izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2021-25-1-110-121izvestswsu-870Research ArticleИнформатика, вычислительная техника и управлениеComputer science, computer engineering and IT managmentМетод измерения влажности пиломатериала, реализуемый на ПЛКPLC-based lumber humidity measurement methodhttps://orcid.org/0000-0003-1953-2747НгуенВ. В.NguyenV. V.

Нгуен Ван Выонг, аспирант

пр. Ленина 30, Томск 634050

Vinh V. Nguyen, Post-Graduate Student

30 Lenin Ave., Tomsk 634050

vuongoicolen@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4761-7249ШилинА. А.ShilinA. A.

Шилин Александр Анатольевич, доктор технических наук

пр. Ленина 30, Томск 634050

AleksandrA. Shilin, Dr. of Sci. (Engineering)

30 Lenin Ave., Tomsk 634050

shiiln@tpu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2781-718XМомотП. М.MomotP. M.

Момот Павел Михайлович, студент

пр. Ленина 30, Томск 634050

Pavel M. Momot, Student

30 Lenin Ave., Tomsk 634050

vjvjngfif@yandex.ruТомский политехнический университетTomsk Polytechnic University202130052021251110121Copyright © Нгуен В.В., Шилин А.А., Момот П.М., 20212021Нгуен В.В., Шилин А.А., Момот П.М.Nguyen V.V., Shilin A.A., Momot P.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/870Цель исследования

Цель исследования. Решение научно-практической проблемы измерения влажности пиломатериала на базе программируемого логического контроллера (ПЛК), позволяющее реализовывать системы управления сушкой пиломатериалов на недорогих контроллерах широкого применения с преимуществами современных SCADA систем.

Методы

Методы. Для достижения поставленной цели исследованы современные методы оценки влажности пиломатериала по электрическому сопротивлению. Приведён обзор и анализ известных зависимостей электрического сопротивления пиломатериала от влажности. Отмечена необходимость измерения сопротивления в диапазоне 2,5 Ком до 25 Мом. Описано схематическое решение согласования с ПЛК моста измерения высокоомного сопротивления с дополнительным источником напряжения. Предложена методика расчёта схемы согласования. Получены выражения для вычисления влажности по данным аналого-цифрового преобразователя. Приведена процедура настройки канала измерения по показаниям двух эталонных измерений.

Результаты

Результаты. Выполнена оценка погрешности измерения влажности и сопротивления. Показано, что погрешность измерения сопротивления до 20 % приводит к погрешности измерения влажности до 1 %, при условии корректной настройки параметров. Для настройки достаточно выполнить два эталонных измерения, чтобы выполнить процедуру настройки параметров измерения влажности.

Заключение

Заключение. В процессе проектирования современных систем сушки пиломатериалов можно воспользоваться доступными и хорошо представленными в литературе алгоритмами и программами технологического процесса для реализации на ПЛК. В статье предложено необходимое для указанных алгоритмов и программ решение основной проблемы измерения влажности пиломатериала. Материал может быть полезен для исследования технологических этапов процесса сушки и разработки промышленных систем управления на базе недорогих контроллеров.

Purpose or research

Purpose or research. The paper considers the solution of the scientific and practical problem of measuring the humidity content of lumber on the basis of a programmable logic controller (PLC), which makes it possible to implement control systems for drying lumber on inexpensive controllers of wide application with the advantages of modern SCADA systems.

Methods

Methods. To achieve this goal, modern methods for assessing the humidity content of lumber by electrical resistance have been investigated. We have provided a review and analysis of the known dependences of the electrical resistance of lumber on moisture. It is noted the need to measure resistance in the range of 2.5 KΩ to 25 MΩ. The schematic solution for matching a high-resistance measurement bridge with an additional voltage source with a PLC is described here. We have proposed a method for calculating the matching scheme. Expressions are obtained for calculating humidity according to the data of an analog-to-digital converter. The procedure for setting up the measurement channel according to the readings of two reference measurements is presented.

Results

Results. The estimation of the measurement error of humidity and resistance is carried out. It is shown that a resistance measurement error of up to 20% leads to a humidity measurement error of up to 1%, provided that the parameters are correctly configured. To set it up, it is enough to take two reference measurements to complete the procedure for setting the humidity measurement parameters.

Conclusion

Conclusion. In the process of designing modern systems for drying lumber, you can use the algorithms and programs of the technological process available and well presented in the literature for implementation on the PLC. The article offers a solution to the main problem of measuring the humidity content of lumber, which is necessary for these algorithms and programs. The material can be useful for researching technological stages of the drying process and developing industrial control systems based on inexpensive controllers.

программируемые логические контроллерыПЛКвлажность древесинылинеаризацияэлектрическое сопротивление древесинысистемы управления камерой осушенияprogrammable logic controllersPLCwood humidity contentlinearizationelectrical resistance of wooddrying chamber control systemsReferencesХандожко В. А., Матлахов В. П., Копыткин С. М. Система управления влажностью в сушильной камере на базе приборов фирмы" ОВЕН" // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: сб. научн. трудов. Курск, 2014. С. 270-275. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22546753Handozhko V. A., Matlahov V. P., Kopytkin S. M. [Humidity control system in the drying chamber based on the devices of the company "OVEN"]. Sovremennye instrumental'nye sistemy, informatsionnye tekhnologii i innovatsii [Modern tool systems, information technologies and innovations]. Kursk, 2014, pp. 270-275 (In Russ.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22546753.Чепурин Г. В., Бронза Ю. В. Сухое хранение, как защита от коррозии // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2013. №. 12. С. 80-84. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23340406CHepurin G. V., Bronza YU. V. Suhoe hranenie, kak zashchita ot korrozii [Dry storage as the protection against corrosion]. Santekhnika, otoplenie, konditsionirovanie = Plumbing, Heating, Air conditioning, 2013, pp. 80-84 (In Russ.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23340406.Dumitran L. M., Oancea D. C., Dumitran G. E. Experimental study of air dehumidification in an electrostatic wire-cylinder condenser // 2017 10th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE). IEEE, 2017. P. 440-443. DOI: 10.1109/ATEE.2017.7905182Dumitran L. M., Oancea D. C., Dumitran G. E. Experimental study of air dehumidification in an electrostatic wire-cylinder condenser. 2017 10th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE). IEEE, 2017, pp. 440-443. DOI: 10.1109/ATEE.2017.7905182A novel dehumidification technique using electric field / M. Arif-uz-Zaman, M. KhanA, Sadrul M. F. Khan // IEEE Transactions on Industry Applications. 1996. Vol. 32. No. 1. P. 36-40. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/A-Novel-Dehumidification-Tec-Using-Electric-FieldArifuzzaman-Khan/b2c94eeb1e0f73d5ec22a4deec8bcc54802a02ef#paper-headerArif-uz-Zaman M., KhanA M., Sadrul M. F. Khan A novel dehumidification technique using electric field. IEEE Transactions on Industry Applications, 1996, vol. 32, no. 1, pp. 36¬40. Available at: https://www.semanticscholar.org/paper/A-Novel-Dehumidification-Tec-Using-Electric-Field-Arifuzzaman-Khan/b2c94eeb1e0f73d5ec22a4deec8bcc54802a02ef#paper-headerMeasurement of lumber moisture content based on PCA and GS-SVM / J. Zhang, W. Song, B. Jiang, M. Li. // Journal of Forestry Research. 2017. Vol. 29. No. 2. P. 557–564. DOI:10.1007/s11676-017-0448-xZhang J., Song W., Jiang B., Li M. Measurement of lumber moisture content based on PCA and GS¬SVM. Journal of Forestry Research, 2017, vol. 29, no. 2, pp. 557–564. DOI:10.1007/s11676-017-0448-xOh G.-H., Kim H.-S., Park D.-W. In-situ monitoring of moisture diffusion process for wood with terahertz time-domain spectroscopy // Optics and Lasers in Engineering. 2020. Vol. 128. No. 106036. DOI:10.1016/j.optlaseng.2020.106036Oh G.-H., Kim H.-S., Park D.-W. In-situ monitoring of moisture diffusion process for wood with terahertz time-domain spectroscopy. Optics and Lasers in Engineering, 2020, vol. 128, no. 106036. DOI:10.1016/j.optlaseng.2020.106036Characterisation of wood–water relationships and transverse anatomy and their relationship to drying degrade / L. A. Redman, H. Bailleres, I. Turner, P. Perré // Wood Science and Technology. 2016. Vol. 50. No. 4. P. 739–757. DOI:10.1007/s00226-016-0818-0Redman L. A., Bailleres H., Turner I., Perré P. Characterisation of wood–water relationships and transverse anatomy and their relationship to drying degrade. Wood Science and Technology, 2016, no. 4, vol. 50, pp. 739–757. DOI:10.1007/s00226-016-0818-0Effects of Drying Temperature and Drying Rate on Occurring Behaviors of Microcracks during Wood Drying / K. Kojiro , M. Ohno, K. Tanaka, Y. MiyoshI, Y. Furuta // Journal of the Society of Materials Science, Japan. 2020. Vol. 69. No. 4, P. 323–328. DOI:10.2472/jsms.69.323Kojiro K., Ohno M., Tanaka K., Miyoshi Y., Furuta Y. Effects of Drying Temperature and Drying Rate on Occurring Behaviors of Microcracks during Wood Drying. Journal of the Society of Materials Science, Japan, 2020, vol. 69, no. 4, pp. 323–328. DOI: 10.2472/jsms.69.323Zhan J., Gu J., Cai Y. Analysis of moisture diffusivity of larch timber during convective drying condition by using Crank’s method and Dincer’s method // Journal of Forestry Research. 2017. Vol. 18. No. 3. P. 199–202. DOI:10.1007/s11676-007-0040-xZhan J., Gu J., Cai Y. Analysis of moisture diffusivity of larch timber during convective drying condition by using Crank’s method and Dincer’s method. Journal of Forestry Research, 2017, vol. 18, no. 3, pp. 199–202. DOI:10.1007/s11676-007-0040-xРудак О. Г., Короб А. Ю. Исследование характера изменения влажности поверхностных и внутренних слоев древесины сосны при прогреве в ненасыщенной среде // Труды БГТУ. Сер. 1, Лесное хоз-во, природопользование и перераб. возобновляемых ресурсов. 2021. № 1 (240). С. 162–168. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-haraktera-izmeneniya-vlazhnosti-poverhnostnyh-i-vnutrennih-sloevdrevesiny-sosny-pri-progreve-v-nenasyschennoy-sredeRudak О. G., Korob A. Yu. [Study of the character of moisture change in surface and inner layers of pine wood during heating in a unsaturated environment]. Trudy BGTU. Ser. 1, Lesnoe khozvo, prirodopol'zovanie i pererab. vozobnovlyaemykh resursov = Proceedings of BSTU, issue 1, Forestry. Nature Management. Processing of Renewable Resources, 2021, no. 1 (240), pp. 162–168 (In Russ). https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanieharaktera-izmeneniya-vlazhnosti-poverhnostnyh-i-vnutrennih-sloev-drevesiny-sosny-priprogreve-v-nenasyschennoy-sredeSimulation model of an automated system of wood drying process in the VisSim dynamic programming environment/ V. Gryzhov, V. Korolkov, V. Reut, L. Stepanenkova // Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 403. No 012190. DOI: 10.1088/1755-1315/403/1/012190Gryzhov V., Korolkov V., Reut V., Stepanenkova L. Simulation model of an automated system of wood drying process in the VisSim dynamic programming environment. Earth and Environmental Science, 2019, vol. 403, no 012190. DOI: 10.1088/1755-1315/403/1/012190Zheng Z., Keqi W. Rbf based sliding mode control method for lumber drying system// Wood and fiber science. 2019. Vol. 51. No. 3. DOI: 10.22382/wfs-2019-028Zheng Z., Keqi W. RBF based sliding mode control method for lumber drying system. Wood and Fiber Science, 2019, vol. 51, no. 3. DOI: 0.22382/wfs-2019-028Energy saving in a convective dryer by using novel real¬time exergy¬based control schemes adjusting exhaust air recirculation / S. Zohrabi, M. Aghbashlo, S.S. Seiiedlou, H. Scaar, J. Mellmann // Journal of Cleaner Production. 2020. No. 120394. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.120394.Zohrabi S., Aghbashlo M., Seiiedlou S.S., Scaar H., Mellmann J. Energy saving in a convective dryer by using novel real-time exergy-based control schemes adjusting exhaust air recirculation. Journal of Cleaner Production, 2020, no. 120394. DOI:10.1016/j.jclepro.2020.120394.Дмитриев В. М., Ганджа Т. В. Принцип формирования многоуровневых компьютерных моделей SCADA-систем для управления сложными технологическими объектами // Информатика и системы управления. 2013. №. 2. С. 24-35. URL: http://ics.khstu.ru/media/2013/N36_03.pdfDmitriev V. M., Gandzha T. V. Princip formirovaniya mnogourovnevyh komp'yuternyh modelej SCADA-sistem dlya upravleniya slozhnymi tekhnologicheskimi obektami [The principle of forming multi¬level computer models of SCADA systems for managing complex technological objects]. Informatika i sistemy upravleniya = Computer Science and Control Systems, 2013, no. 2, pp. 24-35. (In Russ.). Available at: http://ics.khstu.ru/media/2013/N36_03.pdfКомпьютерное моделирование визуальных интерфейсов виртуальных инструментов и приборов / В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа, В.В. Ганджа, С.А. Панов // Научная визуализация. 2016. Т. 8. №. 3. С. 111-131. URL: http://sv-journal.org/2016-3/09/?lang=ruDmitriev V.M., Gandzha T.V., Gandzha V.V., Panov S.A. Komp'yuternoe modelirovanie vizual'nyh interfejsov virtual'nyh instrumentov i priborov [Computer modeling of visual interfaces of virtual instruments and devices]. Nauchnaya vizualizatsiya = Scientific Visualization, 2016, vol. 8, no. 3, pp. 111-131 (In Russ.). Available at: http://svjournal.org/2016-3/09/?lang=ruCracking the code: real-time monitoring of wood drying and the occurrence of cracks / H. P. Botter-Kuisch, J. Van den Bulcke, J. M. Baetens, J. Van Acker// Wood Science and Technology. 2020. DOI:10.1007/s00226-020-01200-6Botter-Kuisch H. P., Van den Bulcke J., Baetens J. M., Van Acker J. Cracking the code: real-time monitoring of wood drying and the occurrence of cracks. Wood Science and Technology, 2020. DOI:10.1007/s00226-020-01200-6James W. L. Electric moisture meters for wood. – US Dept. of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory, 1963. Vol. 8. URL: https://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplrn/fplrn008.pdfJames W. L. Electric moisture meters for wood. US Dept. of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory, 1963, vol. 8. Available at: https://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplrn/fplrn008.pdfFredriksson M., Thybring E. E., Zelinka S. L. Artifacts in electrical measurements on wood caused by non-uniform moisture distributions // Holzforschung. 2020. Vol. 1. No. ahead-of-print. DOI: https://doi.org/10.1515/hf-2020-0138Fredriksson M., Thybring E. E., Zelinka S. L. Artifacts in electrical measurements on wood caused by non-uniform moisture distributions. Holzforschung, 2020, vol. 1, no. ahead-of-print. DOI: https://doi.org/10.1515/hf-2020-0138Lynch C. T. CRC Handbook of Materials Science: Material Composites and Refractory Materials. CRC press, 2020. Vol. 2. URL: https://books.google.ru/books?id=XDwY0WbE_EEC&printsec=frontcover&hl=ru#v=onepage&q&f=falseLynch C. T. CRC Handbook of Materials Science: Material Composites and Refractory Materials. CRC press, 2020, vol. 2. Available at: https://books.google.ru/books?id=XDwY0WbE_EEC&printsec=frontcover&hl=ru#v=onepage&q&f=falseWood moisture meter [Электронный ресурс]. URL: https://woodgears.ca/lumber/moisture_meter.html (свободный, дата обращения 25.01.2021)Wood moisture meter. ARIS BPM Community. Available at: https://woodgears.ca/lumber/moisture_meter.html (accessed: January 25, 2021).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.