论文：智能化木材干燥窑温湿度自动测控系统的研制

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1、智能化木材干燥窑自动测控系统的研制摘要目前我国木材干燥技术虽然有一定的发展,但自动化程度较低,制约了木材 全自动化发展的形状.通过深入地分析木材干燥工艺和测控系统在木材干燥方面 的应用,把智能化自动化检测技术引入木材干燥窑的设计中,开发了木材干燥窑 自动化检测系统. 本论文中研究了如何选择温度，湿度传感器，如何测量木材含水率，平衡 含水率及温度，分析了传统木材干燥手段的误差分析，解决了木材含水率在 5%95%之间变化时对应的等效电阻变化范围太大（几百 G 欧到几 K 欧）的难题； 运用了 AT89C55 单片机进行控制，完成了智能化的要求；考虑到实际应用的需 要，利用了自校正，自校零，自校准，

2、自补偿，自诊断，噪音抑制等先进的技 术，保证系统的稳定和测量结果的正确性，所有这一切都体现了智能化检测和 控制技术发展的必然趋势。而在软件方面，则采用了 MCS51 汇编语言，该语 言虽然编程较复杂，但格式简单明了，而且规范化程度高，并且直接利用低级 语言，执行速度快，能够更深刻地了解内部运行情况，是不错的选择。关键词关键词：木材干燥，智能化，智能化检测，MCS51 语言。第一章 概论1.1 木材干燥的意义木材是一种国民经济不可或缺的资源，但其利用率确实非常低，而且由于 使用不当，可能对长久的使用不利。就如可能因为湿木材没有及时干燥，而导 致将来可能变形，抗震性变差等不利因素。而且木材干燥后，

3、使木材的优异特 征得到充分体现，对将来的再处理，如加工，使用，运输和保存都有重大的意 义，是木材加工过程不可或缺的必然工序，是保证木材质量的关键技术，是高 效利用木材的重要技术。1.2 木材干燥技术的现状和发展趋势建国以来,经过我国从事木材干燥教学、科研、生产方面的学者、工程技术 人员的努力,通过引进、消化、吸收和自行研制等各种技术手段, 使我国木材干 燥技术和干燥设备得到了迅猛发展,木材干燥设备的生产实现了专业化。一些国 产干燥设备在技术和质量上已接近国际同类产品水平,可以替代国外木材干燥设 备,而其价格则低于国外价格50 % 左右。1.2.1 我国目前木材干燥的重要方法1.2.1.1 常规

4、蒸汽干燥常规蒸汽干燥是我国目前使用最多的一种干燥方法。其主要优点是工艺成 熟,干燥容量大,干燥周期短,但它的主要缺点是热损失大,能源利用率低,多数低 于30 % 。目前,我国木材干燥约80 % 采用常规蒸汽干燥窑干燥,装载量30100m3 。五六十年代建造的长轴式和短轴式干燥窑大多采用铸铁风机,笨重而且消耗功率 大。近十几年来,研制开发了新型侧风机木材干燥窑、端风机木材干燥窑和顶风 机木材干燥窑。经过对三种窑的实测分析,顶风机的气流均匀性比端风机好,端 风机比侧风机好。耐高温、高湿防腐电机的使用,使得电机可以在窑内直联风机,提 高了传动效率和干燥窑的密闭性, 窑内直联电机省去了顶风机窑安装长轴

5、的麻 烦和侧向操作间,使它处于更为可取的地位。顶风机窑有轨道式进料和叉车进料 方式,叉车进料灵活方便,受到欢迎。蒸汽干燥窑的壳体有砖砌体、金属壳体和 砖砌铝内壁壳体。有的厂家已发展了采用不锈钢为原料的室内结构件。 1.2.1.2 炉气热风干燥炉气热风干燥是以木废料为能源,以燃烧木材废料来提供干燥热能的木材 干燥方法。它不需要蒸汽供热锅炉,因而投资少。 我国木材加工的现状是企业规模小、分布散,木材废料的集中和运输比较 困难。因此利用木材废料作为热源的炉气热风干燥在全国木材加工企业中应用 广泛,并在今后相当长的时间内将有一定的市场,对缺少蒸汽的中小型木制品厂 和处于林区腹地的小型木材深加工企业尤为

6、适用。有关专家学者对燃烧木废料 提供热能的木材干燥窑做了很多研究和改进,研制出设于窑外的高效燃烧炉,增加温湿度控制装置,采用端风机窑型和连续升温干燥基准等。国内比较典型的 炉气热风干燥窑有: 旋风燃烧法炉气直接加热木材干燥窑(顾炼百,1985 年); 炉气间接加热木材干燥窑(顾炼百, 1990 年); 双热源炉气间接加热木材干燥窑; 列管式烟气空气换热热风木材干燥窑; 木废料为燃料的热水、导热油木材干燥窑。1.2.1.3 除湿干燥除湿干燥是近十几年发展起来的一种新型干燥技术。在木材干燥行业中, 我国从1980 年引进除湿干燥机,1985 年开始研制生产,现专门生产除湿干燥机 的厂家有8 家,产

7、品有单热源和双热源式。双热源热泵除湿干燥机比普通单热 源除湿干燥机增加了热泵供热系统,在价格上相对较高。目前我国除湿干燥机 在木材干燥生产中应用尚未普及,且大多为普通单热源除湿干燥机。 木材除湿干燥与传统的蒸汽干燥方法相比,具有它特殊的干燥特点。它不 像蒸汽干燥那样,可以很快将温度升高到50 60 ,而是一个逐渐升温的过 程,因此干燥时间相对较长,干燥过程比较平稳,干燥质量较好,木材不易发生变 形、弯曲等干燥缺陷。同时,由于除湿干燥是以回收循环的湿空气在脱湿过程 中所放出的热量和吸收环境空气的热量作为干燥热源的,而不是锅炉,故对环境 无污染。为了提高干燥速度,或在木材干燥的某些阶段, 除湿系统

8、提供的热量 小于木材加热、水分蒸发、系统散热损失等能量的总和时,需给除湿干燥设备 增加一个辅助热源。辅助热源形式有电加热、木废料、废汽热源及太阳能等。1.2.1.4 太阳能干燥太阳能是一种清洁、廉价的可再生能源。利用太阳能干燥木材的研究和推 广在国内已开展多年,但目前应用的规模还很小。据不完全统计,我国用于木材干燥的太阳能集热器其采光面积不足2000m2 , 主要分布在广东、海南、云南、江西山东、安徽及北京等地, 总计年干燥能力约5000m3 ,只占全国年干燥能力的2 左右。影响太阳能推广应用的主要原因是太阳能的能流密度低,受气候、 季节影响较大,同时低成本的有效贮能问题尚未解决。因此,若将太

9、阳能作为干 燥木材的单一热源,将影响干燥的速度和生产力,常需要与蒸汽或烟气热源配合 使用,这样会造成环境污染。太阳能与除湿机相结合是一种比较理想的联合干燥 方式,先后在广州、北京、福建、江西及广西等地建成了类似的干燥室。北京林 业大学于1990 、1995 年先后研制成功了TRCW 中温型和GRCT 高温型太阳能与 热泵除湿机的联合干燥系统。1.2.1.5 真空干燥木材真空干燥的特点是干燥温度较低, 质量较好,木材不易发生变形。真空 干燥有利于木材内部水分向外移动,对于难干材可提高干燥速度。但真空干燥对 干燥室的密封性能要求高,而且对于大容积的干燥室来说需要抽真空时间较长。多年来,我国在木材真

10、空干燥方面做了许多研究与尝试。对热水加热真空干 燥、电热或蒸汽加热真空干燥、接触式真空干燥和高频真空干燥设备和工艺都 做过有益的研究和探讨,结果认为真空干燥适合小批量硬阔叶材的干燥。1.2.1.6 远红外干燥和微波干燥我国对远红外干燥和微波干燥木材也做了研究与尝试。由于远红外线以辐 射的方式进行加热,对于成堆的木材,远红外线只能辐射到材堆外围靠近辐射源 的部分木材,先由木材表层吸收变成热能,然后热量以导热的方式传入木材芯部。 同时,由材堆外围以空气对流的方式传入材堆内部。这两种热量传递方式都很慢,易 造成窑内温差大、干燥材终含水率严重不均、板材表面硬化严重;而且远红外辐 射器耗电大,离辐射器近

11、的木材温度高,易烤焦、着火。因此,第二次、第三次全 国木材干燥学术讨论会会议纪要上都明确否定了远红外干燥木材的可行性。许 多厂家的实践证明,用远红外干燥成材是行不通的。而微波干燥在成材干燥方面 还看不到工业上的应用前景。 另外,像锯末闷烟干燥窑即土窑,在少数林区少量干燥木材中仍有使用。1.2.21.2.2 我国木材干燥技术的发展方向由于规模化、专业化自身的优点,我国木材干燥生产也将逐渐朝这方面发展,干 燥技术的发展主题将是自动化程度高、过程控制精确、生产效率高、成本低、 节能、对环境无污染、干燥质量好。具体来讲有如下几个方面: 1.2.2.1 提高蒸汽干燥的能源利用率即热效率根据发达国家木材干

12、燥模式以及我国国情,在今后很长时间内,蒸汽干燥木 材仍将占我国木材干燥的主导地位。原因是其干燥技术工艺成熟,干燥过程便于 实现自动控制。如何提高蒸汽干燥的热效率有待进行多角度多方面的研究。1.2.2.2 计算机技术在木材干燥技术中的应用目前,国内木材干燥的控制大部分为手工、半手工操作方式,采用计算机控 制的木材干燥设备占有极少部分。随着计算机应用技术的不断普及,用计算机 控制生产过程已越来越引起重视。微机不论在性能上还是价格上均能取代常规 工业自动化仪表,而且对木材干燥这一特殊过程采用微机控制要比常规仪表更 方便、准确。将计算机技术应用于木材干燥过程在国内干燥技术研究中已有开 展。将被干燥的物

13、料分割为有限多个小单元,认为热风掠过单一物料单元时的 干湿球温度不变, 计算吸湿过程,取消了常规热风干燥计算所需假设排气温度 的假设值。利用热风干燥有限元计算机模拟过程,获得了精确的干燥时间、物 料终了含水率、排气温度、湿度和水分蒸发量。也可以确定干燥过程中任一时 刻的干燥情况和有关技术参数。这一计算机应木材干燥技术有着非常重大的意 义,这方面用方法很值得在木材干燥中借鉴和应用。的干燥技术研究、应用推 广有待进一步加强。随着科学技术的不断发展和新材料新技1.2.2.3 加强对节能型和环保型木材干燥技术的开发利用干燥设备的防腐性能、保温性能,延长设备的使用寿命，设备故障率，能源和环境保护是当今社

14、会普遍关注的重大问题。我国的煤、石 油和天燃气这些能源污染大,要加强对无污染可再生能源的开发利用, 如太阳能、风能、地热、生物能等。木材干燥是木制品加工过程中能 耗最大的，故需要加强对节能型和环保型木材干燥技术的开发利用。1.3 智能化检测与控制技术的发展趋势当今时代是信息化时代，各个领域常以信息的获取与利用为中心。在现代 工业生产，仪表高度自动化和信息现代化的过程中，已大量涌现出以计算机为 核心的信息处理与过程控制相结合的使用系统。伴随着这种系统的发展，一些 先进技术，如信息传感技术，数据处理技术及计算机控制技术正在飞速发展并 不断变革。综合其发展概况，主要有以下几个发展趋势。 一.综合化

15、电子测量仪器，自动化仪表，自动化检测系统，数据采集和控制系统在过 去是分属于各学科领域，并各自独自发展。由于生产自动化的需要，使它们在 发展中相互靠近，功能相互覆盖，差异缩小，体现为一种“信息流”综合管理 与控制系统（信息流可以是物理参数的过程信息流，也可以是自动化参数的信 息流）。其综合目的是为了提高人们对生产过程全面的监视，控制和管理等多 方面的能力。同时，对检测与控制技术本身提出了高技术要求，如高灵敏度， 高精度，高分辨率，高稳定性及高自动化等，这些要求提高系统的综合与设计 能力，综合利用内在规律，使系统向功能更强和更高的方向发展。二.智能化 现代检测与控制系统，或多或少地趋向于智能化这

16、个特点。所谓智能，是 指随外界条件的变化，具有确定正确行动的能力，也即具有人的思维能力及推 理并作出决策的能力。而智能化仪表或系统，可以在个别部件上，也可以是局 部或整体系统上，使之具有智能特征。例如智能化检测仪表，它能在被侧参数 变化时，自动选择测量方案，进行自校正，自补偿，自检测，自诊断，还能进 行远程设定等，以获得最佳测试系统。为了更有效地利用被测量，在检测时往 往需要附加一些分析与控制功能，如采用实时最优控制，自适应控制等功能。 有的系统则直接利用人工智能，专家系统技术设计智能控制器。它是通过对误 差及其变化率的检测，判断被测量的现状和变化趋势，根据专家系统中知识库， 决策控制模式和控制策略，进而取得优良的控制性能，解决常规控制中不易实 现的问题。三.系统化及标准化 现代检测与控制任务，更多地涉及到系统的特征。所谓系统是指若干个相 互间具有内在关联的要素构成一个整体，有它来完成规定的功能，以达到某一 特定目标。因而在系统内部，需要设立多台计算机，这些计算机往往不是互不 相干，而是要构成相互联系的整体。这就