Введение к работе
Актуальность работы.
Вотошшо и железобетонные иэдолия продо. лают оставаться основными среди всего многообразия строительных материалов, применяемых в промышленном, гражданском и дорожним строительстве.
Одной из основных характеристик, формируемых на ранних стадиях технологического процесса производства ЖБИ и определяющих в дальнейшем качество выпускаемой продукции, является плотность и однородность материала по всему изделию. Несмотря на накопленный опыт реализации автоматизированных систем управления уплотнением бетонной смеси, все они, по сути, являются разомкнутыми из-за отсутствия достоверной информации о динамике изменения степени уток гненИя как в отдельно взятой точке, так и интегральных характеристик уплотнения по всему изделию, на основании которых можно было бы проводить адекватное управление процессом уплотнения. Сложность излучения такой информации связана, прежде всего, с отсутствием специальных измерительных систем, обладающих необходимыми : арактеристиквми в части точности и быстродействия, а также методической непро-работаиностью самого вопроса использования таїзіх измерительных систем в контуре системы управления технологическим процессом уплотнения бетонной смеси.
Проведенный анализ распределения продукции сборного железобетона по типам изделий позволяет обнаружить, что практически большая их часть имеет сложную геометрию ( пустотгости и ребра жесткости в плитах перекрытий, оконнаа и двариыэ проемы
а степових панелях ). и существенные неоднородности ( наличие арматуры, слоев из различных утеплителей и т.д. ). Данное обстоятельство следует учитывать при проектировании автоматизированных систем управления процессами фс рмования и уплотнения, т.к. это накладывает определенные ограничен! і на используемые методы и средства определения плотности материалов.
Коэффициент уплотнения изделий ЖБИ относится к основным характеристикам полуфабрикатов и, в значительной степени, определяет такие основные показатели качества готовой продукции, как прочн :ть бетона на сжатие, морозостойкость, водопроницаемость, долговечность и другие. Поддержание данных показателей качества готовой продукции на заданном уровне в настоящее время ведется, в основном, за счет достаточно высоких нормативных коэффициентов запаса, что в свою очередь приводит к значительному перерасходу как цеме;:та ( наиболее дефицитного компанента бетонной смеси ), так и самого бетона. По данным некоторых исследователей перерасход цемента составляет до 17-20 процентов. Данное обстоятельство отрицательно сказывается на экономической эффективности производства сборного железобетона и на ссчдает предпосылок к снижению норм расхода цемента, что в свою очередь сдерживает рост производства изделий ХБН.
Таким образом, повышение экономической эффективности производства сборного железобетона неразрывно связано с повышением однородности бетона по плотности и, как следствие, по прочности - основному показателю качества готовой продукции.
Следовательно, эад-ча разработки теории и практики автоматизации процесса уплотнения бетона, которой посвящена данная
- б -
диссертационная работа, является крупной народнохозяйственной проблемой.
Работа выполнялась п соответствии с целевой комплзкснои программой О.Ц. 02G "Автоматизация управления технологически: процессами, производствами, станками и оборудованном с применением мини-ЭВМ и микроэвм" (раздал 01.70) и программен Госстроя СССР (постановление II 14 от 013.02.1909 г.> "Автоматизация производства конструкции крупнопанельного домостроения", (подпрограмма И 3, раздел 7).
Цель и основные задачи '«сснедования.
Целыэ ps6oTU является разработка теоретически;-: основ ав-\о;і^'іи.^сіц:-;ії 'і'З'^иолу-і>іч--ского процесса >пло'і і.^.ііпд С-.'.с;;а а:* ~~ З'ї использования u контуре управлення адаптивних і:нкропро--цеесорных счетом ганма-изотопноі-о контроля.
Для достижения поставленное поли пеогхог"и :>:
разработать мотодологич.--ские осногм аптсг т' 'кговзннсга управления технологическим процессом уплотнения Сстопа г использовапнз гамма-изотопт;:-: измерительніл: систем в контуре управления;
провести анализ и вибор целеіпих функций оптимизации информационного об. .течения всего процесса уплотнения;
разработать имитационную модель тохко, ггичоского процесса уплотнения, измерительной систомч и управления ом, исследовать на маделп эффективность автоматиз;. .евзнпой сі :тенц управления уплотнением бетонной смеси;
исследовать локальные и -интогралышо оценки распределения
- в -
плотности материала по всему изделию в условиях сложной геометрии и существенных неоднородиостей формуемых изделий ЯСБИ;
синтезировать структуру и алгоритмы автоматизированной системы управления технологическим процесс м уплотнения бетонной смеси, обеспечивающие стабилизацию коэффициента уплотнения на заданном уровне минимизируя его вариацию по всему изделию;
разработать аппаратно-программное обеспечение автоматизированной системы управления технологическим процессом уплотнения, внедрить ее на заводах сборного железобетона и оценить ее эффективность в производственных условиях.
Метода исследования.
При исследованиях плотностных характеристик бетона, использовались методы разрушающего и нераэрушающего контроля, математической статистики и теории случайных процессов, методы теории автоматического управления.
При разработке и исследовании имитационной'модели технологического процесса уплоть-ния использованы методы имитационного математического- моделирования, теории случайных процессов, методы идентификации и моделирования случайных про-це-сов.
При синтезе системы автоматизированного управления использовались методы синтеза цифровых систем, теория проектирования ЭВМ и систем, методы теории инвариантности и адаптивного управления.
На защиту выносятся.
1. Концепция автомг^изированного адаптивного управления технологическим процессом уплотнения бетонной смеси на основе
- ? -
получения обработки и анализа информации о динамика изменения локальних и интегральных характеристик распределения плотности по всему изделию и комплексной оптимизации всего процесса уплотнения.
-
Методы и алгоритмы автоматизированной системи оптимального управления технологическим процессом уплотнения бетонной смеси путем оперативного управления продолжительностью уплотнения,
-
Автоматизированная система оперативного управления технологическим процессом уплотнения бетона, обеспечивающая минимум вариации коэффициента уплотнения бетона по всему изделию, результаты ее эксплуатации.
Л. Методы и алгоритмы моделирования процесса взаимодействия гамма-излучения с бетоном инвариантные к химическому составу и геометрии моделируемых изделий.
Научная новизна работы.
В диссертации проведено теоретическое обобщение исследований в области автоматизации технологического процесса уплотнения бетона и путей стабилизации его плотностных характеристик, на базе использования адаптивных микропроцессорных 'систем гамма-изотопного контроля, что позволило разработать теорию адаптивного управления процессом уплотнения бетона с целью стабилизации его плотностных характеристик и максимизации коэффициента уплотнения.
Диссертантом впервые:
1. Разработанч методологические основы синтеза систем адаптивного оперативного управления технологией уплотнения в
производстве сборного железобетона аа осново локального и интегрального гамма-изотопного контроля, обеспечивающие получение и наиболее эффективное использование имеющейся в производственных условиях информации о динамике изменения плотпост-ных характеристик формуемых изделий, параметрах уплотняемой среди и показателях качества полуфабрикатов.
-
Разработана универсальная имитационная модель для оптимизации ппі>огмацмонпо-упрзиля;о;;;оії системы инвариантном к ге~ оматрпи формуете: изделий как объекта контроля и управления. Исследовано формирование и дана оценка влияния характеристик информационного массива локальних и пптегрс.лыигх показателей качества уплотнения па эффективность автоматизированного управления технологическим процессом уплотнения.
-
Разработана методика моделирования процесса взаимодействия гамма-излучения с бетоном инвариантная к геометрии исследуемых изделий и позволяющая производить многопараиэтри-ческую оптимизацию параметров датчика измерительной систе.>.ц в зависимости от особенностей используемой технологии, номенклатуры выпускаемых изделий и требований технологического процесса .
-
Сформулированы и обоснованы целевые-функции оптимизации информационное и управляющей систем технологическими процессами уплотнения, которые обеспечивают минимум вариации коэффициента уплотнения по всему изделию .
-
Синтезирован аппаратно-программный комплекс автоматизированной системы управления уплотнением бетона на базе адаптивных микропроцессорных систем гамма-изотопного контроля,
- о -
ориентированней на получение и обработку локальных и интегральных оценок распределения плотности уплотняемого Сетона по весну изделию ЖБИ с целью динамической оценки хода уплотнения и параметрической и структурної"! адаптации алгоритмов управления к изменяющимся параметрам уплотняемой среди.
6. Определен комплекс базових и инструментальнш; зппарат-ннх И программных средств, обеспечивающих эффективную реализацию автоматизированной системи управления технологический процессом уплотнения бетонной смеси.
Практическая значимость работы.
Па основе теоретических, экспериментальных и приклздню: исследований резена равная для народного хозяйства проблема -создание и внедрение в практику производства сборного железобетона високоэффективных систем автоматизированного упрзвл-гпдп технологическим процессом уплотнения бетонной смеси.
Разработана методика инженерного синтеза автенатпзирсвол;--hlix сиотем адаптивного оперативного управления уплотненном 6?-тонной смеси в производстве сборного железобетона.
Разработаны алгоритмы эффективной обработки оперативной информации о динамике изменения локальных и интэгралыпк оца-нок качества уплотнения'бетонной смэси.
Создана и эксплуатируется на предприятиях отрасли система адаптивного автоматизированного управления технологическим процессом уплотнения бетонной смеси, минимизирующая вариацию плотности бетона -по всему изделию. Иатэриали диссортации использованы в учабном процесса НАДИ и ХПН.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доклздисались, обсуждались и получили одобрение на 15-тп Международных, Всесоюзных к Республиканских ис.учпэ-тохыпчсскнх копфэрспцилх, семинарах и совещаниях.
Разработанная аитеыатпзирс^аппап система и --' ссис^пыо блзг.п сг.спСгГіїрсі1?/!--гь н;л р.".^' пи'-і'-'и г ппг - --.:.-47:1. ту "> :-т"-;:а:г и ?->":"-дународпах симпозиумах.
Содэр.чанио работы отражено в 1 монографии, 20 статьях, 4 авторских свидетельствах. Объем работа.
fiuei.oro текста, ссл-р.киг СО рисунка, 10 та блин, и с(у:.тс:\т г." ьеод^нпя, пяти глав, заключения, списка нопэ-пм-озаппой литература на 249 наименований п прилог
СОДЕРлІЛНПЕ РЛБСТН - '
На сеэйстш Сетона в cxj большей стспг=:;н, чей г:ар::.__;п-а-ппе, оказывает слияние уплотнение бетонной спаси. Поп пэдоуп-лотнении бетона наблюдается резкое ухудшение по отнесению к проектным оценкам практически всех основных показателей качества бетона, таких как: прочность, морозостойкость, долговечность, водопроницаемость и других.
Так, недоуплотнение бетонной смеси всего на 1 % снижает прочностіше характеристики готового изделия на 5-7 %. Однако более детальные исследогания показывают, что при снижении расхода цемента недоуплотнениесказывается на прочности более сильно и достигает 7 - 8 % при жесткости 100 с., а по данным
японских исследователей снижение прочности вызванное недоуп-лотнением бетона достигает В - 10 %.
Учнтілзая то, что ?<Т«Т>єктненость уплотнения бетонной смеси определяется многими параметрами, стабильность которих но мо-::от бить обеспечена при существующем урег-не техі!ологнчесі:ого процесса изготовления железобатеншіх изделии, практически па всех заводах отрасли возникает задача стабилизации плотностпих характеристик формуемых изделии ЖЕН на максимально возможном уровне. При этом следует иметь ввиду, что из-за существенных стг-лепапнй от проектних параметров бетонной смеси управления степенью ее уплотнения, основанное на статистическом подхолга, имеет определенные ограничения и позволяет обеспечить управление только низкочастотными процессами, определяющими основные тенденции d изменении параметров бетона и технологического процесса, и не способствует сникению уропня брака, вызванного нодеуплотнепнеи бетонной смеси.
Реализация оптимального управления ' технологическим процессом уплотнения бетонной смеси, позволяющая минимизировать потери от брака визвапныа как недоуплотнением, так и расслоением бетона, ввиду неконтролируемое хода-самого npoqecca уплотнения возможна только на основе информации о динамике изменения плотности, получаемой индивидуально для каждого формуемого изделия КЕН.
Для-определения возможности осуществления такого управления в диссертационной работе рассмотрены особенности используемого для уплотнения бетона технологического оборудования и определены наиболее эффективные управляющие воздействия.
Как показали проведенное исследования , вне зависимости от вида технологии, основным способом уплотнении бетонной смеси при производство сборного иелезобзтопа является вибрирование. По данным ряда авторов в СССР более SO процентов всей поменматуры железобетонных изделий формуется именно таким образом. Это обстоятельство вызвано тем, что в процессе вибрационного воздействия на бетонную смесь создаются благоприятные условия для пероконпаноаки частиц и эффективного использования явления тиксотропнії.
Как видно из представленных в работе данных, управление качеством уплотнения производится, в основном, путец управления временем уплотнения. Частотнио жа характеристики вибросоз-действия на уплотняемый материал зависят, от типа используемого виьрооборудованил, которое подбирается в соответствии с но-моніслатурсй выпускаемых изделий.
Следует отметить, что в производственных условиях используется как вибрационное, таї-: и ударно-вибрационное оборудование, причем последнее оборудование обладает рядом преимуществ, обеспечиваемы;:, в основном, за счет более широкого частотного спектра механического воздействия на уплотняемый бётсп.
Обобщенно рассматривал технологию уплотнения, можно сделать вывод о том, что еєсь процесс уплотнения бетона в большой степени зависит от способа уплотнения и в общем случае имеет вид, представленный на рис.1. Условно весь процесс уплотнения может быть разделен на три основные фазы:
I - активное уплотнение;
II - стабилизация, плотностных характеристик бетона;
III - деструктивные изменения.
Относительное соотношение длительности каждой из фаз су-i:;octfshho зависит от дозировки и типа бетона, геометрии формуемого изделия, способа уплотнения и ряда других параметроз.
R6, отн.ед. 4
III
Т Т, отн. ЄД.
Рис.1. Обобщенная зависимость процесса уплотнения бетонной смеси
Определив необходимость получения информации о динамике изменения плотности уплотняемой бетонной смеси, необходимо било определить технологические и технические особенности ее получения, а также выбрать эффективные методы и средства, обеспечивающие реализацию такой информационной системы.
Как показал проведенный анализ особенностей автоматизируемого технологического процесса, основными ограничениями при использовании измерительных систем в контуре управления являются время контроля плотности и необходимость проведения бесконтактного контроля.
Проведанный в диссертационной работе анализ методов и средств измерения плотности бетона позволил обоснованно остановиться на радиационных методах, обладающих рядом преимуществ по сравнению с остальными и хорошо зарекомендовавших себя при использовании в промышленности. Однако, выпускаемые промышленностью измерительные средства не могут быть использованы в существующая виде в контуре системы управления технологическим процессом уплотнения по следующим причинам:
не обеспечивается необходимое быстродействие ( порядка 10-15 секунд при точности 1-1.5 процента >;
нет достаточной методической основы для использования данных измерительных средств для измерения динамики изменения плотности уплотняемого бетона в условиях его существенной неоднородности и сложной геометрии.
Перечисленные проблемы являются достаточно существенным,! и определяющими, в конечном итоге, возможность реализации автоматизированной системи управления уплотнением бетонной смеси. В диссертационной работо для проведения всесторонних исследований измерительной системы, работающей в условиях жестких временных ограничений и существенной неоднородности измеряемого материала, была разработана моделирующая среда,
ориентированная на широкое использование баз данных, структура
Г которых представлена на рисунке 2.
Основным результатом, полученным при таком подходе к моделированию измерительной системы было существенное увеличение быстродействия и, как результат, возможность получения уникальных результатов по всестороннему исследованию динамики процесса взаимодействия гамма-излучения с уплотняемым бетоном.
15.
База данных по моделирования результатов выходного контроля качества изделий ЖБН
База данных по моделирования результатов входного контроля качества негодных материалов
База данных физических величин описывающих характеристики вззимодействия < гамма-излучения с определенным химическим элементом.
База данных физически} характеристик описывающих бетоны различных составов
База данных параметров взаимодействия гзмма-иэлученип с материалом определенного химического состава
База данных физических характеристик опнсьіваюгріх особенности геометрии и неоднородности ЖБИ.
База данных параметров взаимодействия гамма-излучения для заданной геометрии измерения.
База данных
характеристик описывают» особенности геометрии и неоднородности ЖЕН.
База данных результатов многопарамзтричоскоп оптимизации геометрии измерения.
База дан их результатов > оптимизации параметров измерительной системы.
Рис.2. Развернутая структура баз данных по моделированию результатов текущего контроля
основой для реализации такой моделирующей среды послужила разработанная имитационная модель взаимодействия гамма-излучения с материалом типа бетон. В еэ основу были1 положены соотно-
иіеиия, описывающие взаимодействие гаима-иэлучення с любым материалом с известным химическим составом. При этом для сложных материалов необходимо рассмотрен весь спектр возможных комбинаций и проведены исследования их влияния на результаты контроля.
Основными соотношениями, характеризующими взаимодействие гамма-кванта с уплотняемой средой, является длина свободного пробега, функция плотности распределения которой может быть qnncana следующим выражением:
f(L) = Nu(E)*EXPC-Mu(E)*L], ( 1 )
гда: MuvE) - коэффициент линейного поглощения гамма-излучения; Е - энергия гамма-кванта; L - длина свободного пробега гамма-кванта.
При этом следует иметь ввиду, что Ии(Е) представляет собой комбинацию из следующих виражений:
Hu(E) Ми(Е)ф Hu(E)K Mu(E)n Ro Ro Ro Ro
где: Ми(Е)ф, Mu(E)k, Mu(E)n - линейные коэффициенты поглощения, вызванные фотоэлектрическим эффактог-i, комптоцовским рассеявшем и образованием электрон-позитронных пар ( имеет место для энергий больше 1.02 Мэв ); Ro - плотность материала. В евс очередь, значение каждого иэ слагаемых выражения ( 2 ) вычисляются по следующим формулам:
Ми(Е)ф п Ми(Е)фі
= SUM * Hui, ( З 1
Eo 1 Roi
Mu(E)it n Mu(E)Kl
= SUM * Hui, ( 4 )
Ro 1 Rol
Ии(Е)п n Mu(E)ni
= SUM * Hui, ( 5 )
Ro 1 Roi
где: Nui - относительная массовая доля і-го элемента; Roi - плотность і-го элемента; Ro - плотность сложного веществ. Характер взаимодействия гамма-иэлучения с материалом полностью определяется следующими выражениями:
Ми(Е)к
Рк = ( 6 )
Mu(E)ic + Ми(Е)ф
Ни(Е)ф
Рк = ( V )
Ии(Ё)к + Ни(Е)ф
где: Рк, Рф - вероятности соответственно комптоновского взаимодействия фотоэлектрического поглощения.
Угол рассеяния гамма-кванта на электроне определяется в соответствии с формулой Клейна-Нишини-Тамма и имеет также статистический характер с соответствующей функцией распределения, как и азимутальный угол, подчиняющийся равномерному закону распределения.
Остальные параметри, описывающие распространение гамма-кванта в материале, функционально связаны с рассмотренными выше параметрами и с предысторией гамма-кванта.
- IB -
Энергия гамма-кванта, рассеянного на электроне посла взаимодействия Еп+1,определяется энергией до взаимодействия En и ,гяоя комптоновского рассеяния ы
Еп+1 = . ( В )
1 + * (1 - сов w )
то * С**2
где то*С**2 - энергия покоя электрона, равная 0,511 МэВ.
' Траектория движения гамма-кванта после взаимодействия определяется углами Or+1, fn+1 , вычисляемыми из следующих соотношении:
соеОп+1 - соа On*coo wn+l+ віп On*sin wn+l*coa fn+1; ( 9 )
sin Xn+1* sin wrn-1
віп( fn+1- fn) = ,' ( 10 )
Bin On+1
сов wn+1 - cos On* cos On+1
cos( fn+1- fn) = r- ;. ( 11 )
Bin On* sin On+1
Данными соотношениями полностью списывается процесс взаимодействия гамма-излучения с бетонной смесью.
Однако, для эффективного управленияпроцессом уплотнения бетона необходимо наличие достоверной информации не только о ходе процесса уплотнения, но и о результатах входного кснтролн качества исходных материалов и результатах выходного контроля качества готовых изделий, на основании этих данных и принимается решение о прекращении процэ^а уплотнения. Таким образом.
оптимальное управление является функцией следующих вокторов:
U(t) = U[A(t). B(t), C(t>] .. ( 12 )
где: A(t) - вектор показателей качества готовой продукции;
B(t) - вектор показателей качества исходного материала ( Сетона );
C(t) - вектор показателей качества уплотнения текущего изделия.
Для правильного выбора управлілоіцего воздействия на процесс уплотнения в результате выходного контроля качесттл готовой продукции интерес представляют прежде всего дефекти уолй-зобйтош;и>: изді:.;;Л, ;юсл:';ие систематический характер, зг".~г---'-ныа недруплотпепи.ем, с указанием конкретних soil с подоуплотн"--нием. Такая информация позволяет, в дальнейшем, проводить v^-лєнапргшлешшй контроль качества уплотнения именно отих зоц.
Определение вектора показателей качества цо'одчого материала позволяет скорректировать тарировочнц-э ;:.-р:-;-ер:-:ст:г''' измерительной cuctcisj и, в дальнейшем, правильно опродс-ит', теоретическую плотность уплотняемого Сетона с ссотсзтстлукгмч вычислением текущего коэффициента уплотнения.
Вектор показателей качества уплотнения токуцэх*о поделил представляет собой совокупность результатов измерений плотности бетона в отдельных "критичных" к уплотнению, точка!: изделия ЖПИ и составленных на этой основе китегральнух хзрзкто-.ристиках уплотнения текущего изделия.
Основной проблемой в получении всех отих даг-їіїих и ы-'ра-
ботке в соответствии с ними правильного управляющего воздействия на прекращение процесса уплотнения представляет собой проблема правильной интерпретации результатов измерений плотности в условиях сложной геометрии уплотняемых изделий при их существенной неоднородности.
Для решения этой проблема в диссертационной работе били детально рассмотрены теоретические и методологические основы взаимодействия гамма-излучения с бетоном в условия сложной геометрии и неоднородности последнего.
Исследованиям в этом направлении посвящено значительное количество работ советских и зарубежных ученых: Арцибашев В.Л., Ратнер л.А., Врейтиан 3-М.., Булатов Б.П., Варварин Г.Б., Воробьев В.А.л Горшков В.А., Гегерь В.П., Гєльфапд М.Е., Гусев А.А., Гусев Б.В., Дядькин И.Г., Емельянов В.А.,Игнатик а.ф. , Кивилпс С.С., Лейпунский о.и., Михайлова Н.В., Недавний О.!!., Осмачкин Б.П., Павлов Л.С, Позднеев Д.Б., Клюев В.В., Пугачев А.В., Годэ Л.Г. Редин А.А., Сирстоз В.Г., Филиппов Е.М., Хисамутдинэв Л.И. и других.
Важнейшим этапом в разработке алгоритмов управления технологическим процессом уплотнения батона является обоснование и выбор целевых функций управления. При этом следует иметь ввиду то, что оценка наядой целевой функции управления должна проводиться с позиций экономической выгоды, и только этот критерий позволит правильно оценить целесообразность реализации той или иной целевой функции управления.
В рамках реализации проблемы оптимизации алгоритмов управления оптимальной и реализуемой является практически одна
целевая функция - это обеспечение максимально возможной средней плотности уплотгшелого бетона:
SUM Roi
Ql - ' —> max , ( 12 )
где in - число точек измерения плотности;
Для реализации оптимального, в выбранном смысле, алгоритма управления уплотнением была разработана автоматизированная система управления уплотнением бетонной смеси, учитывающая особенности самого технологического процесса уплотнения.
Характерними особенностями технологического процесса уплотнения являются:
нестабильность компонентов качества бетонной смеси, изменяющееся как от поставки к поставке, так и в процессе хранения на складе;
недостаточная изученность влияния режимов технологического процесса уплотнения па качество готовой продукции;
сложный и неоднозначный 'характер связей мезду физико-механическими и химико-минералогическими характеристиками исходных материалов и качеством готовой продукции;
.крайне малое время длительности технологического процесса уплотнения, что накладывает существенные ограничения па получение и оценку результатов измерения плотности.
В общем виде автоматизированная система управления уплотнением, построенная с учетом всех вшіепєрачисленньк факторов может быть представлена в вида структурной схемы рис.3.1.
При существующем подходе к управлению уплотнением используется вектор - V(t)'; размерность которого п'всег-
Компоненты
бетонной смеси W(t)
U(t)
Информация о динамике процесса уплотнения
Система управления
Информационная S(fc) система
__ Л
V(t)
Информация о выходном качестве Xft)
готовых изделий
-> Технологический процесс I фор;:огза;шя и уплотнения
,;с.З. CGoCqjinmn структурная схечі технологического процесса уплотнения Где: W{t) - Вектор показателей качества компонентов бетонної"1, спаси;. V(t) - Вектор состояния динамической характеристики процесса уплотнения; X(t) - Вектор выходного качества железобетонных изделий и конструкций: Y(t) - Вектор выходного состояния евежеот-формованного изделия; LJ(t) - Вектор заданных показателей качества уплотнения; S(t) - Вектор состояния технологического процесса. - 23--T да менша n'- размерности вектора V(t), и о котором практически отсутствует информация об интегральных и локальних ха-. рактеристиках полей плотности распределения коэффициента уплотнения по уплотняемому изделию. При этом, вся информация поступающая по ot .'альным каналам на вход информационной системы будет иметь систематические и случайные погрешности измерений, что в конечном итоге приведет к следующей модификации указанных информационных векторов: W(t)" = W(t)' + alt.t) + bl(t); ( 13 ) V(t)" = V(t)' + a2(t) + b2(t); ( 14 ) X(t)" = X(t)" + a3(t) + b3(t), ( 16 ) где: aji - систематическая ошибка при измерении 1-го параметра в J-ой группе ( і = 1 - 3 ); bji - систематическая ошибка при измерении 1-го параметра в j-oft группа ( J = 1 - 3 ). На основе этой поступающей в информационную систему информации формируется вектор S(t), .размерность которого равна сумме размерностей векторов егб составляющих S(t) = W(t)" + V(t)" + X(t)" ( 16 ) Разработанная имитационная модель управления технологическим процессом уплотнения батона обеспечивает моделирование всех информационных и,измерительных каналов. ' В рамках проведенних исследований была проведена многопараметрическая оптимизация технологической схеми измерения в сгстветствии с критерием, представленным ниае: ГІ rl SQRT (SUM Nil - SUM НІ2) J = ( 17 ) rl (Rol - Ro2)*SQRT где: Nil - дифференциальные характеристики отраженного гам-ма-иэлучэния для соответствующих углов коллимации и соответственно радиусов детектора полученные для плотности Rol; Кж2 - тоже, что и Nil только для другой плотности бетона; Nnp - прямое излучение попавшее в детектор через защиту; Rol, Ro2 - плотность бетона для первого и второго случая; Пример полученной поверхности критерия оптимизации для практически одной точки в пространство оптимизируемых параметров представляй :;з рисунке 4 После отработки и оптимизации алгоритмов управления автоматизированной систем Л управления уплотнением бетона, проведенном на имитационной модели технологического процесса уплотнения с учетом его особенностей, была предложена структурная схема аппаратной части автоматизированной системы - управления представленной на рисунке 5. Предложенная аппаратно-программная часть имеет ярко выраженную двухуровневую структуру На первом - нижнем уровне управления - стоят три однок- ристальные микроэвм, управляющие измерительной 'системой, системой позиционирования и исполнительным устройством, реали- ПОЛЕ КРИТЕРИЯ ОПТИНИЗПЦИИ J ПРИ HG*4CM.HS=1CM.DEF=5CM Рис.4. Поверхность критерия оптимизации, полученная для следующих значений оптимизируемых параметров: высота подъема источника - 4 см, висота подъема детектора - 1, толщина защиты - 5 см, Q-внешний угол коллимации, f- внутренний угол Передача информации -> в АСУ высшего уровня о работа участка формования Модуль управления лилией уплотнения ПЭВМ t jpxusro уровня і управления "Г ~] Модуль управления перецєшіем Модуль управления гамма-плоти номер. —А—А—Л 1 I 'J Информация о динамика процесса уплотнения изделия ЖЕИ. , Сигнал управления виброустановкой Рис.5. Структурная схема аппаратной части автоматизированной системы управления уплотнением бетонной смеси эующие следую >ю функции управления: управление режимами измерений плотности; настройка на различные типы изделий; определение интегральных оценок распределения плотности по всему изделию; формирование и выдача управляющего воздействия на исполнительные устройства позиционирования измерительной системы; формирование управляющего воздействия для завершения процесса формовэ"ия. На втором - самом' верхвем уровне управления - стоит IBM- анализ информации о ходе процесса уплотнения, поступающей от микроЭЕМ нижнего уровня, и принятие решения на его завершение; осуществление взаимодействия с АСУ высшего уровня; накопление и анализ статистической информации о параметрах управления процессом уплотнения бетонной смеси; хранение данных по нормативным значениям обобщенной плотности в локальных точках всей номенклатуры изделий для данной формовочной линии. Такая структурапозволила освободить ПЭВМ верхнего уровня от выполнения "рутинных" и не требующих больших ресурсов операций, возложив эти обязанности на однокристальные микроэвм нижнего уровня управления с фиксированными программами. ' В диссертационной работе представлены результаты разработки всех основных блоков аппаратной и программной части автоматизированной системы управления уплотнением а также проведены всесторонние исследования автоматизированной системы управления уплотнением бетонной смеси на имитационной модели технологического процесса уплотнения и в производственных условиях, полученные в процессе исследований локальные и интегральные оценки качества уплотнения представлены на рисунках 6 и 7. При этом на рисунке 6 показана динамика изменения плотности бетонной смеси при уплотнении плит перекрытий для 25 изделий ЖБИ. . Оценка эффективности использования разработанной автоматизированной системы управления уплотнением особенно наглядно видна из данных, представленных на рисунке 7,где показано среднее значение прочности готовых изделия ЖБИ уплотненных стандартным образом ( первые 25 точек графика ), и под управ- Рис.6. Динамика изменения плотности еатонной смеси при уплотнении плит перекритий для 25 изделий ЖБИ в 25 точках по времени. ей 7.8 isj ив на Ев п.» rs л« м тл м ?.я г.« ья и и яг t/.t м ев с.э t.t Рис.7. Результаты измерения средней прочности готовых изделии ХБИ отформованных без использования автоматизированной системы управления уплотнением бетонной смеси. Первые 25 точек для 25 случайным образом выбранных изделий ЯКИ II последние 25 точек для 25 случайным образом выбраните изделий ЖБИ отформованных с использованием автоматизированной системы управления уплотнением бетонной смеси. - зо - ланием автоматизированной системи управлення уплотнением ( последние 25 точек графика ). Результаты производственных испытаний автоматизированной системы управления технологическим процессом уплотнения бетонной смеси подтвердили ее высокую ьжономичоску» эффективность и актуальность реиенной проблеми для народного хозяйства. Средний годоьой экономический гффокт от внедрения системи і;л завода йБИ мощностью 100 000 мЗ батона в год составляет 25000. . . 60000 рублей. Наряду с разработкой автсматнзироьаішой системи управления уплотнением бе-тона в работа показана роль и касто разработанного аппаратно-программного комплексі в структуре управляемого технологического процесса производства ЖБИ. Известно, что па предприятиях отрасли производства строительных материалов отсутствует сложившаяся структура локальних систем управления отдельными технологическими переделами. С учетом высокой ресурсообеспачеыпости Бычислнтелышми ііощностл-пн автоматизирован!...ой системи управления уплотнением пг-лесооб-раэно использовать их для установки комплексной системі: управления качеством готовой продукции, и остальную часть ресурсов в фоновом режима использовать для реализации автоматизированной системи управления уплотнением. Роль и место разработанной автоматизированной системи управления уплотнением в структурной схеме управляемого технологического процесса производства ЖБИ представлена на рисунке 0 Компоненти бетона -> Склад готовой продукции ;t.-tcpnr. алее) пютностк Назначение состава ТСХ:1 Е.Э.-JC: 2 урсзнл Контроль качества исходных материалов ^rc _J' Г,!0.8. Скорректирссаннад укр>тгібн:і:д структурная схема у. равллсмсго тею.олс: ц-эсса производства l.DII и коего в пел рлара.ота:'чой ітзтоматиоирсва"нои раелеши технологическим прецзесэм у:т;т:>т :ія то г.. ОЕЩЇІЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ Анализ технологического процесса производства сборного железобетона как объекта управления и известных принципов построения автоматизированных систем управления уплотнением бетонной смоси позволил сформировать научно обоснованную ксп цепцию адаптивного автоматизированного управления уплотнением бетонной смеси на основе анализа оперативной информации о динамике изменения локальних и интегральных оценок качества уплотнения бетонной смеси. Разработаны методологические основы автоматизированного управления уплотнением бетона на заводах ЖБИ. Выполнен анализ тохнико-зконоимческого состояния отрасли, обеспечивший выбор стратегии стабилизации и повышения качества уплотнения бетона. Проведен анализ технологических предпосылок построения эффективной системы управления. Еыбрана и обоснована целевая функция оптимального управления уплотнение!-! бетона (функция, качества). Проведен анализ и научно обоснованный Быбор комплекса управляющих воздействий, обеспечивающих эффективное автоматизированное управление технологическим процессом уплотне- ' ния бетона. Разработаны и реализованы в соответствующем программном обеспечении' принципы моделирования технологического процесса уплотнения бетонной смеси. Создана имитационная модель взаимодействия гамма-излучения с уплотняемой бетонной смесью в условиях существенной неоднородности и сложной геометрии уплотняемого бетона. Иэученио на разработанной имитационной модели техноло- ГИ'ЮСКОГО ПРОП^СОЧ УПЛОТНЕНИЯ чоских хг'рэктеристик степени уплотнения уплотиецшл: и-зл"лии ЖЕН по-г-лило рлоре^отать ->>,'" »':тиечі.:^ рлгіритрі: упраплорніт технологическим процессом уплотнения готеча п услегня:: пго псстациснлрность ка:: счісго процесса уплотнения, т-'чс и характеристик исходных материалов. 5. Разработан и псслодорлн m математической модели и п 'ЖЕН, позволяющий оптнмиеирогать гремя уплотнения, а о конечном итоге какснмипшрорлтъ степень уплотнения, л слологчтелию, И прочностных характеристик для каждого конкретного изделия ~Т'.',. Проведен синтез структури и алгоритмов аппаратно-программного комплекса автоматизированной системи управления технологическим процессом уплотнения СотонноЛ см--см, ссеспечипсі-е;ий максимизацию коэффициента уплотнения, а следовательно, и прочности каждого изделия ЖБИ. Реализована мнегокочтурпзя .г?--томатизированпая система адаптивного управления технологическим процессом уплотнения бетона. Общим научным итогом диссертационной работы является разработанная тоория и матодологнг инженерного проектирования автоматизированных систем управления технологическим процессом уплотнения батона на базе адаптивних микропроцессорных систем гамма-изотопного контроля, обеспечивающих адаптацию параметров и алгоритмов автоматизированной системы управления, которая основывается на нових принципах, теоретических предпосылках и математическом аппарате, доведенных до практического примене- вин. что составляет в целом обобщение теоретических исследований в области автоматизированных систем управления плотностью бетонной смеси и обеспечивает эффективное решение важной народнохозяйственной проблемы. 6. Основные результаты работы реализованы в разработанной автоматизированной системе управления уплотнением бетона. Обоснован выбор комплекса базовых и инструментальных аппаратных и программных средств. Исследована эффективность разработанной автоматизированной системы в производственных условиях. Как показал анализ результатов внедрения автоматизированной системы на предприятиях отрасли вариация прочности бетона за счет увеличения коэффициента уплотнения бетона и снижения вариации плотности в отформованных изделиях КБИ снижаатсп на 15...30 % от имеющегося уровня.
-> Y
1=г2 i=r2
Интерфейсный модуль связи ПЭЕМ Высшего уровня с исполнительными и измерительными устройствами
Измерительная система
совместимая ПЭВМ, на котоую возложены следующие функции упра
вления: і
M\
Ibhr . 1'
Дззирование
Пореме задание
соркс-эгинэ.
Тоги-.сзла'Ш. ОСргСоткл
Контроль гЧ щючкэсти
-> Брак
САУ
Исполнят. устро^ст.
—V
САУ
ЕОНТрЗЛЬ
Центральная заводская ЛАБОРАТОРІЯ
nsc -:>:го про слет :i-u уп-
реальних преиеиол.етпенгил': уологипх алгоритм оперативной адап
тации параметре;.} аптоматиои[>ог.йппой емсте:/;^ упр^чл^-ния уплот
нением готопл і: иамонягч^инея параметрам уплотняемых изделий