Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 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 nguyentrunghieu@dcselab.edu.vn; 2thanhson@dcselab.edu.vn vanduy@dcselab.edu.vn; 4thanhnam@dcselab.edu.vn TÓM TẮT Trong ngành công nghiệp chế biến nông phẩm, Việt Nam là nước tập trung xuất khẩu gạo thứ nhì thế giới giá bán gạo chưa được cao Công nghệ chế biến nước hiện được khuyến khích giảm nhập các thiết bị 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 bước vào giai đoạn hội nhập thì sản phẩm máy tách màu gạo một thiết bị quan trọng quyết định giá thành cũng chất lượng của tất cả các khâu khác 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 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 máy, là một số những điểm chủ yếu làm 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 GIỚI THIỆU Hệ thống tách màu phân loại gạo là công đoạn cuối dây chuyền sản xuất gạo để tách 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 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 triệu tấn gạo Tuy nhiên, loại gạo cao cấp chỉ khoảng 1,5 triệu tấn, lại 5,5 150 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV triệu tấn xuất khẩu loại gạo bình thường Sự chênh lệch giá giữa xuất khẩu loại gạo cao cấp loại bình thường khoảng 150US$/tấn Như vậy, Việt Nam có thể thu về thêm 800 triệu US$/năm nếu xuất khẩu đạt triệu tấn loại gạo cao cấp Để có thể thực hiện được điều này, 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 sử dụng tại nhà máy chế biến gạo của Công ty bảo vệ thực vật An Giang, doanh nghiệp Việt Nam cần phải đầu tư thêm 110 máy Ngoài ra, theo kế hoạch của Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn, đến năm 2020 sẽ tăng sản lượng gạo xuất khẩu thêm 30-40%, chủ yếu 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 nhiều hội thách thức mới Việt Nam trở thành thành viên thứ 150 của Tổ chức Thương mại thế giới (World Trade Organization - WTO), đứng trước sức ép đòi giảm bớt trợ cấp nông nghiệp mở cửa thị trường cho hàng hóa nông sản Với máy tách màu phân loại gạo, chưa có đơn vị nước nghiên cứu làm chủ công nghệ nội địa hóa sản phẩm này nước Việc làm chủ công nghệ nội địa hóa sản phẩm với chất lượng tương đương và giá thành rẻ là nhu cầu tất yếu rất cấp thiết THIẾT KẾ,CHẾ TẠO MÔ-ĐUN TÁCH MÀU GẠO 2.1 Thiết kế hệ thống Máy được cấu tạo gồm phần chính sau, [1]: Bộ phận cấp nguyên liệu Bộ phận bao gồm máng, hệ thống cấp liệu rung cho máng gạo Cụm dẫn hướng gạo Bộ phận có thể được thiết kế theo kiểu máng nghiêng tải liệu, phân gạo thành lớp có độ dày đồng đều phục vụ trình nhận dạng Cụm dẫn hướng còn được thiết kế hệ thống gia nhiệt điện trở giúp chống tăng ẩm cho gạo qua máy phân loại Cụm đầu phun khí nén Bộ phận sử dụng để định hướng dòng khí nén tác dụng lực lên hạt gạo có tín hiệu điều khiển Cụm hút lau bụi cho camera và đầu phun Bộ phận này được thiết kế để đảm bảo được độ xác của trình nhận dạng, gạo đưa vào máy thường có độ cám nhất định nên cần có thiết bị hút liên tục không khí bên máy giúp máy sạch Việc vận hành máy cần được lau bụi định kỳ thời gian hoạt động nên cần có hệ thống lau kính của camera nền tương thích Cụm cấp khí nén Bộ phận thiết bị ngoại vi không nằm máy có vai trò quan trọng hoạt động của máy, cụm cần được tính toán thiết kế chọn thông số thích hợp Cụm camera nhận dạng Bộ phận 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, hình cảm ứng, nút nhấn phần mềm giao diện người dùng Trong bao gồm cả việc thiết kế đồ gá cho camera giúp cho hệ thống được ổn định giúp cho việc calip ban đầu sử dụng máy, cụm này được tích hợp phần xử lý ảnh để thực hiện nhận dạng và cho tín hiệu điều khiển hệ thống Cụm chứa nguyên liệu tinh thô Bộ phận để chứa nguyên liệu thành phẩm phế phẩm sau phân loại 151 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Cụm khung khí Bộ phận để lắp ráp tích hợp cụm máy nêu 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 Hình Hình 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 sở lý thuyết thực nghiệm kết hợp với sự trợ giúp của các chương trình điều khiển được viết để thu phát tín hiệu truyền, từ giúp xác định được thời gian của các khối chức theo số chu kỳ đếm được Với các trị số thời gian: t1, t2, t3 cách thực hiện đo các thông số cho chương trình chạy liên tục thu và phát theo chu kỳ Cuối thu thời gian máy tính, chia trung bình sẽ có được kết quả xử lý cho một lần truyền dữ liệu Hình Cấu trúc chương trình điều khiển hệ thống có thời gian thực 152 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Thông số thiết kế phối hợp thời gian điều khiển cho toàn hệ thống Thông số tính toán Ký hiệu Giá trị Đơn vị Thời gian từ Camera đến PC t1 2.5 ms Thời gian xử lý ảnh t2 ms Thời gian truyền từ PC đến PLC t3 2.5 ms Thời gian điều chỉnh của PLC t4 ms Thời gian đóng mở van t5 1.5 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 xử lý tín hiệu làm chậm thời gian đáp ứng máy T8 1.639 ms T đáp ứng 18.034 ms Tổng thời gian đáp ứng của thiết bị điều khiển 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 Chiều dài máng T gạo rơi 20.479 ms L 632 mm Thời gian đáp ứng của hệ thống điều khiển Tđáp ứng tổng thời gian của tất cả bộ phận điều khiển Bảng Trong thời gian đáp ứng của hệ thống phải nhỏ 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 cách thay đổi một 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 tiến trình xử lý bao gồm Camera, chương trình phần mềm máy tính thiết bị điều khiển van khí Hình Cấu hình của hệ thống xử lý ảnh máy TMG 153 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hệ thống điều khiển hiện tại bao gồm xử lý ảnh sẽ PC hệ thống điều khiển van khí PLC Tuy nhiên thực tế, máy thương mại hệ thống xử lý ảnh sẽ một board ARM hệ thống điều khiển van khí board FPGA Việc kết hợp ARM với FPGA: yêu cầu board ARM phải có kết nối với camera (Ethernet hay CameraLink), board FPGA phải có 64 chân output tương ứng với điều khiển 64 van khí Giữa board ARM và FPGA giao tiếp thông qua 64 chân đơn giản Khó khăn lúc việc nhúng hệ điều hành vào ARM, giao tiếp với camera thời gian xử lý ảnh lâu máy tính truyền thống Tuy nhiên ta có thể bù thời gian này vào bộ phận điều chỉnh thì mức thời gian trễ nằm phạm vi thiết kế 2.4 Giải thuật xử lý ảnh thực hiện cho yêu cầu thiết kế Thực hiện giữ nguyên giải thuật tách màu gạo cho đến thời điểm hiện theo mô hình sau: Hình 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 pixel có giá trị vượt ngưỡng xám tổng pixel vượt ngưỡng sẽ tăng thêm một Khi tổng pixel vượt ngưỡng xám lớn một số nào thì ta xác định hạt gạo xấu Nên nếu đảm bảo được việc tách màu hạt gạo với chấm rất nhỏ thì cần tăng độ phân giải phân tích hạt gạo Lúc mới thực hiện được việc tách hạt chính xác và tăng được suất, giảm thành phẩm phế phẩm để có thể đạt được yêu cầu 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, Hình thì gạo sau chế biến có đa dạng các loại tạp chất và thực tế người ta chia thành nhóm tạp chất là nhóm a, b, d để đánh giá chất lượng với 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 không tồn tại gạo nhóm a, b và có thể tồn tại lượng gạo thuộc nhóm d tỷ lệ đục hạt phải dưới 75% thì được xem là đạt chất lượng và không nằm 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 75%, hạt cội, gãy hỏng Hình 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 đánh giá chất lượng mẫu gạo phương pháp lựa hạt, cân khối lượng và tính toán phần trăm cho kết quả sau: 154 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Kết quả thực hiện tách màu sau tách lần 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 % 46.53 g – 93.06 % 38.18 g – 76.36 % 41.69g – 83.38 % 6.64 % 22.94 % 16.24 % Hạt tốt Tổng phần trăm hạt xấu Bảng Kết quả thực hiện tách màu sau tách lần 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 0g–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 % 48.34 g – 96.68 % 44.82 – 89.64 % 46.53 g – 93.06 % Hạt tốt Tổng phần trăm hạt xấu 10.2 3.66 % % 6.64 Đánh giá phân tích kết quả đạt được: hạt sọc đỏ, chấm kim, vàng nhạt chưa tách được Tỷ lệ tách bạc bụng lần của máy ổn định, cụ thể tỷ lệ bạc bụng bảng Tỷ lệ gạo tốt lẫn phế phẩm cao, cụ thể: mang đầu vào bắn lần 1, phế phẩm lẫn 58.2% gạo tốt, mang phế phẩm bắn lần 2, đầu phế phẩm lẫn 43.4% gạo tốt Khối lượng gạo phế phẩm cao chiếm 50% tổng khối lượng của phế phẩm sau tách màu Dựa các kết quả thực hiện được thì nhóm nghiên cứu cũng có đề 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 thành phẩm < 2% (cho lần tách màu) Khối lượng gạo tốt bỏ phế phẩm < 30% tổng khối lượng của phế phẩm cho lần đầu tiên tách màu Năng suất của máy tách một kênh hiện đạt 1, tấn/giờ KẾT LUẬN Các thông số thiết kế hệ thống 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 quá trình tách màu gạo Kết quả nghiên cứu bước đầu đạt được những bước tiến nhất định 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 tách chính xác trung bình tính toán 6.64% gạo xấu tương ứng với mức chất lượng gạo đầu vào là 16.24% 155 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 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 Hướng phát triển sản phẩm để đáp ứng và cạnh tranh được thị trường thì mục tiêu cải tiến là 98% cho lần tách đầu tiên Trên 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 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 Kỹ thuật Hệ thống và được tài trợ bởi ĐHQG-HCM 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/ 156 ... trù sai số xử lý tín hiệu làm chậm thời gian đáp ứng máy T8 1.639 ms T đáp ứng 18.034 ms Tổng thời gian đáp ứng của thiết bị điều khiển Tổng thời gian đáp ứng tính toán. .. thống Thông số tính toán Ký hiệu Giá trị Đơn vị Thời gian từ Camera đến PC t1 2.5 ms Thời gian xử lý ảnh t2 ms Thời gian truyền từ PC đến PLC t3 2.5 ms Thời gian điều chỉnh của. .. 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 sở lý thuyết thực nghiệm kết hợp với sự trợ giúp của