Введение к работе
Актуальность работы. Потребность в разработке и освоении новых материалов для строительства гражданских и промышленных сооружений координирует направления ведения исследовательских работ во многих областях науки. Качественные изменения в технологии производства бетонных смесей и получения бетонов с заданными свойствами является основным звеном, обеспечивающим прогресс в строительном производстве.
В настоящее время потребности строительного производства требуют оптимизации макроструктур бетонов на основе оптимизации составов бетонных смесей с использованием новых физических принципов и возможностей современной компьютерной техники.
Развитие промышленности, требующей всё большее количество ресурсов, ставит задачу их экономии и поиска альтернативных решений возникающих задач. В строительной отрасли одним из направлений позволяющим значительно снизить потребление ресурсов является разработка и внедрение строительных материалов обладающих повышенными качественными характеристиками.
Процессы производства бетона, изделий и конструкций из него являются отражением двух взаимосвязанных тенденций:
улучшение технологических параметры готовых изделий и воспроизводимости их свойств, расширение диапазона их регулируемого изменения;
определение оптимальных технологических приёмов, которые обеспечивали бы выполнение вышеперечисленных требований.
Необходимо стремиться к получению оптимальной структуры бетона, когда частицы в ней распределены равномерно по объему; количество дефектов структуры как концентраторов напряжений или аккумуляторов агрессивной среды минимально; имеется непрерывная прослойка вяжущего вещества в виде пространственной сетки, или матрицы при минимальном отношении толщины материала скрепляющей матрицы и фазы заполнителя, наибольшая плотность упаковки твердых частиц. Достоинством оптимальных структур является подобие их между собой, т.к. закономерность, вскрытая в отношении одного материала, может быть распространена на другие, если их структуры являются оптимальными.
Следовательно, главной задачей, которую необходимо решить при автоматизации технологического процесса приготовления компонентов бетона с заданными технологическими свойствами, является задача подбора оптимального состава компонентов с высокой точностью. Эта задача напрямую связана с задачей повышения точности дозирования компонентов, поскольку, от точности соблюдения рассчитанной рецептуры бетонной смеси в значительной мере зависит воспроизводимость результатов от дозы к дозе готовой бетонной смеси.
Применяемые в настоящее время методы подбора состава бетонной смеси с применением формул Беляева или Боломея, а также уравнений регрессии дают результаты, которые в настоящее время нельзя признать удовлетворительными, поскольку приводят к значительному перерасходу цемента, а вариация прочности готовых изделий достигает 20 …30 %
Традиционные технологии производства бетонных смесей отражают во многом экономические, технологические и технические подходы предыдущей фазы экономического развития строительной отрасли. Это зачастую не позволяет кардинально изменить свойства систем, приблизить их технико-экономические показатели к новейшим, все более ужесточающимся требованиям производства.
Новые тенденции технического и технологического перевооружения в строительной отрасли в изменившейся экономической ситуации требуют существенного улучшения наиболее значимых показателей производства.
В традиционных технологиях циклического и непрерывного дозирования был достигнут предел технического совершенствования, не позволяющий кардинально изменить свойства этих систем и существенно улучшить их технико-экономические показатели.
Поэтому назрела необходимость в проектировании смешанной схемы непрерывно-периодического дозирования, интегрирующей в себе оба технологических принципа производства строительных смесей. Отдельные попытки опытного внедрения такой технологии на смесительных установках не дали ощутимого эффекта. Причины этого связаны с игнорированием специфики технологии периодического дозирования при непрерывной и растянутой во времени подаче компонентов на смешивание, когда начинает проявляться ряд факторов, существенно изменяющих метрологические характеристики системы. Это в первую очередь – выбег ленты весового транспортера после каждого выключения дозатора и переменная плотность материала, с изменением которых приходится считаться в каждом цикле дозирования. Отсутствие корректировки режима непрерывно-периодического дозирования с учетом реально действующих возмущений не позволяет использовать в полной мере потенциальные возможности такой технологии и делает актуальным решение задачи повышения эффективности влияния операций дозирования на качество строительных смесей.
Все это делает необходимым разработку автоматизированной технологии производства бетонной смеси, объединяющей процессы подбора рецепта смеси и смешанной схемы непрерывно-периодического дозирования как единого технологического комплекса системы автоматического управления с обратной связью, позволяющей перерасчитывать рецепт или изменять состав смеси за счет выбранных технологических параметров.
При определении фракционного состава заполнителя бетонной смеси на современном этапе, целесообразно воспользоваться результатами нового направления в строительном материаловедении – «компьютерное материаловедение строительных композиционных материалов» позволяющего получать оптимальное заполнение материалом объема с минимальным количеством пустот. Наряду с организацией структуры цементных композиций, зависящей от качественного и количественного состава частиц заполняющей фазы, необходима ее технологическая реализация с высокой точностью на основе создания эффективных систем дозирования её компонентов.
Таким образом, для автоматизации процесса непрерывно-периодического приготовления компонентов бетонной смеси необходимо решить две связанные задачи автоматизации расчёта состава бетонной смеси для получения материала с заданными свойствами и, на этой основе, произвести автоматическое дозирование компонентов.
Поэтому проблема разработки принципов и методов автоматизации процессов промышленного производства бетонных смесей с оптимизацией компонентов заполнителя по гранулометрическому составу является актуальной.
Цель работы. Разработка научно-методологических основ и практических методов построения системы автоматизированного управления технологическим процессом непрерывно-периодического дозирования компонентов бетонных смесей при непрерывной и растянутой во времени подаче их в бетоносмеситель с оптимизацией рецептуры компонентов заполнителей смеси по гранулометрическому составу.
Для достижения поставленной цели:
выполнен анализ, зарубежного и отечественного опыта подбора составов композитных строительных материалов, автоматического управления процессами непрерывно-периодического дозирования компонентов бетонных смесей, методов и средств их автоматизации;
разработаны методологические принципы построения, требования к структуре, системе критериев и необходимым функциональным связям системы автоматизации, объединяющей в единый технологический комплекс процессы подбора рецепта и непрерывно-периодического дозирования компонентов бетонных смесей;
разработаны принципы формирования структур композиционных строительных материалов матричного типа на основе кластерной теории и методические принципы их синтеза на основе компьютерного моделирования методом случайных упаковок.
разработана математическая модель процесса управления текущей производительностью дозатора непрерывного действия в циклическом режиме с учетом погрешностей дозирования, вызванных изменением плотности материала и выбегом ленты весового транспортера после выключения дозатора;
на основе разработанных критериев оптимизации разработаны структура дозатора непрерывного действия с комбинированной системой управления по расходу, функциональное наполнение, а также методы расчета и определения оптимальных параметров настройки;
выполнена экспериментальная проверка полученных результатов.
Методы исследования
В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования, а также имитационное компьютерное моделирование с использованием специально разработанных алгоритмов и программ. Теоретические исследования основывались на использовании основных положений и расчётных выражений теории автоматического управления, «эффективной среды», «перколяции» (percolation), математической статистики и теории вероятностей. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных и промышленных образцах дозаторов непрерывного действия.
Методологические основы и методы исследования. Теоретические и расчетно-аналитические исследования базировались на фундаментальных положениях автоматизированного проектирования технических систем, теории автоматического управления, теории систем, теории вероятностей и других областях науки. Экспериментальные исследования опирались на методы моделирования и обработки результатов на ЭВМ.
На защиту выносятся
Общая концепция автоматизации непрерывно-периодического дозирования компонентов бетонных смесей при непрерывной и растянутой во времени подаче их в бетоносмеситель с оптимизацией рецептуры компонентов заполнителей смеси по гранулометрическому составу.
Теоретические и организационные основы концепции теории «перколяции» (percolation),применительно к композиционным строительным материалам матричного типа, используемые для формирования их структур, разработке методических принципов компьютерного моделирования структуры методом случайных упаковок, анализа влияния физических факторов на свойства готовых композитных материалов.
Методологические принципы построения, требования к структуре, системе критериев и функциональным связям системы автоматизации, объединяющей процессы подбора рецепта и непрерывно-периодического дозирования компонентов бетонных смесей с использованием дозаторов непрерывного действия.
Математическая модель процесса управления текущей производительностью дозатора непрерывного действия с комбинированной системой управления по расходу, методы расчета и определения оптимальных параметров ее настройки.
Научная новизна работы.
Решена крупная научно-техническая проблема теоретического обоснования, синтеза и практической реализации автоматизированной системы управления технологическим процессом непрерывно-периодического дозирования сыпучих компонентов бетонной смеси с учетом критической объемной концентрации заполнителя в рамках теорий «перколяции» и «эффективной среды», которая обеспечивает получение бетона с заранее заданными свойствами.
Диссертантом впервые:
Разработаны методологические основы автоматизации технологического процесса непрерывно-периодического дозирования компонентов бетонных смесей, позволяющие на основе требований к свойствам конечных изделий и свойствах исходных компонентов, осуществлять подбор оптимального состава заполнителя бетонной смеси и реализовывать его с высокой точностью за счет операций непрерывно-циклического дозирования.
Разработана математическая модель структуры бетона на основе вероятностно - геометрической концепции формирования структур композиционных материалов.
На основе модели структуры синтезирован моделирующий алгоритм и программа «JPAK», позволяющий получать структуру бетона с объемной концентрацией заполнителя до 0,3…0,4, и имитировать процесс уплотнения бетонной смеси, что выгодно отличает его от ранее известных алгоритмов.
Разработана математическая модель связи прочности бетона с объёмной концентрацией заполнителя в приближении теорий «перколяции» и «эффективной среды», позволяющие рассчитывать объёмную концентрацию заполнителя для получения бетона с заданной пористостью.
Разработана математическая модель для определения «критических концентраций» «континуальных» задач теории «перколяции» с применением диполярной (бисферической) системы координат и метода «противопоставлений».
Построена и исследована достаточно полная последовательность моделей дозаторов непрерывного действия в порядке возрастания сложности их структур, и соответствующего повышения точности дозирования на основе положений закона необходимого разнообразия, что позволило определить направление развития систем непрерывно- периодического дозирования и предложить новый принцип комбинированного управления расходом сыпучих материалов.
Разработана аналитическая методика расчета дозаторов непрерывного действия с комбинированным управлением.
Для определения значений настроечных параметров комбинированной системы автоматического регулирования (САР) непрерывного дозирования предложен функционал оптимальности, учитывающий статические свойства материальных потоков компонентов.
На основе принятого критерия оптимальности разработаны методика и программа расчета комбинированной САР на ЭВМ с целью выбора значений настроечных параметров системы.
Разработан комплекс технических и программных средств, обеспечивающих эффективную реализацию автоматизированной системы управления технологическим процессом непрерывно- периодическим дозированием сыпучих компонентов бетонной смеси.
Практическая ценность и внедрение результатов исследования
Практическую ценность работы составляют спроектированная на сформулированных принципах автоматизированная система управления непрерывно-периодическим дозированием сыпучих компонентов бетонных смесей при непрерывной и растянутой во времени подаче их в бетоносмеситель, методы подбора оптимального состава заполнителя бетонной смеси в рамках теорий «перколяции» и «эффективной среды», расчета проектируемых и находящихся в эксплуатации дозаторов непрерывного действия с комбинированной системой управления.
Автоматизированная технология дозирования сыпучих компонентов заполнителя, включающая в себя технические средства измерений и управления, имеет практическую направленность и предназначена для использования в установках непрерывно-периодического действия по производству бетонных смесей.
Применение разработанных систем автоматизации позволяет решать задачи оптимизации технологических режимов, как отдельных операций непрерывной и растянутой во времени подачи сыпучих компонентов в бетоносмеситель, непрерывно-периодического дозирования компонентов, так и всего технологического процесса промышленного приготовления бетонных смесей, обеспечивая, тем самым, повышение их качества и ряда других технико-экономических показателей производства.
На основе разработанной вероятностно-геометрической концепции и методических принципов структурного синтеза композита и компьютерного моделирования процесса случайного заполнения объема геометрическими элементами с распределенными размерами, решается технологическая задача оптимизации гранулометрического состава заполнителя бетонных смесей, которые служат материалом для получения бетона с высокими эксплуатационными свойствами. Испытание образцов бетона, объемная концентрация заполнителя которых подбиралась на основе компьютерного моделирования, показало снижение межпорционной вариации их физико-механических свойств по сравнению с принятыми на бетонных заводах методиками расчёта.
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, АБЗ ООО «Транстромсервис», ЗАО «Союз-Лес».
Результаты экспериментальных исследований, полученные в ходе опытно-промышленной эксплуатации, показали, что внедрение разработанной системы управления приводит к увеличению однородности бетона по прочности и снижению на 5 % нормативного расхода цемента на приготовление одного кубического метра бетонной смеси.
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 8-й межвузовской научно-технической конференции (г. Москва, 2004 г.), ), на международной научно-технической конференции «Интерстроймех» (г. Москва-2006…2012), 30-й Московской международной выставке «Образование и карьера – XXI век» (Москва, 12…14 ноября 2009 г. одобрение на третьей специализированной выставке нанотехнологий и материалов «NTMEX-2006» (Москва, 2006), всероссийской научно-технической конференции журнала «Строительные материалы» «ДОР-СМ: Материалы для дорожного строительства» (Москва, 2009…2011, 4-й всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством продукции и окружающей среды» (Москва, 2010), 68-й научно-методической и научно-исследовательской конференции «Управление строительно-техническими свойствами бетонов для автомобильных дорог и сооружений» (Москва, 2010), научно-технических конференциях МАДИ (2002…2012), кафедрах «Автоматизация производственных процессов», «Автоматизированных систем управления» МАДИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 63 работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложений. Основное содержание составляет 301 страница текста, 98 иллюстраций, 5 таблиц, список литературы включает 122 наименования.
Похожие диссертации на Автоматизация технологического процесса непрерывно-циклического дозирования сыпучих компонентов бетонной смеси с учетом критической объемной концентрации заполнителя в рамках теорий перколяции и эффективной среды
