Автоматизированное проектирование систем непрерывно-циклического дозирования строительных материалов

Снижение затрат и повышение качества выпускаемой продукции путем выявления скрытых резервов и совершенствования существующих технологий является одной из основных задач развития общественного производства.

Современные условия выполнения строительных работ, быстро меняющиеся конъюнктура рынка и требования заказчиков к ассортименту и качеству готовой продукции, вызывают необходимость повышения гибкости и приспосабливаемое&tradeсмесительных узлов и установок к изменениям технологических условий производства.

Среди причин, затрудняющих производство строительных смесей с заданными свойствами основными являются ошибки дозирования сырьевых компонентов, которые носят случайный характер и обусловлены, в основном неравномерностью истечения материала из расходного бункера и высокой колебательностью весовых механизмов под действием падающего материала. С целью устранения этих факторов необходимо усовершенствовать конструкции и системы управления дозаторами. Однако, не смотря на многочисленные меры, предпринятые в этом направлении, погрешность современных автоматических дозаторов, в лучшем случае — ± 2−3%.

Решение вопросов качества и ассортимента готовой продукции того или иного производства неразрывно связано с переходом на непрерывность и поточность, поэтому процессы непрерывного дозирования, состоящие в обеспечении заданного расхода различных материалов, находят все более широкое распространение на предприятиях строительного производства.

Использование непрерывного дозирования обеспечивает переход на более прогрессивные методы ведения технологических процессов, создавая предпосылки для их полной автоматизации.

Основными технологическими элементами непрерывного или непрерывно-циклического производства в строительстве являются дозаторы непрерывного действия, которые позволяют интенсифицировать технологию массоприготовления как с малой частотой изменения состава конечного продукта, так и процессы, связанные с выдачей определенной порции материала. Дозаторы непрерывного действия выгодно отличаются от порционных периодического действия лучшими характеристиками по массе, габаритам, гибкостью приспособления к меняющимся условиям производства, возможностям автоматизации и управления с использованием современных микроэлектронных и микропроцессорных средств вычислительной техники.

Последнее обстоятельство является решающим при разработке систем дозирования с совершенно иными принципами измерения расхода. Применение средств вычислительной техники позволяет: повысить технико-экономический эффект от внедрения непрерывной технологии и получить качественную продукцию в соответствии с действующими технологическими условиямиреализовать гибкую, быстро приспосабливающуюся к меняющимся условиям производства систему автоматизации всего производственного цикла приготовления смеси, начиная с подачи исходных материалов в расходные бункеры и кончая выдачей готовой продукциииспользовать при автоматизации возможности алгоритмического и программного обеспечения, повышенного быстродействия при переработке больших объемов информации наиболее современных микроэлектронных и микропроцессорных средств автоматического контроля, учета, регулирования и управленияприменить для дозирования компонентов смеси дозаторы непрерывного действия различных модификаций и системы дозирования различной конфигурации с широким спектром изменения основных технологических показателейучесть специфику производства строительных работ и в первую очередь процессов смесеприготовления в части рационального уровня автоматизации, частоты смены и количества рецептур смеси, мобильности и пробеспечить максимальную гибкость и универсальность технологических решений, позволяющих сопрягать процесс непрерывного приготовления смесей с различными схемами организации производства строительных работобеспечить крупноблочную компоновку смесительных установок, значительно сокращая сроки монтажа-демонтажа и время передислокации установок на новое место эксплуатацииобеспечить максимально возможную унификацию как технологических решения, так и основного оборудования, аппаратуры, приборов и средств автоматизациикардинально изменить содержание процессов управления, переместив многие технические аспекты реализации от локальных устройств автоматики в среду программного и алгоритмического обеспеченияразрабатывать наряду с дозаторами непрерывного действия классической, стандартной организации дозаторы с нетрадиционными системами измерений.

В имеющихся к настоящему времени разработках по проблеме непрерывного дозирования ставилась, как правило, задача уменьшения динамической ошибки дозаторов как систем стабилизации расхода. Экспериментальное определение метрологических характеристик по имеющимся методикам и нормативным документам давало апостериорную, оценку относящуюся к действующим устройствам. В то же время модельная, технологическая оценка точности дозирования опиралась на косвенные показатели качества или функционал оптимальности. Относительность таких оценок приводила к сравнительным методам исследований. Мерой качества выступала не реальная, а измеренная ошибка дозирования, поиск активных механизмов уменьшения которой и явился основной целью исследований. Анализу и синтезу подлежали системы автоматического регулирования расхода, что диктовало методы и приемы исследований. В этом отношении был достигнут теоретический и физический предел дальнейшего конструктивного и функционального совершенствования дозаторов классической организации.

Дозаторы непрерывного действия, как правило, рассчитаны на высокую производительность, представляя собой достаточно сложную силовую систему автоматической стабилизации расхода, что делает их использование в установках малой и средней производительности экономически не рациональными. Изменение экономических реалий и уход со сцены крупномасштабных строительных проектов, делает все более проблематичным использование мощных высокопроизводительных непрерывных дозирующих устройств в технологических схемах производства строительных смесей. Непрерывно-циклическая схема приготовления смесей, объективно прогрессивнее циклической. Поэтому, необходимо предложить принципиально новые методы непрерывного измерения составляющих строительных смесей, обеспечивающих сохранение преимуществ дозаторов — регуляторов расхода и в то же время, позволяющих существенно изменить их конструктивное исполнение, используя новейшие тенденции сокращения физической структуры за счет переноса части ее функций в вычислительную среду.

В 70-х годах для смесительных установок невысокой производительности, работающих в непрерывно-циклическом режиме, были опробованы экспериментальные образцы дозаторов-интеграторов расхода типа СБ, применяемые для выдачи сыпучих составляющих бетонной смеси и имеющих компенсационную схему измерений с механическим интегратором расхода.

Использование в процессах смесеприготовления этих дозаторов связано со стремлением упростить традиционные структуры непрерывных дозаторов стабилизации расхода, избавившись от дорогостоящей, достаточно сложной в эксплуатации системы автоматики, с одновременным уменьшением габаритных размеров смесительной установки, повышением ее мобильности и ряда других экономических показателей. Появляется возможность совместить в питающем устройстве непрерывный принцип подачи материала с одновременной фиксацией его количества с помощью компактных электромеханических или электронных интеграторов расхода.

Еще более просты в конструктивном отношении разомкнутые схемы измерения расхода с «жесткими» силоизмерителями. В новых экономических условиях, когда основным показателем применимости технических устройств, является сокращение затрат на выпуск готовой продукции, дозаторы-интеграторы расхода такого типа оказываются по сравнению с остальными дозаторами непрерывного и периодического действия по этому показателю вне конкуренции. И у них большие перспективы использования как в непрерывных, так и в циклически — непрерывных схемах дозирования, если удастся решить вопрос кардинального улучшения их метрологических характеристик.

В последнее время появился ряд существенно новых факторов, расширяющих возможности снижения погрешностей дозаторов-интеграторов расхода, связанных как с изменением отношения в строительном производстве к предварительной подготовке и хранению сырьевых компонентов (уменьшение слеживаемости, увеличение сыпучести), так и с существенным изменением технической базы управляющей подсистемы и средств измерений.

Средства вычислительной техники определяют новые направления организации процессов смесеобразования, трансформируя сам подход к решению проблемы, вскрывая потенциальные возможности улучшения метрологических характеристик дозаторов-интеграторов расхода путем варьирования структурных схем измерений и разработки новых алгоритмов управления на базе ПЭВМ. Появляются предпосылки создания систем многокомпонентного дозирования, позволяющих повышать качество готовой смеси, не изменяя метрологических характеристик дозирующей аппаратуры.

Несмотря на применение в строительстве широкой гаммы дозаторов непрерывного действия, использование наиболее простых в конструктивном отношении дозаторов-интеграторов расхода с разомкнутыми или замкнутыми системами измерений, до настоящего времени, практически отсутствовало.

Причин здесь несколько, но главная состоит в том, что без контура управления производительностью питателя при неравномерном, пульсирующем характере истечения материала, вызванном частым его зависанием и обрушением, существенно ухудшает качество дозирования. Системы дозирования такого типа практически не использовались, и априори считалось, что они должны обладать худшими метрологическими характеристиками, чем системы с автоматической стабилизацией расхода. К тому же для последних разработана довольно стройная теория расчета, опирающаяся на известные методы автоматического управления, оптимизации, теории систем.

Необходим тщательный анализ новых систем непрерывно-циклического дозирования, исследование их потенциальных возможностей в части улучшения метрологических характеристик, границ применимости на материалах с различными физико-механическими свойствами, при реализации процессов многокомпонентного дозирования и на основании этого создание стройной теории синтеза такого типа дозирующих устройств в едином контексте технологии и управления.

Актуальность проблемы. Дозирование — технологическая операция большинства процессов производства строительных материалов и изделий, является одним из главных качествообразующих факторов формирования строительных смесей.

Новые тенденции технического и технологического перевооружения в строительной отрасли в изменившейся экономической ситуации, ужесточение технических условий и норм на выпуск готового продукта диктуют принятие только таких проектных решений, которые обеспечат существенное улучшение наиболее значимых показателей производства.

Традиционные технологии циклического и непрерывного дозирования являются отражением экономических, технологических и технических реалий предыдущего столетия. Был достигнут предел их технического совершенствования, не позволяющий кардинально изменить свойства этих 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 дозирующих систем. Именно поэтому назрела необходимость в проектировании смешанной схемы непрерывно-циклического дозирования, интегрирующей в себе оба технологических принципа производства строительных смесей. Отдельные, фрагментарные попытки опытного внедрения такой технологии на смесительных установках не дали ощутимого эффекта. Одной из причин этого является отсутствие комплексного подхода к специфическим особенностям проектирования дозаторов, как части системы автоматического формирования строительных смесей.

Необходима разработка новой концепции и методологических основ автоматизированного проектирования систем многокомпонентного непрерывно — циклического дозирования в едином контексте проблемы интеграции технологии, технических средств дозирования, измерений 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 проектирования наиболее простых в конструктивном отношении дозаторов — интеграторов расхода на «жестких» силоизмерителях с разомкнутыми схемами измерений, пригодных для решения широкого спектра задач производства многокомпонентных смесей в строительстве и других отраслях хозяйства.

Объект и предмет исследования. Процессы и системы непрерывно-циклического дозирования компонентов строительных материаловметодология системотехнического синтеза иерархических систем автоматизации непрерывно-циклических процессов дозирования и ее программная реализация.

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 цифро-аналоговые методы моделирования и обработку результатов на ПЭВМ.

Научная новизна диссертационной работы

• Впервые проведен системотехнический анализ специфических особенностей технологических процессов циклического и непрерывного производства строительных смесей в целях определения принципов оптимального автоматизированного проектирования структуры и функционального наполнения автоматизированной технологии многокомпонентного непрерывно-циклического дозирования.

• Созданы научно-методические основы проектирования и практические методы построения автоматизированных систем непрерывно-циклического многокомпонентного дозирования в едином контексте проблемы интеграции технологии, технических средств дозирования, измерений и управления.

• Используя концепцию построения многоуровневых иерархических систем, разработана при принятых функциях оценки классификационная схема проектирования дозирующих устройств непрерывно-циклического действия в виде упорядоченной последовательности качественно совершенствующихся структур. Классификация носит прогностический характер, позволяя определять место действующих систем в ряду подобных, оценивать потенциальные возможности и стратегию улучшения при проектировании их качественных характеристик, образовывая структуры с новыми свойствами.

• Синтезирована модельная структура адекватного отображения реальной процедуры возникновения и накопления случайных погрешностей непрерывного и непрерывноциклического процессов дозирования, которая впервые реализует практический механизм оценки и коррекции качественных характеристик строительных смесей, позволяя проектировать структуры различного конструктивного исполнения.

• Разработаны и практически реализованы методы автоматизированного проектирования оптимальных качественных характеристик систем непрерывно-циклического дозирования с замкнутыми схемами измерений.

• Разработаны принципы и механизм формирования статистической математической модели проектирования непрерывно-циклического способа дозирования с учетом случайного характера изменения погрешностей и выбранной критериальной функции.

• Разработан механизм проектирования и практической реализации принципа связного многокомпонентного непрерывно-циклического дозирования с использованием дозаторов с разомкнутой схемой измерения расхода.

Практическая ценность и внедрение результатов исследования

Практическую ценность работы составляют спроектированные на предложенных принципах новые автоматизированные системы непрерывно-циклического дозирования, методы расчета конструктивных и настроечных параметров вновь проектируемых и находящихся в эксплуатации систем. Автоматизированная технология непрерывно-циклического дозирования, включающая в себя технические средства дозирования, измерений и управления, имеет практическую направленность и предназначена для использования в установках по производству строительных смесей. Дозирующие системы различного конструктивного исполнения с различными модификациями измерительных систем позволяют эффективно решать задачи автоматизации процессов дозирования по новой технологии, обеспечивая реализацию принципиально новых способов повышения качества и существенного улучшения технико-экономических показателей смесительных установок. Незначительные потенциальные возможности снижения погрешностей у систем дозирования с замкнутыми схемами измерений потребовали проектирования новой структуры с улучшенными метрологическими характеристиками (патент РФ № 2 098 774). Принципиально изменена концепция применения средств вычислительной техники не только для реализации алгоритмов управления, но и для воспроизведения физических элементов системы, что позволило при проектировании повысить степень адаптации, встраиваемости дозаторов в автоматизированный комплекс, сузить границы физической структуры за счет расширения алгоритмической и программной структур, эффективно менять свойства систем без их перепроектирования и трудоемкой переналадки. Спроектирована оптимальная структура системы дозирования с коррекцией измеренного значения массы материала на основе простейших дозаторов-интеграторов расхода с весовыми транспортерами маятникового типа «жесткой» подвески, обеспечивающая минимальное значение погрешностей измерений. Предложен эффективный способ ослабления влияния амплитудных значений возмущающих воздействий введением местной корректирующей обратной связи по выходному сигналу транспортера, повышающий точность измерений отдозированной массы материала. Спроектирована автоматизированная система связного управления процессами непрерывно-циклического многокомпонентного дозирования при использовании простейших разомкнутых схем измерения расхода, существенно улучшающая качественные характеристики строительных смесей.

Внедрение результатов исследований в виде методик и программных продуктов использовалось в составе средств автоматизации процессов многокомпонентного дозирования в МП «БЕТАВ», фирме «САНКО», 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: Всероссийской конференции «Электротехнические системы транспортных средств и роботизированных производств» (г. Суздаль, 1995 г.), 57-ой научно-технической конференции «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (г. Самара, 2000 г.), 3-ей научно-практической конференции молодых ученых «Строительствоформирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, 2000 г.), международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. С.-Петербург, 2000 г.), международном научно-техническом совещании «Совершенствование качества в строительном комплексе» (г. Брянск, 1999 г.), 54-ой научно-технической конференции молодых ученых (г. С.-Петербург, 2000 г.), международной научно-технической конференции «Итоги строительной наука» (г. Владимир, 2000 г.), международной научно-практической конференции «Качество, безопасность, энергои ресурсосбережение в строительстве» (г. Белгород, 2000 г.), 53−57-ой научно-технических конференциях МАДИ, кафедре автоматизации производственных процессов МАДИ, кафедре автоматизации инженерно-строительных технологий МГСУ.

Основные выводы заключаются в следующем:

1. Анализ задач смесеприготовления в строительной отрасли показывает новый уровень потребностей в системах дозирования малой и средней производительности. Вместе с тем эффективность использования имеющихся средств циклического и непрерывного дозирования ограничивается заложенными в них принципами измерений массы компонентов, подаваемых на смешение, и устанавливающих теоретический предел дальнейшего их конструктивного и функционального совершенствования. Учитывая, что развитие и применение новых автоматизированных технологий — одно из приоритетных направлений развития науки и практики строительной деятельности, проблема проектирования адекватной современным требованиям технологии дозирования сыпучих строительных материалов является теоретически и практически актуальной.

2. Достижение поставленной цели реализуется на основе разработки концепции и методологических принципов проектирования наиболее перспективных систем непрерывно-циклического дозирования в едином контексте проблемы интеграции технологии, технических средств дозирования, измерений и управления. Комплексный подход к решению этой проблемы в рамках единой методологии проектирования иерархических систем непрерывно — циклического дозирования, позволяет увеличить производительность, повысить качество и снизить себестоимость производства смесей, уменьшить металлоемкость и габаритные размеры дозировочного оборудования, повысить степень приспосабливаемости к возможностям автоматизированного управления.

3. Предложена классификационная схема непрерывно-циклических систем дозирования, механизм образования которой основан на комплексном фиксировании наиболее существенных свойств, ослабление или усиление сочетания которых позволяет упорядочить проектируемые системы по степени эффективности достижения заданной цели, найти их место в ряду подобных, оценить потенциальные возможности качественного совершенствования при принятии проектных решений за счет богатства вариаций структурных элементов и типов измерительных систем, синтезировать устройства с наперед заданными свойствами.

4. Анализ непрерывно-циклических систем дозирования с нелинейной измерительной схемой выявил их незначительные потенциальные возможности в части уменьшения погрешности измерений. Наблюдается ухудшение качественных характеристик систем при действии на них случайных возмущений.

5. Разработанный метод интегральных оценок измерительных свойств систем непрерывно-циклического дозирования с линейными схемами измерений замкнутого типа показал ограниченные возможности уменьшения погрешностей измерения массы материала на ленте весового транспортера, определяемых наибольшим предельно допустимым значением коэффициента усиления. Нормированная форма представления моделей позволяет проектировать системы с оптимальным сочетанием параметров, при которых обеспечиваются наилучшие качественные характеристики системы.

6. Учитывая теоретический предел совершенствования систем с замкнутыми схемами измерений, спроектирована новая структура непрерывно-циклической системы дозирования с комбинированной схемой измерений, которая позволяет существенно уменьшить погрешность дозирования компонентов строительных смесей.

7. Предложенные в работе разомкнутые структуры непрерывно-циклического дозирования кардинально изменяют технологические схемы и конструктивное исполнение устройств для получения строительных смесей.

Наиболее перспективным и экономически целесообразным становится применение самых простых в конструктивном отношении систем дозирования с «жесткой» подвеской весового транспортера, отсутствием системы автоматической стабилизации расхода и прямым измерением массы, при максимальной интеграции технологии и управления на базе новейших средств вычислительной техники. Меняется сама концепция проектирования автоматизированных систем дозирования за счет реализации алгоритмов управления высокой степени сложности и воспроизведения части физической структуры в вычислительной среде.

8. Разработана универсальная модельная схема измерений текущей производительности питателя, адекватная процедуре реального механизма образования погрешностей дозирования и являющаяся рабочим инструментом оценки измерительных свойств систем непрерывно-циклического дозирования. Впервые появилась возможность связать технологическую погрешность дозирования с основным возмущением системы — изменением производительности питателя и скорректировать результаты измерений, существенно уменьшив погрешность дозирования.

9. Эффективным способом ослабления влияния амплитудных значений возмущающих воздействий на качественные характеристики системы является введение корректирующих связей по выходному сигналу транспортера. Разработаны графоаналитический метод расчета с помощью интегральных оценок и метод проектирования структурных схем дозирования по нормированным диаграммам.

10. Проведено исследование наиболее перспективного направления повышения качества строительных смесей с помощью связного многокомпонентного дозирования, когда акцент с качественных характеристик отдельного дозатора переносится на определение качественных характеристик всей системы в целом. Наиболее совершенный тип структуры, обеспечивающей наивысшую степень управляемости, соответствует системе, построенной по принципу многоуровневой многоцелевой иерархии.

11. Разработаны принципы формирования и на основе этого спроектирована математическая модель управления качеством строительных смесей в процессе непрерывно-циклического связного многокомпонентного дозирования с использованием технико-экономических критериев и условно-вероятностных ограничений на область изменения качества. На основании разработанной модели обоснованы способы коррекции ошибок измерений за счет варьирования параметров статистических характеристик дозируемых материалов.

12. Выполнены работы по внедрению в строительное производство методов проектирования и настройки дозирующих систем непрерывно-циклического действия на стадиях проектирования и эксплуатации.