Содержание к диссертации
Введение
1. Производство сборного железобетона в россии 10
1.1, Текущее состояние отрасли в целом и тенденции ее развития „.. 11
1.2. Динамика спроса на сборные железобетонные изделия на примере существующих предприятий 17
1.3. Контроль качества сырья, технологического процесса и готовой продукции в современных условиях 23
1.3.1. Общие положения контроля качества 24
1.3.2. Организация контроля качества при производстве бетона
и железобетонных изделий 27
1.3.3. Система управления качеством в соответствии со стандартом ИСО 9000 34
1.4. Существующие методы управления качеством бетона на заводах ЖБИ 41
1.4.1. Управление на основе методов подбора состава бетона 42
1.4.2. Статистические методы управления 43
1.4.3. Использование контрольных карт в управлении 44
1.4.4. Системы управления но отклонению с учетом динамики процесса 46
1.4.5. Системы управления по возмущению 47
1.4.6. Комбинированная система управления прочностью 49
1.5. Повышение экономической эффективности производства сборного железобетона 50
1.6. Задачи диссертационной работы 56
2. Технологический процесс производства сборного железобетона как объект управления 58
2.1. Технологический процесс производства сборного железобетона 59
2.1.1. Виды технологий производства сборного железобетона 59
2.1.2. Перечень и последовательность технологических операций 64
2.1.3. Показатели качествам свойства бетона 77
2.2. Методологические основы управления качеством железобетона 78
2.2.1. Основные технологические зависимости 80
2.2.2. Математические методы управления качеством железобетона 93
2.3. Влияние спроса на производственный процесс завода ЖБИ 95
2.4. Система управления в условиях переменного спроса 107
2.4.1. Общие принципы управления производством сборного железобетона в условиях переменного спроса 107
2.4.2. Критерии управления 109
2.4.2.1. Критерии управления в условиях стабильного спроса 112
2.4.2.2. Критерии управления в условиях переменного спроса 113
2.4.3. Управление себестоимостью продукции 114
2.4.3.1. Структура себестоимости ..114
2.4.3.2. Эффективность управления себестоимостью 115
2.5. Выводы 121
3. Моделирование производства сборного железобетона 122
3.1. Цели и задачи моделирования 123
3.2. Анализ и обоснование структуры модели 125
3.3. Методика моделирования 129
3.4. Принципы разработки блоков модели 130
3.4.1. Блок задания исходных данных - параметров технологического процесса и начальных условий производства 130
3.4.2. Блок проверки исходных данных 137
3.4.3. Блок предварительной обработки исходных данных и инициализации используемых при моделировании переменных, массивов и структур 138
3.4.4. Блоки моделирования функциональных связей 143
3.4.5. Блок моделирования склада исходных компонентов 148
3.4.6. Блок моделирования управляемого технологического процесса производства сборного железобетона 149
3.4.7. Блок моделирования склада выпускаемой продукции 157
3.4.8. Блок обработки и представления информации 158
3.5. Результаты моделирования 159
3.5.1. Изменения входных величин 160
3.5.2. Изменение производительности и спроса на выпускаемую продукцию 162
3.5.3. Изменения состояния склада исходных компонентов 164
3.5.4. Изменения состояния склада выпускаемой продукции 168
3.5.5. Экономические результаты моделирования 170
3.5.6. Сведения о выпускаемой продукции 172
3.6. Выводы 173
4. Построение системы управления производства сборного железобетона 174
4.1. Цели и задачи системы управления 175
4.2. Место автоматизированной системы управления в производственном процессе 176
4.3. Технические и программные средства системы управления 178
4.4. Адаптация имитационной модели для построения системы управления 179
4.4.1. Адаптация блоков задания и проверки исходных данных 179
4.4.2. Адаптация блоков моделирования функциональных связей 181
4.4.3. Адаптация блока предварительной обработки исходных данных и инициализации используемых при моделировании переменных, массивов и структур 184
4.4.4. Адаптация блока моделирования управляемого технологического процесса производства сборного железобетона 185
4.4.5. Адаптация блока представления и обработки информации 185
4.5. Стратегии управления 191
4.5.1. Влияние на производственный процесс времени включения в технологическую линию комплексов домола цемента 191
4.5.2. Влияние на производственный процесс изменения режимов тепловлажиостной обработки 202
4.5.3. Влияние на производственный процесс изменения состава бетонной смеси 216
4.6. Организация и перспективы внедрения системы управления 225
4.7. Выводы 227
5. Общие выводы по работе 229
6. Список используемой литературы 233
7. Приложения 243
7.1. Основные технологические зависимости 243
7.2. Пример задания исходных данных 253
7.3. Пример выдачи результатов имитационного моделирования 257
7.4. Акт внедрения 270
- Динамика спроса на сборные железобетонные изделия на примере существующих предприятий
- Виды технологий производства сборного железобетона
- Блок задания исходных данных - параметров технологического процесса и начальных условий производства
- Адаптация блоков моделирования функциональных связей
Введение к работе
Актуальность проблемы
В современном строительстве широко используются в настоящее время изделия и конструкции различного назначения, отличающиеся по виду сырья, технологии производства в сборном и монолитном возведении зданий и сооружений.
Одними из самых массовых конструкций являются сборные железобетонные, изготовленные на заводах или полигонах и доставляемые на объекты строительства в готовом виде. На предприятиях, выпускающих сборные железобетонные изделия (ЖБИ), внедряются системы управления для стабилизации качества производимой продукции [17,18,51,74], что позволяет согласно ГОСТ 18105 экономить наиболее дорогой компонент бетона - цемент.
В то же время существование подобных предприятий в условиях рынка предполагает наличие возможности гибкого изменения производственного процесса. Так, например, при скачкообразном, но непродолжительном повышении спроса на продукцию необходимо настроить технологическую линию на выпуск изделий, достигающих предъявляемых требований в более короткие сроки, А при снижении спроса на продукцию - как можно больше снизить затраты на производство.
Таким образом, помимо систем управления, стабилизирующих качество выпускаемых изделий, для заводов ЖБИ актуальным является внедрение автоматизированных систем управления, позволяющих разработать такую стратегию управления производственным процессом, которая смогла бы обеспечить жизнедеятельность предприятия адекватную сложившейся рыночной ситуации.
Цели и основные задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка
автоматизированной системы управления производством сборных железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления в условиях изменяющегося спроса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать технологический процесс (ТП) производства
сборного железобетона как объект управления:
Исследовать существующие технологии производства сборного железобетона;
Изучить технологические операции;
Рассмотреть показатели качества и свойства бетона;
Провести анализ возможности контроля и управления свойствами бетонной смеси и железобетонных изделий;
Изучить влияние переменного спроса на производственный процесс завода ЖБИ;
Изучить влияние изменений режимов производственного процесса на показатели качества и себестоимость изделий.
2. Разработать имитационную модель технологического
процесса производства сборного железобетона в условиях
изменяющегося спроса:
Исследовать перечень исходных данных, необходимых для обеспечения моделирования ТП;
Разработать структуру и алгоритмы работы имитационной модели;
Разработать средства обработки результатов моделирования.
7 3. Разработать автоматизированную систему управления производством сборного железобетона с изменяемыми критериями управления:
Обеспечить возможность задания различных стратегий управления для имитационной модели ТП;
Исследовать влияние различных стратегий управления на результаты производственного процесса;
Выявить способы уменьшения отрицательного влияния изменения спроса на производственный процесс;
Разработать перечень необходимых мероприятий для внедрения разработанной системы управления на конкретное предприятие;
Рассмотреть перспективы внедрения разработанной системы управления.
Методы исследования
В качестве теоретической основы диссертационной работы использовались: теория вероятностей и математическая статистика, методы имитационного моделирования, теория автоматического управления, теории алгоритмов и методы проектирования программного обеспечения.
Моделирование производственных процессов и системный анализ проводились с использованием профессиональных математических пакетов (MatLab, MS Excel).
Научная новизна работы
В диссертационной работе впервые проведен анализ технологического процесса и систем управления производством сборных железобетонных изделий в условиях изменяющихся критериев управления, вызванных переменным спросом на
8 выпускаемую продукцию. На основе данного анализа разработана
автоматизированная система управления производством сборных
железобетонных изделий.
Научную новизну работы также определяют;
/ Разработанная имитационная модель технологического
процесса производства сборных железобетонных изделий
в условиях изменяющегося спроса; J Разработанные на основе имитационной модели
принципы, методика, алгоритмы и автоматизированная
система управления производством сборных
железобетонных изделий с изменяемыми критериями
управления; s Результаты исследований применения различных
стратегий управления производственным процессом и их
эффективности. Практическая значимость работы В результате выполненных исследований получены следующие значимые практические результаты:
J Определены способы уменьшения отрицательного
влияния переменного спроса на технологический процесс
производства сборных железобетонных изделий; J Разработана автоматизированная система управления
производством, позволяющая оценить результаты
применения различных стратегий управления
производственным процессом; / Рассмотрены дальнейшие перспективы внедрения данной
разработки - построение системы автоматического
управления предприятием в условиях изменяющихся
критериев управления.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Московского автомобильно-дорожного института (Государственного Технического Университета).
Апробация работы, публикации
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях МАДИ (ГТУ) (2003-2006 гг.).
По теме диссертации опубликовано пять работ.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений, списка использованной литературы, насчитывающего 101 наименование, и содержит 270 страниц машинописного текста, 168 рисунков, 17 таблиц.
Динамика спроса на сборные железобетонные изделия на примере существующих предприятий
Широкое применение в строительстве получили сборные железобетонные детали и конструкции, изготовленные на заводах или полигонах и доставляемые на объекты строительства в готовом виде. Применение крупноразмерных железобетонных элементов позволило основную часть работ по возведению зданий и сооружений перенести на завод с высокомеханизированным технологическим процессом, повысило производительность труда в строительстве в три раза [4].
Но прежде чем анализировать динамику спроса на сборные железобетонные изделия на существующих предприятиях следует рассмотреть основные типы выпускаемой продукции.
Соответствующие железобетонные изделия могут быть сплошными и пустотелыми, иметь различные типоразмеры. Разделение по назначению железобетонных изделий и конструкций представлено на Рис. 1.3.
В настоящее время наиболее распространены следующие типы деталей: 1) железобетонные сваи (сплошные и пустотелые) для устройства оснований; 2) железобетонные и бетонные элементы сборных фундаментов (сплошные и пустотелые); 3) железобетонные колонны; 4) ненапряженные и предварительно напряженные железобетонные балки, прогоны и др.; 5) железобетонные панели и крупные блоки стен и перегородок; 6) ребристые, многопустотные и плоские плиты для междуэтажных перекрытий и кровельных покрытий, крупные панели, перекрывающие целую комнату или часть ее; 7) перемычки над окнами и дверными проемами; 8) железобетонные марши лестниц, ступени, косоуры, площадки, подоконники; 9) железобетонные и бетонные трубы для канализации, водопровода, дренажа, теплофикации, силовых кабелей и т, д.; 10) элементы сборных печей и дымоходов, изготовленные из бетона повышенной огнестойкости; 11) железобетонные тюбинги для шахт и тоннелей; 12) железобетонные арки и полуарки для покрытий сооружений; 13) шпалы для железных дорог, опоры и мачты для линий электропередачи, связи и освещения; 14) бетонные плиты для полов и тротуаров; 15) бетонные бортовые камни для дорог; 16) бетонные облицовочные и теплоизоляционные блоки и плиты для стен.
Наибольшая степень сборности в строительстве достигается при применении крупноразмерных объемных элементов, — каждый из которых представляет собой готовый фрагмент здания: комнату, санузел, бокс гаража и др. На заводах в специальных машинах формуют объемные элементы, затем выполняются отделочные работы, устанавливаются окна и двери, производится монтаж электро-и санитарно-технического оборудования. Работы на строительной площадке сводятся к установке блоков и соединению инженерных сетей.
В последние годы расширилось применение мелкоштучных бетонных изделий, используемых взамен традиционных изделий (кирпича, асфальтобетонных покрытий и др.) и позволяющих получить новые архитектурно-строительные решения [4].
Теперь рассмотрим, как же современные предприятия осуществляют производство изделий и конструкций сборного железобетона в условиях рыночного спроса. Воскресенский завод железобетонных изделий (ЖБИ) создан в мае 1973 года. Производственная мощность завода составляет 32 тыс. куб. м. сборного железобетона в год. Численность работающих -360 человек. Концерн КРОСТ имеет в своем составе собственное производство железобетонных изделий (ЖБИ) - "ЗкоДок", и, как показывает практика, это не только позволяет снижать себестоимость строительно-монтажных работ, но и даёт возможность управлять качественными параметрами возводимых сооружений, поддерживая их на общемировом уровне. Кроме того, такое производство является экономически эффективным. Существует следующее распределение: 50% от общего объема производства железобетонных изделий применяется в процессе строительства самой компании, остальные 50% идут на удовлетворение спроса на внешнем рынке. Принцип работы «ЭкоДок» - реализация инновационных решений с применением современных технологий. Мощность «ЭкоДок» сегодня - 4500 куб. м сборного железобетона в месяц. Территория - 9800 кв. м. Численность работающих - 300 человек.
Виды технологий производства сборного железобетона
Производство железобетонных изделий и конструкций включает следующие основные технологические операции: приемка и хранение исходных компонентов (вяжущих веществ, заполнителей, арматуры и добавок); приготовление арматурных элементов; формование изделий; ускоренное твердение отформованных изделий; хранение изделий. Изготовление железобетонных изделий и конструкций осуществляют на комбинатах, заводах, мини-заводах.
В состав комбинатов и заводов по производству железобетонных конструкций входят: склады исходных материалов, бетоносмесительные и арматурные отделения, формовочные цеха, склады готовой продукции, горючих и смазочных материалов, материальный склад, а также вспомогательные службы: лаборатория, ремонтные подразделения, трансформаторная подстанция, котельная, компрессорная и внутризаводской транспорт.
Производство железобетонных изделий для сборного строительства развивается по двум принципиально различным направлениям: формование в стационарных, неперемещаемых формах — стендовая и кассетная технологии; формование в перемещаемых формах — поточно-агрегатный способ и на поддонах-вагонетках — конвейерная технология (Рис. 2.1) [4,5,65]. Стендовая технология. Стенд представляет собой железобетонную площадку с гладкой поверхностью, разделенную полосами на отдельные технологические участки. На площадке устанавливают опалубки определенной конфигурации, соответствующей форме будущего изделия. Изделие, находясь в стационарной форме в течение всего производственного цикла (до момента затвердевания бетона), остается на месте. В то же время технологическое оборудование для выполнения отдельных операций по укладке арматуры, бетонной смеси и уплотнению перемещается последовательно от одной формы к другой. Стендовый способ дает высокий экономический эффект при изготовлении железобетонных изделий значительных размеров: плит перекрытий, ферм и балок для промышленного и транспортного строительства. Особое значение стендовый способ производства приобрел при массовом изготовлении изделий в кассетах (Рис. 2.2). При таком способе производства изделия изготовляют в вертикальных фор мах-кассетах, представляющих собой ряд отсеков, образованных стальными, прочно укрепленными стенками — перегородками. На кассетной установке осуществляется полностью весь цикл производства тонкостенных изделий, т. е. укладка арматуры, укладка и уплотнение бетонной смеси и твердение. Для этой цели кассетная установка имеет вибрирующие устройства и устройства для парообогрева или электрообогрева изделий в процессе твердения. Поточно-агрегатный способ производства состоит в том, что все операции по изготовлению изделия, очистке и смазке форм, укладке арматуры и бетонной смеси, твердению и распалубке выполняют на специальных постах, образующих определенную поточную технологическую линию. Изделие вместе с формой последовательно перемещается (с помощью крана или тельфера) от поста к посту с различными интервалами времени, зависящими от продолжительности той или иной операции: от нескольких минут (смазка форм) до нескольких часов (твердение в пропарочных камерах). Основное преимущество поточно-агрегатного способа производства заключается в универсальности основного технологического оборудования. Так, например, при незначительной затрате средств на изготовление новых форм можно быстро переходить на выпуск другого вида изделий. Этот способ производства железобетона получил в нашей стране наибольшее распространение [65]. Он экономически целесообразен для заводов с широкой номенклатурой, изделий и средней годовой производительностью до 100 тыс. м3. По указанным причинам в качестве рассматриваемого объекта управления был выбран поточно-агрегатный способ производства. Конвейерный способ производства характеризуется максимальным расчленением технологических операций и представляет собой более совершенную поточную технологию и позволяет максимально механизировать и автоматизировать основные операции (Рис. 2.3).
Технологическая линия работает по принципу замкнутого пульсирующего конвейера. Изделие перемещается от поста к посту с интервалом времени, необходимым для выполнения наиболее продолжительной операции. Вагонетки-поддоны, на которых собирают форму изделия, с помощью специального толкателя перемещаются по конвейерной линии для производственных операций: очистки и смазки форм, укладки арматуры и бетонной смеси, уплотнения смеси, тепловлажностной обработки и распалубки.
Блок задания исходных данных - параметров технологического процесса и начальных условий производства
Методика моделирования заключается в разработке плана конкретного эксперимента, в котором определяются характеристики качества компонентов бетонной смеси, режимов технологического процесса и возмущений, действующих на технологический процесс, а также состояния складов исходных компонентов и выпускаемой продукции. Задаются законы управления, временной интервал моделирования и функция спроса на готовую продукцию на этом интервале. Далее осуществляется моделирование функционирования управляемого технологического процесса производства сборного железобетона. Блок обработки и представления информации фиксирует результаты функционирования управляемой модели в заданных планом эксперимента условиях. Накопив достаточный объем таких результатов, можно сделать определенные обобщения и выбрать наиболее эффективные алгоритмы управления.
Часть параметров технологического процесса являются случайными. Как показал анализ работ других авторов, законы распределения для них являются нормальными и для их задания достаточно задать математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение [12,13,74].
Случайное число X для нормального закона распределения может быть получено следующим образом [87]: При моделировании управляемый технологический процесс производства сборного железобетона является дискретным, то есть имеет конечное множество состояний. Степень дискретизации задается с помощью отдельной переменной, по которой все величины, содержащие значение времени, пересчитываются в величины, содержащие количество программных циклов. Соблюдение общих принципов разработки отдельных блоков имитационной модели должно обеспечить ее надежность и удобство использования. Для каждого блока необходимо задать такие характеристики, которые обеспечат единый подход к организации связей между блоками в единую имитационную модель и связь с экспериментатором. В качестве базового средства разработки имитационной модели будет использоваться одно из наиболее мощных и универсальных средств для моделирования, анализа и визуализации динамических процессов, имеющих отношение к разнообразным сферам человеческой деятельности - пакет MatLab [1,27,36,39,45,77]. При разработке имитационной модели будем придерживаться принципа разработки "сверху- вниз1 [59,61,75]. При этом необходимо определить те подпрограммы, которые будут интенсивно использоваться в ходе экспериментов на имитационной модели. технологического процесса и начальных условий производства Формирование параметров, хараістеризующих физико-механические и химико-минералогические свойства исходных компонентов бетонной смеси, режимы технологического процесса, является одной из ключевых проблем имитационного моделирования ТП, Правильность формирования параметров обеспечивает адекватность имитационной модели реальному производственному процессу, как объекту управления и создает предпосылки для синтеза эффективной автоматизированной системы управления производством сборного железобетона. Необходимо отметить, что в научной литературе практически отсутствуют результаты систематических исследований динамики параметров ТП. В ряде работ приводятся временные ряды каких-либо отдельных параметров ТП, однако, их обработки и анализа, с точки зрения динамических характеристик представленных данных, не приводится. Информация о реальных статистических характеристиках достаточно ограничена. Поэтому в ряде случаев мы будем вынуждены использовать некоторые идеализированные модели процессов, основанные на аналогиях с известными характеристиками материалов или режимов технологического процесса производства сборного железобетона на заводах ЖБИ.
В Табл. 3.1 приведены задаваемые для моделирования параметры ТП и начальные условия производства, а также их конкретные значения, при которых были получены результаты, описываемые в главе 3.5.
Адаптация блоков моделирования функциональных связей
Для внедрения и эффективной эксплуатации автоматизированной системы управления технологическим процессом производства сборного железобетона в условиях изменяющегося спроса необходимо осуществить как подготовку предприятия, так и адаптацию самой системы управления к конкретному предприятию.
При подготовке предприятия к внедрению автоматизированной системы управления необходимо выполнить следующие мероприятия: / Привести систему единиц используемых на предприятии в соответствие с исходными данными, требуемыми имитационной модели технологического процесса производства сборного железобетона. J Обучить персонал, ответственный за выбор стратегии управления производством, автоматизированной системе управления. J Обучить специалиста-технолога программированию в среде MatLab для оперативного корректирования имитационной модели технологического процесса в соответствии с организованным производственным процессом на предприятии. Из встроенных в разработанную систему управления средств адаптации к конкретному производственному процессу имеются возможности по изменению состава технологических постов и их технических характеристик.
Технические и программные средства необходимые для внедрения системы управления перечислены в 4.3. В результате накопления опыта использования разработанной автоматизированной системы управления технологическим процессом производства сборного железобетона и ее адаптации к конкретному предприятию возможно синтезирование системы автоматического управления, которая исключила бы необходимость присутствия человека в контуре управления (Рис. 4,52). Для построения такой системы необходимо наличие блока моделирования стратегий управления, который на основании получаемых сведений о производственном процессе, о состоянии склада выпускаемой продукции и спросе на нее формировал бы последовательность стратегий управления для имитационной модели технологического процесса производства сборных железобетонных изделий. По получаемым результатам моделирования и заложенным критериям эффективности стратегий управления этот блок мог бы выдавать задание для системы управления качеством производимой продукции, внедренной на предприятии. На Рис. 4.52 отражены следующие информационные потоки: Xk(t) - вектор показателей качества компонентов бетонной смеси; Xk (t) - доступный для измерения вектор показателей качества компонентов бетонной смеси; Xt (t) - доступный для измерения вектор показателей качества технологических процедур; F(t) - вектор общего возмущения; F(t) - доступная для измерения часть вектора общего возмущения; R6 (t) - вектор выходного качества железобетонных изделий и конструкций при отсутствии возмущения; R6(t) - вектор выходного качества железобетонных изделий и конструкций; Y(t) - вектор измеренного состояния технологического процесса; Z(t) - вектор заданных значений показателей качества; U(t) -веістор управления. 47. ВЫВОДЫ 1. Выполнено корректирование имитационной модели технологического процесса производства сборных железобетонных изделий, разработанной в 3 главе для возможности задания различных стратегий управления. 2. Исследовано влияние времени включения в технологическую линию оборудования для домола цемента на производственный процесс в условиях переменного спроса на выпускаемые изделия, 3. Исследовано влияние режимов тепловлажностной обработки изделий на производственный процесс в условиях переменного спроса на выпускаемые изделия. 228 4. Исследовано влияние изменения состава бетонной смеси на производственный процесс в условиях переменного спроса на выпускаемые изделия. 5. Представлены необходимые мероприятия для внедрения на конкретное предприятие автоматизированной системы управления производством сборных железобетонных изделий в условиях изменяющегося спроса. 6. Рассмотрены перспективы внедрения разработанной системы управления. 1 В результате проведенных исследований разработана концепция построения автоматизированной системы управления процессом производства сборных железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления, характерными для условия изменяющегося спроса на выпускаемую продукцию. В качестве объекта управления был выбран поточно-агрегатный способ производства, как наиболее распространенный в нашей стране. 2. Рассмотрены основные свойства и показатели качества бетонных изделий. В качестве основного показателя качества, который необходимо обеспечивать, определена прочность бетона на сжатие. Проведен анализ возможности управления свойствами бетонной смеси и железобетонных изделий в условиях нестабильного спроса. Исследованы основные технологические зависимости. Проведен анализ структуры себестоимости сборных железобетонных изделий. Исследовано влияние изменений режимов производственного процесса на качество и себестоимость продукции в условиях нестабильного спроса,
