автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Иерархическая система управления производством асфальтобетонной смеси

005008298

ПУДОВКИН АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ

СМЕСИ

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

1 9 ПНВШ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2011

005008298

Работа выполнена в Кумертауском филиале федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Недосеко Игорь Вадимович

Официальные оппоненты: Докгор технических наук, профессор

Доиенко Анатолий Иванович

Кандидат технических наук, профессор Тихонов Анатолий Федорович

Ведушая организация: ООО "Инфодор-строй» (г. Уфа)

Защита состоится «2» февраля 2012 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.05 в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ), по адресу: г. Москва, Ленинградский просп., д.64, ауд.42

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобильно дорожного государственного технического университета (МАДИ)

Автореферат разослан «2<Р»Лек£г£рЯ2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

Н.В. Михайлова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время состояние автомобильных дорог России сдерживает развитие народного хозяйства. Существующая сеть автомобильных дорог недостаточна, а качество автомобильных дорог неудовлетворительно.

В соответствии с прогнозируемыми темпами социально-экономического развития спрос на грузовые перевозки автомобильным транспортом к 2015 году увеличится в Республике Башкортостан примерно на 30 - 40%, количество грузовых автомобилей увеличится к 2020 году - в 1,9 - 2 раза, уровень автомобилизации населения возрастет до 300 - 350 автомобилей на 1000 жителей. Это приведет к повышению интенсивности движения на автомобильных дорогах регионального и межмуниципального значения на 30 - 40%. Около 80% протяженности автомобильных дорог регионального и межмуниципального значения и местного значения уже сейчас требуют увеличения прочностных характеристик из-за ускоренной деградации дорожных конструкций и снижения сроков службы между ремонтами.

Все это ставит задачу повышения качества асфальтобетонной смеси на выходе асфальтобетонного завода, что обеспечивается автоматизацией асфальтобетонного завода (АБЗ). Поэтому задача разработки распределенной иерархической системы управления является актуальной.

Цель работы

Создание методологической основы для разработки структур современных иерархических систем управления производством асфальтобетонной смеси, обеспечивающих решение не только задач непосредственного управления технологическим процессом, но и более сложных задач - оперативного управления качеством продукции.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведен анализ производства асфальтобетонной смеси, как объекта управления.

2. Разработаны общие принципы разделения САУ АБЗ на иерархические уровни.

3. Разработана и исследована модель иерархической структуры САУ АБЗ.

4. Разработана распределенная иерархическая САУ АБЗ.

5. Исследована эффективность разработанной иерархической структуры САУ АБЗ и оценены перспективы ее внедрения.

Методы исследования

Результаты диссертационной работы получены на основе комплексного использования методов теории автоматического управления, теории вероятности и математической статистики, оптимальных систем и^

математического моделирования. Моделирование производственных процессов и системный анализ проводились с использованием математического пакета МаЛаЬ.

К защите представляются

• Комплекс математических моделей, включающий в себя, модели топологии асфальтобетонных заводов, модели параметров системы управления, Ьпределяемых структурой САУ и топологией технологического процесса, модель взаимодействия между подсистемами нижнего иерархического уровня.

• Результаты исследований разработанных моделей и их взаимодействия, анализ полученных результатов и разработанная на этой основе двухуровневая иерархическая структура системы управления производством асфальтобетона. Эта структура обеспечивает решение не только задач непосредственного управления технологическим процессом, но и более сложных задач оперативного управления качеством продукции.

• Разработанная система управления промышленным производством асфальтобетонной смеси на базе всего двух типов контроллеров. Универсальный контроллер «ТИП 1» с шестью бинарными входами и шестью бинарными выходами. Универсальный контроллер «ТИП 2» с шестью бинарными входами и выходами плюс три цифровых входа и два цифровых выхода. Таких контроллеров для обеспечения основных операций технологического процесса требуется 23 штуки.

Научная новизна работы

Впервые предложена концепция синтеза оптимальной иерархической структуры системы управления производством асфальтобетона, которая обеспечивает решение задач непосредственного управления технологическим оборудованием и задач оперативного управления качеством асфальтобетонной смеси. На основе выдвинутой концепции, разработанных критериев, моделей топологии САУ и АБЗ, моделей взаимодействия подсистем управления и анализа результатов моделирования:

• Доказана оптимальность двухуровневой структуры распределенной системы управления производством асфальтобетонной смеси.

• Определена оптимальная номенклатура контроллеров систем управления нижнего иерархического уровня на базе всего двух типов контроллеров, что обеспечивает минимальную избыточность систем ввода/вывода данных, а так же высокую ремонтопригодность системы управления. Такая структура позволяет легко адаптировать САУ для различных вариантов, как технологии, так и топологии АБЗ. Кроме того это позволяет

использовать полученные результаты при модернизации существующих САУ АБЗ.

Научную новизну работы так же определяют:

• Разработанные методики модели и формальные критерии, позволяющие объективно исследовать эффективность различных структур САУ АБЗ для различных технологий и топологий АБЗ.

• Результаты исследований и моделирования взаимодействия подсистем САУ подачи минеральных материалов и САУ управления бункерами песка и щебня. Это позволило оценить сложность организации взаимодействия подсистем САУ и обосновать необходимость использования двухуровневой иерархической структуры.

• Методика поиска оптимальной номенклатуры контроллеров для реализации нижнего уровня подсистем САУ АБЗ. Решение этой задачи для определенного класса объектов автоматизации позволяет существенно снизить затраты на эксплуатацию САУ и адаптацию САУ к различным технологиям и топологиям АБЗ.

Практическая значимость работы

Результатом проведенных исследований является возможность использования предложенной концепции и методологический подход к исследованиям и разработке оптимальных структур САУ для предприятий строительной индустрии.

Внедрение результатов исследований в ОАО "Башкиравтодор" (г. Уфа) позволило проверить на практике основные результаты исследований и позволило адекватно оценивать эффективность решений, предлагаемых при модернизации асфальтобетонных заводов САУ АБЗ, оценивать круг решаемых ими задач, структуру предлагаемой САУ АБЗ и параметры соответствующих контроллеров.

Апробация результатов

Основные научные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-практической конференции (Оренбург, 2009) «Взаимосвязь теории и практики в повышении качества профессионального образования»; Международной научно-технической конференции - XV Академические чтения РААСН (Казань, 2010) «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии»; Международной научно-технической конференции (Уфа, 2011) «Проблемы прочности и долговечности бетона и железобетона».

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 7 печатных работах.

Объем диссертации

Диссертационная работа состоит кз введения, 4 глав, общих выводов, приложений и списка литературы. Работа изложена на 171 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков, 16 таблиц. Список литературы включает 108 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулирована цель и задачи исследований, сформулирована научная и практическая новизна выполненных исследований.

Глава 1

Анализ производства асфальтобетонной смеси, как объекта управления показал с одной стороны высокую потребность в качественной асфальтобетонной смеси для строительства новых и ремонта существующих автомобильных дорог. С другой стороны состояние автодорожной инфраструктуры России, страны с уровнем доходов выше среднего, оценивается экспергами Всемирного банка на самом низком уровне: по качеству дорог Россия находится на 111 месте в мировом рейтинге - почти в самом конце. От лидеров рейтинга - Франции, Германии и Финляндии - Россия отстает практически в три раза.

К 2021 году Россия может ежегодно терять 12% ВВП из-за неразвитой дорожной сети, считают эксперты аналитического центра «За безопасность российских дорог». Сейчас на развитие дорожной сети тратится 1,5% от ВВП. По данным исследования, для своевременного развития расходы должны быть увеличены до 5% ВВП.

Ситуация в Республике Башкортостан соответствует средней по России.

Одним из наиболее эффективных способов повышения качества и его стабильности для асфальтобетонной смеси является автоматизация производства на АБЗ.

Проведенный анализ показал, что подавляющее большинство представленных на рынке современных САУ АБЗ реализуются как распределенные иерархические структуры на базе микропроцессорных контроллеров.

Анализ позволил выделить основные задачи САУ АБЗ. Рассмотренные системы управления решают простейшие задачи управления, хотя их потенциальные возможности позволяют решать существенно более сложные задачи автоматизации. При этом как структура этих САУ, так и возможности технических компонентов (микроконтроллеров) носят случайный и необоснованный характер.

Ни одна из анализируемых САУ АБЗ не решает задачи управления качеством, что в значительной степени обусловлено их сложностью и

отсутствием проверенных технологических зависимостей, на базе которых возможно построение таких систем управления.

Вместе с тем ряд исследователей занимается различными аспектами построения систем управления для АБЗ, которые обеспечивают решение этих задач. Среди отечественных исследователей следует выделить работы Бунькина И.Ф., Васильева Ю.Э., Воробьева В.А., Гладкова В.Ю., Доценко А.И., Котлярского Э.В., Кретова В.А., Марсова В.И., Милосердина О.Ю., Римкевича C.B., Синянского A.B., Суворова Д.Н.

Исходя из проведенного анализа, выдвигается концепция синтеза оптимальной иерархической структуры системы управления производством асфальтобетона, которая обеспечивает решение как задач непосредственного управления технологическим оборудованием, так и задач оперативного управления качеством асфальтобетонной смеси. Поставлена цель и задачи исследования.

Глава 2

Для эффективного синтеза рациональной структуры системы управления необходимо сформулировать базовые принципы определяющие разбиение САУ АБЗ на иерархические уровни. Собственно САУ АБЗ существенным образом зависит от технологии производства асфальтобетонной смеси. Поэтому мы ориентируемся на следующую комбинацию: АБЗ смешанного типа, башенной компоновки.

Для описания топологии объектов АБЗ проводится определение координат для всех датчиков и исполнительных механизмов каждого рассматриваемого агрегата. Например, для ;-ого объекта координаты i-oro

датчика Dy и fe-oro исполнительного механизма lMk¡.

¡Mkj{xkj,ykj,zk¡}

Аналогично задаются координаты собственно элементов САУ. Необходимо отметить, что топология каждого АБЗ индивидуальна, так как зависит от очень большого числа факторов.

В зависимости от принятой технологии производства для конкретного устройства или группы устройств решается одна из следующих задач:

• Задачи логико-программного управления

• Задачи цифрового управления

• Задачи контроля

• Задачи управления качеством.

Задачи логико-программного управления характерны практически для всех агрегатов АБЗ. К задачам этого типа могут быть отнесены задачи пуска и остановки оборудования, диагностики и самодиагностики. Анализ показал

потребности контроллеров для отдельных агрегатов в линиях ввода/выводе для решения задач логико-программного управления. Для реализации такого управления вполне возможно использование табличного метода.

К задачам цифрового; управления мы относим задачи, в которых информация об объекте управления и/или сигналы управления являются цифровыми, а для обработки информации и формирования управляющих воздействий используются; микропроцессору, микроконтроллеры или управляющие ЭВМ.

Задачи цифрового управления в рамках САУ АБЗ необходимо решать для управление температурой битума и асфальтобетонной смеси и при дозировании компонентов смеси

При формировании управляющих воздействий на технологический процесс используется информация о его текущем состоянии. Информация формируется в результате работы соответствующих первичных преобразователей и измерительных систем, ввода необходимых данных персоналом. Точность, полнота и своевременность данных во многом определяют эффективность управления.

На качество готовой асфальтобетонной смеси влияют характеристики ее компонентов - песка, щебня,! минерального порошка, битума и добавок, а так же режимы технологического процесса. К сожалению, в материаловедении асфальтобетона до настоящего времени не сформулировано ни аналитической, ни статистической модели формирования качества асфальтобетонной смеси:

Ш(0 = Г[мад,ТР(Г)],

(2)

где - вектор качественных показателей смеси; М(Ч) - вектор

показателей качества компонентов асфальтобетонной смеси; ТР(Ч> вектор параметров технологического процесса.

Отсутствие такой зависимости не позволяет, измерив и М(Ь),

сравнить требуемое значение V!2 с измеренным, определить те изменения вектора ТР(1), которые минимизируют разность (и^) - \Уг).

На эффективность САУ АБЗ параметры измерительной системы оказывают существенное влияние. Среди основных параметров точность, длительность и частота контроля.

Пусть XI [и] - 1-ый контролируемый для п-ого замеса параметр либо

качества компонентов смеси, либо технологического процесса, либо свойства асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ. Использование порядкового номера замеса в качестве дискретного времени обусловлено циклической технологией производства.

Обозначим через результат измерения этого параметра. Тогда

ад = *£[п-т£] + ад + 5([п],

где т( - время измерения, запаздывание процесса контроля для ¿'-ого параметра. Эта величина измеряется дискретно, в количестве замесов, которые пройдут, пока будут получены результаты измерения этого параметра. Таким образом, [н - г,] отражает запаздывание в измерении ¿-ого параметра.

¿¿[п] - случайная величина, случайная ошибка измерения (закон

распределения нормальный, математическое ожидание ^ равно нулю,

среднеквадратическое отклонение <т( соответствует ошибке измерения).

систематическое смещение при контроле ¿-ого параметра.

Значение может быть функцией времени, отражая, например, деградацию измерительного оборудования.

Задачи управления качеством асфальтобетонной смеси не реализованы ни в одной системе управления представленной на рынке. Эта задача верхнего иерархического уровня для САУ АБЗ. Концентрация упорядоченных данных собранных с необходимой частотой и для необходимых параметров позволяют ставить задачу управления качеством готовой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ. При этом выражение (2) трансформируется следующим образом:

= Г{Мг[п - т],ТРр[п - т],1[п],и[п]},

где Мк[п - т] - совокупность фактических значений показателей качества компонентов асфальтобетонной смеси с учетом запаздывания т для каждого параметра;

ТРр[п - т] - совокупность фактических значений показателей технологического процесса АБЗ с учетом запаздывания т для каждого параметра;

Цп] - матрица совокупных характеристик измерительной системы САУ

АБЗ;

и[п] - управляющее воздействие на технологический процесс АБЗ. В дискретный момент времени [п] нам необходимо рассчитать управляющее воздействие Щп] на период управления. При этом неизвестно,

какими будут показатели качества компонентов асфальтобетонной смеси и режимов технологического процесса в течение этого периода времени, так как нам известны результаты измерений за предшествующий момент времени (И ~ [гс ~ !])• Это обстоятельство ставит задачу прогнозирования результатов

измерения показателей качества компонентов асфальтобетонной смеси на период управления

М/гм[п + 1] = ср{М'гл'[п],М'гл'[п - 1],..., М'2м[п- к]}. (5)

Аналогично для параметров технологического процесса АБЗ

TP'ZA?[n + ц = 0{TPiZM[n],TP,m[n - И.....ТРки[п - к]}, (б)

По аналогии получим

W[n + 1] = f[MiZAi[n + 1],ТРим[п + 1], U[n]} (7)

Далее сравниваем результат прогноза свойств асфальтобетонной смеси W[n + 1] с заданными значениями Wz и по результатам сравнения рассчитывается управляющее воздействие:

U[n] = 3{W[n + 1], Wz}. СВ')

В качестве управляющих воздействий естественно выбрать рецептуру асфальтобетонной смеси с учетом имеющихся ограничений. Альтернативным управляющим воздействием может быть использование других материалов и/или изменить соотношения между материалами - пересчитать рецептуру смеси.

Анализ задач САУ АБЗ позволил разработать алгоритмы решения задач логико-программного и цифрового управления, контроля параметров и управления качеством. В качестве примера представлен общий алгоритм контроля (Рисунок 1).

При разбиении САУ АБЗ на иерархические уровни и в более общем смысле определение оптимальной структуры САУ необходимо учитывать следующие факторы:

• Структура САУ АБЗ во многом определяется структурой предприятия.

• При анализе структуры САУ АБЗ следует стремиться к минимизации числа типоразмеров контроллеров локальных САУ (ЛСАУ).

• При анализе структуры САУ АБЗ следует стремиться к минимизации протяженности линий связи, что позволит снизить расходы на эти линии и уменьшит влияние помех на передачу данных.

• При анализе структуры САУ АБЗ следует стремиться к минимизации максимальной длинны линии связи, что уменьшит влияние помех на передачу данных.

Часть из этих факторов позволяет ввести аналитические критерии для оценки эффективности структуры САУ АБЗ.

Оценка числа избыточных линий ввода/вывода

h = itiO^i + OUTi) - N¡ll+oaT. (9)

где Щ- - число линий ввода у ¡-ого контроллера;

СШТ; - число линий вывода у 1 -ого контроллера; ^т+оит ~ общее число входов и выходов САУ АБЗ; К - общее число ЛСАУ. Оценка общей длинны линий связи

/2 = - I + - уи| + % - 2и\). (10)

где У;,2;) - координаты I -ого контроллера;

(Л';,)'У1,]>2|,/) ~ координаты /-ого датчика или исполнительного механизма подключенного к I -ому контроллеру; К - общее число ЛСАУ;

М± - общее число устройств ввода/вывода подключенных к ¡'-ому контроллеру.

Поиск минимума максимальной длины линии связи между контроллером ЛСАУ и устройством ввода/вывода

и = пши(тах |Хг - х1}\ + |Уг - уи\ + % -ги|). (11)

Критерий /2 может быть использован и для оптимизации положения подсистемы САУ более высокого иерархического уровня.

( КОНТРОЛЬ ^

Настройка оборудования, I самодиагностика

Обмен со старшим уровнем иерархии

/ 7

/ УПРАВЛЕНИЕ / ' ^ ИЗМЕРЕНИЯМИ /

г + ! / ВВОД ДАННЫХ /

гп

Предварительная обработка данных

Запись данных в БД

Статистический анали» данных

Идентификация моделей

! Прогнозирование

Рисунок 1. Общий алгоритм контроля

Глава 3

Целью данного исследования является оптимальная организация САУ АБЗ. Когда разрабатывались первые САУ АБЗ (вне зависимости от используемой элементной базы), вопросы моделирования и оптимизации структуры не ставились и не решались. Одной из основных причин этого было отсутствие адекватных средств и методов моделирования.

Для оптимизации структуры необходимо решить следующие задачи:

• Исследовать влияние структуры САУ на ее стоимость.

« Исследовать влияние структуры на помехоустойчивость САУ. Помехоустойчивость обратно пропорциональна длине линий связи.

• Рассмотреть различное число уровней иерархии САУ АБЗ и оценить влияние этого фактора на показатели эффективности САУ.

• Определить оптимальную структуру подсистем САУ нижнего иерархического уровня. Для этого необходимо:

о Определить число уровней иерархии распределенной САУ

асфальтобетонным заводом, о Определить число различных типов контроллеров, о Определить оптимальное число бинарных и цифровых входов/выходов для этих контроллеров.

• Оценить влияние структуры иерархической САУ на производительность системы управления и определить критические задачи с точки зрения производительности подсистем САУ.

Централизованная структура САУ АБЗ характерна для более ранних разработок. Для этой структуры характерно использование более старых средств автоматизации и соответственно .решение более простых задач автоматизации. Проведенное моделирование и исследование показало низкую эффективность централизованной структуры.

Далее мы можем оценить переменную часть стоимость системы управления в зависимости от ее структуры и расположения на территории предприятия для бинарных сигналов:

CxyZa = itUO«^ + +ljU(l,CouTb + OUTh), (12)

где Схуг Ь - стоимость линий связи для бинарных сигналов; N - число бинарных источников информации; ^ - расстояние от источника/приемника сигналов до САУ, [т]; С/1Ч ь - стоимость погонного метра линии связи для ввода бинарного сигнала; 1ЫЬ - стоимость приемника бинарного сигнала; М -число бинарных приемников сигналов; Соигь - стоимость погонного метра

линии связи для вывода бинарного сигнала; ОШь - стоимость передатчика бинарного сигнала.

Переменная часть стоимости системы управления в зависимости от ее структуры и расположения на территории предприятия для цифровых сигналов:

Сху7, = ЙШО^ + Юе)р,] + Е^с0итс + ОиТс) (13)

где СХу?,с ' стоимость линий связи для цифровых сигналов; Мс - число цифровых источников информации; С1Ы с - стоимость погонного метра линии связи для ввода цифрового сигнала; - стоимость одного разряда приемника цифрового сигнала; р£ - разрядность ¿-ого приемника/источника цифровой информации; Мс - число цифровых приемников сигналов; Соит с -стоимость погонного метра линии связи для вывода цифрового сигнала; ОиТс -стоимость одного разряда передатчика цифрового сигнала.

Для определения расстояния I; следует использовать следующую метрику:

и = |х; - Л'| + |У1 - У) + I- П

(14)

где Cxi.yi.Zi) - координаты ¡-ого источника или приемника информации; {X, У,2) - координаты системы управления. Объединив получим:

N М

схуг = + мь) + ^(1}соить + 0ить) + ¡=1 /=1

«-с М.с (15)

+ + Шс)рс\ ++ 01/Тс)р}]

Аналогично для распределенной системы получим:

13 / «5 mj

Cry* = X + ,Nb) + J^ib^UT, +OUTb) +

ft=l ^¡=1 /=1

nc mc

+ J^lOi^ + Wc)p;] + ]T[(l;C0UT. + p;]

i=l ;=1

« ^ 13 <?

+Z ++Z+/0з)+X +

<7—1 i=l k=l <¡=1

Принятая для дальнейшего анализа технологическая схема АБЗ и его топология характеризуется следующими показателями: площадка АБЗ -80x50 м; число узлов - 13; число бинарных датчиков - 79; число бинарных исполнительных механизмов - 56; число цифровых входов - 14; цифровых выходов - 8.

Для минимизации типоразмеров контроллеров нижнего уровня число узлов АБЗ увеличено до 23. Для исследования эффективности структур САУ АБЗ разработана модель системы управления с использованием пакета МаИ,аЬ (Рисунок 2). Моделировались следующие структуры САУ: централизованная, трехуровневая и двухуровневая. Представленные рисунки (Рисунок 3, Рисунок 4) показывают большую экономическую эффективность двухуровневой САУ АБЗ по сравнению с трехуровневой иерархической структурой.

Модель

'■ структуры СДУ/

.р » ^—----

Задание

ТОПОЛОГИИ

: процесса

...

, Задание

структуры САУ

Моделй-I 18 «I Г |

АНАЛИЗ

Рисунок 2. Общий алгоритм моделирования

Как показали наши исследования наиболее эффективно для анализируемого объекта использование двух типов контроллеров (Рисунок 5):

• универсальный контроллер «ТЛП 1» с шестью бинарными входами и шестью бинарными выходами. Таких контроллеров для обеспечения основных операций технологического процесса требуется 14 штук.

• универсальных контроллеров «ТИП 2» с шестью бинарными входами и шестью бинарными выходами плюс три цифровых входа и два цифровых выхода. Таких контроллеров для обеспечения основных операций технологического процесса требуется 9 штук.

Использование таких контроллеров и увеличение числа объектов управления с 13 до 23 позволило минимизировать число избыточных входов/выходов.

Иерархическая система. Три уровня иерархии

хЮ*

Рисунок 3. Зависимость стоимости линий связи и оконечных устройств в зависимости от координат для трехуровневой иерархической САУ

Иерархическая система. Два уровня иерархии

Рисунок 4. Зависимость стоимости линий связи и оконечных устройств в зависимости от координат для двухуровневой иерархической САУ.

Рисунок 5. Контроллеры нижнего иерархического уровня САУ АБЗ

Глава 4

На нижнем уровне иерархии САУ АБЗ в основном решаются задачи управления технологическим оборудованием, а так же сбора данных для реализации задач управления верхнего уровня.

На верхнем иерархическом уровне решаются следующие группы задач:

• Задачи управления технологическим оборудованием. На верхнем уровне осуществляется формирование задания для подсистем нижнего уровня.

• Задачи согласования работы технологического оборудования (Рисунок 6).

• Задачи управления данными. Для эффективного использования большого объема данных в составе САУ АБЗ должна присутствовать система управления базой данных (СУБД).

• Задачи формирования необходимых отчетов.

• Задачи оперативного управления качеством. Эти задачи являются относительно новыми для АБЗ. По крайней мере, ни в одной рекламируемой на рынке САУ АБЗ нет подобных задач.

• Задачи взаимодействия с оператором.

МАТЬАВ)

В рамках принятой технологии и топологии АБЗ разработаны вопросы выбора и подключения контроллеров нижнего иерархического уровня к агрегатам АБЗ. Разработаны временные диаграммы взаимодействия между уровнями иерархии для агрегатов АБЗ.

Внедрение результатов исследований в ОАО "Башкиравтодор" (г. Уфа) позволило проверить их на практике.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Проведенные исследования общих принципов построения рациональной структуры САУ АБЗ, обеспечивающей решение широкого круга задач, начиная от управления технологическим оборудованием я заканчивая оперативным управлением качеством асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ и их сопоставление с системами автоматизации АБЗ представленными на рынке позволяет сделать следующие выводы:

1. В соответствии с прогнозируемыми темпами социально-экономического развития спрос на грузовые перевозки автомобильным транспортом к 2015 году увеличится в Республике Башкортостан примерно на 30 - 40%, количество грузовых

автомобилей увеличится к 2020 году - в 1,9-2 раза, уровень автомобилизации населения возрастет до 300 - 350 автомобилей на 1000 жителей. Это приведет к повышению интенсивности движения на автомобильных дорогах регионального и межмуниципального значения на 30 - 40%. Около 80% протяженности автомобильных дорог регионального и межмуниципального значения и местного значения требуют увеличения прочностных характеристик из-за ускоренной деградации дорожных конструкций и снижения сроков службы между ремонтами. Все это ставит задачу повышения качества асфальтобетонной смеси на выходе асфальтобетонного завода, что обеспечивается автоматизацией АБЗ с решением не только задач непосредственного управления технологическим процессом, но и более сложных задач - оперативного управления качеством продукции.

2. Подавляющее большинство представленных на рынке современных САУ АБЗ реализуются как распределенные иерархические структуры на базе микропроцессорных контроллеров. Эти системы управления решают простейшие задачи управления, хотя их потенциальные возможности позволяют решать существенно более сложные задачи автоматизации. При этом как структура этих САУ, так и возможности технических компонентов (микроконтроллеров) носят случайный и необоснованный характер.

3. Проведенный анализ существующих в настоящее время САУ АБЗ, решаемых ими задач, их стру:<туры и технических возможностей, перспективных задач для САУ АБЗ позволили сформулировать аналитические критерии для объективной оценки эффективности той или иной структуры САУ АБЗ. Зти критерии позволяют в зависимости от числа подсистем нижнего иерархического уровня, числа линий ввода вывода для контроллеров нижнего уровня САУ и количества типоразмеров контроллеров оценить эффективность, стоимость и помехоустойчивость анализируемой структуры САУ. Такими критериями являются:

• оценка числа избыточных линий ввода/вывода;

• оценка общей длины линий связи для связи контроллеров нижнего иерархического уровня с объектом управления;

• оценка минимума максимальной длины линии связи между контроллером нижнего уровня САУ и объектом управления.

4. Анализ задач, решаемых существующими САУ АБЗ и перспективных задач для этих систем управления, позволил выделить следующие группы задач для оценки эффективности иерархической структуры САУ АБЗ для этих групп задач:

• Задачи логико-программнсго управления;

• Задачи цифрового управления;

• Задачи контроля параметров материалов и технологического процесса;

• Задачи управления качеством готовой асфальтобетонной смеси.

5. Проведенные исследования позволили разработать (с использованием пакета MatLab) модель иерархической структуры с учетом схемы технологического процесса АБЗ и топологпи расстановки оборудования. Модель позволяет исследовать как централизованную, так и распределенную иерархическую структуру САУ АБЗ, оценивать в соответствии с разработанными критериями эффективность той или иной структуры.

6. Результаты моделирования, а так же анализ решаемых САУ АБЗ задач, свойства технологического оборудования, в первую очередь требуемое быстродействие САУ, позволили выбрать оптимальную структуру системы управления - иерархическую распределенную двухуровневую. При этом возможно использование всего двух типов контроллеров:

• универсальный контроллер «ТИП 1» с шестью бинарными входами и шестью бинарными выходами.

• универсальных контроллеров «ТИП 2» с шестью бинарными входами и шестью бинарными выходами плюс три цифровых входа и два цифровых выхода.

7. В процессе исследований разработана в пакете Simulink MATLAB модель взаимодействия подсистем САУ подачи минеральных материалов и САУ управления бункерами песка и щебня. Это позволило оценить сложность организации взаимодействия подсистем САУ и обосновать необходимость использования двухуровневой иерархической структуры.

8. Разработанная структура САУ и предложенная номенклатура контроллеров обеспечивают минимальную избыточность систем ввода/вывода данных, а так же высокую ремонтопригодность системы управления. Такая структура позволяет легко адаптировать САУ для различных вариантов, как технологии, так и топологии АБЗ. Кроме того это позволяет использовать полученные результаты при модернизации существующих САУ АБЗ.

9. Результаты проделанных исследований позволяют определить следующие пути внедрения результатов исследований:

• На начальном этапе возможно взаимодействие с существующими и работающими САУ АБЗ путем интеграции в САУ верхнего уровня необходимых алгоритмов. Такой подход существенно снизит затраты на разработку и внедрение подсистемы оперативного управления качеством САУ АБЗ.

• Следующим шагом может стать дооснащение существующей САУ необходимыми системами контроля. В первую очередь это относится к системе оперативного контроля гранулометрии.

• Наконец заключительным этапом может явиться полная техническая разработка САУ АБЗ в соответствии с проведенными исследованиями.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

Публикации в изданиях рекомендованных ВАК

1. Пудовкин А.Н. Иерархическая система управления производством асфальтобетонной смеси // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - Казань: 2011, № 2 (16). -

С. 331-334.

2. Пудовкин А.Н. Структура задач иерархической системы управления производством асфальтобетонной смеси // Вестник Оренбургского государственного университета-Оренбург: №10 (129)/октябрь 2011 -

С. 270-271.

3. Пудовкин А.Н., Аминов Ш.Х., Суворов Д.Н. История развития структур систем автоматизированного управления (САУ) асфальтобетонными заводами // История науки и техники. -М.: 2011, № 12 (выпуск 3). - С. 106-111

Публикации в других изданиях

4. Пудовкин А.Н., Недосеко И.В. Анализ и моделирование топологии систем автоматизированного управления асфальтобетонными заводами // Сб. науч. тр. МАДИ. - М.: МАДИ: 2011. - С. 86-89

5. Пудовкин А.Н. Комплексная автоматизация производством асфальтобетонной смеси - как способ повышения долговечности асфальтобетонных покрытий // Материалы международной научно-технической конференции «Проблемы прочности и долговечности бетона и железобетона». - Уфа, УГНТУ 2011. - С,- 201-206

6. Пудовкин А.Н. Состояние и перспективы развития отрасли производства строительных материалов РФ // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии: Материалы Международной научно-технической конференции - XV Академические чтения РААСН. Т. 2. - Казань: Казанский государственный архитектурно-строительный университет, 15-17 апреля 2010. - С. 389-391

7. Пудовкин А.Н. Состояние и перспективы автоматизации промышленности производства дорожных строительных материалов // Взаимосвязь теории и практики в повышении качества профессионального образования: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. -Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 15 мая 2009. - С. 136-140 •

ПУДОВКИН АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ

Сдано в набор 22 12.2011 г. Формат 60x90 Vi6. Печать офсетная. Тираж 100 экз.

Подписано в печать 22.12.2011 г. Усл. п. л. 1,2 Бумага офсетная. Заказ № 2833.

Отпечатано в ГУП РБ Кумертауская городская типография РБ, г. Кумертау, ул. Гафури, 26, тел.: 4-26-42.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Цель работы

Методы исследования

К защите представляются

Научная новизна работы

Практическая значимость работы

Апробация результатов

Публикации

Объем диссертации

1. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ

СМЕСИ, КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

1.1 СОСТОЯНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В РЕСПУБЛИКЕ БАШКОРТОСТАН

1.2 ОБЩИЕ ЗАДАЧИ ПРОИЗВОДСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ

1.3 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ САУАБЗ

1.4 АНАЛИЗ ЗАДАЧ И СТРУКТУРЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ

1.4.1 Задачи и структура САУ управления технологическим оборудованием.

1.4.2 Задачи и структура САУ управления производством асфальтобетонной смеси.

1.4.3 Задачи и структура САУ управления качеством асфальтобетонной смеси.

1.4.4 Другие задачи.

1.4.5 СВЯЗЬ ЗАДАЧ САУ АБЗ

1.5 ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИРОННОЙ РАБОТЫ

2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗДЕЛЕНИЯ САУ АБЗ НА

ИЕРАРХИЧЕСКИЕ УРОВНИ

2.1 ТОПОЛОГИЯ ОБЪЕКТА И САУ

2.1.1 Классификация АБЗ

2.1.2 Описание топологии АБЗ

2.2 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЗАДАЧ И АЛГОРИТМЫ ИХ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ПОДСИСТЕМ САУ

2.2.1 Задачи логико-программного управления

2.2.2 Задачи цифрового управления

2.2.3 Задачи контроля параметров материалов и технологического процесса

2.2.4 Задачи управления качеством

2.3 ОСНОВНЫЕ ВАРИАНТЫ СТРУКТУР САУ АБЗ

2.3.1 Централизованная структура

2.3.2 Распределенная структура

2.4 ОСНОВНЫЕ АЛГОРИТМЫ ЗАДАЧ САУ АБЗ

2.4.1 Алгоритмы логико-программного управления

2.4.2 Алгоритмы цифрового управления

2.4.3 Алгоритмы контроля

2.4.4 Алгоритмы управления качеством

2.5 ФОРМИРОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ РАЗБИЕНИЯ САУ АБЗ НА ИЕРАРХИЧЕСКИЕ

УРОВНИ

2.6 ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ САУ

3.1 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ МОДЕЛИРОВАНИЯ

3.2 АНАЛИЗИРУЕМЫЙ ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

3.3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОПОЛОГИИ САУ АБЗ

3.3.1 Моделирование централизованной системы управления

3.3.2 Моделирование иерархической САУ

3.4 ВОЗМОЖНОСТЬ РАЗБИЕНИЯ САУ НА УРОВНИ В СООТВЕТСТВИИ С

РЕШАЕМЫМИ ЗАДАЧАМИ

3.4.1 Разбиение подсистемы САУ надбункерного отделения

3.4.2 Разбиение подсистемы САУ операцией дозирования

3.4.3 Типоразмеры САУ нижнего иерархического уровня.

3.5 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ

3.5.1 Задание топологии технологического процесса

3.5.2 Задание иерархической структуры САУ

3.5.3 Подпрограмма «МОДЕЛИРОВАНИЕ»

3.5.4 Подпрограмма «АНАЛИЗ»

3.6 ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

4. РАЗРАБОТКА ИЕРАРХИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ

АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ

4.1 ИЕРАРХИЯ ЗАДАЧ САУ АБЗ

4.1.1 Задачи нижнего уровня иерархии

4.1.2 Задачи верхнего уровня иерархи

4.1.3 Задачи взаимодействия между уровнями иерархии

4.2 ОПТИМИЗАЦИЯ ОБЩЕЙ СТРУКТУРЫ САУ

4.3 СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НИЖНЕГО УРОВНЯ ИЕРАРХИИ

4.3.1 Контроллеры с бинарными входами/выходами

4.3.2 Контроллеры с бинарными и цифровыми входами/выходами

4.4 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ МЕЖУРОВНЕВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ИЕРАРХИЧЕСКОЙ САУ АБЗ

4.5 ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

В настоящее время состояние автомобильных дорог России одерживает^ развитие народного хозяйства: Существующая; сеть автомобильных дорог недостаточна, а; качество автомобильных дорог неудовлетворительно;

В соответствии^ с прогнозируемыми темпами социально-, экономического развития? спрос на: грузовые перевозки; автомобильным транспортом к 2015 году увеличится в: Республике Башкортостан^ примерно на 30 - 40%, количество.грузовых автомобилей.увеличится к 2020 году - в 1,9 -2 раза,, уровень "автомобилизации- населения? возрастет до^ 300 - 350? автомобилей; на 1000) жителей: Этр приведет; к; повышению? интенсивности« движения на>автомобильных?дорогах регионального»йшежмуниципального; значения« нai 30 - 40%; Около 80% протяженности? автомобильных* дорог? регионального и межмуниципального значения и местного значения! уже сейчас требуют увеличения прочностных характеристик из-за ускоренной деградации дорожных, конструкций и снижения сроков службы, между, ремонтами:

Все это ставит задачу повышения качества асфальтобетонной смеси на= выходе' асфальтобетонного завода, что обеспечивается автоматизацией асфальтобетонного. • завода (АБЗ). Поэтому задача разработки распределенной иерархической системы управления является актуальной;

ЦЕЛЬРАБОТЫ

Создание методологической основы- для: разработки структур современных иерархических; систем« управления производством асфальтобетонной смеси,, обеспечивающих решение не только задач непосредственного управления технологическим процессом, но и более сложных задач - оперативного.управленияшачеством продукции.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведен, анализ производства- асфальтобетонной смеси; как объекта управления:

2. Разработаны общие принципы разделения САУ АБЗ на иерархические уровни.

3. Разработана и исследована модель иерархической структуры САУ АБЗ.

4. Разработана распределенная иерархическая САУ АБЗ.

5. Исследована эффективность разработанной иерархической структуры САУ АБЗ и оценены перспективы ее внедрения.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Результаты диссертационной работы получены на* основе комплексного использования методов теории автоматического управления, теории вероятности и математической статистики, оптимальных систем, и математического1 моделирования. Моделирование производственных процессов- и системный^ анализ проводились с использованием математическогопакета? Ма^аЫ

К ЗАЩИТЕ ПРЕДСТАВЛЯЮТСЯ*

• Комплекс математических- моделей/ включающий в себя, модели топологии.асфальтобетонных заводов, модели параметров системы управления, определяемых структурой САУ и топологией технологического процесса, модель взаимодействия- между^ подсистемами нижнего иерархического уровня.

Результатыч исследований' разработанных моделей и их взаимодействия, анализ полученных результатов и разработанная на» этой основе двухуровневая иерархическая- структура системы управления производством асфальтобетона. Эта структура обеспечивает решение не только задач непосредственного управления технологическим процессом, но и более сложных задач оперативного управления качеством продукции.

• ' Разработанная системачуправления промышленным производством асфальтобетонной смеси на базе всего двух- типов контроллеров. Универсальный контроллер «ТИП 1» с шестью бинарными входами и«шестью бинарными выходами. Универсальный контроллер «ТИП 2» с шестью бинарными входами и выходами плюс три* цифровых входа и два цифровых выхода. Таких контроллеров для обеспечения основных операций технологического процесса требуется 23 штуки

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

Впервые предложена; концепция, синтеза оптимальной иерархической: структуры системы управления производством; асфальтобетона, которая обеспечивает решение- задач? непосредственного. управления-технологическим оборудованием: и. задач оперативного; управления качеством: асфальтобетонной смесиг На: основе: выдвинутой концепции; разработанных критериев; моделей- топологии САУ и АБЗ; моделей взаимодействия подсистем управления; и анализа, результатов моделирования:. '

• Доказана оптимальность двухуровневой структуры распределенной системыуправления производством асфальтобетонной:смеси!

• .Определена? оптимальная; номенклатура. контроллеров- систем управления^ нижнего иерархического уровня: на базе всего двух типов контроллеров; что обеспечивает минимальную избыточность систем- ввода/вывода- данных, а таю же высокую? ремонтопригодность» системы, управления. Такая* структура, позволяет легко адаптировать САУ> для различиых< вариантов; как< технологии; так; и топологии; АБЗ. Кроме1 того, это: позволяет использовать полученные результаты при? модернизации» существующих САУ АБЗ.

Научную новизнуфаботы таюже определяют:

• Разработанные методики модели и формальные критерии; позволяющие объективно исследовать эффективность различных структур САУ АБЗ для различных^технологийж топологий^АБЗ!

• Результаты исследований, и моделирования? взаимодействия подсистем САУ подачи минеральных материалов: и САУ управления бункерами, песка и> щебня; Это- позволило- оценить сложность, организации взаимодействия подсистем САУ и обосновать необходимость использования^ двухуровневой иерархической структуры.

• Методика поиска оптимальной номенклатуры контроллеров для реализации нижнего уровня подсистем САУ АБЗ. Решение этой задачи для определенного класса объектов автоматизации позволяет существенно снизить затраты на эксплуатацию, САУ и адаптацию САУ к различным технологиям и топологиям АБЗ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Результатом- проведенных, исследований, является возможность использования* предложенной концепции и методологический подход к исследованиям'и* разработке оптимальных* структур САУ для предприятий строительной,индустрии.

Внедрение результатов^исследований в ОАО/'Башкиравтодор" (г. Уфа) позволило проверить на практике основные результаты, исследований» и позволило адекватно оценивать эффективность решений, предлагаемых при модернизации^ асфальтобетонных заводов* САУ АБЗ, оценивать круг решаемых ими? задач, структуру предлагаемой САУ АБЗ и параметры соответствующих контроллеров.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

Основные1 научные» положения и^ результаты^ диссертационного исследования докладывались и, обсуждались на: Всероссийской научно-практической конференции- (Оренбург, 2009) «Взаимосвязь теории и^ практики в< повышении* качества профессионального образования»; Международной научно-технической конференции - XV Академические чтения РААСН (Казань, 2010) «Достижения»^проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии»; Международной-, научно-технической конференции (Уфа, 2011) «Проблемы прочности и долговечности бетона и железобетона».

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 7 печатных работах.

ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов,