Введение к работе
Актуальность проблемы. Дозирование - технологическая операция большинства процессов производства строительных материалов и изделий, является одним из главных качествообразующих факторов формирования строительных смесей.
Новые тенденции технического и технологического перевооружения в строительной отрасли в изменившейся экономической ситуации, ужесточение технических условий и норм на выпуск готового продукта диктуют принятие только таких проектных решений, которые обеспечат существенное улучшение наиболее значимых показателей производства.
Традиционные технологии циклического и непрерывного дозирования являются отражением экономических, технологических и технических реалий предыдущего столетия. Был достигнут предел их технического совершенствования, не позволяющий кардинально изменить свойства этих систем, приблизить их технико-экономические показатели к новейшим, все более ужесточающимся требованиям производства.
Возможность перехода к более прогрессивным и экономически целесообразным методам автоматизированного управления связана с изменением технической базы строительного производства и комплектованием его новейшими средствами измерительной микропроцессорной техники. Это позволяет вовлечь ряд теоретических положений и идей концептуального характера в сферу практических приложений, предложить новые, нетрадиционные проектные решения, принципиально изменить сам подход к решению проблемы за счет многовариантного автоматизированного проектирования дозирующих систем. Именно поэтому назрела необходимость в проектировании смешанной схемы непрерывно-циклического дозирования, интегрирующей в себе оба технологических принципа производства строительных смесей. Отдельные, фрагментарные попытки опытного внедрения такой технологии на смесительных установках не дали ощутимого эффекта. Одной из причин этого является отсутствие комплексного подхода к специфическим особенностям проектирования дозаторов, как части системы автоматического формирования строительных смесей.
Необходима разработка повой концепция н методологических основ автоматизированного проектирования систем многокомпонентного непрерывно -циклического дозирования в едином контексте проблемы интеграции технология, технических средств дозирования, измерений и управления. Важнейшим в концептуальном плане становится комплексный подход к решению этой проблемы в рамках единой методологии проектирования иерархических систем. Прикладной интерес представляет реализация на основе предлагаемой методологии проектирования наиболее
простых в конструктивном отношении дозаторов - интеграторов расхода на «жестких» силоизмерителях с разомкнутыми схемами измерений, пригодных для решения широкого спектра задач производства многокомпонентных смесей в строительстве и других отраслях хозяйства.
Целью исследований является создание научно-методологических основ и практических методов автоматизированного проектирования нового класса систем многокомпонентного непрерывно - циклического дозирования строительных материалов.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.
На основе требований к структуре и ее функциональному наполнению определены методологические принципы проектирования технологии непрерывно — циклического дозирования многокомпонентных смесей на основе единой концепции ее представления в рамках понятий теории систем.
Используя концепцию системотехнического синтеза многоуровневых систем, обоснованы наиболее существенные классификационные признаки проектирования и на их основе осуществлена классификация систем непрерывно - циклического дозирования с выделением базовой, наиболее перспективной структуры.
Разработаны методы оптимального автоматизированного проектирования структуры и параметров управления систем непрерывно - циклического дозирования с замкнутыми схемами измерений линейного и нелинейного типов.
Синтезирована оригинальная модельная структура, адекватно отображающая процедуру возникновения технологических погрешностей дозирования, позволяющая обосновать методы проектирования систем непрерывно-циклического дозирования с разомкнутыми схемами измерений.
Сформирована система критериев оценки качественных характеристик локальных замкнутых и разомкнутых систем измерения расхода, а также связного многокомпонентного дозирования строительных смесей.
Разработана универсальная методология представления непрерывных технологических процессов в виде последовательности условно - дискретных интервалов с границами, определяемыми представительностью выборки случайных значений отклонений технологических параметров от номинала. Реализуется иерархический принцип преобразования информации, позволяющий совместить в одной системе задачи статической оптимизации и оперативного управления с четким разделением уровня влияния и способов сопряжения процессов управления различной периодичности.
Разработан принцип и механизм формирования статической оптимизационной модели проектирования связной многокомпонентной системы дозирования строительных
смесей с условно - вероятностными ограничениями на область изменения критериальной функции с учетом случайного характера изменения погрешностей дозирования.
Объект н предмет исследования. Процессы и системы непрерывно-циклического
дозирования компонентов строительных материалов; методология системотехнического синтеза иерархических систем автоматизации непрерывно-циклических процессов дозирования и ее программная реализация.
Методологические основы н методы исследования. Теоретические и расчетно-аналитические исследования базировались на фундаментальных положениях автоматизированного проектирования технических .систем, теории автоматического управления, теории систем, теории вероятностей и других областях науки. Экспериментальные исследования опирались на цифро-аналоговые методы моделирования и обработку результатов на ПЭВМ. Методологическая схема исследований представлена на рис. 1.
Научная новизна диссертационной работы
Впервые проведен системотехнический анализ специфических особенностей технологических процессов циклического и непрерывного производства строительных смесей в целях определения принципов оптимального автоматизированного проектирования структуры и функционального наполнения автоматизированной технологии многокомпонентного непрерывно-циклического дозирования.
Созданы научно-методические основы проектирования и практические методы построения автоматизированных систем непрерывно-циклического многокомпонентного дозирования в едином контексте проблемы интеграции технологии, технических средств дозирования, измерений и управления.
Используя концепцию построения многоуровневых иерархических систем, разработана при принятых функциях оценки классификационная схема проектирования дозирующих устройств непрерывно-циклического действия в виде упорядоченной последовательности качественно совершенствующихся структур. Классификация носит прогностический характер, позволяя определять место действующих систем в ряду подобных, оценивать потенциальные возможности и стратегию улучшения при проектировании их качественных характеристик, образовывая структуры с новыми свойствами.
Синтезирована модельная структура адекватного отображения реальной процедуры возникновения и накопления случайных погрешностей непрерывного и непрерывно-
Цель исследования Создание научно-методологических основ и практических методов автоматизированного проектирования нового класса систем многокомпонентного непрерывно-циклического дозирования строительных материалов
Объект и предмет исследования ' Процессы и системы непрерывно-циклического дозирования компонентов строительных материалов Методология системотехнического синтеза иерархических систем автоматизации непрерывно-циклических процессов дозирования и ее программная реализация
Методы и средства исследования
Системотехнический подход
Методология теории иерархических систем
Положения автоматизированного проектирования технических систем
Теория автоматического управления
Анализ Задачи проектирования систем непрерывно-циклического дозирования в процессах производства строительных смесей Теория и практика разработки средств автоматизации процессов дозирования
Принципы построения и требования Методологические принципы построения непрерывне-цикли-ч?ской технологии дозирования Требования к организации, структуре, функциональному наполнению, техническим средствам, системам измерений и управления, реализации
Основные элементы проектирования Базовые модели систем непрерывно-циклического дозирования
Принятые схемы измерений Ограничения на изменения конструктивных, технологических и настроечных параметров Критерии оценок качественных характеристик
Алгоритмическое и программное обеспечение
Создание технологии формирования одноуровневых и многоуровневых систем непрерывно-циклического дозирования строительных материалов с различными схемами измерений
Экспериментальная проверка, опытное внедрение
Результаты
Методология построения непрерывно-циклических систем дозирования
- Технологические структуры дозирования
Алгоритмы и программы оптимального проектирования структур непрерывно-циклического
дозирования
Рис. I. Методологическая схема исследования
циклического процессов дозирования, которая впервые реализует практический механизм оценки и коррекции качественных характеристик строительных смесей, позволяя проектировать структуры различного конструктивного исполнения.
Разработаны и практически реализованы методы автоматизированного проектирования оптимальных качественных характеристик систем непрерывно-циклического дозирования с замкнутыми схемами измерений.
Разработаны принципы и механизм формирования статистической математической модели проектирования непрерывно-циклического способа дозирования с учетом случайного характера изменения погрешностей и выбранной критериальной функции.
Разработан механизм проектирования и практической реализации принципа связного многокомпонентного непрерывно-циклического дозирования с использованием дозаторов с разомкнутой схемой измерения расхода.
На зашиту выносятся:
Комплекс теоретических и практических методов автоматизированного проектирования непрерывно-циклического способа многокомпонентного дозирования строительных смесей, представляющий собой синтез технологии, технических средств дозирования, измерений и управления.
Автоматизированное проектирование непрерывно-циклической технологии, реализованной в виде структур различного конструктивного исполнения с одноуровневыми и многоуровневыми иерархическими связными системами автоматизированного управления.
Результаты применения проектируемой технологии для приготовления строительных смесей и смесей другого назначения.
Практическая ценность н внедрение результатов исследования Практическую ценность работы составляют спроектированные на предложенных принципах новые автоматизированные системы непрерывно-циклического дозирования, методы расчета конструктивных и настроечных параметров вновь проектируемых и находящихся в эксплуатации систем. Автоматизированная технология непрерывно-циклического дозирования, включающая в себя технические средства дозирования, измерений и управления, имеет практическую направленность и предназначена для использования в установках по производству строительных смесей. Дозирующие системы различного конструктивного исполнения с различными модификациями измерительных систем позволяют эффективно решать задачи автоматизации процессов дозирования по новой технологии, обеспечивая реализацию принципиально новых способов повышения качества и существенного улучшения технико-экономических показателей смесительных
установок. Незначительные потенциальные возможности снижения погрешностей у систем дозирования с замкнутыми схемами измерений потребовав проектирования новой структуры с улучшенными метрологическими характеристиками (патент РФ № 2098774). Принципиально изменена концепция применения средств вычислительной техники не только для реализации алгоритмов управления, но и для воспроизведения физических элементов системы, что позволило при проектировании повысить степень адаптации, встраиваемости дозаторов в автоматизироианиый комплекс, сузить границы физической структуры за счет расширения алгоритмической и программной структур, эффективно менять свойства систем без их перепроектирования и трудоемкой переналадки. Спроектирована оптимальная структура системы дозирования с коррекцией измеренного значения массы материала на основе простейших дозаторов-интеграторов расхода с весовыми транспортерами маятникового типа «жесткой» подвески, обеспечивающая минимальное значение погрешностей измерений. Предложен эффективный способ ослабления влияния амплитудных значений возмущающих воздействий введением местной корректирующей обратной связи по выходному сигналу транспортера, повышающий точность измерений отдозированной массы материала. Спроектирована автоматизированная система сгязного управления процессами непрерывно-циклического многокомпонентного дозирования при использовании простейших разомкнутых схем измерения расхода, существенно улучшающая качественные характеристики строительных смесей.
Внедрение результатов исследований в виде методик и программных продуктов использовалось в составе средств автоматизации процессов многокомпонентного дозирования в МП «БЕТАВ», фирме «САККО», АОЗТ «Наш дом», Моршанском производственно-строительном управлении.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов
Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, предложенных в работе, подтверждены всесторонними исследованиями, выполненными с применением современных методов и технических средств, а также практическими результатами внедрения теоретических положений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на: Всероссийской конференции «Электротехнические системы транспортных средств и роботизированных производств» (г. Суздаль, 1995г.), 57-ой научно-технической конференции «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (г. Самара, 2000г.), 3-ей научно-практической конференции молодых ученых «Строительство - формирование
среды жизнедеятельности» (г. Москва, 2000г.), международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. С.-Петербург, 2000г.), международном научно-техническом совещании «Совершенствование качества в строительном комплексе» (г. Брянск, 1999г.), 54-ой научно-технической конференции молодых ученых (г. С.-Петербург, 2000г.), международной научно-технической конференции «Итоги строительной наука» (г. Владимир, 2000г.), международной научно-практической конференции «Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в строительстве» (г. Белгород, 2000г.), 53-57-ой научно-технических конференциях МАДИ, кафедре автоматизации производственных процессов МАДИ, кафедре автоматизации инженерно-строительных технологий МГСУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 57 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Основное содержание составляет 231 страница текста, 70 иллюстраций, 4 таблицы, список литературы включает 152 наименования.
Похожие диссертации на Автоматизованное проектирование систем непрерывно-циклического дозирования строительных материалов
