автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация и энергосбережение процесса смешивания компонентов бетонной смеси

Введение.

1. Выбор путей и методов решения задачи автоматизации.

1.1. Пути решения поставленной задачи.

1.2. Основные пути энергосбережения в электроприводе.

1.3. Возможные типы энергосберегающих устройств (ЭУ).

1.4. Технология производства бетонной смеси.

2. Моделирование системы управления технологической линией.

2.1. Обзор имеющихся систем управления.

2.2. Выявление недостатков существующих аналогов.

2.3. Выбор и обоснование способа автоматического управления.

2.4. Определение базиса построения системы.

2.4.1. Определение информационного масштаба системы.

2.4.1.1. Каналы управления электроприводом.

2.4.1.2. Каналы управления дозаторами.

2.4.1.3. Каналы управления бетоносмесителем.

2.4.2. Определение аппаратных модулей системы.

2.4.2.1. Аппаратные модули УСО.

2.4.2.2. Аппаратные модули управляющей системы.

2.4.2.3. Функциональная схема управляющей системы.

2.4.3. Определение программных модулей системы.

2.4.3.1. Библиотека управляющих алгоритмов.

2.4.3.2. Технологическая программа и программирование.

2.4.3.3. Компиляция технологических программ и их выполнение.

3. Программно-аппаратный базис системы автоматического управления.71 3.1. Аппаратное обеспечение.

3.1.1. Математическое моделирование СИФУ.

3.1.2. Принципиальная схема СИФУ.

3.1.3. Модули АЦП.

3.1.4. Модули ЦАП.

3.1.5. Состав У СО и требования к системе управления.

3.2. Моделирование программного обеспечения.

3.2.1. Выбор программного обеспечения.

3.2.2. Реализация библиотеки алгоритмов и ее использование.

3.2.3. Структура и функции алгоблока.

3.2.4. Технологическая программа. Редактор техпрограмм.

3.2.5. Программная структура управляющей системы.

3.3. Рабочие алгоритмы.

3.3.1. Алгоритм обслуживания ДВВ.

3.3.2. Алгоритм обслуживания АЦП.

3.3.3. Алгоритм обслуживания ЦАП.

3.3.4. Алгоритм минимизации тока.

3.3.5. Алгоритм управления дозаторами.

3.3.6. Алгоритм управления бетоносмесительным узлом.

4. Программная модель технологического процесса.

4.1. Теория построения моделей АСУ ТП.

4.1.1. Принципы моделирования ТП и АСУ.

4.1.2. Взаимодействие моделей элементарных звеньев системы.

4.2. Математическое описание моделей объектов ТП.

4.2.1. Модель дозатора.

4.2.2. Модель барабана бетоносмесителя.

4.2.3. Модель редуктора.

4.2.4. Модель электродвигателя.

4.3. Общее описание модели АСУ ТП.

4.4. Графический интерфейс модели бетоносмесительного узла.

4.5. Алгоритмы модели элементарных звеньев.

4.5.1. Алгоритмическая модель дозатора циклического действия.

4.5.2. Алгоритмическая модель бетоносмесителя.

4.5.3. Алгоритмическая модель редуктора.

4.5.4. Алгоритмическая модель асинхронного электродвигателя.

Проблема соблюдения заданного качества бетона на предприятиях ЖБИ стоит особенно остро, так как в одном цикле готовится существенное количество бетонной смеси и выход брака хотя бы в одном цикле, приведет к ощутимым материальным потерям. Для того чтобы этого избежать, необходимо неукоснительно соблюдать заданное качество бетонной смеси на всех этапах ее производства. Чтобы этого добиться, недостаточно следить только за качеством дозирования компонентов, необходимо следить за качеством бетонной смеси непосредственно в ходе ее приготовления. Для этих целей применяются автоматизированные системы поддержания качества готового бетона. Основной показатель качества готовой бетонной смеси - это формовочные свойства бетона или удобоукладываемость. Главными препятствиями на пути к достижению норм удобоукладываемо-сти для каждого из типов бетонных смесей являются: изменчивость качества составляющих бетонной смеси, недостаточная погрешность их дозирования, а также изменчивость влажности заполнителей, что приводит к отклонению водоцементного отношения (В/Ц) от нормативов.

Для устранения перечисленных препятствий на практике используются методы контроля реологических свойств бетонной смеси. Измеряя вла-госодержание смеси и сопротивление сдвигу (вязкость) при перемешивании можно с большой степенью достоверности судить о реологических свойствах бетонной смеси и оперативно управлять подачей в смеситель остаточного количества воды. Кроме того, измеряя сопротивление сдвигу можно достаточно точно определить момент готовности бетонной смеси, а значит сократить время цикла приготовления бетона. Это повысит эффективность процесса перемешивания, а также позволит получать смесь строго заданного качества.

Однако даже если полностью устранить брак бетонной смеси, все равно энергоемкость одного цикла приготовления бетона в масштабах завода ЖБИ остается весьма большой. Средний удельный расход тепловой энергии, затрачиваемой на производство 1 м3 железобетона в заводских условиях, составляет 1254-1463 тыс. кДж/м3, что соответствует сжиганию 45-65 кг условного топлива. Этот показатель примерно в 5-6 раз выше необходимого теоретического расхода тепловой энергии на достижение бетона заданной распалубочной прочности. Наиболее энергоемкой составляющей частью процесса приготовления бетона является цикл перемешивания компонентов бетонной смеси. Бетоносмесительные установки оснащаются мощными электродвигателями переменного тока (до 100 Квт), которые способны приводить в движение барабан бетоносмесителя. Следует заметить, что объем готового замеса в стационарных бетоносмесителях может достигать 2000 литров и потому для привода таких бетоносмесителей приходится использовать мощные электромоторы.

Поэтому сокращение затрат энергии, потребляемой бетоносмесителями, приведет к заметному удешевлению производства железобетонных конструкций. Выше был сделан вывод, что в процессе смешения бетона можно также регулировать формовочные и прочностные свойства бетонной смеси, другими словами - можно регулировать качество бетонной смеси. Таким образом, в цикле бетоносмешения кроются две возможности оптимизации: контроль и регулирование качества бетонной смеси, и энергосбережение процесса производства железобетонных изделий.

Исходя из этого предположения, можно сформулировать требования, которые должны предъявляться автоматизированным системам управления процессом бетоносмешения. Итак, система автоматизации приготовления бетонной смеси должна обеспечивать заданное качество бетонной смеси, а также обеспечивать минимально возможную энергоемкость процесса бетоносмешения, без ухудшения качества бетонной смеси и без увеличения времени ее приготовления. Система управления бетоносмесителем должна легко интегрироваться в состав имеющихся технологических линий, должна обладать достаточной степенью автономности, чтобы работать индивидуально, а также должна иметь возможность совместной работы с имеющимися на предприятиях комплексами АСУ ТП.

Цели и состав диссертационной работы

Целью данной диссертации является разработка энергосберегающего устройства, эффективно управляющего технологическим процессом смешивания компонентов бетонной смеси с помощью циклического бетоносмесителя гравитационного или принудительного действия.

Настоящую диссертацию можно условно разделить на две части.

В первой части настоящей диссертации (главы 1-2) изложены теоретические основы процесса приготовления бетонной смеси. В ней показаны закономерности функционирования технологического объекта, а также показана возможность эффективного управления данным процессом с помощью разрабатываемой энергосберегающей системы. Кроме того, в этой части диссертации детально рассмотрена модель управляющей системы, разработаны основополагающие принципы управления объектом, дана обобщенная структурная схема системы управления и автоматизируемого объекта, показаны основные направления, по которым будут разработаны программное и аппаратное обеспечения системы управления.

Вторая часть настоящей диссертации (главы 3-4) содержит в себе общие описания программного и аппаратного обеспечении системы управления, а также описание действующей программной модели бетоносмеси-тельного узла, работающего под управление виртуального ПТК.

Программное обеспечение системы энергосбережения, разработано исходя из концепции интерфейсной открытости системы, позволяющей расширять стандартный состав библиотеки алгоритмов устройства, в том числе и сторонними поставщиками программного обеспечения.

Аппаратное обеспечение системы, разработано исходя из современной концепции ограниченного наращивания интерфейсных устройств связи с объектом автоматизации. Так количество и состав модулей интерфейсного обмена с объектом управления в разрабатываемой системе не будут строго определенными и могут быть изменены в зависимости от нужд конкретного автоматизируемого технологического процесса. Открытость аппаратного обеспечения достигнута за счет применения стандартных, принятых в общемировой практике построения АСУ, интерфейсных протоколов обмена. Это позволит использовать в энергосберегающей системе имеющиеся интерфейсные модули УСО (АЦП, ДЦП, СИФУ и пр.), поддерживающие данные стандарты.

Для проверки работоспособности системы управления и энергосбережения, разработана виртуальная модель объекта - центробежной бетономешалки.

Моделирование процессов управления осуществляется посредством взаимодействия и обмена данными между виртуальной моделью объекта и реальной программой системы, через виртуальные УСО и модули интерфейсного обмена.

Почти все экспериментальные данные получены посредством виртуального моделирования работы АСУ ТП. Это позволило минимизировать затраты при проведении натурных экспериментов без снижения достоверности полученных данных в ходе эксперимента.

Общие выводы по диссертации

Управление бетоноемееительным комплексом на основе энергосберегающей технологии позволяет решить задачу комплексной автоматизации процесса. При этом экономия достигается несколькими путями:

1. Экономия в процессе изготовления и наладки системы управления. Получается за счет использования в качестве информационного параметра - токового сигнала, что позволило сократить затраты на оборудование, отказавшись от дорогостоящих ваттметров, упростить процесс изготовления, наладки и обслуживания системы управления.

2. Экономия электроэнергии в процессе приготовления бетонной смеси. Достигается за счет применения энергосберегающей технологии.

3. Сокращение затрат, связанных с выпуском бетонной смеси ненадлежащего качества (брака). Оперативное слежение за водоцементным составом смеси непосредственно в процессе ее приготовления дает возможность оперативно управлять этим параметром. Это приводит к уменьшению выхода брака и повышению качества бетонной смеси. Кроме того, позволяет получить стабильные характеристики качества смеси для различных замесов.

3. Программно-аппаратная модульность системы управления позволяет применять ее на любых технологических процессах, для которых быстродействие данной системы является вполне достаточным. В результате структурированного подхода к созданию системы управления на ее основе становится возможным автоматизировать технологические процессы, обладающие различным набором и составом измерительной и исполнительной аппаратуры. Система перестает быть уникальным изделием и становится универсальным средством автоматизации.

4. Открытость программно-аппаратного базиса системы позволяет реализовать ограниченное наращивание аппаратных средств и неограниченное наращивание программных средств. Кроме того, открытая архитектура позволяет достраивать систему силами и средствами сторонних производителей. Это еще больше удешевляет систему (в базовой поставке), а также позволяет заложить в нее большие потенциальные возможности неограниченного улучшения качественных показателей управления.

Для исследовательских целей была разработана и отлажена имитационная модель бетоносмесительной установки, обладающая большим набором функций и настроек. С ее помощью можно производить модельные эксперименты в области приготовления бетонных смесей различного качества и состава. Модель предоставляет удобные графические средства для работы с ней, позволяет испытывать системы управления, а также имеет инструменты для записи и анализа результатов проведенных испытаний.

Разработанная система управления может быть применена для энергосбережения в асинхронных электроприводах очень широкого спектра промышленных и бытовых механизмов, в которых двигатель большую часть времени работает с небольшими нагрузками (приводы ленточных транспортеров, эскалаторов, лифтов, вентиляционных и насосных установок, компрессоров, холодильных установок и пр.). В приложении в графическом виде показаны зависимости получаемой экономии электроэнергии от нагрузки на валу и типа асинхронного электродвигателя.

1. JI2. Баканов И.П. Глодильников Е.И. «увеличение КПД энергоустановок»

2. ЛЗ. Булгаков К.В. «Энергоснабжение промышленных предприятий» JI4] Ключников А.Д. «Энергетика теплотехнологии и вопросы энергосбережения»

3. JI5. Рей. Д. «Экономия энергии в промышленности»

4. Пособие для вузов, М.: Высшая Школа, 1989 280 с. JI17. «Математическое моделирование электрических машин», учебник для вузов, - М.: Высшая Школа, 1987 - 248 с.

5. JIl 8. «Задачник по электротехнике и электрооборудованию». А.И. Раскатов, 3-е изд., испр. и доп. М., «Высшая Школа», 1964г. 564 с.

6. JI19. Гордон А.Э., Никулин Л.И. «Автоматизация контроля качества изделий из бетона и железобетона», М.: Стройиздат, 1991г. 300 с.

7. JI20. Бабаев Ш.Т. Комар А.А. «Энергосберегающая технология железобетонных конструкций из высококачественного бетона с химическими добавками», М.: Стройиздат, 1987г. 240с.

8. Л21. Баженов Ю.М. "Технология бетона", М.: В.Ш., 1987. 415 с.

9. JI22. Бурлаков Г.С. "Технология изделий из легкого бетона", уч. Пособие для вузов. М.: В.Ш., - 1986г. - 296 с.

10. JI23. Добродеев С.С. "Строительные машины и оборудование". справочник, - М.: В.Ш. - 1991г. - 456 с.

11. JI24. А.Э. Гордон, Л.И. Никулин "Автоматизация контроля качества изделий из бетона и железобетона" М.: Стройиздат, 1991г. - 300 с.

12. Л25. В.Н. Четвериков, Э.А. Баканович «Стохастические вычислительные устройства систем моделирования». М.: Машиностроение, 1989. -272 е.: ил.

13. Л26. Г.Н. Баласанов «Моделирование и оптимизация в автоматизированных системах управления» М.: Атомиздат, 1972 г. - 390 е.: ил.

14. Л27. И.Б. Ядыкин, В.М. Шумский, Ф.А. Овсепян «Адаптивное управление непрерывными технологическими процессами» М.: Энерго-атомиздат, 1985 г. - 240 с.

15. Л28. Я.А. Хетагуров «Основы проектирования управляющих вычислительных систем» М.: Радио и связь, 1991 г. - 288 е.: ил.

16. Л29. А.А. Штрик и др. «Структурное проектирование надежных программ встроенных ЭВМ» Л.: Машиностроение, 1989 г. - 296 е.: ил.

17. Л30. «Электротехника», под ред. Герасимова В.Г. М.: В.Ш., 1985 г. - 306е.: ил.

18. JI31. Москаленко В.В. «Электрический привод» М.: В.Ш., 1991 г. - 224 е.: ил.

19. JI32. «Полупроводниковые приборы», под ред. проф. Лабунцова В.А. -М.: Энергоатомиздат, 1990 г. 300 е.: ил.

20. Л34. «Радиокомпоненты и материалы», справочник К.: Радиомотор, М.: КубК-а, 1998 г.-710 е.: ил.

21. Л35. Нефедов А.В. «Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги», Т. 2, справочник М.: Радиософит, 1999 г. - 700 е.: ил.

22. Л36. Шестоперов С.В. «Контроль качества бетона», М.: Стройиздат, 1989г.-300 е.: ил.

23. Л37. Нефедов А.В., Аксенов А.И. «Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Микросхемы», М.: Радио и Связь, 1993г. - 230 е.: ил.

24. Л38. «Интегральный микросхемы. Каталог» Ч. I, II, III, М.:, НПО Микроэлектроника, МП Наследие 1992г. - 450 е.: ил.

25. Л39. Нефедов А.В., Аксенов А.И. «Зарубежные микросхемы и их отечественные аналоги», М.: Электротехника, 1991г. - 400 е.: ил.

26. Л40. Нефедов А.В., Савченко A.M., Феоктистов Ю.Ф. «Зарубежные интегральные микросхемы для промышленной электронной аппаратуры», М.: Энергоатомиздат, 1989г. - 217 е.: ил.

27. Л41. Лебедев О.Н. и др. «Микросхемы памяти. ЦАП и АЦП: Справочник», М.: «КубК-а», 1996г. - 572 е.: ил.

28. Л42. «Микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: состав, структура» Под ред. Васенкова А.А., Шахнова В.А. М.: Радио и Связь, 1982г. -470 е.: ил.

29. Л43. Воробьев В.А., Кирван В.К. «Применение физико-математических методов в исследовании свойств бетона» М.: В.Ш., 1977г. - 200 е.: ил.

30. Л44. Воробьев В.А. и др. «Изучение статистических свойств линейной неоднородности структур типа бетона методами математическогомоделирования» Известия ТПИ, т. 213 Изд-во ТГУ, 1972г. - 117 е.: ил.

31. J145. Воробьев В.А., Кирван В.К. «Применение физико-математических методов в исследовании свойств бетона» М.: В.Ш., 1977г. - 200 е.: ил.

32. J146. Брусникин Д.Д. «Электрические машины и микромашины» М.: В.Ш., 1981г.-432 е.: ил.

33. J147. Костененко М.П., Пиотровский JI.M. «Электрические машины» М.: Энергия, 1973г. - 400 е.: ил.

34. J148. Бородумка Ю.Б. «Автоматизированное проектирование электромашин» М.: Энергоатомиздат, 1982г. - 514 е.: ил.

35. J149. Шестоперов С.В. «Подбор составов и контроль качества бетона в США» М.: В.Ш., 1992г. - 318 е.: ил.

36. J150. Бородумка Ю.Б. «Автоматизированное проектирование электромашин» М.: Энергоатомиздат, 1982г. - 514 е.: ил.

37. J151. Ильинский Н.Ф., Рожановский Ю.В., Горнов А.О. «энергосберегающие технологии электроснабжения народного хозяйства» М.: В.Ш., 1989г.- 127 е.: ил.

38. J152. Супронович Г. «Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок» перевод с польск. М.: Энергоатомиздат, 1985г. - 136 е.: ил.

39. J153. Железно Ю.С. «Компенсация реактивной мощности и повшение качества электроэнергии». М.: Энергоатомиздат, 1985г. - 224 е.: ил.

40. J154. Гайсинский А.В. "Направления автоматизации и особенности внедрения систем управления бетоносмесительными установками на заводах ЖБИ". Сборник трудов секции "Строительство" РИА. Вып. 4. 4.1 -2003 г., с.151-159