2010 Brno - přednáška Automatizace procesu sušení dřeva www.nardi.it
strana 2 Historie V počátcích automatizace byla nastolena otázka zavedení (efektivita) řídících systémů do praxe. Podle předpokladů bylo dosaženo úspory celkových nákladů na vysušení 1 m3 řeziva v porovnání s ruční regulací. Velmi rychlého rozšíření bylo zaznamenáno až v momentě snížení ceny mikroprocesorového řešení. S tímto masových nasazením bylo dosaženo i vyšší spolehlivosti řídících celků. Požadavky na řídící systémy: - sušení s minimálními ztrátami v jakosti řeziva - minimální spotřeba energií - udržování požadovaných parametrů sušení - udržovat agendu s možností historie a úpravy jednotlivých režimů
ZPŮSOBY ŘÍZENÍ PROCESU SUŠENÍ ŘEZIVA: - ruční - poloautomatické - plně automatizované Ruční řízení procesu sušení Veškeré ovládání (ventily topení, komínové klapky, vlhčení) je prováděno manuálně na základě zjištěné vlhkosti a teploty sušícího prostředí (parametry sušícího prostředí) a na základě vlhkosti a teploty řeziva nebo času sušení. strana 3
strana 4 Poloautomatické řízení procesu sušení V tomto případě jsou automaticky pomocí regulačních prvků udržovány ručně zadané parametry sušícího prostředí pro určitý sušící stupeň. Po uplynutí určeného času nebo po dosažení požadované vlhkosti dřeva, která může být měřena dálkově pomocí sond nebo zjištěna měřením nebo vážením až po vstupu do sušárny, se ručně nastaví nové údaje na regulačním prvku, které budou opět automaticky udržovány na zadaných hodnotách. Regulátory ovládají elektromagnetické ventily a servomotory, které otevírají přívod medií a určují polohu klapek v komínech. Takto se postupně zadávají (mění) podle zvoleného sušícího řádu parametry ts a tm nebo jejich rozdíl (psychrometrický rozdíl) až do dosažení požadované (konečné) vlhkosti dřeva.
strana 5 Automatické řízení procesu sušení Proces sušení dřeva je řízen automaticky pomocí řídícího počítače. Do řídícího počítače se zadávají následující údaje: - druh dřeva - tloušťka desky - počáteční vlhkost dřeva - požadovaná konečná vlhkost dřeva - konečná jakost vysušeného dřeva (tvrdost sušení) Regulace procesu sušení v tomto případě přímo závisí na okamžité vlhkosti a teplotě dřeva, a na teplotě, vlhkosti a rychlosti proudění sušícího prostředí, měřených pomocí čidel a sond. Na základě automaticky průběžně zjišťované aktuální vlhkosti dřeva se ovlivňuje teplota suchého teploměru, teplota mokrého teploměru a rychlost proudění vzduchu (na počátku sušení může být rychlost vzduchu vyšší).
Plná automatizace od firmy Nardi regulátor řídící členy - akční členy strana 6
strana 7 Řídící počítač je využíván k: - řízení procesu sušení probíhá zpravidla podle: aktuální vlhkosti dřeva nebo matematického modelu - monitorování procesu sušení stav dřeva stav sušícího prostředí - řízení sušení z jiného místa mimo areál sušárny pomocí dálkového spojení s řídícím počítačem - práci v dialogovém režimu - poskytování informací o průběhu sušení - tvorbě vlastních sušících řádů - možnosti volby konečné jakosti materiálu - prognózám vývoje sušení materiálu - grafickému zobrazení procesu sušení - vytváření archívu protokolů o sušení
Kromě tzv. řídících programů obsahují řídící počítače sušáren řeziva zpravidla kontrolní programové vybavení umožňující ochranu řeziva i vlastní sušárny před poškozením. Tyto kontrolní programy sledují: - funkčnost měřících členů - funkčnost akčních členů - dodávky energií - hodnoty maximální a minimální teploty v komoře - náhlý pokles relativní vlhkosti vzduchu strana 8
Prvky automatického systému řízení procesu sušení řeziva: Regulátor suchého teploměru a psychrometrického rozdílu pro jednu komoru. Řídící systém pro více komor je určen k centrálnímu ovládání a řízení procesu sušení řeziva v určitém programovém režimu. Jednotlivé sušící komory jsou k řídícímu systému připojeny pomocí jednotek poloautomatické regulace (regulátoru). strana 9
strana 10 ts,tm,δt (SS) Schéma regulace prostředí v jedné komoře řídící software Schéma řízení více komor pomocí jednoho PC
strana 11 Dnešní možnosti: Programovatelný logický automat nebo-li PLC (z anglického Programmable Logic Controller) je relativně malý průmyslový počítač používaný pro automatizaci procesů v reálném čase - řízení strojů nebo výrobních linek v továrně. Pro PLC je charakteristické, že program se vykonává v tzv. cyklech. V moderním pojetí je výraz PLC nahrazován tzv. PAC i když označení PLC je celosvětově hojně rozšířené a udrží se i nadále. PLC automaty jsou odlišné od běžných počítačů nejen tím, že zpracovávají program cyklicky ale i tím, že jejich periferie jsou přímo uzpůsobeny pro napojení na technologické procesy. Převážnou část periferií v tomto případě tvoří digitální vstupy (DI) a digitální výstupy (DO). Pro další zpracování signálů a napojení na technologii jsou určeny analogové vstupy (AI) a analogové výstupy (AO) pro zpracování spojitých signálů, pro polohování, komunikačními procesory (CP) pro sběr a přenos dat a další specifické moduly podle výrobce konkrétního systému. napěťové - proudové
Měřící členy - měření teploty vzduchu (odporové, polovodičové) - měření teploty materiálu - měření relativní vlhkosti vzduchu (kapacitní) - měření absolutní vlhkosti řeziva (odporové, kapacitní snímače) - měření rychlosti proudění vzduchu Pomocné: - měření průtoku kapaliny do topných registrů - množství kondenzátu - dodávka el. energie za jednotku času strana 12
Akční členy - servopohony (klapky, ventily) - solenoidní ventily (vlhčení) - frekvenční měniče (otáčky ventilátorů) strana 13
strana 14 Základní pohled na řídící systém výstupy z řídícího systémy údaje zadané obsluhou řídící systém ohřev vlhčení větrání změna otáček vent. rychlost ventilátorů sušárna řeziva rychlost proudění vzduchu vlhkost řeziva poloha regulačních členů (ohřevu, vlhčení, větrání,...) parametry vzduchu (T, RVV) okolní teplota
Předmětem posouzení bylo stanovení zbytkových napětí (zkornatění) vysušených dubových přířezů různých délek, používaných na kuchyňská dvířka firmy Koryna a.s. V oblasti výpočetní strana 15
Axiální ventilátor (axial) strana 16 Ventilátor nucená cirkulace skrz kolektor (blower) T2 T1 Odvětrávací ventilátor (vent.) Kavvouras, P., Skarvelis, A. (1993): Computerised control systém for an experimental solar lumber dryer. Holz als Roh- und Werkstoff 51 (1993) pp. 267-271
strana 17 měření w0 výpočet w1 snímání w2 výpočet obsah vlhkosti rozhodování (vysušeno/nevysušeno) snímání vlhkosti vzduchu snímání T1 snímání T2 výpočet RVD rozhodování zda využívat kolektor k ohřevu komory (porovnání teplot a RVD) Sledování limitů R1 > En > R2 (střídavé zpínání vypínání odvětrávacího ventilátoru a vlhčícího mechanismu) MC1 počáteční vlhkost MC0 konečná vlhkost W0 počáteční hmotnost W2 průběžná hmotnost (vlhkost) En RVD
Ovlivňování procesu sušení dřeva může být řízeno podle: - tabulek nebo norem - konstantního sušícího spádu - konstantní rychlosti sušení - úbytku hmotnosti sušeného dřeva - velikosti lineárního diferenciálního seschnutí dřeva - tahového napětí v povrchových vrstvách dřeva - velikosti seschnutí rozměrů hráně - velikosti akustické emise - množství kondenzátu strana 18
strana 19 Parametry mohou být stanoveny podle norem V normách nebo tabulkách jsou uvedeny hodnoty psychrometrické diference a teploty suchého teploměru pro jednotlivé sušící stupně, které odpovídají určité rovnovážné vlhkosti dřeva. Charakter změn sušícího prostředí řízený podle norem
strana 20 Parametry sušení podle velikosti sušícího spádu je založeno na tom, že pro různé druhy dřev je stanoven odpovídající sušící spád, který je udržován na konstantních hodnotách v jednotlivých úsecích sušení. sušící spád je poměr průměrné hodnoty vlhkosti dřeva k rovnovážné vlhkosti dřeva odpovídající určité relativní vlhkosti vzduchu. řízení procesu sušení spočívá v regulaci teploty suchého teploměru a relativní vlhkosti prostředí. Ssp=Wsk/Wrov Charakter změn sušícího prostředí řízený podle sušícího spádu
strana 21 Řízení procesu sušení podle konstantní rychlosti sušení Vychází z teoretického předpokladu, že rychlost sušení je dána rozdílem vlhkosti dřeva na průřezu (vlhkostního spádu) nebo rozdílem tlaků nasycených par ve dvou sousedních zónách dřeva. Optimální řešení vychází ze stanovení takového průběhu vlhkosti dřeva v čase, aby při minimálním čase sušení nedošlo ke zhoršení jakosti sušeného řeziva. Při vlastním sušení je potom udržováno takové sušící prostředí, které odpovídá neustálému rovnoměrnému snižování rovnovážné vlhkosti dřeva. Čas na odpaření 1 kg vody ze dřeva je konstantní. Charakter změn sušícího prostředí řízený podle konstantní rychlosti sušení
Řízení sušení podle úbytku hmotnosti dřeva v sušárně Je to praktický příklad použití váhové metody v praxi. K vážení jsou potřebné speciální váhy, které budou schopné vážit i při extrémních podmínkách sušícího prostředí v sušárně. Přesnost závisí na přesnosti zjištěné počáteční vlhkosti dřeva a přesnosti vážení v průběhu sušení. Řízení sušení podle velikosti lineárního diferenciálního seschnutí dřeva Je to rozdíl hodnot seschnutí mezi povrchovými a vnitřními vrstvami dřeva (stanovení maximálního tahového napětí). Tvarovým změnám materiálu odpovídají napětí, která vznikají jako důsledek nerovnoměrného sesychání dřeva. Měření maximálního tahového napětí pomocí přístrojové techniky naráží prozatím na značné problémy. strana 22
strana 23 Řízení podle akustické emise Akustická emise (AE) je fyzikální jev, který se projevuje u dřeva, které je vystaveno určitému napětí, při němž dochází k deformaci na úrovni molekulární struktury. Krátké nárazové vlny, vznikající v důsledku poruchy (trhliny) v materiálu. Emise je projevem náhlého uvolnění energie při vzniku trhliny ještě před jejím rozvojem. Jsou to diskrétní výbuchy energie, které mohou ale také nemusí být slyšitelné. Zaznamenávají se pouze dynamické procesy Akustické emise se snímají piezoelektrickým krystalem, který zvukový projev filtruje a zesiluje. Maximum akustických emisí u dřeva nastává začne-li se odstraňovat voda vázaná. Samotná emise se považuje jako důsledek náhlého uvolnění energie ve dřevě při výskytu trhlin. Amplituda napětí emisí se porovnává s výstupem nastaveného normovaného rovnosměrného napětí označovaného jako prahové napětí. Když amplituda napětí překročí tento práh zaznamená se jeden pulz. EA je indikátor deformační práce a její rozměr je J.s1 [W] Určuje se jako počet impulzů za jednotku času.
Protože je průběh akustických emisí podobný křivce sušení, lze metodu měření AE aplikovat při řízení procesu sušení dřeva. strana 24
Řízení podle změny rozměrů hráně Zeschnutí hráně v procesu sušení je těsně spojené úbytkem vlhkosti materiálu. Na změně rozměrů celé hráně má výrazný vliv: dřevina, tloušťka sortimentu, samotný sortiment, prokladové latě, režim sušení, nerovnoměrnost vlhkosti. Tato metoda dovoluje stanovit střední vlhkost hráně. Celkové zeschnutí hráně je odvozeno od změny výšky hráně, snímané elektricky či mechanicky. Pro samotnou realizaci tohoto měření je třeba mít vypracovány grafické závislosti. Chyby je +- 1,5% w<20 a 3 % w>30 % Křivka zeschnutí hráně (Sergovský 1987) borovice, h = 35 mm, výška hráně 1700 mm strana 25
Řízení podle množství kondenzátu V případě, že je možno měřit dostatečně přesně množství vlhkosti odstraněné ze dřeva ve formě kondenzátu a je dokázáno, že množství zkondenzované vlhkosti odpovídá vlhkosti dřeva, je možné použít pro postup řízení procesu sušení i tento poměrně jednoduchý princip. Týká se především vakuových sušáren. strana 26