Теоретические основы, методы и средства адаптивного управления процессом приготовления товарного бетона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, доктор технических наук Беркут, Андрей Ильич

• Беркут, Андрей Ильич
• доктор технических наук
• 2002

Оглавление диссертации доктор технических наук Беркут, Андрей Ильич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТОВАРНОГО БЕТОНА.

1.1. Этапы автоматизации, типовые структуры и основные принципы модернизации АСУ ТП приготовления товарного бетона.

1.2. Развитие средств и систем управления технологией производства товарного бетона.

1.3. Математическое моделирование технологических процессов приготовления товарного бетона.

1.4. Критерии проектной и оперативной оптимизации технологических систем приготовления товарного бетона.

1.5. Выводы по главе.

2. ИНФОРМАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЕЙ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.

2.1. Системно-информационный подход к процессу управления технологией приготовления бетонных смесей.

2.2. Энтропийные оценки качества управления технологическими системами приготовления товарного бетона.

2.3. Стабилизация технологического процесса приготовления товарного бетона на основе системно-информационного подхода.

2.4. Воспроизведение требуемых состояний технологического процесса приготовления бетона с помощью энтропийного критерия качества.

2.5. Выводы по главе.

3. АНАЛИЗ СВОЙСТВ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТОВАРНОГО БЕТОНА КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ И ОПЕРАТИВНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ.

3.1. Структурообразование и гидратация неорганических вяжущих веществ.

3.2. Затвердевание и прочность цементного камня.

3.3. Структурные и физические основы прочности бетона.

3.4. Влияние параметров заполнителей на физико-механические свойства товарного бетона.

3.5. Выводы по главе.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЛЕБАНИЙ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАПОЛНИТЕЛЯ НА СВОЙСТВА БЕТОНА И БЕТОННОЙ СМЕСИ.

4.1. Требования к качеству заполнителей бетона.

4.2. Используемые материалы и методики исследования.

4.3. Исследование вариации величины удельной поверхности и влажности заполнителей в реальных условиях.

4.4. Исследование влияния удельной поверхности мелкого заполнителя и его влажности на физико-механические свойства бетона.

4.5. Статистический анализ экспериментального исследования процесса приготовления бетонной смеси.

4.6. Выводы по главе.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРИГОТОВЛЕНИЯ

ТОВАРНОГО БЕТОНА.

5.1. Построение системы управления приготовлением товарного бетона на основе энтропийных характеристик процесса.

5.2. Разработка алгоритма автоматического управления составом бетонной смеси.

5.3.Обоснование, выбор и синтез структуры фильтрации и экстраполяции выходных параметров.

5.4. Разработка адаптивной идентификации управляющих зависимостей в алгоритме управления составом бетонной смеси

5.5. Исследование системы управления составом бетонной смеси методами математического моделирования.

5.6. Выводы по главе.

6. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИК ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.

6.1. Обоснование выбора метода экспресс-контроля удельной поверхности песка.

6.2. Теоретические и экспериментальные исследования седиментационного метода определения удельной поверхности песка.

6.3. Разработка и исследование методики и устройства экспресс- контроля удельной поверхности песка.

6.4. Разработка и исследование методики и устройства экспресс-контроля пустотности, объемной массы и массы твердого тела крупного заполнителя.

6.5. Выводы по главе.

7. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ДЛЯ МОДЕРНИЗАЦИИ АСУ ТП ПРИГОТОВЛЕНИЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.

7.1. Способы автоматической коррекции состава бетонной смеси.

7.2. Средства контроля характеристик исходных материалов и технологических параметров процесса.

7.3. Устройства для управления дозированием компонентов бетонной смеси.

7.4. Выводы по главе.

8. ВНЕДРЕНИЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

8.1. Внедрение методики и средств оперативного контроля параметров заполнителей бетонных смесей.

8.2. Внедрение способа автоматической коррекции состава бетонной смеси в процессе ее приготовления.

8.3. Перспективы использования результатов диссертации в технологии производства сухих строительных смесей.

8.4. Использование материалов диссертации в учетной работе строительных ВУЗов.

8.5. Патентная защита научно-технических разработок. Апробация результатов. Публикации.

8.6. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические основы, методы и средства адаптивного управления процессом приготовления товарного бетона»

Широкое внедрение новых индустриальных методов строительства вызывает необходимость развития высокими темпами производства различных строительных материалов и изделий. Главенствующее место среди этих материалов по прежнему занимает бетон и сборный железобетон.

Особенно большое развитие получило приготовление товарного бетона (ПТБ), применение которого обеспечивает высокие темпы возведения современных зданий и сооружений. В то же время, заводское производство высококачественного бетона - это трудное и дорогостоящее мероприятие, осуществление которого связано с решением сложных научно-технических проблем. Одним из важнейших резервов повышения его эффективности является интенсификация как циклических, так и непрерывных технологических процессов, которые, как известно, во многом определяют эффективность и качество строительного производства. При этом основная трудность решения данной задачи заключается не столько в назначении соответствующих составов бетона, использовании быстротвердеющих цементов и химических добавок, сколько в необходимости снижения себестоимости и получении готовой продукции наилучшего качества, т.е. в решении комплексной проблемы оптимизации конструктивных и режимных параметров установок ПТБ, создании и внедрении в практику технологии производства бетонов, новых экономических процессов, средств оперативного контроля и систем адаптивного и автоматического автоматизированного управления.

Среди многочисленных отраслей строительства особое место ПТБ занимает в энергетическом строительстве. Большие объемы производства, например при строительстве электростанций, высокие требования к качеству товарного бетона и огромные эксплуатационные затраты делают оптимизацию и автоматизацию бетонных заводов исключительно актуальными. Однако, отсутствие достоверных научных результатов для проектирования и эксплуатации АСУ ТП бетонных заводов и, соответственно, отсутствие теоретических предпосылок для их оптимизации долгое время препятствовали широкому внедрению в практику ПТБ многих достижений инженерной кибернетики и общей теории систем. Поэтому еще в семидесятые годы прошлого века весьма важной являлась разработка теоретической и методологической базы создания автоматизированных установок с учетом физико-механических, технологических, аппаратурных и технико-экономических особенностей ПТБ и обусловленных этими свойствами особенностей оперативного контроля.

Решение этой проблемы стало особенно актуальным в конце восьмидесятых годов в связи с рядом правительственных Постановлений о необходимости развития работ по гибкому управлению технологическими процессами и реализации их результатов с помощью управляющих вычислительных устройств.

Работы по созданию установок ПТБ, автоматизированных в том смысле, который теперь вкладывается в общепринятое понимание термина АСУ ТП, начались более 20 лет назад практически одновременно различными организациями и предприятиями промышленно-гражданского, транспортного, энергетического и городского строительства, а также в ряде других отраслей. Большое количество публикаций, многочисленные доклады на всесоюзных, республиканских, ведомственных и международных конференциях и семинарах, специальные разделы на отечественных и зарубежных выставках свидетельствуют об огромном масштабе этих работ. Тем не менее каждая новая разработка вызывает неослабевающий интерес специалистов. Это объясняется многими причинами, из которых можно выделить пять основных.

Во-первых, современная установка ПТБ, разрабатываемая для применения в той или иной отрасли строительства, представляет собой единый комплекс разнородных элементов оборудования со сложной схемой технологических связей. В таком многоузловом комплексе осуществляются непрерывные взаимосвязанные процессы преобразования, передачи и перераспределения различных видов материальных и энергетических потоков, а также изменения параметров состояния используемых исходных компонентов и образующихся бетонных смесей. Всякое изменение любого параметра или характеристики оборудования в той или иной степени влияет на параметры, характеристики и показатели работы всего технологического комплекса ПТБ. В то же время процесс дальнейшего развития и совершенствования установок ПТБ сопровождается все большим усложнением технологических схем, увеличением числа элементов оборудования, применением новых видов компонентов бетонных смесей, увеличением числа контролируемых параметров и усложнением связей между ними. Очень важно, что конструктивные, расходные и энергетические параметры могут изменяться лишь в пределах физически возможных и технически осуществимых состояний взаимодействующих компонентов бетонных смесей и технологического оборудования (питателей, дозаторов, смесителей и др.). Поэтому при проектной и оперативной оптимизации процессов ПТБ необходимо учитывать множество технических ограничений, поскольку только в этом случае возможно создание экономически и технически оптимальной и в то же время физически выполнимой и надежной в эксплуатации установки.

Общая эффективность производства бетонных смесей, к качеству которых с каждым годом предъявляются все более высокие требования, в решающей степени зависит от качества управления каждой из взаимосвязанных подсистем и всем комплексом ПТБ в целом. Наличие большого числа материальных и информационных потоков, связывающих оборудование и управляющую аппаратуру прямыми и обратными связями в единую динамическую систему, и трудности оперативного контроля технологии ПТБ заставляют искать компромисс между стремлением уменьшить объем априорных сведений об объекте управления, необходимых для синтеза адаптивной системы, что ускоряет и удешевляет исследования, и желанием сократить количество информации для формирования управляющих воздействий при эксплуатации установки, что приводит к снижению эффективности работы как отдельных подсистем, так и, соответственно, всего технологического комплекса.

Во-вторых, независимо от специфики работы отдельного бетонного завода, каждая конкретная установка ПТБ является элементом общей технологической цепочки соответствующих строительных производств, а при более широком рассмотрении - также элементом всего строительного объекта в целом. Поэтому при оптимизации режимных параметров и проектировании нового аппаратурного оформления систем управления должны учитываться не только внутренние взаимосвязи, но и внешние связи, определяемые условиями сооружения и эксплуатации бетонных заводов. К совокупности внешних условий принадлежат: тип, свойства и стоимость компонентов, а также состояние и перспективы развития технологических операций, предшествующих ПТБ (дробление, классификация, сушка, транспортирование и др.).

Таким образом, задачи автоматизации и оптимизации установок ПТБ оказываются тесно связанными с общими проблемами функционирования бетонных заводов и их развитием, что свидетельствует о необходимости комплексного учета всех перечисленных связей и целесообразности создания как специальных методов исследования, так и новых методик и средств экспресс-контроля основных режимных параметров ПТБ.

К сказанному имеет отношение и еще один (третий) аспект межотраслевого значения создания новых эффективных установок ПТБ. Дело в том, что возможность создания специальных методов исследования в технологии ПТБ до недавнего времени ограничивалась недостаточно эффективным использованием ЭВМ, применение которых для решения задач автоматизации и оптимизации, как известно, неразрывно связано с применением методов математического моделирования и с превращением этих методов в рабочий инструмент научных исследований. Вместе с тем применение математических моделей в стройиндустрии требует новых подходов к постановке и решению задач автоматической оптимизации. Необходимо четко формулировать решаемые задачи, как в части задания совокупностей исходных параметров и факторов, так и в части требований к алгоритмам их решения. При этом очень часто оказывается необходимым пересмотр существующих методов исследования разработка новых. В частности, следует указать, что накопленные к настоящему времени сведения о процессах ПТБ, выраженные большим числом неуниверсальных эмпирических, графических и табличных зависимостей и используемые в проектно-конструкторских разработках, не могут быть непосредственно применены при создании математических моделей и постановке исследований с помощью ЭВМ.

Накопленный опыт решения подобных комплексных оптимизационных задач в других строительно-технологических системах (производстве вяжущих, полимерных, гидро- и теплоизоляционных материалов) показывает, что математические модели и методы решения сложных многофакторных задач должны быть дополнены обычным инженерным анализом. В настоящее время и в стройиндустрии стало очевидным, что только тщательный анализ позволяет правильно сформулировать задачу, найти приемлемые методы ее решения и правильно оценить полученные результаты.

Следует отметить также, что было бы неправильным разрабатывать для каждого типа установки ПТБ только одну-единственную сложную математическую модель и пытаться в этой модели учитывать и одновременно исследовать весь сложнейший комплекс реально существующих связей. Такая постановка задачи была бы принципиально неверной, хотя бы из-за разно-точности исходной информации. Кроме того, она практически трудно реализуема вследствие необходимости описания в единой модели всех свойств сложной установки (даже без учета процессов подготовки компонентов бетонных смесей и их транспортирования).

Имеющийся опыт решения задач комплексной оптимизации в промышленности строительных материалов убедительно показывает, что постановка такой задачи для создания автоматизированных комплексов ПТБ означает необходимость формулирования единого или взаимообусловленных критериев оптимизации и создания взаимосвязанных математических моделей. В общем случае такая система моделей должна включать:

- группу моделей отдельных элементов оборудования установки, в которой в наиболее полной форме учитываются внутренние специфические для данного элемента факторы;

- более общие модели для групп элементов оборудования и агрегатов;

- обобщенную модель всей установки с учетом частных зависимостей параметров от технологических связей оборудования и аппаратуры.

Помимо этих моделей для правильного выражения влияния внешних факторов должны быть учтены особенности физико-механических закономерностей образования бетонных смесей. Такая иерархическая структура системы моделей ПТБ позволяет наилучшим образом использовать возможности ЭВМ и в то же время исследовать любую зависимость с требуемой точностью.

Четвертый аспект межотраслевого значения разработок в области технологии ПТБ непосредственно связан с созданием систем управления. Хотя принципы управления любым технологическим процессом и базируются на известных положениях теории автоматического управления, все они настолько связаны с особенностями конкретной технологии ПТБ и ее аппаратурного оформления, что практически каждая система управления отличается не только новизной, но и оригинальностью. Здесь имеются в виду не различные методики автоматизации принципиально отличных установок ПТБ (например, в периодических процессах с дозаторами и смесителями циклического действия) или горячего формования (например, приготовление па-роразогретых бетонных смесей в смесителях непрерывного действия): методы управления даже в сходных по структуре установках, используемые в разных отраслях строительства в силу специфики выпускаемой продукции, применяемых материалов и оборудования, оказываются неодинаковыми. Однако, взаимное влияние этих методов, проникновение их из смежных отраслей (например, из энергетического строительства в промышленно-гражданское и наоборот) обогащают общий арсенал способов управления и способствуют развитию тех прикладных разделов теории, которые имеют основополагающее значение для создания систем управления каждым методом ПТБ.

Наконец, в пятых, сама методика определения рационального уровня автоматизации также имеет общее значение для всех методов ПТБ. Важность выбора наиболее приемлемого режима управления очевидна, если учесть, что помимо повышения экономической эффективности, автоматизация процессов ПТБ связана и с социально-экологическим целями, т.е. с обеспечением безопасности и улучшением условий труда.

Пять отмеченных выше особенностей разработки автоматизированных установок ПТБ, имеющих важное межотраслевое значение, автор и пытался отразить в настоящей работе. Некоторые основные принципы, которым далее будем следовать при построении математических моделей, разработке алгоритмов, средств оперативного контроля и систем управления, целесообразно сформулировать в самом начале.

1. Процесс ПТБ совместно с системой управления представляет единый комплекс (технологическую систему), однако до настоящего времени отсутствует методика комплексного решения задач оптимизации всех входящих в него элементов (подсистем) по единой или взаимообусловленным целевым функциям (критериям оптимизации). В лучшем случае комплексно решаются задачи оптимизации конструкции дозаторов и смесителей, а также технологических режимов их работы. Эти разработки существенно различаются по точности принятых математических моделей, критериям и алгоритмам и не учитывают ограничений по управляемости процессов ПТБ, которые могут быть определяющими. Задачи оптимизации управления решаются обычно отдельно - независимо от задач проектной оптимизации. Оптимизационные расчеты по несвязанным между собой, а нередко и по противоречивым критериям недостаточно эффективны и в принципе не могут привести к оптимизации ПТБ в целом.

2. При решении задач оптимизации в технологии строительных производств используют один из трех возможных подходов. Первый предусматривает выбор наиболее рационального преобразования реальных связей и зависимостей (при введении ряда допущений) к виду, позволяющему применить один из известных методов оптимизации. Суть второго подхода состоит в том, чтобы на основе анализа построенных математических моделей разработать для них новые или модифицировать известные методы решения. Однако, наиболее перспективным является третий путь, который предполагает всестороннее исследование реального процесса с целью нахождения метода решения, основанного на его конкретных свойствах, а затем формализовать такой метод и распространить его на все методы ПТБ.

3. Для решения задач автоматизации управления используются разные формы математического описания с различной степенью детализации и учета особенностей конкретной технологии ПТБ. Во всех случаях оправданным усложнением математической модели может быть лишь существенное повышение качества работы установки ПТБ, при синтезе которой используется модель. Основой модели всегда являются уравнения материальных балансов, вид которых зависит от состава бетона и режима его приготовления.

4. Усложнение системы управления установкой ПТБ может быть оправданно лишь в случаях, когда оно либо позволяет повысить экономическую эффективность без нарушения установленных требований, либо связано с уменьшением количества контролируемых параметров, т.е. удешевлением наиболее трудоемкой и дорогостоящей операции управления в технологии производства бетона.

5. При одновременном создании системы управления и установки ПТБ, несмотря на идентичность задач оптимального управления и проектирования, как по своей математической сути и структуре (виду критериев, связей и ограничений), так и по методам решения, требуется не только изучение опыта работы конкретных объектов, но и разделение варьируемых параметров с точки зрения характера их воздействия на эффективность функционирования установки и качество получаемой продукции.

Перечисленные принципы не являются основным содержанием защищаемого в настоящей работе направления исследований. Их скорее можно отнести к «эскизной проработке» (аксиоматической базе) комплексного исследования и решения проблемы автоматизации на основе системно-информационного подхода. Далее эти принципы будут по возможности подробно пояснены с указанием особенностей их реализации при создании конкретных систем адаптивного управления технологией ПТБ.

Основное содержание диссертации - это исследование и синтез автоматизированных установок ПТБ в том смысле этих терминов и с учетом тех принципиальных предпосылок, которые указаны выше.

Теоретические и экспериментальные исследования посвященные решению этих задач, выполненные автором в 1982-2002 г.г. и составили предмет настоящей диссертации. Результаты, полученные в процессе проведенных исследований, позволяют защищать следующие основные положения.

1. Методологию создания автоматизированных установок ПТБ определяет специфика технико-экономических задач строительного производства, особенности технологии товарного бетона, ее аппаратурного оформления и требования, предъявляемые к качеству готовой продукции.

Одна из основных трудностей, возникающих при автоматической оптимизации этих установок - противоречие между однородностью бетонной смеси, прочностью бетона, необходимостью снижения капитальных и эксплуатационных затрат и отсутствием методики оценки эффективности мероприятий по комплексной интенсификации данного класса технологических систем. В то же время оптимизация и на стадии проектирования и на стадии модернизации действующих установок ПТБ, в частности, при создании рациональных алгоритмов и систем управления, органически единый процесс, поэтому и методика оптимизации должна быть одной и той же, т.е. должны быть сформулированы одни и те же цели, а значит одни и те же критерии оценки степени достижения этих целей и, соответственно, одни и те же методы формализации ограничений при достижении цели. Сказанное свидетельствует о необходимости и целесообразности комплексного изучения физико-механических закономерностей процесса ПТБ, аппаратурного оформления, технологии и систем контроля и управления в качестве элементов, связанных общей структурой с многоуровневой иерархической подчиненностью, объединенных общими принципами, составляющими сущность системно-информационного подхода и раскрывающимися в таких понятиях как упорядоченность и организованность технологии ПТБ.

2. Затруднения в использовании общепринятых в строительстве экономических критериев, связанные с отсутствием возможности оперативного учета при адаптивном управлении организационных, социальных и экологических эффектов, могут быть преодолены путем формулирования цели создания и эксплуатации автоматизированных систем ПТБ в терминах упорядоченности технологической системы, мерой совершенства которой является количественная оценка в форме энтропии. Причем, для органически взаимосвязанного процесса проектной и оперативной оптимизации ПТБ целесообразно использовать обобщенный информационно-экономический критерий оптимальности, смысл которого заключается в применении понятия упорядоченности как с информационной, так и с экономической точек зрения.

Использование такого подхода позволяет установить и исследовать связи критерия оптимальности с режимными и конструктивными параметрами, а также доказать, что степень относительной независимости каждой подсистемы, при движении всей системы к оптимуму, растет и достигает максимального возможной величины при оптимальном устройстве и оптимальных условиях эксплуатации системы ПТБ в целом. При этом связь между подсистемами всех уровней существенно упрощается. Выявленная особенность является объективной предпосылкой создания нового эффективного метода автоматизации технологических систем ПТБ.

3. Уравнения математических моделей процессов ПТБ, т.е. ограничения типа равенств, которые определяют допустимость управлений при автоматизации, должны быть одинаково удобны как для параметрического синтеза установки, так и для аналитического проектирования систем контроля и управления. Этому требованию удовлетворяют следующие принципы моделирования процессов ПТБ:

- все процессы рассматриваются в предположении о наличии идеальных режимов перемешивания компонентов, что позволяет использовать типовые модели структуры материальных потоков в смесителях;

- при разработке материальных моделей все процессы, сопровождающие приготовление бетонной смеси, анализируются на основе теории бетона, исходящей из состава, свойств и характеристик используемых материалов;

- поскольку рассмотрение механизма процесса осложнено наличием жидкой фазы (а в ряде случаев и добавок), а коэффициенты математической модели не могут быть найдены без ее идентификации, для описания реальных процессов ПТБ применимы лишь комбинированные экспериментально-статические модели.

4. При системно-информационном анализе установок ПТБ построение иерархической структуры следует выполнять путем синтеза двух направлений, исходящих из различных способов рассмотрения исходного множества переменных: деление переменных на группы по их принадлежности к отдельным элементам должно дополняться разделением этих переменных на основе их воздействия на процесс с использованием энтропийных и экономических показателей оптимальности. Причем, первая группа должна содержать параметры, способные повышать организованность процесса при неизменных затратах на ПТБ, вторая - параметры способные повысить эффективность процесса только за счет увеличения материальных и энергетических затрат.

Такая классификация переменных свидетельствует, что одну и ту же цель, например повышение качества бетона можно достичь либо интенсивным, либо экстенсивным воздействием на технологический процесс. В первом случае повышение эффективности ПТБ будет достигаться за счет подвода порядка к системе, во втором - за счет увеличения затрат. Принятое

разделение переменных показывает, что при оптимизации экстенсивными воздействиями следует пользоваться, когда интенсивные пути воздействия уже полностью исчерпаны.

5. Структура и способы синтеза систем управления определяются как спецификой методов ПТБ, так и особенностями аппаратурно-технологических схем, а также особенностями средств и методов оперативного контроля основных параметров исходных материалов, связанными с отсутствием возможности автоматического контроля прочности бетона. Кроме того, последовательность технологических операций дозирования компонентов и их смешения образует глубокие обратные информационные связи, охватывающие как отдельные дозаторы и смесители, так и технологическую систему ПТБ в целом.

Все это свидетельствует о том, что систему ПТБ, в общем случае, следовало бы рассматривать как единый управляемый объект, в котором локальные нарушения режима в одном из аппаратов влияют на условия работы не только последующих, но и предыдущих участков системы. В то же время, принятая классификация переменных на интенсивные и экстенсивные воздействия и их свойства, влияющие на качество бетона, допускают автономию ПТБ с разбиением общей задачи автоматизации на две подзадачи: оптимального управления работой отдельных дозаторов сыпучих компонентов и воды, согласования и координации режимов работы этих дозаторов между собой и со смесителями. Такое разбиение, а также длительность работы установок ПТБ в режиме решения первой подзадачи (автономном режиме) и, наоборот, кратковременность работы во втором (диспетчерском) режиме, дают основание для частотной декомпозиции задачи автоматизации на низкочастотную задачу оперативной оптимизации всей системы ПТБ, решаемую старшей подсистемой управления, и высокочастотные задачи оптимизации отдельных элементов, решаемые младшими подсистемами управления. Согласованность информационного и экономических (или технологических) показателей оптимальности обуславливается соподчиненностью взаимодействия обеих систем.

6. Синтезировать экономически целесообразные системы управления как на верхнем, так и на нижнем уровне, строго говоря, надо на основе идеальной системы автоматической оптимизации. Поскольку такая эталонная система практически нереализуема, окончательный выбор того или иного режима управления, а соответственно и уровня автоматизации, следует выполнять с использованием реальной системы, но с обязательным учетом ошибок, возникающих в результате погрешности результатов измерений и неточности установки оптимальных заданий регулятором и определения оптимального режима работы вследствие неадекватности математических моделей. Точность приборов и устройств для установки задач регуляторам обычно известна, поэтому целесообразность автоматической оптимизации решающим образом будет зависеть от погрешности реализации системы управления, обусловленной неточностью модели. Следовательно, необходимо априорно оценивать допустимость упрощения или, наоборот, усложнения моделей, применяемых при синтезе систем адаптивного управления ПТБ.

7. Учет информационного аспекта при системном анализе процессов управления ПТБ, а также разделение функций подсистем управления в режимах координации работы дозаторов и смесителей, оптимизации и автоматической стабилизации параметров позволяет использовать итеративную методику создания и промышленного освоения новых установок с раздельным вводом в эксплуатацию отдельных подсистем и их постепенным взаимосвязанным совершенствованием по мере развития мероприятий по автоматизации ПТБ.

Такая методика комплексного решения задач оптимизации аппаратурного оформления, режимов работы и автоматического управления по единому или взаимообусловленным критериям позволяет значительно сократить время от начала разработки до момента полезного использования технических решений, снизить стоимость разработки, облегчить промышленное освоение и повысить эффективность эксплуатации АСУ ТП ПТБ.

Указанные основные положения вместе с перечисленными ранее принципами моделирования и оптимизации рассматриваемого класса строительно-технологических процессов представляют собой теоретическую базу защищаемого в настоящей работе направления исследований и разработок.

Научная новизна этого направления определяется новизной приведенных выше теоретических положений и вытекающих из них прикладных методов контроля и автоматизации строительно-технологических объектов.

Отсутствие таких методов и средств до начала исследований, составивших содержание настоящей работы, препятствовало созданию и совершенствованию эффективных систем управления, т.е. развитию одного из основных направлений технического прогресса в производстве бетона, непосредственно связанного с важнейшими отраслями строительства.

Этим обусловлена актуальность исследований, подавляющее большинство которых в течение 20 лет включались в тематику важнейших НИР различных министерств и ведомств. Исследования выполнены автором самостоятельно, а также в соавторстве под его руководством или непосредственном участии и при научном консультировании заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., проф. А.А. Рульнова. В начале (1982-1992 г.г.) они проводились в соответствии с планом работ ГКНТ СССР по государственной целевой комплексной программе 0.Ц.26 «Управление технологическими процессами, производствами, станками, машинами и оборудованием с применением мини- и микроЭВМ» (задание 01.04 «Создать и освоить в производстве бетона и железобетонных изделий системы оптимального управления технологическим процессами, учета и расхода сырьевых и энергетических ресурсов»), программой Главэнергостройпрома бывшего Минэнерго СССР «Исследование процессов производства бетона в смесителях различных конструкций», планами НИР и ОКР институтов Оргэнергострой и ВЗИСИ и осуществлялись с учетом правительственных Постановлений по вопросам механизации и автоматизации производства (№944 от 30.12.81), совместного проектирования технологических процессов и систем управления (№736 от 22.08.85), рационального использования природных ресурсов (№898 от 29.12.82, №984 от 01.12.88), а также достижений отечественных и зарубежных ученых в бетоноведении, технологии строительного производства, инженерной кибернетики и общей теории автоматизации строительно-технических систем.

При решении перечисленных задач в качестве объектов исследований были выбраны бетонные заводы гидроэнергетического строительства, как самые мощные и прогрессивные, по тому времени, объекты производства товарного бетона. При выборе реальных объектов учитывалась возможность проведения экспериментов для оценки адекватности моделей и работоспособности методик, приборов, подсистем управления, а также заинтересованность строительных организаций в результатах исследований. Опыт, накопленный при исследовании первых объектов и внедрении на них опытных образцов, был использован в дальнейшем (1992-2002 г.г.) для автоматизации и оптимизации ряда других установок, в том числе и для производства сухих смесей, широко применяемых в настоящее время в строительстве при проведении ремонтных, кладочных и штукатурных работ. В этот период исследования выполнялись во ВНИИСМИ и МГСУ, что позволило существенно ускорить решение соответствующих задач и относительно быстро выполнить практические работы.

Практическая ценность работы заключается в том, что на базе ее результатов на 9 бетонных заводах энергетического строительства успешно прошли испытания и внедрены в промышленную эксплуатацию более 10 АСУ ТП ПТБ, в каждой из которых применялись модернизированные устройства контроля и управления.

Общая значимость полученных результатов объясняется также тем, что использование разработанных методов исследования и алгоритмов управления приводит к значительному сокращению сроков и стоимости НИР и ОКР. Одновременно достигается существенное повышение качества систем контроля и управления, эффективность которых доказана их длительной эксплуатацией на многих объектах энергетического строительства.

Результаты практических разработок защищены 17 авторскими свидетельствами на изобретения, внедрение которых позволило оптимизировать процесс приготовления бетонной смеси и получить экономический эффект в размере 9,4 руб./куб (или 0,235 руб./куб в ценах 1991 года) при средней производительности бетонного завода 460 тыс.куб/год.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Беркут, Андрей Ильич

4. Результаты работы более 10 лет назад начали внедряться в учебный процесс строительных ВУЗов г. Москвы и в настоящее время входят в учебные программы 4-х дисциплин, по которым в МГСУ ведется подготовка инженеров-строителей-электромехаников по автоматизации строительства.

5. Научные труды широко опубликованы в научной печати, доложены на вузовских, ведомственных и международных конференциях и семинарах, а новизна и оригинальность практически всех научно-технических разработок защищены авторскими свидетельствами на изобретения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация посвящена разработке актуальной научной проблемы -созданию метода комплексного решения задач построения адаптивных систем управления строительно-технологическими процессами. Работа содержит результаты исследований по теоретическому обобщению и решению важной народнохозяйственной задачи повышения эффективности технологии строительства зданий и сооружений.

Научный аспект проблемы заключается в разработке теоретико-прикладных основ системно-информационного анализа, построении математических моделей, алгоритмов управления и средств оперативного контроля одной из основополагающих подсистем технологии строительного производства - процессов приготовления бетонных смесей. Работа по методологии синтеза осуществлялась с учетом Постановлений директивных органов по вопросам механизации и автоматизации производства, совместного проектирования технологических процессов и систем управления, ресурсо- и энергосбережения и проводилась в соответствии с планами Министерства науки и технической политики РФ (ранее ГКНТ СССР), Министерства топлива и энергетики РФ (ранее Минэнерго СССР), Госстроя РФ и планами НИР институтов Оргэнергострой, ВНИИСМИ, ВЗИСИ (ныне МИКХиС), МГСУ (бывш. МИСИ им. В.В. Куйбышева). Она выполнялась под руководством и непосредственном участии автора более 20 лет и носит новаторский характер.

Основные полученные научные и практические результаты могут быть сведены к следующему:

1. Анализ технологического процесса производства товарного бетона как объекта управления и известных принципов системно-информационного подхода к построению автоматизированных систем управления позволил сформулировать научно обоснованную концепцию адаптивного управления технологией приготовления бетона на основе оперативной информации об изменениях локальных параметров исходных материалов и интегральных оценок качества бетонной смеси.

2. Разработаны методологические основы адаптивного управления приготовлением бетонных смесей на высокопроизводительных бетонных заводах. Выполнен анализ влияния заполнителей на физико-механические свойства бетона, обеспечивающий выбор стратегии стабилизации прочности бетона и подвижности бетонной смеси. Проведен пассивный производственный эксперимент, в результате которого разработана экспериментально-статистическая математическая модель, в которой показатели качества бетона и бетонной смеси связаны с удельной поверхностью песка, тонкостью помола цемента и влажностью заполнителей.

3. На основе энтропийных оценок качества управления процессом научно обоснована целесообразность частотной декомпозиции задачи управления, специальная модификация которой базируется на хронологическом разделении двух основных режимов управления: автономном и диспетчерском, устраняющих, соответственно, влияние высоко- и низкочастотных возмущающих воздействий. Показано, что для синтеза алгоритмов автономного и диспетчерского режимов требуется разная форма математического описания процесса.

4. Разработан и исследован на математической модели и в реальных условиях работы бетонных заводов алгоритм оперативной адаптации параметров автоматизированной системы управления приготовлением бетона к изменяющимся параметрам исходных материалов, позволяющий автоматически непосредственно в ходе процесса приготовления бетонной смеси корректировать состав бетона с целью стабилизации его прочности.

5. Для практической реализации предложенного алгоритма автоматической коррекции состава бетонной смеси разработаны новые методики и устройства экспресс-контроля удельной поверхности песка, пустотности песка и гравийной смеси, насыпной массы гравия и массы твердого тела гравия, а также устройства для повышения эффективности управления дозированием компонентов бетонных смесей.

6. Перечисленные в п.п. 4. и 5 разработанные алгоритмы управления, средства оперативного контроля и дозирования исходных материалов реализованы в составе АСУ ТП приготовления бетона на 9 бетонных заводах строительства энергетических объектов. Их внедрение обеспечило существенное снижение вариации подвижности бетонной смеси и прочности бетона, а также и существенный экономический эффект за счет уменьшения расхода цемента.

7. Выявлены направления дальнейших исследований, в частности, применение разработанного системно-информационного подхода для решения на основе энтропийных оценок качества задач оптимизации технологии приготовления сухих строительных смесей, используемых в ремонтных, кладочных и штукатурных работах.

8. Новизна и оригинальность большинства научно-технических разработок защищены авторскими свидетельствами на изобретения; используются в системе высшего строительного образования, в частности при подготовке инженеров в МГСУ; широко опубликована в открытой печати и доложена на многих научных конференциях и семинарах и также заседаниях научно-технических советов заинтересованных организаций.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Беркут, Андрей Ильич, 2002 год

1. Рульнов А.А. Автоматика и организация производства строительных материалов и изделий. - В сб. "Автоматизация инженерно-строительных технологий, систем и оборудования". - М.: МГСУ, 1998, с.25-34.

2. Автоматизация производства и промышленная электроника (под. ред. А.И. Берга и В.А. Трапезникова), т.1 М.: Советская энциклопедия, 1972, 424 с.

3. Гордон А.Э., Никулин Л.И., Тихонов А.Ф. Автоматизация контроля качества изделий из бетона и железобетона. М.: Стройиздат, 1991, 302 с.

4. Залиненок Г.Г. Автоматизация технологических процессов и учета на предприятиях строительной индустрии. М.: Высшая школа, 1975, 294 с.

5. Бушуев С.А., Михайлов B.C. Автоматика и автоматизация производственных процессов. Киев: Вища школа, 1991, 246 с.

6. Беркут А.И., Рульнов А.А. Основы построения АСУ ТП приготовления бетонных смесей. М.: ВЗИСИ, 1993, 65 с.

7. Тихонов А.Ф., Королев К.М. Автоматизированные бетоносмеситель-ные установки и заводы. М.: Высшая школа, 1990, 192 с.

8. Дорф В.А., Славуцкий В.А., Беркут А.И. АСУ ТП приготовления бетона. М.: Инфорэнерго, 1983, 64 с.

9. Шапиро Ю. . Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Унифицированные решения. М.: Химия, 1993, 224 с.

10. Комар А.Г., Беркут А.И., Рульнов А.А., Славуцкий В.А. Управление качеством приготовления бетонной смеси. Изв. вузов, сер. "Строительство и архитектура", 1984, №10, с.84-87.

11. Шеин В.И. Физико-химические основы оптимизации технологии бетона. М.: Стройиздат, 1987, 272 с.

12. Прыкин Б.В. Проектирование и оптимизация технологических процессов сборного железобетона. Киев, Вища школа, 1986, 302 с.

13. Ротач В .Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. М.: Энергоатомиздат, 1993, с. 9-11.

14. Аракельянц М.М., Шарапов И.К. Современные заводы, установки и бетоносмесители. М.: ЦНИИТЭСтроймаш, 1968, 86 с.

15. Королев К.М. Интенсификация приготовления бетонной смеси. М.: Стройиздат, 1976, 146 с.

16. Барский Р.Г., Воробьев В.А., Звягин Г.М. Проектирование автоматизированных систем управления и контроль в строительном производстве. М.: МАДИ (ТУ), 1999, 218 с.

17. Евдокимов В.А. Автоматизация технологических процессов на ДСК и заводах сборного железобетона. JL: Стройиздат, 1978, 172 с.

18. Дорф В.А. Сопоставление научно-технического уровня развития технологии бетонных работ в СССР и за рубежом. М.: ВИНИТИ, 1972, 67 с.

19. Бромберг Э.М., Семерков И.В. Автоматический регулятор технической вязкости бетонной смеси. Механизация и автоматизация производства, 1971, №8, с. 32-33.

20. Славуцкий В.А., Гревнин Д.А., Катков B.C. Устройства контроля гранулометрического состава крупнозернистых материалов. Приборы и системы управления, 1976, №12, с. 34-36.

21. Артамонов К.В., Дворкин JI.C., Крепе В.И. Автоматический контроль в промышленности строительных материалов. JL: Стройиздат, 1978,83 с.

22. Славуцкий В.А., Попов Г.В. Современные технические средства для автоматического контроля влажности сыпучих строительных материалов. Строительные материалы, 1979, №12, с. 20-21.

23. Славуцкий В.А., Чернилова А.Я., Гревнин Д.А. Многоситовой гранулометр с аналоговым устройством для обработки и регистрации данных просева. Энергетическое строительство, 1977, №12, с.86-87.

24. Хаютин Ю.Г., Дорф В.А. Технологический алгоритм регулирования качества бетона. Бетон и железобетон, 1978, №9, с. 31-33.

25. Ким К.Н., Смальтер Э.Д., Канетов М.С. Автоматический регулятор подвижности бетонной смеси. Бетон и железобетон, 1974, №1, с. 12-13.

26. Кайсер JI.A., Левин Л.И. автоматизация производства сборного железобетона. М.: МДНТП, 1972, 16 с.

27. Дорф В.А. Способы подбора состава бетона с заданными свойствами. -М.: ВИНИТИ, 1976, 52 с.

28. Комар А.Г. Строительные материалы и изделия. М.: Высшая школа, 1986, 562 с.

29. Майрановский Ф.Г., Дорф В.А., Славуцкий В.А., Беркут А.И. Строительные материалы, 1981, №4, с. 16-17.

30. Славуцкий В.А., Гревнин Д.А., Лукьяненко С.С., Федько В.В. Автоматизация дозирования бетонной смеси. Механизация и автоматизация производства, 1982, №10, с. 4-5.

31. Барский Р.Г. Основы теории и построение систем автоматизированного управления процессами многокомпонентного дозирования строительных смесей. Автореферат докторской диссертации. - М.: МАДИ, 1988, 47 с.

32. Агрба Н.З. Система автоматизированного связанного управления дозированием бетонной смеси максимальной производительности с изменяющейся структурой. Автореферат кандидатской диссертации. -М.: МАДИ, 1990, 20 с.

33. Умирбеков Д.А. Высокоточная система автоматизированного управления процессом многокомпонентного дозирования смеси строительных материалов. Автореферат кандидатской диссертации. - М.: МАДИ, 1991, 13 с.

34. Лисовский Г.А. Разработка метода поэтапного управления процессом многокомпонентного дозирования при оценке качества по минимаксному критерию. Автореферат кандидатской диссертации. - Ташкент: АН УзССР, 23 с.

35. Поляков С.Н. Автоматизация дозирования и учета расхода компонентов бетонных смесей. Автореферат кандидатской диссертации. - Воронеж: ВГТУ, 1994, 17 с.

36. Марсов В.Н. Синтез связных систем автоматизации процессов непрерывного дозирования компонентов бетонной смеси. Автореферат докторской диссертации. - М.: МАДИ, 1986, 32 с.

37. Осипов А.Б. Автоматизация процесса непрерывного дозирования дорожно-строительных материалов на основе дозаторов интеграторов расхода. Автореферат кандидатской диссертации. - М.: МАДИ, 1987, 17 с.

38. Биттеев Ш.Б., Барский Р.Г. Управление процессом дискретного дозирования технологических (промышленных) смесей и их оптимизация. -Алматы, 1995, 316 с.

39. Живоглядов В.П., Никулин Л.Н. Автоматизация процессов производства композиционных материалов. Фрунзе: Илим, 1984, 214 с.