Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВОЗВЕДЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ИЗ МОНОЛИТНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Минцаев Магомед Шавалович

МОСКВА - 2010 г.

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном

государственном техническим университете (МАДИ)

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

НИКОЛАЕВ Андрей Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор МАДГТУ (МАДИ)

МАКСИМЫЧЕВ Олег Игоревич

Заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизация производства, робототехника и мехатроника» ЮРГТУ

БУЛГАКОВ Александр Григорьевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой

"Электроника и информатика" МАТИ-РГТУ им. К.Э.Циолковского

БЕНЕВОЛЕНСКИЙ Сергей Борисович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Комплексный научно-исследовательский институт РАН (КНИИ РАН), г. Грозный

Защита состоится “27” апреля 2010 г. в 10⁰⁰ на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект д.64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДГТУ (МАДИ)

Автореферат разослан “___”_______2010 г.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять в адрес совета института.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Михайлова Н.В.

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Промышленное строительство даже в условиях экономического кризиса в РФ является перспективным направлением строительной индустрии и его капитальные объемы, по мнению большинства экспертов, в ближайшие годы будут только возрастать. В настоящее время доля промышленных сооружений в общей стоимости строительно-монтажных работ составляет более 25%, а номенклатура типов и видов промышленных сооружений включает более 100 наименований.

Изменение конфигураций, увеличение объема массы и высотности промышленных объектов, а также требования к повышенной прочности требуют внедрения новых более эффективных технологий строительства, совершенствование которых должно идти путем не только технической модернизации отдельных операций возведения, но и органическим включением в эти процессы систем управления на базе современных средств вычислительной техники.

По сравнению с другими технологиями, монолитное строительство, требует меньше средств и времени для создания индустриальной базы и выполнения подготовительных работ, а также обеспечивает высокие эксплуатационные качества, повышенную жесткость и трещиностойкость сооружений. Именно по этой причине монолитное строительство успешно применяется крупными строительными компаниями при возведении таких промышленных объектов, как дымовых труб, градирен, силосов, тяжелых колонн, различных резервуаров, энергетических объектов, подпорных стенок и других сооружений промышленного назначения.

Повышение качества выпускаемой бетонной смеси (БС), интенсификация процессов её производства, эффективность транспортирования к месту укладки, распределения по местам бетонирования, уплотнения и выдерживания, требуют создания и внедрения новых технических и технологических решений с учетом встраиваемости в процесс элементов и систем автоматизированного управления.

Объекты монолитного строительства промышленного назначения разнообразны не только по своему конструктивному исполнению и набору технологических операций по их возведению, но и возможностей их автоматизации, опирающейся на совокупность технических средств получения, преобразования и использования управляющей информации. Это многообразие и зачастую нестандартность всего комплекса задач управления процессами по их возведению требует реализации полностью автоматизированного режима работы, как бетоносмесительной установки (БСУ), так и средств транспортирования, распределения, укладки БС и выдерживания бетона на строительной площадке. Приведение в соответствие технической насыщенности всех переделов технологического процесса (ТП) возведения монолитной конструкции и, наиболее производительной непрерывной технологии, требует разработки методов синтеза систем автоматизированного управления не только отдельными техническими устройствами, но и всем комплексом технологического оборудования.

Необходима разработка системы комплексной автоматизации процесса возведения промышленного монолитного сооружения (ПМС), которая должна опираться на триединство специфических индивидуальных характеристик объектов бетонирования, технологически обусловленной последовательности операций, реализующих данный процесс, и системы автоматизации, обеспечивающей непрерывность и согласованность отдельных технологических переделов в соответствии с заданными критериями оптимальности.

Каждый из перечисленных элементов идеологии создания комплексной системы автоматизированного управления несёт в себе индивидуальные черты, определяющие специфические методы и технические средства реализации в едином контексте сочетания технологии и управления.

Именно поэтому становится актуальным решение теоретических и практических задач синтеза комплексных иерархических систем управления непрерывным процессом возведения промышленных монолитных сооружений с использованием технических устройств различного принципа действия и конструктивного исполнения. Необходимо раскрыть новые качественные свойства этих систем, которые в полной мере окупят затраты на модернизацию и технические средства управления.

Цель и основные задачи исследования

Целью настоящей работы является решение научной проблемы создания комплексной системы автоматизированного управления непрерывными процессами возведения промышленных монолитных сооружений. В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи:

· разработка концепции системного проектирования комплексной системы автоматизированного управления процессом возведения промышленных монолитных сооружений;

· обоснование наиболее перспективной структуры ТП возведения ПМС, исходя из специфических характеристик объекта бетонирования, последовательности технологических операций, реализующих процесс бетонирования и системы управления этими операциями и всем ТП в целом;

· разработка принципов и теоретических основ формирования структуры многоуровневых систем управления ТП ПМС;

· разработка принципов и механизмов формирования математических моделей процессов приготовления БС и операций бетонирования;

· создание методов оптимизации качественных характеристик локальных подсистем автоматизации, как элементов комплексной системы управления;

· создание методики моделирования локальных систем автоматизации;

· экспериментальная проверка и практическое опробование методов комплексного управления процессами возведения ПМС.

Методы исследования

Теоретической основой диссертационной работы являются положения теории автоматического управления, теории систем, методы оптимизации, случайные процессы, методы математического моделировании и другие.

Научная новизна

Новым в работе является совокупность научных положений, которые легли в основу разработки теоретических и практических методов анализа и синтеза иерархических систем автоматизированного управления процессами возведения ПМС.

Получены следующие научные результаты:

· сформулирована концепция и решена проблема связного автоматизированного управления процессами возведения ПМС, использующих локальные подсистемы автоматизации приготовления БС и операций бетонирования;

· предложен оптимальный вариант наиболее полной по своим структурным и функциональным возможностям многоуровневой иерархической системы связного управления процессами возведения ПМС;

· разработаны принципы и механизмы формирования математических моделей операций и переделов непрерывного процесса возведения промышленных монолитных сооружений в соответствии с выбранными критериальными функциями;

· разработаны методы оптимизации качественных характеристик локальных технических устройств формирования ТП возведения ПМС, как элементов связных иерархических систем;

· разработан метод комплексного анализа и синтеза элементов, как локальных составляющих комплексной системы автоматизации ТП возведения ПМС

Положения, выносимые на защиту

· теоретические основы расчета и проектирования нового класса систем связного управления ТП непрерывного возведения ПМС, использующих локальные подсистемы автоматизации процессов смесеобразования и бетонирования;

· принципы формирования наиболее полных по своим структурным м функциональным возможностям многоуровневых систем управления процессами возведения ПМС;

· принципы и механизмы формирования математических моделей статической оптимизации связной системы непрерывного возведения ПМС в соответствии с предложенными критериальными ограничениями на область их изменения;

· метод управления качественными характеристиками бетонной смеси и процесса бетонирования на основе методологических принципов функционирования связных многоуровневых иерархических систем управления сложно-структурированными объектами;

· единая методология оптимизации качественных характеристик локальных устройств технологического процесса различного принципа действия и конструктивного исполнения, как элементов связных систем непрерывного процесса возведения ПМС на основе принятых критериев оценок;

Практическая ценность и реализация результатов

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований составляют новое направление в области теоретических и практических методов анализа и синтеза иерархических систем управления непрерывными процессами производства бетонной смеси и бетонирования, обеспечивающих реализацию существенно новых способов повышения качества и сроков возведения ПМС.

Результаты работы носят с одной стороны обобщающий характер, очерчивая и обосновывая возможность реализации целого класса принципиально новых многоуровневых систем связного управления непрерывными процессами возведения ПМС, а с другой стороны, имеют практическую направленность, предлагая ряд методов расчета конкретных структур различных принципов действия.

Предложенный в работе системотехнический подход ко всем технологическим применениям и устройствам различного принципа действия, вскрывает их внутреннее единство как систем регулирования и стабилизации заданных параметров при возведении промышленных монолитных сооружений, устанавливая закономерности внутреннего структурного и функционального взаимодействия отдельных элементов.

Показана возможность оперативного варьирования основными качественными характеристиками бетонной смеси (подвижность, удобоукладываемость) и компенсации ошибок дозирования компонентов бетонной смеси, обеспечивающих существенное улучшение её качественных показателей.

Обоснована возможность использования в схемах непрерывного дозирования наиболее простых по своему конструктивному исполнению дозаторов-измерителей расхода с разомкнутой системой измерения и компенсирующей обратной связи по производительности питателя.

Предложенные методы и технические средства автоматизированного управления процессами транспортирования, укладки и уплотнения бетонной смеси позволяют не только оптимизировать качественные характеристики производства операций по непрерывному бетонированию объектов монолитного строительства промышленных объектов, но и существенно сократить долю малоквалифицированного ручного труда, повысить степень его интеллектуализации.

Разработанные принципы автоматизированного управления тепловой обработкой бетона в процессе выдерживания, позволяют наряду с сокращением цикла набора заданной прочности, повысить качество монолитного сооружения.

Практическую ценность работы составляет новая структурная схема автоматизированного управления процессом возведения ПМС, реализованная на предложенных принципах, а также методы расчета настроечных параметров проектируемых и находящихся в эксплуатации систем автоматики.

Разработанные методы и рекомендации прошли апробацию и внедрены для практического применения в ООО «Технопромстроймонтаж», ООО «МОЭМ-Технострой-В», ОАО «Волгогипроавтотранс».

Результаты внедрения и эксплуатации подтвердили работоспособность и эффективность разработанных методов.

Достоверность научных положений

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом аналитических и экспериментальных данных, непротиворечивостью и воспроизводимостью результатов, полученных теоретическим путем.

Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения работы в ряде строительных предприятий.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на 65-й, 66-й и 67-й научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДГТУ (МАДИ), кафедрах «Автоматизация производственных процессов» и «Автоматизированные системы управления» МАДГТУ (МАДИ), на международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2006» (г. Москва), 30-й Московской международной выставке «Образование и карьера - XXI век» (Москва, 12-14 ноября 2009 г.), IX Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ - 2009» (24-27 июня, Москва, ВВЦ).

Публикации

Основные научные результаты диссертации изложены в 42 печатных работах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, библиографического списка из 212 наименований, двух приложений. Работа изложена на 374 страницах машинописного текста.

2. Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, определяются границы предметной области, рассматриваемой в диссертации, а также формулируются цели и задачи исследований, характеризуется научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проводится анализ технологических операций и особенностей возведения объектов промышленного назначения (градирен, силосов, труб и других сооружений с различной конфигураций поперечных сечений) из монолитного бетона и железобетона с точки зрения непрерывности их выполнения и места систем автоматизированного управления в организации этих процессов.

Анализ наиболее распространенных промышленных объектов монолитного строительства показал, что при разработке комплексной системы автоматизации необходимо исходить из особенностей используемого технологического оборудования и технологических операций их возведения: непрерывности технологического цикла; методов, способов и технических средств автоматизации, обеспечивающих оптимизацию качественных показателей процесса.

Технология возведения промышленных монолитных сооружений в скользящей опалубке идентична непрерывному технологическому процессу промышленного цеха, которая обеспечивает непрерывные процессы приготовлении, подачи, распределения бетонной смеси и выдерживания бетона в опалубке. С помощью скользящих опалубок можно обеспечить реализацию различных архитектурных форм промышленных объектов с различным поперечным сечением (рис. 1), а также обеспечить максимальные скорости выполнения бетонных работ.

Рис. 1. Промышленные монолитные объекты

Строительство дымовых труб, градирен, башен и других сооружений переменного сечения выполняется с помощью специальных систем скользящей опалубки, отличительной особенностью которых является наличие радиально и тангенциально устанавливаемых регулирующих устройств, обеспечивающих сведение или разведение щитов опалубки, чем достигается возможность регулирования. Особенно эффективно возведение в скользящей опалубке промышленных монолитных объектов повышенной высотности до 300 - 400 м (рис. 2).

Можно выделить достаточно полный и наиболее характерный набор технологических переделов (опалубочные, арматурные, бетонные работы) и операций (приготовление бетонной смеси, подача и укладка смеси в опалубку и др.) процесса возведения монолитных сооружений, сочетание которых обеспечивает реализацию различных строительных технологий (рис.3).

Как правило, большинство из них требует привлечение для своего выполнения малоквалифицированного ручного труда и только ряд операций автоматизированы или могут быть сделаны таковыми.

Система автоматизации должна отражать в своей структуре и алгоритмах комплексный характер управления, подразумевающий объединение задач оперативного управления отдельными операциями технологического цикла и технологического процесса возведения сооружения в целом. Такая интегрированная система управления в силу своей сложности, размера и разнообразия предполагает наличие блоков управления верхнего уровня с функцией координации отдельных локальных подсистем для исключения замедления темпов производства работ и возникновения непроизводительных расходов.

Локальные системы автоматизации, т.е. блоки управления нижнего уровня, управляют самим технологическим процессом в реальном масштабе времени. Они осуществляют функции контроля и управления физическим процессом производства БС и бетонирования. На этом уровне производится оптимизация отдельных подпроцессов, осуществляется текущий контроль за ходом выполнения операций. К этому уровню также относятся входные и выходные устройства, измерительные приборы и средства индикации.

Рис.3. Технологический процесс возведения монолитного сооружения

Предложенная идеология определяет некоторые общие принципы, которые должны быть положены в основу формирования конкретной автоматизированной структуры технологического процесса возведения промышленных объектов из монолитного железобетона. Она определяет совокупность конкретных требований, которым должен удовлетворять как технологический процесс, так и связанная с ним система автоматизации.

Это требование, с одной стороны, заставляет выбирать только такую последовательность операций, управление которыми может быть автоматизировано. С другой стороны, это идентифицирует только те объекты промышленного монолитного строительства, которые могут быть возведены с помощью выбранной автоматизированной технологии. Решаемая проблема находится на пересечении двух множеств, первое из которых представляет собой автоматизированные операции, а второе - объекты монолитного строительства, возведение которых возможно с помощью объединенных определенным образом технологических операций.

Общие положения формирования автоматизированной системы управления непрерывными технологическими процессами, должны опираться на методологию, определяемую особенностями существующих технологий возведения промышленных объектов из монолитного железобетона. Принципы, положенные в основу автоматизированной технологии процессов приготовления, подачи, распределения, укладки и уплотнения бетонной смеси при возведении монолитного сооружения, могут быть реализованы в виде комплексной системой автоматизации, обобщенная структура которой представлена на рис. 4.

Структура комплексной системы автоматизации состоит из двух основных уровней, оперативного управления отдельными операциями технологического процесса и статической оптимизации, информация от которых поступает на самый верхний уровень - управления предприятием. Современные тенденции развития систем автоматизации направлены в сторону наибольшей интеграции уровней управления технологическими процессами и бизнес-процессами, а большинство автоматизированных систем управления в настоящее время построены именно по такому принципу.



Рис. 4. Обобщенная структура комплексной системы автоматизации ТП возведения промышленного монолитного сооружения:

1 - подсистема управления процессом приготовления БС; 2 - подсистема управления процессами подачи, укладки и уплотнения БС; 3 - подсистемы управления подъемом опалубки и выдерживанием БС; Д - датчики; ИМ - исполнительные механизмы; ЛУУ - локальное управляющие устройства, ЦУУ - центральное управляющее устройство; АРМ - автоматизированное рабочее место; БД - база данных, АСУП - автоматизированная система управления предприятия

На нижнем оперативном уровне комплексной системы управления, находятся датчики (Д) для сбора информации и исполнительные механизмы (ИМ), осуществляющие непосредственное изменение состояния технологического оборудования. Информация с датчиков поступает на локальные управляющие устройства (ЛУУ), которые выдают управляющие воздействия на исполнительные механизмы.

Система предполагает оптимизацию рецепта бетонной смеси на основании полученной за определенный промежуток времени информации о качестве исходных материалов и промежуточных качественных характеристиках БС и твердеющего бетона. ЛУУ выполняют сбор, первичную обработку и хранение информации о состоянии оборудования и параметрах технологического процесса; автоматического логическое управление и регулирование; исполнение команд с уровня оперативного управления и статической оптимизации; самодиагностику работы программного обеспечения и состояния самого контроллера; обмен информацией с пунктами управления и т. д.

Современные принципы и методы автоматизации сложно-структурированных технологических процессов реализуются на основе специализированных управляющих вычислительных комплексов со стандартной комплектацией, включающих в себя программируемые логические контроллеры (ПЛК), интеллектуальные модули ввода-вывода и т.д. Примерами таких программно-технических комплексов могут служить аппаратные и программные средства автоматизации фирм Текон, Siemens, Allen Bradley, Schneider Electric, МЗТА и др., которые предлагают ПЛК, модули ввода-вывода и целый ряд интеллектуальных устройства, имеющих высокие коммуникационные и вычислительные возможности.

Связь между локальными контроллерами, датчиками, исполнительными механизмами и центральным устройством управления, как правило, осуществляется с помощью специализированных промышленных сетей (Modbus, HART, DeviceNET и др.), т.к. это позволяет с помощью одной линии связи управлять целым рядом устройств и получать информацию с первичных измерительных приборов.

Для организации связи между центральным вычислительным устройством, автоматизированными рабочими местами операторов, базой данных и другими объектами оперативного управления и статической оптимизации возможно использование информационных сетей типа Ethernet.

Современные программные системы проектирования и управления для автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) типа SCADA позволяют организовать полный интерфейс между различными уровнями. Таким образом реализуется принцип интеграции не только уровней оперативного управления и статической оптимизации, но и, считавшегося недоступным для объединения с чисто технологическими задачами - уровня управления предприятием.

Предлагаемая концепция автоматизации применительно к ТП возведения монолитных промышленных объектов реализуется в соответствии с конкретным пооперационно-технологическим и информационно-техническим наполнением комплексной системы автоматизированного управления.

Технико-экономические преимущества заводов и установок с непрерывной технологией производства, по сравнению с аналогами периодического действия очевидны. Однако проблема непрерывного автоматизированного технологического процесса возведения ПМС охватывает круг вопросов, связанных с разработкой новых принципов и методов автоматизации. Только таким образом удается существенно повысить технико-экономические показатели производства, избежать влияния значительных колебаний количественных и качественных характеристик сырья, отклонений режимов функционирования отдельных агрегатов на качественные характеристики бетона.

Эффективное функционирование ТП со сложно соподчиненными агрегатами возможно только с помощью комплексной автоматизации, которая должна обеспечить такую структурно-функциональную связь элементов, при которой достижение заданной цели всего процесса наиболее вероятно.

С использованием вычислительной техники изменяется концепция создания систем автоматизации технологических процессов, обуславливая тем самым максимальную интеграцию технологии, технических средств и управления. Это позволяет не только реализовать алгоритмы управления высокой степени сложности в реальном масштабе времени, но и воспроизвести физические структуры неизменяемой части системы в вычислительной среде.

Решение проблемы требует использования системного подхода, когда акцент с качественных характеристик отдельных агрегатов и устройств управляемой системы переносится на определение качественных характеристик всей системы в целом. Меняется не только структура системы управления, которая приобретает свойства многоуровневости и иерархичности, но и сам характер взаимодействия отдельных технологических устройств. Начинает проявляться в структуре управления принцип связности, качественно изменяющий подход к оценке свойств системы и методам ее синтеза.

Однако отсутствует единая теоретическая база для анализа и синтеза непрерывных процессов возведения ПМС, как комплекса взаимосвязанных технологических операций в едином контексте проблемы интеграции технологии, технических средств реализации разнородных технологических операций и многоуровневой системы управления, функционирующей на основе критериев оптимизации. В имеющихся научных исследованиях основной акцент сделан на принципы автоматизации отдельных агрегатов, а не группы взаимосвязанных устройств, работающих в общем технологическом комплексе. Поэтому, необходимо решение научной проблемы создания комплексной системы автоматизированного управления непрерывным процессом возведения промышленных монолитных сооружений.

Во второй главе разработаны методологические принципы проектирования автоматизированной системы управления непрерывным технологическим процессом возведения ПМС.

Для обеспечения управления процессом стабилизации характеристик бетонной смеси и бетона на строительном объекте необходим канал передачи информации о динамике изменения подвижности и прочности бетона от строительного объекта и БСУ на верхние уровни комплексной системы автоматизации. Поступающие с уровня оптимизации управляющие воздействия стабилизируют показатели качества БС, корректируя их заданные значения в процессе приготовления.

Существует практическая и теоретическая потребности для разработки комплекса методов и средств эффективного управления качественным подбором рецептуры бетонной смеси на БСУ, а также качественными характеристиками последующих операций транспортирования, распределения, уплотнения и выдерживания.

Наличие контролируемых характеристик материалов и имеющее место изменение характеристик смеси и бетона в процессе транспортирования, характеризуемых случайными отклонениями, делает целесообразным применение многоуровневой системы управления (рис.5).

Рис 5. Система управления процессом возведения ПМС

При управлении сложными системами неизбежно разделение функций управления на иерархической основе. Элементы иерархии на верхних уровнях осуществляют воздействие на ход технологического процесса не прямо, а через управляемые устройства нижестоящего уровня, вырабатывая для них найденные методами статической оптимизации задающие воздействия. Последние реализуются в автоматическом режиме локальными системами.

Задачи статической оптимизации и регулирования представляют собой как бы два непересекающихся множества со своим набором методов и средств решения. Однако, необходима регулярная коррекция значения критерия оптимизации и настройка регулятора в зависимости от изменяющихся технологических параметров с дискретностью, определяемой полнотой информации об отклонении результата действия процесса от его оптимального значения. Взаимосвязь подобных задач очевидна и может быть реализована вполне органично только в многоуровневых иерархических моделях управления.

Выделение уровней в системе управления определяется объемом, поступающей на этот уровень информации, а следовательно и периодичностью ее использования для управления на нижних уровнях системы. Существенным в такой системе является периодичность изменения верхними уровнями иерархии значений настроечных параметров элементов нижнего уровня, которая возрастает при движении по иерархии сверху вниз. Как раз это свойство дает возможность объединить задачи статической оптимизации и автоматического регулирования, решаемые на различных уровнях иерархии. Для локальных систем характерен режим непрерывного автоматического управления по заданной программе или режим стабилизации. Изменение самого задания должно происходить с изменением статистических характеристик ТП. Поэтому, по каналу задания прикладываются корректирующие управления в конце каждого цикла, в течение которого можно получить исчерпывающую информацию о процессе. Такой принцип управления в реальном масштабе времени может быть реализован только в многоуровневой иерархической системе, когда непрерывный процесс управления условно разбивается на дискретные интервалы с заданной периодичностью приложения корректирующих воздействий.

Параметры управляющих воздействий локальных систем целенаправленно изменяются для осуществления лучшего управления локальными объектами. Верхние уровни управления системой функционируют на основе статистических сведений о параметрах исходных материалов и процесса. Эти уровни обеспечивают управление системой по усредненным, интегрированным параметрам. Здесь не требуется оперативная оптимизация в каждый момент времени. Оптимизация ведется на основании объема информации, достаточного для качественной характеристики процесса. Выявив достаточный для объективной оценки хода технологического процесса объем информации, осуществляется коррекция настроек локальных систем автоматики. Изложенные принципы структуризации САУ позволяют представить функциональную схему (рис. 6) в виде трехуровневой иерархии.

Это позволяет сформулировать требования к управляющим элементам многоуровневой иерархии в контексте системных представлений. Их координирующие воздействия, используя информацию о воздействиях локальных подсистем нижнего уровня на ТП, должны следовать с меньшей, чем у них, периодичностью. Таким образом в иерархической системе взаимодействие локальных подсистем автоматического управления происходит через координирующий элемент более высокого уровня, что позволяет развязать уровни управления и достичь оптимального значения глобального критерия не по множеству реализаций, а в процессе оперативного регулирования в каждом условно - дискретном цикле управления. Теоретической базой для решения поставленной проблемы является системный подход, обосновывающий этапы, научные и инженерные орудия проектирования «больших» систем. Существует ряд характерных особенностей, законов и принципов, с помощью которых описывается поведение таких систем, выделяемых в особый класс многоуровневых иерархических.



Рис.6. Функциональная схема трехуровневой системы автоматизации Р - регулятор; ТО - технологический операция; БС - бетонная смесь; Б -бетон

Основной задачей проектируемой системы управления должно быть приведение в соответствие разнообразия возмущающих воздействий с разнообразием реакций управляющей части. Наиболее важным структурным принципом проектирования иерархических систем является положенный в его основу интеллектуальный алгоритм, называемый функциональной иерархией, в виде трех иерархически соподчиненных уровней: выбора, обучения и самоорганизации. Уровень выбора предполагает отыскание такого способа управления при заданной функции оценки, который бы позволил получать результат, удовлетворяющий выбранной оценке в условиях множества неопределенностей, отражающих незнание зависимости между действием и его результатом. Решение задачи на уровне обучения предполагает конкретизацию и, по возможности, сужение множества неопределенностей, с которыми имеет дело слой выбора. Дальнейшее структурное совершенствование проектируемой системы достигается на уровне самоорганизации изменением стратегии обучения, когда переход от одного варианта структуры к другому опирается на идеологию изменения стратегии обучения на уровне самоорганизации. Все многообразие проектируемых структур может быть упорядочено по выбранному основному признаку, который выступает в качестве критерия оценки.

Локальные объекты управления нижнего уровня образуют технологическую сеть, количественное изменение сложности которой приводит к качественному изменению свойств системы управления, сложность которой должна быть адекватна управляемому объекту.

В третьей главе произведена оптимизация процедуры расчета рецепта с учетом статистических качественных характеристик исходных материалов.

Подвижность БС в большой степени зависит от соотношения между песком и щебнем. Наилучшая подвижность достигается при некотором оптимальном соотношении, при котором толщина прослойки цементного теста максимальна. При содержании песка в смеси заполнителей сверх этого значения БС делается менее подвижной. Использование разнообразных материалов и способов приготовления БС часто ведут к заметным отклонениям водопотребности от средних значений, полученных по ориентировочным зависимостям.

При использовании стандартных характеристик материалов повышение точности технологических расчетов без их заметного усложнения может быть достигнуто применением интегральных характеристик заполнителей - их водопотребности , которая более точно учитывает влияние заполнителей на свойства БС и ее структурные характеристики: эффективного или истинного и объемной концентрации цементного теста. Под эффективным или истинным понимают такое водоцементное отношение, при котором бетонная смесь будет иметь ту же подвижность, что и цементное тесто. Хотя используемое для расчета рецепта значение может изменяться в некотором диапазоне, применяется его некоторое среднее значение, определяемое водопотребностью песка и щебня



где - соответственно расходы воды, песка, щебня и цемента; - постоянные коэффициенты; значения водопотребности песка и щебня .

Кроме водоцементного отношения, удобоукладываемость определяется значительным числом характеристик исходных материалов (гранулометрический состав песка, крупного заполнителя, расхода цемента, типа крупного заполнителя (КЗ), расходом воды, применением пластифицирующих добавок и пр.), влияющих на формирование рецепта БС и на изменение границ его существования.

Так, изменения среднего размера зерна и его среднего квадратического отклонения, влияющие на подвижность БС даны на рис. 7.

Условная удельная поверхность, определяемая гранулометрическим составом крупного заполнителя и рассчитанная, исходя из шарообразной формы зерен по результатам рассева, показана на рис. 8.

Изменение насыпной плотности в сухом, влажном состоянии и истинной плотности крупного заполнителя, а также изменение пустотности представлено на рис. 9, 10. Как видно, изменение удельной поверхности песка (рис. 13) обратно пропорционально изменению модуля крупности (рис. 11). Данное обстоятельство вполне объяснимо зависимостью удельной поверхности песка от его крупности.

Указанные факторы, относящие к качественным характеристикам исходных материалов, показывают изменение подвижности в широком диапазоне (рис. 14).

Очевидно, что при расчете рецепта необходимо учитывать случайный характер изменения качественных характеристик исходных материалов БС, которые могут повлиять на выход рецепта из области ограниченной допустимыми значениями качественных характеристик.

Существующие алгоритмы расчета рецепта имеют, как правило, эмпирический характер структуры ряда формул и содержат большое количество опытных констант, что затрудняет применение их на практике. Эти алгоритмы отражают по существу детерминированный подход к расчету рецепта смеси. Результат статистического анализа факторов, влияющих на качество смеси, сводится в этом случае к получению их математического ожидания, величины которых и ложатся в основу детерминированного расчет рецепта. Более эффективный расчет рецепта должен учитывать еще одну обязательную для случайных процессов качественную характеристику в виде дисперсии случайного распределения, как это видно из рис. 6 -14. Однако, и в этом случае информационные характеристики состава смеси будут не полными. Необходимо перейти к расчету состава БС в области заданных ограничений на ее качественные параметры.

Качество смеси формируется на основе оперативной информации о свойствах сырьевых компонентов. Существует определенная область изменения параметров качества , в пределах которой они не оказывают отрицательного влияния на ход процессов формирования готовых изделий, не увеличивают потери от брака, т.е. существуют ограничения на допустимые изменения параметров .



Так как глобальным критерием всей системы служит качество промежуточного или конечного продукта Q, то задача управления формируется как задача максимизации вероятности попадания качества в заданную технологическими нормами область со своими верхней Q_В и нижней Q_Н границами изменения Q:

. (1)

В непрерывном технологическом процессе фиксирование отклонений технологических показателей качества за цикл управления позволяет скорректировать граничные значения Q_В и Q_Н с помощью алгоритмов статической оптимизации, найти новое значение глобального критерия и определить новые значения заданий локальных систем нижнего уровня иерархии для следующего цикла управления.

Состав большинства строительных смесей основан на аддитивной зависимости параметров от соответствующих свойств -х компонентов:

или ,

где - - матрица свойств компонентов, - процентное содержание -го компонента в массе.

Таким образом, параметры отражают на более высоком уровне иерархии управления влияние на показатели качества смеси при подаче компонентов на смешение отдельных составляющих рецепта.

Доза - го компонента в порции массы определяется выражением =0.01.

Случайные ошибки дозирования компонентов приводят к отклонению , от их расчетных значений на величину, определяемую ошибками весодозирующей аппаратуры j-го компонента:

, ,

где - погрешность дозирования - го компонента принимает любое значение в интервале .

При этом величины , являясь функциями , также приобретают случайный характер. При отсутствии систематических ошибок дозирования , математические ожидания не меняются, т.е. , но увеличивается дисперсия :

=()

Назовем вкладом -го компонента в -й параметр качества величину =, тогда:

,

Как правило, являются величинами одного порядка, а количество компонентов достаточно большим, что позволяет предположить нормальный закон распределения параметров . Если область описывается верхними и нижними границами изменения -х параметров, то вероятность Р попадания качества массы в область является мультипликативной функцией вероятностей попадания параметров в область , описываемую через интеграл Лапласа :

, (2)

где - - матрица вкладов , - - й столбец матрица Y, - n - вектор относительных погрешностей дозирования компонентов.

В формуле (2) математические ожидания и дисперсии определяются следующими выражениями:

,

.

Если математические ожидания так же, как не зависят от случайных ошибок дозирования, то это сказывается лишь на изменении дисперсии параметров . При симметричности законов распределения относительно , максимум вероятности (2) будет обеспечен при , () и при условии:

, , (3)

котороеозначает совпадение с центром отрезка . Условие (3) чаще всего выполняется, так как физико-химические свойства компонентов имеют нормальное распределение, а процентные содержания подбираются таким образом, чтобы компенсировать флуктуации .

, (4)

При отсутствии ошибок дозирования величина вероятности максимальна и равна . Случайные ошибки дозирования -го компонента j уменьшают вероятность на величину . Для того чтобы обеспечить попадание всех элементов вектора в область задачи (1) по принципу абсолютно гарантированного результата состав строительных смесей не должен выходить за область ограничений:

, (). (5)

более узкую, чем область (1).

Следуя критерию эффективности системы управления, можно заменить детерминированные ограничения (5) менее жесткими, вероятностными условиями, а именно, вместо (5) потребовать выполнения этих ограничений с вероятностью, не ниже заданной:

,

где .

которые имеют ту же структуру, что и (4).

Таким образом, состав смеси, гарантирующий требуемое качество при случайных ошибках дозирования с вероятностью, равной , должен соответствовать решению детерминированной задачи математического программирования:

.

Расчет состава смеси, со случайными значениями качественных параметров в области заданных ограничений, предполагает приближение каждого параметра качества к его оптимальному значению. С другой стороны, в режиме непрерывного приготовления БС, информация об ошибках дозирования поступает и накапливается на втором уровне статической оптимизации рецепта, где она периодически обрабатывается и используется для пересчета рецепта.

В четвертой главе рассмотрены вопросы автоматизации процессов приготовления бетонной смеси - дозирования и смешивания.

Системы дозирования могут быть упорядоченными в рамках единой классификационной схемы, концептуальная важность которой состоит в объединении на каждом уровне принятых существенных структурных признаков классификации дозирующих систем различных типов и принципов действия.

Каждый уровень разработанной классификации (рис. 15) соответствует своему типу систем в зависимости от характера и иерархического расположения и взаимодействия её элементов, образуя по вертикали последовательные классы одноуровневых одноцелевых, одноуровневых многоцелевых и многоуровневых многоцелевых систем.

Рис. 15. Классификация систем непрерывного дозирования

Указанные структуры входят в континуум усложняющихся функциональных иерархий различной степени управляемости. На каждом уровне классификации можно выделить разряды, включающие в себя континуумы однородных по типу функциональной иерархии систем одной модификации, отличающихся «степенью управляемости» и достижения заданного значения критерия выбранного уровня. Полный континуум одноуровневых одноцелевых моделей показывает, что «степень управляемости», понимаемая как некое интегральное свойство систем дозирования в части увеличения их потенциальных возможностей, качественного совершенствования за счет богатства вариаций структурных элементов и типов управления, повышается при движении по континууму от разряда к разряду.

Классификация позволяет ранжировать все одноуровневые одноцелевые системы непрерывного дозирования. Из нее видно, что наилучшими метрологическими характеристиками обладают дозаторы-интеграторы расхода с разомкнутой схемой измерений и корректирующей обратной связью. Такие дозаторы имеют эффективный механизм ослабления влияния амплитудных значений входного сигнала, введением корректирующих связей по выходному сигналу транспортера, позволяющих изменять производительность питающего устройства в зависимости от значений массы материала на ленте.

Структурная схема дозатора-интегратора расхода с разомкнутой схемой измерений и корректирующей обратной связью представлена на рис. 16.

Исследование свойств дозаторов с корректирующей обратной связью осуществлено с помощью интегральных оценок и в первую очередь квадратичной, величина которой связана не только со временем, но и с видом переходного процесса. Анализ эффекта введения корректирующих обратных связей различного вида показал, что наиболее эффективной является структурная схема с пропорционально-интегральной (ПИ) обратной связью, в которой за настроечные параметры системы необходимо выбирать коэффициент усиления и постоянная времени обратной связи .



Рис. 16. Структурная схема дозатора-интегратора расхода с обратной связью

Выбор настроечных параметров дозаторов непрерывного действия с ПИ - корректирующими связями произведен с помощью нормированной F-диаграммы, на которую нанесены кривые равных значений квадратичных интегралов в безразмерной форме.

Процесс смешивания. Для получения смеси с заданной консистенцией и однородностью необходимо выдерживать оптимальную продолжительность смешивания составляющих БС.

Для решения поставленной задачи разработана самонастраивающаяся система автоматического управления (рис. 17).

Рис.17. Структура адаптивной системы управления

ВД - датчики консистенции; ЛУУ - локальное управляющее устройство; ЗД - задатчик марки бетона и минимального времени перемешивания; Y₁ - исполнительный механизм коррекции подачи воды в бетоносмеситель; Y₂ - исполнительный механизм разгрузки смеси при достижении однородности ; М - двигатель смесителя; F_B - внешнее возмущающее воздействие

Время перемешивания в смесителе будет переменной неизвестной величиной, зависящей от консистенции смеси, которая в свою очередь зависит от внешних факторов - Fв (влажность песка, марка бетона, износ лопастей, трение в подшипниках смесителя и др.). Локальное управляющее устройство ЛУУ вместе с объектом управления является обычной неадаптивной автоматической системой (связь 1 - открытие затвора Y₂ по истечении заданного по программе времени перемешивания и включение привода М бетоносмесителя). Показатели смеси контролируются датчиками консистенции ВД, сигналы от которых поступают на ЛУУ. При достижении оптимальной консистенции смеси вырабатывается команда на открытие затвора бетоносмесителя Y₂, что свидетельствует о готовности дозы.

Необходимо отметить, что минимальное дозирование воды в основном технологическом процессе осуществляется для каждого рецепта замеса на 80-85% независимо от влажности заполнителей, а окончательная подача воды подается непосредственно в бетоносмеситель клапаном Y₂ по мере приближения консистенции смеси, контролируемой сигналами датчиков. Для измерения консистенции БС в процессе перемешивания используется виброакустический метод.

Для организации непрерывного процесса подачи БС бетононасосом в место бетонирования необходима система сдвоенных бетоносмесителей, работающих попеременно и разгружающих готовую смесь в общий накопительный бункер.

В пятой главе решаются задачи построения локальных систем автоматизированного управления процессами подачи, укладки и уплотнения БС в опалубку.

Существующие требования технологического процесса транспортирования БС при помощи бетононасоса предопределяют использование исполнительных устройств гидравлического принципа действия. Они обладают большой надежностью, плавным характером регулирования с большим диапазоном перемещений, большим перестановочным усилием, высокой чувствительностью и быстродействием.

С учетом изменения скорости v перемещения штока силового гидроцилиндра , линейное дифференциальное уравнение гидропривода бетононасоса с учетом нагружения БС, перемещаемой по бетоноводу, будет:

. (6)

, (7)

где - постоянная времени, учитывающая сжимаемость гидрожидкости; - постоянная времени, учитывающая инерционность нагрузки; - коэффициент усиления по скорости; V₀ - объем полости гидродвигателя; E_п - приведенное значение объемного модуля упругости гидрожидкости; K_оп - коэффициент объемных потерь в гидроцилиндре.

Структурная схема модели гидропривода бетононасоса представлена на рис.18.

Первый участок структурной схемы показывает процесс преобразования входного сигнала в расход гидрожидкости на выходе золотникового гидрораспределителя и процесс формирования сигнала расхода в виде разности расхода ненагруженного золотника и эффективного расхода, обусловленного динамическим состоянием нагруженного гидродвигателя и рабочего органа. Второй и третий участки характеризуют процесс изменения давления и движущего усилия в гидродвигателе. Сила сопротивления F_с изменяется в широких пределах и представляет собой сложный комплекс сил сопротивления перемещению массы БС в бетоноводе.

Математическая модель гидропривода является достаточно идеальной, т.к. не учитывает состояние критического нагружения бетонасоса, когда активная сила перемещения БС по бетоноводу равна по величине силе сопротивления. Величина силы сопротивления - переменная и зависит от изменения массы нагружения. В этом случае модель гидропривода будет включать в себя нелинейное звено с существенно нелинейной статической характеристикой типа люфта.

Рис.18. Структурные динамические схемы гидропривода: а - линейная, б - нелинейная

При симметричных установившихся одночастотных колебаниях гармоническая линеаризация состоит в замене нелинейности F(х) выражением

,

в котором для нелинейности типа люфта

Для определения частоты и амплитуды A автоколебаний используются выражения

Исключая из этих уравнений величину K_Vx, определяется зависимость частоты от амплитуды A в виде

.,

причем автоколебания остаются устойчивыми только в ограниченном диапазоне изменения коэффициента усиления. На рис. 19 показаны области устойчивого равновесия и периодических режимов гидросистемы бетононасоса, границы которых определяются неравенством

. (8)

Поскольку в системе с зазором , то неравенство (8) может выполняться только при . Но при A < 2b, согласно Рис.19 величина отрицательна. Следовательно, нижняя ветвь кривой A(K_Vx) на Рис. 19 явно соответствует неустойчивому периодическому решению .

Рис.19. Области состояния системы управления гидросистемой бетононасоса

Для верхней же ветви неравенство (6) выполняется, так как при больших A величины , примерно равны, а величина .

При этом (6) заменяется приближенным неравенством (при ₁>0,5) или (при ₁<0,5), и для первого случая амплитуда автоколебаний определяется верхней ветвью кривой (рис.19.), а для второго - нижней. Границей устойчивости в отсутствие нелинейности является

Для укладки БС в опалубку используются стрелы-манипуляторы, состоящие из 3-5 шарнирно-сочленяемых секций, по которым проходит бетоновод. Для таких бетоноукладочных устройств их манипуляционная система должна выдерживать статические и динамические нагрузки БС, транспортируемой по бетоноводу, обеспечивая при этом необходимую точность позиционирования. Локальная система управления процессом укладки должна обеспечивать перемещение выходного звена манипулятора с необходимой точностью в условиях недетерминированной среды строительной площадки.

Наиболее важной и ответственной задачей управления укладкой БС является разработка оптимальной структуры манипулятора, удовлетворяющей сформулированным техническим требованиям, и определение ее кинематических параметров. Проведен структурно-кинематический анализ и выбрана кинематическая структура, параметры и траектория движения распределительного устройства. Анализ типов движений распределительного устройства и их характеристик позволяет разделить задачу построения структурных схем строительных роботов на составляющие, обеспечивающие передвижение манипулятора и его ориентацию. Из функциональных требований в первую очередь учитываются те, которые определяют формы, размеры и расположение рабочей зоны.