автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация производства железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления

На правах рукописи

Корнилов Юрий Владимирович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ИЗМЕНЯЕМЫМИ КРИТЕРИЯМИ УПРАВЛЕНИЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена институте (Государственном

в Московском автомобильно-дорожном техническом университете)

Научный руководитель Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Суворов Д.Н. доктор технических наук, профессор Васьковский A.M. кандидат технических наук Ларкин И.Ю.

Ведущая организация: Научно-производственный центр "Строительство" Российской инженерной академии

Защита состоится ¡Ь рКТ- 2006 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д.64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ).

Автореферат разослан « » 2006 г.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета института.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Михайлова Н.В.

1. Общая характеристика работы

1.1. Актуальность проблемы

В современном строительстве широко используются в настоящее время изделия и конструкции различного назначения, отличающиеся по виду сырья, технологии производства в сборном и монолитном возведении зданий и сооружений.

Одними из самых массовых конструкций являются сборные железобетонные, изготовленные на заводах или полигонах и доставляемые на объекты строительства в готовом виде. На предприятиях, выпускающих сборные железобетонные изделия (ЖБИ), внедряются системы управления для стабилизации качества производимой продукции, что позволяет согласно ГОСТ 18105 экономить наиболее дорогой компонент бетона - цемент.

В то же время существование подобных предприятий в условиях рынка предполагает наличие возможности гибкого изменения производственного процесса. Так, например, при скачкообразном, но непродолжительном повышении спроса на продукцию необходимо настроить технологическую линию на выпуск изделий, достигающих предъявляемых требований в более короткие сроки. А при снижении спроса на продукцию - как можно больше снизить затраты на производство.

Таким образом, помимо систем управления, стабилизирующих качество выпускаемых изделий, для заводов ЖБИ актуальным является внедрение автоматизированных систем управления, позволяющих разработать такую стратегию управления производственным процессом, которая смогла бы обеспечить жизнедеятельность предприятия адекватную сложившейся рыночной ситуации.

1.2. Цель и основные задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы управления производством сборных железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления в условиях изменяющегося спроса.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать технологический процесс (ТП) производства сборного железобетона как объект управления:

a) Исследовать существующие технологии производства сборного железобетона;

b) Изучить технологические операции;

c) Рассмотреть показатели качества и свойства бетона;

d) Провести анализ возможности контроля и управления свойствами бетонной смеси и железобетонных изделий;

e) Изучить влияние переменного спроса на производственный процесс завода ЖБИ;

f) Изучить влияние изменений режимов производственного процесса на показатели качества и себестоимость изделий.

2. Разработать имитационную модель технологического процесса производства сборного железобетона в условиях изменяющегося спроса:

a) Исследовать перечень исходных данных, необходимых для обеспечения моделирования ТП;

b) Разработать структуру и алгоритмы работы имитационной модели;

c) Разработать средства обработки результатов моделирования.

3. Разработать автоматизированную систему управления производством сборного железобетона с изменяемыми критериями управления:

a) Обеспечить возможность задания различных стратегий управления для имитационной модели ТП;

b) Исследовать влияние различных стратегий управления на результаты производственного процесса;

c) Выявить способы уменьшения отрицательного влияния изменения спроса на производственный процесс;

d) Разработать перечень необходимых мероприятий для внедрения разработанной системы управления на конкретное предприятие;

e) Рассмотреть перспективы внедрения разработанной системы управления.

1.3. Методы исследований

В качестве теоретической основы диссертационной работы использовались: теория вероятностей и математическая статистика, методы имитационного моделирования, теория автоматического управления, теории алгоритмов и методы проектирования программного обеспечения.

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

1.4. Научная новизна

В диссертационной работе впервые проведен анализ технологического процесса и систем управления производством

сборных железобетонных изделий в условиях изменяющихся критериев управления, вызванных переменным спросом на выпускаемую продукцию. На основе данного анализа разработана автоматизированная система управления производством сборных железобетонных изделий.

Научную новизну работы также определяют:

^ Разработанная имитационная модель технологического процесса производства сборных железобетонных изделий в условиях изменяющегося спроса; ✓ Разработанные на основе имитационной модели принципы, методика, алгоритмы и автоматизированная система управления производством сборных железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления; ^ Результаты исследований применения различных стратегий управления производственным процессом и их эффективности.

1.5. Практическая значимость работы

В результате выполненных исследований получены следующие значимые практические результаты:

^ Определены способы уменьшения отрицательного влияния переменного спроса на технологический процесс производства сборных железобетонных изделий; Разработана автоматизированная система управления производством, позволяющая оценить результаты применения различных стратегий управления производственным процессом; ^ Рассмотрены дальнейшие перспективы внедрения данной разработки - построение системы автоматического управления предприятием в условиях изменяющихся критериев управления.

Материалы диссертации используются в учебном процессе Московского автомобильно-дорожного института (Государственного Технического Университета).

1.6. Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях МАДИ (ГТУ) (2003-2006 гг.).

По теме диссертации опубликовано пять работ.

1.7. Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений, списка использованной литературы, насчитывающего 101

наименование, и содержит 270 страниц машинописного текста, 168 рисунков, 17 таблиц.

2. Содержание работы

2.1. Введение

Во введении приводится краткая характеристика диссертационной работы. Обосновывается актуальность выбранной темы исследований, сформулирована цель работы, определены задачи исследований, изложенные научные и практические результаты, выносимые на защиту.

2.2. Глава 1

В главе рассматриваются такие вопросы, как:

• Текущее состояние отрасли в целом и тенденции ее развития;

• Динамика спроса на сборные железобетонные изделия на примере существующих предприятий;

• Контроль качества сырья, технологического процесса и готовой продукции в современных условиях.

Помимо этого приведены существующие методы управления производством сборных железобетонных изделий. Все они осуществляют стабилизацию качества производимой продукции, что позволяет согласно ГОСТ 18105 экономить наиболее дорогой компонент бетона — цемент.

В условиях рынка спрос на продукцию (неуправляемый параметр), как правило, не стабилен. Незначительные изменения спроса компенсируются складом выпускаемой продукции. Однако при существенных изменениях спроса, предприятию, выпускающему продукцию ЖБИ, необходимо корректировать общую стратегию производства. Причем из-за способности бетона к длительному твердению выбор стратегии не ограничивается такими вариантами, как приостановить производство или продолжить его.

Так, в случае увеличения времени нахохадения изделия сборного железобетона на складе, можно уменьшить Яга (прочность бетона в возрасте 28 суток при нормальном твердении - срок выдержки образцов монолитного бетона промышленных и гражданских зданий и сооружений при нормальном твердении для определения марки бетона по прочности на сжатие), назначив более длительные сроки достижения бетоном проектной прочности, и сэкономить цемент (поскольку для получения бетона меньшей прочности требуется более низкий расход цемента или цемент, обладающий меньшей активностью) и/или снизить затраты на тепловлажностную обработку.

Таким образом, как показывает анализ, в настоящее время в России отсутствуют разработки автоматизированной системы

управления производством сборного железобетона, позволяющей гибко настраивать производство при изменяющихся критериях управления, характерных для условий нестабильного спроса на продукцию предприятия. Но накоплен положительный опыт в разработке, как локальных систем автоматизации, так и систем управления качеством.

2.3. Глава 2

Во 2-ой главе рассмотрены виды технологий производства сборного железобетона. В нашей стране наибольшее распространение получил поточно-агрегатный способ производства из-за возможности быстро переходить на выпуск другого вида изделий при незначительной затрате средств на изготовление новых форм. Именно данный способ производства и был выбран в качестве объекта управления для дальнейшей работы.

В качестве основного показателя качества, который необходимо обеспечивать, определена прочность бетона на сжатие. В связи с чем были рассмотрены основные технологические зависимости данного параметра от режимов производства.

Анализ структуры себестоимости изделий и применение рассмотренных технологических зависимостей выявили технологические операции, изменением режимов которых можно эффективно управлять свойствами выпускаемой продукции и ее себестоимостью:

• Формирование состава бетонной смеси;

• Операция домола цемента;

• Тепловлажностная обработка.

Для указанных операций характерны нижеперечисленные технологические зависимости, которые стали основой для дальнейшего имитационного моделирования.

Фундаментальной в технологии бетона является зависимость прочности от активности цемента и цементно-водного отношения. Активность цемента является интегральной характеристикой обобщающей и показатели химико-минералогического состава цемента (содержание двухкальциевого (белита) и трехкальциевого (алита) силикатов СгЭ и СзБ, трехкальциевого алюмината СзА, алюмофериты С„АР и других составляющих) и физико-механические свойства цемента (тонкость помола и др.). В настоящее время наиболее употребительной является зависимость:

*». = КЛ 8 = К»АКч {Ц' В+С), (1)

где Ябп - прочность бетона на сжатие в возрасте п суток при нормальных условиях твердения (п>7);

- активность цемента;

С - коэффициент, зависящий от цементно-водного отношения (Ц/В), и принимаемый равным -0,5 при Ц/В£2,5 и - +0,5 при Ц/В>2,Ь\

А - коэффициент, зависящий от качества исходных материалов, и принимается в соответствии с Табл. 1.

Табл.1

Материалы для бетона А при ¿¿©<2,5 А при ¿¿©>2,5

Высококачественные 0,65 0,43

Рядовые 0,6 0,4

Пониженного качества 0,55 0,37

Коэффициент кцп можно определить по результатам экспериментов по формуле:

(2)

где аи Ь\ - постоянные величины, определяемые опытным путем для конкретного цемента и заполнителя, использованных в бетоне, а также для данных условий твердения.

Заметное влияние на темп твердения бетона оказывают даже сравнительно небольшие колебания температуры воздуха. Например, для ¿=5°С /сцп5=0,06+0,441дп, для <=10°С /с^крОИ+0,541дл, для <=20°С ^20=0,16+0,61дл, для *=30°С ^пЗО=0,2+0,641дп.

При расчетах необходимо учитывать, что при длительном хранении цемента происходит некоторое снижение прочности цемента:

= -(1,49(1 - е-0'963') + 0,07060. (3)

где ¿-время хранения цемента, сутки.

Так через три месяца хранения цемента снижение прочности может составлять 10...20% от его марки. Для устранения чрезмерного снижения активности цемента применяют операцию домола.

Как известно, нагрев ускоряет химические реакции. Повышение температуры бетона активизирует взаимодействие воды и цемента и ускоряет твердение бетона. При этом фазовый состав продуктов гидратации цемента, твердеющего при разных температурах, практически остается одинаковым.

Поданным ВНИИЖЕЛЕЗОБЕТОНа:

¿Я = А(\gt-\gt,), (4)

где А - параметр, характеризующий поведение цемента при пропаривании в принятых условиях испытания;

f - время тепловой обработки, включающее период изотермической выдержки и часть времени разогрева и охлаждения, в течение которого температура образцов превышала 60°С, ч;

¿о - индукционный период твердения, ч (предварительный период до начала образования прочной структуры).

Параметры А и ¿0 для цементов разного минералогического состава можно найти из графика на Рис. 1.

R6,MI~la

40

30

20

10

П

0.150.2 0,6 1 2 3 5 71015 t,4

Рис. 1. Зависимость прочности бетона от времени пропаривания на

цементах минералогических групп I (низкоалюминатные), II (среднеалюминатные) и III (высокоалюминатные) одинаковой активности в логарифмическом масштабе времени (соответственно кривые 1, 2 и 3)

Таким образом, реальный процесс производства сборного железобетона является управляемым. Прочность бетона можно рассматривать в виде аддитивной суммы управляемых составляющих и возмущений:

ЗД = £/(«,[/])+F[<], (5)

¡=1

где 1/,-И - г'-ое управляющее воздействие на технологический процесс;

i^q - возмущения, действующие на ТП;

N- количество управляющих воздействий.

В целом структуру системы управления производством железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления можно представить согласно Рис. 2.

Рис. 2. Система управления производством железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления

На рисунке отражены следующие информационные потоки:

Xk(t) - вектор показателей качества компонентов бетонной смеси;

Xk'(t) - доступный для измерения вектор показателей качества компонентов бетонной смеси;

Xt'(t) — доступный для измерения вектор показателей качества технологических процедур;

F(t) - вектор общего возмущения;

F'(t) - доступная для измерения часть вектора общего возмущения;

R6'(t) - вектор выходного качества железобетонных изделий и конструкций при отсутствии возмущения;

R6(t) - вектор выходного качества железобетонных изделий и конструкций;

Y(t) - вектор измеренного состояния технологического процесса;

Z(t) - вектор заданных значений показателей качества;

U(t) - вектор управления.

То есть неотъемлемой частью структуры системы управления с изменяемыми критериями является функциональный блок модели управляемого технологического процесса производства сборного железобетона, на вход которой поступает собираемая оператором информация о текущем состоянии склада Ni(t), о предполагаемом спросе на продукцию S(t), вектор измеренного состояния технологического процесса Y(t), а также вектор заданных значений показателей качества на момент отгрузки продукции со склада Z(t). Оператор к тому же задает на вход данного блока различные стратегии управления и по полученным результатам модифицирует задание Z'(t), поступающее непосредственно на вход управляемого технологического процесса производства сборного железобетона.

2.4. Глава 3

В 3-ей главе осуществляется разработка имитационной модели управляемого технологического процесса производства сборного железобетона, обеспечивающая возможность исследования производственного процесса в условиях изменяющегося спроса на выпускаемую продукцию. Разработанная имитационная модель основывается на численном эксперименте, проводимом на ЭВМ. В качестве базового средства разработки имитационной модели использовано одно из наиболее мощных и универсальных средств для моделирования, анализа и визуализации динамических процессов, имеющих отношение к разнообразным сферам человеческой деятельности - пакет MatLab.

Имитационную модель технологического процесса состоит из следующих основных блоков:

• Блок задания исходных данных, посредством которого оператор имеет возможность вводить параметры

технологического процесса и начальных условий производства;

• Блок проверки исходных данных. Процесс обсчета модели технологического процесса производства сборного железобетона может занимать достаточно много времени. Чтобы избежать его потери и получения неверных результатов моделирования, необходимо осуществлять проверку введенных параметров технологического процесса и начальных условий производства;

• Блок предварительной обработки исходных данных и инициализации используемых при моделировании переменных, массивов и структур. Данный блок используется для преобразования в случае необходимости значений исходных данных в формат, используемый в процессе моделирования, а также осуществляет на моделируемом интервале аппроксимацию исходных данных;

• Блоки моделирования функциональных связей. Они отражают совокупность связей между отдельными показателями качества компонентов бетонной смеси, их влияние на прочность бетона, а также влияние параметров технологического процесса на качество полуфабриката и готовой продукции;

• Блок моделирования склада исходных компонентов. Этот блок используется для отслеживания по дням затрат исходных компонентов и энергии, затрачиваемых на производство продукции;

• Блок моделирования управляемого технологического процесса производства сборного железобетона. Как следует из названия, этот блок обеспечивает воспроизведение управляемого технологического процесса производства сборного железобетона;

• Блок моделирования склада выпускаемой продукции. Данный блок моделирования используется для накопления по дням сведений о степени заполнения склада выпускаемой продукцией, о количестве готовой (то есть достигшей отпускной прочности) и неготовой к реализации продукции, а также информации по каждому изделию, включающей в себя дату изготовления, состав бетонной смеси, режимы технологического процесса, которые были применены при его производстве и т.п.;

• Блок обработки и представления информации.

Общая структура модели представлена на Рис. 3.

Рис. 3. Общая структура имитационной модели технологического процесса производства сборного железобетона с изменяемыми критериями управления

В результате моделирования были получены:

^ графики изменения входных величин, определенных в блоке задания исходных данных - параметров технологического процесса и начальных условий производства;

^ графики изменения производительности и спроса на выпускаемую продукцию с учетом параметров технологического процесса;

^ графики, отражающие состояние склада исходных компонентов и затраты электроэнергии на моделируемом интервале;

^ графики, отражающие состояние склада выпускаемой продукции на моделируемом интервале; графики, отражающие экономические результаты деятельности предприятия на моделируемом интервале;

^ графики, представляющие сведения о выпускаемой продукции.

В главе также приведены методика, принципы разработки блоков модели, определен перечень исходных данных, необходимых для моделирования. Результаты моделирования поддаются логическому объяснению и соответствуют выборочным расчетам, проведенным для оценки адекватности разработанной имитационной модели. Точность результатов моделирования определяется используемыми технологическими зависимостями.

2.5. Глава 4

Управление системой предполагает принятие обоснованных решений о том или ином выборе или изменений входных параметров (технологических факторов применительно к производству сборного железобетона). При этом быстрый анализ системы в необходимом случае обеспечивает использование ЭВМ, в программу которой заложена математическая модель поведения системы.

Следовательно, целью разрабатываемой автоматизированной системой управления производством сборного железобетона является упрощение поиска способа удовлетворения, имеющегося спроса на выпускаемую продукцию, при минимальном расходе энергетических и материальных ресурсов или достижения иных критериев управления.

Для осуществления поставленной цели были решены следующие задачи:

• Скорректирована имитационная модель, разработанная в главе 3, таким образом, чтобы имелась возможность изменять основные параметры технологического процесса (цементно-водное отношение бетонной смеси и длительность тепловлажностной обработки) на протяжении моделируемого интервала;

• Произведен анализ влияния времени включения в технологическую линию оборудования для домола цемента;

• Произведен анализ изменения параметров технологического процесса, указанных в первой задаче, на достижение поставленной цели.

Для анализа влияния изменения режимов производства на результаты деятельности предприятия были рассмотрены стратегии

управления представленные в Табл. 2.

___Табл. 2. Стратегии управления

№ стратегии управления Цементно-водное отношение бетонной смеси Формула тепловлажностной обработки (время нагрева + время изотермического прогрева + время охлаждения) Время включения оборудования для домола цемента, сутки

1 2,0 3+12+2 25

2 2,0 3+12+2 100

3 2,0 3+12+2 70

4 2,0 3+10+2 25

5 2,0 3+6+2 25

6 2,0 3+2+2 25

7 2,4 3+12+2 25

8 2,4 3+12+2 100

Длительность моделируемого интервала был выбрана равная 100 суткам. Если при моделировании на складе отсутствовало достаточное количество готовой продукции для удовлетворения спроса, то величина неудовлетворенного спроса переносилась на следующие сутки.

Первые три стратегии использовались для определения влияния времени включения в технологическую линию оборудования для домола цемента. Следующие три стратегии - для анализа влияния изменения длительности изотермического прогрева при тепловлажностной обработке. И, наконец, оставшиеся две стратегии - для рассмотрения влияния изменения цементно-водного отношения бетонной смеси на производственный процесс.

Результаты моделирования на момент окончания моделируемого

интервала представлены на Рис. 4...Рис. 7.

2оо

150

Стратегии управления

Рис. 4. Количество произведенной продукции за моделируемый интервал (столбцы с наклонной штриховкой), количество изделий, достигших требуемых показателей качества (сплошные столбцы) и количество неудовлетворенного спроса на момент окончания моделируемого интервала (столбцы с горизонтальной штриховкой) по отношению к результатам первой стратегии управления

Рис. 5. Состояние склада выпускаемой продукции на момент окончания

моделируемого интервала (столбцы с наклонной штриховкой показывают количество готовой к реализации продукции, сплошные -количество изделий, не достигших требуемых показателей качества, столбцы с горизонтальной штриховкой - общая заполненность склада). Все значения приведены в процентах от емкости склада

Рис. 6. Расходы цемента (столбцы с наклонной штриховкой) и электроэнергии (сплошные столбцы) за моделируемый интервал относительно их расходов для первой стратегии управления

1 2 3 4 5 6 7 8

Стратегии управления

Рис. 7. Доходы (столбцы с наклонной штриховкой), расходы (сплошные

столбцы) и прибыль предприятия (столбцы с горизонтальной штриховкой) за моделируемый интервал относительно соответствующих величин для первой стратегии управления

Из гистограмм видно, что применение оборудования для домола цемента на производстве, начиная с 25-ых суток, дает меньшую производительность и прибыль, чем в случае отсутствия этой технологической операции. И в тоже время применение ее с 70-ых суток наоборот увеличивает количество произведенной продукции и полностью покрывает имевшийся на моделируемом интервале спрос. Для объяснения этого рассмотрим графики на Рис. 8.

Данные графики учитывают только продукцию, "произведенную" в результате моделирования технологического процесса, и не учитывают продукцию, которая уже имеется на складе. Поэтому в начале моделируемого интервала они принимают нулевые значения.

Как видно из рисунка, если при использовании оборудования для домола цемента пополнение склада готовыми к реализации изделиями осуществляется в целом одним и тем же темпом, то без применения данного оборудования - наблюдается его некоторое снижение из-за увеличения времени, которое требуется изделиям для достижения требуемых показателей качества, что вызвано все большим снижением активности цемента. Таким образом, получаем, что использование операции домола цемента может увеличить количество на складе готовой к реализации продукции за моделируемый интервал, если включение соответствующего оборудования осуществить в момент, когда касательные к обоим графикам (с использованием оборудования для домола цемента и без него) станут параллельными.

10000

п, шт.

9000

вооа

7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 о

О 10 20 30 40 50 6G 70 00 90 100 t,СуТКИ

Рис. 8. Графики пополнения склада изделиями, достигшими отпускной прочности, с начала моделируемого интервала (штриховая линия - при использовании комплексов домола цемента, начиная с 25-ых суток; сплошная - без операции домола)

Анализируя по гистограммам влияние изменения длительности изотермического прогрева при тепловлажностной обработке на производственный процесс, видно, что переход с формулы 3+10+2 на 3+6+2 и далее на 3+2+2 значительно уменьшает себестоимость выпускаемой продукции и, соответственно, приводит к увеличению прибыли. Однако, если применение формулы 3+6+2 позволило полностью покрыть имевшийся спрос на моделируемом интервале и, даже создать небольшой запас готовой продукции на складе, то другие две стратегии не смогли этого осуществить. Объяснением тому могут стать графики на Рис. 9...Рис. 12.

Из графиков видно, что при уменьшении длительности изотермической выдержки до 6 часов наблюдается рост производительности технологического процесса, особенно до момента включения в технологическую линию оборудования для домола цемента. В это же время на складе уменьшается количество готовой продукции, поскольку производимые изделия по формуле ТВО 3+6+2 требуют более длительного нахождения на складе до приобретения требуемых прочностных характеристик. И до того момента пока первые изделия, поступившие на склад, прошедших данный режим ТВО, не начнут достигать необходимых показателей качества, удовлетворение спроса осуществляется в основном за счет складских запасов.

п, шт.

Б00

500

10 20 30 40 50 Е0 70 80 90 100 1, Сутки

Рис. 9. Графики изменения производительности (сплошная линия) и спроса с учетом параметров технологического процесса (штриховая линия) на моделируемом интервале (формула ТВО 3+10+2)

260

220 200 1В0 160 140 120 100 80

^0 10 20 30 40 50 Б0 70 00 9Q 100 t,Сутки

Рис. 10. Графики изменения производительности (сплошная линия) и спроса с учетом параметров технологического процесса (штриховая линия) на моделируемом интервале (формула ТВО 3+6+2)

- — 1 1 'Г—........

; .....Ял).......

; l Ш M! *}, i *. 1 1 !

/ 1 1 * 11 1 \J \\ U •[

I « J « I ' %

г Г i i t L i \ i i

f ; i i i i i

и'Л 'J " н * i .Й ! • i j » J*., ki

Wvi-» 11" ......L.y:. ij'i'fV

! i

(сплошная линия), количества продукции, не достигшей отпускной

прочности (штриховая линия), и общей заполненности склада выпускаемой продукции (пунктирная линия) (формула ТВО 3+10+2)

4000

п, шт.

3500 3000 2500 2000 1500

1000 500

°D 10 20 30 40 50 Б0 70 ВО 90 100 t,Сутки

Рис. 12. Графики изменения количества готовой к реализации продукции (сплошная линия), количества продукции, не достигшей отпускной

прочности (штриховая линия), и общей заполненности склада выпускаемой продукции (пунктирная линия) (формула ТВО 3+6+2)

При уменьшении времени изотермического прогрева до двух часов производительность производственного процесса не изменилась - настало ограничение из-за других технологических операций (графики не приведены в целях экономии места и присутствуют в тексте диссертации). При этом время достижения требуемой прочности изделий еще больше возросло и привело к тому, что на конец моделируемого интервала мы получили отсутствие на складе готовой к реализации продукции и неудовлетворенный полностью спрос.

Для определения, как влияет на производственный процесс изменение цементно-водного отношения бетонной смеси, рассмотрим на гистограммах результаты 7-ой и 8-ой стратегий. Из гистограмм видно, что при увеличении цементно-водного отношения бетонной смеси большое значение на результаты оказывает наличие или отсутствие в технологической линии операции домола цемента. Так, например, при исключении операции домола цемента из технологической линии и повышения цементно-водного отношения бетонной смеси можно добиться увеличения количества готовой к реализации продукции до 20%, произведенной за моделируемый интервал, но расходы цемента и энергии при этом существенно возрастут.

В результате накопления опыта использования разработанной автоматизированной системы управления технологическим процессом производства сборного железобетона (построенной на базе математического пакета МаНаЬ) и ее адаптации к конкретному предприятию возможно синтезирование системы автоматического управления, которая исключила бы необходимость присутствия человека в контуре управления.

Рис. 13. Система автоматического управления технологическим процессом производства сборного железобетона в условиях изменяющегося спроса на продукцию

Для построения такой системы необходимо наличие блока моделирования стратегий управления, который на основании получаемых сведений о производственном процессе, о состоянии склада выпускаемой продукции и спросе на нее формировал бы последовательность стратегий управления для имитационной модели технологического процесса производства сборных железобетонных изделий. По получаемым результатам моделирования и заложенным критериям эффективности стратегий управления этот блок должен выдавать задание для системы управления качеством производимой продукции, внедренной на предприятии.

3. Основные выводы и результаты работы

1. В результате проведенных исследований разработана концепция построения автоматизированной системы управления процессом производства сборных железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления, характерными для условия изменяющегося спроса на выпускаемую продукцию. В качестве объекта управления был выбран поточно-агрегатный способ производства, как наиболее распространенный в нашей стране.

2. Рассмотрены основные свойства и показатели качества бетонных изделий. В качестве основного показателя качества, который необходимо обеспечивать, определена прочность бетона на сжатие. Проведен анализ возможности управления свойствами бетонной смеси и железобетонных изделий в условиях нестабильного спроса. Исследованы основные технологические зависимости. Проведен анализ структуры себестоимости сборных железобетонных изделий. Исследовано влияние изменений режимов производственного процесса на качество и себестоимость продукции в условиях нестабильного спроса.

3. Разработана имитационная модель управляемого технологического процесса производства сборного железобетона, обеспечивающая возможность исследования производственного процесса в условиях изменяющегося спроса на выпускаемую продукцию. Разработаны средства задания исходных данных для моделирования и обработки результатов моделирования.

4. Рассмотрено влияние спроса на производственный процесс завода ЖБИ. Выявлены способы уменьшения отрицательных последствий изменения спроса для предприятия. Рассмотрены и исследованы три возможных контура управления производством ЖБИ в условиях нестабильного спроса:

a. включение в технологическую линию оборудования для домола цемента,

b. изменение режимов тепловлажностной обработки,

c. изменение состава бетонной смеси.

5. Результаты имитационного моделирования показали, что возможно эффективное управление производством железобетонных изделий в условиях нестабильного спроса:

a. применение оборудования для домола цемента с целью восстановления его активности целесообразно только, когда требуются сборные железобетонные изделия повышенного качества или при длительном нахождении цемента на складе без принятия мер по поддержанию его активности. Правильное определение времени включения в технологическую линию операции домола цемента увеличивает количество готовой к реализации продукции на складе за моделируемый интервал при рассмотренных параметрах производства на 10-15%. Однако, нежелательно применять оборудование для домола цемента при работе с бетонной смесью с повышенным цементно-водным отношением из-за резкого - снижения производительности технологического процесса;

b. изменением режима тепловлажностной обработки можно достигать различных целей - будь то увеличение прибыли или постоянная способность предприятия поставлять изделия с требуемыми показателями качества. Причем уменьшение длительности изотермического прогрева может приводить не только к уменьшению себестоимости изделий, но и к общему увеличению производительности технологического процесса. Так, например, при изменении режима тепловлажностной обработки с формулы 3+10+2 на формулу 3+6+2 расход цемента увеличился на 7%, заполнение склада выросло на 26%, расход энергии снизился на 28%, а прибыль возросла на 15%. К тому же, как показывают результаты практических экспериментов, сборные железобетонные изделия при уменьшении длительности тепловлажностной обработки со временем набирают большую прочность, чем изделия, подвергавшиеся длительному прогреву;

c. управление технологическим процессом производства сборного железобетона при помощи изменения состава бетонной смеси показало, что при совмещении этого метода с правильным выбором времени включения в технологическую линию операции домола цемента позволяет увеличить производительность на 15-20%, однако при этом расход цемента увеличивается на 40-45%, а расход энергии -на 20-25%. Поэтому такой способ управления нежелательно использовать для повышения производительности ТП из-за значительного удорожания продукции. Тем не менее, поскольку зависимость прочности бетона от цементно-

водного отношения линейная, то в случав уменьшения спроса на продукцию данный способ управления позволяет соответственно значительно снизить себестоимость выпускаемых изделий. Однако при этом следует учитывать, что с изменением состава бетонной смеси необходимо повышать величину требуемой прочности по отношению к нормируемой согласно действующим ГОСТам.

6. Разработана на основе имитационной модели автоматизированная система управления производством сборных железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления, которая обеспечивает возможность гибкой настройки производства в условиях нестабильного спроса на продукцию предприятия.

7. Разработаны необходимые мероприятия для внедрения на конкретное предприятие автоматизированной системы управления производством сборных железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления. Рассмотрены перспективы внедрения разработанной системы управления.

4. Публикации

1. Корнилов Ю.В. Возмущения в модели производства бетона. Интегрированные технологии автоматизированного управления: Сб.научн.тр.// МАДИ (ГТУ). УДК 625.08 М.:. 2005. с. 92-95.

2. Корнилов Ю.В. Контроль качества бетона и железобетонных конструкций в современных условиях // Строительный вестник Российской инженерной академии: Труды секции "Строительство" Российской инженерной академии. Выпуск 6. М.: Издание Российской инженерной академии, 2005. с. 245-246.

3. Корнилов Ю.В. Математические методы управления качеством бетона // Строительный вестник Российской инженерной академии: Труды секции "Строительство" Российской инженерной академии. Выпуск 6. М.: Издание Российской инженерной академии, 2005. с. 243244.

4. Корнилов Ю.В., Суворов Д.Н. Изменения критериев управления в производстве дорожно-строительных материалов. Интегрированные технологии автоматизированного управления: Сб.научн.тр.// МАДИ (ГТУ). УДК 625.08 М.:, 2005. с. 96-99.

5. Корнилов Ю.В., Суворов Д.Н. Оптимальное управление производством сборного железобетона в условиях рыночного спроса II Строительный вестник Российской инженерной академии: Труды секции "Строительство" Российской инженерной академии. Выпуск 7. М.: Издание Российской инженерной академии, 2006. с. 227-229.

Принято к исполнению 05/06/2006 Исполнено 06/06/2006

Заказ №812 Тираж: ЮОэкз,

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Варшавское ш., 36 (495) 975-78-56 www.autoreferat.ru

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОИЗВОДСТВО СБОРНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА В

РОССИИ.

1.1. Текущее состояние отрасли в целом и тенденции ее развития.

1.2. Динамика спроса на сборные железобетонные изделия на примере существующих предприятий.

1.3. Контроль качества сырья, технологического процесса и готовой продукции в современных условиях.

1.3.1. Общие положения контроля качества.

1.3.2. Организация контроля качества при производстве бетона и железобетонных изделий.

1.3.3. Система управления качеством в соответствии со стандартом ИСО 9000.

1.4. Существующие методы управления качеством бетона на заводах ЖБИ.

1.4.1. Управление на основе методов подбора состава бетона.

1.4.2. Статистические методы управления.

1.4.3. Использование контрольных карт в управлении.

1.4.4. Системы управления по отклонению с учетом динамики процесса.

1.4.5. Системы управления по возмущению.

1.4.6. Комбинированная система управления прочностью.

1.5. Повышение экономической эффективности производства сборного железобетона.

1.6. Задачи диссертационной работы.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА СБОРНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ.

2.1. Технологический процесс производства сборного железобетона.

2.1.1. Виды технологий производства сборного железобетона.

2.1.2. Перечень и последовательность технологических операций.

2.1.3. Показатели качества и свойства бетона.

2.2. Методологические основы управления качеством железобетона.

2.2.1. Основные технологические зависимости.

2.2.2. Математические методы управления качеством железобетона.

2.3. Влияние спроса на производственный процесс завода ЖБИ.

2.4. Система управления в условиях переменного спроса.

2.4.1. Общие принципы управления производством сборного железобетона в условиях переменного спроса.

2.4.2. Критерии управления.

2.4.2.1. Критерии управления в условиях стабильного спроса.

2.4.2.2. Критерии управления в условиях переменного спроса.

2.4.3. Управление себестоимостью продукции.

2.4.3.1. Структура себестоимости.

2.4.3.2. Эффективность управления себестоимостью.

2.5. Выводы.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА СБОРНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА.

3.1. Цели и задачи моделирования.

3.2. Анализ и обоснование структуры модели.

3.3. Методика моделирования.

3.4. Принципы разработки блоков модели.

3.4.1. Блок задания исходных данных - параметров технологического процесса и начальных условий производства.

3.4.2. Блок проверки исходных данных.

3.4.3. Блок предварительной обработки исходных данных и инициализации используемых при моделировании переменных, массивов и структур.

3.4.4. Блоки моделирования функциональных связей.

3.4.5. Блок моделирования склада исходных компонентов.

3.4.6. Блок моделирования управляемого технологического процесса производства сборного железобетона.

3.4.7. Блок моделирования склада выпускаемой продукции.

3.4.8. Блок обработки и представления информации.

3.5. Результаты моделирования.

3.5.1. Изменения входных величин.

3.5.2. Изменение производительности и спроса на выпускаемую продукцию.

3.5.3. Изменения состояния склада исходных компонентов.

3.5.4. Изменения состояния склада выпускаемой продукции.

3.5.5. Экономические результаты моделирования.

3.5.6. Сведения о выпускаемой продукции.

3.6. Выводы.

4. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ПРОИЗВОДСТВА СБОРНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА.

4.1. Цели и задачи системы управления.

4.2. Место автоматизированной системы управления в производственном процессе.

4.3. Технические и программные средства системы управления.

4.4. Адаптация имитационной модели для построения системы управления.

4.4.1. Адаптация блоков задания и проверки исходных данных.

4.4.2. Адаптация блоков моделирования функциональных связей

4.4.3. Адаптация блока предварительной обработки исходных данных и инициализации используемых при моделировании переменных, массивов и структур.

4.4.4. Адаптация блока моделирования управляемого технологического процесса производства сборного железобетона.

4.4.5. Адаптация блока представления и обработки информации.

4.5. Стратегии управления.

4.5.1. Влияние на производственный процесс времени включения в технологическую линию комплексов домола цемента.

4.5.2. Влияние на производственный процесс изменения режимов тепловлажностной обработки.

4.5.3. Влияние на производственный процесс изменения состава бетонной смеси.

4.6. Организация и перспективы внедрения системы управления.

4.7. Выводы.

Актуальность проблемы

В современном строительстве широко используются в настоящее время изделия и конструкции различного назначения, отличающиеся по виду сырья, технологии производства в сборном и монолитном возведении зданий и сооружений.

Одними из самых массовых конструкций являются сборные железобетонные, изготовленные на заводах или полигонах и доставляемые на объекты строительства в готовом виде. На предприятиях, выпускающих сборные железобетонные изделия (ЖБИ), внедряются системы управления для стабилизации качества производимой продукции [17,18,51,74], что позволяет согласно ГОСТ 18105 экономить наиболее дорогой компонент бетона - цемент.

В то же время существование подобных предприятий в условиях рынка предполагает наличие возможности гибкого изменения производственного процесса. Так, например, при скачкообразном, но непродолжительном повышении спроса на продукцию необходимо настроить технологическую линию на выпуск изделий, достигающих предъявляемых требований в более короткие сроки. А при снижении спроса на продукцию - как можно больше снизить затраты на производство.

Таким образом, помимо систем управления, стабилизирующих качество выпускаемых изделий, для заводов ЖБИ актуальным является внедрение автоматизированных систем управления, позволяющих разработать такую стратегию управления производственным процессом, которая смогла бы обеспечить жизнедеятельность предприятия адекватную сложившейся рыночной ситуации.

Цели и основные задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы управления производством сборных железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления в условиях изменяющегося спроса.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать технологический процесс (ТП) производства сборного железобетона как объект управления: a) Исследовать существующие технологии производства сборного железобетона; b) Изучить технологические операции; c) Рассмотреть показатели качества и свойства бетона; с1) Провести анализ возможности контроля и управления свойствами бетонной смеси и железобетонных изделий; е) Изучить влияние переменного спроса на производственный процесс завода ЖБИ; Изучить влияние изменений режимов производственного процесса на показатели качества и себестоимость изделий.

2. Разработать имитационную модель технологического процесса производства сборного железобетона в условиях изменяющегося спроса: a) Исследовать перечень исходных данных, необходимых для обеспечения моделирования ТП; b) Разработать структуру и алгоритмы работы имитационной модели; c) Разработать средства обработки результатов моделирования.

3. Разработать автоматизированную систему управления производством сборного железобетона с изменяемыми критериями управления: a) Обеспечить возможность задания различных стратегий управления для имитационной модели ТП; b) Исследовать влияние различных стратегий управления на результаты производственного процесса; c) Выявить способы уменьшения отрицательного влияния изменения спроса на производственный процесс; d) Разработать перечень необходимых мероприятий для внедрения разработанной системы управления на конкретное предприятие; e) Рассмотреть перспективы внедрения разработанной системы управления.

Методы исследования

В качестве теоретической основы диссертационной работы использовались: теория вероятностей и математическая статистика, методы имитационного моделирования, теория автоматического управления, теории алгоритмов и методы проектирования программного обеспечения.

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

Научная новизна работы

В диссертационной работе впервые проведен анализ технологического процесса и систем управления производством сборных железобетонных изделий в условиях изменяющихся критериев управления, вызванных переменным спросом на выпускаемую продукцию. На основе данного анализа разработана автоматизированная система управления производством сборных железобетонных изделий.

Научную новизну работы также определяют: Разработанная имитационная модель технологического процесса производства сборных железобетонных изделий в условиях изменяющегося спроса; Разработанные на основе имитационной модели принципы, методика, алгоритмы и автоматизированная система управления производством сборных железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления; Результаты исследований применения различных стратегий управления производственным процессом и их эффективности.

Практическая значимость работы В результате выполненных исследований получены следующие значимые практические результаты: Определены способы уменьшения отрицательного влияния переменного спроса на технологический процесс производства сборных железобетонных изделий; Разработана автоматизированная система управления производством, позволяющая оценить результаты применения различных стратегий управления производственным процессом; Рассмотрены дальнейшие перспективы внедрения данной разработки - построение системы автоматического управления предприятием в условиях изменяющихся критериев управления.

Материалы диссертации используются в учебном процессе Московского автомобильно-дорожного института (Государственного Технического Университета).

Апробация работы, публикации

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях МАДИ (ГТУ) (2003-2006 гг.).

По теме диссертации опубликовано пять работ.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений, списка использованной литературы, насчитывающего 101 наименование, и содержит 270 страниц машинописного текста, 168 рисунков, 17 таблиц.

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате проведенных исследований разработана концепция построения автоматизированной системы управления процессом производства сборных железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления, характерными для условия изменяющегося спроса на выпускаемую продукцию. В качестве объекта управления был выбран поточно-агрегатный способ производства, как наиболее распространенный в нашей стране.

2. Рассмотрены основные свойства и показатели качества бетонных изделий. В качестве основного показателя качества, который необходимо обеспечивать, определена прочность бетона на сжатие. Проведен анализ возможности управления свойствами бетонной смеси и железобетонных изделий в условиях нестабильного спроса. Исследованы основные технологические зависимости. Проведен анализ структуры себестоимости сборных железобетонных изделий. Исследовано влияние изменений режимов производственного процесса на качество и себестоимость продукции в условиях нестабильного спроса.

3. Разработана имитационная модель управляемого технологического процесса производства сборного железобетона, обеспечивающая возможность исследования производственного процесса в условиях изменяющегося спроса на выпускаемую продукцию. Разработаны средства задания исходных данных для моделирования и обработки результатов моделирования.

4. Рассмотрено влияние спроса на производственный процесс завода ЖБИ. Выявлены способы уменьшения отрицательных последствий изменения спроса для предприятия. Рассмотрены и исследованы три возможных контура управления производством ЖБИ в условиях нестабильного спроса: a. включение в технологическую линию оборудования для домола цемента, b. изменение режимов тепловлажностной обработки, c. изменение состава бетонной смеси.

5. Результаты имитационного моделирования показали, что возможно эффективное управление производством железобетонных изделий в условиях нестабильного спроса: a. применение оборудования для домола цемента с целью восстановления его активности целесообразно только, когда требуются сборные железобетонные изделия повышенного качества или при длительном нахождении цемента на складе без принятия мер по поддержанию его активности. Правильное определение времени включения в технологическую линию операции домола цемента увеличивает количество готовой к реализации продукции на складе за моделируемый интервал при рассмотренных параметрах производства на 10-15%. Однако, нежелательно применять оборудование для домола цемента при работе с бетонной смесью с повышенным цементно-водным отношением из-за резкого снижения производительности технологического процесса; b. изменением режима тепловлажностной обработки можно достигать различных целей - будь то увеличение прибыли или постоянная способность предприятия поставлять изделия с требуемыми показателями качества. Причем уменьшение длительности изотермического прогрева может приводить не только к уменьшению себестоимости изделий, но и к общему увеличению производительности технологического процесса. Так, например, при изменении режима тепловлажностной обработки с формулы 3+10+2 на формулу 3+6+2 расход цемента увеличился на 7%, заполнение склада выросло на 26%, расход энергии снизился на 28%, а прибыль возросла на 15%. К тому же, как показывают результаты практических экспериментов, сборные железобетонные изделия при уменьшении длительности тепловлажностной обработки со временем набирают большую прочность, чем изделия, подвергавшиеся длительному прогреву; с. управление технологическим процессом производства сборного железобетона при помощи изменения состава бетонной смеси показало, что при совмещении этого метода с правильным выбором времени включения в технологическую линию операции домола цемента позволяет увеличить производительность на 15-20%, однако при этом расход цемента увеличивается на 4045%, а расход энергии - на 20-25%. Поэтому такой способ управления нежелательно использовать для повышения производительности ТП из-за значительного удорожания продукции. Тем не менее, поскольку зависимость прочности бетона от цементно-водного отношения линейная, то в случае уменьшения спроса на продукцию данный способ управления позволяет соответственно значительно снизить себестоимость выпускаемых изделий. Однако при этом следует учитывать, что с изменением состава бетонной смеси необходимо повышать величину требуемой прочности по отношению к нормируемой согласно действующим ГОСТам.

6. Разработана на основе имитационной модели автоматизированная система управления производством сборных железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления, которая обеспечивает возможность гибкой настройки производства в условиях нестабильного спроса на продукцию предприятия.

7. Разработаны необходимые мероприятия для внедрения на конкретное предприятие автоматизированной системы управления производством сборных железобетонных изделий с изменяемыми критериями управления. Рассмотрены перспективы внедрения разработанной системы управления.

1. Ануфриев И.Е. Самоучитель Ма^аЬ 5.3/б.х СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 736 с.

2. Артамонов В.П. Качество труда. М., Стандарты, 1977. 148 с.

3. Баженов Ю.М. Способы определения состава бетона различных видов. -М.: Стройиздат, 1975. 272 с.

4. Баженов Ю.М. Технология бетона. Учебник. 3-е издание. М.: Изд-во АСВ, 2003. 500 с.

5. Баженов Ю М., Алимов Л.А., Воронин В.В., Магдеев У.Х. Технология бетона, строительных изделий и конструкций. М.: Изд-во АСВ, 2004. 256 с.

6. Баженов Ю.М., Комар А.Г. Технология бетонных и железобетонных изделий: Учебник для вузов. -М.: Стройиздат, 1984. 672 с.

7. Баринова Л., Песцов В. Сборный и монолитный железобетон в российском строительстве (по материалам 1-й Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона) http://www.esservice.ru

8. Батышев С.Я. Формирование квалифицированных рабочих кадров в СССР. М., Экономика, 1971. 85 с.

9. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. СПб, Изд-во "Профессия", 2004.-752 с.

10. Брюханов В.Н., Схиртладзе А.Г., Вороненко В.П. Автоматизация производства. М.: Высш. шк., 2005. 367 с.

11. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. -М.: Наука, 1977. 240 с.

12. Гмурман В.Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике. Изд-во: Высшее образование, 2006. 476 с.

13. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Изд-во: Высшая школа, 2003.-479 с.

14. Гордон С.С. Теоретические основы и направления прогресса производства железобетона. Механизация строительства №4, 2000 г.

15. Город на рубеже веков "Федеральный справочник. Российское строительство", №2, 1999-2000 гг.

16. Горчаков Г.И. Строительные материалы. -М.: Стройиздат, 1981.-386 с.

17. Горшков В А Параметрическая система управления прочностью бетона. // Автоматический контроль и управление технологическими процессами в строительном производстве: Сб. научн.тр./МАДИ. -М.:,1987. с. 4-11

18. Горшков В.А. Синтез цифровых систем стабилизации качества в производстве дорожно-строительных материалов. -М.:МАДИ, 1988. 72 с.

19. Горшков В.А., Касимова Б.Р., Нециевская К.А. Моделирование цифровых систем управления: /Учебное пособие/ МАДИ -М.:, 1988. с. 29-34

20. ГОСТ 10180-90 (СТ СЭВ 3978-83). Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.22