Những năm qua, diện tích cấy lúa trên cả nước giảm dần, nhưng nhờ có sự tăng nhanh trong sử dụng giống lúa xác nhận kèm quy trình canh tác đa dạng, thích nghi với điều kiện thời tiết nên
TỔNG QUAN
Tình hình chung về sản xuất gạo ở Việt Nam từ trước tới nay
Gạo là mặt hàng thiết yếu trong đời sống hàng ngày tại nhiều quốc gia châu Á Tại Việt Nam, gạo không chỉ được tiêu thụ trong nước mà còn là mặt hàng xuất khẩu chủ lực, góp phần quan trọng vào nền kinh tế Đến năm 2022, Việt Nam đã vươn lên trở thành một trong ba quốc gia xuất khẩu gạo lớn nhất thế giới.
Trước năm 1986, Việt Nam phải nhập khẩu gạo do sản xuất trong nước không đủ đáp ứng nhu cầu tiêu dùng Tuy nhiên, từ năm 1986, nhờ vào các chính sách đổi mới trong phát triển kinh tế và nông nghiệp, sản xuất lúa gạo của Việt Nam đã tăng nhanh về cả sản lượng lẫn năng suất Đến năm 1989, Việt Nam lần đầu tiên xuất khẩu gạo, chấm dứt tình trạng thiếu gạo và chuyển sang xuất khẩu Sau hơn 30 năm, gạo Việt Nam hiện có mặt tại hơn 150 quốc gia và vùng lãnh thổ.
Trong bối cảnh tái cơ cấu ngành nông nghiệp, ngành lúa gạo đang được cải cách nhằm nâng cao hiệu quả và phát triển bền vững Mục tiêu chính là đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước, bảo đảm an ninh lương thực quốc gia, và hình thành chuỗi giá trị lúa gạo hiệu quả Đồng thời, việc nâng cao thu nhập cho nông dân và lợi ích cho người tiêu dùng, cùng với xuất khẩu gạo đạt chất lượng và giá trị cao, cũng được chú trọng.
Trong những năm gần đây, diện tích cấy lúa trên toàn quốc đã giảm, nhưng nhờ vào việc sử dụng giống lúa xác nhận và áp dụng quy trình canh tác đa dạng, năng suất lúa đã tăng cao và ổn định Điều này không chỉ đáp ứng được nhu cầu của thị trường mà còn nâng cao tỷ trọng các loại gạo chất lượng cao, góp phần tăng giá trị xuất khẩu.
2019, lần đầu tiên Việt Nam có giống gạo thơm đạt danh hiệu gạo ngon nhất thế giới là gạo ST25
Hình 0.1 Cơm Việt Nam Rice lên kệ tại hệ thống đại siêu thị Carrefour tại Pháp.
Quy trình sản xuất gạo ở nước ta hiện nay
- Quy trình sản xuất gạo ở nước ta hiện này bao gồm:
Bước 1: Tiếp nhận nguyên liệu và bao bì
Lúa sau khi thu hoạch từ đồng ruộng sẽ được chuyển đến nhà máy sau khi đã trải qua quá trình kiểm tra chất lượng Bao bì được nhận vào sẽ được kiểm tra kỹ lưỡng về nhãn mác và quy cách, đảm bảo sẵn sàng cho các bước tiếp theo trong quy trình sản xuất.
Lúa tươi sau khi được tiếp nhận sẽ được đưa qua hệ thống sấy đến khi đạt được độ ẩm yêu cầu, cho ra lúa khô
Lúa khô được đưa qua hệ thống lọc tạp chất, dậy nhợ, sau đó được đưa vào hệ thống bóc vỏ để cho ra gạo lứt
Bước 4: Xát trắng – lau bóng
Gạo lứt, gạo trắng được cho qua máy xát trắng – lau bóng để đảm bảo độ trắng mong muốn
Gạo sau khi xát trắng – lau bóng được tiếp tục chuyển qua máy tách hạt để cho ra sản phẩm có tỷ lệ tấm đạt tiêu chuẩn yêu cầu
Bước 6: Sàng tách tạp chất, tách màu, hút bụi
Trước khi tiến hành cân và đóng gói, gạo sẽ được xử lý qua hệ thống loại bỏ tạp chất Tiếp theo, gạo sẽ được đưa vào máy tách màu để loại bỏ những hạt không đạt tiêu chuẩn Cuối cùng, quá trình hút bụi sẽ được thực hiện nhằm đảm bảo gạo sạch và an toàn cho người tiêu dùng.
Gạo được cân bằng hệ thống cân tự động theo yêu cầu của từng đơn hang với từng loại bao khác nhau
Gạo sau khi được cân bằng hệ thống cân tự động theo yêu cầu của từng đơn hàng được đóng gói để thực hiện cho các bước tiếp theo
Gạo sau khi đóng gói sẽ được chuyển qua máy rà kim loại để đảm bảo thành phẩm gạo không chứa kim loại trước khi xuất bán
Tiếp nhận nguyên liệu và bao bì
Xát trắng – lau bóng Tách hạt
Sàng tách tạp chất , tách màu, hút bụi
Cân định lượng Đóng gói Rà kim loại xuất bán
Hình 0.2 Quy trình sản xuất gạo ở Việt Nam
Nhu cầu cân định lượng gạo ở nước ta hiện nay
Cải tiến và phát triển thiết bị cân định lượng và đóng gói gạo ngày càng được chú trọng, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu thất thoát nguyên liệu Đây chính là nhu cầu thiết yếu đối với nước ta trong bối cảnh hiện nay.
Tình trạng cân định lượng gạo tại Việt Nam hiện nay chủ yếu diễn ra ở các cơ sở bán lẻ Để phục vụ nhu cầu mua bán gạo nhỏ lẻ, nhiều hộ gia đình sản xuất đã áp dụng các phương pháp cơ bản, trong đó phổ biến nhất là sử dụng cân đồng hồ lò xo.
- Phương pháp trên có các ưu điểm:
Đơn giản, dễ dàng thao tác
Giá thành rẻ, chỉ cần một cân đồng hồ lò xo khoảng 30 kg
- Nhược điểm của phương pháp trên:
Sai số gây ra trong quá trình đọc giá trị
Gây thất thoát cho cả người mua và người bán vì quá trình trên thực hiện bằng tay
Tốn nhiều thời gian và nhân lực, từ đó làm năng xuất thấp b Cân định lương ở các nhà máy
Cân định lượng thường sử dụng là cân điện tử được lập trình sẵn, với miệng bao được may hoặc ép tự động tùy thuộc vào từng cơ sở sản xuất và loại bao Đối với gạo, sau khi cân, công nhân sẽ may miệng bao bằng máy may chuyên dụng hoặc máy may cầm tay Còn với sản phẩm đóng gói trong túi nhựa, quy trình diễn ra tự động sau khi cân, và miệng túi được hàn bằng máy ép Phương pháp cân định lượng này mang lại nhiều ưu điểm trong quy trình đóng gói.
- Được thực hiện tự động hóa
- Sai số nhỏ, có thể kiếm soát được, từ đó hạn chế được sự thất thoát gạo
- Quá trình định lượng nhanh chóng, hiệu xuất cao
Nhược điểm của phương pháp trên là:
- Giá thành đầu tư cao
- Tiêu tốn chi phí bảo trì thiết bị thường xuyên
Hình 0.3 Máy cân định lượng của Công ty Công Nghệ Hữu Quyền
Nhu cầu về cân định lượng ngày càng tăng tại các cơ sở vừa và nhỏ, nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Việc sử dụng thiết bị cân chính xác giúp giảm thiểu sai số trong quá trình định lượng, từ đó hạn chế thất thoát nguyên liệu và tối ưu hóa hiệu quả sản xuất.
Tổng quan về các loại máy cân định lượng
1.4.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo cơ bản của máy cân định lượng a Nguyên lý hoạt động
Dòng nguyên liệu được đưa vào cân định lượng và đi vào một bộ phận cơ khí gắn với cảm biến lực (Loadcell) Cảm biến lực này sẽ phát tín hiệu điện gửi về bộ điều khiển trung tâm.
Bộ điều khiển trung tâm thực hiện việc tính toán và so sánh với ngưỡng đã được cài đặt, từ đó phát lệnh cho các thiết bị chấp hành nhằm giảm lưu lượng dòng chảy của nguyên liệu hoặc ngăn chặn hoàn toàn việc cấp liệu Cấu tạo cơ bản của hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều khiển và quản lý dòng nguyên liệu.
- Về cơ bản cân định lượng bao gồm:
Cơ cấu chứa liệu đầu vào: là các phễu, silo, bồn chứa, … để chứa nguyên liệu đầu vào, trước khi được định lượng
Bộ định lượng: dẫn liệu từ phễu chứa đi vào hoặc đi qua bộ cân
Module cân định lượng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ chính xác của cân Thiết bị này được trang bị cảm biến lực (loadcell), và việc chọn lựa loadcell phù hợp sẽ phụ thuộc vào ứng dụng cũng như loại nguyên liệu sử dụng.
1.4.2 Máy cân định lượng điện tử Công ty Máy Thiết Bị Miền Nam
Hình 0.4 Sản phẩm cân định lượng điện tử Công ty Máy Thiết Bị Miền Nam
- Các thông số của máy:
Năng suất: 10 − 15 Sản phẩm / phút
1.4.3 Máy cân định lượng điện tử Công ty Công Nghệ Hữu Quyền
Hình 0.5 Sản phẩm cân định lượng điện tử Công ty Công Nghệ Hữu Quyền
- Các thông số của máy:
Năng suất: 6 − 10 Sản phẩm / phút
Cảm biến lực (loadcell) tùy chọn: Keli, Zemic, VMC, AmCells
1.4.4 Máy cân định lượng điện tử Công ty Cân Điện Tử Nguyễn Minh
Hình 0.6 Sản phẩm cân định lượng điện tử Công ty Cân Điện Tử Nguyễn Minh
- Các thông số của máy:
Dải định lượng: 0.5 kg, 1 kg, 2 kg, 5kg, 10kg
Năng suất: 10 Sản phẩm / phút
Hệ thông cửa cân định lượng 2 – 3 cấp
Cảm biến lực (loadcell) tùy chọn: VMC – USA, AmCells – USA,
1.4.5 Máy cân định lượng điện tử Công ty Máy Đóng Gói An Thành
Hình 0.7 Sản phẩm cân định lượng điện tử Công ty Máy Đóng Gói An Thành
- Các thông số của máy:
Dải định lượng: 0.5 kg, 1 kg, 2 kg, 5kg, 10kg
Năng suất: 8 đế𝑛 12 Sản phẩm / phút
Mục tiêu nhiệm vụ và phạm vi đề tài
Mục tiêu của đề tài sẽ thiết kế và điều khiển cân định lượng gạo cho các cơ sở vừa và nhỏ với các yêu cầu:
- Thiết kế máy cân định lượng gạo với các lựa chọn 1 kg, 2 kg, 5kg, 10kg
- Năng suất cho ra từ 6 – 10 sản phầm /phút
- Độ chính xác đạt ± 0.5% b Nhiệm vụ
Xuất phát từ mục tiêu, các nhiệm vụ cần phải thực hiện của luận văn bao gồm:
- Tìm hiểu trổng quan về cân định lượng gạo
- Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế thùng cân và chứa gạo
- Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân định lượng bao gồm quá trình cấp gạo từ thúng chứa, từ đó thực hiện cân định lượng
- Thực nghiệm kiểm nghiệm c Phạm vi đề tài Ứng dụng máy vào các cơ sở cung cấp gạo nhỏ và lẻ
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Hệ thống thùng chứa gạo
Chức năng: chứa và xả gạo xuống thùng cân
- Chứa vật liệu rời: gạo
- Khả năng chứa tối đa: 80 kg
- Đáy thùng có cửa xả vật liệu
Dạng đáy phẳng: được sử dụng phổ biến
Thùng đáy phẳng dễ chế tạo
Không tạo được dòng chảy cho vật liệu trong thùng, thường sự dụng thêm thiết bị hỗ trờ để đưa vật liệu ra ngoài
Dạng đáy phễu: Được dùng trong hầu hết các thùng chứa trong các ngành công nghiệp
- Ưu điểm: kết cấu hình học của loại thùng này cho phép tạo ra dòng chảy trong việc xả vật liệu
- Nhước điểm: giá thành đắt hơn, nếu dùng cánh quạt để khuấy vật liệu, cần phải làm trục dài hơn so với thùng đáy phẳng
- Ưu điểm: tạo ra dòng chảy vật liệu tốt
Do hình dạng bị lệch vì thế phải thiết kế giá đỡ hợp lý để đảm bảo sự cân bằng
Tính toán phức tạp do lệch tâm hình học của thùng b Thùng cân
Chức năng của thiết bị là lắp đặt cố định với load cell nhằm định lượng gạo một cách chính xác Các chi tiết gá giúp đảm bảo trọng tâm khối lượng được phân bố đồng đều lên các load cell, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Ngoài ra, thiết bị còn được trang bị cửa xả vật liệu, cho phép gạo được đổ vào miệng bao một cách thuận tiện.
Hình dáng của thùng cân và thiết kế thùng chứa gạo phụ thuộc vào vị trí đặt load cell để điều chỉnh cấu trúc thùng Một yếu tố quan trọng trong thiết kế thùng chứa là chế độ dòng chảy, ảnh hưởng đến hình dạng của thùng và cửa xả vật liệu.
Có 3 loại dòng chảy trong thùng chứa dạng phễu:
Mass flow: Vật liệu trong thùng chứa đều chuyển động khi nắm thùng chứa mở, tuy nhiên vận tốc có thể khác nhau
Tận dụng hiệu quả sức chứa của thùng
Vật liệu cho vào trước được ra trước
Làm mòn bề mặt thùng hơn
Ứng suất lên thành thùng lớn hơn
Yêu cầu chiều cao lớn hơn
Funnel flow: chỉ có vật liệu tại lõi thùng chứa chuyển động khi nắp thùng mở tromg khi vật liệu cạnh thành thùng chứa thì đứng yên
Yêu cầu chiều cao thấp hơn
Tạo khoảng không dạng ống trên cửa ra
Vật liệu cho vào trước nhưng lại ra sau
Phân chia ứng xuất không đều có thể gây ra phá hủy thùng chứa
Expanded flow: dạng kết hợp giữa mass flow và funnel flow d Cửa xả vật liệu
Cần có cơ cấu bánh rămg – thanh rang hoặc trục vít – bánh vít để chuyển đổi chuyển động xoay thành chuyển động tịnh tiến
Khả năng điều khiển cho dạng thùng chứa có tải lớn
Dễ dàng điểu khiển lưu lượng
Thiết kế cơ cấu tịnh tiến phức tạp
Chi phí cao để chế tạo cơ cấu chuyển đổi chuyển động
Cửa xả dạng vòng cung
Thường được điều khiển thông qua cửa đóng được tác động bởi xylanh
Thiết kế cửa xả phức tạp
Có thể điều khiển thông qua tốc độ quay của vis
Vận chuyển vật liệu chuyển động ổn định
Có thể vận chuyển vật liệu từ nơi thấp đến nơi cao hơn
- Nhược điểm: lưu lượng đáp ứng chậm
Hình 0.1 Các loại dòng chảy
Các hình dạng thùng tạo ra thùng chứa tạo ra dạng mass flow:
- Dạng cửa mở vuông (square opening)
Hình 0.2 Các dạng thùng chứa tạo ra mass flow
Các dạng thùng chứa tạo ra funnel flow:
- Dạng chóp cửa xả hình vuông (pyramid, square opening)
- Dạng côn (conical – với đường kính cửa xả khác)
Hình 0.3 Các loại thùng chứa tạo ra funnel flow
Chế độ dòng chảy mass flow là lựa chọn tối ưu để đảm bảo dòng chảy ổn định, ngăn ngừa hư hỏng cho vật liệu gạo, đồng thời tối đa hóa hiệu quả sức chứa của thùng chứa.
Khi lựa chọn thùng chứa gạo, cần ưu tiên các thiết kế tạo ra dòng chảy khối (mass flow) với đáy phễu Thùng chứa nên có cửa xả hình chữ nhật kết hợp với cửa xả vật liệu dạng tấm để đáp ứng tốt nhất các yêu cầu đề ra.
- Thùng cân: đảm bảo tính ổn định cho thùng cân load cell được lắp 2 bên thành thùng, thiết kế thùng dạng phễu với cửa xả vật liệu dạng tấm.
Bộ phận định lượng
Có hai phương pháp định lượng: định lượng theo thể tích và định lượng theo khối lượng Định lượng theo thể tích
Vít định lượng là thiết bị dùng để định lượng vật liệu rời với độ chính xác trung bình Cấu tạo của nó tương tự như vít tải, nhưng kích thước thường nhỏ và ngắn hơn Khi vít định lượng quay với tốc độ cố định, lượng vật liệu cung cấp sẽ ổn định theo thời gian.
Vít cấp liệu có thể đặt nằm ngang hoặc nằm nghiêng
Lượng cung cấp của vít định lượng không đồng đều theo thời gian do cấu tạo của vít và tính chất khó chảy của vật liệu rời Trong thực tế, việc xác định lượng cung cấp thường được thực hiện thông qua đo đạc tại chỗ.
Đĩa quay nằm ngang được cấu tạo với phiễu chứa vật liệu ở phía trên, cùng với thanh gạt cố định và động cơ điện kết hợp bộ giảm tốc nằm bên dưới Khi vật liệu từ phễu chảy xuống đĩa quay, phần tiếp xúc với thanh gạt sẽ được lấy ra và rơi xuống phía dưới.
Lượng vật liệu định lượng được điều chỉnh thay đổi vị trí thanh gạt vào sâu hay lùi ra khỏi đĩa quay
Năng suất máy định lượng phụ thuộc vào thể tích sản phẩm trên đĩa, chiều cao và vị trí đặt thanh gạt cũng như số vòng quay của đĩa
Đĩa định lượng là thiết bị chuyên dụng để cấp và định lượng vật liệu dạng hạt nhỏ và bột khô, đảm bảo cung cấp liệu với độ chính xác cao ngay cả khi năng suất lớn.
Cấu tạo giống như băng tải vận chuyển nhưng ngắn hơn do chỉ dùng để định lượng hơn là vận chuyển
Phễu chứa nguyên liệu được lắp đặt ở phía trên băng tải, đảm bảo việc cung cấp nguyên liệu diễn ra đồng đều Cửa ra của phễu nạp có tấm chắn giúp điều chỉnh diện tích cửa ra, từ đó thay đổi lượng nguyên liệu cung cấp một cách linh hoạt.
Hai bên băng được lắp thêm tấm chắn, tạo nên mặt cắt hình chữ nhật cho lớp sản phẩm trên băng, từ đó giúp quá trình định lượng trở nên chính xác hơn.
Hình 0.6 Băng định lượng Định lượng theo khối lượng
Định lượng từng phần là lấy từng phần vật liệu rời từ khối vật liệu ban đầu, với thể tích hoặc trọng lượng của từng phần bằng nhau
Được sử dụng phổ biến trong quá trình trộn hoặc đóng gói sản phẩm
Phương pháp trên có thể thực hiện tự động hoặc bán tự động
Quá trình định lượng bao gồm xả vật liệu thô và xả vật liệu tinh để đảm bảo đúng theo khối lượng yêu cầu
Hình 0.7 Định lượng từng phần
Kết luận: Việc lựa chọn phương pháp định lượng từng phần không chỉ giúp tự động hóa quy trình mà còn đảm bảo độ chính xác cao, đồng thời trở nên phổ biến trong ngành đóng gói sản phẩm.
Cơ cấu chấp hành
Để điều khiển cửa xả vật liệu, cần sử dụng cơ cấu chấp hành phù hợp Cửa xả dạng tấm có thể được điều khiển bằng các cơ cấu chấp hành khác nhau để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Thiết kế đơn giản, đáp ứng nhanh, dễ điều khiển
Sạch sẽ, an toàn, thân thiện với môi trường
Độ chính xác chưa cao
Gây ra tiếng ồn lớn Động cơ DC:
Dễ dàng thay đổi tốc độ động cơ
Thường xuyên bảo trì do mòn chổi than Động cơ servo:
Điều khiển lưu lượng dễ
Dễ dàng thay đổi tốc độ
Tốc độ phản ứng nhanh và chính xác
Điều khiển phức tạp Động cơ step:
Động cơ bước có giá thành thấp
Dễ dàng thay đổi tốc độ
Có thể điều chỉnh chính xác góc quay
Động cơ bước sẽ ồn và nóng dần lên khi hoạt động
- Hệ thống yêu cầu điều khiển được dòng chảy, xong giá thành vẫn cần tối ưu nên chọn động cơ bước
- Đối với nhược điểm trượt bước thì việc trượt 1 2 xung không ảnh hưởng đến hệ thống
- Đối với hệ thống kẹp bao, đảm bảo yêu cầu nhanh, điều khiển đơn giản, lựa chọn xylanh khí nén
Cảm biến tải trọng (load cell)
Cảm biến tải trọng là thiết bị chuyển đổi lực và trọng lượng thành tín hiệu điện, cho phép hiển thị, lưu trữ hoặc điều khiển các hệ thống khác nhau.
Load cell thủy lực là một loại cảm biến dùng để đo trọng lượng, hoạt động dựa trên sự thay đổi áp suất của chất lỏng bên trong một thiết bị có cấu trúc cơ khí tương tự như piston.
Sử dụng trong các môi trường dễ cháy nổ bởi thiết kế không sử dụng các thành phần điện
Độ chính xác không cao bằng các loại khác
Load cell khí nén, tương tự như load cell thủy lực, hoạt động dựa trên áp suất không khí để đo trọng lực Thiết bị này thường được áp dụng trong các ngành công nghiệp, nơi mà an toàn và vệ sinh là ưu tiên hàng đầu trong quy trình đo lường trọng lượng.
Sử dụng trong môi trường yêu câu cao về an toàn cháy nổ
Ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ của môi trường
Cần phải cấp nguồn không khí hoặc nitơ sạch
Load cell dạng strain gauge
Strain gauge là một thiết bị điện trở, bao gồm một sợi dây kim loại mảnh được gắn trên tấm cách điện đàn hồi Thiết bị này thường được sử dụng trong việc chế tạo load cell, cảm biến đo mô men, áp suất và lưu lượng Nguyên lý hoạt động của strain gauge dựa trên việc thay đổi chiều dài của sợi dây kim loại khi có ngoại lực tác động, dẫn đến sự thay đổi điện trở theo một công thức cụ thể.
- 𝑙 là chiều dài dây dẫn
Để nâng cao độ chính xác trong việc đo lường, người ta tăng biến dạng của dây kim loại bằng cách kéo dài chiều dài của nó, đặt sợi dây theo hình zigzag.
Load cell dạng strain gauge hoạt động nhờ vào nguồn điện ổn định và được gắn trên một thanh kim loại chịu tải Thanh kim loại này có một đầu cố định và đầu còn lại tự do, kết nối với mặt bàn cân Khi lực tác dụng lên thanh kim loại, nó sẽ bị biến dạng, dẫn đến sự thay đổi chiều dài của dây kim loại trong điện trở.
Cấu tạo chính của load cell train gauge gồm 4 điện trở 𝑅 1 , 𝑅 2 , 𝑅 3 , 𝑅 4 kết nối thành 1 mạch cầu wheatstone và được dán vào thân của loadcell
Hình 0.8 Mạch cầu wheatstone nối 4 tấm strain gauge
Ứng dụng được trong hầu hết các lĩnh vực với dải đo rộng, nhiều kiểu đo tải
Bởi cấu tạo chủ yếu là các thành phần điện nên hạn chế sử dụng trong các môi trường yêu cầu cao về an toàn cháy nổ
Bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ
Các loại load cell dạng strain gauge:
Hình 0.9 Load cell dạng thanh
Load cell giá rẻ và phổ biến hơn so với các loại khác Loại load cell này thường được sử dụng khi không thể tìm thấy nguồn hàng cho các loại chuyên dụng Trong trường hợp đó, có thể sử dụng các cơ cấu cơ khí để gá load cell, giúp nó hoạt động như các load cell chuyên dụng.
Hình 0.10 Load cell dạng chữ S
Thường sử dụng trong các máy đo lực
Hình 0.11 Load cell dạng mọng
Thường được dùng trong hệ thống cân điện tử
- Thông số kỹ thuật cơ bản của load cell:
Độ chính xác: Chỉ số này cho biết phần trăm chính xác trong phép đo Chỉ số càng nhỏ thì máy cân cho kết quả đo càng chính xác
Giá trị đầu ra: kết quả đo được thường dùng đơn vị mV
Công suất định mức: Chỉ số là là giá trị khối lượng lớn nhất (Max) mà hệ thống loadcell đo được
Điện áp: thường đưa giá giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của điện áp làm việc
Dài bù nhiệt độ: Đây là chỉ số chỉ khoảng nhiệt độ mà đầu ra của hệ thống loadcell được bù vào
Cấp bảo vệ: Thông số này được đánh giá theo thang đo IP (chỉ số IP: bảo vệ chống xâm nhập)
Độ trễ: chỉ số biểu thị hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả, gây ra tình trạng sai số trong kết quả
Kết luận, với tính phổ biến và độ chính xác cao, cùng với môi trường hoạt động không yêu cầu khắt khe về phòng chống cháy nổ, việc lựa chọn load cell dạng strain gauge là quyết định hợp lý.
Xử lý tín hiệu cảm biến
Tín hiệu từ load cell thường chỉ đạt vài 𝑚𝑉, do đó nó rất nhạy cảm với nhiễu và không thể truyền đi xa Để đảm bảo độ chính xác, việc đọc tín hiệu số trực tiếp là cần thiết.
Không cần bộ chuyển đổi digital
Phải sử dụng loại load cell digital chuyên dụng
Dùng thiết bị khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu ADC
Sản phẩm có giá thành rẻ
Tín hiệu được khuếch đại, giảm thiểu sai số
Tín hiệu có thể bị nhiễu
Kết luận: Việc lựa chọn thiết bị khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu thông qua bộ chuyển đổi Z-SG mang lại khả năng chống nhiễu hiệu quả, từ đó tạo ra tín hiệu chất lượng cao, đáp ứng chính xác các sai số yêu cầu trong đề bài.
Hình 0.12 Bộ khuếch đại Z-SG
Bộ điều khiển
Ngôn ngữ lập trình chủ yếu dạng ladder, dễ lập trình
Có khả năng mở rộng input và output cũng như xử lý tín hiệu nhờ các module chức năng
Dễ dàng thay thế và bảo trì
Giá thành cao hơn các loại vi điều khiển
Giá thành rẻ hơn PLC
Kích thước nhỏ gọn, tiện lợi, linh hoạt
Khả năng chống nhiễu kém
Kết luận: Với yêu cầu cao về độ chính xác, khả năng chống nhiễu tốt và tính linh hoạt trong lập trình và bảo vệ, bộ điều khiển PLC là lựa chọn tối ưu Nó có thể kết hợp dễ dàng với các màn hình HDMI, giúp theo dõi kết quả đo một cách trực quan và thuận tiện trong việc nhập dữ liệu.
THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Yêu cầu kỹ thuật
Dựa trên yêu cầu của bài toán cân định lượng gạo, các tiêu chí thiết kế cơ khí cho hệ thống cân định lượng cần được xác định rõ ràng Những yêu cầu này bao gồm độ chính xác cao, khả năng vận hành ổn định và dễ dàng bảo trì Hệ thống cần phải đảm bảo tính linh hoạt trong việc điều chỉnh trọng lượng gạo và đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi trong quy trình sản xuất.
Thùng chứa được thiết kế để tạo ra dòng chảy Mass Flow, giúp ngăn chặn hiện tượng ứ đọng vật liệu ở hai bên Điều này đảm bảo rằng vật liệu không bị chảy do hiện tượng tạo vòm và không rò rỉ ra ngoài với lượng lớn.
Thùng chứa có dung tích tối đa 80 kg gạo, được thiết kế để cung cấp gạo cho bộ phận cân định lượng Sau khi hoàn tất quá trình cân, bộ phận này sẽ tự động chuyển gạo vào túi thông qua một phễu rót.
Với yêu cầu đề bài thùng cân có khả năng cân là 10𝑘𝑔
Cửa xả vật liệu điều khiển được lưu lượng bằng cách điều khiển vị trí
- Khung máy thuận tiện cho việc lắp ráp, sửa chữa, thay thế cũng như có thể dễ dàng thêm các bộ phận phục vụ chức năng mở rộng
- Hệ thống đảm bảo độ bền và độ cứng vững
Điều kiện tạo dòng chảy Mass Flow
Dòng chảy Mass Flow là dòng chảy của vật liệu được thiết kế để ngăn ngừa các vấn đề như ứ đọng ở thành, dừng chảy do hiện tượng tạo vòm, và vật liệu đóng thành bánh do sự thay đổi độ ẩm không khí Để đảm bảo dòng chảy liên tục và tránh tạo ra vùng chết, việc tính toán độ rộng của cửa xả là rất quan trọng.
Hình 0.1 quan hệ giữa độ ẩm và góc nghiêng của hạt lúa
28 Ở Việt Nam, lúa sau khi phơi qua 2 lần đạt độ ẩm 12% thì sẽ được đem vào kho bảo quản, lựa chọn độ ẩm gần bằng 12.5 % từ đó ta có 𝜑 𝑒 = 30 0
Ta có hệ số ma sát nghỉ của thép là 0.42 suy ra:
Hình 0.2 đồ thị quan hệ giữa góc nghiêng đáy và ma sát thành
Dựa vào đồ thị ta có được góc nghiêng của đáy:
Hình 0.3 hệ số dòng chảy
Từ đó ta dừa vào độ thì trên tính toán được hệ số dòng chảy đối với hình phễu
Bảng 0.1 Bảng thực nghiệm Geogle
Hình 0.4 Đồ thị xác định 𝜎 𝑐𝑟𝑖𝑡
𝜎 𝑐𝑟𝑖𝑡 = 0.86 𝑘𝑃𝑎 Suy ra đường kính tối thiểu để tạo ra Mass Flow là:
Thùng chứa và cân gạo
3.3.1 Tính toán kích thước cho thùng chứa
Hình 0.5 Thùng chứa hình phễu
Yêu cầu đầu bài là 2 thùng chứa gạo chứa được 80 𝑘𝑔 gạo
Công thức tính thể tích hình trụ là:
→ ℎ = 0.269 𝑚 ≈ 0.27 𝑚 3.3.2 Tính toán kích thước cho thùng cân
Hình 0.6 Thùng cân hình phễu
Yêu cầu đầu bài là thùng cân gạo chứa được 10 𝑘𝑔 gạo
Công thức tính thể tích hình trụ là:
→ ℎ = − 0.0387 𝑚 Suy ra không cần phần chứa ở trên
3.3.3 Áp lực tác dụng lên thành thùng chứa và thùng cân
Các thông số đã tính toán ở trên:
- Khối lượng riêng của gạo: 1150 𝑘𝑔/𝑚 3
- Hệ số ma sát với thành: 0.42
Lựa chọn thiết kế thùng chứa bằng 𝑖𝑛𝑜𝑥 304 có ứng suất bền [𝜎] = 520 (𝑀𝑃𝑎) Áp lực tác dụng lên thùng chứa bao gồm 2 phần: phần thân và phần đáy
Phần thân Áp lực tác dụng theo phương ngang:
𝑝 ℎ𝑓 = 𝑝 ℎ 0 × 𝑌 𝑗 (𝑧) Áp lực tác dụng theo phương tiếp tuyến
𝑝 𝑤𝑓 = 𝜇 × 𝑝 ℎ𝑓 Áp lực tác dụng theo phương thẳng đứng:
𝑘× 𝑝 ℎ𝑓 Phần đáy: Áp lực tác dụng lên vách theo phương pháp tuyến:
𝐶 𝑏 = 1.3: hệ số khuếch đại lực tại đáy silo
𝑈 nội chu vi tiết diện
Sử dụng Matlab để tính toán và vẽ đồ thị áp lực tác dụng lên thùng: clear all
D = 0.3; % duong kinh thung chua h = 0.35; % chieu cao thung chua h1 = 0.32; h2 = 0.1; pi = 3.14; k = 1/3; muy = 0.466; z = linspace(0,h1,100); gama = 1150 ; % khoi luong rieng cua vat
Cb = 1.3;% He so khuyech dai xilo beta = 25; lh = (h1+h2)/sind(beta)-h2/sind(beta); x=linspace(0,lh,100);
% chu vi va dien tich hopper
%ham tinh ap luc phan than
%ham tinh ap luc phan day for i = 1:100
P_n1 = P_vft*(Cb*(sind(beta))^2+(cosd(beta))^2);
Công thức tính áp lực P_n3 được xác định bởi P_n3 = 3*(S/C)*(gama*k/sqrt(muy))*(cosd(beta))^2 Áp lực tổng hợp p_nf được tính bằng p_nf = (P_n1 - P_n2)*x(i)/lh + P_n2 + P_n3 Để trực quan hóa dữ liệu, sử dụng lệnh subplot(1,2,1) để vẽ đồ thị áp lực p_nf theo chiều cao của phễu (m) với nhãn trục x là 'do cao cua pheu (m)' và nhãn trục y là 'ap luc (N/m^2)' Trong subplot thứ hai, sử dụng lệnh subplot(1,2,2) để vẽ đồ thị P_hf theo chiều cao của thanh bên (m), với nhãn trục x là 'do cao cua thanh ben (m)' và nhãn trục y là 'ap luc (N/m^2)'.
Hình 0.7 áp lực tác dụng lên thành
Dùng áp lực đã tính ra từ Matlab mô phỏng kiếm tra bền trong Solidworks simulation
Hình 0.8 Ứng xuất phân bố trên phần phễu thùng cân gạo
Hình 0.9 Ứng xuất phân bố lên thùng chứa gạo
Công thức tính tốc độ dòng chảy của vật liệu:
- 𝜌: khối lượng riêng của vật liệu
Với các thông số đã tính toán để đạt được dong chảy mass flow, áp dụng vào công thức ta tính được tốc độ dòng chảy tối đa là:
3.3.5 Tính toàn trục vít a Tính toán kích thước trục vít
Vì lực kéo về của cửa xả lớn hơn lực ma sát của gạo tác dụng lên cửa xả nên ta có Lực tác dụng lên trục vít:
Hình 0.10 Lực tác dụng lên cửa xả
𝐹 𝑚𝑠 = 𝐹 𝑟 = 𝜇𝑁 = 0.8765 × 80 × 9.81 = 688 (𝑁) Lựa chọn vật liệu cho trục vít và đai ốc là thép và đồng thau Đường kính trung bình của ren là:
Với đường kính cửa xả 80𝑚𝑚, lựa chọn tốc độ sơ bộ của động cơ bước là 300 vòng/p
Từ đó ta lựa chọn 𝑧 ℎ = 2
𝜋𝑑 2 ] = 6.6 Chiều cao đai ốc và số vòng ren
Số vòng ren của đai ốc:
𝑝 = 13.75 Lựa chọn 𝑧 = 15 b Kiểm nghiệm bền cho trục vít
Các vít tải nặng cần được kiểm tra độ bền theo ứng suất tương đương
Góc ma sát tương đương cặp ren vít:
𝜌′ = arctan ( 𝑓 cos (𝛼/2)) = arctan ( 0,12 cos(30/2)) = 7,08 𝑜 Với:
𝑓 = 0,12: Hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu của vít và đai ốc
𝛾 < 𝜌 ⟹ Thỏa điều kiện tự hãm
Trong trường hợp biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến thì momen xoắn trên khâu dẫn được xác định theo công thức:
Vậy trục vít đủ bền a Tính kiểm nghiệm về độ ổn định
𝑆 0 : Hệ số an toàn về ổn định
𝐹 𝑡ℎ = 𝜋 2 𝐸𝐽 (𝜇𝑙) 2 =≈ 1780 𝑁 Với 𝐸 là modun đàn hồi của thép, 𝐸 = 2,1 × 10 5
→ Thảo mãn điều kiện về độ ổn định
𝐹 𝑟 = 0,23, nên chọn ổ bi đỡ 1 dãy
Từ đó ta chọn sơ đồ kích thước ổ
Kí hiệu ổ 𝑑 (mm) 𝐷 (mm) 𝐵 (mm) 𝐶 (kN) 𝐶 0 (kN)
Tính tải trọng quy ước:
Với 𝑉 = 1 (vòng trong quay), 𝑘 𝑡 = 1 (nhiệt độ 105 ∘ C), 𝑘 đ = 1 (đối với tải trọng tĩnh công suất nhỏ)
Chọn hệ số thực nghiệm:
𝐹 𝑟 = 0,23 < 𝑒 = 0,34 Theo bảng 11.4[1], ta thu được 𝑋 = 1; 𝑌 = 0 Tải trọng quy ước trên các ổ:
Tính khả năng tải động
Gỉa sử đối với máy ta thực hiện bảo trì 1 năm 1 lần
Giải sử làm việc mỗi ngày 8 tiếng, một năm làm việc 240 ngày
Thông thường đối với máy làm việc một ca, không sử dụng hết tải thì
𝐿 là tuổi thọ tính theo triệu vòng quay:
Vì 𝐶 đ < 𝐶 = 3450 (kN) nên ổ lăn đảm bảo khả năng tải động
3.3.8 Tính toán lựa chọn động cơ bước
Trường hợp biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến thì momen xoắn trên khâu dẫn được xác định theo công thức:
2× 688 × 11 × tan(13 + 4) = 1156 𝑁𝑚𝑚 Lựa chọn động cơ Nema 17 mã M-1713-1.5 của hãng Schneider electric motor
Tính toán lực kẹp của xylanh
Hình 0.12 tính toán lực kẹp Để kẹp được bao 𝐹 𝑚𝑠 ≥ 𝑃 = 10 × 9.81 = 98.1 𝑁
Sử dụng 2 xylanh nên ta có:
Hình 0.13 Sơ đồ bố trí xylanh kẹp
Từ đó ta có công thức tính lực của xy lanh là
Lựa chọn 𝑎𝑙𝑝ℎ𝑎 = 45 0 nhằm tối ưu kích thước phễu xả
Lực kẹp của xylanh là
4 Trong đó 𝑃 là áp suất thường dùng của máy nén khí là 8 𝑏𝑎𝑟
Lựa chọn hệ số an toàn 1.2 suy ra 𝐷 ≥ 25 𝑚𝑚
Vậy ta lựa chọn xylanh DNSU-25-25-P-A Của hang Festo
3.4.1 Kiểm nghiệm bền cho các chi tiết
Hình 0.15 Kiểm nghiệm bền cho khung
Ta thấy chuyển vị ở khung cao nhất là 0.061𝑚𝑚, vật liệu đủ bền
Hình 0.16 Kiểm nghiệm bền cho tấm trượt
3.4.2 Yêu cầu về máy cấp liệu
Để đáp ứng nhu cầu hoạt động tối đa với công suất 5 tấn/h, hiện nay có nhiều công ty cung cấp máy vít tải vật liệu rời có khả năng vận hành từ 3 đến 50 tấn/h.
Hình 0.17 Máy cấp vật liệu rời Công ty Băng Tải Thành Công
Máy vít tải inox nghiêng của Công ty Băng Tải Trường Thọ
Hình 0.18 Máy vít tải inox nghiêng Công ty Băng Tải Trường Thọ
Kết hợp với các module mở rộng khác
Hệ thống cơ khí cần tích hợp thêm băng tải dẫn hướng để phục vụ cho việc may bao công nghiệp, đồng thời yêu cầu tính toán kỹ lưỡng cho xylanh khí nén kẹp nhằm hỗ trợ các cơ sở đã có thiết bị khí nén sẵn có.
Hình 0.19 Băng tải dẫn hướng may bao công nghiệp
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Yêu cầu kĩ thuật với hệ thống điện
Hệ thống điện được thiết kế có khả năng kết nỗi giữa bộ phận cơ khí và phần lập trình Hệ thống điện bao gồm các khối:
- Khối nguồn: Cấp nguồn cho toàn bộ thiết bị hoạt động, đủ công suất
- Khối cảm biến: bao gồm các load cell chuyển đổi lực tác dụng thành tín hiệu điện với sai số nhỏ đảm bảo ± 0.5%
Khối giao tiếp với người dùng bao gồm màn hình HDMI, cho phép hiển thị các giá trị mà hệ thống thông báo cho người dùng và nhận dữ liệu từ bên ngoài.
- Khối điều khiển và xử lý tín hiệu: đảm bảo hệ thống đạt sai ± 0.5%
Cảm biến trọng lượng load cell
4.2.1 Lựa chọn tải trọng của load cell
Công thức tính tải trọng load cell
𝑁 𝑁: số cảm biến được sử dụng
𝑊 1 : Khối lượng cân tối đa thiết kế
𝑊 2 : Khối lượng của thùng cân
𝑓 1 : Hệ số động học (thường bằng 1,3)
𝑓 2 : Hệ số lệch tâm (thường bằng 1,2)
𝑓 3 : Hệ số bất cân bằng (1 khi 𝑁 = 2)
Vậy ta lựa chọn 2 load cell 15 𝑘𝑔
Bảng 0.1 Thông số load cell của hãng A&D
Rated Output (𝑚𝑉/𝑉) 2.2 ± 0.2 Điện áp hoạt động đề xuất 1 − 12 𝑉𝐷𝐶 Điện áp hoạt động tối ta 15𝑉𝐷𝐶
Nhiệt độ hoạt động −10 𝑜 𝐶 đến 50 𝑜 𝐶
Kích thước tối đa của platform 300 × 300 𝑚𝑚
Chống bụi / chống thấm nước IP67
Hình 0.1 Load cell 1-PW6CMR/15KG-1
4.2.2 Bộ khuếch đại tín hiệu Z – SG
Tín hiệu đầu ra của load cell có độ lớn nhỏ, cụ thể là 2.2 𝑚𝑉/𝑉 Khi cung cấp nguồn 5 VDC cho load cell, tác động của vật thể nặng 20 𝑘𝑔 sẽ tạo ra tín hiệu 5𝑚𝑉 Mạch đọc giá trị của load cell có độ phân giải 24 bit và chuyển đổi tín hiệu sang giao tiếp 2 dây (clock và data) để gửi đến PLC.
Hình 0.2 Sơ đồ đấu dây của Z-SG Bảng 0.2 bảng chân đấu dây bộ khuyếch đại Z - SG
Chân Tên Chức năng Chi tiết
3 ANALOG OUTPUT Ngõ ra tín hiệu anolog 0 − 10𝑉𝐷𝐶
7 SIG+ Ngõ vào tín hiệu từ cảm biến
8 SIG- Ngõ vào tín hiệu từ cảm biến
9 EXC- Ngõ vào tín hiệu từ cảm biến
10 EXC+ Ngõ vào tín hiệu từ cảm biến
Bộ điều khiển PLC sẽ yêu cầu các input và output như sau
Bảng 0.3 bảng địa chỉ input PLC Địa chỉ input Giải thích
X0001 Phím thực hiện chương trình hiệu chỉnh
X0002 Phím thực hiện định lương
X0003 Phím thực hiện xả nguyên liệu
Bảng 0.4 Bảng địa chỉ output PLC
Chúng tôi đã chọn PLC FX2N-16MT-DS vì nó có đầu ra dạng transistor, rất phù hợp cho việc điều khiển động cơ bước Ngoài ra, PLC này còn cung cấp nhiều cổng input và output, cho phép kết hợp dễ dàng với các module khác như module cấp bao.
Y0000 Cấp xung PWM điều khiển động cơ bước 1
Y0001 Cấp xung PWM điều khiển động cơ bước 2
Y0002 Đảo chiều động cơ bước 1
Y0003 Đảo chiều động cơ bước 2
Bảng 0.5 Thông số cơ bản PLC FX2N-16MT
Màn hình HMI
Đối với các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ, việc lựa chọn màn hình HMITK6071iQ là giải pháp tối ưu với kích thước đủ lớn và giá cả phải chăng Màn hình này còn hỗ trợ kết nối truyền thông với PLC, đáp ứng tốt nhu cầu vận hành và giám sát.
Hình 0.4 Màn hình HMI TK6071IQ Bảng 0.6 Bảng thông số màn hình HMI TK6071IQ
Màn hình HMI TK6071IQ
Dải nhiệu độ hoạt động 0 − 50 0 𝐶
Lựa chọn driver cho động cơ bước
Động cơ bước Nema 17 mã M-1713-1.5 có dòng định mức 1.5 𝐴𝑚𝑝 và yêu cầu tần số tối thiểu 350 𝐻𝑧 Để đáp ứng các yêu cầu này, chúng ta lựa chọn sử dụng driver TB6600 với dòng tối đa phù hợp.
3 𝐴𝑚𝑝, tần số tối đa là 20𝐾𝐻𝑧
Hình 0.5 Driver động cơ bước TB6600 Bảng 0.7 Thông số driver động cơ step TB6600
Dải nhiệt độ hoạt động −10 − 50 0 𝐶
Module ADC
Để PLC xử lý tín hiệu từ cảm biến load cell, cần sử dụng một bộ module ADC Với hộp Junction box, người dùng chỉ cần chuyển đổi một bộ tín hiệu ADC để kết nối với cảm biến.
Mitsubishi cung cấp hai module mở rộng cho các dòng PLC FX0N, FX1N, FX2N, FX2NC, bao gồm FX2N-2AD và FX2N-4AD Trong đó, FX2N-2AD cho phép thực hiện các chức năng mở rộng một cách hiệu quả.
57 ta có 2 bộ chuyển đổi ADC, với FX2N-4AD ta có 4 bộ chuyển đổi ADC, vì vậy ta lựa chọn module FX2D-2AD
Tính toán nguồn cho mạch điện
Công suất của 2 động bước là
𝑃 1 = 𝑈 × 𝐼 × 2 = 24 × 1.5 × 2 = 72𝑊 Còn lại các thiết bị có công suất tiêu thụ không đáng kể
Hệ số an toàn cho bộ nguồn là 1.2, suy ra bộ nguồn cần có công suất là
𝑃 𝑛 = 𝑃 1 × 1.2 = 87 𝑊 Bên cạnh đó, driver động cơ bước cần cấp nguồn 5𝑉𝐷𝐶 với công suất tiêu thụ là
𝑃 2 = 5 × 1.5 = 15𝑊 Vậy lựa chọn bộ nguồn tổ ong RD – 125B
Bảng 0.8 Thông số cơ bản của nguồn tổ ong RB-125B
Model No Output Tol Efficient Max
Hình 0.7 Bộ nguồn tổ ong RD-125B
Kết hợp với các module mở rộng khác
Để tích hợp với các module mở rộng khác, hệ thống điện cần thêm một cảm biến tiệm cận đặt ở miệng xả gạo Cảm biến này sẽ giúp nhận diện bao và kẹp, từ đó thực hiện quá trình định lượng chính xác.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Yêu cầu kỹ thuật
Dựa trên yêu cầu của bài toán cân định lượng gạo, các tiêu chí thiết kế hệ thống điều khiển cho cân định lượng cần được xác định rõ ràng.
- Đọc và xử lý tín hiệu cảm biến
- Điều khiển lưu lượng dòng chảy với phản hồi 1s
- Thiết kế hệ thống xả vật liệu với sai số ± 0.5%
Đọc và xử lý tín hiệu cảm biến
Cảm biến sau khi qua bộ khếch đại Z-SG, tín hiệu được truyền đến module FX2N-2AD, ở đây ta có thể lựa chọn xử lý tín hiệu là 4 − 20𝑚𝐴 hoặc 0 − 10𝑉
Để đơn giản hóa việc đấu dây cho module FX2N-2AD, chúng ta lựa chọn xử lý tín hiệu từ 0 đến 10V Đối với tín hiệu từ 0 đến 4000, tương ứng với 0 đến 30 kg, chúng ta tiến hành xử lý tín hiệu theo các bước đã được xác định.
𝑇 𝑟 : tín hiệu đọc được từ cảm biến
𝑇 đ : Tín hiệu đã xử lý
Calib cảm biến
Hình 0.2 Lực tác dụng lên loadcell
Sử dụng hộp nối và bộ khuếch đại Z – SG, người dùng có thể hiệu chỉnh cảm biến sau khi kết nối với PLC bằng hai phương pháp: thông qua các nút nhấn trên Z – SG hoặc sử dụng phần mềm EASY SETUP do SENECA cung cấp.
Hình 0.3 phần mềm EASY SETUP
Tính khối lượng
Khối lượng của vật được xác định bằng tổng khối lượng trên từng load cell, nhưng cần điều chỉnh sai số thực tế do các yếu tố như thiết kế cơ khí, độ ổn định của load cell và giá trị set zero tare của cân.
Từ đó ta có công thức tính toán như sau
𝑀: khối lượng vật được cân
Điều khiển động cơ bước
Việc xử lý tín hiệu từ load cell và điều khiển cửa xả đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ chính xác của cân Với nhiều khối lượng khác nhau, cân sẽ được thiết lập để phù hợp với các chế độ xả thô, xả bán tinh và xả tinh.
Từ đó ta lựa chọn các phần trăm xả thô, xả bán tinh, xả tinh như sau:
Đối với khối lượng 1 kg, việc xả tinh từ 95% đến 100% yêu cầu độ mở cửa xả là 0.5 mm, điều này gây khó khăn trong việc điều khiển Do đó, đối với 1 kg, chúng ta thực hiện xả tinh trong khoảng từ 80% đến 100%.
Tính toán tần số xung cấp cho động cơ bước
Với tốc độ là 600 𝑣ò𝑛𝑔/ 𝑝ℎú𝑡, chế độ điều khiển xung là 200 𝑥𝑢𝑛𝑔/𝑣ò𝑛𝑔
60 × 200 = 2000 𝑥𝑢𝑛𝑔/𝑠 Tính toán xung cấp động cơ bước đối với từng khối lượng:
Ta có công thức tính toán tốc độ dòng xả
Với 𝑥 là độ rộng của cửa xả
Từ đó ta suy ra:
Từ đó suy ra được số xung cần cấp với 𝑑 là quãng đường cần di chuyển
Từ đó ta có được bảng sau
Bảng 0.1 Số xung cần cấp cho động cơ
Để bắt đầu chương trình chính, nhấn nút start và chờ máy khởi động Khi màn hình HMI hiển thị, nhấn M13, M33, M53 để thực hiện xét ngưỡng cho các mức 2 kg, 5 kg và 10 kg Sau khi hoàn tất quá trình xét ngưỡng, nhấn M60 để quay lại chương trình chính.
Hình 0.5 Chương trình xét ngưỡng xả
Để sử dụng chương trình xét ngưỡng xả, trước tiên cần nhập % giá trị ngắt xả, nếu không nhập, giá trị mặc định là 99% Nhấn nút X1 để khởi động chương trình, máy sẽ kẹp bao và cấp xung cho động cơ mở cửa xả Khi khối lượng đạt 60%, xung sẽ được cấp để đóng cửa xả, cho đến khi lượng gạo còn lại chảy xuống đạt 80%, sau đó tiến hành xả bán tính Quy trình tương tự được thực hiện với ngưỡng 90% Khi load cell đạt giá trị đã cài đặt, dòng chảy mass flow sẽ được ngắt Lượng gạo còn lại sẽ được kiểm tra với sai số ± 5% Nếu đạt yêu cầu, chương trình sẽ lưu giá trị và quay lại chương trình chính; nếu không, tiến hành xả gạo và điều chỉnh giá trị Trong trường hợp không đạt được giá trị mong muốn, chỉ cần lưu giá trị gần nhất bằng cách nhấn M18.
Chương trình định lượng bao 2kg, 5kg, 10kg bắt đầu bằng việc kẹp bao và cấp xung cho động cơ mở cửa xả Khi khối lượng đạt 60%, xung sẽ được cấp để đóng cửa xả, cho phép lượng gạo còn lại chảy xuống đạt 80% Quá trình này tiếp tục tương tự với ngưỡng 90%, cho đến khi hoàn tất.
65 load cell đạt giá trị đã cài đặt tiến hành ngắn dòng chảy mass flow Sau đó tiền hành xả gạo
Hình 0.7 Chương trình cân định lượng gạo 1kg
Chương trình cân định lượng gạo 2kg, 5kg, 10kg cần được điều chỉnh để phù hợp hơn Việc thiết lập dòng chảy tinh đạt 96% là không hợp lý do cửa xả chỉ rộng 1mm Do đó, nên tiếp tục xả tinh cho đến khi đạt 99% rồi mới ngắt.
TỔNG KẾT, KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Thiết kế cơ khí
- Tính toán dòng chảy mass flow
- Thiết kế hệ thống cửa xả
- Thực hiện thiết kế mô hình 3D trên Solidworks
Hình 0.1 Thiết kế tổng quan của máy định lượng gạo
Thiết kế hệ thống điện
- Lựa chọn thiết bị điện phù hợp với hệ thống
- Vẽ sơ đồ đấu dây
Hình 0.2 Sơ đồ đấu dây nguồn
Hình 0.3 Sơ đồ đấu dây PLC
Hình 0.4 Sơ đồ đấu dây FX2AD
Mô phỏng hệ thống điều khiển
Với lưu đồ giải thuật đã thiết kế ở mục thiết kế hệ thống điều khiển, tiến hành viết code cho trường trình bao gồm:
- Chương trình cài đặt thông số
- Chương trình Calib cảm biến
Bên cạnh đó đã thiết kế các màn hình HMI cơ bản cho các chương trình trên
Hình 0.5 Giao diện màn hình HMI cho S0
Hình 0.6 Giao diện cài đặt tham số cho bao 2kg
Hình 0.7 Giao diện chương trình định lượng 2kg
Kết quả của chạy mô phỏng code, chương trình chạy theo đúng giải thuật điều khiển đã đặt ra
Phương hướng phát triển đề tài
Tiếp tục hoàn thành và phát triển hệ thống, bên cạnh đó có thể thiết kế thêm hệ thống cấp bao tự động cho máy
Phát triển thêm chương trình kiềm soát lượng gạo và ra tạo thành file dữ liệu cũng như có thể in hóa đơn bán hang
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 George G Chase (2013), Hopper Design, Solids Notes tập 10, số Flow Mode, The University of Akron
2 Nguyễn Văn Cương & Nguyễn Hoài Tân (2014), Tính Toán Thiết Kế SILO Tồn
Trữ Cám Viên Năng Xuất 500 Tấn, Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ
3 Prof Dr.-Ing habil J Tomas (2013), Silo and bunker design for reliable flow of cohesive powders
4 Trịnh Chất & Lê Văn Uyển (2003), Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập 1 và 2, Nhà xuất bản giáo dục
5 Nguyễn Hữu Lộc (2020), Thiết kế máy và chi tiết máy, Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh
Chức năng Họ và tên Chữ ký Ngày Số Lượng Khối lượng Tỷ lệ
Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG
Gối đỡ cuối trục vít me 1
Ký hiệu Vật liệu Ghi chú
DSG10 Áo đai ốc vít me Đai ốc vít me
CB4 Ốc vít lục giác M4
SHF8 Gối đỡ trục 8mm
KM M4 Ốc vít đầu bằng M4
SC8UU con trượt trục 8mm
Thùng cân tấm lót Khung đỡ
Thanh trượt Ốc lục giác M6 Ốc lục giác chìm M4
Gối đỡ trục đầu vít me 1 BK10
SUS304 Hợp kim nhôm Hợp kim nhôm
INOX 304 INOX 304 Thép hộp 2 mm Thép Thép INOX 304
Chức năng Họ và tên Chữ ký Ngày Số Lượng Khối lượng Tỷ lệ
Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG
Kẹp bao Cấp xung cho động cơ bước 1
M75 :đạt 80% khối lương Đảo chiều động cơ 1 S73
Cân định lượng bao 1 kg
Kiểm tra đã nhập số bao
Cấp xung cho động cơ bước 1 S72
S74 Cấp xung cho động cơ 2 Đảo chiều động cơ 2
Kiểm tra số bao đã xả Reset biến đảo chiều động cơ bước 1
Cấp xung cho động cơ bước 1 S82
M85 : bao đạt 60% khối lượng Đảo chiều động cơ 1 S83
Cân định lượng bao 2 kg, 5kg, 10kg
Kiểm tra đã nhập số bao
Cấp xung cho động cơ bước 1 S84
Cấp xung cho động cơ 2 Đảo chiều động cơ 2
Kiểm tra số bao đã xả
Cấp xung cho động cơ bước 1 S85
M91: Đạt % khối lượng cài đặt
Kẹp bao Cấp xung cho động cơ bước 1
M6 : đạt 60% khối lượng Đảo chiều động cơ 1 S3
M12 : đạt giá trị % khối lượng đã cài đặt
Kiểm tra số kí đã đạt yêu cầu
Nhập giá trị % để ngắt
[PLSY K350 K2000 Y001] Cấp xung cho động cơ 2 [SET Y3] Đảo chiều động cơ 2
Thiết lập tham số 2kg
M0: Hàm điều chỉnh khối lượng
Thiết lập tham số 5kg
Thiết lập tham số 10kg
Cân định lượng bao 1 Kg
Cân định lượng bao 2 Kg
Cân định lượng bao 5 Kg
Cân định lượng bao 10 Kg
Cấp xung cho động cơ bước 1
Cấp xung cho động cơ bước 1
Cấp xung cho động cơ bước 1
Hàm thiết lập tham số
Cấp xung cho động cơ bước 1
Cấp xung cho động cơ 2
Reset biến đảo chiều động cơ bước 1
Cấp xung cho động cơ bước 1
Reset biến đảo chiều động cơ bước 1
Cấp xung cho động cơ 2 Reset biến đảo chiều động cơ bước 2 (T0 K20)
Chức năng Họ và tên Chữ ký Ngày Số Lượng Khối lượng Tỷ lệ
Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG
Dòng chảy mass flow Ưu điểm
- Tận dụng hiệu quả sức chứa của thùng
- Vật liệu cho vào trước được ra trước
- Làm mòn bề mặt thùng hơn
- Ứng suất lên thành thùng lớn hơn
- Yêu cầu chiều cao lớn hơn
Dòng chảy funnel flow Ưu điểm
- Yêu cầu chiêu cao thấp
- Tạo khoảng không dạng ống trên cửa xả
- Vật liệu cho vào trước nhưng lại ra sau
- Phân chia ứng xuất không đều có thể gây ra phá hủy thùng chứa
Dạng đáy phẳng Ưu điểm
- Vật liệu cho vào trước được ra trước
- Không tạo được dòng chảy cho vật liệu trong thùng, thường sử dụng thêm thiết bị hỗ trợ để đưa vật liệu ra ngoài
Dạng đáy phễu Ưu điểm
- Kết cấu hình học cho phép tạo ra dòng chảy trong việc xả vật liệu
- Nếu cần cánh quạt để khuấy vật liệu, cần phải làm trục dài hơn so với thùng đáy phẳng
Dòng đáy nghiêng Ưu điểm
- Tạo ra dòng chảy vật liệu mà không cần thiết bị hỗ trợ
- Hình dáng bị lệch nên thiết kế giá đỡ phải hợp lý để đảm bảo sự cân bằng
- Tính toán phức tạp do bị lệch trọng tâm hình học
Cửa xả dạng tấm Ưu điểm
- Dễ dàng điều khiển lưu lượng
- Khả năng điều khiển cho dạng thùng chứa vừa và lớn
- Thiết kế cơ cấu tịnh tiến phức tạp
Cừa xả dạng vòng cung Ưu điểm
- Thường được điểu khiển thông qua cửa đóng được tác động bởi xylanh nên cho khả năng đáp ứng nhanh
- Không điều khiển được lưu lượng
Cửa xả dạng vít Ưu điểm
- Có thể điều khiển thông qua tốc độ vòng qua của vít
- Vận chuyển vật liệu ổn định
- Có thể vận chuyển vật liệu từ nơi thấp đến nơi cao
- Lưu lượng đáp ứng chậm Định lượng theo thể tích
- Độ chính xác trung bình
- Lượng cung cấp vật liệu không đồng đều Đĩa định lượng
- Định lượng cho dạng bột Đĩa định lượng
- Phễu chứa lắp phía trên băng giúp việc cung cấp được đồng đều
- Độ chính xác trung bình
Dạng định lượng Định lượng theo khối lượng Định lượng từng phần
- quá trình định lượng được thực hiện theo 2 công đoạn là xả thô và xả tinh
- Sử dụng phổ biến trong quá trình trộn và đóng gói sản phẩm
Lựa chọn dòng chảy mass flow nhằm tạo ra dòng chảy ổn định, tránh hư hỏng gạo
Dạng đáy phễu Lựa chọn phương pháp định lượng từng phần để đạt được độ chính xác cao
Lựa chọn dạng cửa xả dạng tấm để dễ dàng điểu khiển lưu lượng
Load cell thủ lực Ưu điểm
- Sử dụng trong các môi trường dễ cháy nổi
Load cell khí nén Ưu điểm
- Sử dụng trong các ngành công nghiệp yêu cầu cao về sạch sẽ
- Sử dụng trong môi trường dễ cháy nổ
- Cần cấp nguồn không khí hoặc nitơ sạch Đọc tín hiệu Digital trực tiếp Ưu điểm
- Sử dụng loại load cell digital chuyên dụng
Xử lý tín hiệu cảm biến
Dùng bộ khuếch đại và chuyển đổi ADC
Lựa chọn Load cell Strain Gause Sử dụng bộ khuếch đại Z-SG có khả năng chống nhiễu
Load cell Strain Gause Ưu điểm
- Hạn chế sử dụng trong môi trường dễ cháy nổ
- Bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường Ưu điểm
- Tín hiệu được khuếch đại và giảm thiệu sai số
Vi điều khiển Ưu điểm
- Khả năng chống nhiễu kém
Lựa chọn bộ điều khiển PLC, dễ dàng lập trình, có các module xử lý tín hiệu Ưu điểm
- Dễ dàng thay thế và bảo trì
- Giá thành cao hơn các loại vi điều khiển
- Thiết kế máy cân định lượng gạo với các lựa chọn 1 kg, 2 kg, 5kg, 10kg
- Năng xuất 8 sản phẩm/phút
- Độ chính xác đạt ±5% ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY CẤP BAO CHO CƠ SỞ VỪA VÀ NHỎ Động cơ DC Ưu điểm
- Dễ dàng thay đổi tốc độ
- Điều khiển vị trí phức tạp Động cơ Động cơ bước Ưu điểm
- Dễ lắp đặt và thay thế
- Điều khiển góc quay chính xác
- Trượt xung Động cơ servo Ưu điểm
- Tốc độ thay đổi nhanh, chính xác
Lựa chọn sử dụng động cơ bước
Chức năng Họ và tên Chữ ký Ngày Số Lượng Khối lượng Tỷ lệ
Trường Đại Học Bách Khoa
Bản vẽ lựa chọn phương án
