《blm1型木材干燥自动控制系统的研制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《blm1型木材干燥自动控制系统的研制（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、B L M - - 1 型木材干燥自动控制系统的研制 王幕林商建民张受光王天龙 ( 1 0 0 0 8 3 ，北京林业大学木材干燥中心) 摘妥本文介绍了北京棒业大学研究开发的新一代的木材干燥计算机自动控制系 统，熏点解决了木材含水率检测的准确性的问题，在用古水率梯度控制木材干燥过 程的技术上做了突破性的尝试，开发了具有专家对话功能的智能化的控翻系统软件。 关键词：术材干燥自动控制含水率梯度 面对木材资源严重短缺的情况，保证干燥质量，降低能耗，缩短干燥闽期，增 加优质干燥材数量是时代进步对术材干燥技术发展的要求。同时对木材干燥过程 的控制也提出了更高的要求。而我国大多数木材干燥窑都依赖操作人员按
2、照工艺参 数凭经验来控制，进口设备或少数图产设备的自动控制也大多属于人为设定参数的 半自动控制干燥参数的在线测量和调节技术也有待于发展。因此，研究经济实用 的木材干燥过程的全自动控制系统具有迫切和切实的意义。本论文避将计算机应用 于控制过程的一个尝试。 1 系统控制方案的确定 1 1 控制系统原理 木材干燥室主要由干燥室壳体、通风系统、加热系统、调湿系统、干燥介质检 测系统和调节控制系统等几部分组成。术材干燥过程是一个变王况、多参数、难于 控制的复杂的热工过程， 在木材干燥过程中需要检 测的参数主要有术材的实 时含水率和台水率梯度， 窑内介质的温度、湿度和 平衡含水率等需监控的 设备有风机、喷
3、蒸阀、加 热阀、和进摊气换气橱门 等。 圈l 术材干燥系统原理框圈 1 2 系统的硬件构成 1 2 1 主控计算机 与单片机、可编程控制器等相比，工控机在计算速度、存储空闻、通讯能力、 稳定性和抗千扰能力以及可采集和控制的参量数目荨方面都要远远优于由单片机等 2 0 7 构成的系统。因此，本系统采用工业控制计算机( 工业P C ) 来作为系统的控制核心。 本系统硬件结构是按照“传感器一计算机”的思想设计的。即把检测系统的相 关电路集中在一块可以插入计算机主板的插件槽的P c 卡上，( 称为信号调理卡) ， 传感器的信号输入到信号调理电路板。信号调理卡再通过接插件把调理后的检测信 号输送到数据采
4、集卡的I O 口。 在数据采集上，系统采用台湾研华生产的P C L - - 8 1 8 L 多功能数据采集卡。它 具有1 2 位1 6 ，8 通道A D 转换和D A 转换、数字信号输入和输出，计时器计数器 等功能，在分辨率、转换精度、转换速率等方面都符台系统采样的要求。系统采样 采用巡检的方式，检测的信号主要有温度、平衡含水率、本材实时含水率和含水率 梯度等。 I 2 2 温度涌重 本系统采用分度号为P t l 0 0 的铂电阻温度敏感元件作为测温传感器。P t l 0 0 适用 于常压下长期测量一2 0 0 + 8 5 0 C 范围内的温度，在O 1 0 0 C 的温度范围内，其对应 的电
5、阻值随温度星线性关系变化，且误差仅为O 2 C 而常撬蒸汽干燥窑窑内湿空气 温度一般在2 0 C 8 0 之闻变化故测量精度足可以满足耍求。铂电阻具有响应快、 精度高、稳定性好、防酸、防碱、耐腐蚀等优点，特j j | 适合于术材干燥过程的温度 测量。系统的温度检测范围丸0 1 0 0 ( 2 ，要求测量精度0 1 ，输出O 1 0 v 标准电 压讯号。测量2 点温度值。 1 2 3 木材含水牢测量 用电测法测量木材实时含水率，探针自制，可测量干燥窑内6 点含水率值。为 了测量木材内部的含水率梯度，每个测点处设3 4 组传感器，它们之间的距离为 5 m m ，测量精度l 。2 4 点含水率进行巡
6、回检测。 1 2 4 平衡含水率铡量 用纸浆板作为吸湿材料对平衡含水率进行测量测量精度1 。窑内布置2 个探 测点。 1 2 5 喷蒸阀 使用电磁阀控制。根据指令执行开、闭两个动作。 I 2 6 加热阀 使用电动阀门，阀门开度可根据被调量与基准的差值大小由计算机进行调节。 I 2 7 进、捧气阔 进、排气阀使用角执行器来控制，根据指令执行开、闭动作，由两个危执行器 分别控制进气和捧气两组阀门，根据风机的转向来确定两组阀门的开闭状态，以正 确地控制进排气过程。 1 2 8 风机 要求可以接受计算机的指令开启或停转，并实行自动换向。 2 摄度的捡蔫与控制 2 0 8 2 1 测温放大电路 考虑到P
7、 t l 0 0 在0 1 0 0 的温度范围内的电阻一温度特性的线性度比较好，因 此，电阻电压转换电路采用简单的线性放大电路。电阻电压转换的数学模型为： 铲飞妻 式( 1 ) 中：R x 为测量电阻P t l 0 0 ：R s 为基准电阻，R s = 2 0 0 0 ；U R = - - 2 V 。 由于P t l 0 0 的电阻值在1 0 0 1 3 8 5 Q 2 _ N 变化，因此输出电压U o 在1 1 3 8 5 V 2 N 变化。再经一级比例放大( 放大倍数为5 ) ，输出电压的值为1 6 9 V 。 2 2 温度控制 在干燥工艺中，调温过程的控制与平衡含水率的控制相互独立，这是
8、目前干燥 控制的主流形式。介质的温度主要根据木材的含水率变化通过加热器蒸汽阀门的启 闭来控制：在干燥基准袭里设定了木材某一含水率阶段所对应的温度值与其上下限 值，当介质的温度下降至它与下偏差的差值达到程序设定的启动温度值时，系统即 开启加热阀门并计算温度下降的速度根据速度值决定阀门的开度一般温度差 值仍将减小，这是由空气温度的滞后效应决定的。随后，温度将上升如果上升的 太快就减小阀门开度。当温度上升到接近上偏差值时，则关闭加热阀，使介质温度 保持在设定值附近。如果温度超过上偏差很高时，则打开进排气阀门，从室外引入 新鲜的冷空气以降低温度当温度开始下降、达到设定值时关闭进排气阀门。 3 平衡含水
9、率的检测与控制 3 1 平衡含水率的检测与转换电路 许多进口术材干燥设备采用测量平衡含水率的方法进行控制介质相对湿度。由 于该方法所使用的试样尺寸很小，又很薄，而且具有与本材相同的吸放湿性能，所 以它很快就能达到干燥室温湿度下的平衡含水率，当干燥室里空气湿度发生变化时， 它的含水率髓之发生相应的变化，从而反映干燥室中介质的湿度条件。在实际测量 中，用电阻法或电容法来测量试样含水率值。 本系统是利用纸浆板试片的吸放湿特性来测置介质平衡含水率的。它是将尺寸 规格为3 5 2 5 l m m 的纸浆板试片夹持在距离为2 5 r a m 的两个电极之间通过测量 两电极之间的电阻值来反映纸片含湿量的变化
10、的。 考虑到试片在加电时会产生极化现象，因此，电路采用非稳态自激多谐振荡器 电路，经过变压器输出，后接一电压跟随器。其输入输出关系为： 1 0 0 “。2 R , + 1 0 0 “ ( 2 ) 式( 2 ) 中：R x 为被测试片的电阻，从1 1 0 端输出o I O V 的电压信号接入数据采 集电路。测量的结果的标定采用查袭法。 3 2 对平衡含水率的控制 在本系统中根据木材的含水率梯度来控制介质的平衡含水率。在系统程序里， 设定了含水率梯度的上下限值，这两个值是根据被干材的临界含水率梯度来设定的， 都低于l 临界含水率梯度值，低的程度根据木材干燥的难易程度来确定。 具体调节手段为，当含水
11、率梯度接近其上限值时即打开喷蒸阉，对木材进行 喷蒸处理；在正常干燥过程中则关闭喷蒸阀，尽量用术材本身蒸发出来的蒸汽来增 湿：当含水率梯度达到下限值时，系统则开启进排气口进行排潮以降低湿度。 4 对风机的控制 系统对风机的控制主要是启停风机和定时换向。由于干燥室内风机的数量较多， 8 台风机同时启动必然给电源带来很大的冲击，因此采用顺序沿时启动的方式( 沿 时时间为3 0 s ) 和2 h 周期自动换向控制。 5 含水率的测量 木材含水率在s 到纤维饱和点之间时电阻率的对数与含水率的对数之闻呈 线性关系；而在纤维饱和点以上时含水率则与电阻率的对数呈一定的线性关系。 术材含水率的电测法，就是应用本
12、材的这一电学性质，利用测量干燥过程中本材电 阻值的方法来在线检测木材的含水率变化。含水率的测试范阚在8 8 0 ，对应 电阻值变化范围为1 4 0 0 M o 几百k Q 。经高输入阻抗、离共模抑制比( C M R R ) 的输入电阻自举扩展反比例运算放大电路放大后，再进入对数放大电路，转换为O 5 V 的电压值，经A D 转换输入计算机。 木材含水率测量电 路如图2 所示。本电路 的特点是使用了对数放 大器做为电阻电压的转 换模块。由于放大电路 要求具有很高的输人阻 抗，因此本电路采用了 由运放Z l 和Z 2 组成的 输入电阻自举扩展反比 例运算电路做为其输入 放大模块，对数放大模 块D
13、S 用以对输入的信 圈2 木材含水率测量电路 2 1 0 号进行求对数运算。 电路的数学模型为： V H = 一K 1 9 1 0 R i 。+ B ( 3 ) 式( 3 ) 中常数项B 的大小可通过调整R l ，R 2 的值而发生改变。通过改变 常数项B 的值可对电路做温度补偿和材种补偿。 现在国内生产的木材浏湿仪的输入级大多采用离输入阻抗的分立元件，如场效 应管等。由于分立元件离散性大、元件互换性较差、静电防护能力弱、温度系数大， 因此，其测量的准确性大大降低。而由分立元件组成的对数放大器虽然形式很多， 但它们最大的问题是P N 结的热敏性会使电路的输出随温度的变化而变化，尽管这 一缺陷可
14、采用温度补偿的方法予以改善，但实现起来非常麻烦，且不能保证其准确 性。而选用对数模块作为转换元件，大大地改善了这种情况，只要不把K 值垃定为 远远大于2 那么模块的温漂是有保证的。前置放火器采用离阻抗输入电路，用对 数模块替代分立元件，电路工作稳定、重复性好，在互换性及温度漂移方面也要优 于分立元件，特别是静电防护能力有很大提高 6 含水率梯度的测量 木材从开始干燥起，沿着它的厚度方向各层之间会出现含水率的差别，即古水 率梯度。正是由于术材中存在着含水率梯度，才产生水分从中心向表层的运动；但 也正是由于木材中存在着含水率梯度，才导致术材内外层收缩的不一致，从而产生 木材干燥时的干燥应力。木材的
15、含水率梯度越大，内外层收缩的不一致就越严重， 从而产生越大的干燥应力，木材产生干燥缺陷的可能性就越大。因此，控制术材干 燥时的含水率梯度对于控制干燥质量是具有非常的意义的。对干燥过程的控制实际 上是寻找一个合理的含水率梯度值，使得被干材既不致产生应力破坏，又能够最快 速地降低到要求的使用含水率点。这个含水率梯度值称为临界含水率梯度值。 木材临界含水率梯度的测定采用分层切片法，取木材发生开裂之前最外层与次 外层的含水率值的来计算临界含水率梯度值。 采用临界含水率梯度控制法最大的好处就是可以实时而准确地对干燥过程进行 调湿处理和其他的中间处理，当含水率梯度接近或达到临界禽水率梯度时系统会 自动开启
16、调湿系统，而不是靠经验来决定何时开始和停止调湿。这种方法的实质是 控制干燥介质的湿度( 平衡含水率) ，使木材内外层的含水率梯度不超过基准规定的 临界值即可。这种控制法的关键是 能够实时地检测到干燥时木材内部 的含水率梯度值。 为此，对含水率探针做了如下 改造，如图3 所示，在探针的测量 部分设置了3 4 组电极，电极之间 的距离为5 r a m ，在探钟表面标有刻 图3 术村含水率梯度测量探针 2 1 1 度值。这样，当探针插入木材时，就可以比较准确地控制电极在木材中的插入深度， 可以检测到木材内部不同深度上的含水率值并以此来计算被千材的实时含水率梯 度值。 一般来说，应该将电极置于木材的最外屡、次外层及中心层附近。这样，系统 就可以检测到这三层的含水率值，输入到计算机里，经过计算机的数据处理和计算， 便可以得到被千材的实时含水率梯度值。该值与事先测定好的存
