Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса автоматизации и управления процессом формования силикатного кирпича 8
1.1. Анализ технологического процесса производства силикатного кирпича и состояния его автоматизации 8
1.2. Анализ прессового оборудования и изучение способов управления оборудования для формования силикатного кирпича 15
1.3. Анализ существующих математических моделей процесса формования силикатного кирпича 29
1.4. Формулировка целей и задач исследования 36
ГЛАВА 2. Построение математической модели процесса формования силикатного кирпича на гидравлическом прессе 38
2.1. Разработка математической модели процесса прессования силикатного кирпича и оценка ее адекватности 38
2.2. Анализ свойств гидравлического пресса как объекта управления и разработка математической модели процесса формования силикатного кирпича на гидравлическом прессе 51
2.3. Выводы по главе 67
ГЛАВА 3. Синтез оптимального управления процессом формования силикатного кирпича на гидравличе-скомпрессе 69
3.1. Синтез алгоритма оптимального управления процессом формования силикатного кирпича-сырца 69
3.2. Синтез закона управления гидравлическим прессом, реализующего оптимальное управление процессом формования силикатного кирпича-сырца 79
3.3. Выводы по главе 109
ГЛАВА 4. Разработка микроконтроллерной системы автоматизации гидравлического пресса для формова ния сырца силикатного кирпича
4.1. Разработка функциональной схемы микроконтроллерной системы автоматизации гидравлического пресса для формования сырца силикатного кирпича 110
4.2. Разработка микроконтроллерной системы автоматизации гидравлического пресса для формования сырца силикатного кирпича 113
4.3. Разработка микроконтроллерных устройств управления гидравлическим прессом 125
4.4. Выводы по главе 136
Заключение 138
Литература 140
Приложения 153
- Анализ технологического процесса производства силикатного кирпича и состояния его автоматизации
- Разработка математической модели процесса прессования силикатного кирпича и оценка ее адекватности
- Синтез алгоритма оптимального управления процессом формования силикатного кирпича-сырца
- Разработка функциональной схемы микроконтроллерной системы автоматизации гидравлического пресса для формования сырца силикатного кирпича
Введение к работе
Актуальность работы. Силикатный кирпич - экологически чистый строительный материал - изготавливается из смеси обожженной извести, кварцсодер-жащего песка и воды. С помощью высокого давления из смеси прессуется кирпич-сырец, отличающийся точными размерами и совершенством формы. Окончательную прочность силикатный кирпич приобретает в автоклаве, в котором поддерживается высокое давление пара и температура 160-200 градусов по Цельсию, при которых известь вступает в реакцию с кварцсодержащим песком и образует силикатное соединение. Основное применение силикатного кирпича - облицовка стен зданий различного назначения [20,122].
В настоящее время в России наблюдается строительный бум, который требует увеличения объема выпускаемых строительных изделий [115].
Применяют силикатный кирпич там же, где и обыкновенный глиняный кирпич, но с некоторыми ограничениями [5]. Нельзя применять силикатный кирпич для кладки фундаментов и цоколей, так как он менее водостоек, чем глиняный, а также для кладки печей и дымовых труб, так как при длительном воздействии высокой температуры происходит дегидратация гидросиликата кальция и гидрата окиси кальция, которые связывают зерна песка, и кирпич разрушается.
По технико-экономическим показателям силикатный кирпич превосходит кирпич глиняный. На его производство требуется в 2 раза меньше топлива, в 3 раза меньше электроэнергии, в 2,5 раза меньше трудоемкости производства; в конечном итоге себестоимость силикатного кирпича оказывается на 25—35% ниже, чем глиняного.
В 50-80е годы XX века были проведены фундаментальные исследования по вопросам производства силикатного кирпича, наиболее значительные результаты были получены во ВНИИстроме СИ. Хвостенковым, Л.М. Хавкиным [122, 121, 123, 124]. Были проведены исследования по математическому описанию процесса формования силикатной массы в закрытых пресс-формах различными видами уравнений (логарифмическими, степенными, экспоненциальными и др.) [64], од-
5 нако все эти уравнения являлись одномерными и не могли позволить судить о
распределении плотности (прочности) по всему объему кирпича.
В связи с повсеместным внедрением ЭВМ в качестве устройств управления различными объектами (производствами, предприятиями) возникает ряд актуальных задач, связанных с вопросами формования силикатной смеси. Прежде всего, это совершенствование способов и средств управления процессом формования, для решения этих задач необходимо иметь адекватную математическую модель процесса формования смеси в закрытой пресс-форме, оптимальный закон перемещения формующего штампа, оптимальный закон управления прессом, устройства управления прессовым оборудованием построенные на базе современных микроконтроллеров.
Цель и задачи диссертационной работы заключаются в повышении эффективности управления процессом формования силикатного кирпича.
Поставленная цель достигается путем поэтапного решения следующих основных задач:
Разработка трехмерной математической модели процесса формования силикатного кирпича.
Синтез оптимального закона управления перемещением прессующего штампа.
Синтез закона управления гидравлическим прессом для оптимального управления процессом формования сырца силикатного кирпича.
Разработка современных микроконтроллерных устройств управления прессовым оборудованием.
Научная новизна заключается в следующем: У разработана трехмерная математическая модель для моделирования процесса формования силикатного кирпича и экспериментально проверена ее адекватность;
синтезирован оптимальный закон управления перемещением прессующего штампа;
синтезирован закон управления гидравлическим прессом для оптимального управления процессом формования.
Практическую значимость работы составляют:
S программные продукты, реализующие оптимальный закон управления перемещением прессующего штампа; S современные микроконтроллерные устройства управления гидроприводами объемного управления, которые могут быть использованы во многих отраслях промышленности применяющих следящие гидроприводы. Результаты работы внедрены на ООО «Завод силикатного кирпича» г.Губкин, а также используются в учебном процессе кафедры технической кибернетики Белгородского государственного технологического университета (БГТУ) им. В.Г. Шухова.
На защиту выносятся:
Математическая модель процесса формования силикатного кирпича.
Оптимальный закона управления перемещением прессующего штампа.
Закон управления гидравлическим прессом для оптимального управления процессом формования.
Микроконтроллерные устройства управления гидравлическими приводами объемного управления.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» г.Белгород, 2003г., на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения академика В.Г. Шухова, г.Саранск, 2003г., на региональной научно-практической конференции «Современные проблемы технического, естественно-научного и гуманитарного знания», г.Губкин, 2004г., на Международной научно-практической конференции «Образование и наука без границ -'2006», г.Днепропетровск, 2006г.
Публикации. Основные положения работы изложены в 12 печатных работах, в том числе: 4 патента Российской Федерации на полезную модель, 4 статьи и 4 доклада.
Методы исследования. В работе для анализа процесса формования силикатного кирпича, синтеза оптимального закона управления перемещением прессующего штампа, а также синтеза закона управления гидравлическим прессом для оптимального управления процессом формования сырца силикатного кирпича применялись: методы системного анализа и математического моделирования, теории автоматического управления и, в частности, теории оптимизации, интегрального, дифференциального и вариационного исчислений, методы моделирования систем, методы анализа и синтеза цифровых систем управления, а также теория решения обратных задач динамики.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа с учетом приложений изложена на 167 страницах машинописного текста, включающего 1 таблицу, 66 рисунков, список литературы из 134 наименований.
Анализ технологического процесса производства силикатного кирпича и состояния его автоматизации
Производство силикатного кирпича представляет собой многоэтапный технологический процесс, характеризующийся высоким уровнем механизации [18, 45, 122]. Силикатный кирпич используется при возведении более 15% зданий. Длительность процесса производства силикатного кирпича меньше, а удельные капитальные вложения, расход топливно-энергетических ресурсов, затраты на производство единицы продукции в 1,5...2 раза ниже по сравнению с аналогичными показателями для керамического кирпича.
Типовая схема производства силикатного кирпича (рис. 1.1) охватывает все стадии производства от транспортировки сырья до отгрузки готовой продукции, по позициям изображены следующие устройства технологического процесса производства силикатного кирпича: 1 - пластинчатый питатель; 2 - дезинегратор; 3 -элеватор; 4 - бункер; 5, 8, 18, 21, 22 - ленточный транспортер; 6, 13, 19 - тарельчатый питатель; 7 - ленточный весовой дозатор; 9 - грохот; 10 - трубная мешалка; 11 - винтовой питатель; 12 - трубопровод; 14 - лопастной смеситель; 15, 18 -ленточный реверсивный конвейер; 16 - двухкамерный пневмонасос; 17 - силосы (реакторы); 20 - стержневой смеситель; 22 - пресс; 23 - автомат-укладчик; 24 -вагонетка; 25 - электропередаточная тележка; 26 - автоклав; 27 - мостовой кран; 28 - электропередаточный мост; 29 - установка очистки форм автоклавных вагонеток.
Достоинствами силикатной технологии является рациональное использование материальных и топливно-энергетических ресурсов, что говорит о хороших перспективах ее развития. В данной технологии не применяется такой энергоемкий продукт, как цемент. Можно использовать промышленные отходы, а также вторичные ресурсы, то есть расширить сырьевую базу для эффективного решения вопросов экологии [45, 84, 122].
Для изготовления силикатных изделий, в основном, используются песок, известь и вода. Кроме основного перечисленного сырья многие заводы применяют различные кремнеземистые породы, а также отходы ТЭС и металлургического производства в виде зол и шлаков, которые выполняют роль вяжущего, активного заполнителя или уплотняющей добавки [55].
Производство силикатного кирпича имеет осуществляется поэтапно. Песок из карьера автомобильным транспортом перемещается в приемный бункер песка, откуда ленточным транспортером направляется в бункерный склад. Из бункерного склада песок с помощью питателя и ленточного транспортера направляется на сито, где происходит отделение крупных фракций. Далее транспортером песок направляется в расходный бункер помольного отделения, из которого питателем подается в шаровую мельницу.
Особенность приготовления силикатных смесей заключается в получении известково-кремнеземистого вяжущего. Распространены две отличающиеся условиями гидратации извести технологические схемы производства вяжущего - гид-ратная и кипелочная. Для гидратной схемы известково-кремнеземистое вяжущее приготовляют на предварительно гашеной извести. В кипелочной схеме используется эффект гидратационного твердения негашеной извести, обеспечивающий определенную прочность свежеотформованным изделиям и создающий благоприятные условия для последующих процессов твердения.
В зависимости от типа оборудования для переработки извести различают силосные и барабанные способы. Силосный способ имеет значительные экономические преимущества перед барабанным, так как при силосовании массы на гашение извести не расходуется пар. Кроме того, технология силосного способа значительно проще технологии барабанного.
В шаровой мельнице осуществляется совместный помол извести с песком. Продукт помола элеватором подается в бункер, откуда шнековым питателем транспортируется в расходный бункер. Из расходного бункера продукт помола идет на дозатор, откуда подается в двухвальный смеситель, где известь и песок более тщательно перемешиваются, увлажняются и обрабатываются горячим паром. Подготовленная известково-песчаная смесь ленточным транспортером распределяется по сил осам.
После вылеживания и усреднения известково-песчаная смесь поступает на транспортер, при помощи которого направляется на сито. Далее известково-песчаная смесь подается в двухвальный смеситель для дополнительного перемешивания, а затем на транспортер, откуда направляется в бункер пресса.
Процессу прессования отводится особое место [45, 126], так как этот процесс в значительной мере влияет на качество готового продукта и требует исчерпывающего исследования с целью нахождения теоретических и технических решений по его автоматизации.
В настоящее время распространены две схемы: с централизованной подготовкой силикатной смеси и раздачей ее к месту прессования, и смешанная с цен трализованной первичной переработкой и индивидуальной вторичной обработкой массы для каждого пресса [122]. Первая предпочтительна для заводов большой мощности, вторая для заводов малой производительности с двумя-тремя прессами.
Свежеотформованный кирпич при помощи автомата-укладчика укладывается в определенном порядке на запарочные вагонетки, которые при помощи электропередаточной тележки по рельсовым путям подаются в автоклавы. По окончании термовлажностной обработки крышки автоклава открываются и запарочные вагонетки извлекаются при помощи лебедки. На складе готовой продукции для разгрузки пакетов используют мостовые краны с грейферными захватами.
После изучения типовой схемы производства силикатного кирпича можно сделать вывод о том, что технологический процесс состоит из четко выделенных этапов, охватывающих все стадии производства. Каждый этап характеризуется отдельным территориальным расположением и разным временем технологических операций. На каждом технологическом переделе используется оборудование, имеющее свои особенности, как объект управления с точки зрения автоматизации [16,130].
Смесительное оборудование представлено оборудованием для первичного и вторичного перемешивания. Первичное предварительное перемешивание извести с песком происходит в тихоходных двухкамерных мешалках типа СМ-246, СМК-126 или в быстроходных лопастных двухвальных смесителях СМС-95. Стержневые смесители ССК-01, СК-19, СК-08, СК-58 применяются как для вторичной обработки смеси, так и для первичного смешивания компонентов. Для вторичного перемешивания используется смеситель-растиратель СМС-55. Данный тип оборудования описывается математическими моделями смешения [51], которые используются для построения локальных систем управления.
Разработка математической модели процесса прессования силикатного кирпича и оценка ее адекватности
В результате проведенного обзора можно сделать выводы о том, что процесс прессования является наиболее узким местом и определяет дальнейшие свойства и качество готового силикатного кирпича.
При прессовании сырца наиболее целесообразно использовать гидравлические прессы с неподвижным столом, так как они позволяют задавать практически любой закон перемещения прессующего штампа и имеют достаточную мощность для одновременного прессования большого числа кирпичей.
Для управления гидравлическим прессом наиболее выгодно использование объемного способа управления движением траверсы, так как сравнение энергетических показателей данного способа управления с дроссельным показало, что объемный способ обладает более высоким КПД и лучшими нагрузочными характеристиками.
Существующие в настоящее время модели прессования силикатного кирпича являются статическими, а динамическая модель является одномерной, что не вполне удовлетворяет при решении задач автоматизации процесса формования на базе современной теории управления.
Приведенные выводы по результатам анализа состояния вопроса автоматизации и управления процессом формования силикатного кирпича позволяют сформулировать актуальную цель исследования, состоящую в повышении качества силикатного кирпича - сырца на основе применения современных подходов к моделированию процессов формования силикатного кирпича и использования новых подходов к автоматизации этого процесса, основанной на современных моделях процесса формования, с технической реализацией системы автоматизации построенной на базе микропроцессорных систем. Реализация сформулированной цели предполагает поэтапное решение следующих задач:
1. Разработка трехмерной математической модели для моделирования процесса формования силикатного кирпича - сырца.
2. Синтез на основе полученной модели оптимального по критерию минимума работы прессования закона управления перемещением прессующего штампа.
3. Получение математического описания процесса функционирования гидравлического пресса объемного управления с целью выработки подходов к построению микроконтроллерной системы управления гидропрессом.
4. Синтез закона управления гидравлическим прессом для оптимального управления процессом формования.
5. Разработка структуры микропроцессорной автоматизированной системы управления процессом формования силикатного кирпича - сырца на гидравлическом прессе.
Решение перечисленных задач предполагает применение методов: системного анализа и математического моделирования, теории автоматического управления и, в частности, теории оптимизации, интегрального, дифференциального и вариационного исчислений, методы моделирования систем, методы анализа и синтеза цифровых систем управления, а также теория решения обратных задач динамики. ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Процесс формования силикатной смеси протекает в закрытой пресс-форме, в которой происходит сжатие предварительно засыпанной формовочной смеси. На рис. 2.1 представлена схема процесса формования силикатной смеси в закрытой пресс-форме.
Синтез алгоритма оптимального управления процессом формования силикатного кирпича-сырца
Способ полусухого прессования материалов нашел широкое применение в промышленности строительных материалов, в частности, в производстве силикатных изделий. Одним из наиболее важных параметров этого процесса является удельное давление прессования, которое, однако, не является универсальной характеристикой процесса и прессов. Такое положение обусловлено разнообразием конструкций и пресс-форм и видами формуемых изделий, которые имеют разные, соотношения геометрических размеров (площади приложения нагрузки и высоты изделия), неодинаковое время приложения усилия и различные скорости прессования. Так силикатный кирпич прессуется в положениях «на постель», «на ложок» и «на тычок», и, естественно этот фактор делает понятие удельного давления прессования для качественных сравнительных оценок процесса совершенно бесполезным. В качестве наи более приемлемой характеристики, учитывающей вышеперечисленные особенности процесса формования силикатных смесей, является работа прессования [127,128]. Работа прессования определяется по уравнению: где А - работа прессования (кгс-м); p(t) - общее усилие прессования (кгс); v(t) -скорость поршня (м/с); t\, t2 - начало и конец цикла прессования (с).
Возможно также использование понятия удельной работы прессования - Ауд, то есть работы прессования, отнесенной к единице объема сформованных изделий, (кгс-м/дм3).
В качестве алгоритма оптимального управления процессом прессования силикатного кирпича будем считать такой закон перемещения прессующего штампа, который обеспечивает минимум работы (удельной работы) прессования. Для оптимизации процесса формования силикатного кирпича будем использовать дифференциальное уравнение (2.4), причем будем вести расчет на единичном слое площадью (dx х dy), на котором не будет проявляться влияние изменения коэффициента трения силикатной смеси о стенки пресс-формы f(x,y). Тогда уравнение (2.4) примет вид
Синтезированный алгоритм оптимального управления процессом прессования силикатного кирпича на основании уравнения (3.2) будет полностью соответствовать алгоритму оптимального управления, полученному на основании уравнения (2.4), так как если критерий оптимизации выполняется на единичном слое (dx х dy), то он будет выполняться и по всей плоскости (х,у).
Решение дифференциального уравнения (3.2) при начальном условии (2.5) и граничных условиях (2.6) можно найти различными способами, одним из которых, является способ основанный на применении к уравнению (3.2) преобразование Лапласа по переменной / [13, 55],
Данная передаточная функция является иррациональной и поэтому получение соответствующего изображения во временной области путем применения обратного преобразования Лапласа достаточно трудоемко. Использование разложения функции (3.8) в ряд Фурье, с целью исключения иррациональности, также ведет к длительному времени процесса моделирования [13, 77].
В передаточной функции (3.8) входной переменной является функция перемещения прессующего штампа Ч оС?), а в качестве выходной переменной выступает функция сжатия силикатной смеси ( z). Подставляя конкретные значения переменной z в (3.8) можно получить передаточную функцию по каналу "функция перемещения прессующего штампа - функция сжатия смеси" для любых z[0,#o].
Аппроксимируем передаточную функцию (3.8) рациональной передаточной функцией при: z = 0; z = #0/4; х = #0/2 и z = 3/4-Я0, то есть W(s,0); W(s,H0/4); W(s,H(/2), W(s,3/4-Ho), для этого в (3.8) произведем замену s - j.
Приняв параметры силикатной смеси теми же, что и при численном моделировании, и изменяя значение со от 10"3 до 102 при указанных значениях переменной z, получим семейство комплексных частотных характеристик которые представлены на рис. 3.1.
Анализируя КЧХ процесса одностороннего прессования (рис. 3.1) при различных z можно сделать вывод о том, что его передаточная функция как объекта управления представляет собой усилительное звено, так как при изменении частоты не происходит изменения амплитуды и фазы. Поэтому передаточную функцию процесса прессования силикатного кирпича в закрытой пресс-форме можно получить подставив в передаточную функцию (3.9) со = 0 [99].
Разработка функциональной схемы микроконтроллерной системы автоматизации гидравлического пресса для формования сырца силикатного кирпича
При разработке микроконтроллерных систем управления необходимо придерживаться основополагающих принципов проектирования, применение которых позволит предотвратить значительный экономический и моральный ущерб, связанный с трудностями принятия системно обоснованных решений [89, 96, 97]. К таким принципам относятся: принцип иерархичности структуры; принцип агрегатирования; принцип функционального гомеостазиса; принцип живучести системы; принцип высокой интеллектности; принцип свободной наращиваемости (расширяемости); принцип интегрируемости в сети; принцип экономичности.
Следует заметить, что приведенные принципы проектирования представлены с учетом перспективы совершенствования систем автоматизации гидроприводов, и, в зависимости от уровня сложности конкретно разрабатываемой системы, некоторые из принципов могут потерять силу на данном этапе развития техники систем управления и естественной потребности производства в тех или иных технических решениях [24].
Функциональная схема является основным техническим документом, определяющим функционально-блочную структуру отдельных узлов автоматического управления, регулирования и контроля, а также оснащение системы управления приборами и средствами автоматизации.
При разработке функциональной схемы необходимо обеспечить: получение первичной информации о состоянии технологического процесса и технологического оборудования; непосредственное воздействие на технологический процесс для управления им; контроль и регистрацию технологических параметров; стабилизацию технологических параметров.
Указанные задачи решаются на основе анализа условий функционирования объекта управления, требований к системе управления и выбранных способов управления. Функциональные задачи автоматизации реализуются при помощи следующих групп технических средств: отборное устройство; средства получения первичной информации; средства преобразования и обработки информации; средства представления и выдачи информации средства управления; комбинированные и вспомогательные устройства.
Результатом разработки функциональной схемы должно стать: выбор методов измерения технологических параметров; выбор основных технических средств автоматизации; определение типов приводов исполнительных механизмов и запорных органов, управляемых автоматически или дистанционно; размещение средств автоматизации на щитах, пультах, технологическом оборудовании, трубопроводах и т.д.; оп ределение способов представления информации о состоянии технологического процесса.
Основные принципы при составлении функциональных схем: наращиваемость; надёжность и безопасность; унифицированность; комплектность; рациональность.
На функциональной схеме показываются: технологическая схема или упрощённое изображение агрегатов, подлежащих автоматизации; приборы, средства автоматизации и управления, изображаемые условными обозначениями по действующим стандартам и линии связи между ними; агрегатированные комплексы, машины централизованного контроля, управляющие вычислительные машины и т.п. и линии связи их с датчиками, преобразователями, исполнительными механизмами и т.д.; таблицы условных обозначений, не предусмотренных действующими стандартами; необходимые пояснения к схеме [102].
Исходя из технологического процесса производства силикатного кирпича, организации процессов прессования и укладки кирпича-сырца, можно предло жить следующую функциональную схему автоматизированной системы управления процессом прессования в производстве силикатного кирпича (рис. 4.1).
Локальная система управления имеет иерархическую структуру, на верхнем уровне используется управляющая ЭВМ (УЭВМ), на нижнем - логический контроллер [25]. Функции управления в системе распределены между уровнями. Контроллер выполняет сбор информации с датчиков, первичную обработку и масштабирование, осуществляет реализацию локальных регуляторов и организует их синхронное взаимодействие с дискретными процессами.
УЭВМ осуществляет слежение за состоянием процесса и сообщает оператору о наличии отклонений от заданных параметров или о возникновении аварийных ситуаций. УЭВМ вырабатывает задание контроллеру и осуществляет статистическую обработку локальной информации, после чего вносит коррекцию в установки, передаваемые контроллеру. Обмен данными между УЭВМ и контроллером осуществляется по локальной управляющей вычислительной сети, чем обеспечивается техническая возможность обмена информацией с другими подсистемами и включение в систему управления предприятием в целом.
