автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация процессов связного дозирования компонентов при производстве строительной керамики

На правах рукописи

ДИНЬ АН НИНЬ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СВЯЗНОГО ДОЗИРОВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНОЙ

КЕРАМИКИ

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

I

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Научный руководитель: Илюхин Андрей Владимирович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов» ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный

государственный технический университет (МАДИ)», г. Москва Официальные оппоненты: Минцаев Магомед Шавалович,

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Автоматизация и управление» ФГБОУ ВПО «Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова (ГГНТУ)», г. Грозный. Горюнов Игорь Иванович, кандидат технических наук, профессор, кафедры «Информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве» ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет (МГСУ)» г. Москва

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт московского строительства» (ОАО «НИИМосстрой»), г. Москва.

Защита состоится 3 июля 2015 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д. 64, ауд. 42. Телефон для справок: (499) 155-93-24. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Текст автореферата размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии: www.vak.edu.gov.ru.

Автореферат разослан 29 апреля 2015 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета, а копии отзывов присылать по электронной почте: uch30vet@madi.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.126.05, " Михайлова Н.В.

кандидат технических наук, доцент

г.

I РОССИЙСКАЯ |ГОСУДАРСТВЕННАЯ

,1 ЯИКЛМПТГ^л

БИБЛИОТЕКА 2015

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При производстве керамических изделий необходимо реализовать ряд мер, способствующих как увеличению выпуска продукции, так и повышению её качества. Эффективное решение этих задач должно широко использовать средства автоматизации технологических процессов и производства керамических масс.

Основными причинами, препятствующими получению высококачественных керамических масс на заводах по производству строительной керамики, служит нестабильность свойств исходных материалов и случайные ошибки дозирования сырьевых компонентов. Повышение качества керамических масс при флуктуациях свойств и наличии случайных ошибок дозирования достигается за счет совершенствования процедур определения шихтового состава и повышения точности дозирования компонентов.

Одним из основных параметров, характеризующих качество процесса дозирования многокомпонентных смесей, является точность соблюдения заданной рецептуры. Поскольку массы компонентов, составляющих керамическую смесь, связаны между собой ее рецептурой, то отклонение дозы даже одного компонента от номинала приводит к нарушению заданных соотношений между компонентами и, как следствие, к изменению заданных качественных характеристик смеси. Так как отклонение состава смсси от заданной рецептуры вызывает изменение как физических свойств самой смеси, так и прочностных и других характеристик изделий строительной керамики, то к точности дискретного дозирования составляющих смеси предъявляются высокие требования.. Соответствующими нормативными документами установлены допустимые пределы погрешностей дозирования, однако в настоящее время на большинстве действующих заводах строительной индустрии, использующих циклическую технологию приготовления строительных смесей, точность такого дозирования не всегда соответствует требуемой, чем, в частности, обусловлена значительная вариация прочности изделий.

Проблеме повышения точности дискретного дозирования уделяется большое внимание. Можно выделить два основных направления в ее решении. Первое из них связано с исследованиями в области совершенствования весодозирующего оборудования и систем управления ими, с целью улучшения, метрологических характеристик собственно дозаторов. Второе направление связано с совершенствованием систем управления многокомпонентным дозированием применительно к действующему оборудованию. Однако принимаемые меры по совершенствованию систем управления дозированием, а также по улучшение метрологических характеристик весодозирующего оборудования циклических действия не всегда дают желаемый результат. Погрешности современных автоматических дозаторов составляют не менее ±2-3%, достигая в ряде случаев 5-8%.

Использование в процессах управления дозированием информации о величине ошибок дозирования отдельных компонентов, позволяет существенно повысить точность соблюдения заданных качественных характеристик смеси, не прибегая к модернизации весодозирующего оборудования. Это одна из основных предпосылок разработки систем связного многокомпонентного дозирования.

Принцип связного дозирования, нашедший применение в настоящее время только при дозировании компонентов бетонной смеси, основан на использовании информации об ошибках дозирования компонентов и методах их компенсации. При этом критерий автоматического управления процессом связного дозирования сводится к обеспечению постоянства шихтового состава смеси, то есть, постоянства процентных содержаний отдельных компонентов. В соответствии с этим критерием предполагается, что дозы компонентов по массе могут изменяться лишь в одну сторону.

В отличие от бетонных смесей качество керамических масс определяется как процентным содержанием компонентов в массе, так и их физико-механическими свойствами, зафиксированными в нормативных документах, что не позволяет получать заданное

качество массы только за счет поддержания постоянства процентных содержаний отдельных компонентов.

Состав керамических масс формируется такими компонентами, как - пегматит, полевой шпат, каолин, глина. Близость физико-механическими свойств пластичных материалов (пегматит, каолин, глина) позволяет изменение дозы одного из компонентов компенсировать изменением дозы другого - таким образом, что бы поддерживать с высокой вероятностью качество керамической массы в пределах заданных технологических ограничений. Такой подход к формированию керамической массы с заданными свойствами требует разработки автоматизированной системы управления связным дозированием компонентов со своими критериями оценки, структурой и функциональными связями. Поэтому выбор решений при разработке систем управления процессами связного циклического дозирования компонентов керамических масс на заводах по производству строительной керамики, является актуальной задачей.

Цель работы. Повышение качественных характеристик керамических масс, за счет разработки автоматизированной системы управления связным многокомпонентным циклическим дозированием, используя информацию об ошибках дозирования отдельных компонентов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выполнить анализ зарубежного и отечественного опыта автоматического управления процессами циклического дозирования компонентов строительных смесей, методов и средств их автоматизации;

• обосновать критерий оценки качества функционирования системы управления технологическим процессом связного дискретного дозирования компонентов керамической массы с учетом статистических характеристик изменения их доз;

• разработать математическую модель расчета рецепта керамических масс при случайных ограничениях области оптимизации их качественных характеристик;

• сформулировать основные принципы разработки математической модели оптимизации качественного состава керамических масс, которые позволяют определить границы эффективного использования алгоритмов управления процессами связного дозирования компонентов;

• разработать математическую модель связного многокомпонентного циклического дозирования составляющих керамической массы;

• разработать структуру и функциональное наполнение системы оптимального управления процессами связного дозирования компонентов керамической массы;

• провести экспериментальную проверку полученных результатов.

Методы исследования. Результаты диссертационной работы получены на основе комплексного использования методов теории автоматического управления, математической статистики и моделирования.

Научная новизна. Основным научным результатом является развитие теории и практики автоматического управления процессами связного циклического дозирования компонентов керамической массы на основе учета ее качественных характеристик.

Научная новизна работы заключается в обосновании и разработке:

1) математической модели расчета рецепта керамических масс при случайных ограничениях области оптимизации их качественных характеристик;

2) критерия оценки качества управления технологическим процессом связного дискретного дозирования компонентов керамической массы с учетом статистических характеристик их ошибок дозирования;

3) принципов формирования математической модели оптимизации качественного состава керамической массы;

4) структуры и функционального наполнения системы оптимального управления процессами связного дозирования компонентов керамической массы.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Комплекс теоретических и практических методов автоматизации процессов управления системой циклического многокомпонентного связного дозирования составляющих керамической смеси с введением корректирующих воздействий по уменьшению погрешностей её качественных характеристик, заданных по рецепту.

2. Математическое описание процесса автоматического управления связным многокомпонентным дозированием, т.е. текущим значением уставки очередного в последовательности набора доз дозатора, с учетом вызванных внешними возмущениями погрешностей ранее отдозированных материалов.

3. Результаты применения системы циклического многокомпонентного связного дозирования для производства керамических масс.

Практическая ценность. Результаты исследований в области автоматизации процессов циклического многокомпонентного связного дозирования с введением корректирующих воздействий по результатам определения ошибок дозирования отдозированных компонентов, заключаются в том, что они являются практической базой для научно обоснованного настроек (выбора) параметров системы дозирования, обеспечивающей ей высокие метрологические характеристики, за счет уменьшения погрешностей качественных характеристик компонентов в готовой керамической массе, заданных по рецепту. Использование принципа связного циклического дозирования компонентов керамической массы, дает возможность расширить возможности по управлению процессом дозирования за счет нанесения корректирующих воздействий в процессе набора заданной дозы, увеличивая тем самым адаптацию структуры к меняющимся внешним условиям, уменьшая погрешности в воспроизведении рецепта до 1,5%. Результаты работы внедрены в ООО МСК «МОСТ-К».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 8-й межвузовской научно-технической конференции «Интерстроймех» (г. Москва, 2014 г.), научно-методических конференциях МАДИ (г. Москва, 2012-2015г.), кафедре автоматизации производственных процессов МАДИ.

Публикации. Основные научные результаты работы изложены в шести публикациях в открытой печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложения, списка использованной литературы, насчитынающего 55 наименований, и содержит 120 страниц текста, 35 иллюстраций, 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу технологических схем производства керамических масс, техническим средствам дозирования компонентов. Сформулированы основные задачи технологического и технического совершенствования процессов промышленного производства керамических масс за счет внедрения методов и средств автоматизации процессов дозирования.

Приготовление керамической массы в виде однородной тонкодисперсной смеси сырьевых компонентов, является одним из технологических переделов керамической технологии.

Керамическая масса представляет собой однородную тонкодисперспую смесь сырьевых компонентов. Ее приготовление составляет один из переделов керамической технологии.

Главные составляющие производства керамической массы представляет собой подготовку сырьевых компонентов и их перемешивание, получение керамической массы (рис. 1).

Исходным сырьем для херамиких изделий служат пластичные (глинистые) (глина, каолин) и отощающие материалы (кварцевый песок, полевой шпат или пегматит). При производстве керамических масс используется раздельная коррекция составов пластичной и отощающей композиций. Дозирование отощающнх материалов производится с точностью ±2 - ±5%. Для дозирования пластичных суспензий используются мерные баки, которые дают погрешности дозирования не менее ±3%.

Наличие ошибок дозирования пластичных суспензий приводит к отклонениям процентных содержаний компонентов от расчетных значений х^ на величину:

5,ДК г ,

(2.2)

О

где ЛУ, - отклонение у-го объема суспензии от расчетного значения; - масса сухого вещества в единице объема у'-ой суспензии; О" - масса сухого вещества в порции.

■ СТО

.1 1

ЦП V 3

Уа=Щ-' у^М1'

|! ^ Г) (Ои^П рв

Ч» Iй* 1 * I™ * иЗ

Ж

|>и л 7 7

1

Рис. 1. Технологический процесс производства керамической массы. 1 - закрытый склад; 2 - расходные бункера; 3 - ленточный питатель; 4 - фрезерно-метатсльные мельницы; 5 - рабочие бассейны; 6 - мембранные насосы; 7 - мерные баки; 8 - расходный бункер; 9 - лотковые питатели; 10 - наклонный ленточный конвейер; 11 -весы платформенные; 12 - горизонтального ленточного конвейера; 13 - шаровую

мельницу; 14-расходные бассейны; 15 - Фильтр пресс. Погрешности дозирования пластичных суспензий в 5% приводят к отклонениям шихтового состава керамической массы на 0,2-0,75%, а качественных параметров пластичной композиции на 4,9-5%, что увеличивает потери от брака в среднем на 1-2%.

Можно констатировать, что даже, если при подборе шихтового состава обеспечивать высокие качественные показатели керамической массы, то после реализации операций дозирования они будут значительноотличаться от расчетных значений. Причем эти

отклонения тембольше, чем больше погрешности дозирования отдельных компонентов. Поэтому необходимо учитывать ошибки дозирования на стадии определения шихтового состава массы, что позволит стабилизировать ее качество в заданной технологическими ограничениями области.

Используемые на практике системы управления циклическим дозированием относятся к системам независимого дозирования, обеспечивая получение заданной дозы отдельных компонентов.

Необходимо использовать возможность выделения информации об ошибках дозирования отдельных компонентов и использования ее в системах связного управления процессами многокомпонентного дозирования. Сущность способа связного дозирования заключается в коррекции доз последующих компонентов по ошибкам дозирования предыдущих. Применение этого способа для дозирования компонентов бетонной позволило снизить погрешности циклического дозировали, цемента до ± 1,5%, песка и щебня до ± 2%.

Структура системы связного последовательного дозирования компонентов керамической массы (рис.2) предполагает следующий алгоритм управления процессом циклического дозирования, при наличии следующих исходных данных: доза результирующей массы смеси Ур,,^ - коэффициент долевого содержания массы 1 -го

компонента в заданной массе смеси, равный отношению его заданной дозы Хю к массе

смеси V : р°

,0 = 1.4)/ уро

После дозирования первого компонента определяется его реальная масса и соответственно ошибка дозирования. С учетом измеренной реальной массы компонента Х[ с уставкой £/, корректируется (изменяется) доза с уставкой иг следующего второго в последовательности (рис. 1.9) компонента Хг, таким образом, чтобы сохранить его заданное процентное содержание в результирующей массе смеси:

^ = ; ^ = х2 (С/2) или и2 = Х{ (и,) • /у,. У\ У 2

Аналогично корректируются дозы остальных компонентов смеси. Уставка задатчика дозатора компонента смеси Хп, дозируемого на п - ом этапе определяется, как:

^ -Г./г.-, •

Суммарная масса отдозированных компонентов - Х|(и1), ХгО^),..., Хп(1)п) определит значение результирующей массы смеси по окончании цикла дозирования.

Структура связного последовательного дозирования, дана на рис.2, а на рис.З-функциональная схема системы управления, реализующая принцип последовательного дозирования компонентов.

Рис. 2. Структура системы связного последовательного дозирования

Рис.3. Функциональная схема системы связного последовательного дозирования

Технологическим показателем процесса производства керамических масс служит их качество, которое оценивается не одним, а несколькими показателями. Эти качественные показатели находятся в сложной зависимости как от свойств сырьевых компонентов, так и от их процентных содержаний в массе. В состав керамических масс входит ряд материалов, близких по физико-химическим свойствам. Это пегматит и полевой шпат, каолины. Их близкие по свойства позволяют недовес или перевес одного из них в процессе дозирования компенсировать увеличением или уменьшением дозы другого. При управлении последовательным процессом связного дозирования компонентов керамической массы по критерию постоянства их процентных содержаний в массе компенсация ошибки дозирования предыдущего компонента сопровождается отклонением доз последующих компонентов со знаком, совпадающим со знаком этой ошибки. Поэтому использование критерия постоянства процентных содержаний компонентов в процессе управления их связным дозированием при производстве керамических масс не дает ожидаемого результата.

При связном дозировании, перед началом дозирования очередного компонента, анализируется результат дозирования предыдущих компонентов смеси и на основе принятого критерия оптимизации процесса в программу дозирования очередного компонента вносятся соответствующие изменения. При завершении программы дозирования компонента Хх можно оценить отдозированную фактическую массу компонента Х^и,) при заданной уставке (/,. Информация о значении массы отдозированного компонента используется для коррекции доз компонентов, дозируемых на следующих этапах.

В общем случае наличие корректирующих связей по выбранному критерию, выражается функциональной связью:

и, =г[х[(и1\х,(иг),...,х1_1(и,л ' = (1)

где X, (С;) - фактические (измеренные) массы отдозированных компонентов

Л\,Х2,...,ХМ -уставка задатчика дозатора компонента X,,

Способ управления коррекцией доз компонентов, зависит от выбранного критерия оценки качественных характеристик процесса дозирования.

Оценкой качества керамической массы служат т параметров Q¡>, которые могут быть представлены т - вектором а критерием оптимальности служит вероятность попадания вектора качества керамической массы (2° в область П, заданную технологическими ограничениям.

Состав большинства строительных смесей основан на аддитивной зависимости

п

параметров от соответствующих свойств у'-х компонентов: = , где

процентное содержание у - го компонента в массе.

Доза у- го компонента ¿^ в порции массы С0 определяется вы])ажением £° = 0.01 £?0

х°. Случайные ошибки дозирования компонентов приводят к отклонению от их

расчетных значений на величину, определяемую ошибками Д/ весодозирующей аппаратуры у-го компонента:

*°=*у°0 + 0.0Ц), ^ = ^-100,[%] (2)

где 8] - погрешность дозирования у- го компонента принимает любое значение в интервале [- Д/, А/].

При этом величины Xу > являясь функциями , также приобретают случайный характер. При отсутствии систематических ошибок дознавания Л/{<Уу} = 0,

математические ожидания ху не меняются, т.е. Л/|лу|= Л/{х°,}, но увеличивается дисперсия £>{*,}

+ + (3)

Вкладом У у у -го компонента в < -й параметр качества является величина

Уц-ац*). тогда: 0=1 Л(1Ю.0Ц); 0,.° = £ ,

1=I у=1

Как правило, - величины одного порядка, а количество компонентов достаточно

большое, что позволяет предположить нормальный закон распределения параметров Q,0.

Если область О описывается верхними 0 и нижними границами £?В изменения / -х параметров, то вероятность Р попадания качества массы в заданную область, является мультипликативной функцией вероятностей Р, попадания параметров Ql в область П, описываемую интегралом Лапласа Ф:

[ ) Ч )

ф

(4)

где У = р'у | - (т*п) - матрица вкладов У у ; У1 - / - й столбец матрицы У; 8 - п -вектор относительных погрешностей дозируемых компонентов.

В формуле (4) математические ожидания и дисперсии

определяются следующими выражениями:

м{е,(г„Ц »¿(л/М+лф,,*;}), №

/=1

Если математические ожидания так же, как | не зависят от случайных

ошибок дозирования, то это влияет лишь на изменение дисперсии параметров Q¡.

При отсутствии ошибок дозирования величина вероятности Р максимальна и равна

Р° . Случайные ошибки дозирования у-го компонента ] уменьшают вероятность Р° на величину ЛР).

Анализ систем управления дозированием компонентов сырьевых смесей показал, что связное дозирование наиболее перспективный метод повышения точности соблюдения заданных качественных характеристик смеси. Существуют системы управления связным многокомпонентным дозированием для бетонных смесей. Синтез подобных систем основан на поддержании заданных процентных содержаний компонентов в смеси. Для керамического производства такой принцип недостаточно эффективен из-за взаимосвязи параметров качества массы с вкладами Необходимо перераспределение процентных содержаний компонентов в области допустимого качества массы в процессе связного дозирования, то есть необходим синтез системы управления связным дозированием компонентов керамических масс по критерию максимума вероятности попадания качества массы в заданную технологическими ограничениями область £1.

Во второй главе решается задача разработки математической модели керамической смеси с учетом статистического характера распределения качественных параметров компонентов и механизма улучшения ее свойств за счет динамической коррекции рецепта смеси в процессе дозирования.

Качество смеси формируется на основе оперативной информации о свойствах сырьевых компонентов. Практика строительного производства показывает, что существует определенная область изменения параметров качества = \,2,...,т,), в пределах которой они не оказывают существенного влияния на ход процессов формирования готовых изделий, не увеличивая потери от брака; т.е. существуют ограничения на допустимые изменения параметров ()?:

я

где в,° = Та,*. ) п . количество компонентов, - коэффициенты влияния /-го

У=1

свойствау'-го компонента на качество смеси.

Возможные изменения управляющих переменных образуют область И, которая представляет собой выпуклый многогранник. Подбор состава смеси заключается в удовлетворении всех ограничений на изменения ее параметров при выбранном критерии оптимальности Р(хд ).

Тогда расчетный состав лг0 смеси может быть получен в результате решения следующей задачи:

ор([ Г(х°)/д\х°)в а ]

(8)

*о

Поддержание процентных содержаний компонентов в ходе технологического

процесса обеспечивает значение параметров с точностью, определяемой погрешностью методов измерения и ошибками дозирования.

При действии на систему случайных возмущающих воздействий выходные параметры и значения критериев эффективности системы управления носят вероятностный характер. Система становится оптимальной тогда, когда принятый критерий, в качестве которого обычно выбирают какую-либо статистическую характеристику выходного параметра, достигает экстремума.

Для того, чтобы обеспечить попадание всех элементов вектора в область П задачи

(8) по принципу абсолютно гарантированного результата, состав х" керамической смеси не должен выходить за область ограничений:

а: + ¿а,Ах; < < б," - Ё^Лх; , (9)

)=1 м м

(где — 0.01.Ху А/ ) более узкую, чем область (8).

Для стабилизации качества смеси в пределах заданной технологическими ограничениями области П, необходимо выбирать параметры смеси в более узкой области ЗД. Это позволяет учесть влияние ошибок дозирования на качества смеси и гарантировать ее попадание в Г2 с вероятностью Р. Состав смеси, гарантирующий требуемое качество при случайных ошибках дозирования с вероятностью Р, должен соответствовать решению детерминированной задачи математического программирования:

¿[ фЫ+^'М-ЯМ ]<Ю)

1=1

или

£!ргИзс0)]/е((50,<У)еП1],» = 1,и,

где К\уу,Уц\ - корреляционные функции, взаимосвязи качественных показателей

о . . „

компонентов; у^ = - вклад у-го компонента в /-ый параметр качества;

> | - детерминированный аналог вероятностных ограничений.

При заданном объеме производства смеси экономический эффект при управлении процессом получается за счет снижения затрат.

Затраты на сырьевые компоненты керамических масс составляют 60-70%

общих затрат. Расходы, связанные с эксплуатацией дозаторов и автоматических систем дозирования постоянны, что позволяет выбрать ^(¿Го) в качестве экономического критерия оптимальности шихтового состава керамической массы.

Наряду с получением максимального экономического эффекта от выбранного шихтового состава в результате его коррекции необходимо получить заданное качество керамической массы (¡°р'. Величина <2орС обеспечивает наибольшее значение критерия при условии, что значение первого критерия должно быть не меньше, чем кг — Д, где Д -величина уступки, идентифицируемой с приращением себестоимости массы за счет повышения ее качества.

Оптимальный шихтовый состав керамической массы, рассчитываемый по технологическому и экономическому критериям, является результатом решения задачи:

1шп[/, = Я1! (х°) + к ^ /0°(х°)е ад (16)

В третьей главе разработана математическая модель процесса связного дискретного последовательного дозирования компонентов керамической массы.

Расчет состава массы предполагает приближение каждого параметра качества к его оптимальному значению.

Оптимизация модели (10) при заданной критериальной функции /г(л0). ставит своей задачей увеличение вероятности Р. Это возможно только изменением дисперсии погрешности дозирования О^)^ \ в области ограничений Q", за счет соответствующего

изменения свойств системы дозирования.

Вероятность попадания качества смеси в область ограничений (7) максимальна при

8]— 0 и минимальна при динамической коррекции рецепта смеси в процессе дозирования компонентов, когда дисперсия £> {¡2, (У,, &)) } максимальна. За счет варьирования величин взаимокорреляционных моментов дисперсия ошибок дозирования £> будет находиться в диапазоне изменения дисперсий Q^\

о {в, (У, {б, {е, (У,,8! )}, (17)

Приращение дисперсий £> {¡2, (У,, §])} за счет дисперсий ошибок О {8] } может быть скомпенсировано изменением £> \х° } дозируемых компонентов:

(19)

сч

где Ьу, Су - постоянные коэффициенты

Последовательность дозирования компонентов влияет на качество керамической массы. Всевозможные варианты последовательностей дозирования компонентов представляют собой граф, имеющий (и + 1) слоев, где первый слой означает начало дозирования, а последний - его конец.

На рис.3 даны варианты последовательностей дозирования суспензий пластичных материалов. В кружках указаны под номерами указаны: каолин №1; каолин №2; глина №3. Движение по стрелкам указывает выбранную последовательность дозирования компонентов.

суспензий пластичных материалов

Получено, что суспензии пластичных материалов должны дозироваться в следующей последовательности: 1-я - суспензия каолина №1; 2-я - суспензия глины; 3-я - суспензия каолина №2.

Полученная последовательность дозирования суспензий снижает вероятности Р° на величину ДРс =0,0018. При независимом дозировании АРн =0,0029. Связное дозирование пластичных суспензий по принципу компенсации ошибок дозирования в оптимальной последовательности снижает вероятность непопадания качественных параметров массы в область, заданную технологическими ограничениями, на 3-4%.

На рис.4 даны графики зависимостей вероятности попадания качественных параметров керамической массы в область £2 при различных значениях погрешностей дозирования суспензий пластичной композиции.

Из графиков видно, что вероятность является монотонно-убывающей функцией погрешностей дозирования. Используя значение величины вероятности попадания качества массы в область £2 при связном дозировании можно определить погрешности дозирования компонентов.

Рис.5. Вероятности попадания качества пластичной композиции керамической массы в

заданную область

8г = 82 = 0,8г = 1%, 82 = 2%, 81 = 82 = 2%, = 3%, 82 = 2%, 8г = Л"2 = 3%.

Так, для Р = 0.99 и 82 = ±3% (погрешности дозирования суспензии каолина №1), погрешности дозирования двух других суспензий составили: каолина №2 - = ±1%, глины - £3 = ±2%.

Снижение погрешностей дозирования от ±3% до ±1 - 2% подтверждает эффективность связного дозирования компонентов.

В четвертой главе решены задачи оптимизации рецепта шихтового состава керамической массы, разработке моделирующих алгоритмов дозирования пластичной композиции керамической массы и синтеза структуры системы управления технологическим процессом связного дискретного дозирования ее компонентов.

Экспериментальные исследования должны были подтвердить работоспособность алгоритмов и программ оптимизации шихтового состава керамической массы и метода компенсации ошибок связного дозирования компонентов.

Экспериментальная проверка алгоритма оптимизации шихтового состава пластичной композиции керамической массы была проведена на ее рецептах. Полученные гистограммы распределения качественных параметров пластичной композиции (рис.6), свидетельствуют о распределении их по нормальному закону. При этом, оптимизация параметров качества позволила сузить диапазон разброса их значений и увеличить дисперсию.

Д.; 4.3 4.4 4.5 4Л <?,1*1 И И » » М 0,1'»-«<1

Рис.6. Гистограмма распределения оптимальных значений механической прочности при изгибе (а), усадки (б), потерь при прокаливании (в), скорости фильтрации (г)

Шихтовый состав пластичной композиции, полученный с использованием алгоритма оптимизации, позволяет снизить разброс качественных параметров смеси на 10%, а брак готовых изоляторов на 2%.

По результатам оптимизации была построена область ограничений качественных параметров П1. Оптимальный шихтовый состав пластичной композиции керамической массы, рассчитывался в более узкой области, чем исходная, область. Это гарантирует при случайных погрешностях +2% дозирования суспензий вероятность не менее 0,99 попадания качества пластичной композиции в заданную область.

При выборе оптимальной последовательности дозирования суспензий вероятность попадания качества пластичной композиции в область Ш увеличивается и отличается от расчетной на 3,5%.

Основные задачи автоматической системы связного дозирования сводятся к расчету оптимального шихтового состава смеси и качественных показателей керамической массы и их стабилизации в процессе дозирования при наличии случайных ошибок дозирования.

При разработке моделирующих алгоритмов пластичной композиции керамической массы, она рассматривалась как трех компонентная: XI -глина; Х2-пегматит №1, ХЗ -пегматит №2.

Учитывая вероятностный характер погрешностей ДЛ7 и подчинения их нормальному закону распределения, имитация ошибок ДЛ1 осуществлялась с помощью датчика псевдослучайных чисел. На рис.7 показаны моделирующие алгоритмы управления несвязным и связным дозированием компонентов керамической смеси.

Вход

Л*.

2

«1 + Дл;

1

|

4

2 («*)••= «2 + Ах 2

5

I Л*,

в

+ Дх3

7

Ддг4

8

и4 + Дл-,

1

Накопление

1

УР := I *,(«,)(

11 Г

- Г, I

12

АУ, := I

13

Накопление АУ, |

т

Выход

I

Рис.7. Моделирующие алгоритмы несвязного и связного дозирования компонентов

керамической смеси

Блок-схема программы имитационного моделирования системы управления дозами компонентов керамических смесей для несвязного и связного дозирования с коррекцией доз компонентов, представлена на рис.8.

^ Начало ^

1 « (

/ Ввод признака моделирующего алгоритма М1

2

' Ввод реиептуры смеси

да Т

10 | 11

Моделирующий МоделнруюшиЛ

алгоритм ] ал гор 1 гш 2

Ввод значения №1 для ДП4

( Конец )

С

Ввод значен! 1Й

Ввод очередности дозирования

Печать исходных данных и комментариев

Подготовка цикла моделирования

12

Вычисление параметров алгоритмов коррекции и накоплен!» статистики

14

Вычисление параметров для построения гистограмм X; (и,); УР\ Ц/В

Печать парамел 15 гров гистограмм

Вычислитель

Ду/.. >у..|уд«,

16

Печать результатов моделирования

В

Рис.8. Блок-схема программы имитационного моделирования процессом управления дозами компонентов керамических смесей.

Результаты моделирования величин XI (111) и результирующей массы смеси Ур. в виде гистограмм, представлены на рис.9,10 и рис.11 (а - несвязное б - связного дозирование)

В таблице даны результаты моделирования (значения Б) при имитации 1000 циклах дозирования, там же для сравнения даны результаты моделирования связной системы дозирования по методу последовательной коррекции.

Дисперсии Р величин XI (1Л) компонентов смеси Таблица

Вид коррекции

глина Пегматит№ 1 Пегматит№2

связное дозирование 30,2 26,4 3,73

Несвязное дозирование 41,6 52,5 6.35

Результаты моделирования показывают, что связное дозирование обладает явным преимуществом перед несвязным, величины дисперсии О для разработанного закона меньше соответствующих величин О полученных для несвязного дозирования.

Из приведенных данных моделирования следует, что применение разработанного способа коррекции доз компонентов, позволяет повысить точность многокомпонентного дозирования и, тем самым, повысить качество приготовляемых смесей

Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность алгоритмов и программ оптимизации шихтового состава пластичных материалов керамической массы и метода компенсации ошибок дозирования компонентов.

3 £ й « ® 3

Г^ <Х> ^ — ~ ~ Ш ~

ВД).« -ад).«

Рис.9. Гистограммы распределений Х1(1Л) при несвязном дозировании

Рис.10. Гистограммы распределений XI (1Л), (связное дозирование) а)

300

V, = 2370,23

И-

1-л

— -»г г- о

СП ГП ГЛ «У

сч Н гч

я я

К.кг

Рис.11. Г'истофаммы распределений значений Ур : Была решена задача синтеза оптимальной структуры системы управления связным циклическим дозированием компонентов керамической смеси. Используя результаты теоретических исследований, был реализован автоматизированный технический комплекс для управления связным дозированием компонентов керамической смеси, структурная схема которого приведена на рис.12.

Рис.12. Структурная схема автоматизированного комплекса управления связным дозированием компонентов керамической смеси

IPC-610P 14-слотовое шасси промышленного компьютера с пассивной материнской платой PCI/ISA и источником питания

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Недостаток традиционных систем автоматического дозированием - это управление набором доз компонентов по заданной программе, при этом информация об ошибках дозирования отдельных компонентов не используется для их компенсации. Связное дозирование позволяет использовать информацию об ошибках дозирования отдельных компонентов для коррекции доз последующих компонентов по ошибке дозирования предыдущих.

2. Наличие сложной аналитической зависимости качественных показателей керамических масс от свойств и процентных содержаний компонентов в массе, не позволяет использовать алгоритмы связного дозирования компонентов бетонной смеси для управления процессами связного дозирования при производстве керамических масс.

3. Критерием оценки качества и эффективности функционирования автоматической системы управления связным многокомпонентным дозированием в производстве керамических масс при случайном характере свойств компонентов, должна служить вероятность попадания качества массы в заданную технологическими ограничениями область. Исходя из этого, разработан алгоритм управления связным многокомпонентным дозированием, позволяющий в процессе дозирования менять уставку дозатора, последующего в цикле дозирования, по результатам дозирования в предыдущем цикле.

4. Разработана математическая модель процесса связного дозирования компонентов керамической массы с компенсацией случайных ошибок дозирования и способ выбора оптимальной последовательности дозирования компонентов. Алгоритм оптимальной компенсации случайных ошибок дозирования, основан на перераспределении процентных содержаний компонентов в массе.

5. Разработаны математическая модель и алгоритмы оптимизации шихтового состава керамической массы и компенсации случайных ошибок дозирования компонентов с учетом различия в стоимости компонентов. Разработан метод координации

оптимальных решений по используя экономическому и технологическому критериям. Применение этого алгоритма для расчета шихтового состава керамической массы позволило снизить разброс параметров качества массы на 10% и сократить потери от брака на 1%.

6. Для повышения величины вероятности попадания качества массы в область наилучшего качества, шихтовый состав керамической массы необходимо рассчитывать в области, границы которой определяются погрешностями весодозирующей аппаратуры.

7. Исследование влияния погрешностей дозирования на себестоимость массы показало, что увеличение погрешностей дозирования суспензий на 1% сопровождается ростом себестоимости керамической массы на 0,045%.

8. Дозирование пластичных суспензий в оптимальной последовательности в производстве керамической массы позволило снизить вероятность непопадания параметров качества в область на 34%, а погрешности дозирования от ± 3 до ± 1-2%.

9. Разработан способ оценки погрешностей связного дозирования компонентов, на основе которого определены погрешности связного дозирования суспензий для керамической массы.

10. Разработана программа имитационного моделирования, систем связного и несвязного дозирования компонентов керамической массы. Результаты имитационного моделирования позволили провести анализ влияния выбранного способа дозирования на качественные показатели готовой смеси и показали преимущество связной системы дозирования перед традиционной.

11. Проведенные испытания подтвердили правильность теоретических выводов диссертации.

12. Разработанные математические модели оптимизации шихтового состава и процесса связного многокомпонентного дозирования могут быть использованы в производстве других сырьевых смесей, качество которых зависит от свойств и процентных содержаний составляющих их компонентов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Динь Ан Нинь Комбинированная система управления дозатора непрерывного действия. / Илюхин A.B., Марсов В.И., Колбасин A.M., Динь Ан Нинь Н Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) - вып. 2(37), 2014. С. 102-105.

2. Динь Ан Нинь Автоматизация процедуры расчета рецепта керамической массы для настройки дозаторов непрерывного действия. / Илюхин A.B., Марсов В.И., Колбасин A.M., Динь Ан Нинь // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) - вып. 3(38), 2014. С.99-102.

3. Динь Ан Нинь Принципы формирования структуры автоматизированной системы управления строительным производством / Васильем Ю. Э., Илюхин A.B., Колбасин A.M., Марсов В.И., Динь Ан Нинь // журнал ПГС (Промышленное и гражданское строительство) - № 6, 2014. С. 13-17.

Публикации в других изданиях:

4. Динь Ан Нинь Алгоритмы управления связным многокомпонентным дозированием керамических смесей. / Илюхин A.B., Колбасин A.M., Абдулханова М.Ю., Динь Ан Нинь // Автоматизация и управление в технических системах (АУТС) -№1.2(9), 2014. С. 149-157.

5. Динь Ан Нинь Модель управления связным дозированием компонентов строительных смесей / Марсов В.И., Колбасин A.M. Абдулханова М.Ю., Динь Ан Нинь // Автоматизация и управление в технических системах (АУТС) - №1.2(9), 2014. С.158-164.

6. Динь Ан Нинь.Автоматизированный комплекс дозирования непрерывного действия. Тезисы доклада на 8-й межвузовской научно-технической конференции «Интерстроймех»..М:,2014.С. 39-41.

Подписано в печать 28.04.2015 г. Формат 60x84/16 Печать офсетная . Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 135 МАДИ. 125319, Москва, Ленинградский пр-т, 64.

î 5-- 5 6 56

2012477784

2012477784