Модельно базированное автоматическое управление процессами оттаивания и тепловой обработки древесины

Тепловая обработка (ТО) древесных сортиментов является важной частью технологических процессов производства шпона, клееной фанеры, паркета, слоистых изделий и гнутых деталей для мебельной промышленности. Она осуществляется путем воздействия на них насыщенным или влажным водяным паром или горячей водой, в результате чего достигается пластифицирование или облагораживание древесины [1, 3, 4].

Древесные сортименты подвергаются ТО с целью пластифицирования при производстве строганого или лущеного шпона, а также перед гнутьем деталей при производстве стульев и спортивных сооружений. Это обуславливается фактом, что нагретая влажная древесина имеет повышенную деформируемость и податливость к пространственному конфигурированию.

Тепловой обработке с целью облагораживания подвергается значительная часть буковых, акациевых, ореховых и других пиломатериалов. Из облагороженной древесины с целенаправленно измененным цветом вырабатываются паркет или ответственные, со стабилизированной формой, детали для мебельной промышленности.

В настоящей статье описываются устройство и функции созданных с ведущим участием автора и широко внедренных в практику микропроцессорных программируемых контроллеров для модельно базированного управление процессами оттаивания и тепловой обработки древесных сортиментов различного предназначения.

Математические модели процесса ТО призматических и круглых древесных сортиментов. Основной задачей при разработке и оптимизации современных технологий ТО древесных сортиментов является научно обоснованное определение температуры в отдельных точках их объема в любой момент нагревания. Неотделимую часть процесса ТО составляет кондиционирование в воздушной среде нагретых пластифицированных сортиментов с целью охлаждения поверхностных слоев и выравнивания температурного поля в их объеме перед последующим гнутьем или резанием (лущением) шпона.

Правильное и эффективное управление этими процессами вoзможно только при хорошем понимании их физики и тяжести влияния каждого из нескольких десятков факторов. Бездефектное осуществление процесса ТО и последующего кондиционирования зависит от формы, размеров, начальной температуры и предназначения древесных сортиментов, от строения и микроструктурных особенностей древесных пород, от анизотропности теплофизических характеристик древесины, от количества и агрегатного состояния воды в ней. Другими важными факторами являются значения и закон изменения во времени температуры обрабатывающей среды, конструктивные параметры оборудования, теплофизические характеристики материала его стен, изоляции и окружающего воздуха, степень заполнения оборудования подвергнутыми тепловой обработке сортиментами и т.д.

Влияние перечисленных и других факторов охвачено и адекватно отражено нами в 1D, 2D и 3D нелинейных математических моделях процессов нагревания призматических и круглых сортиментов различного предназначения во время их оттаивания, тепловой обработки и последующего кондиционирования, а также в моделях удельных энергетических затрат, необходимых для осуществления этой обработки.

Математическая модель, которая описывает распределение температуры в древесных сортиментах призматической формы во время их оттаивания и ТО имеет следующий вид [2]:

(1)

с начальным условием

 

(2)

 

и граничными условиями

 

, (3)

где l_x = l_wr, l_y = l_wt и l_z = l_wp - коэффициенты теплопроводности древесины соответственно в радиальном, тангенциальном и параллельном волокнам направлениях, совпадающих с пространственными координатными осями x, y и z подвергнутых ТО древесных сортиментов, W.m^-1. K^-1; c_we – эффективная удельная теплоемкость содержащей и не содержащей льда древесины, J.kg^-1.K^-1; r_w – плотность древесины, kg.m^-3; T – температура, K; Т_w0 – начальная температура древесины, K; Т_m – температура обрабатывающей среды, K; τ  –  время, s.

Математическая модель, которая описывает распределение температуры в древесных сортиментах цилиндрической формы во время их оттаивания и ТО имеет следующий вид [5]:

(4)

с начальным условием

 

(5)

 

и граничными условиями

 

(6)

где r – координатная ось, совпадающая с радиусом подвергнутых оттаиванию и тепловой обработке сортиментов, m.

Необходимые для решения систем уравнений (1) ¸ (3) и (4) ¸ (6) математические описания теплофизических характеристик содержащей и не содержащей льда древесины c_we, l_wr, l_wt, l_wp и ее плотности r_w составлены и опубликованы в [2, 5].  Там приведены также более сложные уравнения конвективных граничных условий моделей во время кондиционирования нагретых после ТО сортиментов.

Модели позволяют вычислять нестационарное распределение Т в объеме сортиментов во время их оттаивания, нагревания и последующего кондиционирования и на его основе определять количественно связанную с ним степень пластифицирования или облагораживания древесных сортиментов, а также вычислять и оптимизировать теплоэнергетические параметры сооружений для ТО.

Математические модели энергетических затрат в процессах ТО. Нами составлены и решены математические модели нестационарных расхoдов тепловой энергии, которая вводится в сооружения для ТО древесных сортиментов [2].  При помощи интегральных, дифференциальных и алгебраических уравнений математически описаны затраты энергии на:

·  нагрев подвергнутых ТО содержащих и не содержащих льда древесных сортиментов;

·  нагрев корпусов сооружений для ТО;

·  нагрев теплоизоляционных слоев сооружений для ТО;

· заполнение теплоносителем свободной (не занятой сортиментами) части рабочего объема сооружений для ТО;

· покрытие тепловой эмиссии сооружений для ТО в окружающее пространство;

· аккумулирование тепловой энергии в конденсате сооружений с прямым вводом пара, используемого в качестве теплоносителя для ТО.

Эти модели объединены с моделями оттаивания и последующего нагревания призматических и круглых сортиментов во время ТО.

При помощи явного метода конечных разностей обобщенные модели представлены в вид, удобный для программирования в вычислительной среде Visual Fortran Professional фирмы Microsoft [2, 5].   Получаемые в этой среде решения позволяют осуществлять оптимизацию энергетических и времeнных затрат для ТО, которые необходимы для достижения конкретной цели ТО – пластифицирования или облагораживания сортиментов при гарантированном соблюдении технических и качественных требований.

В результате творческого сотрудничества автора с “Дельта инструмент” ООО – София  разработаны и широко внедрены в практику несколько модификаций микропроцессорных программируемых контроллеров, которые осуществляют модельно базированное автоматическое управление [2] процессами ТО мерзлых и оттявших древесных сортиментов (рис. 1).

Рис. 1. Контроллер для вычисления и автоматического управления ТО древесных сортиментов

 

Вычисление контроллерами режимов для ТО. Составленные математические модели процессов оттаивания и нагревания призматических и круглых древесных сортиментов решены в неупрощенном виде при помощи компьютера и верифицированы многолетними экспериментальными исследованиями. Их решения используются для оптимизации технологий и для модельно базированного управления ТО сортиментов при любых встречающихся на практике комбинациях начальных и граничных условиях теплообмена.

На основе результатов оптимизационного экспериментального и симуляционного (при помощи верифицированных моделей) исследования процессов пластифицирования и облагораживания сортиментов предложены алгоритмы для вычисления при помощи программируемых контроллеров ресурсосберегающих режимов для их ТО в сооружениях, работающих как при атмосферном, так и при избыточном давлении.

По отношению к одним и тем же сортиментам контроллеры могут вычислять и осуществлять автоматическое проведение набора режимов ТО различной интенсивности. В софтуер контроллеров заложены 8 степеней интенсивности режимов. Режимы наименьшей интенсивностью обеспечивают ТО с сохранением естественной окраски древесины. При режимах большей интенсивности продолжительность ТО уменьшается, но возрастет целенаправленное изменение естественного цвета древесины.

При помощи клавиатуры и дисплеев контроллеров из их меню оператор выбирает и вводит в память породу, форму и толщину подвергнутых ТО сортиментов, а также наличие или отсутствие льда в них и желаемую степень интенсивности ТО. На основе этих данных контроллер вычисляет индивидуализированный режим ТО и визуализирует его продолжительност t_P.

Входы и выходы контроллеров

Разработанные контроллеры имеют следующие входы и выходы (рис. 2):

·  вход для подачи питающего напряжения 220V AC;

· аналоговый вход для включения термосопротивительного датчика BK для измерения температуры t_m в сооружении для ТО;

· три дискретных выхода: реле KK, KT и KA.

 

Рис. 2. Входы и выходы контроллера

 

Управление температурой t_m осуществляется при помощи реле KK. Оно предназначено включать и выключать исполнительный механизм (ИМ) в системе автоматического управления (САУ), который обеспечивает подачу теплоносителя к сооружению для ТО при понижении измеренного датчиком значения t_m по отношению к текущему режимному значению t_m. 

Реле KA используется для сигнализирования в САУ о наличии недопустимо больших (аларменных) отклонений текущего значения t_m по отношению к его моментному режимному значению. Оно включается, когда t_m выходит за заданные оператором технологически допустимые пределы и выключается при последующем вхождении t_m в эти пределы.

Реле KT используется для управления быстрым удалением конденсата из калориферов сооружения для ТО в случаях, когда ТО осуществляется в сооружениях с непрямым обогревом обрабатывающей среды. С его помощью управляется ИМ, который расположен на трубопроводе параллельно конденсатоотводчику и служит для удаления обильного конденсата из калориферов в начале ТО. Оно срабатывает и открывает этот ИМ в начале ТО, а выключается после истечения программируемого интервала времени t_Т.

Функции контролеров

В софтуер контроллеров введены следующие основные функции:

· модельно базированное вычисление параметров (продолжительности и изменяющейся во времени температуръ t_m) индивидуализированных режимов для оптимизированного оттаивания и нагревания во время ТО древесных сортиментов на основе вводимых оператором данных об их форме и толщине, древесной породе, наличии или отсутствия льда в древесине и желаемой степени интенсивности ТО;

·  автоматическое управление процесом ТО;

· автоматическое вычисление и корригирование продолжительности режимов ТО при возникновении аларменных отклонений t_m в них;

· сигнализирование о возникновении недопустимо больших отклонений t_m в режимах ТО;

· запись в собственной памяти недопустимо больших отклонений t_m в режимах ТО, время их возникновения и их продолжительности;

· визуализация на дисплеях параметров режимов ТО и самого контроллера.

Предусмотрена также RS связь контроллеров с супервайзорным компьютером.

В случае аврийного прерывания питающего напряжения во время автоматического исполнения режимов ТО, контроллер запоминает последнее вычисленное режимное значение t_m. После восстановления электопитания контроллер вводит это значение t_m в качестве режимного задания и поддерживает его неизменным в течение наверстывания паузы, во время которой питание отсутствовало. После наверстания паузы, контроллер продожает вычислять изменение t_m в соответствии с алгоритмом его софтуера. Если во время наверстывания паузы возникнет новое прерывание электропитания, его продолжительность прибавляется к ненаверстанной части паузы предыдущего прерывания.

Если во время автоматического исполнения режима ТО измеренное датчиком значение t_m оказывается ниже технологически допустимого отклонения по отношению к текущему режимному заданию (например из-за отказа соответствующего ИМ в САУ или из-за заниженных параметров тепловой энергии, поступающей в сооружение для ТО), тогда контроллер вычисляет и осуществляет автоматическую коррекцию (увеличение) продолжительности выполняемого в данный момент периода в режиме ТО.

Вычисление этой коррекционной добавки  к продолжительности режима t_P контроллер делает по следующему уравнению:

(7)

где – функционал, зависящий от древесной породы, от наличия или отсутствия льда в подвергнутых ТО сортиментах и от  предназначения сортиментов; D – толщина сортиментов, m; – вычисленное контроллером текущее режимное значение t_m, ⁰С; – измеренное датчиком контроллера текущее значение t_m, ⁰С; τ – время, s.

Визуализация параметров ТО и контроллера

Визуализация вычисляемых и измеряемых параметров режимов ТО, а также некоторых параметров самого контроллера, осуществляется на его дисплеях и при помощи светодиодов в основном и дополнительном режимах индикации.

В основном режиме индикации визуализируются следующие параметры:

· текущее измеренное значение t_m в сооружении для ТО;

· моментное вычисленное значение t_m;

· степень интенсивности выполняемого режима ТО;

· древесная порода подвергнутых ТО сортиментов;

· срабатывание реле KK контроллера (рис. 2);

· срабатывание реле KA контроллера;

· срабатывание реле KТ контроллера;

· выход моментного измеренного значения t_m за нижный или за верхний предел измерительного диапазона;

· прерывание электрической цепи термосопротивительного датчика ВK.

В дополнительном режиме индикации последовательным нажатием кнопки MODE на дисплеи контроллера визуализируются:

· текущее астрономическое время, дата и месяц;

· вычисленная контроллером продолжительность τ_p режима TO;

· температура в сооружении, с которой стартовал процесс ТО;

· истекшее время τ_c с начала режима ТО до настоящего момента;

· остающееся время до завершения режима, равное разнице τ_p – τ_c;

· толщина подвергнутых ТО сортиментов, которая введена оператором и по отношению к которой вычислен индивидуализированный режим и его продолжительность τ_p;

· продолжительность возможной паузы во время режима, в течение которой отсутствовало сетевое электропитание контроллера;

· время, остающееся до наверстания паузы после восстановления сетевого электропитания;

· продолжительность интервала, с которым согласно уравнению (7) автоматически скорректирована продолжительность режима ТО из-за возникших недопустимо больших отклонений τ_p - τ_c.

Внедрение разнообразных модификаций показанного на рис. 1 программируемого контроллера в системах модельно базированного управления процессом пропаривания (рис. 3) и проваривания древесных сортиментов различного предназначения обеспечивает достижение значительного экономического и социального эффекта, а именно:

· улучшение качества пластифицируемых и облагораживаемых сортиментов (рис. 4), что значительно повышает их рыночную цену;

· получение воспроизводимого качества продукции при ТО различных партид сортиментов;

· повышение количественного выхода продукции, получаемой из подвергнутых ТО сортиментов, в результате минимизации трещин и деформаций в них;

·  заметное, а при использовании повышенного давления обрабатывающей среды – драстичное уменьшение удельных энергетических затрат для проведения ТО;

· повышение степени интеллектуализации и облекчение труда обслуживающего персонала.

Получаемые результаты помогают устойчивому развитию соответствующих фабрик и преоолению трудностей их перехода к рыночно ориентированной экономике.

Результаты внедрения программируемых контроллеров на нескольких фабриках полностью доказали эффективность заложенных в них алгоритмов функционирования при модельно базированном управлении тепловой обработкой содержащих и не содержащих льда круглых и призматических сортиментов разных древесных пород и толщин и различного предназначения.

 

Рис. 3. Контроллер для управления автоклавом для пропаривания древесных сортиментов

 

Рис. 4. Изменение цвета ясеневой древесины после ТО

 

Доказана также высокая эксплуатационная надежность контроллеров.

Впервые по сравнению с аналогичными алгоритмами, алгоритм модельно базированного вычисления контроллерами оптимизированных ресурсосберегающих режимов ТО обеспечивает следующие преимущества:

· значения температуры обрабатывающей среды t_m и продолжительности тепловой обработки τ_p вычисляются не для определенной группы толщин сортиментов, но для конкретно заданного оператором значения (в mm) толщины подвергнутых ТО сортиментов;

· значения t_m и τ_p вычисляются не постоянными для всего режима ТО или для отдельных его этапов, а непрерывно изменяющимися во времени, что обеспечивает избежание перегрева поверхностных слоев сортиментов и равномерное пластифицрование или облагораживание древесины во всем их объеме.

Такая индивидуализация вычисляемых и автоматически реализуемых контроллером режимов ТО сообразно с конкретными параметрами сортиментов приводит к их практически бездефектому оттаиванию и нагреванию, получению воспроизводимого качества продукции, улучшению ее качественного и количественного выхода и значительному уменьшению удельных энергетических затрат.

 

Список литературы

1. Виделов Х. Сушене и топлинно обработване на дървесината. София: ЛТУ, 2003. 335 с.

2. Делийски Н. Моделиране и технологии за пропарване на дървени материали в автоклави: дисс. для д.т.н. София: ЛТУ, 2003. 358 с.

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

4. Чудинов Б. С. Теория тепловой обработки древесины: учеб. пособие. М.: Наука, 1968. 255 с.

5. Deliiski N. Transient heat conduction in capillary porous bodies, p. 149-176. In: Convection and conduction heat transfer. / Rieka, InTech Publishing House, 2011, 394 p., ISBN 978-953-307-582-2.

 

УДК 674.04