CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY PHÂN LOẠI CÀ PHÊ HẠT BẰNG MÀU SẮC OPSOTEC 5.01-A PHỤC VỤ XUẤT KHẨU

- Là kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Bộ mang tên “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật quang và kỹ thuật số - máy tính để chế tạo thiết bị phân loại vật liệu rời theo mầu sắc trong công nghiệp

BỘ CÔNG NGHIỆP VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT DỰ ÁN SXTN CẤP NHÀ NƯỚC

CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY PHÂN LOẠI CÀ PHÊ

HẠT BẰNG MÀU SẮC OPSOTEC 5.01-A

Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật

dự án sản xuất thử nghiệm

kc.06.da.05.cn

I mở đầu

1.1 Thông tin chung về Dự án

- Tên Dự án: "Chế tạo thử nghiệm máy phân loại cà phê hạt bằng mầu sắc OPSOTEC

5.01-A phục vụ xuất khẩu"

- Cơ quan chủ quản: Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường

- Học vị: Kỹ sư

- Chức vụ: Phó Giám đốc Trung tâm Chuyển giao Công nghệ

- Cơ quan phối hợp chính: Công ty Xuất nhập khẩu Cà phê II, Nha Trang

- Là kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Bộ mang tên “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật quang và kỹ thuật số - máy tính để chế tạo thiết bị phân loại vật liệu rời theo mầu sắc trong công nghiệp vật liệu rời và chế biến nông sản thực phẩm”, mã số: 12/00 - RD/HĐ - CNCL Đề tài này đã được Hội đồng khoa học cấp Bộ của Bộ Công nghiệp

đánh giá và nghiệm thu ngày 07/ 11/2001

1.2 Kinh phí dự án

Trong đó: - Từ ngân sách sự nghiệp khoa học: 2.200,0 triệu đồng

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Kỹ thuật phân loại sử dụng các sensor quang đã bước đầu được thực hiện ở Việt nam từ đầu những năm 90 tại các Trung tâm nghiên cứu lớn như Viện Máy và Dụng Cụ Công Nghiệp , trường Đại học Bách khoa Hà nội vv Tuy nhiên, kỹ thuật và thiết bị phân loại chỉ có thể ứng dụng cho các đối tượng có mầu sắc rõ ràng, di chuyển chậm theo tốc độ và mật độ hoàn toàn xác định trước Việc nghiên cứu kỹ thuật và thiết bị phân loại đối tượng có mầu không rõ ràng, di chuyển nhanh với mật độ lớn như các loại vật liệu rời và nông sản thực phẩm dạng hạt chưa được nghiên cứu tại Việt nam

Được sự hỗ trợ của Bộ Công Nghiệp cùng với sự cộng tác chặt chẽ của các đơn vị thuộc Tổng Công ty Cà phê Việt nam, dựa trên các kết quả nghiên cứu đã đạt được, Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp đã thực hiện thành công đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ ‘Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật quang và kỹ thuật số - máy tính để chế tạo thiết

bị phân loại vật liệu rời theo mầu sắc trong công nghiệp vật liệu rời và chế biến nông sản thực phẩm Máy phân loại cà phê đầu tiên của Việt nam OPSOTEC 5.01A là sản phẩm của đề tài đã được đưa vào sử dụng trong lĩnh vực chế biến cà phê tại Công ty Xuất nhập khẩu Cà phê II, Nha Trang

Trong quá trình thử nghiệm máy, Phó thủ tướng Nguyễn Công Tạn đã đến thăm và

đánh giá cao tính năng cũng như ứng dụng của máy trong lĩnh vực chế biến cà phê.Phó thủ tướng hoàn toàn ủng hộ hướng tiếp tục nghiên cứu, sản xuất thử nghiệm các thiết bị

giảm chi phí nhập khẩu ( Thư của Phó thủ tướng Nguyễn Công Tạn số 214/Pg ngà 21 tháng 3 năm 2001 gửi Bộ trưởng Bộ khoa học Công nghệ và Môi trườngvà Bộ trưởng

Bộ Công nghiệp)

Ngày 22/3/2001, đoàn cán bộ cấp cao Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn do Thứ trưởng Nguyễn Thiện Luân dẫn đầu đã đến thăm máy tại Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp Thứ trưởng đã có ý kiến chỉ đạo các đơn vị thuộc Bộ ủng hộ và tạo điều kiện để Viện hoàn thiện công nghệ,mẫu mã, quy cách cho dự án P và nhu cầu về số sản phẩm trong ngành cà phê những năm tới dự kiến 150 máy ( Thông báo số 1591/VP-TB ngày 2/4/2001, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn)

Được sự cổ vũ khuyến khích của Chính phủ và các Bộ liên quan, Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp đã tiếp tục nghiên cứu cải tiến nhằm nâng cao chất lượng thiết bị phân loại cà phê theo mầu sắc, trong thời gian qua đã triển Dự án sản xuất thử nghiệm chế tạo 10 máy phân loại OPSTEC 5.01A, chuẩn bị tiến tới chế tạo hàng loạt máy phục

vụ nhu cầu chế biến cà phê trong và ngoài nước

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Kỹ thuật phân loại vật liệu rời và thực phẩm dạng hạt được nghiên cứu ứng dụng trênthế giới từ những từ đầu những năm 70 Các thế hệ thiết bị phân loại đầu tiên sử dụng các sensor quang rời rạc (photodiodes) để nhận thông tin mầu sắc, đồng thời xử lý các thông tin này bằng các thiết bị analog Nguyên tắc phân loại kiểu này tuy bước đầu đáp ứng yêu cầu thị trường phân loại sản phẩm nhưng bộc lộ nhiều nhược điểm : hệ thống phân loại hết sức cồng kềnh, năng suất phân loại thấp, sai số lớn, độ linh hoạt không cao, rất khó khăn khi thay đổi đối tượng phân loại

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật quang điện, các thế hệ đo - thu nhận tín hiệu mầu sắc ngày càng đạt độ chính xác cao, tích hợp ngày càng chặt chẽ, gọn nhẹ, trong đó

đặc biệt đáng kể là thiết bị quét quang học theo nguyên tắc dồn nén điện tích CCD (Charge Coupled Devices) Các camera quang số kết hợp với kỹ thuật thu nhận - xử lý hình ảnh bằng máy tính đã mở ra bước ngoặt mới cho thiết bị phân loại sản phẩm : kết cấu máy hết sức gọn nhẹ, độ chính xác cao, hết sức linh hoạt khi thay đổi đối tượng phân loại Nguyên tắc phân loại nhờ camera quang số đã được hầu hết các hãng lớn trên thế giới như Allen, Delta ( Mỹ ), Sortex ( Anh ), Satake ( Nhật bản ) v.v ứng dụng và phát triển cho đến ngày nay

Với các thành tựu to lớn trong tất cả các lĩnh vực điều khiển liên quan đến thiết bị phân loại như kỹ thuật ánh sáng, kỹthuật - thiết bị camera, kỹ thuật xử lý phân tích mầu, thiết bị số, vi xử lý và máy tính, các thiết bị phân loại vật liệu rời dạng hạt ngày nay đã

đạt được tốc độ cao, đến hàng chục triệu sản phẩm mỗi giờ, đạt độ chính xác đạt đến

0-0,2% và cho phép phân loại sản phẩm có kích thước nhỏ

đến 1mm Với các tính năng trên, thiết bị phân loại đã được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết lĩnh vực phân loại vật liệu rời như quặng, đá các loại, thuỷ tinh, nhựa tái chế v.v cũng như sản phẩm dạng hạt trong lĩnh vực chế biến nông sản thực phẩm như rau, đậu, các loại hoa quả, gạo, cacao,

cà phê v.v

1.3.3 khái quát về máy phân loại cà phê hạt bằng màu sắc

• Các kiểu máy phân loại cà phê hạt bằng màu sắc đều hoạt động theo một nguyên lý chung: liên tục ghi hình và phân tích hình dòng hạt được cấp qua vùng quan sát của các camera, trên cơ sở tiêu chuẩn hạt tốt/xấu được lưu trong bộ nhớ của mình, máy

đồng thời liên tục xử lý tách các hạt xấu ra khỏi dòng hạt ban đầu bằng các cơ cấu chấp hành thích hợp (hình 2)

• Theo các tiêu chí cấu tạo hoặc tính năng chính, có thể chia máy phân loại cà phê hạt bằng màu sắc thành một số dạng:

+ Theo dạng dữ liệu ảnh dòng hạt dùng cho phân loại:

- Máy monocolor (đơn sắc), với tín hiệu màu quy về cấp độ xám của từng tín hiệu ảnh (gray scale)

- Máy bicolor (hai màu): tín hiệu màu được dùng là hai sắc đỏ/xanhda trời (red/blue) hoặc đỏ/xanh lá cây (red/green)

- Máy Truecolor (màu thực): tín hiệu màu được dùng là đỏ/lá cây/da trời (RGB)

Hạt đen do

sâu bệnh

Hạt nâu do quá chín

Ghi chú: nguyên công phân loại lại (re-sort)

là một tuỳ chọn, theo yêu cầu khách đặt hàng

Hình 2 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy phân loại cà phê hạt bằng màu sắc và vị trí của công nghệ trong dây chuyền chế biến cà phê hạt

Hệ thống cấp và

ổn định dòng liệu cho phân loại

Sensor quang:

photodiodes camera

Dòng hạt xấu

Cơ cấu tách hạt xấu

Hệ thống thu thập

xử lý dữ liệu từ

sensor về

Điều khiển cơ cấu tách hạt xấu

Hệ máng thu góp hạt sau phân loại

Các khâu chế biến:

làm sạch vỏ, làm khô, đánh bóng, sàng, tách tạp chất

Hạt cà phê sau thu

hoạch

Silo chứa/Máng vận chuyển

Đóng bao Nhập kho

Dòng hạt tốt

Dòng hạt

đầu vào

Hạt phân loại lại (Re- sort)

Máy phân loại cà phê

hạt bằng màu sắc

Dòng hạt re- sort

- Máy phân loại dùng cả ánh sáng thường (visible) và bức xạ hồng ngoại (infrared) + Theo cấu trúc máy:

- Máy 1, 2, nhiều mô đun phân loại

- Máy có hoặc không có phân loại lại (re-sorting)

+ Theo dạng cấp liệu, có các loại máy cấp liệu rung phối hợp máng dẫn hoặc máy cấp liệu băng tải

+ Theo năng suất: máy 1, 2, , N tấn/giờ

• Các chỉ tiêu quan trọng của máy phân loại:

+ Năng suất máy: được hiểu là năng suất tối đa máy có thể hoạt động đảm bảo chất lượng phân loại theo các chỉ tiêu phân loại đã được đặt ra hoặc được thoả thuận + Sai số phân loại: là tỷ lệ hạt xấu còn lại sau một hoặc vài lần phân loại, với những

tỷ lệ hạt xấu đầu vảo tương ứng Với một máy cho trước, đây là một chỉ tiêu phụ thuộc vào nhiều thông số: chất lượng hạt đầu vào (kích cỡ và độ đồng đều của hạt, các nguyên công xử lý trước đó như sàng sẩy định cỡ, đánh bóng, làm sạch ), loại

cà phê (arabica hay robusta ), năng suất vận hành, và kinh nghiệm người vận hành Việc đưa ra một chỉ tiêu cố định cho một loại máy (ví dụ: sai số tới 0,1% hay 0,5% ) thường chỉ có ý nghĩa làm đơn giản nội dung giớ thiệu, quảng cáo hoặc chào hàng máy Trên thực tế, các bên sản xuất và sử dụng máy phải áp dụng một bộ chỉ tiêu sai số, tương ứng với các năng suất, phẩm cấp cà phê hạt trước phân loại, tỷ

lệ hạt xấu đầu vào cho trước, số lần phân loại lại Bảng 1 sau đây nêu lên bộ tiêu chuẩn được dùng cho máy SORTEX 90003L thông dụng tại Việt nam những năm gần đây

Bảng 1 tiêu chuẩn phân loại cà phê hạt robusta trên máy 90003l

+ Tỷ lệ thất thoát: cũng tương tự chỉ tiêu trên, và tỷ lệ xấp xỉ 1:1 ( một hạt tốt bị loại

theo một hạt xấu trong phế phẩm ) thường được coi là chấp nhận được với máy

không có các mô đun phân loại lại (re-sorting)

• Bảng 2 dưới đây trình bày một số thông số kỹ thuật của một vài máy tiêu biểu của

các hãng chế tạo máy phân loại hạt bằng màu sắc nổi tiếng thế giới

Bảng 2. Đặc tính kỹ thuật các máy phân loại cà phê hạt bằng màu sắc

của một số hãng trên thế giới

Nước Anh quốc Hoa kỳ Brasil

Kiểu máy 90003 L HueTronic G10000P Dạng phân loại Monocolor Truecolor Monocolor

Cấu trúc máy Các modun

Các modun độc lập

Cấp liệu Rung+Máng dẫn Băng tải Rung+Máng dẫn

Sensor quang

CCD silicon phân giải cao-tần số cao-

độ nhạy cao

CCD silicon phân giải cao-tần số cao-

độ nhạy cao

CCD silicon phân giải cao-tần số cao-

độ nhạy cao

Nguồn sáng đèn huỳnh quang đèn huỳnh quang đèn huỳnh quang

Bộ tách hạt xấu Van điện khí Van điện khí (mật

Xử lý tín hiệu

Trực tiếp, tốc độ cao, trên các chíp DSP cho từng modun

Máy tính công nghiệp

Trực tiếp, tốc độ cao, trên các chíp DSP cho từng modun

Giao diện sử dụng LCD cỡ vừa

(k/thước 4x40)

VGA cỡ vừa (k/thước 240x320)

LCD cỡ nhỏ (k/thước 4x40)

Số kênh/số modun 48/3 32/1 48/4

Dùng cho phân loại

cà phê hạt

- Chủ yếu cho ROBUSTA

- ARABICA, ROBUSTA

- Chủ yếu cho ROBUSTA

§· cã t¹i ViÖt nam

H×nh 3 M¸y IGUAZU cña h·ng

DELTA - Hoa kú, n¨ng suÊt 3-6

tÊn/giê

H×nh 4 M¸y G10000P cña h·ng SANMAK - Brasil, n¨ng suÊt 3-

4,2 tÊn/giê

1.3.4 Tính cấp thiết của dự án

Hiện nay nhu cầu thiết bị phân loại vật liệu rời và nông sản thực phẩm dạng hạt rất lớn trong tất cả mọi lĩnh vực sản xuất và xuất khẩu Trong lĩnh vực sản xuất, các dây chuyền và công nghệ sản xuất hiện nay chưa đáp ứng được chất lượng cao do thiếu các thiết bị phân loại như công nghệ tái chế nhựa, giấy, công nghệ sàng tuyển than và các loại khoáng sản v.v Các sản phẩm tạo ra có chất lượng không cao, giá thành thấp, khó cạnh tranh với sản phẩm nhập từ nước ngoài

Trong lĩnh vực xuất khẩu, đặc biệt là nông sản, thực phẩm như gạo, cà phê v.v

do không có thiết bị phân loại theo mầu sắc nên chất lượng sản phẩm qua chế biến thấp, phải xuất khẩu với giá thấp, thậm chí không thể xuất khẩu được Riêng trong lĩnh vực cà phê, hàng năm trong nước sản xuất chế biến khoảng 400.000 tấn, trong đó phục vụ xuất khẩu khoảng 200.000 tấn với giá trị hàng trăm triệu USD và khả năng còn cao hơn trong những năm tới Tuy nhiên, cà phê Việt Nam chưa có sức cạnh tranh so với cà phê thế giới do tỷ lệ các hạt lỗi trong cà phê quá lớn làm chất lượng cà phê giảm đáng kể Để tăng sức cạnh tranh, đảm bảo chất lượng cà phê theo chỉ tiêu quốc tế, riêng ngành cà

Hình 5 Máy HueTronic của hãng ALLEN - Hoa kỳ, năng

suất 2-4 tấn/giờ

phê hiện tại cần hàng trăm máy phân loại hạt và phải bổ sung thêm hàng năm khi năng suất - sản lượng cà phê tăng nhanh trong tương lai

Cuộc khủng khoảng thừa cà phê trong những năm gần đây đã ảnh hưởng rất lớn đối với ngành cà phê Việt Nam Cà phê Xuất khẩu vốn đã khó khăn do thiếu các thiết bị chế biến nay càng khó khăn hơn Các doanh nghiệp chế biến cà phê không đủ nguồn vốn để nhập thiết bị phân loại của nước ngoài do giá quá cao, điều kiện bảo hành bảo trì không kịp thời Do vậy, việc phát huy nội lực trong nước nhằm nghiên cứu chế tạo thiết bị phân loại để nâng cao chất lượng cà phê xuất khẩu với vốn đầu tư các doanh nghiệp trong nước có thể chấp nhận được là hết sức cấp bách

II Mục tiêu, nội dung

và kết quả của dự án

2.1 Mục tiêu của dự án

2.1.1 Hoàn thiện thiết kế máy phân loại cà phê hạt

2.1.2 Chế tạo thử nghiệm 8 máy phân loại cà phê năng suất 5 tấn / giờ với chất lượng tương đương máy nhập nhưng giá thành chỉ bằng 35 – 40 % máy nhập

2.1.3 Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo sản xuất hàng loạt máy với số lượng lớn ( tới 30 máy/ năm, giai đoạn sau thử nghiệm)

kiểm tra, hiệu chỉnh và mở rộng số lượng, chủng loại thiết bị phân loại

2.1.5 Xây dựng cơ sở trang thiết bị cần thiết đảm bảo khả năng chế tạo hàng loạt các máy phân loại

2.2 Nội dung của dự án

2.2.1 Cấu trúc tổng thể, nguyên lý hoạt động của máy OPSOTEC 5.00b

2.2.1.1 Phân tích, chọn lựa và xây dựng cấu hình máy

Như phần đầu (mục 1.3.3) đã nêu lên một bức tranh chung về kết cấu, cấu hình của máy phân loại cà phê hạt bằng màu sắc, ta thấy mỗi một kết cấu, cấu trúc máy đều có những ưu điểm nhược điểm riêng của mình:

+ Máy kết cấu băng tải có năng suất thấp, không thể xây dựng theo dạng modun cho nâng cao năng suất, nhưng bù lại có độ ổn định quỹ đạo dòng hạt tốt hơn, dẫn tới giảm tỷ lệ thất thoát Ngoài ra, kết cấu phức tạp của hệ cấp-dẫn liệu cũng là một nhân tố dẫn tới giá thành của loại máy này cao hơn nhiều máy cấp liệu kiểu rung kết hợp máng dẫn Đây cũng là nguyên nhân chính làm cho nó hầu như không được thị trường ưa chuộng, và chỉ còn hãng Allen là hãng duy nhất vẫn tiếp tục phát triển và cung cấp máy

kiểu này (ví dụ máy true-color HueTronic - hình 4) cho thị trường với số lượng ngày càng giảm

+ Dạng ảnh dùng cho phân loại là một trong những tiêu chí đầu tiên đánh giá khả năng phân loại của máy Để phân loại cà phê robusta, thường chỉ cần ảnh đơn sắc, lúc này chỉ cần sử dụng máy monocolor Khi cần phân loại cà phê arabica, hoặc khi cần tách một số loại tạp chất như mẩu cao su, nhựa, đá máy true-color hoặc máy dùng ảnh hồng ngoại sẽ đem lại chất lượng phân loại tốt hơn Xuất phát từ dạng ảnh được chọn, các thiết bị quang nhận dạng như camera, hệ chiếu sáng cũng thay đổi tương ứng Tuy nhiên với camera màu hoặc camera hồng ngoại, hoặc với hệ chiếu sáng hồng ngoại, giá thành máy cũng tăng lên vài chục phần trăm Do vậy, nếu như dây chuyền chế biến cà phê có các thiết bị sàng tách tốt, với loại robusta chỉ cần dùng máy monocolor như hầu hết các máy đã và đang được trang bị trên thị trường Việt nam

+ Các cấu hình hệ thống thu thập xử lý dữ liệu có thể là các hệ xử lý tín hiệu số

được thiết kế chế tạo theo hướng chuyên dụng, hoặc trực tiếp trên máy tính công nghiệp (IPC) , hoặc hỗn hợp Hướng đầu tiên là hướng được hầu hết các hãng trên thế giới áp dụng, vì nó có nhiều lợi thế: cấu trúc máy gọn, hoạt động ổn định và có độ bền, chống nhiễu cao, dễ dàng xây dựng hệ thống theo từng mô đun hoạt động hoàn toàn độc lập, song song nên có thể tăng năng suất máy mà vẫn giữ nguyên chất lượng phân loại Ngoài ra, toàn bộ các bí quyết công nghệ bao gồm cả phần cứng và phần mềm dễ dàng

được bảo vệ nhờ ứng dụng các sản phẩm và công nghệ chip tiên tiến như ASIC hoặc các chip chống copy Tuy nhiên, trong những điều kiện chế thử loạt nhỏ, trong khuôn khổ một thời gian ngắn, với một trình độ công nghiệp điện tử công nghiệp rất thấp, đây là phương án không thể thực hiện Hướng thứ hai có những ưu điểm bù lại được những bất lợi mà phương án đầu gặp phải: toàn bộ quá trình xử lý được thực hiện trên máy tính cá nhân rẻ tiền và bán sẵn với phần cứng cực mạnh như Pentium III, IV có khả năng tính toán ngày càng cao, lại được hỗ trợ bởi những phần mềm công cụ mạnh và giá không cao, hầu như không phải đầu tư cho phát triển phần cứng, lại có thể phát huy "chất xám" của khu vực Vậy nên, mặc dù không có được những ưu điểm lớn như phương án đầu,

đây vẫn là phương án hấp dẫn nhất cho bất kỳ đơn vị nào muốn thử sức trong lĩnh vực này: đầu tư thấp, nhanh và một khi đã có thị trường, việc chuyển sang cấu hình chuẩn trong một thời gian ngắn không phải là khó khăn lắm Hướng hỗn hợp với những hệ xử

hướng được không nhiều hãng ứng dụng như Allen Hướng này có được những ưu điểm

của cả hai hướng trên, đồng thời hạn chế phần lớn những nhược điểm của chúng

+ Chất lượng phân loại gắn liền với độ chính xác, nhanh nhậy và ổn định của cơ cấu

đẩy hạt xấu ra khỏi dòng hạt tốt Do kích thước và khối lượng hạt cà phê khá lớn so với

nhóm gạo, vừng, vài loại đỗ nên cơ cấu đẩy hạt cà phê luôn luôn được chọn là súng

thổi hạt (ejector) kiểu xung khí nén (blow pulse), thay vì có thể còn là xung áp điện

(piezoelectric pulse) Các khâu quyết định để có một bộ súng đạt yêu cầu bao gồm chọn

mua/đặt loại van điện khí có đáp ứng thời gian đủ nhanh (cỡ một vài milisec), chính xác

ổn định, kết hợp với một kết cấu đường dẫn xung khí thổi hạt hợp lý

Căn cứ vào các phân tích trên đây, nhóm Dự án đã chọn lựa một loạt các cấu hình

cho các thế hệ máy như bảng sau, với cấu hình sau được nâng cao hơn thế hệ trước:

Bảng 3 cấu hình các máy dự án đã thiết kế chế tạo

Kiểu máy Máy OPSOTEC

5.01A đầu tiên

Các máy OPSOTEC 5.01A

tiếp theo

Các máy

OPSOTEC 5.00B

Dạng phân loại Monocolor Monocolor Monocolor

Cấu trúc máy 02 modun

Cấp liệu Rung+Máng dẫn Rung+Máng dẫn Rung+Máng dẫn

Camera - Hãng

cung cấp

CCD-tín hiệu ra analog - Reticon

CCD - tín hiệu ra digital - Dalsa

CCD - tín hiệu ra digital - Dalsa

Nguồn sáng đèn ống

Bộ tách hạt xấu Van điện khí MAC Van điện khí MAC Van điện khí MAC

Xử lý tín hiệu Máy tính

văn phòng

Máy tính công nghiệp

Máy tính công nghiệp

Giao diện sử dụng VGA

cỡ vừa 14"

Touchscreen cỡ nhỏ

LCD-TFT-(6,4")

Touchscreen cỡ nhỏ

LCD-TFT-(6,4")

Số kênh/số modun 64/2 64/2 48/3

Năng suất

(∗) cấu trúc với phần xử lý tín hiệu chung trên một PC, các phần khác còn lại như

cấp liệu, thu thập dữ liệuảnh, thổi hạt, thu hồi sau phân loại đều tách riêng,

được gọi là cấu trúc modun nửa độc lập

(∗∗) cấu trúc chỉ với phần cấp liệu, thổi hạt, thu hồi sau phân loại được tách

riêng, được gọi là cấu trúc modun gần nửa độc lập

Do các cấu hình của các máy OPSOTEC 5.01A chưa đáp ứng được nhu cầu

chất lượng ngày càng cao của thị trường, sau khi được Bộ chủ quản cho phép, Dự án đã

tập trung vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo các máy OPSOTEC 5.00B, nên ở đây báo

cáo chỉ tập trung vào trình bày nhấn mạnh thế hệ máy OPSOTEC 5.00B, đồng thời khi

cần thiết sẽ đưa máy OPSOTEC 5.01A ra phân tích đối chứng bổ sung

2.2.1.2 Cấu trúc của máy OPSOTEC 5.00B (xem các hình 6 và 10)

Máy OPSOTEC 5.00B loại 03 module bao gồm 5 khối thiết bị chính sau:

- Hệ thống cấp liệu: 03 bộ rung, 03 máng rung, 03 máng trượt

- Hệ thống nhận dạng, xử lý, điều khiển: các camera, đèn chiếu, đèn nền, IPC,

các card điều khiển camera, các card điều khiển van thổi phân loại, card điều

khiển chung quá trình vận hành máy

- Hệ thống chấp hành: tủ điện động lực, hệ thống khí nén, chổi quét, van thổi

- Hệ thống góp liệu sau phân loại: máng góp phế phẩm, các máng góp thành

- Camera: 03 Camera quét dòng SP-13-05H30

- PCI Camera board-tần số quét 2ữ50 kHz

- Thông số đèn: 04 đèn chiếu, 01 đèn nền

- Máy tính công nghiệp PR-1500, cấu hình Intel 815E Mainboard, Intel Pentium III 1.0 GHz, 20 GB HDD, Mouse PS2, Keyboard, màn hình 6,4" LCD-TFT Touchscreen, hệ điều hành Windows 2000

- Thông số van thổi: 48 van MAC, chủng loại tác động nhanh cỡ 1-1,5ms

- Khí nén: 25 lit/sec - 4ữ6BAR

2.2.1.4 Nguyên lý hoạt động

Dòng cà phê được cấp từ hệ thống cấp liệu, nhờ các máng dẫn, được đưa tới các

điểm nhận dạng với vận tốc xấp xỉ 4m/s; tại đây hệ thống nhận dạng sẽ thu nhận màu sắc (theo gray scale-mức xám- được số hoá 8 bit với mức trắng (max) và mức đen (min) tương ứng 255 DN và 0 DN) của từng hạt cà phê, sau đó các tín hiệu thu nhận được sẽ

được đưa về hệ thống xử lý, điều khiển để quyết định hạt cà phê đang xử lý là hạt thành phẩm hay phế phẩm Đối với hạt là phế phẩm thì khi hạt rơi tới điểm thổi, hệ thống sẽ

đưa tín hiệu điều khiển cho van thổi để van thổi tác động một xung khí nén áp lực cao vào hạt và đẩy hạt rơi vào thùng chứa phế phẩm, còn với hạt là thành phẩm thì hạt sẽ rơi

tự do vào thùng thành phẩm Toàn bộ quá trình hoạt động liên tục của máy với năng suất đặt trước được điều khiển, giám sát hoàn toàn tự động theo chương trình với các thông số kỹ thuật, công nghệ được cài đặt, hiệu chỉnh trước Các hình 7-9 mô tả nguyên

lý làm việc các bước chính trong quá trình phân loại hạt cà phê theo màu sắc của máy:

bước quan trọng hàng đầu để đảm bảo nhận dạng đủ tín hiệu của từng hạt Trong trường hợp lý tưởng, với dòng hạt một lớp (hạt không che nhau) chuyển

động với tốc độ đều, quét bởi camera được chọn tần số quét thích hợp, ta sẽ thu thập được toàn tộ tín hiệu của mọi hạt

cần phải loại bỏ hay không, căn cứ vào màu hạt rơi vào dải màu nào: đen, nâu hay nền Đây là thực chất là nội dung của các thuật toán xử lý ảnh số dạng quét

này chủ yếu được quyết định bởi các thiết bị điện tử, điện khí như mạch điều khiển thổi, van thổi

Ghi chú: Mũi tên f1 2 chỉ ra rằng các pixel trên dòng n đang quét qua một hạt có màu đen trên hình 7 đang được ghi lại và phân tích, xử lý tương ứng như trên hình 8 Dĩ nhiên, để nhận dạng hạt tốt xấu với độ chính xác cần thiết, các thuật toán cho xử lý tổng hợp một mảng số tương ứng với các tín hiệu trên toàn bộ hạt và vùng lân cận “đủ xa” cần phải được áp dụng

b3 điều khiển cơ cấu chấp hành thổi hạt xấu

độ, thời gian vật

lý và xung thổi

Van thổi thích hợp

được kích hoạt, thổi hạt đã được xác

b1 camera quét qua dòng hạt cà phê

0 5 10 15 ( pixel )

đen 5 DN, thời gian chụp 0,2 msec

0 5 10 15 ( pixel )

đen 5 DN, thời gian chụp 0,2 msec

f1 2

Hình 10 Máy OPSOTEC 5.00B, nhìn từ phía trước và bên phải

2.2.2 Hoàn thiện thiết kế máy phân loại màu opsotec 5.0xx

2.2.2.1 Hoàn thiện thiết kế cơ khí

2.2.2.1.1 Kết cấu khung máy

- Khung máy dùng cho lắp ráp toàn bộ các cụm của máy như cụm cấp liệu, các thiết

bị khí nén, cụm quang và nhận dạng, cụm máy tính và điều khiển phân loại Do vậy, khung phải chịu được khối lượng toàn máy cũng như toàn bộ hệ lực tác động trong quá trình hoạt động, kể cả quá trình vận chuyển tới các vùng có địa hình phức tạp như Tây Nguyên, Tây Bắc

- Trên thế giới, để bố trí, lắp ráp thuận lợi các cụm thiết bị, kết cấu khung hàn dạng chữ Z (hình 11) được coi là hợp lý nhất và mang kiểu dáng công nghiệp đặc trung cho các thiết bị phân loại dùng hệ cấp liệu rung kết hợp máng dẫn liệu tới vùng nhận dạng Với cấu trúc thép hình hộp 50x50x3, mối hàn 5x3, kết hợp các mối ghép bulon trên dầm hộp, các tấm đáy hộp, đã tạo nên một kết cấu thoáng, đủ cứng vững trrong quá trình hoạt động Do đặc trưng hệ lực công tác là trọng lực và lực tuần

hoàn gây bởi các bộ rung điện từ, nên việc bố trí các cụm nhằm đảm bảo hạ thấp trọng tâm, kết hợp sử dụng có hiệu quả các giảm chấn được coi là những giải pháp quyết định mang lại độ cứng vững, ổn định của khung và toàn máy Thêm vào đó, để

đảm bảo chống các rung động mạnh trong quá trình vận chuyển, các cột đỡ dầm hộp

được lắp thêm trước khi xuất xưởng và tháo bỏ khi máy đưa vào hoạt động

2.2.2.1.2 Kết cấu hộp máy (trong đó bao gồm các yếu tố liên quan tới vai trò của một buồng đo quang chính xác)

Hình 11 Kết cấu khung máy

- Bao gồm hai hộp: hộp quang (phía sau máy) cho lắp ráp các camera, đèn chiếu sáng

và hộp trước cho lắp ráp hệ điều khiển, máy tính, đèn chiếu nền

- Các đáy và thành, vách hộp được chế tạo từ nhôm đúc/cán dày 8-10 mm, nhẹ và có khả năng hấp thụ rung ở tấn số công nghiệp tốt hơn nhiều so với thép Các nắp trên

và trước/sau được chế tạo từ thép tấm 1 mm thuận tiện cho lắp linh kiện điều khiển như màn hình máy tính, công tắc, nút ấn đồng thời dễ dàng đóng mở thường xuyên trong quá trình kiểm tra, sửa chữa

- Để đảm bảo chống bụi, toàn bộ các nắp, cửa được gắn đệm cao su xốp làm kín Để duy trì hệ thống quang, nhận dạng, thiết bị điều khiển trong vùng nhiệt độ cho phép

tạo dòng khí liên tục làm mát các cụm đèn, camera, máy tính và thiết bị điện tử điều khiển phân loại So với hệ máy OPSOTEC 5.01A sử dụng máy điều hoà, đây là một thay đổi đáng kể nhằm giảm chi phí điện năng, làm kết cấu máy gọn nhẹ thanh thoát Nguyên nhân chính là hệ thống đã được thiết kế và xây dụng với các phần tử quang, điện tử có khả năng hoạt động trong vùng nhiệt độ cao hơn

- Xét dưới góc độ quang học, cấu trúc các hộp trước và sau cũng như các phần tử cơ liên quan tới vùng nhận dạng, tạo thành một hộp đo quang trong hệ thống đo quang

Do vậy, việc xử lý kết cấu, bố trí, màu sắc của từng phần tử trong hộp đo quang đã

Hình 12 Kết cấu hộp máy OPSOTEC 5.00B (buồng camera)

được làm rất tỉ mỷ từ khâu thiết kế tới công nghệ chế tạo, vật liệu sơn phủ nhằm đạt các hiệu quả tối đa trong chiếu sáng dòng liệu, tạo nền đồng đều, giảm thiểu nhiễu

do các nguồn sáng thứ cấp

2.2.2.1.3 Công nghệ và vật liệu chế tạo máng dẫn liệu

- Với hệ máy OPSOTEC 5.01A, máng dẫn liệu bằng thép mạ crom-niken, được làm theo công nghệ gia công cắt gọt và đã đáp ứng được phần nào yêu cầu của máy Tuy nhiên, kết cấu cũ còn có một loạt hạn chế như: nặng, chi phí gia công lớn, và đặc biệt những nhược điểm về khả năng cấp liệu: hệ số đàn hồi lớn làm tăng độ nảy của hạt khi va đập lên mặt máng, độ không thẳng của rãnh, độ bóng của rãnh không cao

do gia công cơ dẫn tới dòng liệu không đều, kẹt hạt, đặc biệt tăng góc tản mạn của Hình 13 Kết cấu máng dẫn liệu

Hình 14 ảnh hưởng của công nghệ, vật liệu chế tạo máng dẫn liệu:

+ Máng thép gia công cắt gọt: góc tản mạn dòng hạt α

+ Máng nhôm hợp kim đùn ép nóng và anot hoá: góc tản mạn

α

Máng dẫn liệu

dòng hạt sau khi thoát khỏi máng để đi vào vùng nhận dạng (hình 14) từ đó làm tăng sai số phân loại

- Với hệ máy OPSOTEC 5.00B, máng dẫn liệu bằng nhôm hợp kim, được làm theo công nghệ đùn ép nóng, đã hầu như khắc phục được toàn bộ các nhược điểm của máng thép cũ Bề mặt máng được anot hoá một lớp 8-10 micromet nhằm nâng cao

độ chịu mòn, giảm hệ số ma sát và chống thay đổi chất lượng bề mặt trong quá trình

sử dụng Tuy nhiên, chất lượng và tuổi bền của lớp anot hoá cần phải được theo dõi, nghiên cứu nhằm nâng cao hơn nữa

2.2.2.1.4 Kết cấu các máng góp hạt tốt và máng góp hạt xấu sau phân loại

- Các máng thu liệu sau phân loại có vai trò nhất định trong đảm bảo độ chính xác phân loại, đặc biệt hai chi tiết quan trọng nhất là máng cong chắn liệu xấu và máng ngăn hai dòng liệu tốt và liệu xấu (hình 15 và 16) Kết cấu, vị trí tương đối, khả năng hiệu chỉnh của các chi tiết này đã được xác định thực nghiệm và cải tiến từ thế hệ máy OPSOTEC 5.01A tới OPSOTEC 5.00B nhằm giảm va đập và nảy hạt từ dòng hạt xấu sang dòng hạt tốt, hoặc giảm khả năng hạt tốt bị thổi nhẹ cũng bị đẩy sang dòng hạt xấu, nâng cao các chỉ tiêu phân loại

Hình 16 Kết cấu máng cong chắn liệu xấu

Hình 15 Mô tả vai trò của máng chắn liệu

xấu và máng chia dòng liệu tốt/xấu cũng

3) Máng chắn liệu xấu và dòng liệu xấu

4) Máng chia dòng liệu tốt/xấu và dòng

liệu tốt sau phân loại

2.2.2.2 Hoàn thiện thiết kế hệ thống cấp liệu rung bao gồm bộ rung điện từ, tính chọn

tần số cộng hưởng tối ưu, biên độ và góc lắc sàn rung… đảm bảo năng suất thiết kế của máy

2.2.2.2.1 Chọn và hoàn thiện kết cấu

- Kết cấu nam châm điện từ được thử nghiệm ban đầu có dạng lõi chữ E khó chế tạo,

đồng thời không khử được thành phần chuyển động xoay của dòng liệu trên máng

do lực tác động không đồng đều trên cả hai nhánh E Do vậy, máy OPSOTEC 5.00B

đã sử dụng nam châm lõi chữ I, với mạch từ khép qua thân tĩnh của bộ rung (xem các hình 17, 18) Với kết cấu này, công nghệ chế tạo nam châm điện đơn giản hơn nhiều, đồng thời hầu như loại bỏ hoàn toàn hiện tượng xoay nói trên

- Hệ lò xo phản bằng phíp thuỷ tinh có mô đun đàn hồi lớn, ứng suất chịu mỏi cao, với kết cấu hai bó tấm song song, tạo lực trả về ổn định, êm

- Kết cấu máng rung bằng thép không rỉ bắt trên đế nhôm ép hình nhẹ và đủ bền, là phần tử truyền chuyển động trực tiếp cho dòng liệu một cách đều đặn, có hiệu suất

- Kết cấu hệ giảm chấn bao gồm các khối cao su đúc có độ cứng 25-35 shor, đảm bảo dập tắt hầu như hoàn toàn các dư động gây bởi bộ rung tới thân máy

2.2.2.2.2 Tính toán thiết kế bộ rung điện từ (xem thêm "Thiết kế bộ cấp liệu rung")

- Tính công suất rung trên cơ sở năng suất cấp liệu danh định

- Tính nam châm điện và nguồn điện cho bộ rung

- Tính các phần tử đàn hồi của bộ rung: lò xo lá

Hình 17 Bộ cấp liệu rung điện từ của máy

Nam châm

điện lõi chữ I

Lò xo lá Máng rung

Lò xo lá

2.2.2.3 Hoàn thiện thiết kế hệ thống đo màu sắc và chiếu sáng dùng camera đến 30

MHz, đáp ứng tốt với tín hiệu sóng điện từ có phổ từ 300 -1000 nm

2.2.2.3.1 Xác lập bài toán đo quang cho hệ thống: xây dựng hệ thống đo quang đáp ứng yêu cầu thu nhận liên tục ảnh của dòng hạt cà phê có năng suất (ví dụ: tới 5 tấn/h), tốc độ hạt (ví dụ:tới 4 m/s), chiều rộng dòng hạt (ví dụ: tới 600 mm), tần số tín hiệu trong dải nhất định (ví dụ: ánh sáng nhìn thấy), sao cho trên cơ sở phân tích các ảnh nhận được, máy có thể điều khiển quá trình phân loại hạt đạt sai số yêu cầu (ví dụ: với đầu vào tới 5% hạt xấu, đầu ra yêu cầu không quá 3%, hoặc với đầu vào 1,0ữ1,2%, đầu ra không quá 0,2ữ0,3% )

2.2.2.3.2 Những nguyên tắc thiết kế hệ thống đo quang, bao gồm camera, nguồn, buồng đo quang và vùng nhận dạng:

- ứng dụng phương pháp chụp quét liên tục dòng liệu theo phương pháp tuyến mặt dòng liệu được chụp, nhằm thu thập và tạo ảnh liên tục song song với quá trình xử lý phân loại on-line theo thời gian thực

- Tuân theo các quy luật quang hình cơ bản, trong đó đặc biệt lưu ý luật phản xạ và

đặc tính cơ quang của dòng liệu cần chiếu sáng và vật liệu chế tạo trong chọn lựa

kỹ thuật chiếu sáng và trong thiết kế buồng đo quang và nhận dạng nhằm đảm bảo

độ tin cậy, độ sạch của tín hiệu hữu ích

- Sử dụng các quy tắc quang trắc trong thiết kế, trong đó đặc biệt lưu ý luật cosine trong chọn lựa tính toán số lượng kiểu loại camera, các phần tử dẫn quang, phân bố nguồn sáng các loại

- Đảm bảo sự hoạt động chính xác, ổn định của hệ thống trong điều kiện công nghiệp với các yếu tố môi trường phải tính đến như nhiệt độ, rung, bụi, nhiễu điện từ

2.2.2.3.3 Các dữ kiện tính toán

- Độ phân giải yêu cầu: δ (ví dụ: 0,7 mm)/điểm ảnh-pixel , tương ứng kích thước nhỏ nhất trung bình của khuyết tật trên hạt cà phê

- Tốc độ lý thuyết lớn nhất của dòng liệu khi qua vùng nhìn của camera: Được xác

định bằng công thức tính tốc độ trượt không ma sát, không sức cản môi trường (bao gồm sức cản không khí, cản lẫn nhau ) của chất điểm-hạt cà phê, dưới tác dụng của trọng lực, trên mặt phẳng nghiêng góc α của máng dẫn chiều dài L , với tốc độ ban

đầu V0 được xác định theo năng suất cấp liệu N Tấn/giờ, chiều dày lớp liệu D trên máng rung (xem thêm "Thiết kế Hệ thống đo quang và chiếu sáng"):

với τ là thời gian chạy từ đầu máng tới điểm nhận dạng, được tính theo công thức:

Từ kích thước của máng dẫn, năng suất máy đã cho, đã xác định được tốc độ lý

- Kiểu loại camera: camera đen trắng dùng sensor cảm quang CCD (Charge Coupled Device) quét dòng, tốc độ cao, độ nhậy lớn, tín hiệu đầu ra số 8 bit (hình 20)

- Tính chọn cỡ camera:

+ Loại camera có số pixel lớn hơn và kề sát 286 là loại 512 pixel

+ Từ đó, chọn loại camera có cỡ sensor 512 pixel cho một máng

- Tính chọn tần số quét ảnh max và tần số chủ

= 4 m/s / (0,7 mm) = 5,7 kHz (hoặc 5700 dòng/s)

+ Tần số chủ nhỏ nhất tương ứng với tần số quét ảnh trên MCLK= 15 MHz

Từ các yêu cầu trên, quyết định chọn loại SP-13-05H30 (hãng Dalsa-Canada)

- Kiểm tra các thông số tương ứng của SP-13-01K30:

2.2.2.3.5 Tính toán chọn lựa các phần tử dẫn quang: ống kính, lọc quang

Hình 20 Kiến trúc điển hình của các camera số

Ghi chú: GCI: khối chuyển đổii áp trở kháng cao

CDS: khối khử nhiễu tín hiệu hình

A/D: bộ chuyển đổi analog/digital 10 bit

Read MUX : bộ trộn kênh đọc đầu ra 8 bit theo nhóm pixle chẵn/lẻ

giắc tín hiệu/điều khiển tới/

Read MUX 0-3

A Data/8 bit

CDS A/D 10 bit

ỉTG ỉAB

ỉAB ỉTG

Gain

0-20db

Gain 0-20db

Pixel lẻ

Dòng các phần tử cảm quang

Bộ đệm đầu ra Thanh ghi dịch CCD

Thanh ghi dịch CCD

Điều khiển dồn kênh Các pixel lẻ

B Data/8 bit

- Nguyên tắc chọn ống kính:

+ Độ suy giảm mức tương phản (MTF: modulation transfer function) không dưới 70% trong vùng tần số vạch (spatial frequency, tính bằng số cặp vạch đen-trắng trên một milimet mẫu- lp/mm) của ống kính Nói một cách khác, độ phân giải của ống kính

micromet (hình 21)

+ Kích thước sensor CCD phải không lớn hơn cỡ ống kính, trong trường hợp tốt nhất, không lớn hơn 60-70% kích thước ống kính để đảm bảo không bị mờ (vignetting) vùng biên của ảnh (hình 22)

+ Đảm bảo hệ số truyền đạt quang phổ (spectrum transmission) không dưới 75% giá trị max trong dải sóng tín hiệu quang được sử dụng

+ Trợ giúp camera CCD chống các tín hiệu gây nhiễu như IR, UV

Trong đó:

+ Tiêu cự sau của ống kính f’

Hình 21 Sự phụ thuộc của MTF

100

Góc nhìn của ống kính

0

Độ sáng của

ảnh sau ống kính (%)

+ hV = kích thước máng dẫn = M ì BM

+ OD = khoảng cách mặt đầu ống kính tới điểm nhận dạng = 300ữ400 mm

Nếu dùng SP-13-05H30 của Dalsa, với kích thước điểm ảnh 14

àm ( kích thước sensor 14 ì 512 = 7,168 mm), loại ống kính GM21214MCN có kèm lọc bảo vệ của hãng Goyo (Japan) là thích hợp, với các thông số chính như sau:

+ Tiêu cự sau f’ = 12 mm

+ Độ mở ống kính F = 1,4 ữ C (đóng kín)

+ Độ phân giải 40 lp/mm > 500/14 = 36 lp/mm

+ Format = 2/3” , tương ứng cỡ ảnh max = 11 mm ( 7,168/11= 0,65)

+ Khoảng cách làm việc min = 300 mm

+ Góc nhìn Horiz ì Vert ì Diagon = 39080' ì 29051' ì 47054'

Hình 24 Card C-P kiểu Horizon

4LS cho hai camera SP-13-05H30

- Card giao diện C-P phải đáp ứng hai yêu cầu chính của giao diện là:

+ Thu thập dữ liệu (image data) từ camera về PC theo đúng chuẩn tín hiệu của camera (đã số hoá như LVDS RS422/644, Camera-Link, hoặc tín hiệu analog như RS170, CCIR ), phù hợp chế độ làm việc của camera đã được cài đặt ban đầu

- Trong các bài toán tích hợp hệ thống, thường nên chọn hãng chế tạo card C-P theo khuyến cáo của nhà sản xuất camera, đồng thời kết hợp với yêu cầu cụ thể của bài toán nhằm giảm chi phí vì các card có sẵn này thường được thiết kế chế tạo có tính vạn năng Với loại camera SP-13-05H30, có thể dùng một số loại như card Road Runner của hãng BitFlow (Mỹ), theo cấu hình camera đơn (single camera card) với máy OPSOTEC 5.01A, hoặc card Horizon 4LS của hãng i2S (Pháp) theo cấu hình camera kép (multicamera card) với máy OPSOTEC 5.00B (xem các hình 24 và 28) 2.2.2.3.7 Tính toán xác định nguồn chiếu sáng và nền

- Yêu cầu chất lượng:

+ Phổ ánh sáng nhìn thấy có cường độ đảm bảo, trong khi vùng tử ngoại (UV) và hồng ngoại (IR) có quang thông thấp nhất có thể để giảm nhiễu

+ Phân bố cường độ đủ đồng đều (± 5% mức trung bình) trên từng vùng nhận dạng (field of view - FOV)

+ Không có các hiện tượng nháy (flicking), đặc biệt khi quá trình ghi ảnh tiến hành

ở tốc độ cao

+ Không gây hiện tượng bóng, khuất trên hạt cà phê

+ Có thể hiệu chỉnh (tay và tự động) cường độ chiếu sáng

- Chiếu sáng phía trước: Với số lượng camera là 03, loại camera là SP-13-05H30 và bố trí theo hàng, các đèn chiếu sẽ được bố trí trên một mặt trụ với bán kính khoảng 190

mm, tổng công suất chiếu sáng thấp nhất 120 W, từ đó chọn loại đèn huỳnh quang L36WT8/21-840 của OSRAM có chiều dài hình học 1200 mm (tương ứng chiều dài chiếu sáng đồng đều 1200-5 x 25 = 1075, đáp ứng chiều dài tổng bố trí 3 mô đun máy), công suất 36 W, với số lượng 04 ( tương ứng 144 W), kèm theo các bộ điều khiển điện tử HF2x36/230-240 DIM, mỗi bộ dùng cho 2 đèn, là chấn lưu nguồn 230 VAC-240 VAC, cho tần số ra 40-100 kHz, cường độ sáng có thể thay đổi từ 5-100%

Hình 25 Thiết kế hộp quang và bố trí đèn của máy OPSOTEC 5.00B

Ghi chú:

L36WT8/21-840 kèm theo bộ chấn lưu HF1x36/230-240 DIM cho 1 đèn

2.2.2.3.8 Thiết kế gá camera

- Yêu cầu: có khả năng căn chỉnh thuận tiện camera, bao gồm toạ độ tâm CCD, pháp

đồng thời giữ camera ổn định tại vị trí làm việc

thép và được mạ crom-niken

2.2.2.3.9 Xử lý các yếu tố quang hình trong kết cấu buồng đo quang và vùng nhận dạng

- Như đã phân tích ở trên (mục 2.2.2.1.2.), các yếu tố quang hình của buồng đo quang

có một vai trò rất quan trọng trong hình thành và đảm bảo độ trung thực của ảnh dòng liệu Các yếu tố này bao gồm: hình dáng, kích thước, màu sắc và độ phản xạ quang, vị trí tương đối của một loạt các chi tiết cấu thành buồng đo quang

1 3

2 2

2 2

4 5

6 7

8 9

~235

Buồng Nền và Điều khiển Buồng Đèn chiếu và Camera

Vùng Nhận dạng và Phân loại

1 3

2 2

2 2

2 2

2 2

4 5

6 7

8 9

~235

Buồng Nền và Điều khiển Buồng Đèn chiếu và Camera

Vùng Nhận dạng và Phân loại

- Về hình dáng: để giảm thiểu nhiễu, toàn bộ các mặt đều được thiết kế phẳng và hẹp, góc và vị trí bố trí sao cho tránh các hiện tượng phản xạ gương (mirror reflect) không đều, che chắn nguồn sáng sơ cấp, tạo bóng

- Sơn đen loại không bóng hoặc tạo nhám một số bề mặt đối diện với nguồn và nền để giảm thiểu hiện tượng phản xạ gương, tăng phản xạ khuếch tán (diffused reflect)

- Không sử dụng các chao đèn mà chỉ dùng nguồn sáng sơ cấp (trực tiếp) từ các đèn

- Nền có thể được tạo gián tiếp trên một tấm kim loại hoặc nhựa hoặc thuỷ tinh, được gia công phẳng, nhưng có khả năng tạo ánh sáng phản xạ khuếch tán (hoặc bằng độ nhám bề mặt nền hoặc bằng chiết suất của vật liệu nền hoặc kết hợp), đảm bảo để có

được một ảnh nền đồng đều dọc theo toàn bộ các vùng nhận dạng

2.2.2.4 Hoàn thiện phần mềm điều khiển

2.2.2.4.1 Yêu cầu chung đối với phần mềm điều khiển máy phân loại: đi kèm với một cấu hình phần cứng chất lượng cao-máy tính công nghiệp thế hệ mới nhất (hình 27), phần mềm (bao gồm hệ điều hành và phần mềm ứng dụng) phải đảm bảo một số chức năng, yêu cầu nghiêm ngặt dưới đây:

- Đọc tín hiệu quang số từ card C-P, phân tích xử lý tín hiệu, nhận dạng hạt tốt xấu với tốc độ 5000ữ6000 hạt/s (hoặc tương đương 5700 dòng/s ì 512 byte/dòng ì 3

chính xác yêu cầu camera ≈ 8,5 MB/s !) cho máy năng suất 5 tấn/h theo chuẩn màu quy định, đồng thời điều

- Điều khiển tự động toàn bộ hoạt động của máy, bao gồm các quá trình khởi động

Hình 26 Các hiện tượng phản xạ xảy ra tuỳ theo tính chất bề mặt

thái và hiệu chuẩn cường độ (calibration) các cụm đèn chiếu và nền theo chu kỳ, tự

động báo lỗi và dừng máy nếu cần

- Giao diện người dùng thân thiện, hỗ trợ quá trình lắp đặt, căn chỉnh, tìm lỗi và nguyên nhân, sửa chữa thay thế linh kiện thiết bị

- Đảm bảo khả năng chạy máy 7/24, tần suất sự cố thấp nhất có thể

2.2.2.4.2 Mô đun thu nhận dữ liệu từ camera về

- Được xây dựng trên cơ sở các hàm thư viện được cung cấp kèm theo card C-P và camera Với máy OPSOTEC 5.01A dùng card C-P Horizon 4LC, bao gồm thư viện hàm hệ thống, điều khiển/cấu hình camera và các cổng vào/ra liên quan HORZ4LC.LIB / HORZ4LC.DLL, thư viện hàm thu thập dữ liệu ảnh HZ4LCGRAB.LIB / HZ4LCGRAB.DLL, thư viện hàm hiển thị HZ4LCDISP.LIB / HZ4LCDISP.DLL, thư viện hàm điều khiển các mô đun mở rộng DSP hoặc hiệu chỉnh sáng nền HZ4LCEXTM.LIB / HZ4LCEXTM.DLL, HZ4LCLCM.LIB / HZ4LCLCM.DLL

- Cho phép chương trình đọc liên tục dữ liệu ảnh theo từng dòng quét được từ các camera trực tiếp từ bộ nhớ đệm ảnh 1-4 Mbit nhờ bộ điều khiển DMA (Direct Memory Access) đa kênh trên card C-P Do cơ chế này, kết hợp với giao diện PCI và cơ chế Master-Bus PCI trên card, CPU hệ thống không phải can thiệp vào quá trình

Hình 27 Sơ đồ khối phần cứng hệ điều khiển máy OPSOTEC 5.0xx

MicroController 89C51

Car

d I/O

Chổi quét

Bộ rung cấp liệu PLC Biến tần

đọc trong khi tốc độ đọc lên tới 132 MB/s Với công nghệ này, quá trình đọc hỗ trợ tối đa cho xử lý thời gian thực (hình 28, 29)

- Quá trình đọc dữ liệu ảnh đ−ợc kiểm soát liên tục, khi xảy ra tràn bộ đệm, một cờ ngắt báo lỗi sẽ đ−ợc bật để hệ thống xử lý (tự động reset hoặc dừng máy)

2.2.2.4.3 Mô đun phân tích, xử lý ảnh và điều khiển cơ cấu chấp hành cho quá trình phân loại

- Thực hiện trên công nghệ lập trình xử lý đa luồng (multithread processing) của Microsoft Visual C++ nhằm đảm bảo tốc độ phân tích, xử lý và điều khiển cao nhất

có thể

- Quá trình phân tích xử lý ảnh bao gồm các phân đoạn:

+ Xử lý nền

+ Đánh dấu và tách lọc hạt nghi ngờ

+ Kiểm tra và xác định hạt xấu thực sự

+ Quyết định xử lý phân loại

- Quá trình điều khiển phân loại đ−ợc thực hiện nhờ các hàm th− viện DLPORTIO.DLL/DLPORTIO.LIB điều khiển giao diện I/O centronic (cổng song song của PC), trực tiếp tác động tới dãy các van thổi qua một card ghép nối LPT với các

Ghép kênh (Mux)

Data Buffers

Hình 28 Sơ đồ khối chức năng card C-P kiểu Horizon 4LC

-

2.2.2.4.4 Mô đun điều khiển chung toàn bộ máy

- Hoạt động như một phần mềm xử lý logic với các tín hiệu đầu vào, ra binary được tích hợp trên các cổng song song, nối tiếp sẵn có của PC và card mở rộng

- Mô đun thực hiện điều khiển các quá trình:

Xử lí nhận dạng vùng

đệm FIFO[(bank+1)%2] Y

Hình 29 Lưu đồ thuật toán thu thập dữ liệu và xử lý thời gian thực trên máy OPSOTEC 5.0xx

Khởi tạo các tham số thu thập DMA khởi tạo hai vùng đệm FIFO[bank] , bank = 0;

+ Quá trình khởi động (POST: Power-On Self-Test): ngay sau khi kích hoạt nút

“RUN” trên menu chính của chương trình phân loại, máy tự động thực hiện các thao tác sau đây theo trình tự được lập trình trước: khởi động và kiểm tra trạng thái card C-P và camera, làm sạch các buồng quang, hiệu chuẩn nguồn sáng (lighting calibration), kiểm tra và khởi động bộ cấp liệu rung, bắt đầu quá trình phân loại cà phê Bất cứ một trục trặc, bất thường nào trong quá trình khởi động đều hoặc được máy tự xử lý (như calib lại nếu chưa đạt) hoặc thông báo trên màn hình cho người vận hành xử lý

+ Liên tục kiểm tra trạng thái máy trong quá trình đọc, phân tích xử lý dữ liệu, phân loại Tự động báo lỗi và dừng phân loại nếu cần

+ Hiệu chuẩn cường độ sáng (lighting calibration) các cụm đèn chiếu và nền theo chu kỳ được đặt trước bời người vận hành

2.2.2.4.5 Mô đun giao diện người-máy (hình 30, 31)

- Cấu trúc menu gọn, dễ sử dụng, đồng thời đảm bảo tính bảo mật với password truy nhập chương trình hoặc truy nhập một số submenu dành cho cán bộ kỹ thuật và người có trách nhiệm hiệu chỉnh, sửa chữa máy

- Hỗ trợ quá trình lắp đặt, căn chỉnh, tìm lỗi và nguyên nhân, sửa chữa thay thế linh kiện thiết bị

ổn định theo thời gian, tính bảo mật dữ liệu, hỗ trợ cao nhất cho quản lý phần cứng

và phần cứng mở rộng, cho phép hỗ trợ thời gian thực khi Windows Kernel, Device Drivers và HAL (Hardware Abstraction Layer) được mở rộng cho chức năng này

Hình 30 Giao diện người dùng chương trình điều khiển OPSOTEC 5.00B

Màn hình ở trạng thái sẵn sàng vận hành với các thông số ngưỡng phân loại, năng suất đã được đặt trước

Hình 31 Giao diện người dùng chương trình điều khiển OPSOTEC 5.00B

Màn hình ở menu kiểm tra đường phổ từng camera, phục vụ thao tác hiệu chỉnh, kiểm tra các camera

điều hành được lựa chọn, sau khi gói phần mềm ứng dụng được chuẩn hoá trên cơ sở phần cứng IPC thế hệ mới

2.2.2.5 Hoàn thiện thiết kế hệ thống điều khiển điện- khí tác động nhanh bao gồm

các giao diện ra/vào tương tự – số, thiết bị điều khiển hệ van khí làm việc trong trường thời gian thực, hệ thống theo dõi- cảnh báo tình trạng làm việc của máy

2.2.2.5.1 Đặc điểm hệ thống điều khiển điện khí đa kênh tác động nhanh cho phân loại

- Trong máy phân loại, đây là một hệ thống có vai trò quan trọng thậm chí cao hơn hệ thống nhận dạng vì nó trực tiếp quyết định độ chính xác phân loại Mặt khác, đây cũng là cụm thiết bị điển hình cho công nghệ mechatronic: được xây dựng từ những cụm cơ cấu chấp hành điện tử-khí nén-cơ chính xác cao nhất

- Yêu cầu: mở/đóng chính xác các van thổi theo vị trí van (1 đến 16/32/48/64, tuỳ theo số mô đun phân loại của máy), theo thời gian (bao gồm thời gian mở trễ van sau khi phát động lệnh mở, thời gian duy trì mở, đều yêu cầu chính xác ±0,1 ms),

đồng thời đảm bảo tần suất kích hoạt van thổi cao nhất tới 100 Hz (chu kỳ min 10 ms), trung bình 5 Hz ( chu kỳ trung bình 0,2 s), trong dải áp suất cho phép (4-5 bar) 2.2.2.5.2 Đặc tính kỹ thuật van thổi

- Kiểu: van điện khí trực tiếp tác động nhanh của MAC (model 44B) hoặc FESTO (model MHA2-MS1H-3/2G-2), thiết kế chuyên dụng cho các loại máy phân loại hạt

- Thời gian đóng/mở (respond times): ≤ 1,5(MAC)-2(FESTO)ms ±10% , đối xứng

- Bước lắp nhỏ nhất: 10 mm

- Tiêu thụ khí nén: 80-100 l/min

- Điện áp kích: 24 VDC-100 VDC (xung)

- Công suất: 4W-16W(xung)

- Bôi trơn: không đòi hỏi

2.2.2.5.3 Thiết kế manifold (bộ chia khí cho các van thổi tách hạt)

- Để đảm bảo lưu lượng cho số van thổi được lắp trên máy, đồng thời cấp khí nén một cách đồng đều cho mọi van, manifold được thiết kế đối xứng, có tính đến lưu lượng trung bình của hệ thống khi tỷ lệ hạt xấu đầu vào tới 10%, công suất phân loại cao nhất (5 tấn/h)

- Manifold được thiết kế theo mô đun, tương ứng với số mô đun phân loại, trong đó mỗi mô đun phân loại bao gồm 01 camera, 01 bộ cấp liệu rung, 01 máng

OPSOTEC 5.01A/5.00B), 01 bộ điều khiển van thổi, 01 máng thu liệu tốt sau phân loại Nhờ thiết kế này, khí đ−ợc cấp đều hơn, việc hiệu chỉnh thuận tiện, tháo lắp sửa chữa theo từng phần, đồng thời dễ dàng thay đổi công suất máy theo số mô đun Ngoài ra, điều kiện công nghệ chế tạo của ta cũng chỉ đáp ứng những chiều dài khoan không quá sâu, trên vật liệu nhôm

Hình 33 Đáp ứng thời gian của

gian mở, duy trì, đóng

100%

Độ mở