Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 357 Mã bài: 81 Xây dựng thuật toán điều khiển cân chính xác nhiều thành phần Setting up the Algorithm for Controlling Accuracy of the Multi-Component Weight Scale Đinh Văn Nhã, Phạm Khương Duy, Đinh Nhật Anh, Đinh Thị Lan Anh, Đinh Văn Vinh Trường ĐHBK Hà Nội, Viện KHCN và Đào tạo OMEGA e-Mail : nhadvomega@gmail.com, nhatanhdinh@yahoo.com , dinhlananh@gmail.com, Tóm tắt Báo cáo trình bày “áp dụng thuật toán điều khiển cân chính xác để tích hợp hệ thống cân định lượng nhiều thành phần nhà máy thức ăn chăn nuôi gia súc Ngọc Hồi” .Bằng phương pháp nâng cao độ chính xác quá trình cân, ta đã xây dựng được lưu đồ thuật toán giải quyết các yếu tố gây sai số kết quả cân . Qua đó tích hợp được hệ thống điều khiển và giám sát công đoạn định lượng đảm bảo độ chính xác cao. Hệ thống này được nhà máy đưa vận hành liên tục hiệu quả đáp ứng được nhu cầu của khách hàng trong nhiều năm qua. Abstract The report is about “applying the algorithm of accurate control to integrate the system of multi-component weight scale - Ngọc Hồi animal feed manufacture factory”. By method of improving accuracy of weighing, we have set up the chart of algorithm that can handle the factors made error of weighing result. And as a result, the system of controlling and monitoring weight phase with high level of accuracy is integrated. This system has been operating continuously and effectively so that the company has been able to meet demand of clients during many past years. 1. Phần mở đầu Hiện nay ngành chăn nuôi phát triển mạnh theo nhu cầu sản xuất theo phương thức hiện đại hóa và tập trung nên nhu cầu sản xuất thức ăn chăn nuôi chất lượng cao là cấp bách đặt ra. Dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi của nhà sản xuất gia súc Ngọc Hồi là một trong những dây chuyền hiện đại.Hệ thống cân định lượng được tự động hóa hoàn toàn. Nó đảm bảo cho chất lượng của sản phẩm thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm đạt yêu cầu dinh dưỡng. Tuy nhiên vừa qua hệ thống dây chuyền này bị trục trặc, hỏng hệ thống điều khiển định lượng cân và không đảm bảo chất lượng chuẩn xác, nhất là hệ cân định lượng do lâu ngày hoạt động bị hỏng nặng cần thay thế và thiết lập lại một hệ cân mới do nhu cầu khách hàng ngày càng cao mà nhà máy không đáp ứng được. Nhà máy yêu cầu chúng tôi thiết kế tích hợp, xây dựng lại các thuật toán điều khiển mới hoàn toàn cho phù hợp yêu cầu công nghệ đề ra về độ chính xác,chất lượng cao hơn từ hệ này mà hệ điều khiển cũ của Hà lan sai số lớn không khắc phục được và bị hỏng, phải thay thế cả hệ thống thiết bị, phần mềm và thuật toán điều khiển mới để đáp ứng nhu cầu sản xuất chất lượng và độ chính xác cao theo yêu cầu khách hàng. 2. Công nghệ sản xuất thức ăn chăn nuôi H. 1 Sơ đồ khối tổng quát dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi Quá trình sản xuất thức ăn chăn nuôi được thực hiện qua nhiều công đoạn: Cấp nguyên liệu thô (Ngô, khoai, sắn …) dưới dạng bột hay hạt (đối với ngô),dạng miếng (đối với khoai,sắn) vào các silo, định lượng (cân các thành phần nguyên liệu theo một công thức đã định trước, tuỳ yêu cầu của sản phẩm ). Sau khi đã định lượng xong thì tất cả các nguyên liệu được đưa vào máy nghiền. Trong quá trình nghiền có bổ sung thêm các nguyên liệu dạng bột (bột tôm, bột cá…) và các nguyên tố vi lượng, chất béo, vitamin…, sau khi nghiền xong được sản phẩm dưới dạng bột. Sản phẩm này được đưa vào máy trộn đều và tùy theo từng loại vật nuôi mà ta có thể lấy thức ăn ra ở hai dạng: 358 Đinh Văn Nhã, Phạm Khương Duy, Đinh Nhật Anh, Đinh Thị Lan Anh, Đinh Văn Vinh VCM2012 + Dạng bột dùng cho các vật nuôi dưới nước (tôm, cá, baba …). + Dạng hạt dùng cho các loại gia súc, gia cầm. Để có được thức ăn dưới dạng hạt thì từ sản phẩm bột, người ta phun thêm rỉ mật và hơi nước và có thể thêm 1 số chất phụ gia khác để biến thức ăn thành dạng nhão, sau đó đưa qua hệ thống ép viên, xẻ mảnh để được thức ăn dạng hạt. Thức ăn chăn nuôi được sản xuất qua nhiều công đoạn nên vấn đề sản xuất thức ăn đủ, đúng yêu cầu, đảm bảo chất lượng và phù hợp với các loại vật nuôi là vấn đề mang tính cấp bách và quan trọng đòi hỏi các nhà sản xuất phải thay đổi công nghệ, úng dụng công nghệ tự động hóa [1] vào trong quá trình sản xuất thức ăn chăn nuôi. 3. Vai trò của hệ cân định lượng Hệ cân định lượng có vai trò hết sức quan trọng trong công nghiệp, nó đảm bảo yêu cầu về tỷ lệ thành phần các loại nguyên liệu trong sản phẩm, đảm bảo khối lượng sản phẩm đóng gói… Trong giai đoạn hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của việc tự động hóa các quá trình công nghệ, việc tự động hóa hệ thống cân định lượng là một yêu cầu không thể thiếu, đã và đang được thực hiện ở hầu hết các ngành công nghiệp chế biến và đóng gói sản phẩm. Dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi của Nhà máy thức ăn chăn nuôi gia súc Ngọc Hồi trước đây đã có hệ thống cân định lượng của Hà Lan [2] được tự động hóa hoàn toàn. Nó đảm bảo cho chất lượng của sản phẩm thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm đạt yêu cầu về dinh dưỡng, khối lượng của từng nguyên liệu trong một đơn vị khối lượng thức ăn có thể thay đổi phù hợp với từng loại vật nuôi. Số lượng thành phần nguyên liệu cũng có thể thay đổi theo từng loại sản phẩm sản xuất ra và liên tục thay đổi theo yêu cầu khách hàng chăn nuôi rất đa dạng. Đây là một bài toán điều khiển cân định lượng nhiều thành phần khá phức tạp. Nó yêu cầu phải nghiên cứu bài toán một cách toàn diện để xây dựng thuật toán điều khiển mới hoàn toàn cho phù hợp công nghệ vì phần mềm và thiết bị cũ của nhà cung cấp Hà Lan đã bị hỏng phải thay mới hoàn toàn. 4. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ cân định lượng Trong thực tế các hệ cân định lượng không giống nhau. Nó phụ thuộc vào các nguyên liệu đầu vào, đầu ra, chính vì vậy các loại cân định lượng cũng phải có đặc thù cấu trúc khác nhau để đảm bảo phù hợp với yêu cầu của quá trình công nghệ. Độ chính xác của cân định lượng cũng không hoàn toàn giống nhau, sai số của nó tùy thuộc vào nhà sản xuất . Tùy thực tế sử dụng, các loại cân định lượng có thể có cấu trúc khác nhau nhưng nguyên lý hoạt động chung của chúng là giống nhau, ta có thể thấy trên sơ đồ khối sau [1]: H. 2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chung của cân định lượng 5. Phương pháp nâng cao độ chính xác quá trình cân 5.1. Cân khối lượng một nguyên liệu Trên cơ sở phân tích các nguyên nhân gây ra sai số cân, phương pháp nâng cao độ chính xác quá trình cân thực chất là giảm thiểu thậm chí là loại bỏ ảnh hướng của các yếu tố gây sai số, cụ thể : - Đối với sai số gây ra do sự rung động khi nguyên liệu rơi xuống silo cân, do nhiễu của bản thân hệ cân, cần sử dụng bộ lọc giá trị đầu vào, giá trị cân do PLC đọc từ hệ cân là giá trị số nên có thể sử dụng phương pháp đơn giản là lấy 2 đến 3 giá trị gần nhất đọc được chia trung bình lấy kết quả làm giá trị thực. Giả sử PLC đọc giá trị cân từ hệ cân theo chu kỳ T = 50ms, kết quả lần đọc thứ n là x(n), giá trị cân được tính bằng : )]1()([5,0)( ,  nxnxnx ; (1) - Đối với sai số cột rơi, sai số do độ trễ của cơ cấu chấp hành, có thể giảm thiểu bằng phương pháp sau : - Giả thiết: Vít tải là van đóng mở kiểu on-off Cột rơi có thể tích V. Nguyên liệu cân trong cột rơi có khối lượng riêng D. Như vậy, sai số cân do cột rơi, trễ của cơ cấu chấp hành, đặc tính vật liệu có thể gộp lại và được tính bởi công thức: )(kgDVm   (2) Thực tế, V là phần thể tích nguyên liệu tính từ lúc chương trình điều khiển ra lệnh đóng vít tải, D là khối lượng riêng nguyên liệu phụ thuộc vào mật độ cột rơi và đặc tính nguyên liệu (độ ẩm…) Bản chất hệ thống cân và PLC trao đổi dữ liệu bằng số nên khối lượng m xác định trong (2) hoàn Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 359 Mã bài: 81 toàn mang tính lý thuyết, làm cơ sở xây dựng phương pháp giảm sai số. Giả sử cần cân khối lượng nguyên liệu là x0, khi chương trình điều khiển đọc được giá trị x0 từ hệ cân sẽ ra lệnh đóng vít tải, nhưng do có độ trễ và cột rơi nên khối lượng nguyên liệu thực tế ở silo cân là x 1 >x 0 , sai số cân là :\ 01 xxdx  (3) dx chính là đại diện của m trong (2) còn gọi là giá trị offset. Do đó, để khối lượng nguyên liệu được cân đúng là x 0 , thì giá trị đặt khi cân là: dxxx  0 , 1 (4) Trong (2) ta thấy, ngoài việc dx phụ thuộc vào V là đại lượng hầu như không thay đổi (đối với 1 hệ cân), dx phụ thuộc vào D, tức là phụ thuộc mật độ cột rơi, độ ẩm của nguyên liệu cân, do trong quá trình vận hành, D có thể thay đổi dẫn đến dx cũng thay đổi, vì vậy giá trị dx cần được cập nhật trong quá trình cân. Như hình vẽ dưới ta thấy, đối với 2 đường đặc tính nguyên liệu khác nhau, tức là mật độ cột rơi khác nhau, độ ẩm nguyên liệu khác nhau thì trong cùng khoảng thời gian t1 tương ứng cùng thể tích nguyên liệu qua vít tải, khối lượng nguyên liệu cân được cũng khác nhau, ta có: 2 1 2 1 D D x x k  (5) H. 3 Phương pháp giảm sai số Coi V không đổi ta cũng có: 2 1 dx dx k  (6) Như vậy, từ các công thức (4), (5), (6) ta có thể cân đúng được khối lượng nguyên liệu x0 nếu biết: Giá trị đọc từ hệ cân x2 Sai số cân thử dx1 Độ thay đổ khối lượng riêng k. )( 1 20 k dx xx  hay )( 1 02 k dx xx  (7) Vấn đề còn lại là phải xác định hệ số k trong công thức (7). Từ (5) cho ta một các để xác định k, k chính là độ thay đổi khối lượng nguyên liệu qua vít tải trong một đơn vị thời gian của lần cân hiện tại so với lần cân thử.Trước đó giả thiết rằng khi cân thử khối lượng nguyên liệu x0 trong khoảng thời gian t0, ở lần cân hiện tại giá trị cần cân là x, khi giá trị cân được là x/2 mất khoảng thời gian là t, ta có : 0 00 0 2 2 tx tx t x t x k                  (8) Đối với một lần cân thì các giá trị x0, t0, x, t là xác định được, do đó k xác định được theo (8). Giá trị cần cân được xác định theo (7). 5.2. Cân một mẻ cân Do các bố trí các silo cân và silo cấp liệu trong dây chuyền công nghệ, đối với một mẻ cân, các nguyên lieu được cân theo kiểu cộng dồn từng nguyên liệu cho đến khi đủ một mẻ cân thì hỗn hợp nguyên liệu mới được băng tải vận chuyển đến công đoạn nghiền. Mặt khác, các nguyên liệu khác nhau thỉ tỉ trọng khối lương trong một mẻ cân khác nhau tương đối nhiều, để đảm bảo chính xác khối lượng các nguyên liệu trong một mẻ cân, cần phải có một trình tự hợp lý: - Thành phần nguyên liệu có tỉ trọng khối lượng nhỏ thì dùng cân nhỏ. - Cân lần lượt các nguyên liệu có tỉ trong khối lượng từ nhỏ đến lơn. - Giữa các lần cân cần đảm bảo khoảng thời gian trễ hợp lý sao cho giá trị khối lượng nguyên liệu được cân trong lần cân đó là giá trị thực, không còn sai số do cột rơi và độ khô ẩm gây ra. Giá trị thực cân của các nguyên liệu có thể vẫn khác so với tính toán, tuy nhiên, do việc áp dụng thuật toán cho một lần cân ở trên nên sai số đã được giảm, mặt khác, do trình tự cân từ nguyên liệu có tỉ trọng khối lượng từ nhỏ nhất đến lớn nhất dẫn tới sai số cân của nguyên liệu nhỏ được bù vào khối lượng nguyên liệu có tỉ trọng lớn, sai số của một mẻ cân được giảm đến mức tối đa theo thuật toán điều khiển. 6. Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống cân định lượng 360 Đinh Văn Nhã, Phạm Khương Duy, Đinh Nhật Anh, Đinh Thị Lan Anh, Đinh Văn Vinh VCM2012 H. 4 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống cân định lượng Giao diện điều khiển và giám sát của hệ cân định lượng nhà máy Ngọc Hồi H. 5 Màn hình giao diện SCADA điều khiển công đoạn cân định lượng Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 361 Mã bài: 81 7. Kết luận Hệ thống cân định lượng đã được tích hợp mới và xây dựng thuật toán điều khiển mới phù hợp, đảm bảo độ chính xác cao (0,5% ) và đáp ứng được các yêu cầu chất lượng của quá trình sản xuất thức ăn chăn nuôi của nhà máy ở Ngọc Hồi. Kết quả tích hợp một hệ thống điều khiển cân định lượng chính xác nêu trên được nhà máy chấp nhận, nghiệm thu, chạy thử và đưa vào sản xuất bền vững liên tục đáp ứng mọi yêu cầu khắt khe của công nghệ và khách hàng trong và ngoài nước, góp phần cho sản xuất hiệu quả và được nhà máy đánh giá cao nhiều năm nay. Tài liệu tham khảo: [1] Đinh Văn Nhã, Nghiên cứu thiết kế tích hợp các hệ thống cân định lượng ứng dụng trong các nhà máy công nghiệp, Báo cáo Đề tài cấp Nhà nước KC- 02-04 (2000). [2] Tài liệu kỹ thuật vận hành hệ thống cân định lượng của nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi Ngọc Hồi (Các Catalog nhà máy của Hà Lan trang bị - 2000). Dinh Van Nha University degree: Moscow State Civil University in 1972 PhD: 1975 in Moscow, Ass.Prof, 1992. Honorable Prof. H.E, FellowChater USA (2012). Associate Member of IBC – Cambridge England. Post Doc:Delft University of Technology in Holland in 1985. GVCC- ĐHBK Hà nội. Research areas: Automatic Control, Control Design Giải thưởng Hồ Chí Minh năm 2005; Giải thưởng- Huy chương Vàng của Tổ chức Sở hữu trí tuệ Thế Giới WIPO của Liên hợp Quốc 2005; Hai Giải Nhất Giải thưởng Sáng tạo KHCN Việt nam (VIFOTEC -2000,2004); Nhà NCKH Xuất sắc Đông nam Á (9/2009) do (SEA-EU NET MAPPING STUDY) bầu chọn.(Bogor-Indonexia). Huân Chương Đại Sứ Quốc tế ABI USA (2012)- Cup Kim Cương “The Da Vinci Diamond”- IBC Cambridge Anh ( 2012). Huy Chương Thành tựu Xuất sắc ( IBC- England-2012). Giải thưởng “ Cúp Thành Tựu Cao nhất – Số 1 “ của IBC – Cambridge Anh 2012. Positions Hold and Memberships Fellow Chater of ABI –USA (2012) , Associate Member of IBC Cambridge- England (2012). - Deputy Governor ABI- USA, Deputy Dỉrector General IBC- Cambridge England. Gold Medal of “ Great Minds of the 21th Century” ABI-USA 2012; Gold Medal “ 2000 Outstanding Intellectual of the 21th Century” IBC Cambridge England- 2012. Former Director of the Research Center of Automation of Hanoi University of Science Technology (HUST) - Vietnam Ministry of Education and Training; Director of Institute of Science Technology & Training OMEGA; Vice General Director of POLYCO- GROUP; Vice Chairman/Vice General Secretary of Viet Nam Automation Association; Member of Central Committee, Director of Vietnam Technology Renovation of Vietnam Association of Corporate Directors (VACD Association); Member of Central Committee of Vietnam Constructional Association; Super Lecturer of Automatic Control department (HUST) since 15 June, 1976 Awards and Achievements The Owner of The Ho Chi Minh Award of Technology and Science (2005) (the most prestigious Vietnamese research award): this research work gives benefit for the Enterprises, the State with thousands of billions VND; The Owner of the Gold Medal of the World Intellectual Property Organization WIPO AWARD CERTIFICATE of the United Nations. The WIPO Award for the best invention is hereby awarded to Prof. Dr. Dinh Van Nha; The Owner of Two of the First ranking Prizes and Two Gold Cup for “Viet Nam Scientific and Technological Creations Award 2000 - 2004” VIFOTEC (2000 and 2004) (the prestigious Vietnamese research award specialized in Technology); A Labor Order, Order of International Ambassadors – ABI USA, Diamond Cup-Award “The Da Vinci Diamond”- IBC Cambridge England (2012). “ The Ultimate Achiever Award – Certificate Cup Number One” IBC- Cambridge England 2012. “Order- Certificate of American Hall of Frame”- ABI USA 2012. 362 Đinh Văn Nhã, Phạm Khương Duy, Đinh Nhật Anh, Đinh Thị Lan Anh, Đinh Văn Vinh VCM2012 Đinh Nhật Anh , Thạc Sỹ Chinese name: 丁日英 English name: Raphael Master of Science (Innovation Technology) Bachelor (Finance) ĐinhThị Lan Anh, Ths ĐKTĐ Phạm Khương Duy, Thạc Sỹ. Đinh Văn Vinh, KS. polyco@fpt.vn Phó Tổng giám đốc Tập đoàn POLYCO . dụng thuật toán điều khiển cân chính xác để tích hợp hệ thống cân định lượng nhiều thành phần nhà máy thức ăn chăn nuôi gia súc Ngọc Hồi” .Bằng phương pháp nâng cao độ chính xác quá trình cân, . công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 357 Mã bài: 81 Xây dựng thuật toán điều khiển cân chính xác nhiều thành phần Setting up the Algorithm for Controlling Accuracy of the Multi-Component. Vinh VCM2 012 H. 4 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống cân định lượng Giao diện điều khiển và giám sát của hệ cân định lượng nhà máy Ngọc Hồi H. 5 Màn hình giao diện SCADA điều khiển