Автоматизація процессу сушки деревини

При виборі режиму сушіння необхідно виходити з раціонального сполучення наступних факторів: необхідної

якості матеріалу, що висушується, обумовленими нормами вимог до якості сушіння; категорії режимів сушіння, що забезпечує необхідну якість сушіння при заданій тривалості процесу, і конструкції камери, здатної висушувати матеріал по визначеній категорії якості не перевищуючи режимну тривалість. Крім технологічних особливостей використання того чи іншого режиму варто враховувати й економічні аспекти - рентабельність застосування режимів різної інтенсивності [4,178].

2. Дослідження динамічних властивостей об'єкту автоматизації

2.1 Лісосушильна камера як об'єкт регулювання

Першочергова задача автоматичного регулювання процесу сушіння - стабілізація режиму сушіння. Для цього встановлюються регулятори, які повинні забезпечити підтримання заданих по режиму температури і відносної вологості на певному рівні. В більшості випадків для цієї мети використовуються стандартні регулятори. Тип регулятора, закон регулювання та параметри настройки вибирають з врахуванням статичних і динамічних властивостей сушильних камер і вимог, що висуваються до системи регулювання.

Динамічні характеристики визначають по диференціальним рівнянням об'єктів - рівняння зв'язку між його вхідними і вихідними величинами або експериментально, коли ці рівняння отримати важко. Визначати динамічні характеристики дослідним шляхом можна при автоматизації діючих установок.

При необхідності визначити динамічні параметри об'єктів регулювання в процесі їх проектування застосовуються тільки аналітичні методи. Можливість визначити динамічні характеристики установки по її технологічним і конструктивним параметрам дозволяє не тільки вирішувати задачі автоматичного регулювання, але й в деяких випадках впливати на конструкцію установки. При цьому можна використовувати отримані результати для подібних об'єктів інших типів. Сукупність аналітичних і експериментальних методів дослідження динамічних властивостей об'єкта дозволяє більш достовірно визначити його параметри [7,79].

Розглянемо лісосушильну камеру як об'єкт регулювання температури агенту сушіння.

Кількість тепла, яке передається від калорифера в камеру за час dt визначається рівнянням теплового балансу

=kKFK ( П - С ) dt, (13)

де kK - коефіцієнт теплопередачі калориферу, ккал/м2град;

FK - поверхня калорифера, м2;

П і С -- температура пари в калорифері й агента сушіння в камері, °С.

Розглядаючи динаміку об'єкта по каналі «температура пари-- температура агента сушіння в камері», припускають, що температура агента сушіння по обсязі однаковий і відхилення температури парі невеликі: П= п.о. ± ДП.

Тепло, передане в камеру від калорифера за нескінченно малий проміжок часу dt, витрачається на:

нагрівання калорифера cMmК dК;

металу в камері cMmM dС;

покриття втрат kОГFОГ (K - НАР) dtК;

теплообмін з деревиною бFД = (К - Д) dt.

Рівняння теплового балансу запишеться:

kК(п.о±ДП-С)dt = cMmКdК+cMmМ dС+ kОГFОГ (С - НАР)dt+ бFД (С -д)dt (14)

Перепишемо рівняння (14) у вигляді:

kК(п.о ± ДП - С) dt = cMmК (dК) / dt +cMmМ (dС) / dt + kОГFОГ (С -НАР)+ бFД (С -д), (15)

де сМ - теплоємність металу; тк - маса металу в камері, кг; FОГ - поверхня огороджень, м2; НАР -- температура зовнішнього середовища, °С; kОГ -середній коефіцієнт теплопередачі огороджень; б - коефіцієнт теплообміну деревини в процесі сушіння; FД - поверхня деревини, м2; д -- температура деревини.

В встановленому режимі, коли dК/dt=0, рівняння (15) буде:

kKFK ( П.О- СО )= kОГFОГ (СО- НАР) + бFД (СО- д) dt (16)

При невеликих змінах температури агента сушіння в камері Д=const.

Із рівняння (15) і (16) отримаємо:

ДС=П(17)

Позначимо = , тоді

при Дк= ДП та

Рівняння (17) набуде вигляду :

=k0 ДП;

, (18)

де Т -- постійна часу.

З рівняння (18) очевидно, що по каналі «температура пара -- температура сушильного агента» у камері об'єкт є інерційною ланкою.

Розглянута математична модель не враховує час запізнювання в реальних умовах. Тому модель можна записати в загальному виді:

С(t)=k0 ДП(t-); (19)

Таким чином, камера періодичної дії може бути представлена послідовним включенням аперіодичної ланки і ланки чистого запізнювання.

При виводі рівнянь прийняти, що при малих змінах температури агента сушіння в камері, за короткі проміжки часу, температура деревини залишається постійної. У цьому випадку теплоємкість не робить впливу на інерційність камери [7,90].

2.2 Розрахунок контуру регулювання температури

Контур регулювання температури містить в собі давач температури та позиційний регулятор.

Розглянемо детальніше регулятор. Позиційні регулятори працюють по принципу “ввімкнено-вимкнено”. Їхня реалізація здійснюється за допомогою контактних та безконтактних релейних елементів. Позиційні регулятори бувають дво-, трьох- та багатопозиційні.

В системі регулювання вибираємо двопозиційний регулятор. Регулятор настроюється так, щоб його статична характеристика була розміщена кососиметрично відносно заданого приросту регулюємої величини, а значення µ та е відраховувались в приростах від умовної рівноваги об'єкту регулювання, що відповідає розрахунковим значенням µ0 та е0 ,прийнятим за початок відліку.

Статична характеристика двопозиційного регулятора з зоною неоднозначності:

, (20)

З попереднього рівняння видно, що двопозиційні регулятори постійно здійснюють на об'єкт регулювання вплив, відмінний від значення необхідного для рівноважного стану системи (е=0). В результаті цього автоматична система з двопозиційним регулятором працює в автоколивальному режимі в околі її рівноважного положення. Статична характеристика µ=f(е) зображена на рис. 2.1.

Для визначення оптимальних параметрів настроювання регулятора складемо структурну схему автоматичної системи з регулятором (рис. 2.1)

24

Рис.2.1 Статична характеристика двопозиційного регулятора з зоною неоднозначності

24

Рис.2.2. Структурна схема автоматичної системи з двопозиційним регулятором

В першому наближенні об'єкт регулювання ОР (вакуумна камера) описується передаточною функцією

, (21)

де

kоб - коефіцієнт передачі об'єкта регулювання;

ф0 - стала запізнення об'єкта регулювання;

Т - постійна часу об'єкта регулювання.

Розрахуємо kоб, використовуючи формулу (16):

, (22)

де kK - коефіцієнт теплопередачі калориферу, kK =13 ккал/м2град;

FK - поверхня калорифера, FK =12 м2;

kог - середній коефіцієнт теплопередачі огороджень kог=2;

б - коефіцієнт теплообміну деревини в процесі сушіння

б=5,1ккал/год·м2·град;

FД - поверхня деревини, FД =80 м2.

Постійна часу об'єкта буде рівна:

хв, (23)

Згідно характеристик лісосушильної камери вибираємо, що відношення

. Тоді хв, (24).

Параметри позиційного регулятора вибираємо за допомогою середовища MATLAB. У середовищі MATLAB система регулювання має вигляд (рис. 2.3.).

Рис. 2.3. Зовнішній вигляд системи регулювання в середовищі 3MATLAB.

Опишемо блоки зображені на рисунку:

1- генерує одноступінчату вхідну функцію (одиничний стрибок);

2- суматор;

3- блок, який реалізує двопозиційне реле з зоною неоднозначності;

4- блок, який описує передаточну функцію виконавчого механізму;

5 і 6 - блоки які описують передаточну функцію об'єкта регулювання.

7 - блок, що реалізує графічне відображення результатів дослідження;

8,9 - блоки, що описують передаточні функції перетворювача та давача.

Ввівши розраховані в рівняннях (22), (23) та (24) коефіцієнти в відповідні блоки отримали перехідну характеристику (рис 2.4).

Рис.2.4. Перехідна характеристика вакуумної камери побудована за допомогою моделювання в MATLAB.

Проведемо деякі дослідження системи на стійкість за допомогою все тієї ж програми MATLAB. Спершу перевіримо систему на стійкість за загальною умовою стійкості, для цього побудуємо карту нулів та полюсів системи:

Рис.2.5. Карта нулів та полюсів системи.

На основі загальної умови стійкості та рис.2.5 можемо зробити висновок, що система є стійкою, оскільки всі корені характеристичного рівняння (нулі системи) знаходяться в лівій частині комплексної площини коренів.

Проведемо більш детальні дослідження і визначимо запаси стійкості системи по амплітуді та фазі. Для цього в середовищі MATLAB побудуємо графіки АЧХ та ФЧХ системи:

Рис. 2.6. АЧХ та ФЧХ системи

З побудованих графіків ми бачимо, що запас стійкості по амплітуді складає: Lзап=10 Дб, а запас стійкості по фазі: fзап=220 градусів. Дані значення перевищують мінімально допустимі, а тому можна сказати, що система є стійкою.

3. Проектування автоматизованої системи керування процесом сушіння деревини

3.1 Вибір та обґрунтування структури системи управління та її опис.

Камерне сушіння деревини -- складний технологічний процес, для якого характерні наступні особливості: багатоманітність параметрів, їхній складний взаємозв'язок, наявність не контрольованих зовнішніх збурень. Модель такого складного об'єкту можна характеризувати сукупністю наступних параметрів:

1) група вхідних параметрів X1, що поєднує контрольовані, але не регульовані технологічні параметри процесу, наприклад кількість і вид матеріалу, що висушується, (порода і розмір пиломатеріалів, їхня початкова вологість);

2) група неконтрольованих вхідних параметрів Х2 , що характеризують вплив таких факторів, як зміна навколишнього середовища, старіння і знос устаткування, неоднорідність матеріалу і нерівномірність розподілу його по об'єкті регулювання і т.д.;

3) група керуючих параметрів У, що характеризує регулюючі впливи, що підтримують заданий режим, сюди відносяться кількість тепла і швидкість циркуляції агента сушіння;

4) група вихідних параметрів Q, що характеризують якість матеріалу, що висушується, наприклад задана кінцева вологість при визначеному перепаді вологості по перетині пиломатеріалів і величина залишкових внутрішніх напружень;

5) група вихідних параметрів Е, що характеризує економічну ефективність об'єкта регулювання, а саме: найменшу тривалість процесу сушіння при збереженні якості матеріалу, що висушується, і ККД сушильної установки.

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. 3.1 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

24

Рис. 3.1. 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.

3.2 Вибір комплексу технічних засобів

3.2.1 Датчики температури

TCN75 - програмований температурний датчик 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.

Зв'язок з TCN75 здійснюється через двохпровідну шину, що є сумісною зі стандартним протоколом I2C. Шина дозволяє читати поточну температуру, програмувати межі і гістерезис. При включенні живлення TCN75 встановлювється в режим компаратора з межевою температурою 80 °C і гістерезисом 5 °C. Режим за замовчуванням дозволяє датчикові працювати в автономних термостатах. Режим малого енергоспоживання може бути встановлений передачею відповідної команди через двохпровідну шину [9,3].

Входи вибору адреси дозволяють вмикати до восьми TCN75 на одну двохпровідну шину для багатозонного контролю. Усі регістри датчика доступні для читання, а вихід INT/CMPTR -- для програмування мікроконтролером. Датчик легко пристосовується до системи керування, тому що дозволяє працювати по опитуванню або перериванню. Невеликі розміри, низька вартість і зручність використання робить TCN75 ідеальним для побудови складних схем систем керування. Значення температури перетворюється внутрішнім АЦП у 8 - розрядний двійковий код. Допуск АЦП -- 1 °С, номінальна швидкість перетворення - 8 вибірок/секунду.

Рис 3.2. Структурна діаграма давача

Рис 3.3. Тип корпусу

Таблиця 3.1.

Електрична специфікація давача.

Символ	Параметр	Min	Typ	Max	Одиниці виміру	Умови тестування
VDD	Напруга живлення	2.7	-	5.5	V
IDD	Струм живлення	- -	0.250 -	- 1.0	mA	* **
AV	Середній ухил вихідної струму	-	1	-	µA	*
VOL	Вихідна напруга (low)	-	-	0.8	V	IOL=4 mA
IOL	Вихідний струм	-	1	4	mA
tTRIP	Час звітування	1	-	6	tCONV	Задається прог-рамно

Примітка.

* - послідовний порт активовано.

** - послідовний порт неактивовано.

Таблиця 3.2.

Температура/bit конвертор

?T	Чутливість	-	±3	-	оС
tCONV	Час конвертування	-	55	±	мсек.
TSET(PU)	Значення температури по замовчуванню	-	80	-	оС	При вмиканні
THYST(PU)	Значення гістирезису по замовчуванню	-	5	-	оС	При вмиканні

Таблиця 3.3.

Інтерфейс двопровідної шини

VIH	Високий логічний рівень (вхід)	VDDx 0.7	-	-	V
VIL	Низький логічний рівень (вхід)	-	-	VDDx 0.3	V
VOL	Низький логічний рівень (вихід)	-	-	0,4	V	IOL = 3mA
CIN	Вхідна ємність	-	15	-	pF
IOL(SDA)	Струм зовнішнього кола	-	-	6	mA

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9