Автоматизированная система научных исследований технологического процесса сушки древесины

Оригинальная статья / Original article УДК 621.314.632

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2019-3-443-450

Автоматизированная система научных исследований технологического процесса сушки древесины

© А.М. Дунаев, М.П. Дунаев

Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Россия

Резюме: Цель - создание автоматизированной системы технологического процесса сушки древесины, позволяющей исследовать физические процессы, протекающие в сушильной камере. Применяется комбинированный метод сушки пиломатериалов, который сочетает осциллирующий режим с естественной циркуляцией, включающей кратковременное циклическое открывание выпускного клапана сушильной камеры, с периодическим запуском принудительного вращения. Разработан алгоритм комбинированного режима сушки пиломатериалов. Предложена функциональная схема автоматизированной системы научных исследований технологического момента сушки древесины. Реализована схема упорядоченной автоматики научных исследований технологического процесса сушки древесины, которая позволяет управлять им, а также исследовать физические процессы, протекающие в сушильной камере. Автоматический этап управления профильных разработок технологического действия сушки древесины основан на использовании современных информационно-управляющих устройств, таких как программируемый логический контроллер, микропроцессорные регуляторы и промышленный преобразователь частоты.

Ключевые слова: автоматизированная система научных исследований, комбинированный алгоритм сушки, функциональная схема, промышленный преобразователь частоты

Информация о статье: Дата поступления 22 февраля 2019 г.; дата принятия к печати 13 марта 2019 г.; дата онлайн-размещения 28 июня 2019 г.

Для цитирования: Дунаев А.М., Дунаев М.П. Автоматизированная система научных исследований технологического процесса сушки древесины. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019;23(3):443-450. DOI: 10.21285/1814-3520-2019-3-443-450

Automated system of scientific studies of the technological process of wood drying

Andrey M. Dunaev, Mikhail P. Dunaev

Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia

Abstract: The purpose of the article is to create an automated system of the technological process of wood drying that allows to research the physical processes, which take place in the drying chamber. The study employs a combi ned method of timber drying, which integrates an oscillating mode and natural circulation including the short-term cyclic opening of the outlet valve of the drying chamber with the periodic start of the forced circulation. The algorithm of the combined mode of timber drying is developed. A functional diagram of the automated system of scientific studies of the technological process of wood drying is proposed. A scheme of the ordered automation of the scientific studies of the technological process of wood drying is implemented. It allows both to control the process of wood drying and study the physical processes occurring in the drying chamber. An automated control stage of the specialized developments of the technological process of wood drying is based on the use of modern information-control devices, such as a programmed logical controller, microprocessor regulators and an industrial frequency converter.

Keywords: automated system of scientific studies, combined algorithm of drying, functional diagram, industrial frequency converter

Information about the article: Received February 22, 2019; accepted for publication March 13, 2019; available online June 28, 2019.

For citation: Dunaev A.M., Dunaev M.P. Automated system of scientific studies of the technological process of wood drying. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2019;23(3):443-450. (In Russ.) DOI: 10.21285/1814-3520-2019-3-443-450

0

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время значительная часть промышленных лесосушильных камер, использующих естественную циркуляцию сушильного агента, имеет невысокие технические характеристики. Особенно это касается значительного времени сушки и повышенных энергетических затрат [1].

Частичное преодоление первого недостатка лесосушильных камер с естественной циркуляцией (значительного времени сушки) возможно с помощью применения осциллирующих режимов [2].

Сущность осциллирующего режима заключается в том, что весь процесс сушки разбит на повторяющиеся временные циклы прогрева и охлаждения штабеля древесины [3]. Температурная разница между циклом прогрева и охлаждения составляет около 10—15°С.

Технологический процесс сушки начинается с цикла повышения температуры в сушильной камере, при этом температура верхних слоев древесины увеличивается. При последующей реализации цикла охлаждения происходит понижение влажности и температуры воздуха в сушильной камере, при этом наружные слои древесины начинают отдавать влагу. В результате этого температура наружных слоев древесины становится ниже температуры внутренних слоев. Основной эффект от применения осциллирующих режимов заключается в продвижении влаги от более нагретых слоев древесины к менее нагретым слоям. Все это приводит не только к ускорению процесса сушки, но и к тому, что сушка происходит более равномерно, тем самым предотвращая опасные напряжения в пиломатериале [4].

Существенному снижению времени сушки древесины в лесосушильных камерах и уменьшению количества энергии, затраченной в процессе сушки пиломатериалов, способствует применение комбинированных режимов работы лесосушильных камер [5-7].

Совмещенный режим сушки пиломатериалов сочетает осциллирующий режим с естественной циркуляцией, включающей

кратковременное циклическое открывание выпускного клапана сушильной камеры (с периодическим включением принудительной циркуляции) [8-10].

2. КОМБИНИРОВАННЫЙ РЕЖИМ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

Алгоритм комбинированного режима сушки пиломатериалов представлен на рис. 1. Нагрев в камере включается до достижения сушильным агентом значения ¿ц.п. - температуры циклового прогрева. Время указанного этапа составляет ¿ц.п. Далее нагрев отключается до достижения ¿ц.о. - температуры циклового охлаждения. Быстрому переходу от оборотного прогрева к цикловому охлаждению способствует кратковременная вентиляция сушильной камеры посредством включения вентилятора. После завершения этапа циклового охлаждения,

время которого составляет Тц.о., происходит переход к этапу циркулирующего прогрева.

Процесс сушки пиломатериала заканчивается, когда влажность в камере достигает заданного значения Wз.

Для исследования процессов сушки пиломатериала предложена автоматизированная система научных исследований (АСНИ) [11, 12] технологического процесса сушки древесины.

3. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ

АСНИ технологического процесса сушки древесины позволяет управлять процессом сушки, а также исследовать физические процессы, протекающие в сушильной камере. Функциональная схема АСНИ технологического процесса сушки древесины показана на рис. 2.

В корпус камеры помещен штабель пиломатериала. Нагрев воздуха в камере производится при помощи теплоэлектро-нагревателей (ТЭН), управляемых системой управления (СУ) сушильной камеры по программе, заданной в управляющем персо-

нальном компьютере (ПК). Подача напряжения питания Uп на ТЭН производится включением магнитного контактора (КМ) по сигналу управления Хт. Питание КМ осуществляется от источника питания ^.

Периодический продув камеры происходит посредством центробежного вентилятора, приводимого в движение асинхронным двигателем, питаемым от преобразователя частоты (ПЧ), который управляется СУ. При этом вход сухого воздуха производится через входной клапан, а выведение влажного воздуха, прошедшего через штабель, производится через выходной клапан. Питание ПЧ осуществляется от источника питания Uc. Управление ПЧ проводится по сигналу управления Хv. Контроль температуры t и влажности W в камере и внутри штабеля производится, соответственно, при помощи регуляторов температуры (РТ) и влажности (РВ), а также их датчиков. Сигналы ^ и Uw от датчиков температуры и влажности передаются в СУ, которая через интерфейс подключена к ПК. В ПК хранится программа сушки и ведется контроль параметров данного процесса. Контроль напора сухого воздуха V на входе в камеру производится при помощи регулятора напора (РН), а также датчика напора, сигнал Ш которого также передается в СУ. Текущие сигналы заданных температуры (Тз), влажности ^з) и напора V) поступают на вход соответствующих регуляторов РТ, РВ и РН через интерфейс от программы сушки из ПК. Процесс сушки пиломатериала заканчивается по сигналу управления Хw, когда влажность в камере достигает поставленного значения W^

Результаты исследований технологического процесса [13] сушки древесины отображаются и фиксируются посредством служебной программы МСТ10 в памяти персонального компьютера ПК, после чего могут быть доступны для анализа и последующей корректировки настроек АСНИ технологического процесса сушки древесины.

Внешний вид АСНИ технологического процесса сушки древесины показан на рис. 3., включает в себя корпус сушильной камеры (металлический шкаф размером

500*500*150 мм), внутри которого находятся теплоэлектронагреватели (ТЭН с мощностью 0,5 кВт); два датчика температуры (ДТС105-50М.В3.80); датчик влажности. Справа от корпуса сушильной камеры находится центробежный вентилятор (GRSHV 40/8), приводимый во вращение асинхронным двигателем (4АА63В4У3, мощность Рн = 0,55 кВт), управляемым преобразователем частоты (Danfoss AQUA Drive FC202 [14], мощность Рн = 0,55 кВт). Преобразователь частоты [15], два микропроцессорных одноканальных измерителя-регулятора температуры (ТРМ1А-Д и ТРМ1Б-Н), преобразователь интерфейса (ОВЕН АС3-М RS232/485), автоматические выключатели и другое электрооборудование расположены в двух шкафах управления АСНИ (размеры шкафов 500*400*250 мм каждый). Внешний вид шкафов управления АСНИ показан на рис. 4.

Контроль текущей влажности испытуемых образцов пиломатериалов осуществлялся с помощью следующих измерительных устройств:

- игольчатого влагомера с выносными электродами (Sh0453, производство ЗАО «Научная электроника»);

- переносного влагомера ( CEM DT-129, производство КНР).

Контакты влагомеров расположены в верхней и нижней части штабеля пиломатериала, что способствует получению более объективной информации о влажности древесины.

Для измерения влажности воздуха внутри корпуса сушильной камеры использовался датчик влажности (Honeywell HIH-4000-003). Этот емкостной датчик влажности построен на основе термореактивного полимера и имеет высокую надежность во всем диапазоне измерения от 0 до 100%. Выходной сигнал датчика имеет линейную зависимость от измеряемой влажности.

Внешний вид сушильной камеры АСНИ представлен на рис. 5, где показано: 1 - теплоэлектронагреватели (закрыты металлическим защитным кожухом); 2 - штабель пиломатериала; 3 - воздуховод от центробежного вентилятора; 4 - впускной кла-

Включить нагрев

Включить вентилятор

Включить нагрев

Выключить нагрев

Рис. 1. Алгоритм комбинированного режима сушки пиломатериалов Fig. 1. Algorithm of the combined mode of timber drying

Рис. 2. Функциональная схема автоматизированной системы научных исследований технологического процесса сушки древесины Fig. 2. Functional diagram of the automated system of scientific studies of the technological process of wood drying

Рис. 3. Внешний вид автоматизированной системы научных исследований технологического процесса сушки древесины Fig. 3. External view of the automated system of scientific studies of the technological process of wood drying

Рис. 4. Внутренний вид шкафов управления автоматизированной системы научных исследований Fig. 4. Internal view of the control cabinets of the automated system of scientific studies

Рис. 5. Внешний вид сушильной камеры автоматизированной системы научных исследований Fig. 5. External view of the drying chamber of the automated system of scientific studies

пан; 5 - датчики влажности и температуры; 6 - выпускной клапан. Впускной и выпускной клапаны установлены на входе и выходе из корпуса сушильной камеры и работают автоматически.

Эксперименты производятся в автоматическом режиме при помощи программируемого логического контроллера, кото-

рым комплектуется преобразователь частоты Danfoss AQUA Drive FC202.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная в статье автоматизированная система научных исследований технологического процесса сушки древе-

сины позволяет детально исследовать физические процессы, протекающие в сушильной камере, а также применять комбинированные режимы работы лесосушильных ка-

мер, обеспечивающие снижение времени сушки древесины и уменьшение количества энергии, затраченной в процессе высушивания пиломатериалов.

Библиографический список

1. Шубин Г.С. Сушка и тепловая обработка древесины. М.: Лесная промышленность, 1990. 336 с.

2. Любовицкий П.В. Сушка древесины с цикловым прогревом: опыт работы предприятий. М.: Лесная промышленность, 1986. 49 с.

3. Сергеев В.В., Тракало В.И. Повышение эффективности сушки пиломатериалов. Екатеринбург: Уральский государственный лесотехнический университет, 2005. 225 с.

4. Михеев А.А., Дунаев М.П. Пути модернизации лесосушильных камер с естественной циркуляцией // Электротехнические комплексы и системы: межвуз. сб. Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет, 2011. С. 141-144.

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

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

7. Михеев А.А., Дунаев М.П. Способ сушки древесины с комбинированной циркуляцией воздуха в камере // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2012. № 4(63). С. 168-172.

8. Михеев А.А. Применение комбинированной циркуляции в лесосушильной камере // Энергетика в современном мире: материалы молодежной науч.-практ. конф. (г. Чита, 15-16 ноября 2011 г.). Чита, 2011. С. С. 46-51.

9. Михеев А.А. Математические модели лесосушильной камеры с комбинированной циркуляцией // Теория и практика современной науки: материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф. М.: Спецкнига, 2012. С. 300-304.

10. Буторин Д.В., Филиппенко Н.Г., Филатова Н.С., Лившиц А.В., Каргапольцев С.К. Автоматизация контроля структурных превращений в полимерных материалах при термической обработке // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. № 1(49). С. 117-125.

11. Буторин Д.В., Филиппенко Н.Г., Лившиц А.В. Автоматизация процесса контроля фазовых и релаксационных превращений в полимерных материалах // Информационные системы и технологии. 2017. № 1(99). С. 44-53.

12. Mukhopad Yu.F., Dunaev M.P., Mariukhnenko V.F., Skrypnik O.N., Sizykh V.N. Management of technical automation equipment of technological processes // Far East Journal of Electronics and Communications. Pushpa Publishing House, Allahabad, India. 2017. Vol. 17. No. 5. P. 1021-1028.

13. Dunaev M.P., Arsentiev O.V., Arsentiev G.O. Research of energy characteristics of frequency-regulated electric drive // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Р. 118-125.

14. Pultyakov A.V., Dunaev M.P., Arsentiev G.O. A universal control method of auxiliary electric motors // Advances in Engineering Research. Atlantis Press. 2018. Vol. 158. P. 109-113.

References

1. Shubin G.S. Sushka i teplovaya obrabotka drevesiny [Drying and heat treatment of wood]. Moscow: Lesnaya promyshlennost' Publ., 1990, 336 p. (In Russ.).

2. Lyubovickij P.V. Sushka drevesiny s ciklovym pro-grevom: opyt raboty predpriyatij [Wood drying with cyclic heating: experience of enterprise operation]. Moscow: Lesnaya promyshlennost' Publ., 1986, 49 p. (In Russ.).

3. Sergeev V.V., Trakalo V.I. Povyshenie effektivnosti sushki pilomaterialov [Ways of modernization of drying chambers with natural circulation]. Ekaterinburg: Ural State forest engineering University Publ., 2005, 225 p.

4. Miheev A.A., Dunaev M.P. Puti modernizacii lesosushil'nyh kamer s estestvennoj cirkulyaciej [Modernization directions of wood-drying chambers with natural circulation]. Elektrotekhnicheskie kompleksy i sis-temy: mezhvuzovskij sbornik [Electrotechnical systems and complexes: interuniversity collection of articles]. Ufa: Ufa State Aviation Technical University Publ., 2011, pp.

141-144. (In Russ.).

5. Miheev A.A. Sposob kombinirovannoj cirkulyacii v lesosushil'nojkamere [The combined circulation in leas-urely camera]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyj ana-liz. Modelirovanie [Modern technologies. System analysis. Modeling], 2011, no. 4(32), pp. 202-205. (In Russ.).

6. Miheev A.A., Dunaev M.P. Algorithms of combined mode in timber drying chamber. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyj analiz. Modelirovanie [Modern Technologies. System Analysis. Modeling], 2012, no. 1(33), pp. 164-166. (In Russ.).

Miheev A.A. The method of combined circulation in timber drying chamber. Sovremennye tekhnologii. Sis-temnyj analiz. Modelirovanie [Modern Technologies. System Analysis. Modeling], 2011, no. 4(32), pp. 202205. (In Russ.).

7. Miheev A.A., Dunaev M.P. Method of wood drying with combined circulation of air in kiln. Vestnik Irkutskogo

gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Proceedings of Irkutsk State Technical University], 2012, no. 4(63), pp. 168-172. (In Russ.).

8. Miheev A.A. Primenenie kombinirovannoj cirkulyacii v lesosushil'noj kamere [Use of combined circulation in the wood drying chamber]. Materialy molodezhnoj nauchno-prakticheskoj konferenii "Energetika v sovremennom mire" [Materials of the Youth Scientific and Practical Conference "Power Engineering in the Modern World", Chita, 15-16 November 2011]. Chita, 2011. C. 46-51. (In Russ.).

9. Miheev A.A. Matematicheskie modeli lesosushil'noj kamery s kombinirovannoj cirkulyaciej [Mathematical models of woof drying chamber with combined circulation]. Materialy VIII Mezhdunarodnoj nauchno-praktich-eskoj konferencii "Teoriya i praktika sovremennoj nauki" [Materials of VIII International Scientific and Practical Conference "Theory and Practice of Modern Science"], Moscow: Speckniga Publ., 2012, pp. 300-304. (In Russ.).

10. Butorin D.V., Filippenko N.G., Filatova N.S., Livshic A.V., Kargapol'cev S.K. Automation of control of struc-

Критерии авторства

Дунаев А.М., Дунаев М.П. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Дунаев Андрей Михайлович,

аспирант,

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия, e-mail: west-ma@yandex.ru

Дунаев Михаил Павлович,

доктор технических наук,

профессор кафедры электропривода

и электрического транспорта,

Иркутский национальный исследовательский

технический университет,

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия,

e-mail: mdunaev10@mail.ru

tural transformation in polymeric materials at heat treatment. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyj analiz. Mod-elirovanie [Modern technologies. System analysis. Modeling], 2016, no. 1(49), pp. 117-125. (In Russ.).

11. Butorin D.V., Filippenko N.G., Livshic A.V. Automation process control of phase and relaxation transformation in polymer materials. Informacionnye sistemy i tekhnologii [Information Systems and Technologies],

2017, no. 1(99), pp. 44-53. (In Russ.).

12. Mukhopad Yu.F., Dunaev M.P., Mariukhnenko V.F., Skrypnik O.N., Sizykh V.N. Management of technical automation equipment of technological processes. Far East Journal of Electronics and Communications. Pushpa Publishing House. Allahabad. India, 2017, vol. 17, no. 5, pp. 1021-1028.

13. Dunaev M.P., Arsentiev O.V., Arsentiev G.O. Research of energy characteristics of frequency-regulated electric drive. Journal of Physics: Conference Series,

2018, pp. 118-125.

14. Pultyakov A.V., Dunaev M.P., Arsentiev G.O. A universal control method of auxiliary electric motors. Advances in Engineering Research. Atlantis Press, 2018, vol. 158, pp. 109-113.

Authorship criteria

Dunaev A.M., Dunaev M.P. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Andrey M. Dunaev,

Postgraduate student,

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia, e-mail: west-ma@yandex.ru

Mikhail P. Dunaev,

Dr., Sci. (Eng.),

Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport,

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia, e-mail: mdunaev10@mail.ru