Введение к работе
Актуальность работы.
Решение проблемы продления срока службы дорожных покрытий неразрывно связано с задачей получения материалов, надежно работающих в условиях знакопеременных температур под воздействием интенсивного автомобильного движения. Современные дорожные покрытия должны обеспечивать повышенную сдвигоустойчивость при высоких летних температурах, трещиностойкость при пониженных температурах, характеризоваться высокой коррозионной стойкостью под влиянием противогололедных материалов. При этом существенную роль в оценке долговечности дорожных покрытий отводят их износостойкости, способности материала покрытия противостоять интегральному воздействию со стороны интенсивного движения транспорта при повышенных скоростях, шипованной резины, а также других влияющих факторов различной природы.
Повышение эксплуатационной (функциональной) надежности асфальтобетонов в последнее время у нас в стране и за рубежом связывают с применением различных модифицирующих добавок, которые призваны повысить транспортно-эксплуатационные свойства дорожных покрытий. Среди подобных модификаторов получили широкое применение полимерные тер-моэластопласты, резиновая крошка и другие.
Однако данные, полученные в последние годы, свидетельствуют, что роль битумного вяжущего, в том числе и модифицированного, в асфальтобетоне определяет в процессе износа дорожных покрытий не более 20%. Перспективно применение сероасфальтобетонных смесей. Сероасфальтобетон-ные смеси, в которых до 30 % битумного вяжущего замещается серой, характеризуются повышенной стойкостью к истирающим воздействиям и повышенными эксплуатационными показателями.
Структурные особенности и свойства сероасфальтобетонных смесей позволяют рассматривать этот материал как новый вид дорожно-строительного материала, занимающий промежуточное место между традиционными асфальтобетонными и цементобетонными смесями.
Сероасфальтобетонные смеси могут рассматриваться в качестве наиболее перспективных материалов для устройства дорожных покрытий. Это объясняется также значительным ростом стоимости нефтяных битумов, необходимостью экономии энергетических ресурсов и, в первую очередь, нефтяного сырья, уменьшением ресурсов качественных каменных материалов в ряде районов строительства, а также возрастанием объемов производства серы из вторичных источников сырья, что приводит к тенденции снижения её стоимости.
Однако применение этого перспективного материала требует новых подходов к автоматизированному расчёту состава и принципам формирования сероасфальтобетонной смеси и параметрам автоматизированного технологического процесса ее производства. Традиционные методы подбора состава минеральной части асфальтобетонов в случае сероасфальтобетонов не
являются оптимальными. При определении фракционного состава минеральной части смеси необходимо опираться на результаты компьютерного моделирования.
Производство сероасфальтобетонных смесей может быть организовано на действующей асфальтосмесительной установке любого типа. Однако производство серосодержащего композиционного материала требует существенно более строгого подхода, прежде всего, к температурным параметрам технологического процесса.
Технологические операции производства являются качествообразую-щими элементами процесса формирования сероасфальтобетонной смеси. Получение смесей с высокими показателями качества требует решения проблемы выдерживания заданного состава и физико-механических свойств смеси в условиях неполной информации о характеристиках компонентов и технологического процесса с использованием технических средств автоматизации и управления, корректировки соотношений отдельных компонентов смеси. Решается достаточно общая задача повышения технико-экономических показателей всего производства, а качественные показатели смеси служат ограничениями, в пределах которых осуществляется оптимизация технологического процесса.
Принцип агрегирования, заложенный в конструкцию отечественных асфальтосмесительных установок, позволяет строить локальные системы автоматики отдельных агрегатов, используя для их настройки информацию о компонентах, играющих определяющую роль в структуре смеси.
Технико-экономические преимущества комплексного подхода при учете специфических технологических особенностей отдельных агрегатов, как частей системы автоматизированного формирования сероасфальтобетонной смеси очевидны и заключаются в значительном снижении стоимости и повышении качества её приготовления.
Традиционные технологии производства асфальтобетонной смесей отражают во многом устаревшие экономические, технологические и технические подходы предыдущей фазы экономического развития дорожной 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.
Назрела необходимость в разработке автоматизированной технологии производства нового материала для дорожных покрытий из сероасфальтобетонной смеси, объединяющей процессы подбора рецепта смеси, тепловой обработки заполнителей, классификации, дозирования и смешивания как единого технологического комплекса, включенного, в виде объекта автоматизации, в систему автоматического управления, с обратной связью, позволяющей перерасчитывать рецепт или изменять состав смеси за счет выбранных технологических параметров.
Необходима разработка новой концепции и методологических основ синтеза систем непрерывного производства и использования сероасфальто-
бетонной смеси в направлении интеграции технологии, технических средств процесса смесеобразования и управления.
Важнейшим в концептуальном плане становится комплексный подход к решению этой проблемы в рамках единой методологии проектирования автоматизированных систем. Прикладной интерес представляет реализация на основе предлагаемой методологии синтеза операций подбора рецепта смеси, синтеза систем поддержания температурных параметров минеральных компонентов, классификации, оптимизации связных систем дозирования и смешивания, и использование сероасфальтобетона для устройства покрытий автомобильных дорог.
Поэтому проблема разработки методологических основ автоматизации процессов промышленного производства композиционных сероасфальтобетонных смесей с оптимизацией компонентов минеральной части по гранулометрическому составу является актуальной.
Целью исследований является создание научно-методологических основ и практических методов построения системы автоматизации технологических процессов промышленного приготовления сероасфальтобетонных смесей.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи.
Проведен анализ современного состояния теории и практики разработки систем автоматизации агрегатов и технологических переделов промышленного производств асфальтобетонной и сероасфальтобетонной смесей.
Определены методологические принципы построения, требования к структуре, системе критериев и необходимым функциональным связям системы автоматизации, объединяющей в единый технологический комплекс процессы подбора рецепта смеси, тепловой обработки заполнителей, их классификации, дозирования и смешивания.
Разработаны принципы формирования структур композиционных материалов матричного типа и методические принципы их синтеза на основе компьютерного моделирования методом случайных упаковок.
Разработаны сложно структурированные модели отдельных агрегатов и устройств приготовления сероасфальтобетонных смесей, интегрированных в структуру автоматизированного управления качеством и производительностью всего технологического процесса.
На основе разработанных критериев оптимизации выбраны структура, функциональное наполнение, а также даны методы расчета и определения оптимальных параметров настройки локальных систем автоматизации.
Синтезирована математическая модель управления качеством производства сероасфальтобетонных смесей, интегрирующая процессы подбора рецепта смеси, тепловой обработки заполнителей, их классификации, связного многокомпонентного дозирования и перемешивания.
Методологические основы и методы исследования. Теоретические и расчетно-аналитические исследования базировались на фундаментальных положениях автоматизированного проектирования технических систем, тео-
рий автоматического управления, теории систем, теории вероятностей и других областях науки. Экспериментальные исследования опирались на методы моделирования и обработки результатов на ЭВМ.
Научная новизна диссертационной работы.
Впервые проведен системотехнический анализ специфических особенностей технологических переделов производства сероасфальтобетонных смесей в целях определения принципов структурного синтеза и функционального наполнения автоматизированной технологии их производства.
Созданы научно-методологические основы синтеза и практические методы построения автоматизированных систем производства сероасфальтобетонных смесей в направлении интеграции технологических процессов подбора рецепта смеси, тепловой обработки и классификации заполнителей, связного многокомпонентного дозирования и перемешивания, технических средств их реализации, методов и средств управления.
Разработана концепция построения локальных систем управления технологическими процессами со структурой, функциональными связями и критериями управления, отражающими специфический характер преобразования первичной информации, степени обобщения и особенностей ее использования в процессах управления.
Предложены принципы формирования структур композиционных материалов матричного типа на основе вероятностно-геометрической концепции, сформулированы требования к особенностям компьютерного моделирования таких структур и разработана математическая модель формирования структуры сероасфальтобетона.
На основе разработанной модели формирования структуры сероасфальтобетона синтезированы моделирующие алгоритм и программа, позволяющие осуществлять оптимальный подбор минеральной части сероасфаль-тобетонной смеси.
Используя концепцию построения комплексных 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.
На защиту выносятся:
Комплекс теоретических и практических методов автоматизации процессов промышленного приготовления сероасфальтобетоных смесей, базирующихся на концепции системного подхода к выбору этапов и методов исследования сложно структурированных систем.
Автоматические системы оперативного управления локальными объектами и функционально связанными комплексами устройств технологических процессов подбора рецепта смеси, тепловой обработки и классификации минеральных компонентов, связного многокомпонентного дозирования и пере-
мешивания сероасфальтобетоных смесей, технических средств их реализации, методов и средств управления.
Принципы формирования структур композиционных материалов матричного типа на основе вероятностно-геометрической концепции и сформулированные требования к особенностям компьютерного моделирования таких структур.
Математическая модель формирования технологической структуры композиционных материалов, моделирующие алгоритм и программы, позволяющие осуществлять подбор оптимальной минеральной части сероасфаль-тобетонов.
Модели технологических объектов тепловой обработки и классификации заполнителей, связного многокомпонентного дозирования и перемешивания компонентов сероасфальтобетоных смесей.
Результаты применения разработанных систем автоматизации для приготовления сероасфальтобетоных и асфальтобетонных смесей и смесей другого назначения.
Практическая ценность и внедрение результатов исследования
Практическую ценность работы составляют спроектированные на сформулированных принципах автоматизированная система управления многостадийным процессом промышленного приготовления сероасфальтобе-тонных смесей, методы расчета вновь проектируемых и находящихся в эксплуатации систем.
Автоматизированная технология приготовления сероасфальтобетоных смесей, включающая в себя технические средства измерений и управления, имеет практическую направленность и предназначена для использования в установках по производству сероасфальтобетоных смесей.
Применение разработанных систем автоматизации позволяет решать задачи оптимизации технологических режимов, как отдельных операций, так и всего технологического процесса промышленного приготовления сероасфальтобетоных смесей, обеспечивая, тем самым, повышение их качества и ряда других технико-экономических и эксплуатационных показателей. Комплекс технических средств управления обеспечивает высокий уровень автоматизации на всех технологических переделах асфальтобетонного производства по интегрированной технологии тепловой обработки и классификации заполнителей, связного многокомпонентного дозирования и перемешивания компонентов сероасфальтобетоных смесей.
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 минеральных компонентов сероасфальтобетоных смесей, которые служат перспективным материалом для устройства верхних слоев дорожных покрытий с высокими эксплуатационными свойствами, значительно превышающими свойства и срок службы при традиционно используемых асфальтобетонных смесях.
Внедрение комплексной систем автоматизированного управления на асфальтобетонных заводах городов Москвы, Астрахани, Оренбурга, в том числе на АБЗ ООО «Транстромсервис», ЗАО «Шоссе», ЗАО «Союз-Лес», позволило повысить качество сероасфальтобетонной смеси и, связанное с этим долговечность и надежность покрытий автомобильных дорог, за счет автоматизации процессов управления подбором рецепта смеси, тепловой обработкой заполнителей, классификацией, связным дозированием и смешиванием компонентов. Испытание образцов сероасфальтобетонов, минеральная часть которых подбиралась на основе компьютерного моделирования, показало снижение межпорционной вариации их физико-механических свойств по сравнению с принятыми на асфальтобетонных заводах методиками расчёта состава смеси по предельным зерновым характеристикам. Результаты экспериментальных исследований, полученные в ходе опытно-промышленной эксплуатации, показали, что внедрение разработанной системы управления снижает коэффициент вариации водонасыщения на 9... 10%, что приводит к увеличению однородности сероасфальтобетона по прочности и снижению на 5 % нормативного расхода серобитумного вяжущего на приготовление одной тонны сероасфальтобетонной 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 31 международной
конференции International en Symposiums «Ingenieur des 21.Jahrhunderts»
(Sankt-Petersburg, 2002), международной конференции «Моделирование и ис
следование сложных систем» (Москва, 2003), X Международной конферен
ции «Durable and safe road pavements» (Варшава, 2004), всероссийском науч
но-техническом семинаре «Совершенствование конструктивно-
технологических решений при строительстве мостовых сооружений» (Сара
тов, 2005), третьей специализированной выставке нанотехнологий и мате
риалов «NTMEX-2006» (Москва, 2006), всероссийских совещаниях дорожни
ков, проходивших в городах Астрахани (2007), Санкт-Петербурге (2008), Ка
зани (2009), международной научно-практической конференции «Автомо
бильные дороги: инновации, техника, оборудование и материалы» (Саратов,
2007), научно-технической конференции «Новые технологии строительства,
ремонта и содержания автомобильных дорог» (Москва, 2007), XVIII научных
чтениях «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие техно
логии в стройиндустрии» (Белгород, 2007), всероссийской научно-
технической конференции журнала «Строительные материалы» «ДОР-СМ:
Материалы для дорожного строительства» (Москва, 2009-2011), круглом
столе «Применение инноваций в строительстве, ремонте и содержании кон
струкционных элементов мостовых сооружений (Санкт-Петербург, 2009),
всероссийском научно-техническом семинаре «Применение прогрессивных технических решений при строительстве автомобильных дорог» (Саратов, 2010), форуме «Городское хозяйство: пути развития» (Москва, 2010), 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), форуме «Городское хозяйство: пути развития» (Москва, 2011), XV научно-практической-конференции «Проблема управления качеством городской среды» (Москва, 2011), IV научно-практической конференции «Опыт регионов в реформировании ЖКХ» (Москва, 2011), научно-технических конференциях МАДИ (2002-2012), кафедрах «Автоматизация производственных процессов», «Автоматизированных систем управления» МАДИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 работ, в том числе в изданиях рекомендованных ВАК РФ 27 работ, 2 монографии, получено 28 патентов на изобретение и патентов на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложений. Основное содержание составляет 337 страница текста, 109 иллюстраций, 13 таблиц, список литературы включает 222 наименования.
