автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация процесса дискретного дозирования составляющих бетонных смесей с оптимизацией по стоимостному критерию

г- 4 I - '

I 1-- '

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Федотов Александр Михайлович

Автоматизация процесса дискретного дозирования составляющих бетонных смесей с оптимизацией по стоимостному критерию

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург - 1998

Работа выполнена в Оренбургском государственном университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Абдрашитов Р.Т. Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Болодурина И.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кацман В.Е.,

кандидат технических наук, доцент Реннер А.Г.

Ведущая организация - ОАО "Домостроительный комбинат"

Защита состоится " /-С 1998 года в 14 часов на заседании

диссертационного совета К064.64.01 в Оренбургском государственном университете по адресу : г. Оренбург, пр. Победы, д. 13, ауд. 6205.

С содержанием диссертации можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского государственного университета.

Автореферат разослан У/ 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одной из острых современных проблем является проблема повышения конкурентоспособности производства, в частности продукция промышленности строительных материалов. При этом необходимо учитывать вопросы обеспечения качества продукции, которые предусмотрены законом "о защите прав потребителей ". Производительность, издержки производства и качество продукции являются основными характеристиками, определяющими конкурентоспособность любого предприятия, и оптимизация соотношений между этими характеристиками является важным резервом повышения эффективности его функционирования.

Важное место в экономике страны занимает стройиндустрия, производство строительных материалов, в частности цемента. Общий объем потребления цемента в СССР в 12 пятилетке составлял 140 млн. тонн, что в денежном эквиваленте современных цен составляет 56 млрд. рублей. Эту цифру можно принять за оценку фактической потребности страны в цементе. Поэтому любая его экономия может дать значительный эффект.

При формировании качества продукции в производстве строительных материалов и конструкций важную роль приобретают издержки производства, которые во многом зависят от процессов дозирования компонентов строительных материалов, в частности бетона.

В связи с вышеизложенным являются актуальными исследования, связанные с выявлением закономерностей формирования качества продукции и издержек производства на этапе дозирования многокомпонентной смеси.

Тема диссертационной работы формировалась в соответствии с целевой научно-технической программой 0-Ц.026, раздел 01.77 "Создать и ввести в действие АСУТП приготовления, транспортирования и укладки бетона, обеспечивающую экономию цемента на 3% и снижение себестоимости продукции на 5%", утвержденной ГКНТ и Госпланом СССР №473/249 от12.12.1980г.

С развитием рыночной экономики актуальность решения этой проблемы не уменьшается, а становится более острой.

Цель работы. Исследование закономерностей формирования качества бетона на этапе дозирования составляющих бетонной смеси с учетом экономических критериев.

Задачи исследования:

- обосновать критерий оценки качества управления дискретным дозированием отдельных компонентов с учетом их стоимости и исследовать процесс формирования погрешностей дозирования компонентов на основе стоимостного критерия;

- разработать и исследовать адаптивный алгоритм управления процессами дискретного дозирования, минимизирующий погрешности дозирования для поддержания заданного соотношения масс компонентов и стабилизации экономических показателей технологического процесса приготовления бетонных смесей;

- синтезировать структуру системы управления дозированием компонентов бетонных смесей с учетом требований, предъявляемых АСУ бетонными заводами, и оценить ее эффективность.

Объект исследования - процесс дискретного многокомпонентного дозирования бетонных смесей.

Методы исследования. Имитационное моделирование, теория вероятностей и математическая статистика, теория адаптивного управления, многокритериальная оптимизация.

Научная новизна полученных результатов:

- разработана модель формирования качества бетона с учетом стоимостных показателей;

-получены закономерности оптимального управления процессами одно-компонентного дозирования составляющих бетонных смесей с учетом стоимостных критериев;

-3- сформулированы способы адаптивного управления процессом одноком-понентного дозирования, компенсирующего систематическую погрешность;

- разработан алгоритм и структура системы адаптивного связного управления многокомпонентным дозированием бетонных смесей.

Практическая значимость результатов исследований заключается в разработке адаптивной автомагической системы управления процессами дозирования многокомпонентных бетонных смесей.

Результаты исследования могут быть использованы проектно-конструкторскими организациями при автоматизации технологических процессов в смежных отраслях промышленности, требующих точности дозирования дорогостоящих компонентов, например, в пищевой, комбикормовой промыш-ленностях, в порошковой металлургии и т.д., а также предприятиями, эксплуатирующими системы дозирования.

Реализация результатов исследования. Результаты работы внедрены в ОАО "Оренбурггражданстрой", ОАО "Оренбургзаводстрой".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященная 1000-летию г. Брянска "Материалы, технология и конструкции для Нечерноземья" (г. Брянск, 1985г.); на 45-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (г. Москва, 1987г.); на научно-технической конференции "Проблемы механизации и автоматизации ПРТС работ" (г. Могилев, 1986 г.); на научно-технической конференции научных работников, специалистов и студентов "Научно-технические достижения - строительному комплексу" (г. Целиноград, 1988 г.); на XXIII научно-технической конференции "Пути ускорения перестройки строительного комплекса" (г. Целиноград, 1990 г.); на научно-техшгческой конференции научных работников, специалистов и студентов "Вклад ученых ЦИСИ в ускорение НТП" (г. Целиноград, 1991 г.); на XIX научно-методической конференции "Проблемы совершенствования подготовки специалистов в условиях перехода ВУЗа к рыночной экономике" (г. Акмола, 1992 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе получено авторское свидетельство.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, содержащего 132 источника. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, включая 18 рисунков.

Содержание работы

В первой главе "Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования" приведены данные по актуальности проблемы повышения точности дозирования компонентов бетонных смесей и изделий из них.

С учетом того, что фактическая потребность страны в бетоне и изделий составляет 125 млн. м3, что в современных ценах составляет 46,25 млрд. рублей, снижение расхода только цемента за счет повышения точности дозирования на 1% может дать народному хозяйству 150 млн, рублей экономии.

Проблема дозирования компонентов тесно связана как с затратами на приготовление бетонных смесей, так и с качеством продукции. Учитывая современный характер рыночных отношений, а также действие закона "о защите прав потребителей", можно констатировать актуальность проблемы повышения качества дозирования компонентов бетонных смесей.

Указанная проблема достаточно давно интересует исследователей. Так решению задач повышения точности дозирования посвящены труды И.С. Вайнштока, A.A. Богданова, Р.Г. Барского, Ш.Б. Биттеева, А.Э. Гордона, С.Я. Дунькина, Е.Б. Карпина, K.M. Королева, К.Н. Кима, С.С. Михайловского, О.В. Монастырского, О.М. Нечаева, А.Б. Силаева, Ю.Г. Хаютина, С.С. Щедровицко-го и многих других авторов.

В обзоре также рассмотрены сложившиеся в настоящее время представления о проблемах дозирования, в том числе: оценка влияния точности дозирования компонентов на качество бетонных смесей и изделий, из них; существующие системы автоматического дискретного многокомпонентного дозирования с

точки зрения эффективности их функционирования; критерии оценки качества процессов многокомпонентного дозирования.

Точность дозирования является одним из определяющих факторов обеспечения качественных и стоимостных характеристик бетона. Так в работах Н.Э. Гордона показано, что отклонения в дозировании цемента и воды на ±2% могут привести к изменению прочности бетона на ±5%.

Связь между прочностью бетона на сжатие (Яв) и водоцементным отношением (В/Ц) определяется по формуле Абрамса-Бе.тяева

п

А{ВЩ)"'

где Кб - прочность бетона на сжатие;

Яц - активность цемента;

В/Ц - водоцементное отношение;

А и п - эмпирические коэффициенты.

Значительное влияние, кроме В/Ц отношения, оказывает соотношение цемента и заполнителей (Ц/3) в смеси. Очевидно также влияние точности дозирования на стоимостные показатели бетона.

Применение многокомпонентного дозирования (дозирования нескольких жидких и сыпучих компонентов в заданном весовом соотношении с последующим перемешиванием в смесителях) характерно для целого ряда технологических процессов в строительстве, в порошковой металлургии, в пищевой и комбикормовой промышленности и других отраслях.

В настоящее время сложилась схема однокомпонентного дозирования, приведенная на рисунке 1, которую можно рассматривать как модуль схем многокомпонентного дозирования.

Многокомпонентное дозирование имеет две основные структурные схемы:

а) несвязное дозирование;

б) связное дозирование.

При несвязной схеме дозирования, получившей наибольшее распространение, система осуществляет дозирование всех компонентов, составляющих

смесь, за один этап, то есть параллельно. Как показывает опыт, системы несвязного дозирования не обеспечивают требуемых соотношений масс всех компонентов.

Рис. 1. Обобщенная схема дозирования

1 — задатчик массы; 5 - циферблатный указатель;

2 - усилитель; 6 - датчик массы;

3 - исполнительный механизм; 7 - блок сравнения.

4 - дозатор;

При связном дозировании предполагается, что все компоненты или какая-то их часть дозируются последовательно. Поэтому после дозирования первого в выбранной последовательности дозирования компонента, например Xь можно оценить отдозированную массу компонента Х\ с точки зрения равенства полученной массы заданной.

Таким образом, располагая оценкой отдозированной массы компонента, можно ее использовать для коррекции уставок дозаторов, включающихся в работу после завершения этапа дозирования первым дозатором. Такая коррекция

осуществляется специальными системами управления и повышает точность поддержания заданных соотношений. Поэтому в данной работе рассматривались системы связного дозирования.

Задача оптимального многокомпонентного дозирования является задачей многокритериальной оптимизации. При ее решении, как правило, используется метод свертки критериев. Причем наиболее часто используются следующие критерии: суммарной дисперсии; минимаксный; бинарный или вероятностный критерии. Используемые критерии в конечном счете позволяют получать приемлемые результаты оптимального дозирования. Однако, как показывает анализ, в научной литературе слабо освещены вопросы оптимизации процессов дозирования по стоимостному критерию.

На основании вышеизложенного были сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе "Теория вопроса" рассматривалась постановка задачи оптимального управления дозированием компонентов бетонных смесей.

Как уже указывалось ранее, в настоящее время в стройиндустрии принята схема дозирования компонентов бетонной смеси, приведенная на рисунке 1. Эта схема достаточно отработана, и она была принята за базовый модуль при создании системы оптимального дозирования.

Система многокомпонентного дозирования должна иметь соответствующее количество модулей. Управление заключается в координации работ отдельных модулей для обеспечения требуемого качества бетона.

Многочисленные статистические исследования процессов дозирования компонентов бетонной смеси, проведенные на заводах ЖБИ ГМС, показывают, что погрешности дозирования являются случайными величинами. Статическую погрешность дискретного дозирования в общем случае можно представить в виде суммы:

Д IV = М^ую + Д X

где Мцуц- систематическая погрешность дискретного дозирования при уставке задатчика дозатора Ц; АХ - случайная ошибка дискретного дозирования.

-s-

При этом систематическая погрешность дискретного дозирования определяется как:

Mbw/u~ Mx/u-Uo, где Mxju- математическое ожидание массы дозируемого компонента;

Uo - уставка дозатора, соответствующая технологическим нормам. Для того, чтобы оптимизировать'процесс дозирования компонентов бетонной смеси, необходимо изменять уставку задатчика дозатора U таким образом, чтобы математическое ожидание массы дозируемого компонента Мх/Согш было равно заданной по технологическим нормам дозе Uo. Добиться повышения точности дозирования цемента в данном случае можно перенастройкой задатчика дозатора на величину M^w/u- Таким образом, задача оптимального управления дискретным дозированием сводится к оптимизации уставки дозатора.

Качество дозирования во многом зависит от выбранного критерия оценки. В обзоре уже отмечалось, что в настоящее время в условиях рыночной экономики одним из важных критериев должен стать критерий конкурентоспособности продукции предприятия. Можно считать, что ему соответствует минимум стоимости изделия при безусловном обеспечении качества изделия. Критерий конкурентоспособности можно представить в виде

S = min при Х,Н < Xj < X?,

где S— себестоимость единицы бетонной смеси; и в

X" и X?, - соответственно нижняя и верхняя границы технологического допуска /-го компонента;

/=1,2,..., ¿-номера компонентов.

Критерий оптимальности должен включать составляющие, определяющие прибыль предприятия и качество продукции, которое задается ограничениями: нижней и верхней границами отклонения массы каждого компонента.

Прибыль предприятия равна:

P=D-S\

где Р, й, Б - соответственно прибыль, доход и затраты, связанные с производством единицы продукции.

В свою очередь, из совокупных затрат можно выделить составляющую, связанную с качеством дозирования

Ы

Для оценки дозирования 1-го компонента можно воспользоваться выражением:

5 = 50 +

где 5® - затраты, не связанные с дозированием /-го компонента. Затраты, связанные с дозированием /-го компонента, равны:

5,- = •

где - цена /-го компонента, X, — масса отдозированного компонента. Доход от реализации единицы продукции будет равен

где 2„р — цена за единицу продукции.

Учитывая жесткие требования, предъявляемые к качеству продукции, можно принять

припри Х1 5 ПХ,

| 0, при '

где Ох - область допустимых значений X,.

Учитывая случайный характер погрешности дозирования, необходимо максимизировать математическое ожидание прибыли.

М{Р} = )р/(Х Щ(ПС

где/(Х/и) - условная плотность распределения вероятности. Раскрывая последнее выражение, получим:

м{р}=-50 "/(х/щах + ™ гпр/(х/и)с1х - "¡г^лх/Щсис

Необходимо найти Vопт-, обеспечивающее тах М{Р}. В работе приняты допущения, что ошибка дозирования подчиняется нормальному закону распределения.

Учитывая, что

—со

критерий оптимальности можно представить:

М{Р) = -50 + ЪпрЯ^/^ах - а\г1хлх/и)с1х

—СО —СО

Полученная модель позволила проводить оптимизацию с учетом наиболее существенных факторов. Задача эта нетривиальна и естественно предположить, что применение стоимостных критериев оценки качества при оптимизации настройки задатчиков дозаторов дискретного действия повышает эффективность процесса дозирования за счет смещения заданной дозы от середины поля допусков в сторону нижнего допуска. Это приводит к экономии дозируемых материалов. Знание закономерностей оптимальной настройки на основе стоимостных критериев, позволяет ставить задачу адаптивной настройки дозаторов. В работе предложен адаптивный алгоритм однокомпонентного дозирования, базирующийся на методе Робинсона-Монро.

Настройка дозатора по экономическому критерию для одного компонента является необходимым, но недостаточным условием оптимизации состава бетонных смесей. Для решения задачи оптимизации процессами подготовки бетонных смесей была рассмотрена задача многокомпонентного дозирования.

В работе приведены основные положения общей теории связного дозирования в соответствии с изложением в монографии Барского Р.Г. с учетом особенности рассматриваемого нами частного случая.

В работе введен вектор приоритетов, с помощью которого характеризовалась "ценность", значимость компонентов смеси.

Ип}

где ц - коэффициент приоритета компонента^ (¡=1,л).

Коэффициенты приоритетов так же, как коэффициенты приоритета в стоимостном выражении определяются отношением:

„ У'2! ■ ,— /=1

где 2, - цена ¡'-го компонента смеси;

у, - долевое содержание г-го компонента в смеси. При синтезе системы связного дозирования использовался критерий суммарной дисперсии.

¿=1

где Ц - дисперсия г-го компонента.

При синтезе алгоритма связного управления учитывалось, что система связного управления (ССУ) - это система оперативного управления величиной поэтапной оценки критерия Ок в К-м цикле ПМД, достигаемого за счет изменения доз компонентов, дозируемых на очередных этапах по информации о массах компонентов, отдозированных на предыдущих этапах.

При синтезе оптимального закона поэтапного управления необходимо выявить такие значения нормированных масс компонентов 7$, (у=]',п), дозирование которых предполагается осуществить на очередных этапах, при которых по завершению «-го этапа в К-м цикле дозирования критерий достиг бы своего минимума. Будем полагать, что в общем случае имеет место условие

где У1 - нормированная масса у-го компонента.

И, следовательно, каждый раз перед очередным -глом необходимо решать задачу нахождения оптимального вектора, который представлен в виде

- + I МЪ -ЬгМ - £г*г*)2

1=1 1=1 5=У 5= У 1=1 S=J

После вычисления частных производных по приравнивания их к

нулю и соответствующих преобразований было получено выражение для опти-

мапьных настроек дозаторов, которое имеет вид

П у2

сн1т-вн + анАи

(3) _ s=jHs

V >' =

* П1

"PJ п 2

' IS-

+ а

j-i

где Aj.t - прогнозируемый показатель состояния системы; -

средневзвешенный показатель состояния системы; с,.;, - суммарные коэффициенты; j = 2, л.

В работе показана оптимальность полученного закона управления U.

С учетом выводов были разработаны устройства реализации алгоритма оптимального управления процессом дискретного дозирования компонентов бетонной смеси. Данные устройства позволяют в последовательных циклах дозирования осуществлять корректировку уставки задатчика дозатора с учетом стоимости дозируемых материалов с целью повышения эффективности процесса дозирования, как для однокомпонентного, так и для многокомпонентного дозирования.

В третьей главе "Методика экспериментального исследования" приведены методы сбора и статистической обработки данных о процессе дозирования. Кроме того, описывается методика машинного эксперимента.

Для статистической обработки использовался стандартный пакет "STAT-GRAFPHICS". Для проведения оптимизации процесса дозирования по экономическому критерию и имитационного моделирования использовались специально разработанные программы, написанные на языке PASCAL. Все расчеты и машинные эксперименты проводились на ПЭВМ IBM "Pentium".

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований и имитационного моделирования.

В разделе "Статистический анализ процессов дозирования" приведены статистические характеристики работы современных дозаторов. Как показывают данные анализа, приведенные в таблицы 1, современное дозирование является процессом случайным, со значительным разбросом параметров. На основе ана-

лиза большого количества наблюдений можно считать подтвержденной гипотезу о нормальном законе распределения погрешностей.

Таблица I- Статистические характеристики процессов дозирования

№ Дозируе- Математиче- Доверительный Среднеквад- Коэффи-

мый ма- ское ожида- интервал с веро- ратическое циент ва-

териал ние, кг ятностью 0,683 отклонение, кг риации, %

1 Цемент 177,9 176,8- 179,0 10,80 . 6,10

2 Песок 484,9 481,28-488,54 36,60 7,50

3 Щебень 351,8 348,2-355,4 21,60 6,15

4 Вода 41,9 41,6-42,2 3,36 8,00

В тоже время следует отметить нестабильность систематической погрешности дозирования. Она различна для разных материалов, и что самое главное, для различных дозаторов имеет разные знаки.

Полученные данные подтверждают высказанную гипотезу о необходимости адаптивного управления настройкой дозирования.

В главе приведены также результаты оптимизации настройки дозатора по стоимостному критерию. В процессе моделирования обнаружено, что оптимальная настройка дозатора в значительной мере зависит от конструктивных особенностей дозатора, то есть от величины среднеквадратичного отклонения процесса <тх. В целом результаты оптимизации процесса дозирования приведены на рисунке 2. Здесь 3, - ширина поля допуска.

Систематическая погрешность имеет существенную величину и разные знаки отклонения, поэтому было проведено имитационное моделирование системы дозирования. Имитационное моделирование подтвердило основные теоретические положения работы. Так, при моделировании процесса однокомпо-нентного дозирования показана сходимость алгоритма адаптации. На рисунке 3 приведены графики реализации процесса.

ли

. кг

0,25 _I_:

0,45

" 4

м 2

Рис. 2. Зависимость оптимального, по стоимостному критерию, смещения уставки дозатора от соотношения ——.

Как видно из представленных графиков, практически после 20 циклов процессы адаптации прекращаются, и в системе устанавливается величина смещения настройки, равная величине систематической погрешности плюс смещение в сторону нижнего допуска в соответствии с результатами оптимизации по экономическому критерию.

V, кг

Рис. 3. Результаты имитационного моделирования.

М - количество циклов дозирования. На рисунке 3 (график а) приведены результаты адаптации без учета корректировки по экономическому критерию. Установившаяся величина смещения

обеспечивает дозирование близкое к величине уставки. На рисунке 3 (график б) приведены результаты моделирования с учетом корректировки по стоимостному критерию. В этом случае величина отдозированной массы смещена на 3,5кг, которая определяется в соответствии с результатами оптимизации по стоимостному критерию.

Таким образом, можно утверждать, что предложенные алгоритмы адаптации обеспечивают удовлетворительную настройку уставки по стоимостному критерию и компенсацию систематической погрешности.

На основе разработанных алгоритмов были предложены устройства, реа-лизирутощие аппаратные версии алгоритмов управления. Новизна устройства защищена авторским свидетельством. Схема устройства адаптивного управления однокомпонентного дозирования приведена на рисунке 4.

Устройство для управления дозированием содержит питатель, выходом подключенный ко входу дозатора, последовательно соединенные элемент совпадения, первый задатчик дозатора, нуль-орган, основной и дополнительный счетчики циклов, а также второй задатчик дозатора, выходом подключенный ко второму входу первого блока сравнения, первый вход которого подключен к выходу дозатора, п блоков умножения параллельно подключенных выходами ко второму входу второго блока сравнения, блок памяти и логический блок, причем 1 -ый вход логического блока подключен к выходу первого блока сравнения, 2-й вход - к выходу основного счетчика циклов, 3-й вход - к выходу дополнительного счетчика циклов, а 4-й вход - к выходу блока памяти, 1-й выход логического блока соединен со вторым входом элемента совпадения и вторым входом блок памяти, 2-й выход - к первому входу второго блока сравнения, 3-

й, 4-й.....выходы логического, блока подключены ко входам соответствующих

п блоков умножения, кроме того выход второго блока сравнения соединен с первым входом элемента совпадения и первым входом блока памяти, второй вход нуль-органа соединен с выходом дозатора, а выход нуль-органа подключен ко входу питателя. Устройство отличается тем, что с целью повышения точности дозирования оно снабжено первым и вторым дополнительными бло-

1

/

3

14

16

ТО

5

» 2

» 4

10

11

15

/\

Зе.

12

17

13

181 182 183 1 18; | 18п

8; £

19

Рисунок 4 - Устройство для управления однокомпонентным дозированием

ками умножения, первым блоком инвертирования, а также последовательно соединенными первым блоком суммирования, третьим дополнительным блоком умножения, вторым блоком инвертирования и вторым блоком суммирования. Выход второго задатчика дозатора подключен ко входам первого и второго дополнительных блоков умножения, а также ко второму входу второго блока суммирования, выход первого дополнительного блока умножения подключен к первому входу первого блока суммирования, а выход второго дополнительного блока умножения через первый блок инвертирования подключен соответственно ко второму входу первого входа суммирования, выход второго блока сум-

мирования подключен ко второму входу первого блока сравнения, а также ко второму входу первого задатчика дозатора и третьему входу блока памяти.

Устройство для многокомпонентного дозирования (рисунок 5), содержащее N каналов последовательного дозирования, причем первый канал содержит

> 3, * 1

■41

2,

3,

2,

3„-,

1п-.

2„-1

4,

7,

ПГ

10, л

6„-2

а*

1Г

Ютл П

з„ 1„

4

Рисунок 5 - Устройство для многокомпонентного дозирования, где 1|-1„-дозаторы, 2Г2П— первые блоки умножения, 3Г3П - вторые блоки умножения, 41-4„.! - третьи блоки умножения, 5г5п.2 - первые сумматоры, б1-б„. 2- четвертые блоки умножения, 7,-7п.2 - вторые сумматоры, 8Г8П_2 - пятые блоки умножения, 9г9п.2 - третьи сумматоры, 10,-10п.2 - шестые блоки умножения.

последовательно включенные дозатор и первый блок умножения, остальные каналы, кроме УУ-го, содержат второй блок умножения и последовательно включенные дозатор и первый блок умножения, УУ-й канал содержит дозатор и второй блок умножения, а каждый канал, кроме /У-го, начиная со второго, содержит первый и второй сумматоры, отличающиеся тем, что, с целью повышения точности дозирования, введены во все каналы, кроме Л-го, третий блок умножения, подключенный входом к выходу первого блока умножения, в первый введены второй блок умножения, а в остальные каналы, кроме первого и N -го, четвертый, пятый, шестой блоки умножения и третий сумматор, при этом в каждом канале выход второго блока умножения подключен к входу дозатора, во втором канале вход второго блока умножения соединен с выходом первого блока умножения первого канала, во всех каналах, начиная со второго и кроме Л-го канала, соответствующие входы первого сумматора соединены с выходами дозаторов своего и предшествующих каналов, а выход первого сумматора соединен через четвертый блок умножения с первым входом третьего сумматора, соответствующие входы второго сумматора соединены с выходами третьих блоков умножения своего и предшествующих каналов, а выход второго сумматора соединен через пятый блок умножения с вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен через шестой блок умножения с входом второго блока умножения последующего канала.

Производственные испытания системы проводились в ОАО "Оренбург-гражданстрой", ОАО "Оренбургзаводстрой". В процессе испытания оценивался коэффициент вариации дозирования цемента, как наиболее дорогого компонента бетонной смеси, а также коэффициент вариации прочности бетона, который составил 4,5%.

Кроме того, предложенная система обеспечивает устойчивое снижение расхода цемента в пределах (0,9 - 1,15)% и соответственно снижение затрат на производство бетона около 1,7%, что соизмеримо с величиной, определенной целевой программой 0.1Д.026 "Создать и ввести в действие АСУТП приготовления, транспортирования и укладки бетона, обеспечивающую экономию це-

мента на 3% и снижение себестоимости продукции на 5%". Ожидаемый экономический эффект внедрения по Оренбургской области составил 0,835 млн. рублей.

Выводы

1. Проблема повышения качества многокомпонентного дозирования бетонных смесей является до настоящего времени актуальной и требует решения. Анализ показывает, что особенно остро стоит эта проблема в связи с переходом на рыночные отношения и вступлением в действие закона о защите прав потребителей.

2. Существующие конструкции дозаторов обеспечивают дозировку компонентов бетонных смесей с отклонениями, характеризующимися среднеквадратичными отклонениями - до 20-30 кг, и коэффициентом вариации (6...8)%. Наиболее эффективным методом повышения качества дозирования является использование адаптивных систем управления для реализации связного многокомпонентного дозирования.

3. Моделирование оптимального управления дозатором по стоимостному критерию, учитывающее как вероятность брака, так и стоимость компонентов бетонной смеси, позволяет получить закономерности управления процессом дозирования, обеспечивающие наиболее эффективное протекание производственного процесса.

4. Разработанный адаптивный алгоритм и устройство управления для его реализации обеспечивают повышение качества дозирования наиболее ценных компонентов и позволяют снизить коэффициент вариации дозирования в 1,3-1,5 раза.

5. Адаптивная система связного многокомпонентного дозирования позволяет обеспечить дозирование с учетом "ценности" компонентов бетонных смесей. Схема может быть использована и в смежных отраслях, требующих высокоточного дозирования дорогостоящих компонентов

(пищевая, комбикормовая промышленность, порошковая металлургия). Новизна полученных решений подтверждена патентом на изобретение.

6. Имитационное моделирование процессов многокомпонентного дозирования и производственная эксплуатация на опытно-промышленной установке показывают достаточно высокую эффективность предложенных алгоритмов и устройств управления процессами дозирования по экономическому критерию.

7. Оценка эффективности результатов исследований показывает, что она обеспечивает снижение расхода цемента до 1,7%, что в масштабах только Оренбургской области составляет 0,835 млн. рублей.

Список опубликованных работ.

Основное содержание диссертации и научные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Бубело В.В., Федотов A.M., Тимофеев В.М., Кухарь Н.Г., Касимова Б.Р. О взаимном влиянии основных параметров паровоздушной среды в пропарочной камере и возможности их регулирования./ Известия вузов "Строительство и архитектура" №6, 1983г. - 4с.

2. Ашхаруа А.Г., Федотов A.M., Барский Р.Г., Воробьев В.А. Оптимизация настройки задатчиков дозаторов дискретного действия при стоимостных критериях оценки качества./ Известия вузов "Строительство и архитектура" №1, 1987г. - 6с.

3. Федотов A.M. Повышение точности дозирования компонентов ц/б смесей. // Сб. науч. тр. МАДИ "Автоматизированный контроль и управле ние технологическими процессами в строительстве". М., 1985г. - 4с.

4. Ашхаруа А.Г., Федотов Ф.М., Барский Р.Г., Воробьев В.А., Пенькина Л.Г. Устройство для многокомпонентного дозирования. Авторское свидетельство №1254445 от 01.05.1986.

5. Заец В.Н., Федотов A.M., Федько В.В. Критерии оценки качества дози-

рования состава многокомпонентной смеси. // Тез. докл. науч.- техн. конф. Молодых ученых и специалистов, посвящ. 1000-ю Брянска, "Материалы, технология и конструкции для Нечерноземья". / Брянск, 1985 г, -1с.

6. Федотов А.М. Управление процессом дискретного дозирования с учетом стоимостного критерия оценки качества. И Сб. науч. тр. МАДИ "Автоматический контроль и управление технологическими процессами в строительном производстве", М., 1987. - 4с.

7. Федотов A.M. Применение алгоритма адаптации для управления процессом многокомпонентного дискретного дозирования. // Тез. докл. науч.-техн. конф. "Научно-технические достижения строительному комплексу ". 14-15 апреля. / Целиноград, 1988г. - 1с.

8. Федотов A.M. Один из вариантов компенсации погрешностей дозирования компонентов бетонной смеси. // Тез. докл. ХХ1П науч.-техн. конф. "Пути ускорения перестройки строительного комплекса". / Целиноград, 1990г.,- 1с.

9. Федотов A.M. Отчет о научно-исследовательской работе "Разработка и Исследование системы автоматизации бетонного завода ЮжноУкраинской АЭС". Тема №796. УДК 691. 32. 006. 3: 65. 011. 54. Номер гос. Регистрации 01860017772. / М., 1986г.

Соискатель

Федотов A.M.

Лицензия № ЛР020716 от 02.02.93. Подписано в печать 30.11.98 Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 70 Заказ 909

Отпечатанно в Оренбургском государственном университете. 460352, г.Оренбург, ГСП. пр. Победы," 13. И ПК О ГУ

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Федотов Александр Михайлович

Автоматизация процесса дискретного дозирования составляющих бетонных смесей с оптимизацией по стоимостному критерию

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических

у

наук по специальности 05.13.07 "Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)"

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: д.т.н., профессор Абдрашитов Р.Т.

Оренбург - 1998

Оглавление

стр.

Введение..............................................................................................................................................................4

1 Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования..................11

1.1 Оценка влияния точностных показаний процесса дозирования исходных компонентов на качество бетонных смесей и изделий из них..................................................................................................................................................................11

1.2 Системы автоматического дискретного многокомпонентного дозирования........................................................................................................................15

1.3 Критерии оценки качества процессов многокомпонентного дозирования..........................................................................................................................................22

1.3.1 Критерий суммарной дисперсии..........................................................................23

1.3.2 Минимальный критерий оценки эффективности..................................25

1.3.3 Критерий оценки погрешности координации..........................................25

1.3.4 Оценка качества по бинарному критерию....................................................26

1.3.5 Вероятностный критерий оценки качества......................................27

1.4 Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования............................28

2 Теория вопроса ...................................................................................................................30

2.1 Постановка задачи оптимального управления дозированием компонентов смесей....................................................................................................................30

2.2 Оптимизация настройки дозатора по экономическому критерию ... 36

2.3 Алгоритм адаптации настройки дозатора......................................41

2.4 Синтез алгоритма многокомпонентного дозирования..................................50

2.4.1. Критерий оценки процесса дозирования....................................................50

2.4.2 Структуры систем управления........................................52

2.4.3 Синтез оптимального закона поэтапного управления......................56

3 Методика экспериментального исследования..........................................62

3.1 Цель и задачи исследования.........................................................................62

3.2 Методика статистической обработки..........................................................................62

3.3 Методика оптимизации уставок по экономическому критерию .... 65

3.4 Методика имитационного моделирования............................................................68

3.4.1 Методы компенсации систематических погрешностей дискретного дозирования..........................................................................................68

3.4.2 Управление настройкой дозаторов дискретного действия на основе алгоритмов адаптации..............................................................................73

3.4.3 Имитационное моделирование алгоритма адаптации....................79

4 Результаты экспериментальных исследований......................................83

4.1 Статистический анализ процессов дозирования................................................83

4.2 Результаты оптимизации смещения настроек дозатора по стоимостному критерию..........................................................................................................86

4.3 Результаты имитационного моделирования законов управления дозированием........................................................................................................................................91

4.4 Устройство оптимального управления процессом дозирования компонентов бетонной смеси..............................................................................................93

4.5 Оценка экономической эффективности систем связного управления процессом дозирования цементобетонных смесей..........98

Общие выводы..........................................................................................................................105

Литература....................................................................................................................................107

Приложение 1 ............................................................................................................................119

Приложение 2............................................................................................................................123

Приложение 3............................................................................................................................135

Приложение 4............................................................................................................................140

Приложение 5............................................................................................................................149

Введение

Актуальность темы. Одной из острых современных проблем является проблема повышения конкурентоспособности производства, в частности продукция промышленности строительных материалов. Причем, при повышении конкурентоспособности производства необходимо учитывать вопросы обеспечения качества продукции, которые предусмотрены законом "о защите прав потребителей ". Производительность, издержки производства и качество продукции являются основными характеристиками, определяющими конкурентоспособность любого предприятия, и оптимизация соотношений между этими характеристиками является важным резервом повышения эффективности его функционирования.

Важное место в экономике страны занимает стройиндустрия, производство строительных материалов, в частности цемента. Общий объем потребления цемента в СССР 12 пятилетки составлял 140 млн. тонн /106/, что в денежном эквиваленте современных цен составляет 56 млрд. рублей. Эту цифру можно принять за оценку фактической потребности страны в цементе. Поэтому любая экономия его потребления может дать большой эффект. Качество и себестоимость продукции являются определяющими факторами, обеспечивающими конкурентоспособность продукции.

Одним из основных показателей качества железобетонного изделия является прочность бетона. Анализ результатов практической деятельности предприятий по производству сборного железобетона показывает существенную вариацию прочности бетона, которая в отдельных случаях достигает 30% /3,62/, а в среднем по стране составляет 10-12%, что обуславливает наличие значительного перерасхода цемента, компенсирующего нестабильность прочности бетона. Даже средние вариации прочности бетона в 10-12% приводят к тому, что до 20% выпускаемого цемента для заводов сборного железобетона идет лишь на компенсацию неуправляемых вариаций входного качества исходных материалов и режимов технологии /46/. Таким образом,

снижение вариации прочности бетона с одной стороны позволит значительно повысить качество конструкций и изделий из него, а, с другой стороны, является одним из основных резервов экономии цемента.

Начальным этапом в технологии приготовления бетона является процесс дозирования компонентов, входящих в бетонную смесь. Оптимальные свойства бетона существенно зависят от рационального соотношения его составляющих, что позволяет наиболее полно использовать структурные особенности материала и обеспечивает экономию цемента, как наиболее дорогостоящего материала. Таким образом, дозирование компонентов бетонной смеси является одним из определяющих этапов в формировании заданных характеристик бетона. В настоящее время, несмотря на накопленный опыт производства сборного железобетона, на большинстве действующих заводов стройиндустрии точность дискретного дозирования компонентов бетонной смеси не всегда соответствует нормам, установленным ГОСТом. Отклонения доз компонентов, входящих в бетонную смесь, вызванные погрешностями дозирования, приводят к ухудшению качества готовой продукции /74,75,124/ и, как следствие, перерасходу цемента. Анализ влияния точности дозирования на качественные характеристики бетона показал, что около 30% общей дисперсии прочности бетона обусловлены погрешностью дозирования /109,123/. Таким образом, повышение точности дозирования позволит, во-первых, получать бетонные смеси высокого качества, во-вторых, экономить дорогостоящие материалы, входящие компонентами в бетонную смесь, в-третьих, получать бетонные и железобетонные изделия заданной прочности и снизить вариацию этого параметра.

Следует отметить, что в России и за рубежом повышению точности дозирования уделяется большое внимание. В решении этой проблемы наметилось несколько путей: с одной стороны, разработка принципиально новых типов весодозировочного оборудования и систем управления с целью повышения метрологических характеристик дозаторов, с другой стороны, совершенствование существующих систем управления, разработка новых алго-

ритмов управления, позволяющих оптимизировать процесс дозирования, широкое применение вычислительной техники для целей управления технологическим процессом приготовления бетонной смеси применительно к действующему оборудованию бетоносмесительных узлов.

Работа посвящена совершенствованию процессов управления действующим оборудованием бетонных заводов на основе оптимизации дозирования компонентов бетонной смеси.

Тема диссертационной работы формировалась в соответствии с целевой научно-технической программой О.Ц.026, раздел 01.77 "Создать и ввести в действие АСУТП приготовления, транспортирования и укладки бетона, обеспечивающую экономию цемента на 3% и снижение себестоимости продукции на 5%", утвержденной ГКНТ и Госпланом СССР №473/249 от12.12.1980г.

При завершении работы учитывались изменения в экономической ситуации, прошедшие в стране в последние годы, и оказывающие существенное влияние на решение рассматриваемой проблемы.

Цель работы. Исследование закономерностей формирования качества бетона на этапе дозирования составляющих бетонной смеси с учетом экономических критериев.

Задачи исследования:

- обосновать критерий оценки качества управления дискретным дозированием отдельных компонентов с учетом их стоимости и исследовать процесс формирования погрешности дозирования компонентов на основе стоимостного критерия;

- разработать и исследовать адаптивный алгоритм управления процессами дискретного дозирования, минимизирующий погрешности дозирования с целью поддержания заданного соотношения масс компонентов и стабилизации экономических показателей технологического процесса приготовления бетонных смесей;

- провести имитационное моделирование управления процессом дозирования в условиях случайных помех;

- синтезировать структуру системы управления дозированием компонентов бетонных смесей с учетом требований, предъявляемых АСУ бетонными заводами, оценить ее эффективность.

Объект исследования - процесс дискретного многокомпонентного дозирования бетонных смесей.

Методы исследования. Имитационное моделирование, теория вероятностей и математическая статистика, теория адаптивного управления, многокритериальная оптимизация.

Научная новизна результатов исследования заключается в исследовании процесса формирования качества бетонных смесей на этапе дозирования компонентов с учетом экономического критерия, в частности:

- разработана модель формирования качества продукции с учетом стоимостных показателей;

- получены результаты моделирования процессами управления качеством дозирования;

- сформулированы способы адаптивного управления процессом одно-компонентного дозирования, компенсирующего систематическую погрешность;

- разработан алгоритм и структура системы адаптивного связного управления многокомпонентным дозированием.

Практическая значимость результатов исследований заключается в разработке адаптивной автоматической системы управления процессами дозирования многокомпонентных бетонных смесей, а также в разработке методики оптимальной настройки систем управления.

Результаты исследования могут быть использованы проектно-конструкторскими организациями при автоматизации технологических процессов в смежных отраслях промышленности, требующих точности дозирования дорогостоящих компонентов, например, в пищевой, комбикормовой

промышленностях, в порошковой металлургии и т.д., а также предприятиями, эксплуатирующими системы дозирования.

Реализация результатов исследования. Результаты работы внедрены в ОАО "Оренбурггражданстрой", ОАО "Оренбургзаводстрой".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященная 1000-летию г. Брянска "Материалы, технология и конструкции для Нечерноземья" (г. Брянск, 1985г.); на 45-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (г. Москва, 1987г.); на научно-технической конференции "Проблемы механизации и автоматизации ПРТС работ" (г. Могилев, 1986 г.); на научно-технической конференции научных работников, специалистов и студентов "Научно-технические достижения - строительному комплексу" (г. Целиноград, 1988 г.); на XXIII научно-технической конференции "Пути ускорения перестройки строительного комплекса" (г. Целиноград, 1990 г.); на научно-технической конференции научных работников, специалистов и студентов "Вклад ученых ЦИСИ в ускорение НТП" (г. Целиноград, 1991 г.); на XIX научно-методической конференции "Проблемы совершенствования подготовки специалистов в условиях перехода ВУЗа к рыночной экономике" (г. Акмола, 1992 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе получено авторское свидетельство.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, содержащего 132 источника. Работа изложена на 154-х страницах машинописного текста, включая 34 рисунка.

В первой главе "Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования" приведены данные по актуальности проблемы повышения точности дозирования компонентов бетонных смесей и изделий из них.

Так показано, что проблема дозирования компонентов тесно связана как с затратами на приготовление бетонных смесей, так и с качеством про-

дукции. Это особенно при современных рыночных отношениях, а также в связи с вступлением в силу закона "о защите прав потребителей".

В обзоре также приведены некоторые сложившиеся в настоящее время представления о проблеме дозирования, в том числе: оценка влияний точности дозирования компонентов на качество бетонных смесей и изделий из них; существующие системы автоматического дискретного многокомпонентного дозирования; критерий оценки качества процессов многокомпонентного дозирования.

В работе показана роль связного дозирования в повышении качества бетонных смесей, так как она позволяет производить коррекцию уставок последующих дозаторов, включающихся в работу после завершения цикла дозирования предыдущими дозаторами. Такая коррекция осуществляется специальными системами управления и вызвана необходимостью поддержания заданных соотношений между массами компонентов, составляющих смесь.

Задача оптимального многокомпонентного связного дозирования является задачей многокритериальной оптимизации. При ее решении, как правило, используется метод свертки критериев, который, в конечном счете, позволяет получать приемлемые результаты дозирования. Однако, как показывает анализ, в научной литературе слабо освещены вопросы оптимизации процессов дозирования по стоимостному критерию.

На основании вышеизложенного были сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе "Теория вопроса" рассматривалась постановка и решение задачи оптимального управления дозированием компонентов смесей.

В главе приведены результаты решения задач однокомпонентного дозирования по экономическому критерию и многокомпонентного дозирования с учетом условий, накладываемых выбранным критерием. Приведен также адаптивный алгоритм, обеспечивающий оптимизацию управления процессом дозирования по экономическому критерию.

В третьей и четвертой главах приведены методы и результаты исследования процесса дозирования. В частности результаты оптимизации процесса однокомпонентного дозирования по экономическому критерию, результаты имитационного моделирования процессов адаптивного управления.

Предложены схемы адаптивного управления одно- и многокомпонентным дозированиями.

1 Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования

1.1 Оценка влияния точностных показаний процесса дозирования исходных компонентов на качество бетонных смесей и изделий из них

В настоящее время на большинстве заводов строительной индустрии для приготовления бетонных смесей используются дозаторы дискретного действия /14,68/. Процесс дозирования компонентов бетонной смеси является начальным этапом в технологической цепочке изготовления железобетонных изделий. На этой стадии закладываются основные предпосылки получения продукции высокого качества, экономии материальных и энергетических ресурсов /74,75,124/.

С учетом того, что в настоящее время промышленность сборного железобетона, располагая мощностями по выпуску 160 млн. м . конструкций и изделий, ежегодно потребляет до 50 млн. т. цемента /3/, роль процесса дозирования компонентов бет�