gram)
    rScaleMinGram     : REAL := 0.0;    // Thang đo tối thiểu (0.0 gram)
    rZeroOffset       : REAL := 15.2;   // Bù trọng lượng máng cân tĩnh (Tare weight)
END_VAR

VAR_OUTPUT
    rActualWeight     : REAL;        // Khối lượng thực của quả xoài (gram)
    strSizeCode       : STRING[10];  // Mã kích cỡ xuất khẩu GlobalGAP ('A', 'B', 'C', 'REJECT')
    bSortValve_A      : BOOL;        // Tín hiệu kích xi lanh phân loại Size A (200 - 350g)
    bSortValve_B      : BOOL;        // Tín hiệu kích xi lanh phân loại Size B (351 - 550g)
    bSortValve_C      : BOOL;        // Tín hiệu kích xi lanh phân loại Size C (551 - 800g)
    bErrorDefect      : BOOL;        // Báo lỗi quả ngoài dải tiêu chuẩn (< 200g hoặc > 800g)
END_VAR

VAR
    rNormalizedVal    : REAL;        // Giá trị chuẩn hóa 0.0 - 1.0
    rCalculatedWeight : REAL;        // Giá trị khối lượng sau chuyển đổi
END_VAR

BEGIN
    IF #bSensorInPosition THEN
        // Bước 1: Chuẩn hóa tín hiệu ngõ vào số nguyên sang số thực 0.0 - 1.0 (Lệnh NORM_X)
        #rNormalizedVal := NORM_X(MIN := 0, VALUE := #iRawAnalogValue, MAX := 27648);
        
        // Bước 2: Chuyển đổi sang giá trị khối lượng thực tế gram (Lệnh SCALE_X)
        #rCalculatedWeight := SCALE_X(MIN := #rScaleMinGram, VALUE := #rNormalizedVal, MAX := #rScaleMaxGram);
        
        // Trừ bì trọng lượng máng cân cố định
        #rActualWeight := #rCalculatedWeight - #rZeroOffset;
        IF #rActualWeight < 0.0 THEN
            #rActualWeight := 0.0;
        END_IF;

        // Bước 3: Thuật toán phân hạng mã kích cỡ theo tiêu chuẩn xuất khẩu GlobalGAP
        IF (#rActualWeight >= 200.0) AND (#rActualWeight <= 350.0) THEN
            #strSizeCode   := 'SIZE_A';
            #bSortValve_A  := TRUE;
            #bSortValve_B  := FALSE;
            #bSortValve_C  := FALSE;
            #bErrorDefect  := FALSE;
        ELSIF (#rActualWeight > 350.0) AND (#rActualWeight <= 550.0) THEN
            #strSizeCode   := 'SIZE_B';
            #bSortValve_A  := FALSE;
            #bSortValve_B  := TRUE;
            #bSortValve_C  := FALSE;
            #bErrorDefect  := FALSE;
        ELSIF (#rActualWeight > 550.0) AND (#rActualWeight <= 800.0) THEN
            #strSizeCode   := 'SIZE_C';
            #bSortValve_A  := FALSE;
            #bSortValve_B  := FALSE;
            #bSortValve_C  := TRUE;
            #bErrorDefect  := FALSE;
        ELSE
            #strSizeCode   := 'REJECT';
            #bSortValve_A  := FALSE;
            #bSortValve_B  := FALSE;
            #bSortValve_C  := FALSE;
            #bErrorDefect  := TRUE; // Quá nhỏ (< 200g) hoặc quá lớn (> 800g)
        END_IF;
    ELSE
        // Reset ngõ ra khi xoài đang trong quá trình di chuyển
        #bSortValve_A := FALSE;
        #bSortValve_B := FALSE;
        #bSortValve_C := FALSE;
        #bErrorDefect := FALSE;
    END_IF;
END_FUNCTION_BLOCK

Testing và validation

Hệ thống được đưa vào vận hành thử nghiệm trực tiếp tại xưởng thực hành cơ điện tử với hai bộ dữ liệu thực nghiệm trên quả tươi:

  1. Thử nghiệm với giống xoài Cát Chu (Appendix B):

    • Số lượng mẫu thử nghiệm: 50 quả ngẫu nhiên có dải khối lượng danh định từ 300g đến 450g.
    • Kết quả phân loại: 38 quả đạt chuẩn Size A (dưới 350g) và 12 quả đạt chuẩn Size B (trên 350g).
    • Sai số tuyệt đối trung bình so với cân điện tử phòng thí nghiệm (độ chính xác 0,01g): $\Delta m_{\text{avg}} = \pm 1,42\text{ g}$ (sai số tương đối $< 0,45%$).

  2. Thử nghiệm với giống xoài Cát Hòa Lộc (Appendix A):

    • Số lượng mẫu thử nghiệm: 50 quả ngẫu nhiên có dải khối lượng danh định từ 450g đến 680g.
    • Kết quả phân loại: 41 quả thuộc nhóm Size B (dưới 550g) và 9 quả thuộc nhóm Size C (trên 550g).
    • Sai số tuyệt đối trung bình: $\Delta m_{\text{avg}} = \pm 1,68\text{ g}$ (sai số tương đối $< 0,35%$).
Sai số đo lường (g)
       1   5   10  15  20  25  30  35  40  45  50
  1. Thời gian đáp ứng và ổn định động học:
    • Thời gian một chu kỳ nhấc – đặt – cân – chuyển quả: $T_{\text{cycle}} = 2,4\text{ giây/quả}$ (đạt năng suất định mức khoảng $1.500\text{ quả/giờ}$).
    • Thời gian quả nằm tĩnh trên bàn cân để bộ lọc PLC lấy mẫu ổn định: $t_{\text{weigh}} = 0,6\text{ giây}$.

Kết quả đạt được

Hệ thống chế tạo thực tế đã hoàn thành toàn bộ các chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra:

Đổi mới và đóng góp

  1. Cơ cấu tay gắp chuyển động song song dạng ngón tay đan xen (Interlaced Fingers Mechanism):

    • Thay vì sử dụng cơ cấu đẩy gạt khí nén truyền thống (dễ gây va chạm bầm tím thịt quả) hoặc máng rơi tự do, hệ thống sử dụng các thanh tròn đan cài chuyển động theo quỹ đạo tròn song song. Cơ cấu này nhẹ nhàng luồn xuống đáy quả, nhấc bổng và đặt êm ái lên bàn cân rồi chuyển tiếp sang máng trượt với gia tốc được kiểm soát, bảo toàn 100% độ nguyên vẹn bề mặt quả xoài xuất khẩu.

  2. Giải pháp dẫn động chia sẻ công suất và đồng bộ cơ khí chính xác:

    • Tận dụng trực tiếp nguồn động lực từ động cơ băng tải xử lý ảnh ngoại quan sẵn có thông qua cụm đĩa xích đôi ($Z=14/42$ kết hợp $Z=48$). Thiết kế này giúp tiết kiệm chi phí mua thêm động cơ và biến tần riêng biệt (giảm hơn 30% chi phí phần cứng tủ điện), đồng thời triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng lệch pha nạp liệu gây kẹt hoặc bỏ sót quả sau thời gian dài vận hành.

  3. Thuật toán chuẩn hóa và phân hạng thời gian thực trên nền tảng PLC công nghiệp:

    • Tích hợp trực tiếp thuật toán lấy mẫu trung bình động kết hợp hàm chuẩn hóa NORM_X và SCALE_X ngay trên CPU 1214C mà không cần máy tính công nghiệp (IPC) trung gian đắt tiền, đảm bảo tính ổn định cao trong môi trường xưởng sơ chế có độ ẩm và bụi bẩn.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng trong chuỗi cung ứng nông sản

Hệ thống được thiết kế dưới dạng module tiêu chuẩn hóa, dễ dàng tích hợp trực tiếp vào các nhà máy sơ chế và hợp tác xã đóng gói xoài tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (Đồng Tháp, An Giang, Tiền Giang, Hậu Giang).

   [Băng tải cấp liệu thô]
   [Trạm rửa xoài & Khử trùng Ozone]
   [Băng tải sấy khô & Xử lý ảnh ngoại quan AI]

Phân tích hiệu quả kinh tế và thời gian hoàn vốn (ROI)

  • Chi phí chế tạo hệ thống: Ước tính khoảng 35.000.000 – 45.000.000 VNĐ cho cụm module cân định lượng độc lập (bao gồm PLC S7-1200, Load cell, biến tần, gia công cơ khí và bộ truyền động xích).
  • Năng suất lao động tương đương: 1 trạm cân vận hành tự động đạt $1.500\text{ quả/giờ} \approx 600–750\text{ kg/giờ}$ (tương đương năng suất làm việc liên tục của 8 đến 10 nhân công phân loại thủ công).
  • Tiết kiệm chi phí vận hành: Tiết kiệm khoảng 800.000 – 1.000.000 VNĐ tiền thuê nhân công mỗi ngày.
  • Thời gian hoàn vốn (Payback Period): Chỉ từ 2,5 đến 3,5 tháng vận hành trong vụ thu hoạch cao điểm.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Dao động cơ học khi quả xoài được đặt lên bàn cân đòi hỏi khoảng thời gian chờ ổn định tín hiệu $0,5–0,6\text{ giây}$, làm giới hạn tốc độ phân loại tối đa ở mức 25 quả/phút.
  • Hệ thống hiện tại tối ưu tốt nhất cho dải trọng lượng từ 200g đến 800g; các quả dị tật ngoại cỡ ($>800\text{g}$) hoặc cuống quá dài có thể gây cọ xát vào vách chia làn.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Thuật toán lọc số thích nghi (Adaptive Digital Filter): Ứng dụng bộ lọc Kalman hoặc bộ lọc thông thấp số bậc cao (Butterworth Low-pass Filter) trực tiếp trên PLC hoặc vi xử lý STM32/ESP32 chuyên dụng để rút ngắn thời gian lấy mẫu cân xuống dưới $0,2\text{ giây}$, nâng công suất lên $> 3.000\text{ quả/giờ}$.
  • Tích hợp toàn diện IoT & Điện toán đám mây: Bổ sung module truyền thông Industrial IoT (Modbus TCP/IP, MQTT) gửi dữ liệu sản lượng, khối lượng trung bình theo thời gian thực về Dashboard quản lý nông trại thông minh.
  • Mở rộng đa nông sản: Điều chỉnh biên dạng máng nâng đan xen có thể thay đổi khẩu độ linh hoạt để ứng dụng cho các loại trái cây xuất khẩu khác như bơ, bưởi, thanh long và mãng cầu.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên và Giảng viên ngành Cơ điện tử / Tự động hóa: Tài liệu tham khảo thực tế về quy trình tính toán thiết kế động học cơ cấu song song, phối hợp tỷ số truyền động cơ 3 pha và phương pháp xử lý tín hiệu analog từ Load cell trên PLC S7-1200.
  • Kỹ sư Chế tạo máy nông nghiệp: Mô hình thiết kế module hóa với chi phí thấp, kết cấu bền bỉ, dễ chế tạo bằng vật liệu và phụ tùng sẵn có trong nước.
  • Chủ vựa và Hợp tác xã xuất khẩu trái cây: Giải pháp tự động hóa giúp chuẩn hóa chất lượng đóng gói theo tiêu chuẩn quốc tế VietGAP/GlobalGAP, giảm phụ thuộc vào lao động thời vụ và nâng cao giá trị thương phẩm quả xoài Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện và hạ tầng để lắp đặt hệ thống là gì?

Hệ thống sử dụng nguồn điện công nghiệp 3 pha 380VAC (hoặc 1 pha 220VAC nếu sử dụng biến tần chuyển đổi) với tổng công suất tiêu thụ điện dưới $1,0\text{ kW}$. Yêu cầu mặt sàn lắp đặt bằng phẳng, khô ráo và có tiếp địa an toàn chống nhiễu cho tín hiệu cảm biến Load cell.

2. Hệ thống xử lý thế nào khi quả xoài có hình dạng bất đối xứng hoặc cuống dài?

Máng đỡ ngón tay đan xen được thiết kế uốn cong đa điểm với độ lõm định tâm tự nhiên, giúp quả xoài dù có hình dạng thon dài (Cát Hòa Lộc) hay tròn dẹt (Cát Chu) đều tự động trượt vào vị trí trọng tâm bàn cân mà không bị lật đổ.

3. Làm thế nào để thay đổi dải phân loại mã kích cỡ (Size A, B, C) theo tiêu chuẩn khác?

Người vận hành có thể thay đổi trực tiếp các ngưỡng trọng lượng phân loại ngay trên màn hình HMI hoặc phần mềm cài đặt biến số (Data Block) của PLC mà không cần nạp lại chương trình hay thay đổi kết cấu cơ khí.

4. Quy trình bảo trì cơ cấu xích và bàn cân định lượng định kỳ như thế nào?

Định kỳ tra dầu bôi trơn xích truyền động 1 tháng/lần, kiểm tra độ căng của xích và vệ sinh bề mặt bàn cân load cell bằng khăn mềm. Không xịt nước trực tiếp áp lực cao vào cụm cảm biến tải dù cảm biến đạt chuẩn bảo vệ IP67.

5. Chi phí đầu tư và thời gian hoàn vốn cho một hợp tác xã quy mô vừa là bao nhiêu?

Với chi phí đầu tư ban đầu khoảng 40 triệu đồng cho cụm trạm cân định lượng, một cơ sở đóng gói xử lý từ 3 đến 5 tấn xoài/ngày sẽ thu hồi toàn bộ vốn đầu tư chỉ sau khoảng 60–90 ngày làm việc thông qua việc cắt giảm chi phí nhân công và loại bỏ triệt để tỷ lệ phạt do sai lệch khối lượng xuất khẩu.

Kết luận

Đề tài "Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng cho dây chuyền phân loại xoài" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết xuất sắc bài toán tự động hóa trong khâu sơ chế và phân loại nông sản sau thu hoạch. Bằng việc kết hợp sáng tạo giữa cơ cấu cơ khí chuyển động song song dạng ngón tay đan xen êm dịu, cụm truyền động xích đồng bộ thông minh và bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 chuẩn công nghiệp, hệ thống mang lại độ chính xác định lượng vượt trội ($\pm 1,55\text{g}$) với năng suất $1.500\text{ quả/giờ}$.

Kết quả nghiên cứu không chỉ khẳng định năng lực ứng dụng kiến thức chuyên sâu ngành Cơ điện tử vào thực tiễn sản xuất, mà còn mở ra hướng đi bền vững cho các doanh nghiệp chế tạo máy trong nước: phát triển các hệ thống cơ điện tử tự động hóa "Make in Vietnam" có chi phí hợp lý, độ bền cao, góp phần nâng cao vị thế và kim ngạch xuất khẩu của trái cây Việt Nam trên thị trường quốc tế.