TÍNH TOÁN THIẾT kế THÔNG số đáp ỨNG về THỜI GIAN ỨNG DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH xử LÝ ẢNH CỦA MÁY TÁCH MÀU GẠO

ABSTRACT In the processing industry of agricultural products, Vietnam is the second rice exporter in the world but our rice prices haven’t been high yet.. Our current processing technol

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÔNG SỐ ĐÁP ỨNG VỀ THỜI GIAN ỨNG DỤNG

TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ ẢNH CỦA MÁY TÁCH MÀU GẠO

CALCULATION AND DESIGN OF RESPONSES TIME DURING REAL-TIME

IMAGE PROCESSING OF RICE SORTING MACHINE

Nguyễn Trung Hiếu1a, Lê Thanh Sơn2b, Phạm Văn Duy3c, Nguyễn Thanh Nam4d

Phòng thí nghiệm trọng điểm Điều khiển số và kỹ thuật hệ thống, TP Hồ Chí Minh

TÓM TẮT

Trong ngành công nghiệp chế biến nông phẩm, Việt Nam là nước tập trung xuất khẩu gạo thứ nhì trên thế giới nhưng giá bán gạo chưa được cao Công nghệ chế biến trong nước hiện nay được khuyến khích giảm nhập các thiết bị cho nên vấn đề quan tâm đầu tư nghiên cứu để cải tiến thiết bị liên tục không ngừng các trang thiết bị để dần không phụ thuộc là vấn đề cấp thiết Với xu thế chung của cả nước khi bước vào giai đoạn hội nhập thì sản phẩm máy tách màu gạo là một thiết bị quan trọng quyết định giá thành cũng như chất lượng của tất cả các khâu khác nhưng chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều mà đa phần là nhập từ các quốc gia như: Anh, Nhật, Ấn Độ, Hàn Quốc, Trung Quốc, Bài báo trình bày nghiên cứu thực hiện được trong quá trình thực tế chế tạo máy, các thông số đo và tính toán về thời gian sẽ phục vụ cho quá trình xử lý ảnh thực hiện trong máy, đây là một trong số những điểm chủ yếu làm cơ sở phục vụ cho việc hoàn thiện công nghệ tách màu gạo

Từ khóa: máy tách màu gạo, bộ phận cấp liệu rung, máng gạo, bộ phận nhận dạng ảnh,

đầu phun khí nén, thùng chứa sản phẩm, xử lý ảnh, thời gian đáp ứng, thời gian gạo rơi

ABSTRACT

In the processing industry of agricultural products, Vietnam is the second rice exporter

in the world but our rice prices haven’t been high yet Our current processing technologies are encouraged to reduce the foreign equipment import, so the research investment for improving continuously the equipment, in order to not depend in foreign equipment, is very necessary With the general trend of the whole country when we enter the stage of integration, rice color sorting machine is a decisive key equipment that determines the cost as well as the quality of all the other stages, but it hasn’t been interested enough, instead of mostly being imported from foreign countries such as: England, Japan, India, Korea, China This paper presents the research about the fabrication process of the machine, measurement parameters and the real time calculations They will serve the image processing of the machine - One of main points that are the basis for finishing the rice color sorting technology

Keywords: rice color sorting machine, feeder vibration part, rice slide, image

identification part, compressed air nozzles, product container, image process, response time, falling time of rice

1 GIỚI THIỆU

Hệ thống tách màu phân loại gạo là công đoạn cuối cùng trong dây chuyền sản xuất gạo để tách và phân loại gạo Hệ thống tách màu phân loại gạo bắt buộc phải để gia công gạo theo chuẩn xuất khẩu cao cấp mà đa phần hiện nay chúng ta nhập các dòng máy từ nước ngoài và chỉ thực hiện chế tạo các thiết bị hỗ trợ bên ngoài Trung bình mỗi năm Việt Nam xuất khẩu khoảng 7 triệu tấn gạo Tuy nhiên, loại gạo cao cấp chỉ khoảng 1,5 triệu tấn, còn lại là 5,5

triệu tấn xuất khẩu loại gạo bình thường Sự chênh lệch giá giữa xuất khẩu loại gạo cao cấp và loại bình thường khoảng 150US$/tấn Như vậy, Việt Nam có thể thu về thêm hơn 800 triệu US$/năm nếu xuất khẩu đạt 7 triệu tấn loại gạo cao cấp Để có thể thực hiện được điều này, các doanh nghiệp cần phải đầu tư máy tách màu phân loại gạo Hiện nay, với công suất tách màu 50.000 tấn gạo/máy/năm như đang sử dụng tại nhà máy chế biến gạo của Công ty bảo vệ thực vật An Giang, các doanh nghiệp Việt Nam cần phải đầu tư thêm 110 máy Ngoài ra, theo kế hoạch của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, đến năm 2020 sẽ tăng sản lượng gạo xuất khẩu thêm 30-40%, trong đó chủ yếu là loại gạo cao cấp Như vậy, nhu cầu của thị trường Việt Nam đến năm 2020 sẽ rất lớn [2]

Bên cạnh đó, quá trình hội nhập kinh tế quốc tế sâu rộng sẽ đặt ra nhiều cơ hội và thách thức mới Việt Nam trở thành thành viên thứ 150 của Tổ chức Thương mại thế giới (World Trade Organization - WTO), đang đứng trước sức ép đòi giảm bớt trợ cấp nông nghiệp và mở cửa thị trường cho hàng hóa nông sản Với máy tách màu phân loại gạo, chưa có đơn vị nào trong nước nghiên cứu làm chủ công nghệ và nội địa hóa sản phẩm này trong nước Việc làm chủ công nghệ và nội địa hóa sản phẩm với chất lượng tương đương và giá thành rẻ hơn là nhu cầu tất yếu và rất cấp thiết

2 THIẾT KẾ,CHẾ TẠO MÔ-ĐUN TÁCH MÀU GẠO

2.1 Thiết kế hệ thống

Máy được cấu tạo gồm các phần chính như sau, [1]:

1 Bộ phận cấp nguyên liệu

Bộ phận này bao gồm các máng, hệ thống cấp liệu rung cho các máng gạo

2 Cụm dẫn hướng gạo

Bộ phận này có thể được thiết kế theo kiểu máng nghiêng tải liệu, phân gạo thành các lớp có độ dày đồng đều phục vụ quá trình nhận dạng Cụm dẫn hướng còn được thiết kế hệ thống gia nhiệt điện trở giúp chống tăng ẩm cho gạo khi qua máy phân loại

3 Cụm đầu phun khí nén

Bộ phận này sử dụng để định hướng dòng khí nén tác dụng lực lên hạt gạo khi có tín hiệu điều khiển

4 Cụm hút và lau bụi cho camera và đầu phun

Bộ phận này được thiết kế để đảm bảo được độ chính xác của quá trình nhận dạng, gạo đưa vào máy thường có độ cám nhất định nên cần có thiết bị hút liên tục không khí bên trong máy giúp máy luôn sạch Việc vận hành máy cần được lau bụi định kỳ trong thời gian hoạt động nên cần có hệ thống lau kính của camera và nền tương thích

5 Cụm cấp khí nén

Bộ phận này là thiết bị ngoại vi không nằm trong máy nhưng có vai trò quan trọng trong hoạt động của máy, cụm này cần được tính toán thiết kế và chọn các thông số thích hợp

6 Cụm camera nhận dạng

Bộ phận này bao gồm: đèn chiếu sáng, nền nhận dạng, hệ thống camera nhận dạng, thiết bị chấp hành dùng để phân loại, bộ phận điều khiển trung tâm, màn hình cảm ứng, nút nhấn

và phần mềm giao diện người dùng Trong đó bao gồm cả việc thiết kế đồ gá cho camera giúp cho hệ thống được ổn định và giúp cho việc calip ban đầu khi sử dụng máy, trong cụm này được tích hợp phần xử lý ảnh để thực hiện nhận dạng và cho ra tín hiệu điều khiển hệ thống

7 Cụm chứa nguyên liệu tinh và thô

Bộ phận để chứa các nguyên liệu thành phẩm và phế phẩm sau khi đã phân loại

8 Cụm khung cơ khí

Bộ phận để lắp ráp tích hợp các cụm máy nêu trên để phối hợp thành một hệ thống hoàn chỉnh hình thành nên máy tách màu gạo và dự kiến thiết kế sơ bộ hệ thống và phân cụm như trong Hình 1

Hình 1 Thiết kế tổng thể máy tách màu gạo một kênh 2.2 Thực hiện tính toán thiết kế thời gian thực cho máy tách màu gạo

Các thông số được đo dựa trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm kết hợp với sự trợ giúp của các chương trình điều khiển được viết để thu phát tín hiệu truyền, từ đó giúp xác định được thời gian của các khối chức năng theo số chu kỳ đếm được Với các trị số thời gian: t1, t2, t3 cách thực hiện đo các thông số là cho chương trình chạy liên tục thu và phát theo chu kỳ Cuối cùng thu thời gian máy tính, chia trung bình sẽ có được kết quả xử lý cho một lần truyền dữ liệu

Hình 2 Cấu trúc chương trình điều khiển hệ thống có thời gian thực

Bảng 1 Thông số thiết kế phối hợp thời gian điều khiển cho toàn hệ thống

Thời gian từ Camera đến PC t1 2.5 ms

Thời gian truyền từ PC đến PLC t3 2.5 ms Thời gian điều chỉnh của PLC t4 3 ms

Thời gian khí di chuyển vào hệ đầu phun t6 1.406 ms Thời gian khí đến hạt gạo t7 3.450 ms Tổng thời gian truyền dữ liệu và xử lý tín hiệu T 16.395 ms Dự trù sai số khi xử lý tín hiệu làm chậm thời gian đáp ứng máy T8 1.639 ms Tổng thời gian đáp ứng của thiết bị điều khiển T đáp ứng 18.034 ms

Tổng thời gian đáp ứng tính toán theo quỹ đạo rơi của hạt gạo

Thời gian di chuyển hạt gạo rơi đến vị trí đầu phun T gạo rơi 20.479 ms

Thời gian đáp ứng của hệ thống điều khiển Tđáp ứng là tổng thời gian của tất cả các bộ phận điều khiển trong Bảng 1 Trong đó thời gian đáp ứng của hệ thống phải luôn nhỏ hơn hoặc bằng thời gian hạt gạo rơi T gạo rơi từ vị trí chụp đến vị trí đầu phun Khi thời gian đáp ứng của hệ thống không thể thay đổi, ta có thể linh động tăng giảm T gạo rơi bằng cách thay đổi một trong hai thông số vận tốc gạo rơi và đoạn đường từ vị trí chụp đến vị trí đầu phun

2.3 Phân tích thiết kế cấu hình điều khiển của máy

Ba thành phần tham gia trong tiến trình xử lý này bao gồm Camera, chương trình phần mềm trên máy tính và thiết bị điều khiển van khí

Hình 3 Cấu hình của hệ thống xử lý ảnh trong máy TMG

Hệ thống điều khiển hiện tại bao gồm xử lý ảnh sẽ là PC và hệ thống điều khiển van khí

là PLC Tuy nhiên trên thực tế, trên máy thương mại hệ thống xử lý ảnh sẽ là một board ARM

và hệ thống điều khiển van khí là board FPGA

Việc kết hợp ARM với FPGA: yêu cầu board ARM phải có kết nối với 2 camera (Ethernet hay CameraLink), board FPGA phải có 64 chân output tương ứng với điều khiển 64 van khí Giữa board ARM và và FPGA giao tiếp thông qua 64 chân đơn giản Khó khăn lúc này là việc nhúng hệ điều hành vào ARM, giao tiếp với camera và thời gian xử lý ảnh lâu hơn máy tính truyền thống Tuy nhiên ta có thể bù thời gian này vào bộ phận điều chỉnh thì mức

thời gian trễ vẫn nằm trong phạm vi thiết kế

2.4 Giải thuật xử lý ảnh thực hiện cho yêu cầu thiết kế trên

Thực hiện giữ nguyên giải thuật tách màu gạo cho đến thời điểm hiện nay theo mô hình sau:

Hình 4 Giải thuật cho máy tách màu gạo đã thực hiện

Thuật toán nhận dạng hiện tại là đếm số pixel vượt ngưỡng xám, nếu có 1 pixel có giá trị vượt ngưỡng xám này thì tổng pixel vượt ngưỡng sẽ tăng thêm một Khi tổng pixel vượt ngưỡng xám lớn hơn một số nào đó thì ta xác định hạt gạo đó xấu Nên nếu đảm bảo được việc tách màu hạt gạo với chấm rất nhỏ thì cần tăng độ phân giải khi phân tích hạt gạo Lúc đó mới thực hiện được việc tách hạt chính xác và tăng được năng suất, giảm thành phẩm trong phế phẩm để có thể đạt được yêu cầu

3 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Để thực hiện việc tách màu thì vấn đề nghiên cứu về chất lượng gạo là yếu tố cần quan tâm, trong Hình 3 thì gạo sau khi chế biến có đa dạng các loại tạp chất và thực tế người ta chia thành 3 nhóm tạp chất là nhóm a, b, d để đánh giá chất lượng với nhau khi thương mại sản phẩm máy tách màu cho đơn vị sử dụng Nhóm gạo tốt là nhóm c bao gồm hạt gạo được chấp nhận khi không tồn tại gạo nhóm a, b và có thể tồn tại lượng gạo thuộc nhóm d nhưng tỷ lệ đục trong hạt phải dưới 75% thì được xem là đạt chất lượng và không nằm trong nhóm cần loại bỏ.[3]

a) Gạo có lẫn chấm đen, cội; b) Gạo ngã vàng, sọc đỏ; c) Gạo tốt

d) Gạo bạc bụng trên 75%, hạt cội, gãy hỏng

Hình 5 Ảnh phân tích mẫu gạo tốt và gạo xấu

Thực hiện nghiên cứu và hiệu chỉnh cho được các kết quả thực tế thu được khi đánh giá chất lượng mẫu gạo bằng phương pháp lựa hạt, cân khối lượng và tính toán phần trăm cho kết quả như sau:

Bảng 2 Kết quả thực hiện tách màu sau khi tách lần 1

Thành phẩm (50g) Phế phẩm (50g) Đầu vào (50g) Hạt vàng 0.29 g – 0.58 % 0.1 g – 0.2 % 0.16 g – 0.32 % Hạt sọc đỏ 0.14 g – 0.28 % 0.13 g – 0.26 % 0.12 g – 0.24 % Hạt hỏng 0.26 g – 0.52 % 0.05 g – 0.1 % 0.22 g – 0.44 % Hạt chấm đen 1.05 g – 2.1 % 0.69 g – 1.38 % 0.71 g – 1.42 % Hạt bạc bụng 1.58 g – 3.16 % 10.5 g – 21% 6.91 g – 13.82 % Hạt tốt 46.53 g – 93.06 % 38.18 g – 76.36 % 41.69g – 83.38 % Tổng phần trăm hạt xấu 6.64 % 22.94 % 16.24 %

Bảng 3 Kết quả thực hiện tách màu sau khi tách lần 2

Thành phẩm (50g) Phế phẩm (50g) Đầu vào (50g) Hạt vàng 0.12 g – 0.24 % 0.35 g – 0.7 % 0.29 g – 0.58 % Hạt sọc đỏ 0.26 g – 0.52 % 0.43 g – 0.86 % 0.14 g – 0.28 % Hạt hỏng 0 g – 0 % 0.03 g – 0.06 % 0.26 g – 0.52 % Hạt chấm đen 0.75 g – 1.5 % 1.1 g – 2.2 % 1.05 g – 2.1 % Hạt bạc bụng 0.57 g – 1.14 % 3.1 g – 6.2 % 1.58 g – 3.16 % Hạt tốt 48.34 g – 96.68 % 44.82 – 89.64 % 46.53 g – 93.06 % Tổng phần trăm hạt xấu 3.66 % 10.2 % 6.64

Đánh giá phân tích kết quả đạt được: các hạt sọc đỏ, chấm kim, vàng nhạt chưa tách được Tỷ lệ tách bạc bụng lần 1 của máy ổn định, cụ thể tỷ lệ bạc bụng như bảng trên Tỷ lệ gạo tốt lẫn trong phế phẩm còn cao, cụ thể: mang đầu vào bắn lần 1, phế phẩm lẫn 58.2% là gạo tốt, mang phế phẩm đi bắn lần 2, đầu ra phế phẩm lẫn 43.4% là gạo tốt Khối lượng gạo phế phẩm còn cao chiếm trên 50% tổng khối lượng của phế phẩm sau khi tách màu

Dựa trên các kết quả thực hiện được thì nhóm nghiên cứu cũng có đề ra một số hướng cỉa tiến các chỉ số để thực hiện chế tạo cải tiến thiết bị nâng cấp liên tục để đạt được mục tiêu đối chiếu với yêu cầu thực tiễn: tỷ lệ gạo bị bạc bụng bị lẫn trong thành phẩm < 2% (cho 1 lần tách màu) Khối lượng gạo tốt bỏ đi trong phế phẩm < 30% tổng khối lượng của phế phẩm cho lần đầu tiên tách màu Năng suất của máy tách một kênh hiện nay đạt 1, 5 tấn/giờ

KẾT LUẬN

Các thông số thiết kế hệ thống trong mô-đun máy tách màu được sử dụng để thực hiện phục vụ quá trình chế tạo máy mẫu phục vụ công tác nghiên cứu phát triển hoàn thiện và làm chủ công nghệ trong quá trình tách màu gạo

Kết quả nghiên cứu đã bước đầu đạt được những bước tiến nhất định trong việc nhận dạng và tách màu hạt gạo lỗi ở các dạng như: gạo vàng, gạo sọc đỏ, gạo hỏng, gạo chấm đem, gạo bập bụng, gạo cội đạt được khả năng tách chính xác trung bình tính toán trên 6.64% gạo xấu tương ứng với mức chất lượng gạo đầu vào là 16.24%

Năng suất của máy thiết kế đạt được tính trung bình gạo đầu vào 83.38% thì thành phẩm sau một lần tách có thể đạt được 93.06% với một lần tách và 96.68% đối với lần tách thứ 2 Hướng phát triển sản phẩm để đáp ứng và cạnh tranh được trên thị trường thì mục tiêu cải tiến là trên 98% cho lần tách đầu tiên

Trên cơ sở các dữ liệu nghiên cứu về hệ thống và tính toán thiết kế các thông số cải tiến sẽ là định hướng để phát triển sản phẩm hoàn thiện dòng máy tách màu gạo có công suất lớn từ 2 tấn/giờ cho một kênh tách màu gồm 68 van tách

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia Điều khiển số

và Kỹ thuật Hệ thống và được tài trợ bởi ĐHQG-HCM trong đề tài mã số B2015-20b-03

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Carliss Baldwin, Kim B Clark, trích từ Design Rules, Volume 1: “The Option Value of Modularity in Design”, The Power of Modularity

[2] Web: http://www.mard.gov.vn/

[3] Web: http://www.vietfood.org.vn/