CC BY
73
УДК 674.046
ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ФАНЕРНОГО СЫРЬЯ Е. А. Мануковский
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Технологические процессы гидротермической обработки фанерного сырья существенно влияют на качество продукции и на расход сырья. Существующие системы управления, не отличающиеся эффективностью, характеризуются отклонениями от заданных технологических режимов, что приводит к перерасходу тепловой энергии, некачественному прогреву фанерного сырья, появлению сколов и трещин в шпоне. На предприятиях фанерной промышленности РФ отсутствуют эффективные системы автоматизированного управления технологиями гидротермической обработки фанерного сырья, что негативно характеризует эти процессы по всем показателям эффективности. Используемые средства автоматизации состоят из аналоговых датчиков температур греющей воды и простейших устройств изменения подачи тепла в бассейн гидротермической обработки фанерного сырья. Без использования современных средств и систем цифровой автоматики невозможно создать эффективные системы автоматизированного управления технологическими процессами гидротермической обработки фанерного сырья. Такие системы автоматизированно-
го управления должны повышать производительность, качество прогрева фанерного сырья, снижать затраты тепла и энергии [1].
Поэтому требуется разработка и внедрение в практику математического, информационного, алгоритмического, машинного обеспечения автоматизированных систем управления технологическими процессами гидротермической обработки фанерного сырья, обеспечивающих энергосбережение и повышение производительности.
Сначала проводится системный анализ, разработка математических моделей и исследование процессов гидротермической обработки как объектов управления. Разрабатываются математические модели и информационное обеспечение процессов гидротермической обработки фанерного сырья. Это подача тепла в бассейн гидротермической обработки, потери тепла через поверхность бассейна, потери тепла через ограждение бассейна, модели прогреваемого фанерного сырья, тепловой баланс бассейна, тепловые потоки в процессе гидротермической обработки (рис. 1).
Рис. 1. Структура тепловых потоков в процессе гидротермической обработки фанерного
сырья
Разработаны модели процесса фильт- ли теплообменников, использования отра-
рования оборотной воды в бассейне, моде- ботанного агента сушки шпона (рис. 2).
Рв
\Сс | Рс | Ша | 4 | г вв
Чо
Рис. 2. Системный анализ информационных показателей бассейна гидротермической обработки фанерного сырья как объекта управления
где Сс - теплоёмкость фанерного сырья, определяемая по влажности и температуре фанерного сырья, кДж/(кг-К); ф - начальная температура фанерного сырья, определяется по температуре окружающей среды от -30°С до +10°С;
Рс - плотность фанерного сырья определяется по массе фанерного сырья, отнесённой к объёму от 500 до 900 кг/м3;
Жс - влажность фанерного сырья определяется по массе в сравнении с массой сырья того же объёма сухого
фанерного сырья от 80 до 120 %; 4 - температура грунта вокруг бассейна от гвз - температура воздуха вокруг в месте расположения бассейна, диапазон от -30°С до +20°С, возмущающие воздействие на процесс гидротермической обработки фанерного сырья;
Рв - расход пара кг/ч или греющей воды, м3/ч, измеряется датчиком расхода;
4 - температура греющей воды в бассейне, определяет регулирующее воздействие на процесс гидротерми-
I
в
в
I
ческой обработки фанерного сырья, варьируется от +35°С до +50°С; и - температура на карандаше должна быть +20°С;
тв - время прогрева от 4 до 20 часов; цс - тепло поглощаемое сырьём, кДж. Математическая модель фанерного кряжа представлена дифференциальным уравнением, характеризующим динамические и статические режимы прогрева фанерного сырья.
Т
фс
й%с , Л _ С Лв_ Чфс Сфс' йт
Т
фс
йт
Жфс йт
+ *фс _ 4
Чфс _ С
йг
фс
фс
(1)
где
йт
Тфс _ тфс ■ Сфс - постоянная времени
прогрева фанерного сырья, час; г - средняя температура сырья, °С;
- тепловой поток, поглощаемый сырьем, кДж/ч.
Математическая модель характеризует описание нагрева фанерного сырья обыкновенными дифференциальными уравнениями, что приемлемо для построения систем автоматизированного управления технологическим процессом гидротермической обработки фанерного сырья. В процессе прогрева фанерного сырья происходят потери тепловой энергии. Процессы утечки тепловой энергии через поверхность воды в бассейне имеют различную физическую природу. Потери принято подразделять на следующие составляющие: конвективные потери, потери на излучение, потери на испарение воды с
поверхности бассейна. Количество конвективного тепла, отдаваемого поверхностью воды
Чк _ак ■ Рс ■ (гпж - гс) ■ гг, кДж / ч (2) где ак - коэффициент теплообмена конвекцией, кДж/(м-ч-К); цк - количество конвективного тепла, отдаваемого поверхностью воды, кДж/ч;
^пж - температура поверхности воды в бассейне, °С;
tв - температура воды в бассейне в зоне прогрева фанерного сырья, °С; tг - температура грунта вокруг бассейна, °С;
^ - температура воздуха по мокрому термометру, °С;
tc - температура воздуха по сухому термометру, °С;
7- 2
гс - площадь поверхности сырья, м . Для лучшего понимания процесса отдачи тепловой энергии водой при конвективном теплообмене представим процесс, показанный на рис. 3.
Рис. 3. Системный анализ информационных показателей теплообмена бассейна с внешней средой через конвекцию
По математической модели (2) можно оценить количество конвективного тепла, отдаваемого поверхностью воды. Для управления процессом необходимо поддерживать температуру воды в бассейне на заданном уровне.
>
Количество тепла, отдаваемого по-
верхностью воды излучением
дл = 4,19• *„ • С0 • ^ •
Г ГГ \
пж
V100 у
где £п - приведённая степень черноты системы, равная 0,9; С0 - коэффициент лучеиспускания (излучения) абсолютно чёрного тела, равный 1,6Ы0-3 кДж/(м2^К); Тс и Тпж - абсолютные температуры поверхности жидкости и сухого термометра, К;
4 - температура земляного грунта,
°С;
V100 у
ф-4, кДж / ч
(3)
и - угловой коэффициент, который в зависит от местности по углу солнцестояния.
Рис. 4. Системный анализ информационных показателей теплообмена бассейна с внешней средой, через излучение
По математической модели (3) можно оценить количество тепла, отдаваемого поверхностью воды излучением. При управлении процессом необходимо поддерживать температуру воды в бассейне на
где 1пж - температура поверхности жид-кости,°С;
4 - температура воды в бассейне, где производится прогрев фанерного сырья, °С;
4 - температура грунта, °С; 4 - температура воздуха по мокрому термометру, °С;
4 - температура воздуха по сухому термометру, °С;
Рб - барометрическое давление
заданном уровне. По данной модели определяем потери тепла от излучения нагретой поверхности воды бассейна. Количество тепла, израсходованного испарением воды.
ди = 4,19-Жв-[597,4 - 0,57 - ]• 4, кДж / ч (4)
влажного воздуха, Па.
Рис. 5. Системный анализ информационных показателей теплообмена бассейна с внешней средой через испарение массы воды
По математической модели (4) рассчитывается количество тепла, уходящего с испарением массы воды.
Рис. 6. Системный анализ информационных показателей теплообменника рекуперации как объекта автоматизации управления
4
4
где Т" - конечная температура нагреваемого теплоносителя, т. е. оборотной воды, должна быть +35 °С до +55 °С, и Ф - количество переданного тепла от горячего теплоносителя к нагреваемому теплоносителю, Дж. Регулирующим воздействием на процесс являются Qm1 и Qm2 - расходы горячего и нагреваемого теплоносителей, кДж/ч; S - поверхность теплообмена, м2. Температуры теплоносителей измеряются термопарами, а расходы - датчиками расхода. Внешними воздействиями являются Т' - начальная температура горячего теплоносителя, °С; Т2' - начальная температура нагреваемого теплоносителя, °С.
—-—• П/Мтыш н'нный фтьтр очистки Дд
Рис. 7. Системный анализ информационных показателей промышленного фильтра очистки как объекта управления
В промышленном фильтре очистки происходит процесс фильтрования оборотной воды из бассейна от песка и примесей, которые попадают в бассейн вместе с сырьём при загрузке. Здесь регулирующими параметрами процесса являются Ж - скорость фильтрования, кг/(м2-с); Дд - объём полу-
чаемого фильтрата, м3/м2. Входным воздействием на объект являются Др - перепад давления на фильтре, Па; £ - площадь фильтрования, м2; tn - время между промывками фильтра, с. Возмущающими воздействиями на процесс являются Яфп - сопротивление фильтровальной перегородки; Иос - толщина осадка на фильтровальной перегородке, м; из этого комплекса параметров перепад давления Др измеряется датчиком давления, площадь фильтровальной поверхности определяется из характеристик фильтра.
После разработки и анализа математических моделей технологических процессов гидротермической обработки фанерного сырья необходимо провести синтез структур математического и информационного обеспечений систем автоматизированного управления процессом гидротермической обработки фанерного сырья (рис. 8, 9).
Проведя синтез структур математического и информационного обеспечений, разработать алгоритмы автоматизированного проектирования систем автоматизированного управления процессами гидротермической обработки фанерного сырья.
Рис. 8. Структура математического обеспечения автоматизированных систем гидротермической обработки фанерного сырья
Рис. 9. Алгоритм программы автоматизированного управления технологическим процессом гидротермической обработки фанерного сырья в секции бассейна
Разработанный алгоритм автоматизированного управления системой подог-
рева и очистки воды АСУТП гидротермической обработки фанерного сырья позво-
ляет эффективно управлять всеми компонентами АСУТП таких как фильтр очистки, бассейн гидротермической обработки, пластинчатый теплообменник, насос пода-
чи воды из бассейна, нагнетательный вентилятор для подачи отработанного сушильного агента в пластинчатый теплообменник; представлен на рис. 10.
Рис. 10. Алгоритм автоматизированного управления системой подогрева и очистки воды АСУТП гидротермической обработки фанерного сырья
Разработанный алгоритм управления технологическим процессом гидротермической обработки фанерного сырья дал возможность разработать программное обеспечение автоматизированного управления процессом гидротермической обработки фанерного сырья (рис. 11). Алгоритм автоматизированного определения параметров аппарата рекуперации дал возможность разра-
ботать программное обеспечение системы автоматизации подогрева воды в бассейне. Разработанный алгоритм определения параметров фильтров очистки оборотной воды для систем автоматизации гидротермической обработки фанерного сырья, дал возможность разработать программное обеспечение системы автоматизации очистки греющей воды в бассейне.
tфc - температура древесины, рфс - плотность древесины, ¥фс - объем древесины, С ^ - температура воздуха по
сухому и мокрому термометру, tо - температура ограждения бассейна, 4 - температура грунта вокруг ограждения, тв - время выдержки фанерного сырья в бассейне, 4рв - температура греющей воды, Ргрв - расход греющей воды, РеПФО - давление воды перед фильтром очистки, РсаПТО - давление сушильного агента перед пластинчатым теплообменником, РепТО - давление воды перед пластинчатым теплообменником, Qm1 - расход горячего теплоносителя (отр. суш. агент), Т1П - начальная температура горячего теплоносителя (отр. суш. агент), Т2П - температура воды взятой из бассейна, Т2к - температура воды подогретой в теплообменнике, - площадь теплообменника, Ф - количество переданной теплоты от горячего теплоносителя к нагреваемой жидкости, Q - объем фильтруемой жидкости, С - количество механических примесей в фильтруемой жидкости, а - тонкость фильтрации, Р - гидравлическое сопротивление фильтра, Т - время непрерывной работы фильтра, р - плотность фильтруемой жидкости, Ш - скорость процесса фильтрования, Бф - площадь фильтра очистки,
Бф, Ук - диаметр и объем корпуса фильтра очистки Рис. 11. Структура программного обеспечения автоматизированных систем управления гидротермической обработки фанерного сырья
Разработана схема автоматизации управления (САУ) процессом гидротермической обработки фанерного сырья, инвариантная
к изменениям температуры окружающей среды. Схема САУ процессом гидротермической обработки фанерного сырья, ин-
вариантная к изменениям температуры окружающей среды, а также снижающая инерционность бассейна гидротермической обработки в процессе регулирования, представлена на рис. 12. Для реализации простой гибкой положительной обратной связи, а также для работы корректирующего звена, эта схема автоматизации включает трубопровод подачи пара 1 с датчиками расхода и температуры, врезанный в трубопровод подачи греющей воды в бассейн гидротермической обработки фанерного сырья и датчик измерения температуры окружающей среды 20, 21. Он позволяет фиксировать изменение температуры воздуха, скорости ветра. С датчика измерения параметров окружающей среды информа-
ция поступает на промышленный микроконтроллер, где измеренное значение сравнивается с заданным значением температуры, если с помощью увеличения расхода греющей воды устранить отклонение не удается и датчик температуры окружающей среды фиксирует уменьшение температуры воздуха, что в дальнейшем ещё более увеличит отклонение фактической температуры от заданной, то контроллер осуществляет регулирование температуры греющей воды в бассейне с учётом корректирующего звена ср(Р), и в бассейн дополнительно подается пар из котельной, тем самым компенсируется отклонение.
Рис. 12. Автоматизированная система управления процессом гидротермической обработкой фанерного сырья, инвариантная к возмущающим воздействиям температуры окружающей
среды
Кроме того, промышленный микроконтроллер дополнительно к ПИД-регулированию осуществляет форсированное введение производной температуры греющей воды, то есть при использовании единичной обратной связи не обеспечивается быстродействие в компенсации ошибки, то при использовании гибкой положительной обратной связи повышается чувствительность системы, и малейшее отклонение температуры от заданной форсировано устраняется.
В качестве промышленного микроконтроллера, осуществляющего регулирование температуры и уровня греющей воды в САУ процессом гидротермической обработки фанерного сырья автором работы предлагается использовать программируемый логический контроллер производства ПО «ОВЕН» ПЛК150. Для увеличения количества вводов и выводов контроллера используются модули расширения: модуль вывода, управляющий ОВЕН МВУ8, в качестве дополнительного модуля входов используется модуль ввода аналоговый ОВЕН МВА8.
Для регулирования подачи пара и греющей воды используется автоматический запорно-регулирующий односедель-ный гидроклапан (КРЗ). В качестве измерителя температуры выберем термопреобразователь ТС 015. Для измерения расхода будем использовать преобразователь расхода вихреакустический метран-300пр. Для измерения параметров окружающей
среды таких как температура и скорость ветра, подойдет метеорологический модуль - трансмиттер WXT520 - малогабаритный легкий прибор в едином корпусе. Преобразователь избыточного давления ОВЕН ПД100ДИ используется для измерения давления воды в трубопроводах перед теплообменником, фильтром очистки, а также измерения давления отработанного сушильного агента от роликовых сушилок.
Разработана структура технического обеспечения энергосберегающих автоматизированных процессов гидротермической обработки фанерного сырья. Техническое обеспечение построено с учётом реальных технологий гидротермической обработки, с использованием математического и информационного обеспечений и направленно на встраивание технических средств автоматизации в процесс управления гидротермической обработкой фанерного сырья. Автоматизированная система управления процессом гидротермической обработки фанерного сырья представлена на рис. 12. Она содержит датчики температуры и уровня жидкости, установленные в секции; разборный пластинчатый теплообменник с исполнительным механизмом и промышленным контроллером; датчики температуры, уровня воды в бассейне; датчики температуры, давления и температуры воды в подающем трубопроводе, системе очистки и подогрева воды; дополнительный паропровод, врезанный в подающий трубопровод.
Рис. 13. Система автоматизированного управления участком гидротермической обработки фанерного сырья, использующаяся ЗАО Череповецкий ФМК
На рис. 14 показана схема автоматизации процесса гидротермической обработки фанерного сырья, инвариантная к
возмущающим воздействиям с техническими средствами автоматизации.
Рис. 14. Схема автоматизации системы управления процессами гидротермической обработки древесины с техническими средствами автоматизации
Условные обозначения на схеме. Датчики и показывающие приборы: РЕ, (2, 10, 11) - измерение давления; ТЕ, (1, 3, 4, 5) - измерение температуры;
ЬЕ, (8) - измерение уровня; WЕ, (9) - измерение массы загружаемого сырья;
FЕ, (6, 7, 17) - измерение расхода; ТЕ, (20) - измерение температуры воздуха;
МЕ, (21) - измерение влажности воздуха;
SЕ, (22) - измерение скорости ветра; Исполнительная аппаратура: 12, 13, 14, 15, 16 - исполнительные механизмы. Контуры измерения и регулирования: Контур 1 (4, 5, 13) ТЕ, N8 - приборы измерения температуры воды в бассейне и регулирования подачи нагретой воды в бассейн гидротермической обработки.
Контур 2 (8, 15, 16) ЬЕ, N8 - приборы контроля уровня воды в бассейне;
Контур 3 (10, 14, 11, 3) - приборы контроля циркуляции воды в системе бассейн-теплообменник-бассейн.
Контур 4 (1, 2, 6, 12) - приборы контроля циркуляции отработанного сушильного агента из роликовых сушилок через теплообменник;
Контур 5 (17, 19, 18) - приборы контроля подачи пара из дополнительного трубопровода в бассейн гидротермической обработки;
Контур 6 (20, 21, 22) - прибор измерения температуры, влажности воздуха и скорости ветра.
Разработанная структура технического обеспечения энергосберегающих автоматизированных процессов гидротермической обработки фанерного сырья представлена на рис. 15.
Все вышеперечисленные средства автоматизации устанавливаются и монтируются на технологическое оборудование и взаимодействуют между собой следующим образом.
Датчик температуры, термометр сопротивления 5 вмонтирован в ограждение, в специальную защитную трубу. Термометр сопротивления отслеживает изменение температуры бассейна и подает сигнал на модуль ввода МВА8 и потом через интерфейс Я8 485 на технологический контроллер ОВЕН ПЛК 150. Затем сигнал поступает в АРМ, где отображаются и регистрируются все изменения технологических параметров. Если температура находится не в заданных пределах для данного режима, то формируется управляющее воздействие через интерфейс и модуль вывода МВУ8 на исполнительный механизм 13 с помощью которого регулируется подача горячей воды, а, следовательно, и температура бассейна. В секции бассейна установлен датчик уровня 9, который измеряет и подаёт в контроллер сигнал об уровне воды в бассейне, а далее поступает управляющий сигнал на исполнительные механизмы 15, 16, где происходит либо слив, либо долив воды - в зависимости от ее уровня.
Рис. 15. Структура средств технического обеспечения автоматизированных систем управления процессами гидротермической обработки фанерного сырья
Горячая вода, поступающая в секции бассейна, передавая тепло фанерным кряжам, остывает, а также загрязняется минеральными и древесноволокнистыми частицами. Для очистки воды предназначена система циркуляции и фильтрации бассейна. Так, с термометра сопротивления 5 сигнал об изменении температуры подает-
ся в технологический контроллер ОВЕН ПЛК 150 через модуль ввода, после сигнал поступает на электродвигатель шнекового насоса 14, который перекачивает воду из бассейна в теплообменник для ее подогрева отработанным сушильным агентом из роликовых сушилок. Тем самым автоматически реализуется и контролируется
требуемый режим проварки сырья. Если возмущающим воздействием внешних факторов (температура и скорость ветра) нарушается режим гидротермической обработки и происходит отклонение температуры в бассейне от заданного значения, то по команде контроллера открывается вентиль 18, из паропровода пар поступает в бассейн, приводя температуру на заданный уровень, тем самым устраняя отклонение от режима. Перед теплообменником установлен акустический промышленный фильтр тонкой очистки типа Ф...А. Датчики избыточного давления, ОВЕН ПД100ДИ (10, 11), используются для измерения давления воды перед фильтром и теплообменником [2].
Программное обеспечение, разработанное на основе использования математического обеспечения процессов гидротермической обработки фанерного сырья, позволяет эффективно управлять процессом гидротермической обработки древе-
сины, подобранный комплекс технических средств автоматизированных систем позволяет поддерживать параметры режимов гидротермической обработки на заданном уровне.
Библиографический список
1. Кирилов М.Г. Технология фанерного производства / М., 1995. 312 с.
2. Данилов А.Д. Технические средства автоматизации / Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». Воронеж, 2007. 340 с.
3. Мануковский Е.А. Разработка математического, информационного, технического обеспечения автоматизированной системы проварки фанерного сырья // Вестник Воронежского государственного технического университета: сборник научных трудов / ВГТУ. Воронеж, 2010. т. 6. №12. С. 63-69.
