СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СУШКИ ЗЕРНА И ДРУГИХ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF AUTOMATED CONTROL OF DRYING PROCESS OF GRAIN AND OTHER PARTICULATE MATERIALS

Изобретение относится к способам автоматического управления процессом сушки зерна и других дисперсных материалов в аппаратах, использующих СВЧ-энергию, и может быть использовано в сельском хозяйстве, пищевой, химической и смежных с ними отраслях промышленности.
Известен способ [Патент RU №2239138, F26B 25/22, 27.10.2004], в котором теплоподвод осуществляют комбинированным способом в двух зонах сушилки, при этом подсушку исходного продукта проводят в зоне плотного слоя подогретым воздухом, а сушку - перегретым паром в зоне виброкипящего слоя продукта, причем часть отработанного перегретого пара направляют по дополнительному потоку на подогрев воздуха, дополнительно измеряют расход подсушенного продукта, расход воздуха, подаваемого на подсушку, а также влагосодержание воздуха на входе и выходе из плотного слоя продукта, амплитуду колебаний газораспределительной решетки в зоне виброкипящего слоя продукта, по текущему значению потока влаги, поступающего с исходным продуктом в зону плотного слоя, и текущему значению количества влаги, испаряемой из продукта в единицу времени в этой зоне, корректируют поток влаги, поступающий с подсушенным продуктом в зону виброкипящего слоя, воздействием на расход исходного продукта, по текущему значению расхода подсушенного продукта устанавливают амплитуду колебаний газораспределительной решетки с коррекцией по перепаду давления в виброкипящем слое продукта, а по текущим значениям расхода подсушенного и высушенного продукта определяют излишнюю часть отработанного перегретого пара, которую направляют по дополнительному потоку, и осуществляют стабилизацию влажности высушенного продукта путем воздействия на время пребывания продукта в зоне виброкипящего слоя продукта.
Известный способ имеет ряд существенных недостатков:
- невысокое качество высушенного материала;
- длительность проведения процесса сушки;
- большая инерционность системы, т.е. низкая точность и надежность управления процессом сушки из-за случайных возмущений со стороны работы оборудования;
- невозможность оптимального управления процессом сушки;
- нерациональное использование теплоэнергетического и материального потенциала.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ автоматического управления процессом сушки дисперсных материалов в сушильной установке вихревого типа с подводом СВЧ-энергии [Патент RU №2328681, F26B 25/22, 10.07.2008]. В данном способе автоматического управления процессом в шахтной сушилке с использованием СВЧ-энергии предусматривается измерение расхода, влажности и температуры исходного материала, поступающего в сушилку, расхода и влажности высушенного материала, влагосодержания, температуры и расхода сушильного агента до и после сушки. Информация с датчиков, измеряющих расход, влажность и температуру исходного материала, поступающего в сушилку, расход и влажность высушенного материала, влагосодержание, температуру и расход сушильного агента до и после сушки, подается на микропроцессор, который устанавливает задание на температурный режим и режим подачи сушильного агента на входе в сушилку посредством исполнительных механизмов калорифера, вентилятора и магнетронов, применяются датчики, измеряющие потребляемую мощность вентилятора, калорифера и магнетронов, информация с которых подается на микропроцессор. Микропроцессор непрерывно определяет знак производной функции суммарной стоимости энергетических и материальных затрат на единицу массы высушиваемого материала, и если знак положительный, то уменьшает расход исходного материала, если знак отрицательный, то увеличивает. Кроме того, коррекцию режима управления процессом сушки осуществляют на двух уровнях, при этом на первом уровне при отклонении текущего значения потока влаги, испаряемой в сушилке, от заданного воздействуют на температуру и расход подводимого потока сушильного агента, а на втором уровне, если изменение температуры и расхода подводимого потока сушильного агента не обеспечивает требуемой влажности высушенного материала, воздействуют на напряжение в сети питания магнетронов.
Недостатками данного способа являются:
- отсутствие возможности оптимального управления установкой по критерию ее максимальной производительности;
- отсутствие ограничений на нагрев дисперсного материала, что может привести к полной или частичной утрате им требуемых качеств.
Технической задачей изобретения является интенсификация процесса сушки, повышение качества высушенного материала, повышение точности и надежности управления, снижение энергозатрат.
Поставленная задача достигается тем, что в способе автоматического управления процессом сушки зерна и других дисперсных материалов (или зерна, или материалов, или продукта), предусматривающем подвод СВЧ-энергии, измерение влажности исходного материала, поступающего в сушильную камеру, влажности высушенного материала, температуры сушильного агента на входе и выходе сушилки, влагосодержания сушильного агента на выходе из зернового слоя, мощности, потребляемой магнетронами, нагревательными элементами и двигателем электропривода вентилятора, калорифера, передачу измеренных параметров в микропроцессорную систему, выработку микропроцессорной системой воздействий по управлению температурой и расходом агента сушки, мощностью магнетронов, подачей дисперсного материала, реализацию регулирующих воздействий с помощью исполнительных механизмов, новым является то, что контролируют температуру и влагосодержание атмосферного воздуха, с помощью датчиков контролируют температуру в нескольких точках внутри зоны воздействия СВЧ поля на зерно, или другой дисперсный материал, информация с этих датчиков подается в микропроцессорную систему, где на основании полученной информации, с использованием данных об исходной влажности зерна, температуре и расходе агента сушки, мощности, потребляемой магнетронами, рассчитывается температура нагрева зерна в центре и на поверхности зерновки, управление процессом ведется таким образом, чтобы не превысить предельного значения температуры нагрева продукта, управление может осуществляться по комбинированному принципу (по отклонению управляемой величины и по возмущающему воздействию) и в соответствии с критерием оптимальности, причем оптимальное управление процессом может осуществляться как по критерию минимума энергозатрат, так и по критерию максимальной производительности установки. Кроме того, коррекцию режима управления процессом сушки осуществляют на четырех уровнях по приоритету температуры нагрева продукта, при этом на первом уровне при превышении температурой нагрева продукта максимального предельного значения воздействуют на расход подводимого потока сушильного агента, на втором уровне, если изменения на первом уровне не дали желаемых результатов, изменяют температуру агента сушки, если изменение расхода подводимого потока сушильного агента и его температуры и не обеспечивает снижение температуры нагрева материала, то на третьем уровне воздействуют на напряжение в сети питания магнетронов, на четвертом уровне изменяют расход исходного материала, изменяя тем самым длительность его пребывания в зоне воздействия поля СВЧ.
Технический результат заключается в интенсификации процесса сушки, повышении качества готовой продукции, снижении затрат энергии.
На фиг.1 представлена структурная схема, реализующая предлагаемый способ автоматического управления процессом сушки.
зн
а
a
в
з
вых
вых
в
з
зк
пр
к
дв
м
Схема содержит СВЧ-конвективную зерносушилку 1, в которой сушка зерна осуществляется за счет энергии СВЧ поля и конвективного тепловлагообмена. Влажность зерна W или другого дисперсного материала, поступающего на сушку, контролируется с помощью датчика 2. Температура Т и влагосодержание D атмосферного воздуха контролируются при помощи датчиков 3 и 4. Температура агента сушки на входе в сушилку Т, влажность продукта W на выходе из сушилки, температура внутри зоны воздействия СВЧ поля на зерно Θ, температура агента сушки на выходе из сушилки Т, его влагосодержание D контролируются с помощью датчиков 5, 6, 7, 8 и 9. Сигналы с датчиков 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 поступают в микропроцессорную систему (МПС) 10. Подогрев зерна с помощью поля СВЧ осуществляется посредством блока магнетронов 11. Источником агента сушки является электрокалорифер, вентилятор которого 12 осуществляет подачу воздуха Q в зерносушилку 1, а нагревательные элементы 13 обеспечивают подогрев воздуха до требуемой температуры Т. Движение зерна через зерносушилку осуществляется самотеком. Регулирование времени пребывания зерна в сушилке осуществляется степенью или временем открытия с помощью исполнительного механизма 14 выпускного отверстия, чем обеспечивается расход зерна Q. С помощью задающих устройств в МПС вводятся значения требуемой конечной влажности зерна W, предельной температуры Θ нагрева зерна в зоне воздействия поля СВЧ и тип управления КУ установкой. Управление может осуществляться по комбинированному принципу (по отклонению управляемой величины и по возмущающему воздействию) и по двум критериям оптимальности: минимуму энергозатрат; максимуму производительности. С помощью устройств 15, 16 и 17 контролируют мощности, потребляемые нагревательными элементами калорифера Р 13, электродвигателем вентилятора калорифера Р 13, блоком магнетронов Р 11, соответственно. Результаты измерений направляются в МПС.
Способ осуществляется следующим образом.
зк
пр
В микропроцессорную систему с помощью задатчиков вводят данные о требуемой конечной влажности зерна W, предельной температуре Θ нагрева продукта в зоне воздействия поля СВЧ и тип управления КУ установкой. В памяти МПС заложены функциональные зависимости:
з
зн
м
в
з
м
м
м
1
1
к
к
к
2
дв
3
2
3
вх
где Θ - температура нагрева зерновки (в центре и на поверхности) в зоне действия поля СВЧ; Θ - температура в зоне действия поля СВЧ; W - исходная влажность зерна, или другого дисперсионного продукта; Р - мощность, потребляемая магнетронами; Q - расход агента сушки; Т - температура агента сушки; Q - расход продукта через сушилку (производительность сушилки); N - энергия, потребляемая установкой в процессе сушки; N - энергия, потребляемая магнетронами в процессе сушки, где N=ΣP·τ, τ - время работы магнетронов в процессе сушки; N - энергия, потребляемая калорифером в процессе сушки, где N=ΣР·τ+ΣР·τ, τ и τ - время работы нагревательных элементов калорифера и двигателя вентилятора, соответственно; D - влагосодержание воздуха на выходе калорифера, на входе в зерновой слой.
зн
а
a
зк
м
в
в
в
а
в
а
м
з
з
пр
з
зк
Сырое зерно, или другой дисперсный продукт, подают в бункер установки, где с помощью датчика 2 контролируют его начальную влажность W. С помощью датчиков 3 и 4 контролируют соответственно температуру Т и влагосодержание D атмосферного воздуха. Если управление осуществляется по комбинированному принципу (по отклонению управляемой величины W от заданного значения и по возмущающему воздействию), то принимают Р=max, Т=max. По функциональной зависимости (2) рассчитывают Q. Если рассчитанная величина Q больше технически возможного значения, которое может обеспечить вентилятор калорифера, то с заранее заданным шагом уменьшают величину Т до тех пор, пока не будет получена величина Q, которая может быть обеспечена двигателем вентилятора. При этом должно выполняться условие Т≥Т. Если данное условие не выполняется, значение Т принимают равным величине Т, а по функциональной зависимости (3) определяют требуемую мощность магнетронов Р. После этого МПС выдает соответствующие управляющие воздействия на исполнительные механизмы 11, 12, 13. Начинается процесс сушки. В процессе работы с помощью датчиков 7 контролируют температуру Θ в зоне действия поля СВЧ. По функциональной зависимости (1) рассчитывают Θ. Если Θ>Θ, то корректировку работы системы ведут по трем уровням в порядке их возрастания: регулирование расхода агента сушки - по первому уровню; регулирование температуры теплоносителя - по второму уровню; регулирование мощности магнетронов - по третьему уровню. С помощью датчика 6 контролируют влажность продукта на выходе сушилки. Если W≠W, осуществляют управление по четвертому уровню. При этом с помощью исполнительного механизма 14 изменяют расход (скорость движения) продукта через сушилку.
При оптимальном управлении по критерию максимальной производительности в качестве функционала используют выражение (4)
з
зн
м
в
Q=f(W, P, Q, T,)→max,
при граничных условиях:
м
м пред
Р≤Р;
пред
Q≤Q;
з
пр
Θ≤Θ;
в
в пред.
Т≤Т
м пред
пред
в пред
м
в
зн
з
з
пр
з
зк
где Р - технически максимально допустимая мощность применяемых в установке магнетронов; Q - технически максимально допустимая производительность применяемого в установке вентилятора калорифера; Т - технически максимально возможная температура на выходе калорифера, зависящая от его мощности, производительности вентилятора и температуры атмосферного воздуха. Решая с помощью МПС данную систему уравнений соответствующими математическими методами, находят величины Р, Q, Т, обеспечивающие максимальную производительность установки для исходной влажности зерна W. МПС выдает соответствующие управляющие воздействия на исполнительные механизмы 11, 12, 13. В процессе работы с помощью датчиков 7 контролируют температуру Θ в зоне действия поля СВЧ. По функциональной зависимости (1) рассчитывают Θ. Если Θ>Θ, то корректировку работы системы ведут по трем уровням в порядке их возрастания: регулирование расхода агента сушки - по первому уровню; регулирование температуры теплоносителя - по второму уровню; регулирование мощности магнетронов - по третьему уровню. С помощью датчика 6 контролируют влажность продукта на выходе сушилки. Если W≠W, осуществляют управление по четвертому уровню. При этом с помощью исполнительного механизма 14 изменяют расход (скорость движения) продукта через сушилку.
При оптимальном управлении по критерию минимума энергозатрат в качестве функционала используют выражение (5)
м
к
N=f(N, N)→min,
при граничных условиях:
м
м пред
Р≤Р;
пред
Q≤Q;
з
пр
Θ≤Θ;
в
в пред.
Т≤Т
суш
з
пред
з мин
где τ - время сушки зерна, или другого дисперсионного материала (может быть использован параметр производительности сушилки Q); τ - предельное время, в течение которого зерно, или другой дисперсионный продукт, должно быть обязательно просушено (может быть использован параметр минимальной производительности сушилки (Q).
м
в
зн
з
з
пр
з
зк
Решая с помощью МПС данную систему уравнений соответствующими математическими методами, находят величины Р, Q, Т, обеспечивающие минимальные энергетические затраты на сушку для исходной влажности зерна W. МПС выдает соответствующие управляющие воздействия на исполнительные механизмы 11, 12, 13. В процессе работы с помощью датчиков 7 контролируют температуру Θ в зоне действия поля СВЧ. По функциональной зависимости (1) рассчитывают Θ. Если Θ>Θ, то корректировку работы системы ведут по трем уровням в порядке их возрастания: регулирование расхода агента сушки - по первому уровню; регулирование температуры теплоносителя - по второму уровню; регулирование мощности магнетронов - по третьему уровню. С помощью датчика 6 контролируют влажность продукта на выходе сушилки. Если W≠W, осуществляют управление по четвертому уровню. При этом с помощью исполнительного механизма 14 изменяют расход (скорость движения) продукта через сушилку.
Таким образом, предлагаемый способ автоматического управления процессом сушки зерна и других дисперсных материалов позволяет:
- обеспечить требуемое качество зерна или другого дисперсного материала после сушки;
- при необходимости максимально увеличить производительность установки;
- снизить энергозатраты на сушку.