Содержание к диссертации
ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 8
ВВЕДЕНИЕ 9
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ 9
ЦЕЛЬ РАБОТЫ 10
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
К ЗАЩИТЕ ПРЕДСТАВЛЯЕТСЯ 10
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ 11
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ 11
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ, ПУБЛИКАЦИИ 12
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ 13
1. АСФАЛЬТОБЕТОН И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ 14
1.1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОНА В ПОКРЫТИЯХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ 14
1.1.1. Текущее состояние проблемы 14
1.1.2. Перспективы развития производства асфальтобетонной смеси 20
1.2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА КАЧЕСТВО АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ 22
1.2.1. Основные дефекты готового асфальтобетонного покрытия 24
1.2.2. Компоненты асфальтобетона и их влияние на качество покрытия 31
1.2.3. Производственные факторы и их влияние на качество асфальтобетонной смеси и готового покрытия 33
1.2.4. Транспортировка, укладка и уплотнение асфальтобетонной смеси 34
1.3. ОПЫТ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ АСФАЛЬТОБЕТОНА 35
1.3.1. Общие принципы построения систем управления АБЗ 35
1.3.2. Управление производством асфальтобетонной смеси 37
1.3.2.1. Управление технологическим процессом 37
1.3.2.2. Автоматизация производственных процессов лаборатории АБЗ 53
1.3.2.3. Управление качеством АБЗ 57
1.3.2.4. Комплексные системы управления 60
1.3.3. Связь с внешними относительно АБЗ производствами и процессами 60
1.3.3.1. Транспортные операции 60
1.3.3.2, Укладка, уплотнение и контроль качества 61
1.4. ОПЫТ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ В СМЕЖНЫХ ОТРАСЛЯХ 62
1.4.1. Промышленность сборного железобетона 63
1.4.2. Производство товарного бетона 65
1.5. ОБЩИЕ ТЕІТДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ 68
1.6. ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 72
2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 75
2.1. ОБЩАЯ КОНЦЕПЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 75
2.2. ОБОБЩЕННЫЙ ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ 76
2.3. СИСТЕМА ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ АСФАЛЬТОБЕТОНА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ: ИЕРАРХИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ 81
2.3.1. Основные задачи комплексной системы управления
2.3.2. Общие принципы синтеза целевых функций для различных уровней иерархии 83
2.3.3. Задачи локальных систем управления 83
2.3.3.1. Системы логико-программного управления. 83
2.3.3.2. Задачи цифрового управления 85
2.3.4. Задачи системы управления качеством .85
2.3.5. Задачи контроля транспортировки асфальтобетонной смеси, ее уплотнения 86
2.4. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 87
2.4.1. Структура локальных систем управления 89
2.4.1.1. Моделирование структуры локальной системы управления 90
2.4.1.2. Оценка результатов моделирования 94
2.4.2. Структура системы управления качеством для АБЗ 98
2.4.3. Структура системы управления свойствами смеси непосредственно на объекте 103
2.4.3.1. Подсистема контроля и управления свойствами смеси в процессе ее транспортировки 103
2.4.3.2. Подсистема контроля и управления свойствами смеси в процессе ее укладки, уплотнения и эксплуатации 106
2.4.4. Структура комплексной системы управления 108
2.5. УПРАВЛЯЕМЫЕ И КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ 109
2.5.1. Управляемые параметры 109
2.5.2. Контролируемые параметры ПО
2.5.2.1. Компоненты смеси 111
2.5.2.1.1. Крупный заполнитель 111
2.5.2.1.2. Песок 113
2.5.2.1.3. Минеральный порошок 114
2.5.2.1.4. Битум 116
2.5.2.2. Технологический процесс производства асфальтобетонной смеси 116
2.5.2.2.1. Операции дозирования 118
2.5.2.2.2. Тепловые процессы 118
2.5.2.3. Транспортировка смеси 119
2.5.2.4. Укладка и уплотнение смеси 119
2.6. ОБЩИЕ ШЙНДИПЬІ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЕЙ ИЕРАРХИИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 120
2.6.1. Модели формирования параметров 121
2.6.2. Модели технологических операций 123
2.6.3. Модели систем контроля 123
2.6.4. Модели систем управления 124
2.7. ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 2 125
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ. МОДЕЛИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ 127
3.1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА КОМПОНЕНТОВ И ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА НА КАЧЕСТВО АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ 128
3.2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРОВ И ИХ МОДЕЛИРОВАНИЕ 131
3.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИИ МИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 133 3.3.1. Общие методические вопросы моделирования гранулометрического
состава асфальтобетонной смеси 137
3.3.2. Минеральный порошок 140
3.3.3. Песок 144
3.3.4. Крупный заполнитель 146
3.3.5. Смесь минеральных компонентов асфальтобетона 148
3.4. ИНФОРМАЦИОННОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КОНТРОЛЯ 163
3.4.1. Основные параметры информационного обеспечения процесса управления производством 163
3.4.2. Моделирование основных параметров измерительных систем 163
3.4.3. Методы оперативной обработки результатов измерений 172
3.5. ОБЩАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ 180
3.5.1. Моделируемые характеристики и диапазоны варьирования факторов 182
3.5.2. Временные диапазоны моделирования 182
3.5.3. Моделирование возмущений 183
3.5.4. Результаты моделирования 184
3.6. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОДЕЛИ ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ ДЛЯ
АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ЗАВОДА 195
3.6.1. Структура модели системы управления 195
3.6.2. Результаты совместного моделирования технологического процесса и системы управления им 197
3.7. ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 3 199
АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТИРОВКИ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ ДО МЕСТА ЕЕ УКЛАДКИ 201
4.1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССОВ ТРАНСПОРТИРОВКИ СМЕСИ НА КАЧЕСТВО ГОТОВОГО ПОКРЫТИЯ 201
4.1.1. Загрузка смеси в самосвал на АБЗ 203
4.1.2. Процесс транспортировки смеси от АБЗ до места укладки 204
4.1.3. Выгрузка смеси из автосамосвала в приемный бункер асфальтоукладчика 204
4.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТИРОВКИ СМЕСИ 205
4.2.1. Структура модели 205
4.2.2. Динамические характеристики параметров 208
4.2.3. Модель процесса транспортировки смеси 209
4.3. ИНФОРМАЦИОННОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА
КОНТРОЛЯ 216
4.3.1. Основные параметры информационного обеспечения 216
4.3.2. Набор контролируемых параметров транспортировки асфальтобетонной смеси 216
4.3.2.1. Контроль температуры асфальтобетонной смеси 216
4.3.2.2. Контроль условий окружающей среды 217
4.3.2.3. Контроль длительности перевозки асфальтобетонной смеси 217
4.3.2.4. Дополнительные параметры контроля 217
4.3.3. Моделирование основных параметров измерительных систем 217
4.3.4. Методы оперативной обработки результатов измерений 217
4.4. МОДЕЛЬ ВАРИАЦИИ КАЧЕСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ ТРАНСПОРТИРОВКИ 218
4.4.1. Технологические аспекты качества процедуры транспортировки смеси 218 4.4.2. Изменения теплофизических параметров асфальтобетонной смеси 219
4.4.3. Результаты моделирования 222
4.4.3.1. Загрузка смеси 222
4.4.3.2. Транспортировка смеси 224
4.4.3.2.1. Транспорте оборудован устройством для подогрева смеси 225
4.4.3.2.2. Транспорт оборудован устройством для подогрева смеси 227
4.5. ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 4 230
5. УЧЕТ ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА УКЛАДКИ И УПЛОТНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ НА ЕЕ ПРОИЗВОДСТВО 233
5.1. ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ В ХОДЕ УКЛАДКИ И УПЛОТНЕНИЯ СМЕСИ 233
5.1.1. Особенности процесса укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей 234
5.1.2. Методы и средства устройства асфальтобетонных покрытий 236
5.1.3. Технологический процесс укладки и уплотнения 241
5.1.3.1. Формирование структуры асфальтобетона в процессе уплотнения 241
5.1.3.2. Температурные характеристики смеси 245
5.1.3.3. Технологические факторы 247
5.1.3.4. Организационные факторы 252
5.1.4. Входное качество асфальтобетонной смеси 255
5.1.4.1. Состав и другие свойства асфальтобетонной смеси 255
5.1.4.2. Температурные характеристики смеси в момент начала укладки 256
5.1.4,3. Организация доставки смеси к месту укладки и уплотнения 257
5.1.5. Пооперационный контроль процесса укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси 259
5.1.5.1. Видимые дефекты 259
5.1.5.2. Контроль температурных параметров 266
5.1.5.3. Контроль степени уплотнения 267
5.1.6. Контроль качества готового асфальтобетонного покрытия 274
5.1.6.1. Контроль физико-механических свойств готового покрытия 274
5.1.6.2. Динамические характеристики параметров 275
5.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УПЛОТНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ 275
5.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ УКЛАДКЕ И УПЛОТНЕНИИ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ 287
5.3.1. Общие принципы построения модели 287
5.3.2. Изменения теплофизических параметров асфальтобетонной смеси при ее укладке и уплотнении 289
5.3.3. Особенности математической модели процесса 290
5.3.4. Результаты моделирования 290
5.4. ИНФОРМАЦИОННОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КОНТРОЛЯ 304
5.4.1. Задачи контроля 304
5.4.2. Информационное взаимодействие САУ АБЗ и системы контроля
процессов укладки и уплотнения смеси 306
5.5. ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 5 308
6. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ 311
6.1. ЗАДАЧИ КОМПЛЕКСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ АСФАЛЬТОБЕТОНА 311
6.1.1. Структура задач системы комплексного управления производством асфальтобетона 311
6.1.1.1. Топологическое распределение задач 311
6.1.1.1.1, Асфальтобетонный завод 314
6.1.1.1.2, Транспортировка смеси 315
6.1.1.1.3, Укладка и уплотнение 316
6.1.1.2. Функциональное распределение задач 317
6.1.2. Задачи САУАБЗ 318
6.1.2.1. Управление ТПАБЗ 318
6.1.2.2. Контроль качества на АБЗ 318
6.1.2.3. Подсистема контроля транспортировки асфальтобетонной смеси 318
6.1.2.4. Подсистема контроля укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси 319
6.1.2.5. Прием/передача данных 319
6.1.3. Типовые задачи 320
6.2. ОБЩЕЕ ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 320
6.2.1. Структура информационного обеспечения комплексной системы управления 320
6.2.2. Функции информационного обеспечения комплексной системы управления производством асфальтобетонной смеси 324
6.2.3. Обмен информацией между отдельными подсистемами комплексной системы управления 326
6.3. ТЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 328
6.3.1. САУАБЗ 329
6.3.1.1. Технические средства 329
6.3.1.2. Программное обеспечение 336
6.3.2. Подсистема контроля транспортировки асфальтобетонной смеси 338
6.3.2.1. Контроль положения транспортного средства 338
6.3.2.2. Система контроля и передачи данных 343
6.3.2.3. Аппаратные и программные средства диспетчерской на АБЗ 350
6.3.3. Подсистемы контроля укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси 353
6.3.3.1. Контроль положения асфальтоукладчиков и катков в пространстве 353
6.3.3.2. Контроль температурных параметров и степени уплотнения асфальтобетонной смеси в процессе укладки и уплотнения 354
6.3.3.2.1. Контроль температуры окружающей среды и скорости ветра 354
6.3.3.2.2. Контроль температуры асфальтобетонной смеси 354
6.3.3.3. Система контроля и передачи данных 354
6.3.3.4. Аппаратные и программные средства диспетчерской на АБЗ 354
6.4. БАЗЫ ДАННЫХ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 354
6.4.1. Структура баз данных 355
6.4.2. Выбор программных средств СУБД 358
6.4.3. Схема баз данных и организация обработки данных 358
6.5. АЛГОРИТМЫ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 362
6.5.1, Обобщенный алгоритм подсистемы транспортировки асфальтобетонной смеси 365
6.5.2. Алгоритмы обмена с навигационным контроллером «Falcom F35-XXL-SI» .367
6.6. ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 370
6.6.1. Этапы внедрения комплексной системы управления 370
6.6.2. Перспективы применения комплексной системы управления 373
6.7. ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 6 374
7. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 376
8. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 379
9. ПРИЛОЖЕНИЯ 396
9.1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 396
9.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОНЕНТОВ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ 397
9.2.1. Крупный заполнитель 397
9.2.1Л. Показатели прочности щебня и гравия 397
9.2.1.2. Гранулометрический состав крупного заполнителя 399
9.2.2. Песок 401
9.2.3. Минеральный порошок 402
9.2.4. Битум 404
9.2.4.1. Характеристики битума 404
9.2.4.2. Содержание битума в различных смесях 405
9.3. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ 408
9.4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ 418
9.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 425
9.5.1. Автомобили-самосвалы 425
9.5.2. Асфальтоукладчики 426
9.5.3. Катки самоходные 426
9.6. АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА 428
9.7. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ
Введение к работе
Социально-экономическое развитие страны сопровождается ростом спроса населения и экономики на услуги автомобильного транспорта. По объемам грузоперевозок автомобильный транспорт превосходит железнодорожный магистральный транспорт почти в 6 раз. Вместе с тем и качество, и количество автомобильных дорог в России неудовлетворительно. Важность проблемы подчеркивает «Национальная программа модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025 года». Цель программы — развитие автомобильных дорог в соответствии с потребностями населения, экономики Российской Федерации и транспортной инфраструктуры, обеспечение требуемого технического состояния, пропускной способности и плотности дорожной сети, увеличение мобильности и стимулирование экономической активности, повышение безопасности и укрепление обороноспособности Российской Федерации.
В настоящее время социально-экономическое развитие России во многом сдерживается из-за нынешнего состояния и уровня развития автомобильных дорог. Значительная часть федеральных дорог имеют высокую степень износа к исчерпали свою пропускную способность. Около 28 тыс. населенных пунктов не имеют связи по автомобильным дорогам с твердым покрытием, что приводит к сворачиванию производства, в том числе сельскохозяйственного, оттоку населения из этих регионов. Задача удвоения валового внутреннего продукта к 2010 году согласно прогнозу приведет к увеличению объемов перевозок в 1,8 раза, что еще более обострит ситуацию, связанную с обеспечением пропуска по автомобильным дорогам возрастающих автотранспортных потоков, и может стать фактором, сдерживающим экономический рост.
Темпы развития: дорожной сети не соответствуют потребности экономики России. Это увеличивает разрыв между темпами роста автомобилизации и развитием автомобильных дорог (а/д), что в итоге может привести к возникновению системных транспортных заторов и сдерживанию экономического роста страны. При сохранении существующих объемов дорожного строительства соединение 28 тыс. населенных пунктов автомобильными дорогами с твердым покрытием может быть завершено только через 140 лет, а модернизация а/д «Россия» Москва - Санкт-Петербург и а/д «Дон» Москва -Новороссийск будет закончено соответственно к 2023 и 2027 гг.
В 2003 году отремонтировано всего 20,8 тыс. км автомобильных дорог, что составляет только 33,4% от нормативной потребности. При этом не обеспечивается восстановление ежегодного износа автомобильных дорог. В создавшейся ситуации тысячи километров автомобильных дорог не ремонтировались десять и более лет, что уже привело к необратимому разрушению дорожных покрытий. Программа ремонта, модернизации и развития сети автомобильных дорог РФ предусматривает последовательное наращивание объемов строительства, что потребует роста объемов производства асфальтобетонной
• смеси. Важнейшее значение для долговечности покрытия дороги имеет качество асфальтобетонной смеси и асфальтобетона. Срок службы асфальтобетонных покрытий в нашей стране существенно ниже аналогичных показателей промышленно развитых стран.
Разработка теоретических и методологических основ комплексного управления производством асфальтобетонной смеси, обеспечивающего оперативную компенсацию вариации характеристик исходных материалов и вариации технологических процессов не только производства асфальтобетонной смеси, но и ее транспортировки, укладки и уплотнения является актуальной проблемой, решение которой имеет важное народнохозяйственное значение
