Автоматизація процесу сушіння деревини

При автоматизації процесу сушіння треба застосувати таку систему, яка б забезпечила проведення сушіння в режимі, близькому до оптимального, тобто повинні бути отримані задані параметри Q при максимальних значеннях параметрів Е. Ця задача може вирішуватися при застосуванні самонастроювальних систем, що вибирають таку комбінацію керуючих параметрів У, що забезпечують екстремальне значення параметра F.

На рис. показана структурна схема системи автоматичної оптимізації (САО) процесу сушіння. Крім основних ланок звичайної системи автоматичного регулювання регульованого об'єкта О та автоматичного регулятора Р, у схему введений керуючий пристрій КП. Керуючий пристрій аналізує і підтримує на оптимальному рівні вихідні величини об'єкта при дотриманні заданих обмежень Н. Для підтримки оптимальних вихідних параметрів САО робить автоматичний пошук, що зводиться до спробної зміни вхідних параметрів системи (вхідної величини Х-р регулятора і регулюючих впливів В), аналізу результату

 

 

 

 

 

 

 

 

 Структурна схема  системи автоматичної оптимізації :

 О – об'єкт регулювання; Р – регулятор; Кп – керуючий  пристрій, Х1, Х2 — вхідні параметри; У — регулюючий вплив; Q, Е — параметри об'єкта, що характеризують якість і економічність; Н — обмеження.

Цієї зміни і визначенню напрямку подальшої зміни для приведення системи до найвигіднішого режиму сушіння. За критерій оптимальності процесу сушіння вибирається один чи кілька вихідних параметрів Q і Е, при цьому інші показники задаються в САО у вигляді обмежень Н. Наприклад, за критерій оптимальності вибирають інтенсивність сушіння, а як обмеження задають збереження визначених показників якості матеріалу при сушінні [1,169].

Для створення САО необхідні, крім екстремальних регуляторів і звичайних засобів автоматики, деякі спеціальні вимірювальні пристрої:

а) для контролю якісних показників матеріалу в ході сушіння, наприклад температури і вологості деревини, перепаду вологості по товщині матеріалу, внутрішніх напружень у процесі сушіння;

б) для виміру енергетичних показників процесу сушіння, наприклад витрати тепла на сушіння чи на 1 кг вологи, що випаровується;

в)  для виміру швидкості сушіння, наприклад автоматичний вологомір із пристроєм, що диференціює, і т.д.     .

Відсутність розроблених методів для подібного автоматичного керування і технічних засобів для його здійснення не дозволяє в даний час орієнтуватися при автоматизації сушильного процесу на системи автоматичної оптимізації [4,34].

  Схема регулювання процесу сушіння по температурі і вологості сушильного агента розімкнута по параметрах, що характеризує стан деревини, що висушується, (температура T, вологість W, показники якості Q). Інформація про ці параметри не подається на регулятори температури і вологості сушильного агента. Ця система регулювання не забезпечує заданої кінцевої вологості і необхідної якості висушеного матеріалу. Тому з метою запобігання браку параметри режиму сушіння встановлюють занижені, що перешкоджає інтенсифікації процесу.

Однак системи автоматичного регулювання по параметрах сушильного агента в даний час знайшли застосування в промисловості і виправдують себе при експлуатації.

 

2. Розроблення автоматизованої  системи управління  технологічним  об’єктом періодичної дії

2.1. Вибір технічних засобів автоматизації для реалізації функцій автоматизованої системи управління об’єктом періодичної дії

Для реалізації функцій керування проектованої системи автоматизації виберемо програмований логічний контролер МІК-51 вітчизняного підприємства «Мікрол» з модулем розширення МР-07. Даний ПЛК МІК-51 має 4 аналогових входи; 4 аналогові виходи, 3 дискретні входи, 5 дискретних виходів. Підтримує до 9 контурів регулювання.

Давач температури

TCN75 - програмований температурний давач з послідовним портом, що формує сигнал на виході INT/CMPTR для контролера, коли навколишня температура перевищує запрограмовану користувачем межу. Вихід INT/CMPTR може бути запрограмований як вихід компаратора для роботи термостата або як вихід запиту переривання по температурі.

Напруга живлення давача може коливатися в межах від 2.7 V до 5.5 V.

Сенсор відносної вологості

HIH-3602 – сенсор відносної  вологості в TO-5 корпусі з гідрофобним  фільтром з нержавіючої сталі.

 

Електрокалорифер

Нагрівач складається з U-подібної, або більш складної зігнутої трубки діаметром 10…16 мм. Довжиною в розгорнутому стані 1…2,5 м, в слою електроізоляції якою запресована ніхромовий гріючий дріт діаметром 0,3…0,5 мм і довжиною 8 … 17 м. габаритні розміри ТЕНів: довжина 0,5 … 1 м, ширина 50…120мм, товщина (в місці під єднання до електромережі) біля 20мм, маса 1…2,5 кг. Таким чином ТЕН – досить компактний нагріваючий елемент. Температура його поверхні 300…350 оС; вона понижується з прискоренням обдування зі збереженням постійної тепловіддачі. Потужність ТЕНів 0,4…5 кВт.

На основі ТЕНів з ребрами і потужністю 1,6 кВт виготовляють компактні електрокалорифери, зокрема ОКБ-3083, ОКБ-3084, ОКБ-3085 потужністю 20, 40, 100 кВт і напругою живлення 380В [4,123].

В лісосушильних камерах можна використовувати опалювальні електрокалорифери СФО потужністю 16…250 кВт, напругою живлення 380В призначені для нагріву повітря до 100оС.

 

2.2. Розроблення  розгорнутої функціональної схеми  автоматизації

Функціональна схема автоматизації є основним документом, який визначає функціонально-блокову організацію структури керування. Для процесу вакуумної сушки деревини функціональна схема приведена в графічній частині проекту (лист 6). Система складається з лісосушильної камери, вентиляторів, насосів та мікропроцесорного комплексу.

 Опишемо роботу системи. В початковий момент часу, коли  ще не розпочато процес сушіння  система знаходиться в стані  готовності. Після завантаження  деревини і її стартового прогріву, оператор дає команду на початок  процесу. Оператор вводить значення бажаних вологостей для кожної ступені сушіння пиломатеріалів, та значення температур і вологості  в камері для трьох ступенів сушки. Значення підбираються в залежності від породи пиломатеріалів та їх геометричних розмірів. Подальша робота сушарної установки йде у відповідності до введених оператором даних. Вмикається нагрів котлів. Гаряча вода поступає в систему теплообмінників. Тепле повітря накачується в сушильну камеру. ПЛК отримує, від давачів, значення вологості та температури в лісосушильній камері, вологості дошки. Також на канали дискретного вводу ПЛК отримує інформацію з електродних давачів про стан заслінки черз яку здійснюється вентелювання камери. Отримані значення МІК-51 опрацьовує.

При значеннях вологості дошки Wd.>Wd.c.1 установка працює в режимі за яким процес сушіння пиломатеріалів відбувається на першій степені сушіння. При наближенні температури в камері до граничного максимального рівня характерного для поточної ступені сушки контролер дає команду на відключення нагріву котла, при значеннях вологості в камері Wк>Wk.c.(*) відбувається вимикання вентилятора витяжки сушильної камери та відкриття заслінки вентилювання камери. Даний процес повторюється циклічно в межах заданого ступення сушіння до тих пір поки справджується умова для переходу в наступну ступінь сушіння. Дана система передбачає два види регулювання температури в сушильній камері: «грубе» і «точне» регулювання. Для встановлення і підтримання потрібної температури «грубим» шляхом застосовують рідинний і повітряний контур обігріву камери, для контролювання температури «точним» шляхом використовується електрокалорифер керування яким здійснюється за допомогою мікроконтролера. На панель виводиться поточне значення вологості дошки, температури та вологості в камері.

При значенні вологості в камері менше заданого відбувається зупинка витяжного вентилятора та закривається вентиляційна заслінка. Це необхідно для запобігання виникнення внутрішніх напружень в деревині та її короблення.

При закінченні ступені сушіння (при досягненні необхідного значення вологості матеріалу що висушується, яке поступає на канал аналогового вводу) контролер сигналізує про закінчення даного ступеню сушіння та очікує команди від оператора на перехід на  наступний степінь сушіння, при досягненні кінцевого значення вологості дошки процес зупиняється і контролер сповіщає по закінчення процесу.

 

3. Розроблення програмного  забезпечення проекту

3.1. Розроблення  алгоритму управління технологічним  об’єктом періодичної дії

Дослідження поставленої задачі показало, що для детального розуміння процесу, потрібно перш за все зрозуміти технологію сушіння деревини трьохступеневим камерним режимом сушіння. В процесі розробки проекту автоматизації було проаналізовано можливі стани системи, та фактори що викликають зміни. Охоплюючи весь технологічний процес і враховуючи пріоритети факторів впливу на стан системи було розроблено алгоритм роботи трьохступеневої камерної сушарки.

Отже в результаті впливу факторів, що змінюють стан системи мікроконтролерна система формує на каналах виводу дискретні значення, високого та низького рівнів, тим самим керуючи протікання процесу.

В момент завантаження пиломатеріалів система знаходиться в стані  „повна зупинка процесу сушки”. В цьому стані не працюють повітряний та рідинний контур обігріву, електрокалорифер вимкнений, не здійснюється вентилювання в камері також зачинений клапан вентилювання, не ввімкнений витяжний вентилятор.  Потім відбувається прогрів камери з пиломатеріалами, він триває з розрахунку 1 год. на 1см.  деревини.

Наступним етапом є старт мікроконтролерної системи (надалі МКС) з пристроями збору інформації.

МКС формує запит на бажані значення вологості для кожного з трьох ступенів сушіння. Також виконується запит на значення вологості та температури в камері для трьох ступенів сушіння відповідно.

Після вводу оператором значення дається команда на початок процесу сушіння.

МКС зчитує значення вологості завантажених пиломатеріалів і на основі отриманої інформації установка переходить в режим сушіння по першому з трьох ступенів.

Сушіння в межах певного ступінню виконується до тих пір поки виконується умова ( Wd. <  Wd.c.*) достатня для переходу на наступну ступінь.

Де:  Wd. – вологість дошки в момент збору інформації,

Wd.c.* - бажана вологість дошки  для даного ступеню сушіння (вводиться оператором на початку процесу сушіння).

Тепер детальніше опишемо алгоритм роботи установки в межах ступеню сушіння.

МКС отримує від давачів поточні значення температури в камері та вологості в камері (Tk, Wk). Дані значення температури і вологості порівнюються з тими які відповідають значенням що потрібно досягнути для даного ступеню сушіння. В результаті порівняння МКС формує керуючі сигнали на пристрої що регулюють температуру та здійснюють вентилювання камери тим самим зменшують вологість повітря в камері. При виконанні умови Tк < Tк.с.(*) вмикається електрокалорифер, в протилежному випадку МКС дає сигнал на вимкнення. Відкриття клапану вентилювання та включення вентилятору витяжки відбувається при виконанні умови Wк < Wк.с.(*).

Де:   Tк  - поточне значення температури в камері.

Tк.с.(*) – граничне значення температури  в камері для даного ступеню  сушки.

Wк – поточне значення вологості  в камері

Wк.с.(*) - граничне значення вологості  в камері для даного ступеню  сушки.

В залежності від стадії сухості пиломатеріалів змінюється циклічність зміни станів системи та тривалість перебування в певному стані.

Запропонований алгоритм роботи трьохступеневої сушарки пиломатеріалів дозволяє здійснювати автоматичну роботу сушки, та адаптувати його до апаратних засобів збору технічних параметрів, також дозволяє створити просту програму, що мінімально затрачає ресурси мікроконтролера.

 

 

3.2. Характеристика  інструментального програмного  забезпечення ПЛК

Для розробки програмного забезпечення в даній роботі використаємо програмний пакет-редактор FBD-програм «Альфа», який призначений для програмування функціональними блоками мікропроцесорних контролерів виробництва підприємства «Мікрол». Мова функціональних блоків (Function Block Diagram - FBD) призначена для розробки алгоритмів у вигляді діаграм функціональних блоків. Мова FBD є візуальною мовою програмування алгоритмів. Програма, створена цією мовою, називається FBD-програмою.

Функціональні можливості пакета:

1. Розробка FBD-програми для контролера у спеціальному редакторі. FBD-програма розробляється розміщенням функціональних блоків у робочому полі та з’єднанням їх в одну діаграму. У данному режимі є наступні можливості:

– вибір і розміщення функціональних блоків з відповідного функціонального розділу бібліотеки;

– ручний розподіл;

– програмування зв’язків;

– настроювання параметрів блоків.

2.  Запис FBD-програм в контролер.

3. Читання FBD-програм з контролера, їх збереження в ком’ютері, перевірка, друк на принтері або редагування.  

4. Емуляція і налагодження роботи  програми.

Є кілька можливостей налагодження програм:

• режим покрокової емуляції;

– безперервний режим. У ньому програма безупинно виконується із заданим періодом.

5. Додаткові сервісні можливості:

– подання FBD-програми у вигляді таблиці;

– друк програми користувача на принтері;

– автоматичний розподіл параметрів блоків у регістровій області пам’яті;

– перевірка програми;

– читання й запис параметрів блоків у регістровій області пам'яті;