Исследование автоматической оптимизации системы управления лесосушильной камерой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование автоматической оптимизации системы управления лесосушильной камерой

Соболева Н.В., Черемисина С.А.

Дальневосточный государственный аграрный университет

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы эффективности энергосбережения в лесосушильных камерах. Проанализирована возможность автоматического регулирования системы управления основными параметрами с помощью микроконтроллера.

Ключевые слова: КАМЕРНАЯ СУШКА ДРЕВЕСИНЫ, РЕЖИМЫ СУШКИ, АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ, АВТОМАТИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ, ВАКУУМНО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ КАМЕРА, МИКРОКОНТРОЛЛЕР

В современных условиях развития агропромышленного комплекса большой интерес представляют технологии переработки сырья, которые основаны на повышении качества выпускаемой продукции и снижении ее себестоимости.

Развитие деревоперерабатывающей промышленности связано с усовершенствованием технологических процессов и их взаимосвязей, за счет чего происходит снижение энергетических затрат.

Сушка древесины является одной из наиболее важных и в то же время длительных операций технологического процесса деревообрабатывающего производства. Увеличивающиеся объемы производства изделий из древесины, повышение их качества и долговечности в значительной мере определяются своевременной и качественной сушкой, а также высокотехнологичным оборудованием.

В деревообрабатывающей промышленности наиболее распространенной является камерная сушка пиломатериалов. Для сушки пиломатериалов до эксплуатационной влажности применяют, в основном, лесосушильные камеры периодического действия. Одним из направлений повышения эффективности, качества и количества высушенной пилопродукции является интенсификация процессов сушки, повышение эффективности работы теплообменного оборудования и снижение энергопотребления путем модернизации малопроизводительных сушильных камер, создание новых высокопроизводительных сушильных камер, а также применение прогрессивных процессов сушки [1-3].

Для высушивания длительно сохнущих пиломатериалов в специализированных лесосушильных камерах необходимо выполнить высокие требования по аэродинамике лесосушильных камер для обеспечения равномерной циркуляции сушильного агента при его невысокой скорости, а также особые требования к тепловому оборудованию. Для решения этих задач в конструкциях лесосушильных камер целесообразно применять современные высокоэффективные калориферы на основе биметаллических оребренных труб, удовлетворяющих низкоскоростной режимной технологии процесса сушки длительно сохнущих пиломатериалов [4].

Поэтому проведение специальных исследований в этом направлении, позволяющих решить задачи повышения эффективности сушки длительно сохнущих пиломатериалов в камерах периодического действия, является актуальным.

Процесс сушки сначала происходит естественным путем, затем пиломатериалы помещают в сушильную камеру. Процесс включает в себя следующие технологические операции: начальный прогрев древесины, контроль за режимом сушки и влажностью древесины, влаготеплообработку, кондиционирование и охлаждение.

В режимах сушки пиломатериалов изменение температуры и влажности воздуха могут координироваться по следующим параметрам:

- времени от начала сушки с составлением заранее расписания температуры и относительной влажности на весь процесс;

- влажности материала, уменьшающейся в процессе сушки;

- характеру и величине возникающих в высушиваемом материале напряжений.

В наше время с развитием систем автоматики сушка по времени потеряла свою целесообразность, так как обеспечивает существенно более низкое качество, чем процесс сушки, основанный на фактической влажности древесины в штабеле. Сушка же по возникающим в древесине напряжениям затруднена в настоящее время из-за отсутствия датчиков для их измерения.

Рассмотрим режимы сушки пиломатериалов. При сушке тонких, низкокачественных пиломатериалов и пиломатериалов мягких пород, менее подвергающихся растрескиванию, применяются повышенные температуры и пониженная относительная влажность сушильного агента.

При сушке пиломатериалов на экспорт, где не допускается вплавление смолы, выпадение сучков и изменение натурального цвета, применяют низкотемпературные режимы сушки с температурой до 60 C.

По мере снижения влажности высушиваемой древесины повышается температура и уменьшается относительная влажность сушильного агента.

Режимы камерной сушки по числу ступеней повышения температуры могут быть одноступенчатыми, двухступенчатыми и многоступенчатыми. Число ступеней зависит от толщины, породы пиломатериала, а также от продолжительности процесса сушки. Например, при продолжительности сушки 2-4 суток достаточно 2 ступеней, при продолжительности 25 суток необходимо 5-6 ступеней, а для толстых дубовых или буковых пиломатериалов с продолжительностью сушки 50 суток потребуется 7-8 ступеней. Кроме того, добавляется одна, начальная, ступень (для предотвращения торцевого растрескивания крупных свежеторцованных сортиментов), которая составляет до 10% от продолжительности всего процесса сушки. Таким же способом, но в течение 20-30 % продолжительности сушки, уменьшают растрескивание сердцевинных досок.

В изготавливаемых системах автоматики применяются усовершенствованные режимы сушки с плавным повышением температур, т. е. с очень большим количеством ступеней.

Момент перехода со ступени на ступень определяют по фактической влажности древесины. Влажность, при которой происходит переход со ступени на ступень, т. е. изменение параметров температуры и влажности агента сушки внутри камеры, называют переходной влажностью. Для хвойных пород в технологии сушки установлена переходная влажность 35 и 25 %, а для лиственных - 30 и 20 %. В западноевропейской технологии сушки древесины переходная влажность может наступать через каждые 5% влажности любого пиломатериала, что минимизирует возникновение в них напряжений. Процесс сушки прекращают при достижении древесиной заданной средней влажности.

После конечной обработки пиломатериалы выдерживают в камере в течение 2-3 часов согласно параметрам последней ступени режима сушки, затем прекращают подачу горячей воды в калориферы и охлаждают древесину до 30-40 C сначала при открытых приточно-вытяжных каналах, потом при полуоткрытых дверях.

Время охлаждения составляет примерно 1-2 часа на каждый сантиметр толщины материала.

Общая продолжительность промежуточной обработки и первой стадии конечной обработки приведена в таблице 1. На промежуточную обработку отводится 1/3 общего времени, а на конечную - 2/3.

Таблица 1. Продолжительность влагообработки материалов

Если после технологического процесса сушки установлено, что материал не отвечает предъявленным требованиям, то должна быть назначена дополнительная влагообработка или продолжено кондиционирование.

Сегодня на предприятиях деревообрабатывающей промышленности широко используются различные способы сушки древесины, которые обеспечивают требуемую категорию качества сушки древесины. При конвективном способе сушки тепло, необходимое для удаления влаги, передаётся высушиваемому материалу от воздуха, топочных газов или перегретого пара [5]. Данный способ характеризуется большой продолжительностью сушки (от нескольких суток до нескольких десятков суток) и относительно высоким процентом брака продукции.

Ранее проведенные исследования [1] показали, что к наиболее прогрессивным способам, обеспечивающим исполнение ФЗ № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября 2009 г., следует отнести высокочастотную вакуумно-диэлектрическую сушку. Данный способ обеспечивает нагрев капиллярно-пористых материалов за счет диэлектрических потерь энергии внутри древесины.

Для определения параметров энергоэффективности сушки были проведены теплотехнические расчеты показателей энергозатратности при реализации следующих способов сушки древесины: вакуумно-диэлектрического, конвективного и сушки в поле СВЧ [6].

Энергия, подводимая к высушиваемому материалу, расходуется на нагрев древесины и влаги, испарение удаляемой части влаги, разрыв связи гигроскопичной влаги с древесиной.

Количество теплоты, затрачиваемой на нагрев древесины, рассчитано по формуле:

, (1)

где с ? теплоёмкость вещества, ;

m - масса вещества, кг;

t₁ и t₂ - соответственно, начальная и конечная температуры нагрева, ⁰С.

Количество теплоты, затрачиваемой на испарение влаги, определяем по формуле:

, (2)

где r - удельная теплота парообразования вещества, .

Количество теплоты, затрачиваемой на разрыв связи гигроскопичной влаги с древесиной, определяем по формуле:

, (3)

автоматизация лесосушильная камера

где r - удельная теплота парообразования вещества, .

На диаграмме (рис. 1) представлены результаты теплотехнического расчета, выполненного для 1 м³ высушиваемой древесины (сосна). Влажность сосны в свежесрубленном состоянии прията 80%, в конце процесса сушки - 12%, что соответствует II категории качества сушки. При проведении расчетов для варианта СВЧ сушки энергия, расходуемая на испарение свободной влаги, была уменьшена на 15%, т.к. при небольшой длине пиломатериалов часть свободной влаги выдавливается в жидкой фазе, уменьшая энергию её испарения [4].

Рис. 1. Результаты теплового расчёта: 1 - нагрев древесины, 2 - нагрев влаги, 3 - испарение свободной влаги, 4 - испарение удаляемой гигроскопичной влаги, 5 - разрыв связи гигроскопичной влаги с древесиной

Анализ результатов, приведённых на диаграмме, подтверждает, что наиболее энергоэффективным способом сушки является вакуумно-диэлектрический способ (ВДС). Температура в рабочей камере составляет 45-60 ⁰С, что на 30-40 ⁰С ниже температуры сушки при использовании сушильных камер другого типа. Также применение ВДС позволяет снизить температуру кипения жидкости, а снижение давления в камере ускоряет процесс удаления влаги, т.к. внутри древесины создается избыточное давление за счет наличия внутренних источников тепла. Следовательно, два из трех вышеуказанных факторов (перепад влажности, температуры и давления) действуют согласованно, обеспечивая интенсивность удаления влаги из высушиваемой древесины.

Разработка и внедрение автоматизированной системы управления давлением, влажностью и скоростью сброса давления внутри камеры с использованием микропроцессорных устройств позволят не только регулировать динамику процесса сушки в вакуумно-диэлектрической камере (ВДК), но и сократить время сушки капиллярно пористых материалов.

Первоочередная задача автоматической регулировки процесса сушки - стабилизация режима сушки. Для этого устанавливаются регуляторы, которые должны обеспечить поддержание заданных по режиму температуры и относительной влажности на определенном уровне. В большинстве случаев для этой цели используются стандартные регуляторы. Тип регулятора, установку регулятора и параметры настройки выбирают с учетом статических и динамических свойств сушильных камер и требований, которые выдвигаются к системе регуляции [7, 8].

Динамические характеристики определяют по дифференциальным уравнениям объектов (уравнениям связи между его входными и исходными величинами) или экспериментально, когда эти уравнения получить трудно. Определять динамические характеристики опытным путем можно при автоматизации действующих установок.

При необходимости определить динамические параметры объектов регуляции в процессе их проектирования применяются только аналитические методы. Возможность определить динамические характеристики установки по ее технологическим и конструктивным параметрам позволяет не только решать задачи автоматической регулировки, но и в некоторых случаях влиять на конструкцию установки. При этом можно использовать полученные результаты для подобных объектов других типов. Совокупность аналитических и экспериментальных методов исследования динамических свойств объекта позволяет более достоверно определить его параметры [7].

Рассмотрим лесосушильную камеру как объект регуляции температуры агента сушки.

Количество тепла, которое передается от калорифера в камеру за время dt, определяется уравнением теплового баланса:

где: - коэффициент теплопередачи калориферу,

F_K - поверхность калорифера, м²,

Q_П и Q_G - температура пара в калорифере и агента сушки в камере, °С.

Рассматривая динамику объекта по каналу «температура пара -- температура агента сушки в камере», допускают, что температура агента сушки по объему одинаковая, и отклонения температуры пара небольшие:

Тепло, переданное в камеру от калорифера за бесконечно малый промежуток времени dt, тратится на: нагревание калорифера; металла в камере, покрытие потерь, теплообмен с древесиной [3].

Уравнение теплового баланса запишется так:

где: с_М - теплоемкость металла;

m_К - масса металла в камере, кг;

F_ОГ - поверхность ограждений, м;

Q_НАР - температура внешней среды °С;

k_ОГ - средний коэффициент теплопередачи ограждений;

б - коэффициент теплообмена древесины в процессе сушки;

Fд - поверхность древесины, м²;

Qд - температура древесины .

В установленном режиме, когда уравнение (6) будет:

где Т - постоянная времени.

Из уравнения (7) очевидно, что по каналу «температура пара -- температура агента сушки в камере» объект является инерционным звеном.

Камерная сушка древесины - сложный технологический процесс, для которого характерны следующие особенности: многочисленность параметров, их сложная взаимосвязь, наличие неконтролируемых внешних факторов. Модель такого сложного объекта можно характеризовать совокупностью следующих параметров (рис. 2):

- группа входных параметров X₁, совмещающих контролируемые, но не регулируемые технологические параметры процесса, например, количество и вид материала, который высушивается (порода и размер пиломатериалов, их начальная влажность);

- группа неконтролируемых входных параметров Х₂, которые характеризуют влияние таких факторов, как изменение окружающей среды, старение и износ оборудования, неоднородность материала и неравномерность распределения его по объекту регуляции и т.д.;

- группа управляющих параметров Y, характеризующих регулирующие влияния, которые поддерживают заданный режим; сюда относятся количество тепла и скорость циркуляции агента сушки;

- группа исходных параметров Q, которые характеризуют качество материала, который высушивается, например, задана конечная влажность при определенном перепаде влажности по пересечению пиломатериалов и величина остаточных внутренних напряжений;

- группа исходных параметров E, характеризующих экономическую эффективность объекта регуляции, а именно: наименьшую длительность процесса сушки при сохранении качества материала, который высушивается, и КПД сушильной установки [9].

Рис. 2. Структурная схема системы автоматической оптимизации (САО)

О - объект регуляции; Р - регулятор; Кп - управляющее устройство, Х₁, Х₂ - входные параметры; У - регулирующее влияние; Q, Е - параметры объекта, которые характеризуют качество и экономичность; Н - ограничение

При автоматизации процесса сушки нужно применять такую систему, которая бы обеспечила проведение сушки в режиме, близком к оптимальному, то есть должны быть получены заданные параметры Q при максимальных значениях параметров Е. Эта задача может решаться при применении самонастроечных систем, которые выбирают такую комбинацию управляющих параметров В, что обеспечивают экстремальное значение параметра F.

На рис. 2 показана структурная схема системы автоматической оптимизации (САО) процесса сушки.

Кроме основных узлов обычной системы автоматической регулировки объекта О и автоматического регулятора Р, в схему введено управляющее устройство К_П, анализирующее и поддерживающее на оптимальном уровне исходные величины объекта при соблюдении заданных ограничений Н. Для поддержки оптимальных исходных параметров САО делает автоматический поиск, который сводится к изменению входных параметров системы (входной величины Х-Р регулятора и регулирующих влияний У), анализу результата этого изменения и определению направления последующего изменения для приведения системы к самому выгодному режиму сушки. За критерий оптимума процесса сушки выбирается один или несколько исходных параметров Q и Е, при этом другие показатели задаются в САО в виде ограничений Н. Например, за критерий оптимума выбирают интенсивность сушки, а в качестве ограничения задают сохранение определенных показателей качества материала при сушке [7].

Для создания САО необходимы, кроме экстремальных регуляторов и обычных средств автоматики, некоторые специальные измерительные устройства (рис. 3):

а) для контроля качественных показателей материала в ходе сушки, температуры и влажности древесины, перепада влажности по толщине материала, внутренних напряжений в процессе сушки;

б) для измерения энергетических показателей процесса сушки, расход тепла на сушку или на 1 кг влаги, которая испаряется;

в) для измерения скорости сушки - автоматический влагомер с дифференцирующим устройством.

Рис. 3. Блок-схема регулировки процесса сушки по температуре и влажности

Схема регулировки процесса сушки по температуре и влажности сушильного агента разомкнута по параметрам, что характеризует состояние древесины, которая сушится (температура T, влажность W, показатели качества Q). Информация об этих параметрах не подается на регуляторы температуры и влажности сушильного агента. Эта система регулировки не обеспечивает заданную конечную влажность и необходимое качество высушенного материала. Поэтому, с целью предотвращения нехватки времени, параметры режима сушки устанавливают заниженные, что препятствует интенсификации процесса.

Для выполнения выставленных к системе автоматизации требований выбираем комплекс, построенный на базе микроконтроллера PIC16F877 и средств измерения и индикации состояния системы автоматизации.

В микроконтроллеры PIC16F87X встроен сторожевой таймер WDT, который может быть исключен только в битах конфигурации микроконтроллера. Для повышения надежности сторожевой таймер WDT имеет собственный RC генератор.

Высокоскоростная RISC архитектура выполняет все команды (35 инструкций) за один цикл, за исключением инструкций переходов, которые выполняются за два цикла. PIC16F87X имеют много усовершенствований, повышенную надежность системы, которые снижают стоимость устройства и число внешних компонентов. Микроконтроллеры PIC16F87X имеют режимы энергосбережения и возможность защиты кода программы.

В микроконтроллеры PIC16F87X встроен сторожевой таймер WDT, который может быть исключен только в битах конфигурации микроконтроллера. Для повышения надежности сторожевой таймер WDT имеет собственный RC генератор.

Дополнительные два таймера выполняют задержку старта работы микроконтроллера. Первый из них, таймер запуска генератора (OST), удерживает микроконтроллер в состоянии сброса, пока не стабилизируется частота тактового генератора. Второй, таймер включения питания (PWRT), срабатывает после включения питания и удерживает микроконтроллер в состоянии сброса в течение 72 мс (типичное значение), пока не стабилизируется напряжение питания. В большинстве дополнений эти функции микроконтроллера позволяют исключить внешние схемы сброса.

Система автоматизации имеет в своем составе каналы ввода/вывода. Все исходные каналы имеют дискретный (логический) характер и предназначены для управления устройствами автоматизации.

Автоматическая регулировка процесса сушки включает в себя принцип двухпозиционной регуляции. Для качественного сбора технологических параметров использованы современные датчики температуры и влажности в камере, влажности пиломатериалов. Это дает возможность точнее, и, главное, быстрее реагировать на смену состояния объекта автоматизации. Температура снимается цифровыми датчиками, результаты обрабатываются микроконтроллером, который дает высокую скорость и точность обработки информации.

Итак, система микроконтроля, вместе с комплексом дат сбора технологических параметров, позволяет проводить сушку разных пород древесины по определенным программам, которые вносятся оператором и имеют высокую степень гибкости. Также не исключена возможность адаптации программ в зависимости от потребностей, которые возникают при сушке разных пород древесины.

Автоматизация процесса сушки позволяет достигать стабильно высокого качества высушиваемого пиломатериала и снижает влияние «человеческого фактора» на получаемые результаты.

Список использованных источников

1. Видин Ю.В., Федяев А.А. Энергосбережение при сушке текстильных материалов сложной формы // Вестн. Краснояр. гос. техн.ун-та. - 1999, № 19. - С. 139.

2. Качанов А.Н., Чукумов М.Н. Повышение качества сушки на ПМО «Арай» / Проблемы комплексного развития регионов Казахстана // Материалы международной научно-практической конференции. Часть 1. - Алматы: КазгосИНТИ. - 1996. - С. 131-134.

3. Федяев А.А. Энергосбережение при сушке пиломатериалов за счет кинетической оптимизации // Вестн. Краснояр. гос. ун-та. - 2008, № 1. - С. 228-232.

4. Гамаюнов Н.Й., Ильченко Л.И. Закономерности внутреннего переноса влаги и структурообразования при сушке различных материалов // Хим. пром-ть. - 1979, № 6. - С. 344-348.

5. Богданов Е.С., Мелехов В.И., Кунтыш В.Б. и др. Расчет, проектирование и реконструкция лесосушильных камер. Под ред. Е.С. Богданова. - М.: Экология. - 1993. -685 с.

6. Расев А.И. Сушка древесины: Учебное пособие. Изд. 4-е. - М.: МГУЛ. - 2000. -178 с.

7. Емельянов А.И., Капник О.В. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. Справочное пособие. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат. - 1983. - 399 с.

8. Лебедев П.Д. Расчёт и проектирование сушильных установок. - М.?Л.: Госэнергоиздат. - 1962. - С. 320.

9. Федяев А.А., Федяева В.Н., Видин Ю.В. Математическое моделирование динамики процессов тепловлажностной обработки капиллярно-пористых коллоидных материалов // Техника и технологии. - 2008, № 1. - C. 68-75.

Размещено на Allbest.ru