Пристрій для керування процесом камерного сушіння деревини

Изобретение относится к управлению процессом сушки в зависимости от содержания влаги в высушиваемой древесине и может быть использовано в деревообрабатывающей промышленности при автоматизации лесосушильных камер периодического действия, Наиболее близкой к заявляемому устройству по принципу действия и технологической реализации является система управления сушилками, разработанная фирмой Utec, Швеция [1]. Предложенная система основывается на математическом моделировании процесса сушки, что позволяет расчетным путем определять влагосодержание древесины и в зависимости от него регулировать параметры агента сушки. Система управления реализована на процессоре Р5000. Ввод исходных данных для сушки происходит в форме диалога с помощью клавиатуры видеотерминала, Общим с заявляемым устройством является наличие датчиков параметров сушильного агента, регуляторов этих параметров, реализованных на базе процессора Р5000, а также исполнительных механизмов с регулирующими органами подачи пара в калорифер и камеру. Причиной, препятствующей существенной интенсификации процесса непосредственно сушки древесины и улучшению технологических свойств высушенной древесины, является низкая точность вырабатываемых управляющих воздействий. Плохое качество процесса регулирования системы фирмы Utec является следствием того, что из-за сложного характера протекающих в сушильной камере тепломассообменных процессов невозможно добиться высокой точности моделирования всего переходного процесса сушки древесины, не учитывая явления замедления влагоотдачи в штабелях пиломатериалов и конструктивных особенностей сушильной камеры. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать устройство для управления процессом камерной сушки древесины так, чтобы дополнительно на основании расчета значения равновесной влажности древесины в вычислительном блоке и моделирования текущего влагосодержания древесины в моделирующем блоке с помощью компаратора определять оптимальные моменты переключения параметров сушильного агента, что обеспечит высокую точность управления в целом и за счет этого сокращение времени сушки, улучшение технологических свойств высушенной древесины и существенное сокращение расхода тепловой и электрической энергии. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для управления процессом камерной сушки древесины, содержащем помещенные в камеру сухой и смоченный термометры, связанные с локальными регуляторами температуры и степени насыщенности сушильного агента, соединенными через исполнительные механизмы с регулирующими органами подачи пара в калорифер и камеру, согласно изобретению, дополнительно содержатся два измерительных преобразователя, вычислительный блок, моделирующий блок, компаратор, блок управления, коммутатор, задающий блок, кнопка "начало сушки" и табло "конец сушки", при этом выходы датчиков температуры сушильного агента по сухому и смоченному термометрам соединены через измерительные преобразователи с первым и вторым входами вычислительного блока, выход которого соединен с первым входом моделирующего блока, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами коммутатора, выход моделирующего блока соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с третьим выходом коммутатора, выход компаратора соединен с первым входом блока управления, второй вход которого связан с источником питания, который через кнопку "начало сушки" также связан с его третьим входом, первый выход блока управления соединен с третьим входом вычислительного блока, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы блока управления соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым управляющими входами коммутатора, седьмой выход блока управления соединен с табло "конец сушки", четвертый и пятый выходы коммутатора соединены соответственно с локальными регуляторами температуры и степени насыщенности сушильного агента, а выходы коммутатора с первого по семнадцатый подключены к соответствующим выходам задающего блока. Поставленная задача решается также тем, что моделирующий блок состоит из двух умножителей и одного интегросуммирующего устройства, при этом выходы умножителей соединены с первым и вторым входами интегросуммирующего устройства, выход которого является выходом блока и соединен со вторым входом второго умножителя, первый вход которого и второй вход первого умножителя соединены между собой и являются вторым входом блока моделирования, первый вход первого умножителя является первым входом блока моделирования, третий вход интегросуммирующего устройства является третьим входом блока моделирования. Высокая точность управления достигается за счет точного определения с помощью компаратора моментов совпадения текущего влагосодержания древесины с его заданным переходным значением. При этом текущее значение влагосодержания древесины непрерывно определяется интегросуммирующим устройством моделирующего блока, на вход которого поступает текущее значение равновесного влагосодержания древесины и заданные значения коэффициентов замедления процесса сушки древесины. Равновесное влагосодержание древесины рассчитывается в вычислительном блоке по известной формуле в зависимости от температуры сушильного агента и его относительной влажности, которая определяется по алгоритму психрометрической таблицы на основании измеряемых температур сушильного агента по сухому и смоченному термометрам. В свою очередь, вводимые с помощью блока задатчиков для каждой ступени процесса сушки коэффициенты замедления учитывают породу, геометрические параметры высушиваемой древесины, ее начальную и требуемую конечную влажность, желательное качество сушки, скорость сушильного агента через штабель и др. Таким образом, на основании информации о параметрах сушильного агента, так и о начальном состоянии древесины заявляемое устройство с повышенной точностью определяет моменты переключения і процесса регулирования. В результате этого блок управления устройства через коммутатор своевременно задает локальным регуляторам новые рациональные значения параметров сушильного агента. В промежутках времени между моментами переключения локальные регуляторы поддерживают эти параметры на заданном уровне. Сами же значения параметров вводятся в устройство с помощью блока задатчиков. На фиг. 1 представлена общая структурная схема устройства для управления процессом камерной сушки древесины, в которой под номером I изображена непосредственно сушильная камера, а под номером II моделирующий блок, внутренняя структура которого показана на фиг. 2. Устройство для управления процессом камерной сушки древесины (см. фиг. 1) содержит датчики 2 и 3 сушильного агента по сухому и смоченному термометрам, локальные регуляторы 4, 5 температуры и степени насыщенности сушильного агента, исполнительный механизм 6 с регулирующим органом на подаче пара в калорифер, исполнительный механизм 7 с регулирующим органом на подаче увлажняющей среды в камеру 1, измерительные преобразователи 8, 9, вычислительный блок 10, моделирующий блок 11, компаратор 12, блок управления 13, коммутатор 14, блок задатчиков 15, кнопку "Начало сушки" 16, табло "Конец сушки" 17. В качестве датчиков 2, 3 температуры могут использоваться термопреобразователи сопротивления, а в качестве локальных регуляторов 4, 5 - промышленные регуляторы, например, блоки регулирующие Р 17.2, предусматривающие отработку ПИ-закона регулирования и имеющие внешние потенциометрические задатчики типа ЗУ-11 с диапазоном изменения сигнала 0...100 %. Измерительные преобразователи 8, 9 предназначены для преобразования сигналов термопреобразователей сопротивления в унифицированный сигнал постоянного тока напряжением 0...10 В. В заявляемом устройстве можно использовать промышленный преобразователь измерительный типа Ш-71. Вычислительный блок 10 может состоять, например, из последовательного соединения аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с коммутатором, цифрового блока и цифроаналогового преобразователя (ЦАП), причем управляющий вы ход цифрового блока соединен со входом АЦП. В свою очередь АЦП состоит из двухвходного коммутатора, который можно реализовать на базе микросхем типа К561КТЗ, и непосредственно АЦП, на информационные входы которого поступают аналоговые сигналы температуры tc и tм . АЦП может быть выполненным на микросхеме К572ПВ1А. Цифровой блок вычислительного блока 10 состоит, например, из модуля центрального процессора, модуля системного контроля, модуля оперативного запоминающего устройства, системного интерфейса и модуля устройства ввода-вывода. Ци фровой блок можно выполнить на базе восьмиразрядного микропроцессора КР580ИК80А. ЦАП может быть реализован на базе микросхемы К572ПА1 А. Моделирующий блок 11 (см. фиг. 2) состоит из двух умножителей 18, 19 и одного интегросуммирующего устройства 20. Выходы умножителей 18 и 19 соединены с первым и вторым входами интегросуммирующего устройства 20, выход которого соединен с выходом моделирующего блока 11 и со вторым входом умножителя 19, первый вход которого и второй вход умножителя 18 соединены со вторым входом моделирующего блока 11, первый вход умножителя 18 является первым входом моделирующего блока 11, третий вход интегросуммирующего устройства 20 является третьим входом моделирующего блока 11. Умножители 18 и 19, а также интегросуммирующее устройство 20 могут быть выполнены на операционных усилителях. Компаратор 12 может быть выполнен на базе микросхемы К554СА2. Блок управления 13 может состоять, например, из двух одновибраторов, двух реле времени, счетчика, дешифратора и триггера, причем выход первого одновибратора соединен со входом триггера и первым входом счетчика, второй вход которого соединен с выходом второго одновибратора, вход первого одновибратора соединен со вторым входом блока управления 13, первый и второй входы второго одновибратора соответственно подключены к третьему и первому входам блока управления 13, третий и четвертый входы второго одновибратора, через первое и второе реле времени соединены с пятым и первым выходами дешифратора, пятый и второй выходы дешифратора соединены со входами триггера, выход которого является первым выходом блока управления 13, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы дешифратора являются вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами блока управления 13, первый, второй и третий выходы счетчика соединены соответственно с третьим, вторым и первым входами дешифратора. Первый и второй одновибраторы могут быть выполнены на базе микросхемы К155ЛАХ, сче тчик на базе микросхемы К155ИЕЗ, дешифратор - на базе микросхемы К155ИД4. Блок управления 13 предназначен для выработки управляющих команд на включение и отключение вычислительного блока 10, на переключение режимов сушки с одной ступени на другую и на включение сигнального табло "конец сушки". Коммутатор 14 может состоять, например, из трех отдельных однотипных коммутаторов, выполненных на базе микросхем К176КТ1, управляющие входы которых подключены к дешифратору блока управления 13. В целом коммутатор 14 предназначен для подключения блока задатчиков 15 к локальным регуляторам 4, 5, моделирующему блоку 11 и компаратору 12 в зависимости от наличия соответствующи х сигналов, поступающи х из блока управления 13. Блок задатчиков 15 состоит из совокупности ручных потенциометрических задатчиков, выходы которых подключены к соответствующим входам коммутатора. Элементы устройства для управления процессом камерной сушки древесины соединены между собой следующим образом. Выход датчика 2 температуры сушильного агента по сухому термометру через локальный регулятор температуры 4 соединен с исполнительным механизмом 6, сочлененным с регулирующим органом подачи пара в калорифер сушильной камеры 1, выход датчика 3 температуры сушильного агента по смоченному термометру через локальный регулятор степени насыщенности 5 соединен с исполнительным механизмом 7, сочлененным с регулирующим органом подачи увлажняющей среды в сушильную камеру 1. Кроме того, вы ход датчика 2 и выход датчика 3 соединены со входами измерительных преобразователей в и 9, выходы которых соединены со входами (1), (2) вычислительного блока 10. Выход последнего соединен со входом (1) моделирующего блока 11, входы (2) и (3) которого соединены соответственно с выходами (1) и (2) коммутатора 14. Выход моделирующего блока 11 подключен к первому входу компаратора 12, второй вход которого соединен с выходом (3) коммутатора 14. Выход компаратора 12 соединен со входом (1) блока управления 13, вход (2) которого соединен с источником питания, а вход (3) с кнопкой "Начало сушки" 16. Вы ходы (1) и (7) блокауправления 13 соединены соответственно со входом (3) вычислительного блока 10 и табло "Конец сушки" 17. Остальные выходы (2), (3), (4), (5) и (6) блока управления 13 подключены соответственно к (1), (2), (3), (4) и (5) управляющим входам коммутатора 14. Выходы (1), (2),..., (17) блока задатчиков 15 соединены с соответствующими входами (1), (2),...,(17) коммутатора 14. Работа устройства осуществляется следующим образом. Перед загрузкой сформированных штабелей пиломатериалов в сушильную камеру 1 (фиг. 1) определяют породу загружаемой древесины, соответствующими методами определяют ее начальное влагосодержание UH измеряют толщину S1 и ширину S1 пиломатериалов, измеряют ширину В штабелей. С помощью таблиц [2] в зависимости от назначения высушиваемой партии пиломатериалов и требуемой категории качества сушки задают конечное влагосодержание Uк , до которого необходимо суши ть древесину, индекс и номер технологического режима сушки, т.е. определяют количество ступеней I процесса сушки, продолжительность начальной tн и конечной tк тепловлагообработки, значения переходных влагосодержаний Ui (обыкновенно і=2 и U1=0,3, a U2=0,2), а также значения режимных параметров; температур сушильного агента по сухому и смоченному термометрам tci, tмі (для i=3 задаются tc1, tм1 для первой cтупени, tc2, tм2 – для второй, tc3, tм3 - для третьей), а также tсн, tмн - для начальной и tск , tмк - конечной тепловлагообработки. Причем tсн=tс1+5°С и tмн=tсм , а tск =tс3+10°С и tмк =tcк . На основании полученной информации о породе древесины, количестве ступеней I, значений S1, S2, В, UH, Uк , tci, tмі, а также скорости w сушильного агента, известной для данного типа сушильной камеры, для каждой ступени сушки по номограммам [3] определяют коэффициенты замедления сушки C i (для i= =3-С1, С2, С3), а также коэффициенты влагопроводности а'с1 (а'с1, а'с 2, а'с 3). Используя значения коэффициентов Сі, а'сі, а также значения толщины высушиваемого пиломатериала S1, рассчитывают по формуле 2 bi = a' ci ×p × Ci / S1 коэффициенты сушки bi (b 1, b2, b 3 при i=3) [4]. В блоке задатчиков 15 с помощью ручных потенциометрических задатчиков выставляются значения режимных параметров по сухому термометру tсн, tc 1, tc2 , tc3, tcк , по смоченному термометру tмн, tм1, tм2, tм3, tмк , начальное и конечное влагосодержание древесины UH, UК, переходное влагосодержание второй и третьей ступеней сушки U1, U2; значения коэффициентов сушки b1, b2, b3. В блоке управления 13 первое реле времени t t настраивают на время н и второе реле времени на время к . В момент включения заявляемого устройства в сеть электрического питания блок управления 13 приводится в начальное состояние, т.е. обнуляются его счетчик и триггер. Устройство включается в работу нажатием кнопки 16 "Начало сушки". В результате этого на вы ходе (2) блока управления 13 появляется сигнал логической "1", который поступает на управляющий вход(1) коммутатора 14. Последний соединяет вход (1) с выходом (4) и вход (6) с выходом (5), Таким образом, к локальным регуляторам 4 и 5 подключается блок задатчиков 15, кото рый устанавливает локальному регулятору температуры 4 начальное значение режимного параметра тепловлагообработки по сухому термометру tcн и локальному регулятору степени насыщенности 5 начальное t значение режимного параметра тепловлагообработки по смоченному термометру tмн. По истечении времени н начальной тепловлагообработки, которое контролируется блоком управления 13, на выходах (1) и (3) последнего появляются сигналы логической "1", которые соответственно поступают на вход (3) вычислительного блока 10 и на управляющий вход (3) коммутатора 14. Коммутатор 14 соединяет вход (2) с вы ходом (4), вход (7) с выходом (5), вход (11) с выходом (1), вход (14) с выходом (3), вход (17) с выходом (2). В результате этого блок задатчиков 15 задает локальным регуляторам 4 и 5 значения режимных параметров tc1 и tм1, соответствующие первой ступени сушки древесины, моделирующему блоку 11 - опорное напряжение, соответствующее коэффициенту первой ступени сушки b1 и опорное напряжение, пропорциональное начальному влагосодержанию древесины Uн, а коммутатору 12 - опорное напряжение, соответствующее переходному влагосодержанию древесины U1 с первой ступени сушки на вторую. Одновременно сигналом из выхода (1) блока управления 13 включается в работу вычислительный блок 10. Через измерительные преобразователи 8 и 9 на входы (1) и (2) вычислительного блока 10, непрерывно поступают сигналы постоянного тока напряжением 0...10 В, соответствующие температуре сушильного агента по сухому tc и смоченному tм термометрам. На основании информации о tc и tм по алгоритму психрометрической таблицы [5] в вычислительном блоке 10 определяют текущее значение относительной влажности сушильного агента j. Полученное значение там же сравнивают с числом 0,5. Если j £ 0,5, то вычислительный блок 10 рассчитывает текущее значение равновесного влагосодержания Up по формуле если 0,5 < j £ 1 то Up рассчитывается по формуле [6]: , Вычисленное значение Up с выхода вычислительного блока 10 поступает на вход (1) моделирующего блока 11, на входы (2) и (3) которого от задающего блока 15 через коммутатор 14 подаются значения коэффициента сушки b1 и начального влагосодержания древесины UH. B моделирующем блоке 11 (см, фиг, 2) значение величины Up умножается на значение величины b1 в умножителе 18 и полученное произведение b 1.Up поступает на вход (1) интегросуммирующего устройства 20, на вход (2) которого поступает произведение b1.U, полученное в умножителе 19, В результате процесса моделирования на выходе интегросуммирующего устройства 20 появляется напряжение, соответствующее текущему влагосодержанию древесины U, полученному путем интегрирования уравнения [6] с учетом значения величины начального влагосодержания древесины UH, подаваемого на вход (3) этого устройства. Определенное В моделирующем блоке 11 значение текущего влагосодержания U подается на вход (2) умножителя 19 этого блока и на вход (1) компаратора 12. В процессе моделирования текущее влагосодержание U будет непрерывно уменьшаться и через некоторое время становится равным переходному влагосодержанию U1, которое выставлено на входе (2) компаратора 12. Тогда на выходе компаратора 12 появляется сигнал логической "1", который подается на вход (1) блока управления 13. В результате этого на выходе (4) этого блока также появляется сигнал логической "1", который подается на управляющий вход (3) коммутатора 14. Последний подключает к локальным регуляторам 4, 5, моделирующему блоку 11 и компаратору 12 задающий блок 15, который задает локальным регуляторам 4, 5 новые значения режимных параметров tc2, tм2, соответствующие второй ступени сушки, моделирующему блоку 11 новое значение коэффициента сушки D2 и прежнее значение начального влагосодержания Uн и компаратору 12 значение переходного влагосодержания U2 со второй ступени сушки на третью. Когда на выходе моделирующего блока 11 напряжение снизится до значения, равного переходному U2, то опять сработает компаратор 12, и аналогичным образом произойдет переключение локальных регуляторов 4, 5 на следующую ступень сушки, моделирующему блоку 11 будет задано следующее значение коэффициента сушки b1, а на компаратор 12 подключится опорное напряжение, соответствующее следующему переходному влагосодержанию. Количество таких переключений зависит от заданного количества ступеней сушки I. Для случая трехступенчатого режима, когда текущее влагосодержание U становится равным конечному UК, на выходах (1) и (6) блока управления 13 образуются, соответственно сигналы логического "0" и логической "1". В результате этого локальным регуляторам 4, 5 будут заданы значения режимных параметров сушильного агента tск , tмк , соответствующие конечной тепловлагообработке, а t вычислительный блок 10 будет остановлен. По истечении времени конечной тепловлагообработки к , контролируемого блоком управления 13, включается табло 17 "Конец сушки" и отключается устройство в целом. Вычислительный блок 10 работает следующим образом. Появление сигнала логической "1" на входе (3) вычислительного блока 10 или то же самое на управляющем входе цифрового блока включает в работу алгоритм функционирования этого блока. При этом на его управляющем выходе также появляется сигнал логической "1", который поступает на управляющий вход АЦП. Наличие сигнала логической "1" на управляющем вхпде АЦП подключает в нем информационный вход (2), через который вводится сигнал со смоченного термометра tм . После ввода через информационный вход цифрового блока цифрового кода сигнала tм на его управляющий выход подается сигнал логического "0". В результате этого коммутируется информационный вход (1) АЦП, и на информационный вход цифрового блока поступает цифровой код сигнала сухого термометра tc. На основании введенных значений tc и tм рассчитывается значение равновесного влагосодержания древесины Up. Последнее выводится на ЦАП и при условии наличия сигнала логической "1" на управляющем входе цифрового блока повторяется цикл ввода значений tc, tм и расчета Up. Блок управления 13 работает следующим образом. В момент включения заявляемого устройства в сеть электрического питания срабатывает первый одновибратор, выходной импульс которого обнуляет двоичный счетчик и триггер. При появлении на входе (3) блока управления 13 импульса от нажатия кнопки 16 "Начало сушки" на входе (1) второго одновибратора также появляется сигнал логической "1", что приводит к образованию на его выходе одиночного импульса, считываемого счетчиком. На выходах (1), (2), (3) счетчика образуется двоичный код "100" Согласно этому коду на выходе (1) дешифратора и на выходе первого реле времени появляется сигнал логической "I". Этот сигнал включает первое реле времени (начальной тепловлагообработки). По истечении времени начальной тепловлагообработки первое реле времени подает сигнал логической "І" на вход (4) второго одновибратора. На выходе последнего появляется одиночный импульс, считываемый счетчиком. На выходах (1), (2), (3) счетчика образуется двоичный код "010", соответственно которому на выходе (2) дешифратора появляется сигнал логической "I", который поступает на вход (1) триггера. Последний переходите состояние, при котором на его выходе появляется сигнал логической "1", который подается на вход (3) вычислительного блока 10. Появление сигнала логической "1" на входе (2) второго одновибратора в результате срабатывания компаратора 12 вызывает появление на его выходе одиночного импульса, считываемого счетчиком. При этом на выходах (1), (2), (3) счетчика образуется двоичный код "110", соответственно которому на выходе (3) дешифратора появляется сигнал логической "1". При поступлении с компаратора 12 очередного импульса сработают снова второй одновибратор, счетчик и на следующем выходе дешифратора появится сигнал логической "1". Для случая трехступенчатого режима, когда текущее влагосодёржание U станет равным конечному влагосодержанию Uк , после срабатывания компаратора 12 и второго одновибратора на выходе счетчика образуется код "101", а на выходе (5) дешифратора сигнал логической "1". В результате этого включится второе реле времени (конечной тепловлагообработки), а триггер переходит в состояние, при котором на его выходе появляется сигнал логического "0", что приводит к t прекращению функционирования вычислительного блока 10. По истечении выдержки времени к второе реле подает на вход (3) второго одновибратора единичный сигнал логической" 1". При этом на его выходе появляется единичный импульс, считываемый счетчиком, на выходе которого образуется код "011", что приводит к появлению сигнала логической "1" на выходе (6) дешифратора. Сигналы с выходов (1),…, (6) дешифратора поступают соответственно на выходы (2)...., (7) блока управления 13 и передаются на внешние устройства.