автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы и средства автоматизированного управления сушильной камерой

На правах рукописи

4

Михеев Алексей Александрович

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ СУШИЛЬНОЙ КАМЕРОЙ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

2 и МАЯ 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск 2015

005569102

005569102

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Иркутский национальный исследовательский технический университет» (ФГБОУ ВО «ИРНИТУ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дунаев Михаил Павлович

Официальные оппоненты: Асламова Вера Сергеевна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», кафедра «Техносферная безопасность»

Сорокин Александр Васильевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Байкальский государственный университет экономики и права», кафедра «Информатика и кибернетика»

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Защита состоится «18» июня 2015 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.004.01 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС) по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803. Телефон: (8-3952) 63-83-11, e-mail: mail@irgups.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» и на сайте www.irgups.ru.

Автореферат разослан » мая 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Данеев Алексей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Конъюнктура рынков в последние годы демонстрирует устойчивый рост спроса на древесину. Несмотря на новейшие разработки искусственных заменителей, древесина, вероятно, останется одним из основных материалов в строительстве, производстве мебели и др.

В современных условиях весьма актуальными являются вопросы увеличения производительности труда, снижения себестоимости продукции, экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов, интенсификации использования технологического оборудования, которые могут быть решены благодаря широкому применению автоматизированных систем управления (АСУ).

Одним из основных факторов повышения качества пиломатериалов является сушка. Изделия, изготовленные из пиломатериалов, высушенных до эксплуатационной влажности, служат десятилетиями, что равноценно дополнительному выпуску продукции и дает положительный экономический эффект.

Методические основы исследований в области сушки пиломатериалов заложены в работах И.В. Кречетова, Н.С. Селюгина, П.С. Серговского, A.B. Лыкова, В.Е. Грум-Гржимайло, H.H. Пейча и многих других ученых. Однако задачи ускоренной, качественной и энергосберегающей сушки пиломатериалов в настоящее время решены не полностью.

Данная работа посвящена ускорению технологического процесса сушки пиломатериалов, протекающего в сушильной камере без снижения качества древесины и увеличения энергозатрат на сушку.

Целью работы является создание автоматизированной системы управления сушильной камерой, повышающей эффективность технологического процесса сушки пиломатериалов.

3

9

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• проанализировать современное состояние разработок в области автоматизации технологического оборудования сушильных камер, выявить основные недостатки камер и найти способы ускорения процесса сушки;

• разработать функциональную схему и математические модели АСУ сушильной камерой;

• разработать алгоритмы работы АСУ сушильной камерой с комбинированной циркуляцией;

• разработать методику расчета электрооборудования сушильной камеры с комбинированной циркуляцией.

Объект исследования: лесосушильная камера с комбинированной циркуляцией.

Предмет исследований: алгоритмы и методы сушки древесины в сушильной камере с комбинированной циркуляцией.

Методы исследований. При проведении исследований применялись методы теории автоматического управления, методы структурного моделирования, а также экспериментальные исследования.

Научную новизну составляют положения, выносимые на защиту:

• предложен новый метод сушки пиломатериалов в камере с комбинированной циркуляцией, отличающийся сочетанием осциллирующих режимов и периодического продува;

• разработаны математические модели системы управления сушильной камерой с комбинированной циркуляцией;

• разработаны алгоритмы работы автоматизированной системы управления сушильной камерой с комбинированной циркуляцией;

• проведены исследования работы оборудования сушильной камеры с комбинированной циркуляцией.

Практическая значимость состоит в том, что:

• предложена схема оборудования сушильной камеры с комбинированной циркуляцией, позволяющая в 1,5 - 2 раза ускорить процесс сушки без снижения качества пиломатериалов и сократить на 20 - 45% энергозатраты на сушку;

• разработана методика расчета камер с комбинированной циркуляцией.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы использованы в ООО «Jlecpecypc» (филиал в г. Иркутске) при модернизации оборудования лесосушильной камеры в п. Новая Игирма; на лесоперерабатывающем комплексе «ИП Вагнер Ю.С.» (г. Ангарск, п. Майск) при проектировании автоматизированной системы управления лесосушильной камерой в г. Ангарске, а также в учебном процессе кафедры электропривода и электрического транспорта (ЭЭТ) Иркутского национального исследовательского технического университета (ИР-НИТУ).

Достоверность научных положений и результатов диссертации обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. При проверке адекватности математической модели с экспериментальными данными расхождение полученных результатов не превысило 5%.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергоресурсов в условиях Сибири» (г. Иркутск, 2010, 2011, 2012 годы), V научно-практической конференции с международным участием «Энергетика в современном мире» (г. Чита, 2011 год), VIII Международной научно-практической конференции «Теория и практика со-

5

временной науки» (г. Москва, 2012 год), научно-технических семинарах кафедры ЭЭТ ИрГТУ (г. Иркутск, 2010 - 2014 годы).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, а также получен 1 патент на полезную модель. В трудах с соавторами автору принадлежит 50% результатов. Результаты, представляющие научную новизну, получены автором лично.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем работы включает в себя 133 страницы текста, 12 таблиц и 49 рисунков. Библиографический список включает 131 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, отражено понятие камерной сушки пиломатериалов, сформулированы цель и задачи работы, отражена новизна и практическая ценность, приведено краткое содержание диссертации.

В первой главе проведен обзор существующих типов сушильных камер. Произведен анализ энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов и рассмотрены пути их снижения. Рассмотрены технология сушки древесины в сушильных камерах периодического действия, а также требования к системе стабилизации технологических параметров. В качестве радикального пути снижения энергозатрат рассмотрены устройство, принцип действия, а также основные достоинства и недостатки камер с естественной циркуляцией. Проведен анализ явления термовлагопроводности при построении осциллирующих режимов сушки древесины (ступенчатых, перемежающихся, цикловых и т.п.). Проанализированы основные типы сушильных камер. С целью повышения эффективности процесса сушки пиломатериалов в камерах малой мощности предложено создание автомати-

6

зированной системы управления сушильной камерой (с прерывистой циркуляцией) с использованием частотного электропривода, заключающееся в поддержании таких величин параметров сушильного агента, при которых максимально возможное значение напряжений, возникающих в процессе сушки, меньше предела прочности образца древесины при его растяжении поперек волокон при данных температурно-влажностных условиях. При этом управление процессом сушки не носит временного характера, а осуществляется постоянно в зависимости от текущих значений температуры и влажности сушильного агента и состояния древесины, определяемых для текущего момента внутри камеры с помощью датчиков.

Использование предложенной системы управления процессом сушки древесины позволяет проводить сушку любого пиломатериала при заданных значениях параметров сушильного агента, когда максимальная температура определяется только допустимыми (для заданной категории качества сушки) изменениями физико-механических свойств высушиваемой древесины. При этом продолжительность сушки можно уменьшить примерно в 1,5-2 раза (в зависимости от характеристики высушиваемого материала и категории качества сушки).

Во второй главе рассмотрены осциллирующие режимы сушки пиломатериалов при естественной циркуляции, которые представляют собой чередование циклов нагрева и охлаждения. При этом процессы нагрева и охлаждения камеры (и древесины) происходят при закрытых приточных и вытяжных каналах, а после завершения охлаждения воздуха вытяжная заслонка открывается на определенное время. Реализуемая при этом структура режима приведена на рис.1. Характерной особенностью данной структуры является отсутствие необходимости точного соблюдения заданной психрометрической разности в процессе сушки, а также отсутствие необходимости конечной влаготеплообработки. Кроме этого, структура данного режима является по сути одноступенчатой с цикловым прогре-

вом-охлаждением, что заметно упрощает систему управления камерой, а также отвечает принципам энергосбережения.

и». ___:__

V а

/ << V

Тир. Тц.н. Тц.о. Тц.и. Тц.о. То*:,

Время, час

Рис.1. Структура осциллирующего режима сушки в камере с естественной циркуляцией, где 1Н - начальная температура, °С; 1Ц.0. - температура циклового охлаждения, °С; ^.п. - температура циклового прогрева, °С;- продолжительность первоначального прогрева, час; тц. - продолжительность циклового прогрева, час; Тц.о. - продолжительность циклового охлаждения, час; т„ - продолжительность открытия вытяжного канала, час; тои. - продолжительность конечного охлаждения, час; А1„ - амплитуда осциллирования температуры, °С

Для устранения основных недостатков камер с естественной циркуляцией предлагается создание автоматизированной установки для сушки древесины с комбинированной циркуляцией.

Комбинированный режим, алгоритм которого показан на рис.2, представляет собой сочетание осциллирующего режима сушки с естественной циркуляцией и режима сушки с принудительной циркуляцией.

Для увеличения скорости прохождения воздуха через штабель (принудительной циркуляции) предлагается использование вентилятора, производящего периодический продув камеры в соответствии с заданной программой.

Таким образом, организуется периодическая принудительная вентиляция, при которой насыщенный влагой воздух удаляется из камеры. Одновременно с этим происходит более интенсивное охлаждение штабеля, что положительно сказывается на продолжительности процесса сушки.

Кроме того, благодаря ускорению прохождения воздуха по штабелю снижается неравномерность распределения конечной влажности по пиломатериалу.

Рис.2. Алгоритм комбинированного режима сушки

Схема устройства предлагаемой камеры изображена на рис. 3.

В корпус камеры помещен штабель пиломатериала. Нагрев воздуха в камере производится при помощи теплоэлектронагревателей (ТЭН), управляемых автоматизированной системой управления (АСУ) сушильной камерой по заданной программе.

Периодический продув камеры осуществляется при помощи центробежного вентилятора, приводимого в движение асинхронным двигателем, питаемым от преобразователя частоты, который управляется АСУ. При этом выведение влажного воздуха, прошедшего через штабель, производится через клапан, оснащенный шибером с электроприводом, управляемым АСУ.

Контроль температуры и влажности в камере и внутри штабеля производится при помощи датчиков температуры и влажности, сигналы от которых передаются в АСУ, подключенную к персональному компьютеру (ПК) через адаптер сети, посредством которого в систему управления вводится программа сушки и ведётся контроль процесса.

Рис. 3. Функциональная схема устройства лесосушильной камеры с комбинированной циркуляцией

В третьей главе построена модель технологического процесса сушки (рис. 4), описывающая процессы регулирования температуры и влажности древесины в сушильной камере с комбинированной циркуляцией. В основу модели положено уравнение общего расхода тепла на испарение влаги из пиломатериала, которое имеет вид (1):

1000(/2 - /0) • 1ГН •св1Ш ■ ш

о -(( 0 " 100 в " " 100 ,_Кл_ ,

3600тсо6.сушки/КЕ ЗбООт^/КЕ'ЧбОт^Уц/у^КЕ 1

1000(I с t .Pjl ( 2 0 100 __в "Л00

'3600 тсоб,сушки IKE З600тсо3 сушк11 IKE 360 гсобсушкиУц 1упрлКЕ с t

+ 3600W„ IKE '(360+ *« " -

- (—Св'р ---ел-)Ш 2),

3 600гсоб сушк„ / КЕ 360 Tco6^JulvnpAKE' • (1)

/(-^LBa-+d,-d0--&-[W )

^0rcoS сушкиУц IуПРЛКЕ 360тсоб.сушкиГц1упрлКЕ

У

где pa - базисная плотность расчетного материала, кг/м3; Е - вместимость камеры, м3; тс„1сушки - продолжительность собственно сушки, ч; К -коэффициент неравномерности скорости сушки; vnp.i - приведенный удельный объем воздуха, м3/кг сух.возд.; Уц - объем циркулирующего агента сушки, м3/с; W„ - начальная влажность расчетного материала, %\ WK - конечная влажность расчетного материала, %; tp - температура нагретой влаги в древесине, С; принимается равной температуре прогрева t„p; с„ - удельная теплоемкость воды, кДж/кгС; d2 -влагосодержание влажного воздуха, г/кг; 12 - теплосодержание воздуха на выходе из штабеля, кДж/кг; 1о - теплосодержание свежего (приточного) воздуха, кДж/кг; ds - влагосодержание влажного воздуха, г/кг , d0 -влагосодержание свежего приточного воздуха, г/кг.

11

Рис. 4. Модель технологического процесса сушки, описывающая процессы регулирования температуры и влажности древесины в сушильной камере с комбинированной циркуляцией

Данная модель показывает динамическое изменение конечной влажности пиломатериала в камере при постепенной подаче энергии (Зисп в течение заданного времени сушки с учетом уменьшения влажности при периодическом продуве.

Модель технологического процесса сушки, описывающая процессы регулирования температуры и влажности древесины в сушильной камере с комбинированной циркуляцией была реализована в программной системе Ма(:1аЬ. Результаты моделирование представлены на рис. 5 и 6.

На рис. 5 приведен график изменения температуры в лесосушильной камере с комбинированной циркуляцией, полученный с помощью модели (рис.4). На рис. 6 приведен график изменения влажности в лесосушильной камере с комбинированной циркуляцией, полученный с помощью модели (рис. 4). Здесь видно, что одновременно с интенсивным охлаждением штабеля происходит резкое уменьшение влажности, и это положительно сказывается на продолжительности процесса сушки. Кроме того, благодаря ускорению прохождения воздуха по штабелю снижается неравномерность распределения конечной влажности по пиломатериалу, с

50 45 40 35 30 25

0 2000 4000 6000 8000 10000 Т, сек

Рис. 5. График изменения температуры в лесосушильной камере с комбинированной циркуляцией, полученный с помощью модели (рис. 4)

\ ' ¿г \ ' \ / \ /

\ / : /

/ \ / \1 1/ V................ ..........У......................................

\ад<, % 45 -

40 35 ■ 30 25

20 I—------

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

Рис. 6. График изменения влажности в лесосушильной камере с комбинированной циркуляцией, полученный с помощью модели (рис. 4)

В четвёртой главе описана экспериментальная камера с комбинированной циркуляцией, устройство которой пояснено на рис. 7.

В камере реализован принцип естественной циркуляции агента сушки. Камера имеет теплоизолирующий корпус 1, который закрыт теплоизолирующей крышкой 2. Загрузка пиломатериалов производится сверху. Штабель пиломатериалов 3 ребровым способом укладывается на подшта-бельное основание 4. С двух сторон от штабеля расположены экраны 5. Между стенами камеры и экранами образуются циркуляционные каналы. В нижней части этих каналов расположены нагреватели 6 (ТЭНы). Кроме того, в углублении на дне камеры расположен еще один дополнительный нагреватель 7. При необходимости в ёмкость, образуемую данным углублением, может подаваться вода, которая может нагреваться нагревателем 7. Это находит применение в случаях, когда необходима первичная пропарка древесины перед сушкой, а также когда необходимо дополнительно увлажнять среду камеры.

Камера оснащена вытяжным каналом 8, оснащенным управляющим шибером с электроприводом 10. Контроль температуры и относительной влажности воздуха производится при помощи датчиков температуры 11 и влажности 9. Кроме того, ниже штабеля расположен еще один термометр 12, который позволяет контролировать температуру воздуха в нижней части камеры, что для камер с естественной циркуляцией воздуха является особенно актуальным. Данные со всех датчиков вводятся в автоматическую систему управления (АСУ) работой камеры 13. АСУ при помощи указанных выше датчиков получает информацию о ходе процесса сушки и формирует управляющие сигналы для включения и выключения нагревателей 6, 7, а также управляет работой вытяжного воздушного канала. Программируемый контролер автоматического регулятора АСУ хранит в памяти различные режимы сушки. При помощи адаптера сети 14 (интерфейс 118-232/485) АСУ подключена к компьютеру 15, специальное программное обеспечение которого позволяет получить текстовую и графическую информацию о ходе процесса сушки. Контроль электроэнергии, израсходованной на сушку пиломатериалов, определяется по счетчику 16.

В нижней части камеры устанавливается центробежный вентилятор (19), приводимый в движение асинхронным двигателем (18). Питание двигателя осуществляется от преобразователя частоты (17), управляемого АСУ камеры. Вентилятор включается на продув камеры согласно заданному режиму сушки. Таким образом, организуется периодическая принудительная вентиляция - насыщенный влагой воздух удаляется из камеры.

Экспериментальная камера позволяет производить исследование процессов сушки древесины в условиях, близких к реальным, и изучать изменения параметров процесса сушки при реализации режимов с естественной и комбинированной циркуляцией.

Рис. 7. Схема устройства лесосушильной камеры с комбинированной циркуляцией

Проведена экспериментальная сушка с использованием вентилятора и с применением осциллирующего режима. Эксперимент показал, что при реализации режима с комбинированной циркуляцией влажность испытуемых образцов падает более интенсивно, чем при режиме с естественной циркуляцией. В количественном соотношении конечная влажность составила: 32,1% и 21,3%, то есть при использовании комбинированной циркуляции наблюдается ускорение сушки в 1,5-2 раза (рис. 8).

Также проведён анализ энергозатрат на сушку до одинакового значения конечной влажности (данное значение принято "№^=32%) для обоих экспериментов. В результате применения комбинированного режима удалось ускорить сушку в 1,5 раза и сократить затраты энергии на 20% (рис.9).

Проведено сравнение данных, полученных в результате эксперимента, с данными, полученными при моделировании (рис. 10).

Т, мин

ооооооооооооооооооооооооооооооо ннннииннинг\гдммм0|мм(ммт

Рис. 8. Экспериментальные графики изменения влажности древесины (с линиями тренда) при использовании естественной (верхняя кривая) и комбинированной циркуляции (нижняя кривая)

Рис. 9 Сравнение затрат энергии на испарение влаги и времени сушки по экспериментам с естественной и комбинированной циркуляцией

Рис.10. Графики изменения влажности древесины при использовании комбинированной циркуляции:

1 - экспериментальный график, 2 - линия тренда экспериментального графика, 3 - график, полученный при моделировании

Сравнение графиков показало, что среднеквадратичное отклонение находится в пределах 5%, поэтому можно утверждать о достаточной точности модели сушильной камеры.

Для проектирования лесосушильной камеры с комбинированной циркуляцией предлагается методика расчета, в основу которой положена методика расчета конвективных сушильных камер.

Методика расчета включает этапы, описанные на рис. 11.

Новизна методики заключается в подходе к выбору электрооборудования, которое работает в повторно-кратковременном режиме, и позволяет использовать преобразователь частоты и двигатель вентилятора меньшей мощности, чем и достигается эффект энергосбережения.

Рис. 11. Алгоритм инженерной методики расчета

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе получены теоретические и прикладные результаты, которые решают научно-техническую задачу повышения эффективности лесосушильных камер:

1. Выполнен анализ современного состояния разработок в области автоматизации технологического оборудования лесосушильных камер.

2. Предложен новый метод сушки пиломатериалов в камере с комбинированной циркуляцией, отличающийся сочетанием осциллирующих режимов и периодического продува, позволяющий ускорить процесс сушки в 1,5 - 2 раза и на 20 - 45% снизить энергозатраты.

3. Разработаны математические модели лесосушильной камеры с комбинированной циркуляцией.

4. Разработаны алгоритмы работы автоматизированной системы управления сушильной камеры с комбинированной циркуляцией.

5. Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие точность разработанных математических моделей системы управления лесосушильной камеры с комбинированной циркуляцией.

6. Разработана методика расчета электрооборудования лесосушильных камер с комбинированной циркуляцией.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Михеев, A.A. Способ комбинированной циркуляции в лесосушильной камере / А.А.Михеев // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011, № 4(32). - С.202-205.

2. Михеев, A.A. Алгоритмы комбинированного режима в лесосушильной камере / А.А.Михеев, Дунаев М.П. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012, № 1(33). - С.164-166.

3. Михеев, A.A. Способ сушки древесины с комбинированной циркуляцией воздуха в камере / А.А.Михеев, Дунаев М.П. // Вестник ИрГТУ. 2012, №4(63).-С. 168-172.

Патент на полезную модель

4. Михеев, A.A. Лесосушильная камера с комбинированной циркуляцией. Патент на полезную модель №117592 Рос. Федерация: МПК В27К F26B / А.А.Михеев, Дунаев М.П.; заявитель и патентообладатель Иркутский государственный технический университет. - 6 с: ил.

Публикации в российских изданиях, доклады на российских и международных конференциях

5. Михеев, A.A. Сушка пиломатериалов в камерах с естественной циркуляцией / А.А'.Михеев, Дунаев М.П. // В трудах Всеросс. научно-практ. конф. «Повышение эффективности производства и использования электроэнергии в условиях Сибири». - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. - С.50-54.

6. Михеев, A.A. Модель лесосушильной камеры с комбинированной циркуляцией / А.А.Михеев, Дунаев М.П. // В трудах Всеросс. научно-практ. конф. «Повышение эффективности производства и использования электроэнергии в условиях Сибири».- Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. - С. 11-14.

7. Михеев, A.A. Применение комбинированной циркуляции в лесосушильной камере / А.А.Михеев // Материалы МНПК «Энергетика в современном мире». - Чита: 2011.

8. Михеев, A.A. Пути модернизации лесосушильных камер с естественной циркуляцией / А.А.Михеев, Дунаев М.П. // Электротехнические комплексы и системы / межвуз. сб. - Уфа: 2011. - С.141-144.

9. Михеев, A.A. Математическая модель лесосушильной камеры / А.А.Михеев // В трудах Всеросс. научно-практ. конф. «Повышение эффективности производства и использования электроэнергии в условиях Сибири». - Иркутск.: Изд-во ИрГТУ, 2012. - С.29-34.

10. Михеев, A.A. Математические модели лесосушильной камеры с комбинированной циркуляцией / А.А.Михеев // В трудах VIII Международн. научно-практ. конф. «Теория и практика современной науки». - Москва: Изд-во «Спецкнига», 2012. -С.300-304.

Подписано в печать 14.04.2015. Формат 60 х 90 /16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Зак. 129. Поз. плана 9н.

Отпечатано в Издательстве ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83