Proceedings VCM 2012 48 xây dựng thuật toán điều khiển cân chính xác nhiều thành phần

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 : , , ,
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.
Phó Tổng giám đốc Tập đoàn POLYCO