Разработка автоматизированной системы управления конвекционной сушильной камеры древесины

Программа управления полностью русифицирована и позволяет высушивать древесину всех пород и сечений. Программа хранится на жестком диске компьютера, там же архивируются данные обо всех прошедших процессах сушки. Простое интерактивное меню программы позволяет управлять процессом сушки самому неопытному пользователю компьютера. Все параметры процесса сушки отображаются на большом экране в виде удобных наглядных схем: направление вращения вентиляторов, положение трех- или четырехходового клапана и заслонок приточно – вытяжной вентиляции, температуру и относительную влажность воздуха, влажность древесины в камере, временные параметры и пр. Каждой камере соответствует свое «окно», поэтому возможно вести наблюдение за процессом сушки в каждой камере. Также возможно просмотреть параметры текущего или прошедших процессов сушки в удобной табличной или графической форме.

Возможности системы  управления фирмы "Katres" (Чехия) (с применением опций):

- управление 32 камерами с помощью одного компьютера;

- полностью русифицированная  оболочка;

- проведение сушки  пиломатериала, проведение отдельной  пропарки пиломатериала или в  комбинации с сушкой;

- 3 вида регулирования:  автоматическое по влажности  древесины, автоматическое по времени, ручное;

- режимы сушки более  1000 пород древесины;

- специальные низкотемпературные  режимы для сушки дуба и  бука на белый цвет, сосны без  выделения смолы;

- собственные режимы  сушки (25 входных параметров, задаваемых  пользователем);

- до 16 точек измерения влажности древесины в камере;

- датчики UGL или психрометры  для измерения температуры и  относительной влажности воздуха  в камере;

- плавное или ступенчатое  регулирование скорости потока  воздуха

- регулируемое реверсирование  потока воздуха;

- простой ввод и  отображение информации;

- автоматическое архивирование  всех процессов сушки с возможностью  просмотра и печати;

- дистанционный контроль  и управление процессом сушки  с помощью модемной связи;

- отправление сообщений  о прохождении процесса сушки с помощью GSM – связи;

- автоматический контроль  и тестирование всех систем  и электрических компонентов  сушильной камеры с уведомлением  о неисправностях;

- автоматическое отключение  сушильной камеры при нештатных  ситуациях для сохранения пиломатериала;

- автоматическое поддержание  положительной температуры воздуха  для предотвращения замораживания  камеры.

 

1.3 Обоснование предложений  по проекту модернизации конвекционной  сушильной камеры древесины

 

Регулирование температуры  в существующей системе сушки организовано при помощи калориферов, через которые проходит теплоноситель, изменяя температуру в камере. Уровень влажности поддерживается распылением и удалением влаги. Система вентиляции осуществляется при помощи электромоторов, к которым крепятся вентиляторы. Контроль температуры и влажности сушильного агента (воздуха) осуществляется визуально оператором сушки с использованием термометра и психрометра. На основании показаний, которых осуществляется коррекция температуры теплоносителя и влажности внутри камеры путем изменения положения заслонки вытяжного вентилятора. Управление технологическим процессом сушки без контроля влажности древесины, а также в полуавтоматическом режиме часто приводит к появлению дефектов в пиломатериалах.

 

1.4 Разработка задач  проектирования

 

Во всех случаях, при  искусственной сушке древесины  перед конструкторами сушильного оборудования стоят три главных задачи:

1 Обеспечить качество сушки, т.е. минимизировать брак от деформаций и трещин.

2 Уменьшить время сушки насколько это возможно.

3 Сократить потребление энергоносителей (перегретого пара).

Исходя из конструктивных особенностей конвекционных сушильных  камер и технологического процесса сушки сформулируем перечень задач  на модернизацию автоматической системы  управления (АСУ) сушильной камеры для древесины:

1 Измерение параметров  сушильного агента (воздух) и влажности  древесины.

2 Управление всеми,  без исключения, исполнительными  механизмами сушильной камеры.

3 Проведение сушки  пиломатериалов от начала до  конца без вмешательства оператора, при этом обеспечивается возможность дистанционного изменения режимов сушки (при необходимости) без остановки процесса.

4 Учет "физики" процессов,  которые происходят в сушильной  камере, например, для изменения  влажности воздуха в камере  иногда лучшим вариантом является изменение температуры и наоборот. Это особенно актуально при переходе из одной фазы режима сушки на другую. Алгоритмы управления сушкой древесины исключают некорректные операции, например, нельзя проводить увлажнение при открытых шторах вытяжной и приточной вентиляции, проводить увлажнение "холодной" камеры, и тому подобное.

5 Работа с библиотекой  режимов сушки, что позволит работать с автоматикой лицам, которые не имеют достаточной подготовки в отрасли сушки древесины.

6 Обеспечение возможности изменения и добавления новых режимов сушки и поправочных коэффициентов на породу древесины.

7 Обеспечение на программном уровне защиты исполнительных механизмов сушильной камеры.

8 Регулярное проведение самодиагностики и, в случае появления неисправности, выдача информации на пульт оператора.

 

 

2 РАСЧЕТНО–КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

 

2.1 Выбор средств измерения параметров технологического процесса

 

На основании проведенного анализа и разработанной схемы  автоматизации основными контролируемыми  параметрами, от которых зависит качественное протекание технологического процесса сушки древесины в конвективных камерах являются:

Исходя из проведенного анализа измерительных преобразователей влажности сушильного агента наиболее целесообразно использование датчиков основанных на измерении равновесной влажности воздуха по электропроводности целлюлозы, так как они обладают наиболее высокой надежностью и точностью измерения. При выборе датчика данного типа необходимо учитывать требования к диапазону и точности измерения влажности сушильного агента, тип выходного сигнала, а именно:

– диапазон измерения  влажности: 0–100%;

– точность измерения: 1%;

– аналоговый выход: 0–10 В или 4-20 мА.

Исходя из требований, надежности и стоимости выбираем специализированные датчики температуры и влажности для конвективных сушильных камер типа СVR 3/5 фирмы MELA (см. рис. 2.1). Датчики влажности и температуры MELA серий VC и VR – компактные датчики влажности или влажности и температуры в корпусе из высококачественной стали с фиксированным присоединительным кабелем или  прочной коммутационной головкой. Все датчики этой серии снабжены металлическим фильтром из стали ZE 13. Датчик СVR 3/5 имеет следующие технические характеристики:

Диапазон измерений: 0–100% относительно влажности;

Точность (в диапазоне 0–100% относительной влажности) – ±0,1% от измеренной относительной влажности;

Диапазон измерений: –30…+100 ^оС.

Время отклика (при  отсутствии обдува): <20 сек

Информационный  выход: 0–10 В или 4…20 мА.

 

 

Рисунок 2.1 – Схема подключения датчика влажности и температуры типа СVR 3/5 фирмы MELA

 

2.2 Выбор и техническая характеристика исполнительных механизмов

 

В сушильной камере применен конвективный способ нагрева. В качестве теплоносителя используется перегретый пар. Система отопления состоит из биметаллических калориферов, циркуляционного насоса, соединительных труб. Регулирование температуры внутри камеры осуществляется изменением расхода теплоносителя. В качестве теплоносителя используется горячая вода (90-100°С) или водяной пар (115°С). Отвод тепла от перегретого пара осуществляется через калориферы, которые изготовлены из металлов двух видов. Сердечник калорифера сделан из нержавеющей стальной трубы, снаружи крепятся алюминиевые рёбра.

С соответствии с требованиями выбираем электромагнитный клапан нагревательного трубопровода типа FG-250 фирмы FIESTO (Германия) (см. рис. 2.2). Клапан имеет следующие технические характеристики:

• питающее напряжение – 220 В ±10%,  50 Гц;
• номинальное время полного поворота выходном вала - 2 с;
• номинальный полный угол поворота выходном вала - 90⁰;
• потребляемая мощность - не больше 120 Вт;
• тип клапана электромагнитный;
• класс защиты - IP54;
• допустимая температура окружающей среды - 0-150⁰С.

 

 

Рисунок 2.2 – Клапан нагревательного трубопровода FG-250

 

 

3 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ 
УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ ПЕЧИ

 

3.1 Разработка автоматизированной системы управления конвекционной сушильной камеры древесины

 

На основании конструктивных особенностей конвективных сушильных камер (см. п. 1.4) и особенностей технологического процесса при модернизации  в автоматической системе управления сушкой можно условно выделить несколько контуров управления (см. рис. 3.1), а именно:

– контур регулирования  температуры мокрого конца сушильного агента;

– контур регулирования  температуры сухого конца сушильного агента.

 

 

Рисунок 3.1 – Структурная  схема автоматической системы управления сушильной камерой

 

При организации контуров регулирования модернизируемой  автоматической системы управления сушкой необходимо предусмотреть контроль следующих технологических параметров:

–температуры сушильного агента (воздуха) в камере с использованием датчиков температуры, с целью регулирования воздушной среды внутри камеры;

– угловой скорости вращения вентиляторов циркуляции сушильного агента, с целью регулирования интенсивности сушки древесины;

– положения заслонки вытяжного вентилятора, с целью  регулирования температурывоздушной среды внутри камеры.

Контроль параметров сушки необходим для управления всеми, без исключения, исполнительными механизмами сушильной камеры, а именно с целью регулирования:

– скорости потока сушильного агента путем регулирование частоты  вращения проточных вентиляторов

– температуры сушильного агента путем варьирования величины расхода теплоносителя в калориферах.

Для реализации управления технологическим процессом конвективная сушильная камера имеет контуры  управления, с помощью которых  удерживаются показатели протекания процесса в заданных границах.

Контур управления температурой сушильного агента (см. рис. 3.2). Нагрев воздуха в камере осуществляется при помощи калориферов, через которые проходит теплоноситель, изменяя температуру сушильного агента в камере. Изменение скорости потока воздуха через калориферы происходит путем изменения частоты вращения проточных вентиляторов.

Регулирование температуры  в рабочем пространстве сушильной  камеры во всех зонах осуществляется по показаниям термопар ТЕ1 и ТЕ2–ТЕ5 путем изменения расхода теплоносителя  в калорифере. Изменение расхода теплоносителя осуществляется изменением положений заслонок исполнительным механизмом МЭО М1 и М2 на подачу холодного воздуха. На рис 3.2 приведена схема автоматизации контура управления температурой сушильного агента.

 

 

Рисунок 3.2 – Схема  автоматизации контура управления температурой сушильного агента

 

На основании предложенной реализация контуров управления конвективной сушильной камеры разработана функциональная схема автоматизации, которая в упрощенном виде представлена на рис. 3.3.

На схеме автоматизации (см. рис. 3.5) приняты следующие обозначения: 1 - Воздушная заслонка приточной  вентиляции с электроприводом; 2 - Циркуляционный вентилятор; 3 – Калорифер; 4 - Воздушная  заслонка вытяжной вентиляции с электроприводом; 5 - Электромагнитный клапан контура водоснабжения; 6 - Форсунки системы увлажнения воздуха; 7 - Датчик открывания дверей; 8 - Преобразователь сопротивления; 9 - Датчик влажности; 10 - Измеритель влажности и температуры воздуха; 11 - Электромагнитное реле.

.

 

Рисунок 3.3 – Упрощенная схема автоматизации сушильной камеры древесины