Автоматизация технологических процессов приготовления асфальтобетонных смесей

Снижение затрат и повышение качества выпускаемой продукции путем выявления скрытых резервов и совершенствования существующих технологий является одной из основных задач развития общественного производства. Современное строительное производство находится под жестким прессингом быстро меняющейся конъюнктуры рынка и требований заказчиков к ассортименту и качеству готовой продукции, вызывая необходимость повышения его гибкости, приспосабливаемости и степени управляемости.

Интенсивное развитие индустриальных методов строительства вызывает необходимость совершенствования технологии приготовления асфальтобетонных смесей, повышения технического уровня автоматизации асфальтобетонных заводов (АБЗ) и установок. Необходимость повышения качества асфальтобетонных смесей вызывает потребность в создании и внедрении более прогрессивных технологических процессов на базе современных средств автоматизации и управления, в первую очередь — с использованием вычислительной техники.

Решение проблемы получения качественных асфальтобетонных смесейнепростая научная и инженерная задача, требующая, в свою очередь, решения ряда подпроблем: задания, подбора марок смеси по технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке предприятием — изготовителем, выдерживания заданного состава и физико-механических свойств смеси с использованием технических средств автоматизации и управления, корректировки соотношений отдельных фаз смеси. Если первая подпроблема является чисто технологической, то две остальные относятся к области автоматизации производства асфальтобетонных смесей и решают основную задачу формирования их заданных качественных показателей. Одновременно с помощью средств автоматизации решается достаточно общая задача повышения техникоэкономических показателей всего производства. Качественные показатели смеси служат ограничениями, в пределах которых осуществляется оптимизация технологического процесса.

Автоматическое управление технологическим процессом производства асфальтобетонных смесей учитывает принцип агрегирования, заложенный в конструкцию отечественных асфальтосмесительных установок. Это позволяет строить локальные системы автоматики отдельными агрегатами, используя для их настройки информацию о компонентах, играющих определенную роль в структуре смеси. Основная задача локальных автоматических систем — свести к минимуму действие возмущений, уменьшив тем самым вариации качественных показателей смеси. Сложность решения этой задачи состоит в том, что система работает в условиях неполной информации о характеристиках компонентов и технологического процесса. Требуется адаптация локальных систем автоматики к изменяющимся условиям производства. Эта задача может быть решена корректировкой настроек методом статистической оптимизации, использующим информацию статистической обработки характеристик влияния на качественные показатели асфальтобетонной смеси.

В работе рассматривается только проблема автоматического управления непрерывным технологическим процессом производства асфальтобетонных смесей. Проблема статистической оптимизации достаточно сложна и требует для своего решения разработки отдельной концепции, математического аппарата и технологических средств реализации.

Решение вопросов качества и ассортимента готовой продукции того или иного производства неразрывно связано с переходом на непрерывность и поточность, обеспечивая тем самым внедрение более прогрессивных методов ведения технологических процессов, создавая предпосылки для их полной автоматизации.

В пользу применения таких технологий говорит расширяющаяся и совершенствующаяся техническая база строительного производства, применение современных средств вычислительной техники. Это позволяет: повысить технико-экономический эффект от внедрения непрерывной технологии и получить качественную продукцию в соответствии с требованиями СНиПа, действующими техническими условиями и ГОСТамиреализовать комплексную систему автоматизации всех разнородных производственных процессов, начиная с подачи исходных материалов в расходные бункеры и кончая выдачей готовой продукциииспользовать при автоматизации наиболее современные микроэлектронные и микропроцессорные средств автоматического контроля, учета, регулирования и управленияприменять для производства смеси оборудование непрерывного действия различных модификаций с широким спектром изменения основных технологических показателейучесть специфику производства асфальтобетонных смесей в части рационального уровня автоматизации, частоты смены и количества рецептур смеси, мобильности и пр.- обеспечить максимальную гибкость и универсальность технологических решений, позволяющих сопрягать процесс непрерывного приготовления бетонных смесей с различными схемами организации производства строительных работобеспечить крупноблочную компоновку узлов, заводов и установок в целом, значительно сокращая сроки монтажа — демонтажа и время передислокации установок на новое место эксплуатацииобеспечить максимально возможную унификацию, как технологических решений, так и основного оборудования, аппаратуры, приборов и средств автоматизациикардинально изменить содержание процесса управления, переместив ряд технических функций от локальных устройств автоматики в среду программного и алгоритмического обеспечения.

Последнее обстоятельство является решающим при адаптации общих положений системного проектирования к созданию АБЗ с принципиально новой организацией.

Средства вычислительной техники определяют новые возможности организации процессов приготовления асфальтобетонных смесей, принципиально изменяя сам подход к решению проблемы. Ряд теоретических положений и идей концептуального характера оказываются вовлеченными в сферу практических приложений. Подход к вычислительной.

ЧУ О и, в первую очередь, микропроцессорной технике в строительной области, как к средству накопления и переработки больших объемов информации, начинает трансформироваться в сторону ее активного использования в непосредственном управлении технологией и в формировании продукта с заданными свойствами. Исчезают ограничения на применение нетрадиционных подходов к решению задач автоматизации. Происходит перенесение методов теории управления и теории систем в практику проектирования процессов смесеприготовленйя. Появляется возможность системотехнического синтеза объекта и системы управления в едином контексте проблемы интеграции технологии и управления.

Представление агрегатов технологического процесса производства асфальтобетонных смесей в виде элементов многоуровневых систем очерчивает совершенно иной круг задач теоретического и практического планов. Определяющим становится структурный подход и поиск функциональных связей, обеспечивающих многоуровневый характер передачи и преобразования информации, координацию действий элементов различных уровней иерархической соподчиненности. Появляются новые характеристики системы, связанные с вертикальной декомпозицией, алгоритмическим разнообразием принятия решений на разных уровнях, приоритетом действия и правом вмешательства верхних уровней по отношению к нижним. Неизбежно приходится рассматривать вопросы содержательного представления способов функционирования системы, относящиеся к методам подготовки и принятия решений и, соответственно, формированию целей и критериев, используемых в системе.

Взаимообусловленное управление элементами технологической линии предполагает как априорное, так и апостериорное решения задачи улучшения качественных характеристик системы. Априорные решения сводятся к комплексу мер технологического и организационно-системного планов, обеспечивающих такую структурно-функциональную связь элементов, при которой достижение заданной цели наиболее вероятно. Апостериорные решения относятся к области динамического управления, преследующего цель автоматической минимизации нежелательных отклонений в системе за счет приложения соответствующих координирующих воздействий.

В этом смысле непрерывные технологии обладают в концептуальном плане более широкими возможностями. Высока их подвижность в части изменения принятой структуры управления, использования возможных объемов активной информации, глубины ее интеллектуальной проработки, способов, алгоритмов и периодичности приложения управляющих воздействий. Важным в методологическом аспекте становится совмещение в одной системе непрерывных и дискретных задач управления с четким разделением уровня влияния и способов сопряжения процессов управления различной периодичности.

Немаловажную роль играет положение о совместимости целей, т. е. непротиворечивости управлений по различным каналам, обеспечивающее синхронизацию результатов от действия вышестоящих и нижележащих уровней многоуровневой иерархической системы. Выполнение этого положения гарантирует обоснованность выбора целей, критериев и областей возможного изменения настроечных и конструктивных параметров системы, возможность разумного сочетания управлений в локальных подсистемах и связного управления локальными подсистемами. Достижение глобальной цели, стоящей перед всей системой может быть реализовано за счет соответствующей координации автономно функционирующих систем.

При всем различии между принципами управления агрегатами АБЗ и между ними, как системами управления, существует глубокая внутренняя связь в границах отдельных переделов, которая позволяет анализировать их свойства в рамках единой классификации. Механизм образования классификационной схемы должен исходить из фиксирования некоторых наиболее важных свойств технологически подобных систем, сочетание которых, ослабление или усиление, определяют место системы в разрядах классификации.

Предметом классификации становятся не только отдельные агрегаты, но и системы различного уровня сложности. Центральное место занимает принцип системного проектирования, изменяющий угол зрения на структуру, способ функционирования и характер внутрисистемных связей. Кажущаяся внешняя отвлеченность положений теории многоуровневых иерархических л систем при более пристальном рассмотрении дает стройное сочетание правил и положений, применение которых позволяет не только классифицировать технологически подобные устройства по степени нарастания или убывания важнейших признаков, но и обозначить пути и методы проектирования систем автоматизации с совершенно новыми свойствами.

Последнее положение особенно важно, так как подчеркивает теоретический предел совершенствования и определяет для уже существующих систем их место и объективный уровень теоретических возможностей в достаточно широком поле структурно и функционально различающихся систем.

1 Технико-экономические преимущества асфальтосмесительных заводов и установок с непрерывной технологией производства, по сравнению с аналогами периодического действия очевидны и заключаются в значительном снижении стоимости приготовления смесей, уменьшении трудоемкости, расхода электроэнергии, значительном сокращении массы оборудования, его сроков монтажа и демонтажа, габаритов сооружений, повышении качества продукции.

Однако проблема управления непрерывным' производством асфальтобетонной смеси для различных видов строительства — сложная научная проблема, которая охватывает большой круг вопросов, связанных с исследованием и разработкой новых комплексно — автоматизированных технологических процессов, а также принципиально новых средств автоматизации.

Несмотря на применение при производстве асфальтобетонных смесей широкой гаммы агрегатов непрерывного действия при автоматизированном управлении их потенциальные возможности в части повышения качества смеси явно используются не полностью. Причина кроется в том, что до настоящего времени ограничивались только оптимизацией режимов управления отдельными агрегатами АБЗ. Если представление их как систем автоматического регулирования позволяет применить к ним методы расчета, принятые в теории управления, то исследование технологических схем непрерывного приготовления асфальтобетонных смесей должно базироваться на понятиях и представлениях теории систем.

Именно поэтому настоящая работа нацелена на создание стройной методологии проектирования автоматических систем управления процессами непрерывного приготовления асфальтобетонных смесей.

Актуальность проблемы. Технологические операции асфальтобетонного производства являются качествообразующими элементами процесса формирования асфальтобетонной смеси.

Новые тенденции технического и технологического перевооружения в строительной отрасли в изменившейся экономической ситуации, ужесточение технических условий и норм на выпуск готовой продукции диктуют принятие только таких проектных решений, которые обеспечат существенное улучшение наиболее значимых показателей производства, как в части изменения его структуры, так и в выборе стратегии управления. Традиционно используемые технологии производства асфальтобетонных смесей отражают во многом устаревшие экономические, технологические и технические подходы предыдущей фазы экономического развития строительной 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.

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 пЬложений 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.

Именно поэтому назрела необходимость в проектировании смешанной схемы производства асфальтобетонной смеси, объединяющей процессы дробления и смесеобразования в единый технологический комплекс. Фрагментарные попытки автоматизации отдельных агрегатов АБЗ, причем, как правило, с разделительными складами для хранения фракционированного заполнителя не дали должного ощутимого эффекта повышения качества смеси. Главная причина этого кроется в отсутствии комплексного подхода при учете специфических технологических особенностей отдельных агрегатов, как частей системы автоматизированного формирования асфальтобетонной смеси.

Необходима разработка новой концепции и методологических основ синтеза систем непрерывного производства асфальтобетонной смеси в едином контексте интеграции технологии, технических средств процесса смесеобразования 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 синтеза многостадийных процессов дробления и связных систем транспортирования компонентов, пригодных для решения широкого спектра задач производства многокомпонентных смесей в строительстве и других отраслях хозяйства.

Методологические основы и методы исследования. Теоретические и расчетно-аналитические исследования базировались на фундаментальных положениях автоматизированного проектирования технических систем, теории автоматического управления, теории систем и других областях науки. Экспериментальные исследования опирались на методы моделирования и обработки результатов на ПЭВМ.

Научная новизна диссертационной работы. Впервые проведен системотехнический анализ специфических особенностей технологических переделов непрерывного производства асфальтобетонных смесей в целях определения принципов структурного синтеза и функционального наполнения автоматизированной технологии производства асфальтобетонных смесей.

Созданы научно-методологические основы синтеза и практические методы построения автоматизированных систем производства асфальтобетонных смесей в едином контексте проблемы интеграции технологии дробления и смесеобразования, технических средств реализации технологических процессов и управления.

Разработана концепция построения иерархических систем управления технологическими процессами со структурой, функциональными связями и критериями управления, отражающими многоуровневый характер преобразования первичной информации, степень ее обобщения и периодичность ее использования в процессах управления на каждом уровне иерархии.

Используя концепцию построения многоуровневых иерархических 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.

Разработаны принципы и механизм формирования сложноструктурированной модели технологического процесса приготовления асфальтобетонных смесей, интегрирующей в себе модели локальных объектов автоматизации уровня оперативного управления и статистические модели технологических переделов (участков) с многопоточной технологией преобразования, подаваемого на переработку материала.

Практическая ценность и внедрение результатов исследования.

Практическую ценность работы составляют спроектированные на сформулированных принципах автоматизированная система управления многостадийным процессом приготовления асфальтобетонных смесей, методы расчета вновь проектируемых и находящихся в эксплуатации систем.

Автоматизированная технология приготовления асфальтобетонных смесей, включающая в себя технические средства измерений и управления, имеет практическую направленность и предназначена для использования в установках непрерывного действия по производству строительных смесей.

Разработанная технологическая схема производства асфальтобетонных смесей, интегрирующая в единый технологический комплекс процессы дробления и смесеобразования, позволяет не только снизить капитальные и эксплуатационные затраты, исключив промежуточные складские операции, но и перейти к мобильной, высокопроизводительной, самодостаточной автоматизированной структуре непрерывного производства асфальтобетонных смесей. В этом случае наиболее полно проявляются эффекты комплексного автоматического управления и оптимизации технологического процесса на основе разработанных критериальных функций в оперативном режиме, позволяющие повысить качественные показатели асфальтобетонных смесей.

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.

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: международном научно-техническом совещании «Совершенствование качества в строительном комплексе» (г. Брянск, 1999 г.), 57-ой научно-технической конференции «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (г. Самара, 2000 г.), международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. С. Петербург, 2000 г.), международной научно-технической конференции «Интерстроймех — 2001» (г. С.-Петербург, 2001 г.), 7-м научно-методическом семинаре «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров республики Беларусь» (г. Брест, 2001 г.), научно-технических конференциях МАДИ, кафедре автоматизации производственных процессов МАДИ. Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложений. Основное содержание составляет 231 страница текста, 70 иллюстраций, 4 таблицы, список литературы включает 152 наименования.

Основные выводы заключаются в следующем:

1. Анализ задач производства асфальтобетонных смесей показывает новые тенденции ужесточения технических условий и норм на выпуск готовой продукции, которые диктуют принятие технических решений (и, в первую очередь, в области автоматизации), обеспечивающих существенное улучшение наиболее значимых показателей производства. Вместе с тем, эффективность функционирования имеющихся агрегатов асфальтобетонных заводов и установок ограничивается в сфере управления системами локальной автоматизации, решающими отдельные, зачастую, не связанные задачи и отражающими технические подходы предыдущей фазы экономического развития строительной отрасли. Учитывая, что развитие и применение новых комплексных автоматизированных технологий на базе средств вычислительной техники — одно из приоритетных направлений науки и практики строительной деятельности, проблема проектирования адекватной современным требованиям автоматизированной технологии производства асфальтобетонных смесей является теоретически и практически актуальной.

2. Достижение поставленной цели реализуется на основе разработки концепции и методологических принципов структурного синтеза и функционального наполнения автоматизированных систем производства асфальтобетонных смесей в едином контексте проблемы интеграции технологии, технических средств и управления. Комплексный подход к решению этой проблемы в рамках единой методологии проектирования иерархических систем позволяет увеличить производительность, повысить качество и снизить себестоимость приготовления АБС.

3. Разработанная технологическая схема производства асфальтобетонных смесей, интегрирующая в единый технологический комплекс процессы дробления и смесеобразования, позволяет не только снизить капитальные и эксплуатационные, затраты, исключив промежуточные складские операции, но и перейти к мобильной, высокопроизводительной, самодостаточной автоматизированной структуре непрерывного производства асфальтобетонных смесей. В этом случае наиболее полно проявляются эффекты комплексного автоматического управления и оптимизации технологического процесса на основе разработанных критериальных функций в оперативном режиме, позволяющие повысить качественные показатели асфальтобетонных смесей.

4. Разработана концепция построения иерархических систем управления непрерывными технологическими процессами строительного производства со структурой, функциональными связями и критериями управления, отражающими многоуровневый характер преобразования первичной информации, степень обобщения и периодичность ее использования в процессах управления на каждом уровне иерархии.

5. Разработаны принципы и механизм формирования сложноструктурированной модели технологического процесса приготовления асфальтобетонных смесей, интегрирующей в себе модели локальных объектов автоматизации уровня оперативного управления и статистические модели технологических переделов (участков) с многопоточной технологией преобразования, подаваемого на переработку материала.

6. Разработана классификационная схема непрерывных многоуровневых иерархических систем многокомпонентного дробления и 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, синтезировать устройства с наперед заданными свойствами.

7. Разработана наиболее полная по своим структурным и функциональным возможностям оптимизации качественных и технико-экономических показателей приготовления АБС многоуровневая иерархическая система управления комплексами устройств непрерывного многостадийного дробления и связного дозирования.

8. Разработан метод представления непрерывных материальных потоков компонентов АБС в виде непрерывной последовательности условнодискретных интервалов, границы которых определяются репрезентативностью выборки мгновенных случайных значений отклонений производительности потока от среднего. В концептуальном плане это определяет принципы взаимосвязи непрерывных процессов оперативного управления с находящимися на верхнем уровне системы управления процессами статической оптимизации технологических показателей процесса производства АБС.

9. Разработан метод определения качественных характеристик дробилок и линий дробления с помощью нормированных характеристик оценки реальных возможностей получения на имеющемся дробильном оборудовании заданных рецептов, фиксируя линейные размеры их области определения и физические границы реализации.

10. Наиболее рациональна по количеству и размещению дробильно-сортировочного оборудования, по числу транспортных операций перемещения перерабатываемого материала технологическая схема двухстадийного дробления с замкнутым циклом и различающимися зерновыми характеристиками у дробилок на второй стадии дроблениясущественно расширяется область определения рецепта и обеспечивается с помощью системы управления заданное по рецепту соотношение фракций заполнителя.

11. Разомкнутые структуры транспортирования сыпучих компонентов асфальтобетонных смесей являются наиболее перспективным и экономически целесообразным средством измерения расхода в силу простоты конструктивных решений системы дозирования с жесткой подвеской весового транспортера, отсутствия системы автоматической стабилизации расхода, прямого измерения массы, при максимальной интеграции технологии и управления на базе средств вычислительной техники.

12. Разработана модель непрерывного измерения текущей производительности процесса транспортирования сыпучих компонентов АБС, которая позволяет корректировать результаты измерений, существенно уменьшая погрешность дозирования.

13. Разработан метод повышения качества асфальтобетонных смесей с помощью связного многокомпонентного дозирования, когда акцент с качественных характеристик локального устройства дозирования переносится на определение качественных характеристик всей системы в целом. •.

14. Выполнены работы по внедрению методов проектирования и настройки автоматизированных систем управления агрегатами и устройствами технологических переделов производства асфальтобетонных смесей.