一种新型的全自动木材干燥系统
--- 甘英俊 机电院 副教授
摘要：本文论述了一种新型的全自动木材干燥智能控制系统，利用计算机取代常规木材干燥全自动控制器，具有结构简练、功能齐全、投资少、性能可靠，能对木材干燥过程中的各参数进行在线测量,并能根据所选定的工艺基准对木材干燥的全过程进行自动监测和控制。该系统适合我国国情，有利于促进我国经济发展，提高木材工业的地位。
关键字：木材干燥；控制系统；计算机；RS485通讯
木材干燥是一门综合木材学、热工学、机械与电子工程、工业仪表及自动控制等多学科的应用科学与技术，在现代信息与微电子技术推动下，其传统生产方式正发生重大变化，木材干燥的自动化控制已成为不可逆转的潮流。在我国，目前现有大量的干燥窑还处于手动、半自动控制状态，干燥效率低，能源浪费较严重。本文推出一种新型的全自动木材干燥智能控制系统，利用PC机取代常规木材干燥全自动控制器，具有提高干燥效率，节省能耗、结构简练、功能齐全、更容易实现复杂过程控制、存储木材干燥工艺不受数量限制等优点。该项目投资少、效率高、性能可靠、推广方便，可以对现有的干燥窑进行改造，适合我国国情，有利于促进我国经济发展，提高木材工业的地位，具有很大的市场前景。
1．计算机组成的木材干燥窑智能控制系统
1.1系统总体介绍
木材干燥窑智能控制系统由窑体、执行装置、检测装置、电控单元及计算机等组成。其组成示意图如图1。
由于木材干燥的特殊性，借鉴国内外木材干燥技术应用方法，该系统采用电测法测量木材含水率，采用干湿球法测量木材干燥窑内部环境温度及相对湿度，同时增加了木心温度测量仪表。环境温度、相对湿度、木材含水率、木心温度信号采用仪表采集将数据传送给计算机。计算机处理所采集数据后，向干燥窑的电控单元发出控制命令，电控单元识别并解释主机发送的命令，产生相应的控制。计算机与仪表采用RS485通讯形式相连，并采用光电隔离技术，特点是采集数据的稳定性高，抗干扰强，传输距离远（单级通讯可达1200米，并可扩展），可连接多个木材干燥窑。计算机采集数据后及时在屏幕上画出实时曲线并保存数据，并按照所设定的木材干燥工艺基准（可以是时间基准也可是含水率基准）控制温度、湿度的执行器（温度控制执行器是加热器的高温蒸汽输入电磁阀，湿度控制执行器是喷蒸阀与进排气电机）动作，从而完成控制目的。用户可以创建新的干燥工艺基准，包含有适用树种类别、适用木板厚度、初含水率、终含水率、预热类型、中期处理次数、均衡时间、终了处理强度等参数。计算机能够识别当前所处的工艺阶段，并控制干燥过程，最终达到木材干燥的目的。计算机所采集的干燥工艺数据可随时调出，以便查看、打印成工艺曲线等，方便了操作人员总结经验，制定更好的工艺基准。系统中加入了木心温度测量功能，可以近似计算被干燥木材的温度梯度，以防止升温过快，使被干燥木材产生应力、裂纹等缺陷。
1.2含水率的测量及温、湿度的控制
以含水率基准控制干燥木材是目前木材干燥的主要方式，准确测量及正确处理含水率是控制系统的关键。目前广泛采用电测法测量木材含水率，但这是一种间接测量的方法，主要影响测量精度的因素有木材种类、木材温度、木材中水份含量的多少，此外用户选择的测试点的不同、干燥过程中喷蒸处理（会使木材表面湿润）等因素也会影响测量精度。为了较全面的反应出被干燥木材的含水率，采用6个木材含水率测量点，每隔15min计算机自动巡回监测各测点的含水率读数，按各测量点读数的加权平均值作为测量结果，再考虑窑内温度的影响因素计算出最终的含水率值。从而为以含水率为基准的木材干燥工艺提供了参考基准。用这种平均算法可以去除含水率测量点的波动，较全面地反应出被干燥木材的含水率数值。实践证明此法基本可以满足以含水率为基准的木材干燥控制要求。
温度的控制由加热执行器——高温蒸气加热电磁阀——的开关来控制，由于干燥窑是典型的一阶滞后环节，采用PID算法进行控制。为防止加热电磁阀动作过于频繁，适当调整了PID参数，使之温度控制精度约为±1.5℃，每分钟电磁阀动作不超过1次。
湿度的控制采用点位控制形式。窑内相对湿度用干、湿球温度计测量，干、湿球温度差△t大，表明相对湿度低，反之，△t小，则反映相对湿度高。窑内相对湿度由进、排气执行器（电动气门）和增湿执行器（喷蒸电动阀门）共同控制；即当实测值△t大于设定值△T时，表明空气偏干，电动气门关闭，若20分钟后未能使窑内空气增湿，甚至继续变干，达到△t比△T高2℃时，则打开喷蒸电动阀门进行喷蒸增湿。当△t低于△T 时，偏湿，停止喷蒸。当△t低于△T 2℃时，较湿，打开电动气门。为防止执行器频繁动作及降低能耗（电动气门打开后将增大窑内热量向外界的扩散速度），设定气门关闭或喷蒸打开的最短时间为10分钟，气门打开的最短时间为5分钟。且喷蒸时气门一定是关闭的，而气门在开启状态时不能喷蒸。
2．系统软件组成
木材干燥窑自动控制系统的软件用VB6.0编制。软件部分主要由以下几个模块组成：数据采集模块、干燥控制模块、实时监测模块、数据保存模块、数据读取模块、数据打印模块、用户定义干燥工艺基准模块等组成。
数据采集模块通过串口实现数据的采集，控制指令的发送等功能。计算机串口发出的为RS232信号，通过RS485转换器转为RS485电平进行通讯。计算机编程时可以调用MSCOMM控件，VB6.0所带的通信控件MSCOMM易学易用。微机串行通信的基本原理在许多书中都可以找到，本文不再叙述。以图2为计算机与干燥窑温度控制仪表通讯及参数设置的界面。
干燥控制模块将采集的数据进行处理，按选定的基准控制干燥过程，并在屏幕中画出实时曲线。系统允许用户在计算机上手动控制干燥窑，用户可以进行干球温度、相对湿度、风机运转、湿度调节等操作。数据保存模块实现数据加密保存，以备查询、打印及数据分析之用，数据经加密处理，只有本系统可以打开，防止更改、删除数据。数据处理模块把保存的加密数据读入系统，可以进行有关干燥状态的分析、回放等操作。数据打印模块为系统打印曲线等功能，可以进行彩色、黑白打印，中英文方式打印等。用户定义干燥工艺基准模块指导用户自定义新的干燥工艺基准。
3．应用实例
例如某企业干燥厚度25-40mm的西南桦锯材，长度2-4m，初含水率39.2%，要求终含水率低于10%。采用系统中树种类别3、10#基准进行干燥。干燥结束后统计结果如下：预热时间4小时、干燥时间90小时、冷却时间9h（总干燥时间103小时）。图3为实际干燥过程中干球温度（环境温度）、相对湿度、木心温度、含水率变化曲线图。
干燥结果按ＧＢ6491-86《锯材干燥质量》标准进行检验:终含水率8.4%,变异系数<7%；干燥应力指标<2%；无内裂、外裂、变形、皱缩等干燥缺陷,符合一级材质量标准,合格率100%。
10#基准
|
阶段
|
含水率区间%
|
干球温度℃
|
相对湿度%
|
|
1
2
3
4
5
6
7
|
升温预热
40-35
35-30
30-25
25-20
20-15
15-10
|
52
55
70
70
73
76
76
|
80-90
85-90
80
70
65
75
55
|
4．结束语
本文推出木材干燥智能控制系统，利用计算机取代常规木材干燥全自动控制器，与常规干燥窑控制系统相比具有投资少、效率高、节省能耗、性能可靠、维护简单等特点，可以对现有的干燥窑进行改造，适合我国国情，具有着很大的推广前景。本系统主要应用于木材干燥控制、木材干燥工艺自动记录、进出口木制品热处理杀虫工艺的自动化记录等。目前该系统已成功地在南京、苏州等地试点使用，取得了较好的社会效益。
参考文献
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（通讯地址：210037，南京市龙蟠路新庄南京林业大学机械电子工程学院）