FI89744B - Styrsystem foer virkestork - Google Patents

Description

8 9 7 4 4

Puutavarakuivaamon ohj ausj är j estelmä Styrsystem för virkestork 5

Keksinnön kohteena on menetelmä puutavarakuivaamon, etenkin kamari -kuivaamon, toiminnan ohjaamiseksi, jossa menetelmässä ohjataan kuivattavan puutavaraerän läpi menevän ilman lämpötilaa ja kosteutta kuivaus-10 prosessin edistyessä, ja jossa menetelmässä kuivausprosessia säädetään takaisinkytketyllä järjestelmällä, jolla kuivausprosessille annetaan uusia asetusarvoja jatkuvasti tai sopivin väliajoin, ja johon järjestelmään johdetaan mittaustietoja, joiden perusteella järjestelmää adaptoidaan kuivausprosessin tilaa vastaavaksi.

15

Ennestään tunnetusti puutavaraa yleensä kuivataan kanavakuivaarnoissa tai kamarikuivaamoissa käyttäen hyväksi lämpötilaltaan ja kosteudeltaan säädettyä kiertoilmaa. Jotta saataisiin aikaan tasa- ja hyvälaatuista puutavaraa, on kuivausprosessia ohjattava hyvin tarkasti. Eräänä kriit-20 tisenä tekijänä puutavaran kuivauksessa on siihen kuivausjännitysten vuoksi syntyvät halkeamat. Esillä oleva keksintö liittyy lähinnä kamari kuivaamoihin, joihin tuodaan tietyn suuruinen erä välirimoitettuja puutavarapaketteja, jotka pysyvät paikallaan kuivaamokamarissa koko ;·. kuivauksen ajan, minkä jälkeen koko kuivaamopanos poistetaan yhtenä 25 eränä kuivaamokamarista ja tilalle tuodaan uusi kuivauspanos.

Ennestään tunnetusti kamarikuivaamossa ohjataan kuivausilman kuivalämpötilaa ja suhteellista kosteutta tai vaihtoehtoisesti märkälämpötilaa ajan funktiona. Kuivausprosessia ohjaava kuivauskaava on tehty eri 30 puulajeille ja dimensioille joko empiirisesti tai laskennallista mallia hyväksikäyttäen. Tämä kuivauskaava, joka sisältää kuivausilman em.

‘ .* " parametrien astusarvot tietyissä aikapisteissä, syötetään sen jälkeen kuivaamon ohjauslogiikkaan, johon ei tunnetuissa ohjausjärjestelmissä ole takaisinkytkentää kuivausprosessista.

Eräissä ennestään tunnetuissa ohjausjärjestelmissä kuivauskaavat ovat ennalta kerätty kaavarekisteriin, josta oikean kuivauskaavan haku tapahtuu automaattisesti jonkin valintaparametrin kuten kuivattavan puu- : 35 2 o Γ·? - , J / 4 tavaran dimension tai puulajin mukaan. Tunnettuja ovat myös ohjausjärjestelmät, joissa käytetään suoraan kaavantekomallia (esim. Malmqvist-malli), jolloin automatiikalle syötetään ainoastaan lähtötiedot kuten dimensio, puulaji, lähtökosteus, tms. Kaikille näille tunnetuille ta-5 voille yhteistä on "sokean säädön"-periaate eli, ettei prosessista ole takaisinkytkentää, jonka avulla voitaisiin seurata kuivauskaavan toteutumista ja sen vaikutusta kuivaustulokseen.

Ennestään tunnetuissa ohjausjärjestelmissä on ollut useita epäkohtia, 10 jotka ovat antaneet aiheen esillä olevaan keksintöön. Kuivattava puutavara ja kuivausprosessin olosuhteet vaihtelevat laajoissa rajoissa. Näitä vaihteluita ennestään tunnetuissa ohjausjärjestelmissä ei ole voitu riittävästi ottaa huomioon. Esim. talvi/kesäolosuhteet vaativat puutavarakuormien eripituisia esilämmitysvaiheita, joissa puutavara jo 15 jossain määrin kuivuu, mitä tunnetuilla järjestelmillä ei ole voitu ottaa huomioon. Prosessihäiriöt esim. kiertoveden lämpötilan vaihtelut vaikuttavat kuivausprosessiin siten, etteivät tunnetut ohjausjärjestelmät pysty näihin vaihteluihin asianmukaisesti reagoimaan. Lisäksi ennestään tunnetuilla ohjausjärjestelmillä ei ole voitu säätää prosessia 20 kuivattavaksi tulevan puutavaran laadun esim. kosteuden perusteella eikä arvioida kuivatun puutavaran loppukosteutta ja lopullista kuivaus-aikaa.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on kehittää edelleen ennestään 25 tunnettujen puutavarakuivaamojen, etenkin kamarikuivaamojen ohjausjärjestelmiä niin, että edellä kosketellut epäkohdat pääasiallisesti vältetään .

Edellä esitettyihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi 30 keksinnölle on tunnusomaista se, että menetelmässä käytetään kuivaus-kaavasimulaattoria, johon tallennettuun kuivausprosessimalliin jätetään tietty tai tietyt parametrit muuttujiksi, joka/jotka adaptoidaan oikeaan suuntaan prosessista saatujen mittaustietojen perusteella, että menetelmässä mainittuna prosessimallina käytetään kosteudensiirto-puun-35 kuivausjännitys-simulointimallia, jolla laskennallisesti arvioidaan puutavaran halkeiluriskiä kuivauksen eri vaiheissa ja että ohjausjär- 4 y i '·. l\ - talvi/kesäolosuhteet vaativat erilaisia esilämmitysaikoja kuivauksen käynnistymisessä, jossa esivaiheessa tapahtuu kuivumista, jota aikaisemmat ohjaustavat eivät huomioi. Keksinnön mukainen järjestelmä valvoo koko ajan laskennallisesti tilannetta ja huomioi esilämmityksen vaiku- 5 tuksen automaattisesti, - prosessihäiriöiden (esim. kiertoveden lämpötilan putoaminen) vaikutus pienenee, malli pystyy tekemään puun laadun kannalta oikeat säätöliik-keet lämpötilatasosta riippumatta. Jos häiriö on sitä luokkaa, että 10 säätöjärjestelmä ei pysty prosessia säätämään, malli arvioi puutavaralle aiheutuneen vahingon ja jatkaa kuivausta tällä uudella halkeamakri-teerillä, - adaptiivinen säätö korjaa puutavaran epähomogeenisuudesta riippuvia 15 vaihteluja, - kuivauskaavoja ei tarvita, koska kuivauskaava adaptoituu joka kuivauksessa erikseen optimaaliseksi, 20 - puutavaran laatu voidaan valita ennen kuivausta, - malli arvioi puutavaran loppukosteuden ja lopullisen kuivausajan.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla 25 oheisen piirustuksen kuvioissa esitettyihin keksinnön eräisiin sovel-lusesimerkkeihin, joiden yksityiskohtiin keksintöä ei ole mitenkään ahtaasti rajoitettu.

Kuvio 1 esittää pystypoikkileikkausta eräästä ennestään tunnetusta 30 kamarikuivaamosta, jonka yhteydessä on sovellettavissa keksinnön mukainen ohjausjärjestelmä.

Kuvio 2 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaista kuivaamon ohjausjärjestelmää .

35 <, Γ Γ-» f f " y i ‘i 3 jestelmään syötetään panoksen kuivatuksen alussa suurin sallittu hal-keiluriski eli tavoiteltu halkeamaprosentti.

Keksinnön mukaisen kuivaavan ohjauksen perustana on kosteudensiirto-5 kuivausjännitys-simulointimallin suora kytkentä kuivaamon ohjausjärjestelmään. Keksinnön simulointimallilla voidaan laskennallisesti arvioida puutavaran kuivumista ja puutavaran halkeiluriskiä kuivauksen eri vaiheissa. Kuivaamon ohjausjärjestelmälle syötetään halkeiluriski eli tavoiteltu halkeamaprosentti, lähtökosteus, dimensio ja puulaji. Näiden 10 perusteella kuivausprosessimalli simuloi prosessin asetusarvot ensimmäisessä aikapisteessä. Prosessimallille syötetään sen jälkeen toteutuneet prosessiarvot, joiden perusteella asetusarvot seuraavassa aikapisteessä lasketaan. Keksinnön prosessimalli käyttää siten aina edellisten aikapisteiden toteutuneita prosessiarvoja tehdessään päätöksiä 15 tulevista asetusarvoista. Tällä tavalla kuivausta säädetään takaisinkytkennän perusteella halkeilun kannalta aina edullisimmalla tavalla prosessihäiriöistä riippumatta, mitä periaatetta voidaan kutsua adaptiiviseksi on-line-ohjaukseksi.

20 Adaptiivinen ohjaus tarkoittaa keksinnössä sitä, että mallin simuloin- tituloksena laskettuun keskikosteuteen vaikutetaan käyttämällä hyväksi mitattua puun keskikosteutta. Jos simulointitulos poikkeaa mitatusta tuloksesta eli kuivattava puutavara on erilaista kuin oletettu esim. sydän/pintapuun suhde, korjataan mallin sisäisiä parametrejä sillä 25 tavalla, että malli antaa saman tuloksen kuin mittalaite. Tällä tavalla tulee otetuksi huomioon puun epähomogeenisuus sekä kompensoiduksi käynnistysvaiheessa väärin mitattuja tai arvioituja lähtöarvoja lähinnä koskien puun tiheyttä ja alkukosteutta. Adaptiivisuus kytkettynä : on-line-tekniikkaan antaa tuloksena "älykkään" kuivaamoautomatiikan, 30 jossa kuivauskaava muovautuu yksilöllisesti jokaiselle kuivaamoerälle ; kuivattava puutavara ja käyttäjän asettamat laatuvaatimukset huomioon- ottaen.

Keksinnöllä saavutetaan useita käytännössä tärkeitä etuja: 35 5 O o 7 ,/ ;

Kuviot 3 ja 4 esittävät graafisesti keksinnössä sovellettavan simuloinnin laskentaesimerkkiä.

Kuviossa 1 on esitetty kamarikuivaamo 10, johon kuivattavat puutavara-5 paketit Ki.K2.K3 tuodaan yhtenä eränä kuivaamovaunuilla kiskoja pitkin etuovesta 11 kautta, jonka kautta myös koko kuivattu panos yhtenä eränä siirretään pois. Kamarikuivaamon puutavarapakettien Ki.K2.K3 yläpuolella on vaakaseinämä 13, joka rajoittaa yhdessä kuivaamon välikaton 17 kanssa ilmakanavan 14. Tähän ilmakanavaan 14 on sovitettu moottorin 15a 10 käyttämä puhallin 15 ja lämmityspatteri 16, johon tuodaan lämmitysväli-ainetta putkien 16a kautta. Lisäksi ilmakanavaan 14 on yhdistetty ilman poistoputki 19, jossa on säätöpelti 19a sekä ilman tuloputki 20, jossa on säätöpelti 20a. Putket 19 ja 20 avautuvat ulkoilmaan kuivaamon 19 vesikaton 18 päällä. Ilman tuloputken 20 alaosan yhteydessä on vesi-15 suihkulaitteet 21, joilla tuloilmavirtausta Fln voidaan kostuttaa vesisuihkuin S, joihin vettä tuodaan putkien 21a kautta.

Ilmakanavan 14 sekä etu- että takaosassa on mittausanturit 22a,22b, joilla kiertoilman F1-F3 kuivalämpötilaa TK, märkälämpötilaa TM ja puu-20 tavaran kosteutta u voidaan mitata. Puutavaran kosteutta u voidaan mitata sinänsä tunnetusti esim. punnitsemalla, kapasitiivisella tai resistiivisellä mittauksella. Puhaltimen 15 kierrättämänä kuivatusilma virtaa nuolen Fj suunnassa kuivaamokamarin tilaan 14b, josta ilma kulkee : nuolen F2 suunnassa välirimoitettujen puutavarapakettien Ki.K2.K3 läpi 25 oven 11 etupuolella olevaan tilaan 14a ja siitä edelleen nuolen F3 suun nassa puhaltimen 15 imupuolelle. Ilmakanavien 19,20 säätöpeltejä 19a,20a säätämällä voidaan kiertoilman Fi.F2.F3 kosteussisältöä hallita. Patterilla 16 hallitaan kiertoilman lämpötilaa. Ilmakanavien 19,20 . . säätöpelleissä 19a,20a on toimilaitteet 19b,20b kuten säätömoottorit, 30 joilla ilmavirtauksia Fin ja Fout hallitaan. Vastaavasti patterin 16 kol-mitieventtiilin säätömoottorilla 16b hallitaan kiertoilman lämpötilaa "" ja säätömoottorilla 21b kostutusveden suikutusta S. Puhaltimen 15 moot- : torin 15a pyörimissuuntaa vaihdetaan sopivin väliajoin niin, että ilman kiertosuunta Fj.F2.F3 puutavarapakettien Kj.K2.K3 läpi vaihtuu sopivin 35 aikavälein tasaisen kuivatuksen aikaansaamiseksi.

6 R 9 7 ^ -1

Edellä selostettu kamarikuivaamo on pääasiallisesti ennestään tunnettu ja se on tässä yhteydessä selostettu vain keksinnön mukaisen ohjausjärjestelmän erääksi sovellusympäristöksi.

5 Kuviossa 2 on esitetty keksinnön mukaisen adaptiivisen on-line-ohjausjärjestelmän eräs toteutusesimerkki. Järjestelmä käsittää logiikkayksi-kön 21, käyttöliittymän 22 ja kuivauskaavasimulaattorin 23. Kuivauskaa-vasimulaattori 23 sisältää kosteudensiirto-kuivausjännitys-simulointi-mallin.

10

Keksinnössä sovellettava kuivatusprosessin malli on tallennettuna kaa-vasimulaattorille 23. Mainittu malli on luotu kuivatusprosessin koeajojen ja mittausten sekä kuivatusteorian perusteella ottaen lähtökohdaksi puun halkeamisriskin. Keksinnön mukainen prosessimalli on epätarkkuuk-15 sien minimoimiseksi järjestetty adaptoituvaksi siten, että prosessimalliin on tietty tai tietyt parametrit jätetty avoimiksi muuttujiksi, joka/jotka adaptoidaan oikeaan suuntaan kuivausprosessista saatujen mittaustietojen m perusteella siten, että prosessimalli antaa tulokseksi mitatuille parametreille mittaustuloksia vastaavat arvot.

20

Kaavasimulaattorista 23 saadaan signaalina s ohjausjärjestelmän ase-tusarvot kuten kiertoilman F1-F3 suhteellisen kosteuden Rh-asetusarvot sekä kiertoilman kuivalämpötilan TK-asetusarvot. Näyttöpäätteellä varustetulta käyttöliittymältä 22 syötetään (signaali a) kaavasimulaatto-25 riin 23 lähtöarvot kuten kuivattavan erän puulaji, dimensio, alkukos-teus, tiheys ja käytettävän kuivausilman nopeus sekä puun suurin sallittu jännitystaso. Käyttöliittymä 22 saa logiikkaosalta 21 (signaali b) erilaisia näytettäviä tietoja kuten tietoja prosessin tilasta ja arvioidusta kuivausajasta.

30

Kuivaamolta 10 syötetään logiikkaosaan 21 mittaustietoja kuten kiertoilman FrF3 suhteellinen kosteus Rh, kiertoilman lämpötila TK ja puutavaran kosteus u, mitä kuvaa mittaussignaali m. Lisäksi kuivaamolle 10 syötetään logiikasta 21 kaavasimulaattorilta 23 saatuja asetusarvoja, 35 mitä kuvaa signaali c. Mittaustiedot saadaan antureilta 22a ja 22b.

Logiikkaosassa 21 muodostetaan takaisinkytkettyjen em. mittaustietojen 7

8 9 7'-! A

m ja asetusarvojen s erotusta kuvaavat m-e signaalit joiden perusteella muodostetaan säätösignaalit c, joilla ohjataan säätöpeltien 19a,20a säätömoottoreita 19b,20b, lämmityspatterin 16 venttiilin toimimoottoria 16b ja/tai vesisuihkutuslaitteiden 21 venttiilin toimimoottoria 21a ja 5 mahdollisesti myös puhaltimen 15 moottorin 15a pyörimissuuntaa ja/tai nopeutta.

Seuraavassa esitetään eräs edellä selostetulla ohjausjärjestelmällä toteutettu simulointiesimerkki, 10

Simulointimallin tarvitsemat lähtöarvot, joilla puun kuivumista laskennallisesti arvioidaan, ovat seuraavat: puulaj i: mänty 15 dimensio: 75 x 150 mm alkukosteus: 60 % tiheys: 460 kg/m3 ilman nopeus: 4 m/s 20 Asetetaan maksimaaliseksi puun jännityksen tasoksi 1,0, mikä vastaa n. 10 % halkeamaa pintapuussa.

Laskentaesimerkissä simulointimalli pyrkii säätämään lämpötilaerotusta eli suhteellista kosteutta siten, että jännitys pysyy ennalta asetetus-25 sa raja-arvossa (1,0). Tuloksena on siis optimaalinen kuivauskaava, jossa PSK-piste - puunsyiden kyllästymispiste eli kohta, jossa jännitykset nopeasti nousevat, on laskennallisesti selvitetty. Ongelmana on se, että laskenta ei pidä paikkaansa, jos kuivauskaava ei ole toteutunut kuivauksen aikaisemmassa vaiheessa. Syöttämällä todellisia proses-30 sista mitattuja arvoja mallille ja laskemalla niiden perusteella seu-raava asetusarvo, ei tätä virhettä pääse syntymään. Tuloksena on järjestelmä, joka aina pyrkii säätämään prosessia halkeiluriskin ehdoilla.

35 Kuviossa 3 käyrä S kuvaa em. simulointiesimerkin mukaista kuivattavan puun jännitystä kuivausajan t funktiona. Katkoviivalla H esitetyllä 8 Π ·*> r-> I ,

3* / « A

käyrällä kuvataan puutavaran kosteusosuutta u ajan t funktiona. Ajan hetkellä t - 0 kuivattavat kuormat K1(K2,K3 tuodaan kuivaamoon ja hetkellä t - tx aloitetaan varsinainen kuivaus, joka kuvioiden 3 ja 4 mukaisesti kestää n. 275 h. Kuivaus etenee kokoviivalla S piirretyn 5 käyrän mukaisesti niin, että puun halkeiluriski pysyy alueella AS ylärajan Sy ja alarajan SA välillä.

Kuviossa 4 on esitetty kuivausajat t funktiona edellä selostetun simu-lointiesimerkin mukaisilla lähtöarvoilla toteutuvaa kiertoilman lämpö-10 tila T niin, että käyrä TK kuvaa kiertoilman Fi-Fs kuivalämpötilaa ja katkoviivalla esitetty käyrä TM märkälämpötilaa.

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaih-15 della ja poiketa edellä vain esimerkinomaisesti esitetystä.

Claims (6)

9 fI 9 7 A : Patent t ivaat imukse t

1. Menetelmä puutavarakuivaamon, etenkin kamarikuivaamon (10), toiminnan ohjaamiseksi, jossa menetelmässä ohjataan kuivattavan puutavaraerän 5 (Ki.K2.K3) läpi menevän ilman lämpötilaa (T) ja kosteutta (Rh) kuivaus- prosessin edistyessä, ja jossa menetelmässä kuivausprosessia säädetään takaisinkytketyllä järjestelmällä, jolla kuivausprosessille annetaan uusia asetusarvoja (S) jatkuvasti tai sopivin väliajoin, ja johon järjestelmään johdetaan mittaustietoja (m), joiden perusteella järjestel-10 mää adaptoidaan kuivausprosessin tilaa vastaavaksi, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään kuivauskaavasimulaattoria (23), johon tallennettuun kuivausprosessimalliin jätetään tietty tai tietyt parametrit muuttujiksi, joka/jotka adaptoidaan oikeaan suuntaan prosessista saatujen mittaustietojen (Rh,TK,u) perusteella, että 15 menetelmässä mainittuna prosessimallina käytetään kosteudensiirto- puunkuivausjännitys-simulointimallia, jolla laskennallisesti arvioidaan puutavaran halkeiluriskiä kuivauksen eri vaiheissa ja että ohjausjärjestelmään syötetään panoksen kuivatuksen alussa suurin sallittu hal-keiluriski eli tavoiteltu halkeamaprosentti. 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunne ttu siitä, ’ : että ohjausjärjestelmään syötetään kuivattavan puun halkeiluriski, lähtökosteus, dimensio ja puulaji, joiden perusteella kuivaus-prosessimalli simuloi prosessin asetusarvot ensimmäisessä aikapistees-25 sä, minkä jälkeen prosessimallille syötetään kuivausprosessista mitatut • toteutuneet prosessiarvot, joiden perusteella asetusarvot seuraavassa kuivauksen aikapisteessä lasketaan ja että edellisten kuivausaikapis-teiden toteutuneita prosessiarvoja käytetään simulointimallin mukaisesti prosessin tulevien asetusarvojen määrittelyssä. ; 30

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä sovelletaan logiikkayksikköä (21), johon johdetaan mittaustietoja (Rh,TK,u) kuivausprosessista (10) ja joka antaa säätösignaaleja (c) kuivatusprosessin toimilaitteille kuten ilmankier- 35 ron säätöelimien (19a,20a) säätömoottoreille (19b,20b) tai lämmitysvä-liaineen lämpötilaa säätäville toimilaitteille (16b) ja että mainitusta 8 9 7 o ίο loglikkaosasta (21) syötetään mittaustietoja (Rh,TK>u) kuivauskaava-simulaattorille (23), jolta saadaan logiikkayksikölle (21) kuivaus-prosessin asetusarvoja (Rh,TK).

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä sovellettavalla prosessimallilla arvioidaan myös kuivatun puutavarapanoksen loppukosteutta ja/tai panoksen lopullista kuivausaikaa.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunne ttu siitä, että menetelmässä käytetään näyttölaitteella varustettua käyttöliittymää (22), jonka kautta kuivauskaavasimulaattorille (23) syötetään kuivauksen lähtöarvot (a) ja että ohjausjärjestelmän logiikkayksiköltä (21) syötetään näyttötietoja (b) käyttöliittymän (22) näyttöpäätteelle. 15

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä mitataan kuivausprosessista kuivausilman suhteellista kosteutta (Rh), kuivalämpötilaa (TK) ja puutavaran kosteus-osuutta (u) ja että kuivauskaavasimulaattorilta (23) annetaan kuivaamon 20 (10) säädön asetusarvoiksi kuivausilman suhteellinen kosteus (Rh) ja kuivausilman kuivalämpötila (TK) . 11 M