автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация подбора фракционного состава фильтрующих материалов для промышленных предприятий

004617926

На правах рукопис

ЧАИТИЕВА МИЛАНА ЭНБЕКОБНА

Автоматизация подбора фракционного состава фильтру агишх материалов для промышленных предприятий

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ПС!( ' О-П

Москва 2010

004617926

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ)

Научный руководитель - Доктор технических наук, профессор

Илюхин Андрей Владимирович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Остроух Андрей Владимирович

Кандидат технических наук, доцент Захаров Ярослав Владимирович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Комплексный научно-исследовательский институт РАН (КНИИ РАН), г. Грозный.

Защита состоится «/ У » ^¿/Я2010 г. в 10 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.05 в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ), по адресу: г. Москва, Ленинградский просп., д.64, ауд.42

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан и.О.яТ^./ 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Рост промышленного производства в нашей стране сопровождается повышением потребления воды использующейся в технологических процессах

В структуре потребления воды 35% приходится на псе отрасли промышленности (около 90 км7год).

В настоящее время положение усугубляется тем, что после приватизации основного числа предприятий (в том числе и экологически «грязных»), новым хозяевам не хватает денег для постройки или модернизации очистных сооружений, что приводит к сбросу загрязнённой воды в окружающую среду.

В то же время существуют требования к выпуску сточных вод в соответствии с нормами СН 245 - 71, а также дополнительными перечнями, утвержденными главным государственным санитарным врачом РФ № 1194, № 1521 - 76, № 1842 - 78. Не выполнение этих требований по очистке воды ведёт к серьёзной административной, а во многих случаях и к уголовной ответственности, поскольку согласно постановления пленума Верховного Суда РФ от 5 ноября 1998 г. №14 эксплуатация объектов с неисправными очистными сооружениями и устройствами, отключение очистных сооружений и устройств, совершение иных действий, повлекших загрязнение водоемов и водных источников и причинивших существенный вред животному или растительному миру, лесному или сельскому хозяйству, квалифицируется по соответствующей части статьи 250 УК РФ.

Из всего сказанного видно, что вопрос очистки вод сброса промышленных предприятий, который и ранее был актуален, в современных условиях приобретает особо острый характер.

Решение этого вопроса напрямую связано с задачей разработки и применения современных очистных установок, способных при небольших габаритах и стоимости эффективно очищать сточные воды от примесей. В этом случае, пожалуй, единственным способом решения этой задачи является разработка производительных и дешевых фильтрующих элементов.

Как показал проведённый анализ, генеральным направлением совершенствования фильтрующих элементов является разработка и внедрение композиционных материалов обеспечивающих заданную степень очистки. В то же время основной проблемой, в различных отраслях промышленности, где используются композиционные материалы, является определение их состава с достаточной степенью точности.

В технологии композиционных материалов матричного типа (скрепляющая матрица с введённым в неё заполнителем) при подборе их составов основными факторами являются фракционный состав заполнителя и его объёмная концентрация.

В настоящее время при расчете состава смеси эти факторы учитываются косвенно, на основании эмпирических данных, поскольку не существует алгоритмизированных методов, позволяющих учитывать влияние разброса фракционного состава заполнителя и его объёмной концентрации на отпускные характеристики готового материала, что приводит к большим вариациям свойств от изделия к изделию и, как следствие, к значительному проценту брака.

Из-за сложности таких гетерогенных структур невозможно получение строгих аналитических зависимостей позволяющих учитывать данные факторы, поэтому особую актуальность приобретают научные исследования, направленные на разработку автоматизированных технологий подбора фракционного состава фильтрующих элементов, основанные на ме-

тодах компьютерного математического моделирования.

Таким образом, создание автоматизированной системы подбора состава компонентов композиционных фильтрующих материалов, учитывающей изменение отпускных характеристик (в частности фильтрующих свойств) в зависимости от фракционного состава и концентрации заполнителя является весьма актуальной задачей.

В настоящей работе будет рассмотрен композиционный материал на основе пористой проницаемой керамики (ППК).

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ оперативного автоматизированного управления процессом приготовления компонентов фильтрующих элементов на основе пористой проницаемой керамики на основе требуемых параметров готовых изделий, включающего в себя процессы расчёта состава материала и дозирования его компонентов, а также создание автоматизированной системы управления осуществляющей данные процессы.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

Разработана математическая модель связи пористости пористой проницаемой керамики с гранулометрическими характеристиками заполнителя и его объёмной концентрацией с целью последующего проведения анализа и выбора основных направлений совершенствования методов подбора состава ППК.

Проведен анализ, выбор и обоснование направлений и методов совершенствования автоматизации процесса дозирования компонентов ППК, для чего разработаны математические основы закона управления дозами компонентов смеси с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования.

- Синтезирована структура и технически реализована автоматическая система подбора состава и дозирования для приготовления компонентов ППК.

- Осуществлена экспериментальная проверка автоматизированной системы дозирования для приготовления компонентов ППК и оценена её техническая эффективность в производственных условиях.

К защите представляются:

Математическая модель структуры пористой проницаемой керамики на основе вероятностно - геометрической концепции.

Математические модель для анализа связи пористости пористой проницаемой керамики с объёмной концентрацией заполнителя.

Математическая модель управления технологическим процессом связного многокомпонентного дискретного дозирования и закон управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования.

Автоматизированная система управления процессом приготовления компонентов пористой проницаемой керамики, включая подсистему дозирования.

Методы исследования. Теоретические и расчетно-аналитические исследования базировались на положениях теории «перколяции» и «эффективной среды», методах математического компьютерного моделирования и синтеза систем автоматизированного управления применительно к поставленной задаче.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Научная новизна диссертации состоит в теоретическом обосновании и практической

реализации автоматизированных методов оптимизации технологии подбора и дозирования компонентов смссн ППК.

Разработана математическая модель структуры ППК материала на основе метода случайных упаковок в рамках вероятностно - геометрической концепции.

Разработана методика автоматизированного подбора состава смеси, применяемого для реализации последующего дозирования компонентов ППК.

Впервые предложен метод определения критического индекса континуальных задач теории «перколяции» - «критической концентрации», позволяющий расширить область применения теории «перколяции» при исследовании двухкомпонентных композиционных материалов.

Получена взаимосвязь пористости ППК и объемной концентрации заполнителя

Найдена взаимосвязь между критической концентрацией и диапазонами вариаций гранулометрического состава заполнителя

Разработана математическая модель управления технологическим процессом связного многокомпонентного дозирования и закона управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования;

Разработана методика построения алгоритмов и прикладных программ для реализации автоматизированной системы управления подбором состава и дозированием компонентов смеси.

Основные положения, выиосимые на защиту:

1. Общая концепция автоматизации технологического процесса приготовления компонентов ППК с оптимизацией по концеитрационио - гранулометрическим свойствам заполнителя.

2. Математические модели для анализа связи фильтрующих свойств ППК со свойствами заполнителя и его объёмной концентрацией.

3. Математическая модель управления технологическим процессом связного многокомпонентного дискретного дозирования и закон управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования.

4. Автоматическая система приготовления компонентов ППК, включая систему дозирования.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты позволяют производить оперативный подбор оптимального состава ППК, произвести дозирование компонентов ППК с максимальной точностью, а также оценить возможное отклонение от заданных установок. Опытная эксплуатация разработанного математического, информационного и программного обеспечения, полученные с его помощью результаты, подтвердили его высокую эффективность для решения поставленных в диссертационной работе задач. Внедрение результатов исследований в МУП «Горводокапал» г. Грозного» и ГУП Завод «Транс-маш» позволило снизить вариацию по тонкости очистки от образца к образцу до 10%, что является допустимым по технологическим нормам и получить снижение затрат за счет уменьшения доли бракованных изделий в готовой продукции.

Реализация результатов работы. Разработанная автоматизированная система апробирована в МУП «Горводокапал» г. Грозного» и ГУП Завод «Трапсмаш».

Апробация результатов. Основные научные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на:

67 и 68 научно-методических конференциях МАДИ (2009- 2010г.);

30-й Московской международной выставке «Образование и карьера - XXI век». Москва 2009 г.

Публикации Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 печатных работах.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, приложений и списка литературы. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 59 рисунков, 5 таблиц. Список литературы включает 101 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность и сформулированы основные цели и задачи исследования.

Первая глава диссертации посвящена анализу существующих систем фильтрации и фильтрующих материалов на промышленных предприятиях. Проведенный анализ, показал, что Россия занимает одну из ведущих позиций по промышленному загрязнению вод.

Проанализированы основные методы очистки сточных вод - механические, физико-химические и биологические. Показано, что при прочих равных условиях (исключая биологическую очистку), наиболее эффективной является механическая очистка, поскольку после применения других методов, удаление выделяемых ими примесей осуществляется механическим методом.

Проанализированы основные типы фильтрующих устройств механической очистки -сетчатые, патронные (картриджные) и напорные. Показано, что в промышленности наиболее часто используются напорные фильтры, а эффективность очистки в этом случае зависит от использующихся в них фильтрующих материалов.

Фильтрующие материалы можно подразделить па засыпные и монолитные. Засыпные фильтрующие материалы выпускаются в виде порошкообразной или зерновой засыпки, которую помещают в корпус напорных фильтров. Проведённый анализ наиболее распространённых засыпных фильтрующих материалов показ&ч, что они либо дороги, либо не обеспечивают достаточно высокой степени очистки. Но, пожалуй, главным недостатком фильтрующих засыпок является невозможность обеспечения тонкой фильтрации, поскольку минимальный размер частиц, задерживаемый ими не превышает 10 мкм., что во многих случаях является недостаточным.

По этому параметру монолитные фильтрующие материалы значительно превосходят засыпные. Кроме того, монолитные фильтрующие материалы требуют при своём применении самое простое оборудование (как правило, простых металлических кассет), поскольку они сами представляют собой некие конструкции. Монолитные фильтрующие материалы выпускаются на металлической и полимерной основах но, к сожалению, такие материалы очень дорога и, кроме того, не могут работать в агрессивных средах.

Наиболее перспективным направлением в данной области является создание фильтров на основе пористой проницаемой керамики (ППК), которые обеспечивают удаление из воды механических взвесей и коллоидных фракций с размером частиц более 0,05мкм, что обеспечивает 100% очистку воды от взвешенных веществ, а также снижает общее содержание органических соединений и тяжёлых металлов.

Наиболее простым и дешёвым методом изготовления фильтров из ППК является метод

выгорающих добавок, основанный на введении в керамическую массу и последующем выжигании (при обжиге изделий) горючих добавок.

Исследования проведенные на ГУП Завод «Трансмаш» (г. Грозный) показали, что в качестве выгорающих добавок наиболее эффективно (с экономической точки зрения) использовать полукокс - отход переработки бурых углей (в частности месторождения у селения Малые Варанды Чеченской Республики).

Однако при использовании метода выгорающих добавок наблюдается неравномерность пористой структуры, связанная с объёмной концентрацией добавок, их фракционным составом и сложностью распределения добавок по объему шихты. Именно этот факт, несмотря на дешевизну и явные преимущества метода, сдерживают его применение, поскольку выход бракованных изделий составляет в среднем 40% от общего объёма выпуска.

Поскольку на эффективность очистки вод ППК от механических примесей основное влияние оказывает концентрация выгорающих добавок, обеспечивающая заданную пористость готовых фильтрующих элементов, то основополагающими технологическими факторами, влияющими на качество выпускаемых изделий, являются методика подбора состава ППК и точность дозирования её компонентов при промышленном производстве.

Во второй главе представлена разработанная математическая модель связи пористости ППК с фракционными характеристиками выгорающих добавок и их объёмной концентрацией.

Поскольку на фильтрующие свойства ППК оказывает влияние характер распределения выгорающих добавок по объёму материала и их фракционный состав, то для моделирования пористости необходимо иметь модель структуры ПКК. Получить аналитическую модель стохастической структуры не представляется возможным, поэтому бьшо принято решение о моделировании структуры ППК на компьютере. Для этих целей была применена вероятностно-геометрическая концепция формирования структуры, при которой образование структуры заменяется моделированием процесса случайного заполнения объема сферами с распределенными размерами и ориентацией.

Был разработан моделирующий алгоритм и программа «Лрак» на его основе, функционирующие следующим образом: с помощью датчика псевдослучайных чисел разыгрываются обобщенные координаты пакуемой сферы (три координаты центра в декартовой системе координат и диаметр), осуществляется проверка на попадание пакуемой сферы в заданный объем (в данном случае в виде куба)

(1 - Лт!П) > х(к ) > 11тк , при к = 1,2,3, (1)

на непересечение вновь упакованной сферы с ранее упакованными (х(к) С V.;

\KczV, (2)

и с границами объема

I [*(*) +Л, ]<1;

(3)

ии

где: Д„„„ - разыгранный радиус пакуемой сферы; VI - объём пакуемой сферы V; - объём

ранее упакованной сферы; Х(к) - координаты пакуемой сферы; Ш - радиус пакуемой сферы

Также осуществляется проверка на попадание разыгранного диаметра в заданный гранулометрический состав. Разработанный алгоритм позволяет получить упаковку с максимальной объемной концентрацией 0,35...0,4 от единичного объема куба и имитировать процесс уплотнения, когда происходит проникновение более мелких фракций в промежутки между более крупными, что выгодно отличает разработанный алгоритм от ранее известных.

В результате моделирования была получена модель структуры ПКК в виде матрицы обобщённых координат, где хранятся данные о координатах каждой упакованной сферы и её радиусе. На рис. 1 показана структура ППК по результатам моделирования.

Шт гмд/ееГлснек танстуе*ехеЯйШШ.fgj

гы

Рис. 1 Структура ППК по результатам моделирования

Математическая модель связи пористости ППК с гранулометрическими характеристиками выгорающих добавок и их объёмной концентрацией строилась в приближении теорий «эффективной среды» и «перколяции» (percolation).

Суть теории «эффективной среды» состоит в том, что каждый отдельный элемент гетерогенной смеси считается помещенным в однородную «эффективную среду» с удельными свойствами (в данном случае пористостью), совпадающими с их истинными величинами для композиции в целом. В этом случае в результате расчетов получают «эффективные» значения пористости материала, исходя из пористости отдельных компонентов.

Предположим, что увеличение объёмной концентрации заполнителя приводит в изменению «свойства» композиционного материала (например, увеличению пористости ППК). Качественная зависимость «свойства» композита от объёмной концентрации заполнителя в этом случае изображена на рис. 2.

При малых объемных концентрациях заполнителя его частицы образуют изолированные островки или группы островков (кластеры) в связующей матрице. Свойство такого материала близко к свойству связующей матрицы и постепенно возрастает с ростом концентрации заполнителя (зона «А» на рис. 2).

При относительной объемной концентрации заполнителя, близкой к единице, островки и кластеры уже образует связующая матрица. Свойство такого композита будет близко к свойству чистого заполнителя и стабилизируется у этого значения (сплошная линия в зоне «В» на рис. 2). Необходимо отметить, что существование такой структуры возможно чисто теоретически, поскольку в нашем случае заполнитель представляется в виде пустот образовавшихся в результате выгорания добавок. В реальности, когда объёмная концентрация заполнителя становится такой, что материал связующей матрицы уже не в состоянии скреплять частицы заполнителя, говорить о каких-либо свойствах композита не имеет смысла, по-

скольку сам композит не может существовать. Например, в этом случае происходит резкое

Рис. 2. Качественная зависимость «свойства» композита от объёмной концентрации заполнителя В промежуточном случае при некоторой концентрации заполнителя начинает образовываться и развиваться так называемый «бесконечный кластер» (цепочки пустот, по которым жидкость может просачиваться через материал). Этой концентрации соответствует резкое, пороговое возрастание свойства композита (зона «Б» на рис. 2), а сама такая концентрация заполнителя называется «критической концентрацией» Укко„.

Теория «эффективной среды» достаточно хорошо объясняет ход кривой изменения свойства композиционных материхчов в зонах «А» и «В», но не позволяет получить пороговый характер изменения в зоне «Б» (см. рис, 2).

Изменение свойств композитного материала в зоне «Б» объясняет так называемая теория «перколяции» (регсо1а1юп), названная так в связи с тем, что первая постановка задачи этой теории была связана с исследованием распространения жидкости или газа в случайной среде. Эта теория является разделом теории вероятностей, в котором изучаются свойства связных компонент случайных графов. Термин «перколяция» (просачивание) связан с интерпретацией рёбер случайного графа как каналов, по которым распространяется жидкость, вытекающая из фиксированной вершины-источника. В настоящее время наиболее важной областью применения теории просачивания является изучение неупорядоченных систем.

В случае применения теории «перколяции» для определения пористости ППК можно констатировать, что пористость всего ППК степенным образом зависит от объёмной концентрации выгорающих добавок по выражению (4);

я =

Як(Г -V )"

\ кои ком /

я,

'с "

V <Г;

КОН 7

(4)

где Кюн - объемная концентрация выгорающих добавок (заполнителя); Пз - удельная пористость заполнителя: Пк - удельная пористость керамической матрицы; Укю„ - критическая концентрация (порог перколяции); я, в, I - показатели степени (в терминах теории «перколя-ции» - критические индексы).

Под критической концентрацией в данном случае следует понимать наибольшую объемную концентрацию заполнителя, при которой начинается образование бесконечного кластера.

Между «критическими индексами» д, .$, I существует доказанная общей теорией фазовых переходов связь:

Ц = /(1/5-1) (5)

Несмотря на простоту выражений (4) и (5), аналитического решения для них нет. По этой причине большинство результатов в теории «перколяции» получены только для решёточных задач (когда структура материала представляется в виде правильных пространственных решёток). Для задач, когда структура материала является стохастической (континуальные задачи или задачи швейцарского сыра - в терминах теории «перколяции»), аналитические выражения не получены до сих пор.

Единственным аналитическим решением для континуальных задач в теории «перколяции» является результат, полученный для двухфазной системы Эфросом и Шкловским, которые аналитически показали, что Э? = 0,5 (индекс 2 означает, что рассматривается двухфазная смесь). В этом случае я? = т.е. в нашем случае в докритической и послекритической областях объёмных концентраций выгорающих добавок изменение П идет с одинаковым темпом.

В этом случае нет необходимости искать значения критических индексов, а, основываясь на том, что теория «эффективной среды» удовлетворительно описывает концентрационное поведение в докритичесмгх и послекритических областях, можно воспользоваться выводами этой теории.

Решая уравнение Ландауэра-Бруггемана теории «эффективной среды» с наложением на него степенных зависимостей теории «перколяции» (4), получим:

у = (6)

з

В этом случае по аналогии с (4) для объемных концентраций ниже и выше порога перколяции имеем:

п_ п

(С

V

-V

■V*

г

■ +

V (\-у )

кон \ кок / ,

V (V -г)3

КОН \ ШI кои /

V <Г

V. >У

Используя выражения (7). можно получить «эффективное» значение пористости ППК умножением правой н левой частей на пористость заполнителя II,.

Решая (7) относительно ¥кон получим требуемую объёмную концентрацию выгорающих добавок для получения ППК с заданной пористостью.

2П- Г + Я + (4/7 • Г -Д +П] -4/7,)

V

2 Я-Г +П

2 (Я + Я)

■ (4 Я■ V ■Я +Я2-4Я )

\ М« ? 1 3 /

V <г

г >г

(8)

2 (Я + Я)

Таким образом, для расчёта требуемой объёмной концентрации выгорающих добавок по выражению (8) имеются все необходимые данные, кроме значения критической концентрации Р'т„.

Анализируя зону «Б» на рис. 2 можно сделать вывод, что «критическая концентрация» пустот в ППК соответствует моменту резкого возрастания пористости. Одновременно с этим в соответствии с кластерной теорией этому моменту соответствует начало просачивания жидкости через композиционный материал.

Если воспользоваться электротехнической аналогией, то критической концентрации соответствует момент, когда материал из непроводящего электрический ток, превращается в проводящий. В этом случае, представив заполнитель проводником и рассчитав значение электрического сопротивления материала в зависимости от объёмной концентрации заполнителя, критическую концентрацию можно определить как значение объёмной концентрации, прн которой происходит резкое падение электрического сопротивления материала.

Представим, что гипотетический образец ППК, полученный по результатам моделирования структуры помещен между двумя плоскими проводящими пластинами. Если теперь определить разность потенциалов между этими пластинами при известном токе источника (которым можно задаться), то определение сопротивления образца труда не представит. Таким образом, сложность задачи заключается в определении разности потенциалов на пластинах при известном токе через образец, но неизвестном его сопротивлении.

Заменим структурную модель образца электрической моделью. Для этого представим промежутки между проводящими элементами (сферами) в виде активных нроводимостей. Если определить значения этих проводимостсй, то, воспользовавшись, методом узловых потенциалов, можно определить потенциалы пластин, что и требуется.

Для определения проводимости между двумя сферическими включениями в приближении теории «эффективной среды» можно воспользоваться моделью «противопоставлений», предложенной Рейнольдсем и Хью, суть которой заключается в противопоставлении отдельно выбранной частице системы остальных частиц, т.е. вычисление нроводимостей между включениями производить в предположении того, что каждую частицу «к» можно рассмат-

ривать как находящуюся в однородной среде и находить проводимость между ней и «к+1» частицей. Таким образом, просчитав сопротивление «к»-ой частицы со всеми остальными частицами (к=1, 2,...,п , где п - номер частицы, упакованной в гипотетический объем), составив и решив уравнения на основе законов Кирхгофа, можно определить разность потенциалов между пластинами.

Для расчёта проводимости между двумя сферическими включениями, помещенными в однородную среду, воспользуемся дииолярной (бисферической) системой координат (рис. 3).

Рис. 3. К выводу выражения (10) В этом случае, проводимость между двумя сферическими включениями в однородной эффективной среде может быть записана как:

(9)

где йо- удельная проводимость материала матрицы, ей1© - элемент поверхности сферического включения, Ц& - длина дуги от поверхности одной сферы до другой, у - координата в диполярной системе координат.

Используя расчётную схему (рис. 3) было получено выражения для проводимости между двумя сферическими включениями:

С =-

2 лС„

1 +

2Д [ соь' с к -а й, вте

аЯ,со ¡4

к'

ю^я: +- яА к + к; - я- "я.

- агс!% ------ + агс(£

<¡1

Используя (10) методом «противопоставлений» можно составить систему уравнений для узловых потенциалов, учитывая тот факт, что узловой определитель, составленный из

коэффициентов системы уравнений (которые представляют собой проводимости), симметричен относительно главной диагонали.

(Ю)

По разработанной математической модели была написана программа «СгШшс» нахождения обобщенной электропроводности ППК позволяющая вычислять значения критической концентрации. На рис. 4 представлена полученная при моделировании зависимость сопротивления ППК от концентрации выгорающих добавок по реализации программы «Сгк-Сопс». Как видно критическая объёмная концентрация составила 0,148.

-4,5

ъ

о

а 3,5

з 2,5 2

1,5 1

0,5

5 10 15 20 25 уин« 30

Рис. 4. Зависимость сопротивления ППК от Используя полученные значения критических концентраций, на основании (7), были получены зависимости пористости ППК от объёмной концентрации выгорающих добавок. На рис. 5. приведены экспериментальная и модельная среднестатистические концентрационные зависимости пористости ППК в докритической и послекритичеких областях при использовании заполнителя крупностью 0,01-0,16.

Как видно из зависимостей в докритической области по мере увеличения концентрации выгорающих добавок пористость плавно растёт. При объёмной концентрации примерно равной 15% наступает перколяционньц! переход, и пористость резко возрастает. В дальнейшем пористость продолжает возрастать и начинает стабилизироваться при объёмной концентрации около 27%. Увеличение объёмной концентрации свыше 30% приводит к резкому падению прочности ППК и поэтому не рассматривается.

Сравнение экспериментальных и модельных зависимостей показало, что максимальное расхождение между ними не превышает 7... 10%, что позволяет сделать вывод, что разработанная модель практически адекватна реальной ППК.

" 50

40

30

20

10

-—"" - »V

- с» у

— -Эксперимент -Модель

10

15

20

25

Vkoh % 30

Pire. 5 Экспериментальная модельная зависимости пористости ППК от объёмной

концентрации выгорающих добавок Используя данные об объемных критических концентрациях, полученных в ходе моделирования, была выявлена зависимость значений критических концентраций от фракционного состава выгорающих добавок в диапазоне размеров частиц заполнителя от 0,01 до 0,16 мм (рис. 6). а также была получена аналитическая зависимость этой связи (11).

V" = 0,627 -е^"" +0,159.

КОН ? ®

(И)

0,15

0,1

0,05

о -----

0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

Диаметр заполнителя (Н)

Рис. 6 Зависимость критической объёмной концентрации от фракционного состава

выгорающих добавок

В третьей главе на основе анализа состояния автоматизации процесса дискретного дозирования на действующих отечественных заводах по производству керамики с позиции со-

отвегствия фактической точности дозирования требованиям ГОСТа и СНиПа, сделан вывод о том, что фактическая точность дозирования не соответствует нормативным требованиям. В то время как для достижения заданной пористости проницаемой керамики необходимо точно соблюдать рецептуру смеси.

В связи с изложенным, в диссертационной работе решение проблемы повышения точности дискретного дозирования составляющих П1Ж осуществляется путем введения в управление процессом дозирования поэтапной коррекции доз компонентов, с целью обеспечения постоянства заданного соотношения между массами компонентов, составляющих смесь. Для этого проводились теоретические исследования по разработке математических основ управления дозами компонентов для оптимизации управления процессом связного многокомпонентного дозирования.

При разработке математической модели предполагалось, что управление связным дозированием п - компонентной смеси осуществляется с использованием максимума корректирующих связей.

Предположим, что очередность G, дозирования компонентов ППК X,, (i=l,n) задана как

(12)

и проведено m этапов дозирования. Отдозированные на этих этапах массы компонентов X|, (i=l,m) приняли соответствующие значения X,(U|) (i=l,m). Тогда состояние системы перед проведением очередного j —го этапа будет представлено совокупностью выходных значений V, (i=l,m).

В соответствии с задачей управления процессом дозирования необходимо определить перед очередным и всеми последующими этапами некоторое значение корректирующей массы VK, при которой должен быть достигнут минимум суммарной дисперсии R (4).

Критерий, минимизирующий значение R для общего случая, имеет вид:

min min ¿1/

при ограничении

V~V\<AVA,"> (14)

in I J ' к '

где G> - очередность дозирования; Ui - закон управления дозами компонентов (вид корректирующей связи); Vi - нормированная масса смеси; Vj - корректирующая масса смеси; VPj - прогнозируемая перед очередным j - м этапом величина результирующей массы смеси Vp; &У"""' - допустимая погрешность нормированной MaccbiVj, определяемой относительно VPj.

Дополнительно вводится уравнение материального баланса перед проведением j - го этапа дозирования:

j = 2,m, (15)

и

где " суммарная масса отдозированных до j -го этапа компонентов смеси Xj, Xi,

ы

..., Xj-i; Vj , (i = l,n) - суммарная масса, которую предполагается получить в результате

дозирования компонентов Х^ Xj+ь ..., Хп с] - го по п - й этапы.

Уравнение оптимизации для достижения минимума (13) по параметру ЬЧ при фиксированной = 01 (12) имеет вид:

откуда

Z(f:-F>0; i = l,j-l; j = 2,т,

н V и м;-Г J

(16).

(17)

На основе (15) с учётом (17) получено выражение, определяющее Vj для случая, когда выполняется условие ограничения (14):

_ Е^И-МЫ

v,=—-—-; j = 2,m. (18)

(y-i)-Ir,

l'J

Если условие (14) при Vj (18) не выполняется, то ошибка коррекции ДVj будет равна

ixfij)

—- а AV. - —

J Ь.

V ы

г/

(19)

.н

где

а? Ь = а а; " ИЗ УСЛОВИЯ Н0рМ1ф0ВКИ,

/=1 Ы)

В этом случае ошибка коррекции принимается равной ДК*'"' и из (19) можно определить Ур^ в результате чего получим

У.= —-ы ) = 2,т.

(20)

а

Таким образом, закон управления дозами компонентов, полученный на основе математической модели, описывающей состояние системы на каждом этапе дозирования и учитывающий ограничения на допустимые погрешности дозирования ППК запишется в виде:

(y-i)-Sy,

j

af;™ +£ *.({/,)

если AF. <АГ

¡.I

если AF > AF:

£Z

где: X](Ui) - измеренная масса отдозированного компонента, Uj - уставка следующего компонента, Yi - погрешность дозирования i-ro компонента, Vj - текущая масса смеси ППК.

Отличительной особенностью разработанного закона управления является то, что на каждом этапе дозирования осуществляется прогнозирование величины результирующей массы смеси Vp, с целью снижения ее вариации.

В четвертой главе описывается техническая реализация автоматической системы подбора фракционного состава выгорающих добавок ППК и результаты её экспериментальной проверки

На основе результатов теоретических исследований, описанных в главах 2 и 3, реализован комплекс технических средств управления расчётом фракционного состава и дозированием компонентов ППК, причём на основании разработанного закона управления дозами компонентов (21), дозируются не только выгорающие добавки, но н все компоненты керамической смеси. Структурная схема комплекса технических средств расчёта и дозирования представлена на рис. 7.

В качестве весоизмерительных датчиков использованы силоизмерительные тензорези-сторные датчики производства компании «Scaime». Основу комплекса составляет 14-слотовое шасси промышленного компьютера, внутри которого устанавливаются центральная процессорная плата, контроллер монитора SVGA, платы интерфейсов и цифрового ввода вывода. К центральной процессорной плате подключены дисководы, мышь и промышленная клавиатура. Монитор обычного исполнения устанавливается в универсальный комплект и подключается к контроллеру монитора. Необходимое количество модулей аналогового ввода подключается к плате последовательных интерфейсов.

Применение модулей аналогового ввода типа ADAM 4017 фирмы Advantech, имеющих интерфейс RS 485, позволяет размещать их на расстоянии до 1200 м от комплекса технических средств, т.е. рядом с весоизмерительными устройствами, и тем самым максимально снизить погрешности, возникающие в низковольтной измерительной цепи «датчик - преобразователь».

Рис. 7 Структурная схема комплекса технических средств расчёта и дозирования.

На первом этапе работы системы оператору предлагается осуществить ввод исходных данных: требуемая пористость ПИК, минимальный размер задерживаемых фильтром частиц, а также исходная пористость чистой керамики и исходная пористость полукокса бурых углей подвергнутых обжигу при температуре 1050 °С. Два последних параметра определяются экспериментальным путём в лаборатории. Ввод осуществляется при помощи окна представленного на рис. 8.

места! ныть« Р|;:|)

Рис. 8 Окно ввода исходных данных После нажатия на кнопку ОК происходит расчёт объёмной концентрации и фракционного состава полукокса. Причё.м модулем «СгИСопс» осуществляется вычисление значения критической концентрации в зависимости от фракционного состава, а по выражению (8) рассчитывается требуемая объёмная конценграция полукокса.

Рассчитанные значения передаются в программу «УПРАВЛЕНИЕ ДОЗИРОВАНИЕМ», которая представляет собой автономное приложение управления связным дискретным дозированием, работающее в большинстве распространенных операционных системах (Ш

Windows 98/ME/2000/XP).

Комплекс технических средств, работая под управлением программы «УПРАВЛЕНИЕ ДОЗИРОВАНИЕМ», получает информацию от всех задействованных устройств получения информации от объекта управления. Эта информация обрабатывается, и на выходе системы управления появляются корректирующие сигналы для уставок дозаторов. В процессе автономной работы на экране отображается информация об отклонениях процесса от заданных теоретических параметров (рис. 9). По окончании работы имеется возможность вывода отчета о текущем процессе дозирования на монитор и на печатающее устройство.

Экспериментальная проверка автоматической системы подбора фракционного состава выгорающих добавок ППК проводилась на опытно-промышленном участке ГУП «Завод «Трансмаш» г. Грозный, при изготовлении партии фильтрующих элементов из ППК.

Для экспериментальной проверки из партий фильтров ППК, изготовленных на реальном технологическом оборудовании в условиях опытно-промышленного производства, делались выборки из ста фильтров. Каждая партия фильтров была изготовлена на основе выгорающих добавок с различным фракционным составом в диапазоне 0,01 до 0,16 мм. Из каждой выборки отбирался каждый десятый фильтр.

Управление дозированием (Фильтрбетон)

Кмийк Напрей«:!' Ьгг ;

Выполнение программы по й|Кд многокомпонентному дозированию

Тип (••»■•» H'trfl « -!

Цикл№1 Запас компонентов ОХ 100*

Смесь 43S 0.07GX 0.4« 32« ij

ЦикяМ'З Песок вша 0Z Ц)

Цикл №4 Вода 0.1% 0« #

.............1 _......

г Прогресс------------------- .................- .......................... ■шш

--1

Рис. 9. Интерфейс программы «Управление дозированием» в режиме «Выполнение» Экспериментальная проверка автоматической системы подбора фракционного состава выгорающих добавок ППК проводилась на опытно-промышленном участке ГУП «Завод «Трансмаш» г. Грозный, при изготовлении партии фильтрующих элементов из ППК.

Для экспериментальной проверки из партий фильтров ППК, изготовленных на реальном технологическом оборудовании в условиях опытно-промышленного производства, делались выборки из ста фильтров. Каждая партия фильтров была изготовлена на основе выгорающих добавок с различным фракционным составом в диапазоне 0,01 до 0,16 мм. Из каждой выборки отбирался каждый десятый фильтр.

Результаты производственных испытаний приведены на рис. 10 и И. На рисунке 10 приведены результаты испытаний десяти фильтров из ППК, состав которых рассчитывался на основе ранее использовавшейся технологии. Ожидаемое значение тонкости очистки а„ом 5 мкм.

Рис. 10. Результаты измерения тонкости очистки (ашм) ПГ1К, состав которых рассчитывался

по традиционной технологии Пунктирными линиями на графике ограничены зоны 40%-го разброса значений аном, стандартное для принятой технологии. Как видно из графика в одном случае (образец №1) наблюдается выход даже из 40%-ой зоны допусков, при этом отклонение ан(Ш от ожидаемого значения составляет 46,2%.

На рисунке 11. приведены результаты испытаний десяти фильтров из ППК, состав которых рассчитывался по предлагаемой технологии и с применением системы управления связанным многокомпонентным дозированием. Ожидаемое значение тонкости очистки 5 мкм.

Рис. 11. Результаты измерения тонкости очистки (аНОм) ППК, состав которых рассчитывался

по предлагаемой технологии Как видно из рис. И значения тонкости очистки всех образцов укладываются в 10%-й диапазон допуска разброса значений. Махспмалыюе отклонение значения тонкости очистки имеет место для образца №2, что составляет 8,64% отклонения от ожидаемого значения. Повторные эксперименты показали, что в среднем максимальные отклонения от ожидаемых значений тонкости очистки составили 9,7...9,8%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ I. Обеспечение очистки сточных вод является важной производственной и экологической задачей для промышленности Перспективным направлением повышения эффективности очистки вод является применение в качестве фильтрующих элементов композиционных материалов на основе пористой проницаемой керамики (ППК) получаемой методом

«выгорающих добавок», однако их стоимость весьма высока из-за большого количества бракованных изделий, достигающего 40% от общего выпуска.

2. Поскольку на эффективность очистки вод основное влияние оказывает концентрация и фракционный состав выгорающих добавок, то основополагающими технологическими факторами, влияющими на качество выпускаемых изделий, являются методика подбора фракционного состава ППК и точность дозирования её компонентов при промышленном производстве.

3. Разработана математическая модель структуры ППК на основе вероятностно - геометрической концепции формирования структур композиционных материалов, синтезирован моделирующий алгоритм и программа «JPAK» позволяющие моделировать структуру ППК с объемной концентрацией выгорающих добавок до 0,3...0,4.

4. Разработана математическая модель связи пористости ППК с объёмной концентрацией выгорающих добавок в приближении теорий «перколяции» и «эффективной среды» и получено выражение позволяющее рассчитывать объёмную концентрацию выгорающих добавок для получения ППК с заданной пористостью.

5. Разработана математическая модель, синтезирован алгоритм и программа «Crit-Сопс» для определения «критических концентраций» «континуальных» задач теории «перколяции». Получена аналитическая зависимость связывающая значение критической концентрации с фракционным составом выгорающих добавок в диапазоне 0,01 ... 0,16.

6. Разработан закон управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования, отличительной особенностью которого является то, что на каждом этапе дозирования осуществляется прогнозирование величины результирующей массы смеси с целью снижения ее вариации.

7. Обоснована и синтезирована структура автоматизированной системы подбора фракционного состава ППК и разработан технический комплекс подбора фракционного состава и управления дозированием компонентов ППК.

8. Экспериментальная проверка разработанной автоматизированной системы подбора фракционного состава ППК на ГУП «Завод «Трансмаш» (г. Грозный) показала, что ее применение позволяет свести вариацию по тонкости очистки от образца к образцу к 10%, что является допустимым по технологическим допускам.

Публикации но теме работы

По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.

Публикации в изданиях рекомендованных ВАК

1. Чантиева, М.Э., Илюхин, A.B., Гематудшюв, P.A., Хакимов, 3.JI. Разработка метода расчета фракционного состава фильтрующих материалов //Вестник МАДИ (ГТУ).- М.: 2009 г., №4, С. 117-123

2. Чантиева, М.Э., Илюхин, A.B. Использование пористой проницаемой керамики полученной методом выгорающих добавок в качестве фильтрующих элементов керамических фильтров для очистки воды//Вестник МАДИ (ГТУ).- М.: 2010 г., № 2 (21), С.75-79

Публикации в других изданиях

1. Чантиева, М.Э. Использование теории эффективной среды для моделирования фильтрующих свойств композитных материалов матричной структуры. // Сб. науч. тр. 67-й научно-методической и научно-исследовательской конференции. - М.: МАДИ, 2009 г.

2. Чантиева, МЭ. Применение математического моделирования в качестве метода для расчета фракционного состава фильтрующего материала // Сб. науч. тр. 68-й научно-методической и научно-исследовательской конференции. - М.: МАДИ, 2010 г

3. Чантиева, МЭ. Автоматизация подбора фракционного состава фильтрующих материалов для промышленных предприятий (Доклад) // 30-я Московская международная выставка «Образование и карьера - XXI век». - Москва: Гостиный Двор, 2009 г.

4. Илюхин, A.B., Чантиева, М.Э.. Минцаев M.I1I. Автоматизация подбора фракционного состава фильтрующих материалов. // Строительный вестник Российской инженерной академии: Труды секции «Строительство» РИА. - М.: 2010 г., № 11, С. 280-283

5. Илюхин A.B., Чантиева М.Э., Михайлова Н.В. Основные подходы к методике подбора состава строительных фильтрующих материачов // Вестник отделения строительных наук. - М. - Иваново.: 2010 г., № 14, Т.2, С. 62-67

6. Чантиева, М.Э. Подбор фракционного состава фильтрующих материалов / М.Э. Чантиева A.A. Калыгин, A.B. Илюхин, M.1I1. Минцаев //Сб иауч.тр. МГАКХиС.-М.: МГАК-ХиС, 201 Ог

Подписано в печать 24 ноября 2010 г. Формат 60x84x16 Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ №3 Типография «Зорбанан-Ца» Россия, 125319, г. Москва, Ленинградский пр-т, д.64 Тел.: 8-926-724-79-21

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ФИЛЬТРАЦИИ И ФИЛЬТРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1. Проблема очистки сточных вод.

1.2. Основные методы очистки сточных вод.

1.3. Анализ существующих систем фильтрации.

1.4. Анализ фильтрующих материалов.

Выводы.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СВЯЗИ ПОРИСТОСТИ ПОРИСТОЙ ПРОНИЦАЕМОЙ КЕРАМИКИ С ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ВЫГОРАЮЩИХ ДОБАВОК И ИХ ОБЪЁМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ.

2.1. Математические модели в теории композитных материалов.

2.2. Основные подходы к математическому моделированию структуры композиционного материала на компьютере.

2.3. Вероятностно-геометрическая концепция моделирования структуры композиционного материала.

2.4. Разработка математические модели структуры ППК.

2.5. Основы теорий «эффективной среды» и «перколяции».

2.6. Разработка математической модели связи пористости ППК с объёмной концентрацией выгорающих добавок.

2.7. Математическая модель для определения значений критической концентрации.

2.8. Результаты моделирования пористости ППК.

2.9. Зависимость критической концентрации от фракционного состава выгорающих добавок.

Выводы.

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

ДОЗИРОВАНИЕМ КОМПОНЕНТОВ ППК.

3.1. Общие проблемы многокомпонентного дискретного дозирования.

3.2. Связное многокомпонентное дозирование и алгоритмы управления.

3.3. Обоснование выбора критерия оценки качества управления многокомпонентным дискретным дозированием.

3.4. Теоретический вывод закона управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования.

Выводы.

4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПОДБОРА ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА ППК II

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЕЁ ЭФФЕКТИВНОСТИ.

4.1. Техническая реализация автоматической системы приготовления компонентов фильтрующей проницаемой керамики.

4.2. Экспериментальная проверка автоматизированной системы приготовления компонентов ППК.

4.2.1. Методика экспериментальных испытаний.

4.2.2. Результаты экспериментальных испытаний.

Выводы.

Актуальность работы. Рост промышленного производства в нашей стране сопровождается повышением потребления воды использующейся в технологических процессах

В структуре потребления воды 35% приходится на все отрасли промышленности, кроме теплоэнергетики, 33% - на теплоэнергетику, 18% составляют сбросы стоков с мелиорированных полей и 14%- сбросы коммунально-бытового хозяйства городов и сельских населенных пунктов.

Как видно основная доля потребления воды приходится на промышлено ность (около 90 км /год). Например, для выплавки 1 т. стали требуется

3 3

200.250 м воды, 1 т. целлюлозы - 1300 м , на нефтехимических заводах для переработки 1т. нефти расходуется 18.22 воды и т.д.

В настоящее время положение усугубляется тем, что после приватизации основного числа предприятий (в том числе и экологически «грязных»), новым хозяевам не хватает денег для постройки или модернизации очистных сооружений, что приводит к сбросу загрязнённой воды в окружающую среду.

В то же время существуют требования к выпуску сточных, вод в соответствии с нормами СН 245 - 71, а также дополнительными перечнями, утвержденными главным государственным санитарным врачом РФ № 1194, № 1521 - 76, № 1842 - 78. Не выполнение этих требований по очистке воды ведёт к серьёзной административной, а во многих случаях и к уголовной ответственности, поскольку согласно постановления пленума Верховного Суда РФ от 5 ноября 1998 г. №14 эксплуатация объектов с неисправными очистными сооружениями и устройствами, отключение очистных сооружений и устройств, совершение иных действий, повлекших загрязнение водоемов и водных источников и причинивших существенный вред животному или растительному миру, лесному или сельскому хозяйству, квалифицируется по соответствующей части статьи 250 УК РФ.

Из всего сказанного видно, что вопрос очистки вод сброса промышленных предприятий, который и ранее был актуален, в современных условиях приобретает особо острый характер.

Решение этого вопроса напрямую связано с задачей разработки и применения современных очистных установок, способных при небольших габаритах и стоимости эффективно очищать сточные воды от примесей. В этом случае, пожалуй, единственным способом решения этой задачи является разработка производительных и дешевых фильтрующих элементов.

Как показал проведённый анализ, генеральным направлением совершенствования фильтрующих элементов является разработка и внедрение композиционных материалов обеспечивающих заданную степень очистки. В го же время основной проблемой, в различных отраслях промышленности, где используются композиционные материалы, является определение их состава с достаточной степенью точности.

В технологии композиционных материалов матричного типа (скрепляющая матрица с введённым в неё заполнителем) при подборе их составов основными факторами являются фракционный состав заполнителя и его объёмная концентрация.

В настоящее время при расчете состава смеси эти факторы учитываются косвенно, на основании эмпирических данных, поскольку не существует алгоритмизированных методов, позволяющих учитывать влияние разброса фракционного состава заполнителя и его объёмной концентрации на отпускные характеристики готового материала, что приводит к большим вариациям свойств от изделия к изделию и, как следствие, к значительному проценту брака.

Из-за сложности таких гетерогенных структур невозможно получение строгих аналитических зависимостей позволяющих учитывать данные факторы, поэтому особую актуальность приобретают научные исследования, направленные на разработку автоматизированных технологий подбора фракционного состава фильтрующих элементов, основанные на методах компьютерного математического моделирования.

Таким образом, создание автоматизированной системы подбора состава компонентов композиционных фильтрующих материалов, учитывающей изменение отпускных характеристик (в частности фильтрующих свойств) в зависимости от фракционного состава и концентрации заполнителя является весьма актуальной задачей.

В настоящей работе будет рассмотрен композиционный материал на основе пористой проницаемой керамики (ПГЖ).

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ оперативного автоматизированного управления процессом приготовления компонентов фильтрующих элементов на основе пористой проницаемой керамики на основе требуемых параметров готовых изделий, включающего в себя процессы расчёта состава материала и дозирования его компонентов, а также создание автоматизированной системы управления осуществляющей данные процессы.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- Разработана математическая модель связи пористости пористой проницаемой керамики с гранулометрическими характеристиками заполнителя и его объёмной концентрацией с целью последующего проведения анализа и выбора основных направлений совершенствования методов подбора состава ППК.

- Проведен анализ, выбор и обоснование направлений и методов совершенствования автоматизации процесса дозирования компонентов ППК, для чего разработаны математические основы закона управления дозами компонентов смеси с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования.

- Синтезирована структура и технически реализована автоматическая система подбора состава и дозирования для приготовления компонентов ППК.

- Осуществлена экспериментальная проверка автоматизированной системы дозирования для приготовления компонентов ППК и оценена её техническая эффективность в производственных условиях.

К защите представляются:

- Математическая модель структуры пористой проницаемой керамики на основе вероятностно - геометрической концепции.

- Математические модель для анализа связи пористости пористой проницаемой керамики с объёмной концентрацией заполнителя.

- Математическая модель управления технологическим процессом связного многокомпонентного дискретного дозирования и закон управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования.

- Автоматизированная система управления процессом приготовления компонентов пористой проницаемой керамики, включая подсистему дозирования.

Методы исследования. Теоретические и расчетно-аналитические исследования базировались на положениях теории «перколяции» и «эффективной среды», методах математического компьютерного моделирования- и синтеза систем автоматизированного управления применительно к поставленной задаче.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Научная новизна диссертации состоит в теоретическом обосновании и практической реализации автоматизированных методов оптимизации технологии подбора и дозироваиия компонентов смеси ППК.

Разработана математическая модель структуры ППК материала на основе метода случайных упаковок в рамках вероятностно - геометрической концепции.

Разработана методика автоматизированного подбора состава смеси, применяемого для реализации последующего дозирования компонентов ППК.

Впервые предложен метод определения критического индекса континуальных задач теории «перколяции» - «критической концентрации», позволяющий расширить область применения теории «перколяции» при исследовании двухкомпонентных композиционных материалов.

Получена взаимосвязь пористости ПГЖ и объемной концентрации заполнителя

Найдена взаимосвязь между критической концентрацией и диапазонами вариаций гранулометрического состава заполнителя

Разработана математическая модель управления технологическим процессом связного многокомпонентного дозирования и закона управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования;

Разработана методика построения алгоритмов и прикладных программ для реализации автоматизированной системы управления подбором состава и дозированием компонентов смеси.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Общая концепция автоматизации технологического процесса приготовления компонентов ППК с оптимизацией по концентрацион-но - гранулометрическим свойствам заполнителя.

2. Математические модели для анализа связи фильтрующих свойств ППК со свойствами заполнителя и его объёмной концентрацией.

3. Математическая модель управления технологическим процессом связного многокомпонентного дискретного дозирования и закон управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования.

4. Автоматическая система приготовления компонентов ППК, включая систему дозирования.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты позволяют производить оперативный подбор оптимального состава ППК, произвести дозирование компонентов ППК с максимальной точностью, а так8 же оценить возможное отклонение от заданных установок. Опытная эксплуатация разработанного математического, информационного и программного обеспечения, полученные с его помощью результаты, подтвердили его высокую эффективность для решения поставленных в диссертационной работе задач. Внедрение результатов исследований в МУП «Горводоканал» г. Грозного» и ГУГТ Завод «Трансмаш» позволило снизить вариацию по тонкости очистки от образца к образцу до 10%, что является допустимым по технологическим нормам и получить снижение затрат за счёт уменьшения доли бракованных изделий в готовой продукции.

Реализация результатов работы. Разработанная автоматизированная система апробирована в МУП «Горводоканал» г. Грозного» и ГУП Завод «Трансмаш».

Апробация результатов. Основные научные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на:

67 и 68 научно-методических конференциях МАДИ (2009- 2010г.);

30-й Московской международной выставке «Образование и карьера -XXI век». Москва 2009 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 печатных работах.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, приложений и списка литературы. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 5таблиц. Список литературы включает 101 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Общие выводы по диссертационной работе

1. Обеспечение очистки сточных вод является важной производственной и экологической задачей для промышленности Перспективным направлением повышения эффективности очистки вод является применение в качестве фильтрующих элементов композиционных материалов на основе пористой проницаемой керамики (ППК) получаемой методом «выгорающих добавок», однако их стоимость весьма высока из-за большого количества бракованных изделий, достигающего 40% от общего выпуска.

2. Поскольку на эффективность очистки вод основное влияние оказывает концентрация и фракционный состав выгорающих добавок, то основополагающими технологическими факторами, влияющими на качество выпускаемых изделий, являются методика подбора фракционного состава ППК и точность дозирования её компонентов при промышленном производстве.

3. Разработана математическая модель структуры ППК на основе вероятностно - геометрической концепции формирования структур композиционных материалов, синтезирован моделирующий алгоритм и программа «.ТРАК» позволяющие моделировать структуру ППК с объемной концентрацией выгорающих добавок до 0,3.0,4.

4. Разработана математическая модель связи пористости ППК с объёмной концентрацией выгорающих добавок в приближении теорий «перколя-ции» и «эффективной среды» и получено выражение позволяющее рассчитывать объёмную концентрацию выгорающих добавок для получения ППК с заданной пористостью.

5. Разработана математическая модель, синтезирован алгоритм и программа «СгйСопс» для определения «критических концентраций» «континуальных» задач теории «перколяции». Получена аналитическая зависимость связывающая значение критической концентрации с фракционным составом выгорающих добавок в диапазоне 0,01 . 0,1 б.

6. Разработан закон управления дозами компонентов с учетом ограничений

126 на допустимые погрешности дозирования, отличительной особенностью которого является то, что на каждом этапе дозирования осуществляется прогнозирование величины результирующей массы смеси с целью снижения ее вариации.

7. Обоснована и синтезирована структура автоматизированной системы подбора фракционного состава ППК и разработан технический комплекс подбора фракционного состава и управления дозированием компонентов ППК.

8. Экспериментальная проверка разработанной автоматизированной системы подбора фракционного состава ППК на ГУП «Завод «Трансмаш» (г. Грозный) показала, что ее применение позволяет свести вариацию по тонкости очистки от образца к образцу к 10%, что является допустимым по технологическим допускам.

1. Алферова A.A., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов М.: Стройиздат, 1987. - 412 с.

2. Басков B.C. Автономные канализационные очистные сооружения / Сантехника, Отопление, Кондиционирование. № 1 2003г. С. 36.48.

3. Горшков В.А. Очистка и использование сточных вод предприятий угольной промышленности. М., Недра, 1981, 269 с.

4. Журба М.Г Водозаборно-очистные сооружения и устройства М.: ACT 2003, 569 с.

5. Когановский A.M. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. М.: Химия, 1983. -286 с.

6. Комплексная переработка шахтных вод / А.Т. Пилипенко, И.Т. Горонов-ский, В.Д. Гребенюк и др.; Под. ред. А.Т. Пилипенко.-К.: Техшка, 1985.-183 с

7. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. Под ред. O.A. Юш-манова М.: Агропромиздат 1985. 346 с.

8. Костюк В.Н. Очистка сточных вод машиностроительных предприятий. JL: Химия, 1990.-419 с.

9. Красавин А.П. Защита окружающей среды в угольной промышленности -М.:Недра, 1991.-221 с.

10. Ливчак И. Ф., Воронов Ю. В. Охрана окружающей среды. М.: ACT, 2003. -286 с.

11. Нормативы численности рабочих, занятых на работе по эксплуатации очистных сооружений и насосных станций водопровода и канализации. Москва: Центральное бюро нормативов по труду Государственного комитета СССР по труду и социальным вопросам, 1990. 24 с

12. Охрана окружающей среды в горной промышленности / В.И. Николин, Е.С. Матлак.-К.; Донецк: Вища щк. Головное изд-во, 1987.-192 с.

13. Охрана производственных сточных вод и утилизация осадков Под редакцией В.Н. Соколова М.: Стройиздат 1992. 268 с.128£ í

14. Очистка промышленных сточных вод. Под ред. Кравеца В.И. Киев: Техшка, 1974. 261 с.

15. Проблемы развития безотходных производств Б.Н. Ласкорин, Б.В. Громов,

16. A.П. Цыганков, В.Н. Сенин М.: Стройиздат 1985. 236 с.

17. Соколов В.А. Методы утилизации сточных вод котеджных посёлков / Строительство и городское хозяйство в Санкт-Петербурге и Ленинградской области № 74 декабрь 2004/ С. 28. .36.

18. Хаськевич И.Ф. Локальные очистные сооружения / Сантехника № 3, 2002г. С18.28.

19. Аюкаев Р. И., Мельцер В. 3. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды: Справочное пособие. Л.: Стройиздат, 1985.

20. Гидравлика, водоснабжение и канализация: Учеб. пособие для вузов/

21. B.И.Калицун, В.С.Кедров, Ю.М.Ласков. 4-е изд. перераб. и доп. М.: ОАО «Издательство «Стройиздат»», 2004. 397 е.: ил.

22. Жмаков Г.П. Эксплуатация оборудования и систем водоснабжения и во-доотведения. М.: ИНФРА-М, 2005. 237 с.

23. Кожинов В. Ф. Очистка питьевой и технической воды. Примеры и расчеты. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Р1зд. лит-ры по строительству, 1971.

24. Справочник по очистке природных и сточных вод/ Л.Л.Пааль, Я.Я.Кару, Х.А.Мельдср, Б.Н.Репин. М.: Высш. шк,, 1994. 336 е.: ил.

25. Справочник по эксплуатации систем водоснабжения, канализации и газоснабжения. Под ред. д-ра техн. наук проф. С.М.Шифрииа. Л., Стройиздат, Ле-нингр. отд-ние, 1976. 320 с.

26. Керамические фильтры для очистки воды. Огнеупоры и техническая керамика. 1999.-!МС)1-2.С.43-46.

27. Смирнова К. А. Пористая керамика для фильтрации и аэрации. Госстрой-из-дат, 1968, 171 с.

28. Беркман А. Пористая проницаемая керамика. Я ; Госстройиздат, 1959. 170 с.

29. Е. Лукин, Н. Т. Андрианов. Технический анализ и контроль производства129керамики, М.Стройиздат, 1986, 272 с.

30. Пористые проницаемые материалы. Справочник под ред. В. Белова, М: Металлургия, 1987, 335 с.

31. Крючков Ю.Н. Оценка и определение проницаемости пористой керамики. Стекло и керамика, 1994, №11 12, с.28-30

32. Баженов Ю.М., Воробьёв В.А., Илюхин A.B. Задачи компьютерного материаловедения строительных композитов. // Изв. вузов. Строительство. -2000г. №12, -С. 25.30.

33. Баженов Ю.М., Воробьёв В.А., Илюхин A.B. Компьютерное материаловедение строительных композитов с трещинами и порами. // Известия ВУЗов. Строительство. 2001. - №11. - С. 37.43

34. Баженов Ю.М., Воробьёв В.А., Илюхин A.B. Компьютерное материаловедение строительных композитных материалов.// Изв. вузов. Строительство. -1999г. -№ 11, -С. 25-29.

35. Бинс К., Лауэрсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. М.: Энергия, 1970-368 с. '

36. Богородицкий М.П., Фридберг И.Д. К вопросу об электропроводности твердых диэлектриков. // Физика твердого тела. 1964, Т.З.- №3.- С. 680. .683.

37. Бондарь К.Я., Ершов Б.Л., Соломенко М.Г. Полимерные строительные материалы. Справ. Пособие. Под ред. Зайцева А .Г. — М.: Стройиздат, 1974, 268с.

38. Борбышев А.Н., Козомазов В.Н., Бабин Л.О., Соломатов В.И. Синергетика композитных материалов. Липецк, НПО ОРИУС, 1994г.

39. Борщевский A.A., Ильин A.C. Механическое оборудование для производства строительных материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1987. 368 с.

40. Браун В. Диэлектрики.- М.: Иностранная литература, 1961.-326с.

41. Вознесенский В.А. Статистические решения в технологических задачах. -Кишинёв, Картя Молдовеняске, 1969.-231 с.

42. Воробьев В.А., Голованов В.Е., Голованова С.И. Математическое моделирование в разработке методов и средств контроля и исследования композитных материалов. М.: - МАДИ. - 1983. - 128с.130

43. Воробьёв В.А., Илюхин A.B. Компьютерное материаловедение пористых композитов. // Совершенствование качества в строительном комплексе: Материалы 41-го международного научно-технического семинара РАН. Брянск, 2000. - С.25.30

44. Воробьёв В.А., Илюхин A.B. Математическое моделирование в компьютерном материаловедении. // Российская академия архитектуры и строительных наук. / Вестник отделения строительных наук: // Вып. 2, М., 1999. - С. 117.125

45. Жуков А.И. Монгайг И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод М.: Стройиздат. 1989. 314 с.

46. Илюхин A.B. Математическое моделирование структуры композиционных материалов для физических исследований. Сборник трудов XIII сессии Российского акустического общества РАН. -М.,2003. Т. 3. - С. 254.258.

47. Илюхин A.B. Моделирование структуры композиционных материалов. // ЭВМ и микропроцессоры в системах контроля и управления: Сб. научн. Трудов / МАДИ-М., 1993. — С.29.32

48. Илюхин A.B. Программа для компьютерного материаловедения строительных композиционных материалов. // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сб. научн. Трудов международной научно-технической конференции. Пенза, 2003. - С. 84. .86.

49. Автоматический контроль и управление технологическими процессами в131строительном производстве: Сб. научн. трудов / МАДИ М., 1987. - С. 34.37

50. Кестен X. Теория просачивания для математиков. М.: Мир, 1986.- 392 с.

51. Кудрявцев Е.М. Mathcad 2000 Pro. М.: ДМК Пресс, 2001. - 576с.

52. Левинштейн М.Е., Шкловский Б.И., Шур М.С., Эфрос А.Л. О связи между критическими индексами теории протекания.// ЖЭТФ. 1975. - т. 69. - Вып. 10.-С. 386 . 392

53. Любимова Т.Ю. Особенности кристаллизационного твердения минеральных вяжущих в зоне контактов с различными твердыми фазами (заполнителями). // Физико-химическая механика дисперсных структур.- М.: Наука, 1966.-С.268.280.

54. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений.- Л.: Энергоатомиздат. 248с,

55. Оделевский В.И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем. -М: ЖТФ, т. 21, вып. 6, с. 678-685.

56. Оделевский В.И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем.- М: ЖТФ, т. 21, вып. 11, с. 678-685.

57. Оделевский В.И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем.// ЖТФ. -1951.- Т.21. -№6. с. 667.685.

58. Оделевский В.И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем.// ЖТФ.- 1951.-Т. 21. -№11.-с. 1379.1383.

59. Основы теории цепей./ Зевеке Г. В., Ионкин П. А., Нетушил А. В, и др. -М.: Энергия, 1975- 752с.

60. Скал А.С., Шкловский Б.И. Топология бесконечного кластера в теории протекания и теория прыжковой проводимости. // ФТП. -1973. т. 8. - стр. 1586 . 1593.

61. Соболь И.М. Метод Монте-Карло. М.: Наука. - 1973. - 312 с.

62. Современные методы оптимизации композиционных материалов. / Под ред. В.А. Вознесенского.- Киев: Будивальнык, 1983.- 144 с.

63. Соломатов В.И. Элементы общей теории композиционных строительныхматериалов.//Известия вузов. Строительство и архитектура 1980. - N8. - с.13261.70.

64. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Корн Г. Корн Т. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983.

65. Теория диэлектриков. / Богородицкий М.П., Волокобинский Ю.М., Воробьев А.А, и др .-Л.: Энергия, 1965.- 344с.

66. Федоров М.Н. Основы электродинамики. М.: Высшая школа, 1980.- 339с.

67. Челидзе Т.Л. Модель процесса разрушения твердых тел // Физика твердого тела 1960. Т.23. - Вып. 9. - С. 2865 . 2836

68. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Теория протекания и проводимость сильно неоднородных сред. // УФН. Том 117. - Вып. 3. - 1975. - С. 401 . 435.

69. Электрофизические процессы в электротехнических материалах. Труды СцбНИИЭ вып. 13. П/ред. Вершинина Ю.Н., Москва, «Энергия», 1975. 112с.

70. Юновский A.C. Вероятностные методы проектирования систем управления и контроля на предприятиях стройиндустрии М.: Наука, 1991. - 84с.

71. Бинск К., Лауэрсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. -М.; Энергия, 1970. -368с

72. Барский Р.Г. Вероятностные модели систем управления дозированием. -М„ МАДИ. 1979.- 87 с.

73. Богдан К.С., Горбенко В.Н., Денисенко В.М. и др. Весодозирующее оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1977.- 256 с.

74. Дулькин С .Я. Автоматическое весовое дозирование сыпучих материалов .М.: Цветметинформация, 77 с.

75. Карпин Е.Б. и др. Сравнительный анализ автоматических весовых дозаторов непрерывного действия. В кн.: Автоматизация процессов взвешивания и дозирования / Под ред. Е.Б. Карпина.- М.: Онтиприбор, 1967.- С. 86. .100.

76. Карпин Е.Б. Средства автоматизации для измерения и дозирования массы. М.: Машиностроение, 1971.- 470 с.

77. Мееров М.В., Литвак Б.Л. Оптимизация систем многосвязного управления. -М.: Наука, 1973.- 844 с.

78. Явеев М.В. Управление процессами дискретного дозирования ~ Алмааты.: АНИЗДАТ 1989. 116с.

79. Белов С.В. Пористые проницаемые материалы: Спр. Изд. / Под ред. Белова С.В. М.: Металлургия, 1987. 335 с.

80. Августиник А.И. Керамика. Ленинград. Стройиздаг. 1975. - 592 с.

81. Крупа А.А., Городов B.C. Химическая технология керамических материалов. Киев. Выс. школа. 1990. - 399 с.

82. Гузман И .Я. Химическая технология керамики: учебное пособие для вузов / Под редакцией И.Я. Гузмана. М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003. -496 с.

83. VTTO (2003) The Flemish ВАТ report on the ceramic industry

84. Кестен X. Теория перколяции для математиков. М.: Мир, 1986.- 392 с.

85. С. Киркпатрик в сб. Теория и свойства неупорядоченных материалов (ред. В.Л. Бонч-Бруевич) М.: Мир, 1977.- 249 с.

86. Перевод статьи S. Kirkpatrick, Rev. Mod. Phys. 45, 574 (1973)

87. С.С. Духин, В.М. Шилов Диэлектрические явления и двойной слой в дисперсных структурах и полиэлектролитах Киев: Наукова думка, 1972. -207с.

88. Broadbent S.R., Hammersley J.M. Proc. Camb. Phil. Soc. Vol. 53 - p. 629 1957.

89. Javitz A.E. (1965). Design, January 18, 64.

90. Kirkpatrik S. Classical transport in disordered media: scaling and effective -medium theories. //Pliys. Rev. Letters.- 1971.- vol. 27.- №25.-P. 1721 . 1725.

91. Kirkpatrik S. Percolation and Conduction. Rev. Mod. Phis. Vol. 45, 574 (1973)

92. Weston V.H. Theory of absorbers in scattering // IEEE trans. On ant. And prop.-1963.- vol AP-11.- September.-P. 578 . 583.

93. Barsky D.J., Newman C.M., Grimmett G.R. Percolation in half spaces: equality of critical probabilities and continuity of the percolation probability. Probability theory and Related Fields, 1990, p. 111-148.

94. Bezuidenhout C.E., Grimmett G.R., Kestem H. Strict inequality for critical val134ues of Potts models and random-cluster processors. Communications in Mathematical Physics (to appear). 1992.

95. Efros A.L., Shklovski B.V. Critical behaviour of conductivity and dielectric constant near the metal-nonmetal transition threshold // Phys. Stat. Sol.(b). 1986. -vol. 76.-No. 2.-p. 475-485.

96. Grimmet G.R. Percolation. Springer-Verlag, Berlin, 1989.

97. Hara T., Slade G. Mean-field critical behaviour for percolation in high dimensions. Communications in Mathematical Physics 129, 1990(a), p. 333-391.

98. Javitz A.E. (1965). Design, January 18, 64.

99. Kestern H. Scaling relations for 2D-percolation. Communications in Mathematical Physics, p. 109-156, 1987.

100. Kirkpatrik S. Classical transport in disordered media; scaling and effective-medium theories// Phys. Rev. Letters. 1971. - vol. 27 -No 25. -p. 1721-1725.

101. Springer seriers in solid-state sciences. №80: Monte Carlo simulation in statistical physics. // K. Blinder, D.W. Heermanm, 1988.