Автоматизация производственных процессов асфальтобетонного завода на основе оптимизации информационного обеспечения системы управления

Актуальность проблемы.

По мере экономического развития страны растет спрос населения и экономики на услуги автомобильного транспорта. Важность проблемы развития сети автомобильных дорог подчеркивает «Национальная программа модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025 года».

Экономическое развитие России во многом сдерживается из-за состояния и уровня развития автомобильных дорог. Значительная часть федеральных дорог имеют высокую степень износа и исчерпали свою пропускную способность. Около 30 0000 населенных пунктов не имеют круглогодичной связи по автомобильным дорогам с твердым покрытием. Это приводит к сворачиванию производства, в том числе сельскохозяйственного, оттоку населения из этих регионов.

Недостаточное развитие сети автомобильных дорог приводит к росту затрат на перемещение пассажиров и грузов, что снижает конкурентоспособность экономики.

Поставленная перед Правительством Российской Федерации 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.

Программа развития сети автомобильных дорог РФ предусматривает наращивание объемов строительства, что требует 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.

Без автоматизации производства невозможно повысить качество асфальтобетонной смеси. Но до настоящего времени не разработаны ни методики, ни средства эффективной автоматизации производства асфальтобетонной смеси. Технологическая основа для автоматизации управления производством асфальтобетона весьма ненадежна. Практически отсутствуют формальные модели и зависимости, на основе которых можно реализовать эффективные алгоритмы управления.

Таким образом, разработка теоретических и методологических основ автоматизации производства асфальтобетона с использованием современной схемотехнической и программной базы является актуальной проблемой, решение которой имеет значение не только для отрасли дорожного строительства, но и для народного хозяйства страны в целом.

Объект исследований.

Система автоматизации производственных процессов асфальтобетонного завода и информационное обеспечение системы управления.

Цель и задачи диссертационной работы.

Цель диссертационной работы заключается в автоматизации производственных процессов асфальтобетонного завода на основе оптимизации информационного обеспечения и интеграции локальных систем управления. Это позволяет в рамках единой системы управлении эффективно решать широкий комплекс задач от локального управления технологическими операциями, до комплексного управления качеством продукции.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать имитационную модель управляемого технологического процесс производства асфальтобетонной смеси.

1.1. Рассмотреть технологические схемы производства асфальтобетонной смеси и выполнить отбор моделируемых технологических операций.

1.2. Разработать структуру модели технологического процесса.

1.3. Выбрать программные средства моделирования.

1.4. Разработать модели технологических операций.

1.5. Оценить адекватность разработанной модели.

2. Разработать имитационную модель системы управления производством асфальтобетонной смеси.

2.1. Выбрать эффективные управляющие воздействия.

2.2. Разработать методы моделирования динамических характеристик процессов и сигналов.

2.3. Разработать структуру модели системы управления.

2.4. Разработать модели отдельных контуров управления.

2.5. Разработать методику оценки эффективности управления.

3. Провести исследования на разработанных имитационных моделях для оптимизации информационного обеспечения системы управления.

3.1. Разработать модель системы контроля.

3.2. Разработать совместную имитационную модель технологического процесса, системы контроля и системы управления.

3.3. Исследовать влияние системы контроля на эффективность управления производством асфальтобетонной смеси.

4. Разработать систему автоматизация производственных процессов асфальтобетонного завода на основе оптимизированного информационного обеспечения системы управления.

4.1. Сформулировать задачи системы управления.

4.2. Разработать структуру системы управления.

4.3. Выбрать комплекс технических и программных средств системы управления.

4.4. Разработать необходимые алгоритмы управления.

Методы исследований.

В качестве теоретической основы диссертационной работы использовались: теория автоматического управления, методы оптимального управления, синтеза и анализа непрерывных и дискретных систем, методы математического программирования, методы проектирования программного обеспечения и проектирования баз данных, теория вероятностей и математическая статистика, методы имитационного моделирования.

Моделирование производственных процессов и системный анализ проводились с использованием профессиональных математических пакетов (MatLab, MathCad, MS Excel, STATISTICA).

К защите представляется.

Разработанная новая концепция автоматизации производственных процессов асфальтобетонного завода на основе оптимизации информационного обеспечения системы управления определяет стратегию текущей оперативной коррекции расхода компонентов асфальтобетонной смеси по результатам контроля качества компонентов и готовой асфальтобетонной смеси, по фактическим расходам компонентов в текущий, и предшествующие моменты времени. Эта стратегия должна обеспечивать максимум прочности асфальтобетонной смеси при допустимом значении остаточной пористости и выполнении других ограничений в соответствии с ГОСТами.

В ходе исследований и разработок по реализации этой концепции получены: Структура многоконтурной иерархической системы автоматизации производственных процессов асфальтобетонного завода, обеспечивающей компенсацию вариации контролируемых и неконтролируемых воздействий на технологический процесс производства асфальтобетонной смеси.

Модель и результаты ее исследования управляемого процесса формирования качества асфальтобетонной смеси с учетом динамических и статистических характеристик возмущающих воздействий, основных параметров информационного обеспечения процессов управления набор контролируемых параметров для оперативного управления производством точность и частота контроля длительности операций контроля.

Система автоматизации производственных процессов асфальтобетонного завода, ее структура и алгоритмы.

Личный вклад автора.

Личный вклад автора состоит в разработке имитационной модели управляемого процесса формирования качества асфальтобетонной смеси с учетом характеристик возмущающих воздействий и основных параметров информационного обеспечения процессов управления, обобщении и анализе результатов моделирования, разработке системы автоматизации. Роль научного руководителя д.т.н., профессора Попова В. П. заключалась в постановке задачи, согласовании плана исследований и участии в анализе результатов.

Научная новизна.

Впервые предложена концепция автоматизации производственных процессов асфальтобетонного завода на основе оптимизации информационного обеспечения системы управления. Оперативная компенсация вариации параметров осуществляется с использованием распределенной системы многоконтурного автоматизированного управления с текущей оперативной оценкой динамических характеристик технологических процессов производства асфальтобетонной смеси.

Научную новизну работы так же определяют:

Разработанные методы и система автоматизации производственных процессов асфальтобетонного завода, обеспечивающая максимальное качество и снижение вариации свойств асфальтобетонной смеси.

Имитационная модель управляемого технологического процесса производства асфальтобетонной смеси и результаты исследований. Эта модель состоит из четырех подмоделей — подмодель технологического процесса и его операций, подмодель системы управления производством асфальтобетонной смеси, подмодель систем контроля и подмодель формирования свойств компонентов асфальтобетонной смеси и возмущений, действующих на технологический процесс, динамики показателей, характеризующих гранулометрический состав асфальтобетонной смеси.

Результаты исследований влияния основных параметров информационного обеспечения на эффективность оперативного управления и автоматизации производственных процессов асфальтобетонного завода.

Структура и параметры распределенной комплексной системы автоматизированного управления.

Практическая значимость работы.

Результаты выполненных исследований и разработок позволили эффективно решить важную народнохозяйственную задачуповысить и стабилизировать качество асфальтобетонной смеси:

Разработаны алгоритмы автоматизации производственных процессов асфальтобетонного завода, обеспечивающие максимум прочностных показателей асфальтобетона и компенсацию нестабильного качества компонентов асфальтобетонной смеси, режимов производственного процесса.

Разработанная оригинальная модель, результаты моделирования и исследований влияния основных параметров информационного обеспечения на эффективность оперативного управления и автоматизации производственных процессов асфальтобетонного завода.

Выбран и обоснован комплекс технических и программных средств обеспечивающий реализацию системы автоматизации производственных процессов асфальтобетонного завода.

Материалы диссертации внедрены и используются в учебном процессе в Самарском архитектурно-строительном университете и Московском автомобильно-дорожном институте (ГТУ).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях СГАСУ и МАДИ (ГТУ) в 2004;2006 годах.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 4 печатные работы.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложений, списка использованных источников, насчитывающего 140 наименований, и содержит 231 страницу машинописного текста, 154 рисунка, 26 таблиц.

6. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

Анализ состояния проблемы и исследования, проведенные в диссертационной работе, позволили осуществить разработку системы управления производством асфальтобетонной смеси. По результатам проведенных исследований и разработки можно сделать следующие основные выводы:

1. Выдвинутая в диссертации концепция управления производством асфальтобетонной смеси реализована в данной разработке, что подтверждает ее эффективность для стабилизации на высоком уровне качества асфальтобетонной смеси. Предложенная концепция определяет стратегию текущей оперативной коррекции расхода компонентов асфальтобетонной смеси по результатам контроля качества компонентов и готовой асфальтобетонной смеси, по фактическим расходам компонентов в текущий, и предшествующие моменты времени. Эта стратегия должна обеспечивать максимум прочности асфальтобетонной смеси при допустимом значении остаточной пористости и выполнении других, ограничений в соответствии с ГОСТами. Данная концепция базируется на оптимизации информационного обеспечения процесса управления. Предложенный подход позволяет реализовать модульное и поэтапное внедрение системыуправления с учетом того, что частота обновления данных отличается более чем на три порядка.

2. В результате анализа накопленного опыта в области# управления производством асфальтобетонной смеси, изучения материаловедческих аспектов производства асфальтобетонной смеси, собственных разработок автора создана имитационная модель управляемого технологического процесса производства асфальтобетонной смеси. Эта модель состоит из четырех подмоделей — подмодель технологического процесса и его операций, подмодель системы управления производством асфальтобетонной смеси, подмодель систем контроля и подмодель формирования свойств компонентов асфальтобетонной смеси и возмущений действующих на технологический процесс. Имитационная модель реализована в пакете MATLAB.

3. Впервые проведены комплексные исследования влияния таких факторов как точность и частота контроля, длительность операций контроля на эффективность управления производством асфальтобетонной смеси. При этом проведен отбор контролируемых показателей свойств компонентов асфальтобетонной смеси, режимов технологического процесса для целей оперативного управления. В качестве меры эффективности информационного обеспечения предложено использовать коэффициент корреляции между фактическим значением параметра и результатами его измерений. В результате исследований выявлено, что наиболее эффективно для оперативного управления производством асфальтобетонной смеси контролировать такие показатели как гранулометрические характеристики минеральных материалов, вязкость битума, фактические дозы материалов в каждом замесе и прочность асфальтобетонной смеси на сжатие. Разработана модель динамики свойств компонентов асфальтобетонной смеси в которой учитывается как вариация свойств компонентов от партии к партии, так и внутри партии. Проведенные исследования показали, что межпартионная и внутрипартионная вариации могут быть эффективно представлены моделями авторегрессии и соответствующих формирующих фильтров. В пределах одного цикла моделирования моделируются 50 партий компонентов, 50 микропартий свойств компонентов внутри одной партии и по 20 замесов для каждого набора свойств компонентов. Таким образом всего моделируется 50 ООО замесов в одном цикле испытаний. При моделировании влияния ошибки дозирования компонентов на свойства смеси моделировалось 7 наборов ошибок дозирования и соответственно 350 000 замесов.

Результаты моделирования показали значительную вариацию таких важнейших показателей, как площадь поверхности зерен смеси и средняя толщина пленки битума. На вариацию этого параметра наиболее сильное влияние оказывает вариация свойств компонентов, а не ошибки их дозирования.

Проведенный анализ показал, что наиболее эффективной является комбинированная структура системы управления производством асфальтобетонной смеси. Эта структура реализует преимущества способов управления по возмущению и по отклонению. Так контур управления по возмущению, который использует информацию о свойствах компонентов асфальтобетонной смеси для расчета упреждающих воздействий на ТП, повышает скорость реакции системы управления на изменения свойств компонентов. Контур управления по отклонению, который использует информацию о свойствах асфальтобетонной смеси для расчета воздействий на технологический процесс, компенсирующих воздействия неконтролируемых возмущений на технологический процесс. Анализ результатов моделирования показывает, что выражение (4.7) для расчета площади поверхности по результатам рассева минерального материала наиболее эффективно для расчета площади поверхности щебня (коэффициент коррелции достигает 0.99). Для песка значение коэффициента корреляции несколько ниже — 0.89, а для минерального порошка еще ниже — около 0.68. При снижении частоты контроля, значения коэффициента корреляции уменьшается для всех трех зависимостей. С увеличением ошибки контроля коэффициент корреляции так же уменьшается.

Результаты моделирования для прочности асфальтобетона и площади поверхности показывают большую чувствительность к точности контроля, чем к времени измерения. Результаты моделирования управления толщиной пленки битума на поверхности минеральных материалов показывают большую чувствительность для времени измерения гранулометрии компонентов. Но это справедливо только при высокой частоте контроля (для каждой микропартии компонентов). Необходимо отметить высокие затраты машинного времени и памяти при проведении моделирования. Так объем файла с данными достигает 120 Мбайт.

Анализ показал, что на рынке присутствует значительное число современных средств и систем контроля для производства асфальтобетонной смеси. Современные системы контроля позволяют оперативно контролировать все необходимые характеристики и реализовать разработанную концепцию. Так, например, анализаторы формы частиц (Haver & Boecker, Retsch GmbH & Co. KG, Micrometrics GmbH, Beckman Coulter GmbH и др.)позволяют оценивать размеры одновременно по 250 классам крупности. В секунду проводится до 10 тысяч измерений. Количество дозируемого в единицу времени материала, в зависимости от диапазона измерений, составляет от 20 до 10 000 г/мин. Такие характеристики позволяют встраивать это оборудование в технологический процесс и оценивать гранулометрию смеси практически в каждом замесе. Это обеспечит значительное снижение вариации свойств асфалтобетоннной смеси.