Удосконалення системи автоматизації процесу сушіння пиломатеріалів на базі ІоТ технології

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра електротехнологій та експлуатації енергообладнання

Відокремлений підрозділ Національного університету біоресурсів і природокористування України

“Бережанський агротехнічний інститут”

Удосконалення системи автоматизації процесу сушіння пиломатеріалів на базі ІоТ технології

Гайдукевич Світлана Василівна, старший викладач

Семенова Надія Павлівна, старший викладач

Плонка Ігор Олегович, асистент

Анотація

Важливим фактором підвищення якості пиломатеріалів є процес сушіння. В залежності від організації режиму сушіння та підтримання мікрокліматичних параметрів сушильної камери залежать кількісні та якісні показники технологічного процесу.

Оскільки кінетика процесу сушіння характеризується зміною температури та вологовмісту деревини за визначений проміжок часу то необхідно з заданою точністю підтримувати відповідні мікрокліматичні показники на кожному етапі режиму сушіння.

Враховуючи всі фактори було проведено удосконалення системи автоматизації технологічного процесу сушіння пиломатеріалів. Система має можливість контролювати та моніторити усі параметри процесу та встановлювати правильне значення температури на виході в залежності від вологості пиломатеріалу на вході.

Удосконалена система, розроблена на базі ІоТ технологій, реалізуючи високотехнологічні «розумні» пристрої покращує функціональні можливості процесу сушіння.

При правильно підібраних параметрах сушіння повинні змінюватися лише фізичні властивості деревини при цьому структура і хімічний склад мають залишатися не змінними. Процес сушіння є нелінійним процесом, тому формування середовища сушильної камери залежить від комплексу факторів, в залежності від яких необхідно підтримувати відповідні параметри.

Автоматизована система управління технологічним процесом сушіння деревини є вищим етапом комплексної автоматизації, яка покликана забезпечити істотне збільшення продуктивності праці, поліпшити якість продукції та інших техніко-економічних показників виробництва, а також забезпечити захист навколишнього середовища.

Впровадження високотехнологічних пристроїв позволяє прилаштовуватися та швидко реагувати на зміни виробничо-технологічних умов, так, як головною вимогою є точність і достовірність підтримання параметрів при будь-яких збуреннях. При цьому процес сушіння пиломатеріалів проходить по чітко визначеному алгоритму з певним дотриманням усіх параметрів на кожному етапі режиму сушіння. Саме удосконалена автоматизована система керування, яка базується на ІоТ технологіях та високотехнологічних пристроях, повністю забезпечує оптимізацію мікрокліматичних параметрів процесу сушіння.

Ключові слова: сушильна камера, пиломатеріали, вологісно-температурні показники, деревина, автоматизація, ІоТ технології.

Haidukevych Svitlana Vasylivna senior lecturer of the department of electrical technology and operation of power equipment, Separated subdivision of the National university of bioresources and nature management of Ukraine "Berezhansky agrotechnical institute", Berezhany

Semenova Nadiia Pavlivna senior lecturer of the department of electrical technology and operation of power equipment, Separated subdivision of the National university of bioresources and nature management of Ukraine "Berezhansky agrotechnical institute", Berezhany

Plonka Ihor Olehovych assistant of the department of electrical technology and operation of power equipment, Separated subdivision of the National university of bioresources and nature management of Ukraine "Berezhansky agrotechnical institute", Berezhany

IMPROVEMENT OF THE AUTOMATION SYSTEM OF THE LUMBER DRYING PROCESS BASED ON IOT TECHNOLOGY

Abstract

An important factor in improving the quality of lumber is the drying process. Quantitative and qualitative indicators of the technological process depend on the organization of the drying regime and maintenance of the microclimatic parameters of the drying chamber.

Since the kinetics of the drying process is characterized by a change in the temperature and moisture content of the wood over a certain period of time, it is necessary to maintain the appropriate microclimatic indicators at each stage of the drying regime with a given accuracy.

Taking into account all factors, the improvement of the automation system of the technological process of lumber drying was carried out. The system has the ability to control and monitor all process parameters and set the correct temperature value at the outlet depending on the moisture content of the lumber at the inlet.

The improved system developed on the basis of IoT technologies, implementing high-tech "smart" devices, improves the functionality of the drying process.

With correctly selected drying parameters, only the physical properties of wood should change, while the structure and chemical composition should remain unchanged. The drying process is a non-linear process, therefore the formation of the environment of the drying chamber depends on a complex of factors, depending on which it is necessary to maintain the appropriate parameters.

The automated control system for the technological process of wood drying is the highest stage of complex automation, which is designed to ensure a significant increase in labor productivity, improve product quality and other technical and economic indicators of production, as well as ensure environmental protection.

The introduction of high-tech devices makes it possible to adapt and quickly respond to changes in production and technological conditions, as the main requirement is the accuracy and reliability of maintaining parameters in the event of any disturbances. At the same time, the process of drying lumber takes place according to a clearly defined algorithm with certain observance of all parameters at each stage of the drying regime. It is the improved automated control system, which is based on IoT technologies and high-tech devices, that fully ensures the optimization of the microclimatic parameters of the drying process.

Keywords: drying chamber, lumber, moisture and temperature indicators, wood, automation, IoT technologies.

Вступ

Постановка проблеми. Свіжозрізана деревина містить 60...75% вологості. Таку деревину, перш ніж застосовувати, потрібно піддавати сушінню. По-перше вологу деревину дуже важко обробляти, по-друге, деревні вироби зі зміною вологості змінюють свої розміри, форму, та іноді розтріскуються, а саме основне деревина з великим вмістом вологи дуже швидко псується та являється не конденційною. Деревообробні підприємства для виготовлення своєї продукції потребують сухої та якісної деревини. Якість пиломатеріалу залежить від організації процесу сушіння. Від правильного вибору та дотримання режиму (підтримання параметрів середовища на заданому рівні з урахуванням стану матеріалу - його вологості та внутрішніх напружень) залежать кількісні та якісні показники процесу сушіння [1, с. 64]. Тому технологічний процес сушіння пиломатеріалів вимагає дотримання відповідних режимних параметрів. А їх можна досягти при повній автоматизації сушильних камер з більш гнучкою технологією, що приведе до скорочення витрати часу, економії тепло- та енергоресурсів, підвищення продуктивності та виходу якісної продукції.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Процесам сушіння пиломатеріалів присвячено дуже багато наукових розробок де розглядаються методи покращення фізичних властивостей та захисту деревини. Ігнатенко П.Л., Сапон С.П., Ігнатенко О.А., Ступа В.І. переконані, що міцність деревини окрім її породи суттєво залежить від температури та вологості. Оскільки з підвищенням температури та тривалості її впливу в деревині відбуваються незворотні процеси, що призводить до зміни її міцністних показників при наступній експлуатації [2, с. 257].

Великий вклад по переробці деревини залишив професор Білей П.В., який упевнений, що режим сушіння є вирішальним фактором інтенсифікації процесу і підвищення якості висушуваного матеріалу [3, с. 134] та дослідив кінетику технологічного процесу сушіння, яка характеризується зміною вологовмісту деревини під час сушіння за визначений проміжок часу.

Але на сьогодні залишається невирішеним проблематичне питання автоматизації процесу сушіння на базі сучасних тенденцій та енергозберігаючих технологій. Оскільки автоматизація процесу сушіння є необхідною умовою покращення технології сушіння деревини [4, с. 124]. Застаріле обладнання не спроможне з достатньою точністю слідкувати за технологічним процесом. Тобто, повністю задовольняти сучасні вимоги. А озброїтися найновішими засобами автоматизації, що розроблені провідними фірмами, із-за великої вартості не кожне господарство може собі позволити.

Мета статті - обґрунтування режиму видалення вологи з пиломатеріалів та підвищення якості і ефективності процесу сушіння вдосконаленням системи автоматизації на базі ІоТ технологій.

Виклад основного матеріалу

Як вже було сказано якість деревини залежить від правильно підібраного режиму сушіння та його організації. На кожній стадії відповідного режиму необхідно в сушильній камері встановлювати та підтримувати нормовані мікрокліматичні параметри. Тобто, суттєвим фактором, що визначає якісний рівень [5, с. 33] пиломатеріалів, є дотримання з заданою точністю температурно-вологісного режиму, що характеризується технологічним регламентом. При правильно підібраних параметрах сушіння повинні змінюватися лише фізичні властивості деревини при цьому структура і хімічний склад мають залишатися не змінними.

Основними параметрами процесу сушіння пиломатеріалів є:

- вентиляція, яка виконує роль відбору вологи;

- температура, яка пришвидшує процес сушіння;

- відносна вологість повітря, що характеризує степінь насичення водяними парами.

В сушильній камері (рис. 1), тобто в об'єкті регулювання, необхідно постійно на кожному етапі прописаного режиму підтримувати відповідні мікрокліматичні показники ©о. І якщо по якійсь причині виникне відхилення 0х якогось показника від заданої величини то сприймаючий елемент повинен вловити вихідну величину, наприклад, их і подати на порівнюючий пристрій, де проходить порівняння вихідної величини з заданою величиною Uo. Різниця показників подається на підсилювач. В залежності від відхилення виконавчий механізм діє на регулюючий орган, який видає сигнал ю1, що керує регулюючим параметром R1.

Рис. 1 Структурна схема процесу сушіння пиломатеріалів

автоматизація сушіння пиломатеріал

Процес сушіння є нелінійним процесом, тому формування середовища сушильної камери залежить від комплексу факторів:

- породи деревини;

- товщини пиломатеріалу;

- призначення сушильного матеріалу;

- тривалості сушіння;

- вибраного режиму сушіння.

В залежності від цих факторів необхідно підтримувати відповідні параметри, а саме:

- вологість деревини;

- температуру теплоносія;

- температуру і вологість повітря сушильної камери;

- зміну напряму повітря;

- зміну потужності устаткування;

- перемикання ступенів режиму;

- одержання вихідної величини вологовмісту пиломатеріалу.

В залежності від вологісно-температурного впливу на деревину процеси сушіння поділяють на високотемпературні і низькотемпературні. Низькотемпературні режими в свою чергу розподіляються на м'які, нормальні і форсовані. Тобто, необхідно чітко представляти механізм дії енергії, що підводиться, з точки зору зміни структури матеріалу, його структурно механічних і енергетичних властивостей, мети обробки, і дуже ретельно розглядати енергетичні і економічні витрати на реалізацію того або іншого способу обробки [6, с. 223].

Процес сушіння пиломатеріалів є неодноманітним процесом. Основними ознаками сушіння, що характеризують технологічний процес, є початкова вологість деревини та температура середовища. Любий процес сушіння складається з декількох етапів, які виконують свої функції та властиві їм різні комбінації значень температури і вологості повітря сушильної камери та тривалість підтримання цих показників на кожному етапі сушіння, враховуючи вологість сушильного матеріалу. А оскільки деревина по площині обсушується нерівномірно, що є основною проблемою процесу сушіння то постійно потрібно змінювати в сушильній камері напрям повітря. Успішне протікання технологічного процесу вимагає запроваджування автоматичного контролю відповідних параметрів.

Автоматизовані системи управління технологічними процесами є вищим етапом комплексної автоматизації і покликані забезпечити істотне збільшення продуктивності праці, поліпшення якості продукції та інших техніко-економічних показників виробництва, а також захист навколишнього середовища [7].

Переважно автоматизація сушильної камери проводиться на базі релейно-контактних схем. Але на сьогоднішній день релейно-контактне керування (рис. 2) не задовольняє експлуатаційні вимоги та умови технології сушіння пиломатеріалів, а також вимагає застосування більш високого технічного технологічного рівня. Тобто сучасна автоматизація ставить зовсім нові більш передові вимоги до процесу сушіння пиломатеріалів.

Одним із шляхів інтенсифікації є впровадження [8, с. 124] високотехнологічних пристроїв, які здатні прилаштовуватися та швидко реагувати на зміни виробничих умов. Оскільки основною вимогою є точність підтримання параметрів при любих збуреннях. При цьому процес сушіння пиломатеріалів проходить по чітко визначеному алгоритму з певним дотриманням усіх параметрів на кожному етапі режиму сушіння. Тобто, удосконалена автоматизована система керування, яка базується на високотехнологічних пристроях та концепціях ІоТ технологій, що використовуються з метою інтеграції різних об'єктів, повністю забезпечує оптимізацію мікрокліматичних параметрів процесу сушіння. Високотехнологічні пристроїв мають дуже просту архітектуру. В результаті роботи розумні пристрою повинні розпізнавати один одного, мати мережу для взаємозв'язку, збирати інформацію та обробляти її. Вагомою перевагою системи є те, що застосовуються системи інтелектуального контролю та створюється можливість дистанційного керування виконавчими пристроями через глобальну мережу Інтернет за допомогою персонального комп'ютера, планшета, мобільного телефону і навіть смарт-годинника [9, с. 806].

Рис. 2 Функціонально-технологічна схема

Удосконалена система автоматизації складається з високотехнологічних пристроїв фірми Sonof, які оснащені цифровою технікою та об'єднані в єдину систему і мають можливість обмінюватися інформацією через глобальну мережу Інтернет (рис. 3).

Рис. 3 Структурна схема керування камерою сушіння пиломатеріалів на базі ІоТ технологій

Об'єднання пристроїв у локальну мережу утворює вищий ієрархічний рівень їхньої взаємодії, яка продукує нові можливості та переваги [10]. Це надає можливості забезпечення якіснішого процесу сушіння, одержання пиломатеріалу з відмінними властивостями та оптимізувати витрати.

В мікроконтролерній системі використано апаратну обчислювальну платформу на базі ESP32, яка містить Wi-Fi модуль. Для зібрання інформації про об'єкт керування вибрано датчики вологості деревини, датчик вологості і температури повітря сушильної камери та датчик температури агенту калорифера.

Мережевий блок відповідає за передачу інформації між мікроконтролером і панеллю керування користувача. Для нього використовується обладнання, яке надає інтернет провайдер, або мережевий сервер розгорнутий на платформі Linux. Важливим елементом даного блоку є потужний Wi-Fi передавач. Мікроконтролер через модуль інтерфейсів зчитує інформацію з датчиків та згідно з прописаним алгоритмом керує виконавчими пристроями.

За відлік локального часу відповідає системний таймер, за допомогою якого визначається час доби та надається можливість прописати відслідковування додаткових параметрів керування системою сушіння. Тому змінювати параметри сушіння згідно з технологією можна в часі або залежно від біжучої вологості деревини [4, с. 125]. Точність зібраної та обробленої інформації дає можливість виконання завдання, що підлягає специфіці процесу сушіння, підпорядкованого керування температури та вологості повітря сушильної камери. А основне, автоматизація на базі ІоТ технологій дозволяє вирішити першочергове завдання підвищення енергозбереження та забезпечення стійкого та якісного керування технологічним процесом.

Основним недоліком деревини є те, що вона схильна до циклічних коливань вологовмісту, тобто залежить від пори року та періоду доби. Мінливі метеорологічні умови зовнішнього середовища є провідним збуренням, що кардинально впливає на роботу камери. Тому основним фактором процесу є точність вимірювання зміни вологості пиломатеріалу, що дає можливість сформулювати алгоритм та критерії керування на кожному етапі технологічного процесу сушіння.

Регулювання основних параметрів температури і вологості повітря сушильної камери здійснюється заслінками припливно-вентиляційних каналів.

Тепловим обладнанням камери являється калорифер, теплоносієм якого є гаряча вода, що під тиском подається насосом. В залежності подачі теплового потоку калорифера регулюється температура повітря сушильної камери. В залежності від температури камери вентилятори мають можливість змінювати свою швидкість. Тобто, якщо в сушильній камері температура повітря збільшується, то швидкість вентиляторів зменшується, а при зниженні температури швидкість вентиляторів збільшується.

Проміжну вологотеплообробку, яка проводиться при переході з першого на другий, або з другого на третій етап сушіння пиломатеріалу з метою зняття залишкових механічних внутрішніх напружень, що виникають в процесі сушіння за рахунок нерівномірного усихання деревини, проводиться за допомогою системи зволоження (рис. 4).

Напрям циркуляції повітря здійснюється за допомогою вентилятора.

Рис. 4 Зміна вологісних, залишкових та повних напружень пиломатеріалів в процесі сушіння

W_mh - вологість межі насичення; Wp - рівноважна вологість; Wn -вологість поверхні; овол вологісні напруження, що обумовлені нерівномірним за об'ємом усиханням деревини; ^озал - залишкові напруження, що обумовлені наявністю у деревині неоднорідних залишкових деформацій; оповповні внутрішні напруження

Удосконалена система автоматизації має можливість відслідковувати, записувати та моніторити усі контролюючі параметри на протязі усього процесу сушіння та встановлювати правильне значення температури на виході в залежності від вологості пиломатеріалу на вході. Тобто, підтримується задана температура повітря камери до тих пір поки не зміниться вологість на вході. Зміна відповідного значення температури встановлюється без запізнення по часу і коливань. По необхідності система має можливість під час роботи проводити зміни у системі керування. В результаті система легко переналаштовується та забезпечена засобами програмування.

Збирання та обробка інформації здійснюється за допомогою спеціального програмного забезпечення. Керування технічними засобами з цифровими пристроями здійснюється за допомогою додатку eWeLink. Для розширення можливостей автоматичної системи додатково розгорнуто на хмарній платформі систему Home Assistant, що дає можливість доступу до цієї системи через Інтернет, а саме через хмару за допомогою серверу динамічного Duck DNS. Концентратор ІоТ пристроїв реалізує канал з'єднання між програмною платформою і фізичними пристроями [11, с. 4]. Контролери керують інформаційними потоками, отримуючи інформацію з датчиків, які контролюють весь спектр мікрокліматичних параметрів сушильної камери та пиломатеріалу. Зібрана інформація передається від пристроїв, що підключені до датчиків, через мережу, а потім через хмару для обробки, аналізу та зберігання. Пристрої обмінюються інформацією з центральним контролером по Wi-Fi мережі. Для організації Wi-Fi мережі використовується безпровідний комутатор, тобто WiFi роутер, який призначає IP адреси та перенаправляє запити користувачів в глобальну мережу.

Висновки

Проведено удосконалення системи автоматичного керування технологічного процесу сушіння пиломатеріалів на базі ІоТ технологій та високотехнологічних пристроїв, що підвищило стійкість, якість і ефективність процесу та забезпечило зменшення енерговитрат. Реалізація ІоТ технологій дала можливість повністю виключити з процесу сушіння людський фактор.

Література