Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Технологический процесс приготовления асфальтобетонных смесей и методы его автоматизации 18
1.1. Назначение и классификация асфальтосмесительных установок 18
1.2. Асфальтосмесительные установки непрерывного действия 22
1.3. Состав и свойства асфальтобетонных смесей. 24
1.4. Формирование качества асфальтобетонных смесей автоматизированной системой управления 30
1.5. Дробильно-сортировочные установки асфальтобетонных заводов непрерывного действия 33
1.6. Агрегаты питания, устройства транспортирования и дозирования компонентов смеси 43
1.7. Сушильный агрегат 54
1.8. Смесительный агрегат 69
1.9. Выбор основных направлений исследований систем автоматизации технологических процессов производства асфальтобетонных смесей 71
ГЛАВА 2. Системотехнические основы проектирования иерархических систем управления технологическими процессами производства асфальтобетонных смесей 76
2.1. Системотехническое проектирование иерархических систем управления
2.2. Понятие функциональной иерархии 81
2.3. Упорядоченный непрерывный ряд моделей 83
2.4. Механизм образования иерархических систем 88
2.5. Операционное представление объекта 90
2.6. Критерии управления и их влияние на формирование структур САУ 93
2.7. Задачи автоматизации процессов управления качеством и производительностью 99
Выводы к главе 2 101
ГЛАВА 3. Модели объектов автоматизации технологического процесса производства асфальтобетонной смеси 104
3.1. Модельное представление элементов системы 104
3.2. Щековые дробилки первичного и вторичного дробления 104
3.3. Конусные дробилки среднего дробления 112
3.4. Ситовые грохоты 118
3.5. Накопительные и распределительные устройства 121
3.6. Системы транспортирования и дозирования сыпучих составляющих асфальтобетонной смеси непрерывного действия 125
3.7. Тепловые объекты асфальтосмесительной установки 140
3.8. Смесительный агрегат непрерывного действия 168
Выводы к главе 3 171
ГЛАВА 4. Системы автоматизации агрегатов производства асфальтобетонной смеси 173
4.1. Щековые дробилки первичного дробления 173
4.2. Система экстремального регулирования дробилки 180
4.3. Динамические процессы в экстремальной системе регулирования 186
4.4. Оценка качества процессов непрерывного дозирования 192
4.5. Расчет автоматических дозаторов непрерывного действия 194
4.6. Измерительные свойства интеграторов расхода при случайном входном сигнале 199
4.7. Система измерений с использованием корректирующего сигнала ошибки 202
4.8. Критерий оптимизации тепловых процессов барабанной сушилки 204
4.9. Оптимизация тепловых процессов сушильного барабана 208
4.10. Система автоматического регулирования температуры топочного устройства сушильного агрегата 215
4.11. Выбор оптимальных параметров настройки смесительного агрегата 222
Выводы к главе 4 227
ГЛАВА 5. Системы автоматизации АБЗ 230
5.1. Особенности автоматизации дробилок по заданному рецепту 230
5.2. Определение рецепта многофракционных смесей 234
5.3. Одностадийный процесс дробления 235
5.4. Одностадийный процесс дробления замкнутого цикла 240
5.5. Технологическая схема двухстадийного процесса дробления замкнутого цикла 244
5.6. Регулирование объема перерабатываемого щебня в двухстадий-ном ТПД замкнутой системы 245
5.7. Двухстадийный ТПД с различающимися характеристиками фракционного состава на первой стадии 248
5.8. Особенности классификации комплексов технологических устройств 255
5.9. Классификация устройств дробления и дозирования 259
5.10. Задача оптимизации состава смеси 270
5.11. Детерминированные ограничения области оптимизации состава смеси 272
5.12. Случайные ограничения области оптимизации состава смеси 275
5.13. Математическая модель статической оптимизации состава смеси 277
5.14. Определение длины условно-постоянного интервала непрерывных технологических процессов 279
5.15. Модели управления транспортированием и связным непрерывным дозированием 284
5.16. Особенности моделей управления связным непрерывным дозированием 291
5.17. Иерархическая система автоматизации производства асфальтобетонной смеси 296
Выводы к главе 5 301
ГЛАВА 6. Экспериментальные исследования систем непрерывно-циклического дозирования 304
6.1. Задачи моделирования 304
6.2. Цифро-аналоговый комплекс моделирования 305
6.3. Выбор экспериментальной схемы дробления 308
6.4. Исследование САР процессов дробления на устойчивость 311
6.5. Моделирование структурной схемы автоматизированной системы двухстадийного дробления замкнутого цикла 318
6.6. Моделирование дозаторов непрерывного действия 327
6.7. Моделирование разомкнутых систем измерения расхода 333
6.8. Взаимосвязь задач связного дозирования 335
Выводы к главе 6 338
Основные выводы и результаты работы 339
Литература 343
Приложения 355
- Назначение и классификация асфальтосмесительных установок
- Упорядоченный непрерывный ряд моделей
- Конусные дробилки среднего дробления
- Система экстремального регулирования дробилки
Введение к работе
Снижение затрат и повышение качества выпускаемой продукции путем выявления скрытых резервов и совершенствования существующих технологий является одной из основных задач развития общественного производства. Современное строительное производство находится под жестким прессингом быстро меняющейся конъюнктуры рынка и требований заказчиков к ассортименту и качеству готовой продукции, вызывая необходимость повышения его гибкости, приспосабливаемости и степени управляемости.
Интенсивное развитие индустриальных методов строительства вызывает
необходимость совершенствования технологии приготовления
асфальтобетонных смесей, повышения технического уровня автоматизации асфальтобетонных заводов (АБЗ) и установок. Необходимость повышения качества асфальтобетонных смесей вызывает потребность в создании и внедрении более прогрессивных технологических процессов на базе современных средств автоматизации и управления, в первую очередь - с использованием вычислительной техники.
Решение проблемы получения качественных асфальтобетонных смесей -непростая научная и инженерная задача, требующая, в свою очередь, решения ряда подпроблем: задания, подбора марок смеси по технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке предприятием - изготовителем, выдерживания заданного состава и физико-механических свойств смеси с использованием технических средств автоматизации и управления, корректировки соотношений отдельных фаз смеси. Если первая подпроблема является чисто технологической, то две остальные относятся к области автоматизации производства асфальтобетонных смесей и решают основную задачу формирования их заданных качественных показателей. Одновременно с помощью средств автоматизации решается достаточно общая задача повышения технико-
экономических показателей всего производства. Качественные показатели смеси служат ограничениями, в пределах которых осуществляется оптимизация технологического процесса.
Автоматическое управление технологическим процессом производства асфальтобетонных смесей учитывает принцип агрегирования, заложенный в конструкцию отечественных асфальтосмесительных установок. Это позволяет строить локальные системы автоматики отдельными агрегатами, используя для их настройки информацию о компонентах, играющих определенную роль в структуре смеси. Основная задача локальных автоматических систем - свести к минимуму действие возмущений, уменьшив тем самым вариации качественных показателей смеси. Сложность решения этой задачи состоит в том, что система работает в условиях неполной информации о характеристиках компонентов и технологического процесса. Требуется адаптация локальных систем автоматики к изменяющимся условиям производства. Эта задача может быть решена корректировкой настроек методом статистической оптимизации, использующим информацию статистической обработки характеристик влияния на качественные показатели асфальтобетонной смеси.
В работе рассматривается только проблема автоматического управления непрерывным технологическим процессом производства асфальтобетонных смесей. Проблема статистической оптимизации достаточно сложна и требует для своего решения разработки отдельной концепции, математического аппарата и технологических средств реализации.
Решение вопросов качества и ассортимента готовой продукции того или иного производства неразрывно связано с переходом на непрерывность и поточность, обеспечивая тем самым внедрение более прогрессивных методов ведения технологических процессов, создавая предпосылки для их полной автоматизации.
В пользу применения таких технологий говорит расширяющаяся и совершенствующаяся техническая база строительного производства, применение современных средств вычислительной техники.
Это позволяет:
повысить технико-экономический эффект от внедрения непрерывной технологии и получить качественную продукцию в соответствии с требованиями СНиПа, действующими техническими условиями и ГОСТами;
реализовать комплексную систему автоматизации всех разнородных производственных процессов, начиная с подачи исходных материалов в расходные бункеры и кончая выдачей готовой продукции;
использовать при автоматизации наиболее современные микроэлектронные и микропроцессорные средств автоматического контроля, учета, регулирования и управления;
применять для производства смеси оборудование непрерывного действия различных модификаций с широким спектром изменения основных технологических показателей;
учесть специфику производства асфальтобетонных смесей в части рационального уровня автоматизации, частоты смены и количества рецептур смеси, мобильности и пр.;
обеспечить максимальную гибкость и универсальность технологических решений, позволяющих сопрягать процесс непрерывного приготовления бетонных смесей с различными схемами организации производства строительных работ;
обеспечить крупноблочную компоновку узлов, заводов и установок в целом, значительно сокращая сроки монтажа - демонтажа и время передислокации установок на новое место эксплуатации;
обеспечить максимально возможную унификацию, как технологических решений, так и основного оборудования, аппаратуры, приборов и средств автоматизации;
кардинально изменить содержание процесса управления, переместив ряд технических функций от локальных устройств автоматики в среду программного и алгоритмического обеспечения.
Последнее обстоятельство является решающим при адаптации общих положений системного проектирования к созданию АБЗ с принципиально новой организацией.
Средства вычислительной техники определяют новые возможности организации процессов приготовления асфальтобетонных смесей, принципиально изменяя сам подход к решению проблемы. Ряд теоретических положений и идей концептуального характера оказываются вовлеченными в сферу практических приложений. Подход к вычислительной и, в первую очередь, микропроцессорной технике в строительной области, как к средству накопления и переработки больших объемов информации, начинает трансформироваться в сторону ее активного использования в непосредственном управлении технологией и в формировании продукта с заданными свойствами. Исчезают ограничения на применение нетрадиционных подходов к решению задач автоматизации. Происходит перенесение методов теории управления и теории систем в практику проектирования процессов смесеприготовленйя. Появляется возможность системотехнического синтеза объекта и системы управления в едином контексте проблемы интеграции технологии и управления.
Представление агрегатов технологического процесса производства асфальтобетонных смесей в виде элементов многоуровневых систем очерчивает совершенно иной круг задач теоретического и практического планов. Определяющим становится структурный подход и поиск функциональных связей, обеспечивающих многоуровневый характер передачи и преобразования информации, координацию действий элементов различных уровней иерархической соподчиненности. Появляются новые характеристики системы, связанные с вертикальной декомпозицией, алгоритмическим разнообразием принятия решений на разных уровнях,
приоритетом действия и правом вмешательства верхних уровней по отношению к нижним. Неизбежно приходится рассматривать вопросы содержательного представления способов функционирования системы, относящиеся к методам подготовки и принятия решений и, соответственно, формированию целей и критериев, используемых в системе.
Взаимообусловленное управление элементами технологической линии предполагает как априорное, так и апостериорное решения задачи улучшения качественных характеристик системы. Априорные решения сводятся к комплексу мер технологического и организационно-системного планов, обеспечивающих такую структурно-функциональную связь элементов, при которой достижение заданной цели наиболее вероятно. Апостериорные решения относятся к области динамического управления, преследующего цель автоматической минимизации нежелательных отклонений в системе за счет приложения соответствующих координирующих воздействий.
В этом смысле непрерывные технологии обладают в концептуальном плане более широкими возможностями. Высока их подвижность в части изменения принятой структуры управления, использования возможных объемов активной информации, глубины ее интеллектуальной проработки, способов, алгоритмов и периодичности приложения управляющих воздействий. Важным в методологическом аспекте становится совмещение в одной системе непрерывных и дискретных задач управления с четким разделением уровня влияния и способов сопряжения процессов управления различной периодичности.
Немаловажную роль играет положение о совместимости целей, т.е. непротиворечивости управлений по различным каналам, обеспечивающее синхронизацию результатов от действия вышестоящих и нижележащих уровней многоуровневой иерархической системы. Выполнение этого положения гарантирует обоснованность выбора целей, критериев и областей возможного изменения настроечных и конструктивных параметров системы, возможность разумного сочетания управлений в локальных подсистемах и
связного управления локальными подсистемами. Достижение глобальной цели, стоящей перед всей системой может быть реализовано за счет соответствующей координации автономно функционирующих систем.
При всем различии между принципами управления агрегатами АБЗ и между ними, как системами управления, существует глубокая внутренняя связь в границах отдельных переделов, которая позволяет анализировать их свойства в рамках единой классификации. Механизм образования классификационной схемы должен исходить из фиксирования некоторых наиболее важных свойств технологически подобных систем, сочетание которых, ослабление или усиление, определяют место системы в разрядах классификации.
Предметом классификации становятся не только отдельные агрегаты, но и системы различного уровня сложности. Центральное место занимает принцип системного проектирования, изменяющий угол зрения на структуру, способ функционирования и характер внутрисистемных связей. Кажущаяся внешняя отвлеченность положений теории многоуровневых иерархических систем при более пристальном рассмотрении дает стройное сочетание правил и положений, применение которых позволяет не только классифицировать технологически подобные устройства по степени нарастания или убывания важнейших признаков, но и обозначить пути и методы проектирования систем автоматизации с совершенно новыми свойствами.
Последнее положение особенно важно, так как подчеркивает теоретический предел совершенствования и определяет для уже существующих систем их место и объективный уровень теоретических возможностей в достаточно широком поле структурно и функционально различающихся систем.
1 Технико-экономические преимущества асфальтосмесительных заводов и установок с непрерывной технологией производства, по сравнению с аналогами периодического действия очевидны и заключаются в значительном снижении стоимости приготовления смесей, уменьшении
трудоемкости, расхода электроэнергии, значительном сокращении массы оборудования, его сроков монтажа и демонтажа, габаритов сооружений, повышении качества продукции.
Однако проблема управления непрерывным' производством асфальтобетонной смеси для различных видов строительства - сложная научная проблема, которая охватывает большой круг вопросов, связанных с исследованием и разработкой новых комплексно - автоматизированных технологических процессов, а также принципиально новых средств автоматизации.
Несмотря на применение при производстве асфальтобетонных смесей широкой гаммы агрегатов непрерывного действия при автоматизированном управлении их потенциальные возможности в части повышения качества смеси явно используются не полностью. Причина кроется в том, что до настоящего времени ограничивались только оптимизацией режимов управления отдельными агрегатами АБЗ. Если представление их как систем автоматического регулирования позволяет применить к ним методы расчета, принятые в теории управления, то исследование технологических схем непрерывного приготовления асфальтобетонных смесей должно базироваться на понятиях и представлениях теории систем.
Именно поэтому настоящая работа нацелена на создание стройной методологии проектирования автоматических систем управления процессами непрерывного приготовления асфальтобетонных смесей.
Актуальность проблемы. Технологические операции асфальтобетонного производства являются качествообразующими элементами процесса формирования асфальтобетонной смеси.
Новые тенденции технического и технологического перевооружения в строительной отрасли в изменившейся экономической ситуации, ужесточение технических условий и норм на выпуск готовой продукции диктуют принятие только таких проектных решений, которые обеспечат существенное улучшение наиболее значимых показателей производства, как
в части изменения его структуры, так и в выборе стратегии управления. Традиционно используемые технологии производства асфальтобетонных смесей отражают во многом устаревшие экономические, технологические и технические подходы предыдущей фазы экономического развития строительной отрасли. Был достигнут предел их технического совершенствования, не позволяющий кардинально изменить свойства систем, приблизить их технико-экономические показатели к новейшим, все более ужесточающимся требованиям производства.
Возможность перехода к более прогрессивным и экономически целесообразным методам автоматизированного управления связана с изменением технической базы строительного производства и комплектованием его новейшими средствами измерительной микропроцессорной техники. Это позволяет вовлечь ряд теоретических положений и идей концептуального характера в сферу практических приложений, предложить новые, нетрадиционные проектные решения, принципиально изменить сам подход к решению проблемы за счет многовариантного автоматизированного проектирования.
Именно поэтому назрела необходимость в проектировании смешанной схемы производства асфальтобетонной смеси, объединяющей процессы дробления и смесеобразования в единый технологический комплекс. Фрагментарные попытки автоматизации отдельных агрегатов АБЗ, причем, как правило, с разделительными складами для хранения фракционированного заполнителя не дали должного ощутимого эффекта повышения качества смеси. Главная причина этого кроется в отсутствии комплексного подхода при учете специфических технологических особенностей отдельных агрегатов, как частей системы автоматизированного формирования асфальтобетонной смеси.
Необходима разработка новой концепции и методологических основ синтеза систем непрерывного производства асфальтобетонной смеси в едином контексте интеграции технологии, технических средств процесса
смесеобразования и управления. Важнейшим в концептуальном плане становится комплексный подход к решению этой проблемы в рамках единой методологии проектирования иерархических систем. Прикладной интерес представляет реализация на основе предлагаемой методологии синтеза многостадийных процессов дробления и связных систем транспортирования компонентов, пригодных для решения широкого спектра задач производства многокомпонентных смесей в строительстве и других отраслях хозяйства.
Методологические основы и методы исследования. Теоретические и расчетно-аналитические исследования базировались на фундаментальных положениях автоматизированного проектирования технических систем, теории автоматического управления, теории систем и других областях науки. Экспериментальные исследования опирались на методы моделирования и обработки результатов на ПЭВМ.
Научная новизна диссертационной работы. Впервые проведен
системотехнический анализ специфических особенностей технологических
переделов непрерывного производства асфальтобетонных смесей в целях
определения принципов структурного синтеза и функционального
наполнения автоматизированной технологии производства
асфальтобетонных смесей.
Созданы научно-методологические основы синтеза и практические методы построения автоматизированных систем производства асфальтобетонных смесей в едином контексте проблемы интеграции технологии дробления и смесеобразования, технических средств реализации технологических процессов и управления.
Разработана концепция построения иерархических систем управления технологическими процессами со структурой, функциональными связями и критериями управления, отражающими многоуровневый характер преобразования первичной информации, степень ее обобщения и периодичность ее использования в процессах управления на каждом уровне иерархии.
Используя концепцию построения многоуровневых иерархических систем, разработаны при принятых функциях оценки классификационные схемы функционально обособленных агрегатов в виде некоторой упорядоченной последовательности качественно совершенствующихся структур. Классификации носят прогностический характер, позволяя определять место действующих систем в ряду функционально подобных, оценивать потенциальные возможности и стратегию улучшения их качественных характеристик, позволяя обосновать структуры с новыми свойствами.
Разработаны принципы и механизм формирования
сложноструктурированной модели технологического процесса
приготовления асфальтобетонных смесей, интегрирующей в себе модели локальных объектов автоматизации уровня оперативного управления и статистические модели технологических переделов (участков) с многопоточной технологией преобразования, подаваемого на переработку материала.
Практическая ценность и внедрение результатов исследования. Практическую ценность работы составляют спроектированные на сформулированных принципах автоматизированная система управления многостадийным процессом приготовления асфальтобетонных смесей, методы расчета вновь проектируемых и находящихся в эксплуатации систем.
Автоматизированная технология приготовления асфальтобетонных смесей, включающая в себя технические средства измерений и управления, имеет практическую направленность и предназначена для использования в установках непрерывного действия по производству строительных смесей.
Разработанная технологическая схема производства асфальтобетонных смесей, интегрирующая в единый технологический комплекс процессы дробления и смесеобразования, позволяет не только снизить капитальные и эксплуатационные затраты, исключив промежуточные складские операции, но и перейти к мобильной, высокопроизводительной, самодостаточной
автоматизированной структуре непрерывного производства
асфальтобетонных смесей. В этом случае наиболее полно проявляются эффекты комплексного автоматического управления и оптимизации технологического процесса на основе разработанных критериальных функций в оперативном режиме, позволяющие повысить качественные показатели асфальтобетонных смесей.
Внедрение результатов исследований в виде методик и программных продуктов использовалось в составе средств автоматизации процессов многокомпонентного дозирования в АОЗТ «Наш дом», Моршанском производственно-строительном управлении.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов
Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, предложенных в работе, подтверждены всесторонними исследованиями, выполненными с применением современных методов и технических средств, а также практическими результатами внедрения теоретических положений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на: международном научно-техническом совещании «Совершенствование качества в строительном комплексе» (г. Брянск, 1999г.), 57-ой научно-технической конференции «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (г. Самара, 2000г.), международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. С.Петербург, 2000г.), международной научно-технической конференции «Интерстроймех - 2001» (г. С.-Петербург, 2001г.), 7-м научно-методическом семинаре «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров республики Беларусь» (г. Брест, 2001г.), научно-технических конференциях МАДИ, кафедре автоматизации производственных процессов МАДИ. , Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложений. Основное содержание составляет 231 страница текста, 70 иллюстраций, 4 таблицы, список литературы включает 152 наименования.
Назначение и классификация асфальтосмесительных установок
Наиболее полный технологический процесс приготовления асфальтобетонных смесей состоит из следующих основных операций производства щебня, обезвоживания и нагрева битума; высушивания и нагрева минеральных материалов; разделения минерального материала на фракции и дозирования компонентов смеси; смешивания минеральных материалов с битумом и выгрузкой смеси в автосамосвалы или бункер готовой продукции.
Предприятие, на котором осуществляется технологический процесс Приготовления асфальтобетонной смеси, называется асфальтобетонным заводом (АБЗ) [78, 79, 105]. Его оснащают асфальтосмесительными установками, которые представляют собой комплекты технологического оборудования для приготовления асфальтобетонных смесей из готовых минеральных материалов. На асфальтобетонном заводе может быть от одной до нескольких смесительных установок, нередко различных по конструкции.
В состав асфальтобетонной установки входят агрегат питания, подачи минеральных материалов, сушильный агрегат, пылеулавливающий агрегат с устройствами сухой и мокрой очистки, смесительный агрегат, бункер готовой смеси, агрегат минерального порошка, обогреваемые битумные цистерны. Транспортные операции на асфальтосмесительной установке выполняются с помощью ленточных конвейеров, многоковшовых и винтовых конвейеров, а также скипового подъемника. Асфальтобетонные установки классифицируются по принципу действия смесителя, конструктивной компоновке смесительного агрегата, уровню мобильности и производительности.
По принципу действия смесителя различают установки периодического и непрерывного действия. У первых дозирование, смешивание компонентов и выдача готовой смеси производится периодически в виде повторяющихся циклов и готовая смесь выдается отдельными порциями - замесами через определенные промежутки времени. В установках непрерывного действия все операции технологического процесса происходят непрерывно.
Периодично может выполняться лишь вспомогательная операция - разгрузка бункеров готовой смеси в автосамосвалы. Асфальтосмесительные установки периодического действия применяют в тех случаях, когда необходимы частые изменения состава выпускаемых смесей, установки непрерывного действия - при длительном выпуске смеси одного состава в больших объемах. По конструктивной компоновке смесительного агрегата различают асфальтосмесительные установки башенного и партерного типов. Во-первых сборные единицы смесительного агрегата расположены один под другим по вертикали и компоненты смеси спускаются под действием силы тяжести. Во-вторых сборочные единицы смесительного агрегата расположены на рабочей площадке рядом одна с другой и связаны между собой транспортными средствами. Для установок непрерывного действия принята партерная компоновка агрегатов, а для установок периодического действия - башенная. На рис. 1.1 показаны схемы технологических процессов, выполняемых на асфальтобетонных установках. Дробильно-сортировочная установка (ДСУ) обеспечивает получение фракционированного щебня, который подается на склад (рис. 1.1, а). Со склада минеральных материалов асфальтобетонного завода холодные и влажные песок и щебень непрерывно дозируются в соответствии с требуемой подачей и затем многоковшовым конвейером (2) загружаются в барабан сушильного агрегата (3). В барабане песок и щебень высушиваются и нагреваются до рабочей температуры. Материал нагревается за счет сжигания в топках сушильных агрегатов жидкого или газообразного топлива. Жидкое топливо хранится в баке (4), в котором оно нагревается и поступает к форсунке сушильного агрегата. Необходимый для сгорания топлива воздух подается к форсунке вентилятором. Образующиеся при сжигании топлива и просушивании материала горючие газы и пыль отводятся в атмосферу через пылеулавливающие устройства сухой и мокрой очистки (6). В установках периодического действия башенного типа (рис. 1.1, а) нагретый каменный материал подается конвейером в сортировочное устройство (7) смесительного агрегата для распределения на фракции по размерам зерен. Каждая фракция щебня попадает в соответствующий отсек бункера (8). Под ним расположен автоматический весовой дозатор (9) периодического действия, где последовательно взвешиваются отдельные фракции щебня и песок в соответствии с заданной рецептурой смеси и подаются в лопастный смеситель (10). Необходимый для приготовления смесей минеральный порошок поступает в смесительный агрегат из агрегата минерального порошка (11). Агрегат включает в себя оборудование для хранения и транспортирования этого материала. Заданное количество минерального порошка в смеси обеспечивается дозатором непрерывного или периодического действия (12), который входит в состав бункера готовой смеси. Битум хранится в расходной битумной цистерне (13). В установках непрерывного действия партерного типа (рис. 1.1, б) фракционированный щебень непосредственно после дробления подается в накопительные бункера (1).
Упорядоченный непрерывный ряд моделей
Однако можно принципиально изменить содержание и цель системы автоматического управления расходом, если рассматривать дозатор как элемент системы многокомпонентного дозирования-смешения, используя закон необходимого разнообразия, по которому совершенствование системы достигается переходом к ее новой организации с новым уровнем сложности. При этом несколько локальных подсистем образуют новую усложненную структуру. Управляющие воздействия согласуют действия отдельных подсистем по достижению заданной цели. Функции оценки, фиксируя качество технологической цепочки из нескольких локальных подсистем со своими критериальными функциями, меняют в сравнении с ними свое содержание на каждом уровне системы управления. Другими словами, если для отдельного дозатора качественным критерием оценки является точность дозирования, то при многокомпонентном связном дозировании необходимо достичь минимума разброса качественных характеристик системы. Акцент с точности отдельного дозатора переносится на определение качественных характеристик всей системы в целом. Появляется возможность учесть ошибки дозирования в процессе управления и, не стремясь к полному уничтожению, взаимокомпенсировать их влияние на отклонение глобального критерия.
Сушильные агрегаты предназначены для полного удаления поверхностной, гигроскопической влаги из песка, щебня и нагрева их в зависимости от вида приготовляемых смесей до температуры 180С. Сушильный агрегат независимо от вида асфальтосмесительной установки состоит из сушильного барабана, систем подачи топлива и воздуха. В асфальтосмесительных установках используют сушильные барабаны с противоточным движением просушиваемого материала и теплоносителя [84, 106, 107]. В зависимости от степени мобильности установок выпускают стационарные или передвижные сушильные агрегаты.
Стационарный сушильный агрегат состоит из несущей рамы, барабана, приемного устройства загрузки смеси минеральных материалов, разгрузочной коробки, привода и топочного устройства. Барабан представляет собой обечайку круглого сечения, на наружной поверхности которой закреплен зубчатый венец, находящийся в зацеплении с шестерней вала электропривода. Барабан перекатывается на роликах под воздействием крутящего момента, передаваемого от электродвигателя через редуктор и шестерню к зубчатому венцу. Внутри барабана происходит интенсивный процесс теплообмена между горячими газами и материалом. По длине барабана в несколько рядов устанавливаются лопасти с расстоянием между рядами 50-100 мм. Лопасти при вращении барабана периодически поднимают и пересыпают просушиваемый материал. Прохождение горячих газов через завесу каменного материала улучшает теплопередачу, способствует более быстрому его нагреву.
В наклонном барабане материал перемещается в продольном направлении, так как каждая частица материала поднимается лопастями по окружности обечайки в плоскости, наклоненной к вертикали, а падает вертикально. Таким образом, за одно падение частица перемещается вдоль барабана на некоторое расстояние. Скорость прохождения материала может регулироваться углом наклона или частотой вращения барабана.
Большое влияние на процесс сушки материала оказывает степень заполнения поперечного сечения барабана материалом. Если заполнение барабана ниже номинального, то это может привести к перегреву обечайки барабана и лопастей, их короблению и пережогу. Заполнение сечения барабана выше номинального затрудняет транспортирование дымовых газов вдоль него и вызывает перегрузку привода сушильного барабана. Поэтому отклонение заполнения от номинального значения на 10-15% площади поперечного сечения барабана нежелательно. Кроме того, степень загрузки барабана влияет на температуру теплоносителя. С ее увеличением температура внутри барабана снижается, а при уменьшении - повышается. Кроме того, температура материала на выходе печи не должна быть меньше 160С.
До настоящего времени в качестве режимных параметров теплоносителя при управлении процессами сушки используются: его температура, температура и влажность, психрометрическая разность температур и т.д. [13, 33, 34, 70, 73] Чаще всего выходным параметром объекта, используемым в главном контуре регулирования, является температура воздуха. При современном состоянии техники это наиболее доступная для измерений величина, ее можно регулировать путем изменения расхода горючего, подаваемого в топку, либо количества воздуха, которым разбавляются продукты сгорания (в том и другом случаях достигается изменение расхода тепла), либо количества материала, подвергаемого сушке. Так как технологическая схема сушилки на практике чаще всего сводится к схеме, приведенной на рис. 1.18 (где Ф - форсунка, работающая на жидком или газообразном топливе; Т - топка для смеси продуктов сгорания с некоторым количеством воздуха; С - сушилка), то этим трем возможным вариантам соответствуют три варианта главного контура регулирования (рис. 1.19).
Конусные дробилки среднего дробления
Производительность отдельных агрегатов технологической линии не остается постоянной, не только по причине внешних влияющих факторов, вызванных главным образом изменением физико-механических характеристик исходного материала, но и из-за использования ее в качестве управляющего параметра при оптимизации режимов отдельных агрегатов.
Для эффективного управления процессами дробления на вторичной стадии с помощью шибера осуществляется регулирование объема переработки щебня дробилками с различными по соотношению фракций заполнителя зерновыми характеристиками. Возможный объем перерабатываемого щебня функционально оказывается связанным с углом поворота шибера и может быть сделан максимальным при его среднем положении. В соответствии с этим необходимо корректировать производительность щековой дробилки первичного дробления, перенастраивая ее на другой расход дробленого щебня.
В режиме оперативного управления режимом сушки компонентов смеси в сушильном барабане стабилизируется температура теплоносителя. Этот режим характеризуется относительным постоянством параметров материального потока и важнейших внешних возмущений. При значительных изменениях состояния поступающего в барабан материала может резко измениться объемное заполнение и производительность сушильного агрегата, исключая возможность обеспечения заданных показателей сушки без перевода системы в новый режим статической оптимизации за счет изменения общего объема подаваемого в барабан материала. Для реализации такой стратегии управления производством асфальтобетонной смеси необходима, по крайней мере, двухуровневая иерархия, когда локальная подсистема нижнего уровня стабилизирует режимные параметры и качественные показатели в оперативном режиме, а подсистема верхнего уровня изменяет задания системы связного дозирования с целью изменения полного объема дозируемого материала. В свою очередь связное дозирование реализуется на основе своего локального критерия, который определяет индивидуальный режим дозирования компонентов смеси с заданной по этим условиям производительностью.
Режим работы смесительного агрегата также может оказаться ограничивающим фактором на предельно возможную пропускную способность технологической линии. Существует наилучший в смысле качества перемешивания объем заполнения смесителя. При слишком резких его изменениях может произойти необратимое изменение качественных характеристик асфальтобетонной смеси за счет не соблюдения режима смешивания. Очевидна необходимость непрерывного отслеживания изменения производительности отдельных агрегатов технологической линии и ее взаимоувязанная корректировка для наиболее эффективного управления с точки зрения глобального критерия. Таким образом, структура системы управления должна обеспечить не только протекание процесса в соответствии с заданными качественными показателями, но и временное согласование агрегатов по производительности, что требует знания их динамических характеристик в виде передаточных функций. 1. Сложность функций систем процесса непрерывного производства асфальтобетонных смесей требует особого подхода при формировании структуры и отыскания функциональных связей между отдельными элементами на основе системного подхода, когда учитывается многоуровневый иерархический характер передачи и обработки управляющей информации. 2. Из всего разнообразия структурных понятий, относящихся к многоуровневым системам важнейшим является понятие функциональной иерархии или многослойной иерархии принятия решений, которая позволяет выявить и идентифицировать существенные функции в сложной системе принятия решений. 3. Используя единый методологический аппарат проектирования многоуровневых иерархических систем, разработаны общие принципы синтеза систем управления сложными технологическими объектами, обосновывающие этапы, научные и инженерные орудия проектирования; они сводятся к следующему: сложность систем управления, в соответствие с законом необходимого разнообразия, должна соответствовать сложности объекта, представляющего собой локальный объект или группу объектов, объединенных в фиксированную или нефиксированную технологическую сеть с переменной структурой; многоуровневая система функционирует на основе иерархии критериев или критериальных функций, которые меняют свое содержание на каждом уровне иерархии системы управления; рабочим инструментом решения структурных и функциональных задач управления технологическими объектами является концептуальная схема выявления существенных функций и структуры - в виде функциональной иерархии, представляющей собой интеллектуальный алгоритм достижения поставленной цели; элементы системы управления располагаются и взаимодействуют на различных уровнях иерархии, причем элементы верхнего уровня имеют дело с более крупными подсистемами или более широкими аспектами поведения системы в целом, что предопределяет периодичность управляющих воздействий вышестоящих элементов иерархии на нижестоящие; элементы системы управления, работая в реальном масштабе времени, должны вырабатывать управляющие, координирующие воздействия с различной периодичностью в зависимости от нахождения на том или ином уровне иерархии.
Система экстремального регулирования дробилки
Сушка компонентов асфальтобетонной смеси в сушильном барабане является одним из самых энергоемких процессов ее производства. Снижение энергоемкости может быть достигнуто путем применения экономичных технологий в совокупности с оптимальным управлением технологическим процессом, задача которого состоит в достижении экстремального значения показателя эффективности в виде целевой функции оптимального управления [46, 93].
При разработке простейших локальных систем управления обычно рассматривают задачу достижения заданного критерия, характеризующего отдельные или некоторую совокупность качественных показателей (точность, быстродействие, время регулирования и т.д.). Для поддержания необходимой температуры внутренней среды сушилки чаще всего применяют промышленные регуляторы, осуществляющие позиционные, пропорциональный или пропорционально-интегральный законы регулирования. Перечисленные законы предназначены только для обеспечения заданной точности регулирования. Эффективное использование тепловой энергии при расчетах систем с такими регуляторами не учитывается. Построение математической модели тепловой обработки с учетом предварительно сформированного критерия оптимальности позволяет решить задачу синтеза управляющего устройства с максимальным использованием свойств объекта. Такой подход дает существенные преимущества при проектировании и использовании оптимальных систем управления и включает в себя три задачи: выбор и математическое описание цели оптимального управления в виде соответствующих критериев оптимальности; определение математической модели объекта и установление ограничений на векторы состояния, выхода и- управления, а также оценку свойств объекта; выбор метода синтеза оптимального управления. Требуемое качество тепловой обработки компонентов смеси в сушильном барабане будет достигнуто только при выполнении предписанного технологией режима тепловой обработки. Режим тепловой обработки, как показали результаты многих исследований, достаточно полно характеризуется температурой (/,), влагосодержанием (ю) среды рабочего пространства теплового агрегата. Эти параметры и скорость их изменения наряду с тепло физическими характеристиками материала и динамическими свойствами установки тепловой обработки определяют ход процесса сушки. Управление ходом процесса осуществляется, как правило, путем изменения температуры среды рабочего пространства теплового агрегата за счет изменения параметров и расхода энергоносителя. Поскольку управление объектами тепловой обработки осуществляется путем энергетических воздействий, а их состояние определяется энергетическими характеристиками, то за показатели качества управления принимаются величины затраченной и полезной работы. Тогда в качестве критерия оптимальности можно принять функционал, предложенный в работе [45]: где Ех{Т) 0 - энергия, затраченная непосредственно на изменение состояния объекта на интервале управления (0 - 7); Е2(Т) - полные затраты энергии управления на интервале (0-7). Функционал (4.103) построен в соответствие с правилом преобразования нескольких частных критериев в один общий. Здесь следует заметить, что функционал (4.103) целесообразно применять для стабилизирующих оптимальных систем управления [115, 116]. Функционал оптимальности может быть получен, если рассматривать объект управления и управляющее устройство как две оперирующие стороны [46]. Взаимодействие двух оперирующих сторон при наличии потерь энергии в окружающую среду в соответствие с законом сохранения энергии может охарактеризоваться следующей зависимостью: где ЕХ Е0!.; П - коэффициент пропорциональности; Еос - энергетический потенциал окружающей среды; N- управляющий энергетический поток. Если исходить из того, что окружающая среда «стремится» снизить потенциал объекта управления относительно окружающей среды, то ей следует приписать цель Fx:
