автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Система управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ

На правах рукописи

9 15-5/549

СОКОЛОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ НА ВЫХОДЕ АБЗ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2015

Работа выполнено в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет (МГСУ)»

Доценко Анатолий Иванович

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Технология, механизация и эксплуатация городских автомобильных дорог» ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный

университет(МГСУ)», г. Москва Галицков Станислав Яковлевич доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Механизация, автоматизация и

энергоснабжение строительства ФГБОУ ВПО «Самарский

Государственный Архитектурно-строительный Университет

(СГАСУ)», г. Самара

Плотников Николай Михайлович

кандидат технических наук, профессор,

кафедра «Технология строительства» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно

строительный университет(ННГАСУ)», г. Нижний Новгород

■чЗ» Научный руководитель

К)

0 —1.

01 0> N •рь. >1 00

(Л Официальные оппоненты

Эедущая организация

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт Мосстрой»

Защита состоится «10»сентября 2015 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственном технический университет (МАДИ)» по адресу: г. Москва, Ленинградский просп., д. 64, ауд. 42.

Телефон для справок: (499) 155-93-24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

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

Автореферат разослан «1» о? та/Гг..

Ученый секретарь диссертационного совета Д

212.126.05, кандидат технических наук, доцент ^^-МиэГайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1 |

Актуальность проблемы

Асфальтобетон продолжает оставаться ведущим материалом для устройства покрытий автомобильных дорог. Более 80% покрытий автомобильных дорог России приходится на асфальтобетон. Вместе с тем ни качество покрытий, ни существующая сеть автомобильных дорог не удовлетворяют требованиям практики. Особую остроту проблеме придает бурный рост автомобильного парка страны (за последние 20 лет зафиксировано увеличение в 3,6 раза) и увеличение доли автомобильного транспорта в перевозке грузов (до 73 %).

В связи с этим, объемы перевозок асфальтобетона для строительства новых автодорог и ремонта существующей дорожной сети постоянно растут. Вместе с тем дорожные условия доставки асфальтобетонной смеси от асфальтобетонного завода (АБЗ) до места его укладки и уплотнения существенно усложнились из-за повсеместного возникновения на дорогах «пробок». Особенно это актуально для города Москвы.

Из-за «пробок» существенно (до 5 раз) изменяется время доставки асфальтобетонной смеси от АБЗ до объекта. При этом асфальтобетонная смесь существенно остывает и не соответствует требованиям стандартов при ее доставке на объект.

Исходя из вышеуказанного, задача оперативного управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ с учётом стабилизации её температуры в процессе транспортировки до объекта укладки является весьма актуальной.

Объект исследований

Система автоматизации производственных процессов асфальтобетонного завода и информационное обеспечение системы управления.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью настоящего исследования является разработка подсистемы управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ для оперативной компенсации потерь тепла при транспортировке смеси.

Для достижения поставленной выше цели решены следующие задачи:

1. Проведен анализ технологического процесса производства и транспортировки асфальтобетонной смеси от АБЗ к объекту, как объекта управления. Оценено влияние основных факторов на качество асфальтобетонной смеси и готового асфальтобетонного покрытия. Проанализирован опыт создания и применения систем управления в производстве асфальтобетона и в смежных отраслях.

2. Разработаны общие принципы построения системы оперативного управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ, с учётом стабилизации её температуры в процессе транспортировки до объекта укладки.. Выдвинута общая

концепция системы управления температурой асфальтобетонной смеси. Выявлены контролируемые и управляемые параметры процесса и разработана система моделей процессов для различных уровней иерархии систем управления. Разработана обобщенная структура системы управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБВ. Разработаны необходимые модели.

3. Проведены исследования технологического процесса и систем оперативного управления производством асфальтобетонной смеси. Проведено моделирование влияния свойств компонентов смеси и параметров технологического процесса на качество асфальтобетонной смеси. Исследованы совместно модели производственного процесса и модель системы оперативного управления рецептурой асфальтобетонной смеси.

4. Разработана система оперативного управления температурой асфальтобетонной смеси. Сформулированы задачи и критериальные функции системы управления. Выбраны и обоснованы технические и программные средства, информационное и методическое обеспечение системы оперативного управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ. Разработаны необходимые алгоритмы и базы данных комплексной системы оперативного управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ.

5. Исследована эффективность разработанной системы оперативного управления не на выходе АБЗ, а непосредственно на объекте путем оперативного управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ. Исследовано влияние разработанной системы управления на качество готовой асфальтобетонной смеси. Оценены перспективы применения в России системы оперативного управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ.

Методы исследований

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 профессиональных математических пакетов (MatLab, Mathcad, MS Excel, STATISTICA).

К защите представляется

• Комплекс математических моделей, включающий в себя, модели технологического процесса, модели процесса транспортировки асфальтобетонной смеси от АБЗ к объекту, модели теплообмена между асфальтобетонной смесью и окружающей средой, модели собственно системы управления и модели возмущения действующего на технологический процесс и на процесс транспортировки.

• Результаты экспериментальных исследований процесса транспортировки асфальтобетонной смеси от АБЗ до различных объектов позволили оценить вариацию таких факторов, как:

о время доставки асфальтобетонной смеси от АБЗ до одного и того же объекта, о скорость доставки асфальтобетонной смеси,

о расстояние доставки асфальтобетонной смеси от АБЗ до одного и того же объекта, которое меняется из-за «пробок».

• Результаты исследований разработанных моделей, их взаимодействие и анализ полученных результатов позволили разработать систему оперативного управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ, обеспечивающую эффективное управление производством и транспортировкой смеси.

• Разработанная система управления производством асфальтобетонной смеси стабилизирует температуру асфальтобетонной смеси не на выходе АБЗ, а непосредственно на объекте путем оперативного управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ. Для стабилизации температуры смеси в процессе транспортировки и непосредственно у объекта разработаны принципы управления, методы и алгоритмы САУ.

Научная новизна

Впервые предложена концепция управления производством и транспортировкой асфальтобетонной смеси путем оперативного управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ, на основе оперативного контроля загрузки автомобильных дорог и климатических условий во время движения. На основе этих данных:

• Проводится оперативный анализ текущей дорожной ситуации и погодных условий, которые позволяют оценить, на разработанной модели теплообмена, потери тепла асфальтобетонной смесью при движении от АБЗ до объекта.

• Рассчитывается необходимая коррекция температуры асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ для поддержания заданной температуры смеси непосредственно у объекта.

Научную новизну работы так же определяют:

• Разработанные методы и система автоматизированного управления, которые обеспечивают минимум вариации температуры асфальтобетонной смеси непосредственно на объекте, а не на выходе АБЗ, путем оперативного управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ.

• Результаты исследований и моделирования динамики показателей, характеризующих дорожные и климатические условия.

• Результаты исследований динамических характеристик возмущений, воздействующих на технологические процессы в производстве и при транспортировке асфальтобетонной смеси.

• Структура системы автоматизированного управления температурой асфальтобетонной смеси, которая обеспечивает оперативную идентификацию параметров и моделей для целей управления.

Практическая значимость работы

Разработанная система управления температурой асфальтобетонной смеси является эффективным средством повышения и стабилизации качества готового асфальтобетонного покрытия. Возможность динамической адаптации моделей и параметров системы управления к изменяющимся параметрам загрузки автодорог и текущим климатическим условиям обеспечивает возможность ее широкого внедрения на различных асфальтобетонных заводах.

Результаты экспериментальных исследований процесса транспортировки асфальтобетонной смеси от АБЗ до строительных объектов реализуются при решении задач расположения АБЗ в зависимости от имеющихся объектов.

Полученные в процессе выполнения диссертационной работы материалы внедрены на предприятии ООО «Ремгражданстрой». В частности, полученные результаты экспериментальных исследований по вариации сроков доставки смеси используются при управлении очередностью поставок асфальтобетона на объекты в зависимости от суточного трафика и удаленностью от АБЗ.

Материалы диссертации находят применение также в учебном процессе кафедры «Жилищно-коммунальный комплекс» ФГБОУ ВПО МГСУ при подготовке студентов по специальностям 270205.65 «Автомобильные дороги», 270106.65 «Производство строительных материалов» и 270800.62 «Механизация и автоматизация строительства».

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение в 2010-2015 годах на:

1. XXXVI межвузовская научно-практическая конференция слушателей, курсантов и студентов «Инновационные материалы, технологии и социально-экономические аспекты строительной индустрии». Федеральное агентство специального строительства «Военно-технический университет», 2011 год;

2. Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2012», г. Ижевск;

3. Научно-техническом Совете Департамента жилищно-коммунального хозяйства и благоустройства города Москвы, 2013 г.;

4. Форуме «Городское хозяйство. Пути развития», 2013 г.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 печатных работах, в том числе 6 статей в научных журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, приложений и списка литературы. Работа изложена на 193 страницах машинописного текста, содержит рисунков - 114, таблиц - 20. Список литературы включает 127 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

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

Глава 1

За последние десять лет количество автомобилей в стране увеличилось с 50 до 300 единиц на 1000 жителей. В результате интенсивность движения на федеральных дорогах ежегодно растет на 5-7%. Однако низкие темпы ремонта и строительства автодорожной сети, не соответствующие росту числа автомобилей и интенсивности перевозок, приводят к тому, что автодорожная инфраструктура остается на низком уровне и состояние более половины дорог не отвечает нормативным требованиям. Из-за роста доли тяжелых автомобилей в транспортных потоках уменьшаются сроки службы дорог между ремонтами, а скорость деградации дорожных конструкций повышается в три-четыре раза. Сейчас свыше трети автомобильных дорог федерального значения требует улучшения прочностных характеристик.

Вся производимая асфальтобетонная смесь обязательно проходит процесс транспортировки от АБЗ до места ее укладки и уплотнения. Поэтому необходимо оценить влияние процесса транспортировки на изменение свойств смеси и, самое главное, на свойства готового асфальтобетонного покрытия.

Получение необходимого комплекса строительно-технических свойств готового асфальтобетонного покрытия можно добиться в случае, когда при укладке и уплотнении будет строго соблюдаться заданный технологический регламент, в особенности требуемый температурный режим.

Объект исследований АБЗ находится по адресу: г. Москва, Перовская ул., вл. 69. Территория используется для размещения городских АБЗ с 1953 года. Завод Тельтомат-120 сдан в эксплуатацию в 2006 году. Производительность 1500 тонн в сутки. На 2013 год был запланирован капитальный ремонт асфальтобетонных покрытий на площади 500 000 кв. м., при этом потребность асфальта составляла 75 000 тонн.

Качество готового асфальтобетонного покрытия зависит от свойств компонентов смеси, от технологического процесса на АБЗ, от процесса транспортировки смеси, ее укладки и уплотнения.

Практически во все современные системы автоматического управления (САУ) АБЗ входит контур стабилизации температуры асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ. Однако компенсация

вариации потерь тепла при транспортировке асфальтобетонной смеси в этих системах не производится.

Для повышения качества асфальтобетонной смеси необходимо поддерживать ее температуру на выходе АБЗ постоянной. Такая задача решается в большинстве присутствующих в настоящее время на рынке системах автоматизации. Среди таких систем автоматического управления производством АБЗ можно выделить систему автоматического управления асфальтобетонными заводами АБЗ-08 (ООО «Вершина»), Микропроцессорные системы управления ЗАО "НТЦ "Информационные системы". Системы управления асфальтосмесительными установками ОАО "Кредмаш" комплектуют микропроцессорными системами управления (МСУ), которые разработаны и изготовлены ЗАО "НТЦ "Информационные системы" с применением электронных компонентов ведущих мировых производителей, что является гарантом их высокого качества и надёжности. Компания «АВС-МК» (г. Москва) много лет успешно работает в направлении создания оборудования и систем автоматического управления. Система АСУ ТП "Крутой Замес" обеспечивает управление асфальтобетонным заводом. Во всех этих рассмотренных САУ используется принцип управления по отклонению для стабилизации температуры на выходе АБЗ.

Вопросам управления температурой асфальтобетонной смеси на АБЗ посвящены работы Воробьева В.А., Доценко А.И., Бунькина И.Ф., Суворова Д. Н., Котлярского Э.В., Попова В.А. и других.

В работах профессоров Воробьева В.А., Доценко А.И., Бунькина И. Ф., Суворова Д.Н. и др. «Компьютерное моделирование в автоматизации производства асфальтобетонной смеси» представлена структура комплексной системы управления производством асфальтобетона. Для этой структуры проанализировано технологическое и пространственное распределение задач управления. Одним из элементов данной комплексной системы управления является контур управления процессом транспортировки асфальтобетонной смеси. Однако детальная разработка элементов этой подсистемы САУ не проведена.

Выполненные ранее исследования процесса транспортировки асфальтобетонной смеси, анализ известных методов и автоматизированных систем стабилизации температуры асфальтобетонной смеси непосредственно на объекте в момент ее доставки позволили сформулировать цель и задачи настоящих исследований, решение которых обеспечит достижение поставленной цели.

Глава 2

Для изучения объекта управления в 2013 году нами были проведены экспериментальные исследования поставок асфальтобетонной смеси Государственным бюджетным учреждением города Москвы «Автомобильные дороги» (Завод АБЗ Тельтомат-120). Для контроля температуры использовался датчик ИТ-17 К-03 с зондом 500 мм и жидкокристаллическим индикатором. Всего было проанализировано 245 поставок асфальтобетонной смеси. При этом контролировались следующие показатели:

• Вид асфальтобетонной смеси (всего 5 видов)

• Объекты доставки (всего 15 объектов)

• Дата и время отгрузки смеси

• Время доставки смеси

• Температура асфальтобетонной смеси при отгрузке

• Температура асфальтобетонной смеси после доставки

• Расстояние доставки определялось с помощью программы «карты» Яндекс.

В процессе экспериментальных исследований нами были поставлены следующие задачи:

• Оценить реальный разброс точек доставки асфальтобетонной смеси, что позволяет:

о оценить вариацию расстояний доставки;

о оценить вариацию времени в пути с учетом конкретных направлений и «пробок» на маршруте.

• Оценить изменения температуры асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ;

• Оценить изменения температуры асфальтобетонной смеси при ее разгрузке на объекте;

• Оценить влияние температуры окружающей среды на период времени отгрузки асфальтобетонной смеси с АБЗ;

• Оценить разброс времени отгрузки асфальтобетонной смеси с АБЗ. Полученные экспериментальные данные позволят:

• Оценить влияние температуры окружающей среды на время доставки асфальтобетонной смеси на объект, на ее температуру при выгрузке;

• Оценить реальные требования к возможностям САУ по компенсации возмущающих воздействий, действующих на асфальтобетонную смесь;

• Оценить возможность использования оперативных данных о дорожном движении и погодных условиях в САУ температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ.

Анализ полученных экспериментальных данных позволит обосновать структуру и другие требования к разрабатываемой САУ температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ. Далее представлены некоторые результаты экспериментальных исследований (Рисунок 1 - Рисунок 6).

Как видно из представленных данных, дальность перевозок изменялась от 10 до 100 км, при этом время в пути от АБЗ до объекта изменяется от 39 мин. до 275 мин. (среднее значение 103 мин.), скорость доставки смеси меняется от 4 км/час до 91 км/час (среднее значение 22 км/час). Температура отгрузки асфальтобетонной смеси изменялась от 145°С до 171 °С.

Рисунок 5 показывает общую (для всех перевозок) зависимость скорости доставки смеси к объекту от времени начала движения.

Распределение дальности перевозки

3 60

I 50 5

* 40

30 20 10

оооооооооооо

Hfim*fin(DMiioiOH

Дальность перевозки, км

Рисунок 1. Распределение дальности перевозки асфальтобетонной смеси

Гистограмма времени доставки асфальтобетонной смеси

90 80 -{ 70 60

¡Я

50 ™ 40 30 20 Н 10 0

И,И,И,И,_,-ец

н н Н ГМ ГМ N

Время доставки, [мин]

Рисунок 2. Гистограмма времени доставки асфальтобетонной смеси.

Скорость доставки смеси

Скорость доставки, км/час

Рисунок 3. Гистограмма скорости доставки асфальтобетонной смеси от АБЗ до объекта.

Гистограмма распределения температуры отгрузки смеси

160 140 120 ¡5 ЮО

С 80

га

' 60 40 20 0

01Л01Л01Л01Л ф »НгНгНгНтНт-НтН*-!^

Температура смеси при отгрузке, град.

Рисунок 4. Распределение температуры отгрузки смеси.

ге т 100

2 ас 90

ЯП

X

т п /и

С о 60

50

и 40

о

а. о 30

и 20

10

0

Скорость доставки смеси

Время отгрузки смеси

Рисунок 5. Зависимость скорости доставки асфальтобетонной смеси от времени выезда от АБЗ.

Рисунок б показывает практическое отсутствие связи между временем в пути от АБЗ до объекта и потерями тепла, что противоречит здравому смыслу. Как будет показано ниже, отсутствие связи обусловлено недостатками в организации эксперимента. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости оперативного моделирования процесса остывания асфальтобетонной смеси в кузове самосвала при транспортировке.

3 Регрессия "время в пути - потери тепла"

30 "1 ж ж ж у = -0,0038х + 12,435

£ « с с я X а. В к 2Ь 20 15 ж ж X* # ж % гж *ж"«Ж ж „у

10 -5 ж ^ЯНЯк ж ж* Чс* ж "1

с 50 100 150 200 250 300

Время в пути, [мин]

Ж Экспериментальные данные ■ Линия регрессии ^—Линейная (Линия регрессии)

Рисунок 6. Регрессия "время в пути - потери тепла".

Глава 3

Температура асфальтобетонной смеси оказывает существенное влияние на технологические процессы ее укладки и уплотнения. Большинство параметров, влияющих на потери тепла при транспортировке асфальтобетонной смеси, поддаются контролю. Это создает предпосылки для управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ таким образом, чтобы стабилизировать температуру асфальтобетонной смеси в момент ее доставки на объект для укладки.

В современных условиях также появляется возможность оперативного учета времени доставки асфальтобетонной смеси от завода АБЗ до места ее укладки с учетом фактической загрузки автомобильных дорог (например, Яндекс.Пробки). Кроме того, появляется возможность оперативного учета погодных факторов.

Таким образом, разрабатываемая САУ температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ должна решать задачу не стабилизации температуры на выходе АБЗ, а управлять температурой смеси таким образом, чтобы обеспечивать требуемую температуру смеси при ее доставке на объект. Система управления должна оперативно компенсировать влияние погодных факторов, времени и скорости доставки смеси. Рисунок 7 представляет параметры процесса транспортировки.

Далее рассмотрим следующие группы параметров:

• Контролируемые параметры

о непосредственно контролируемые параметры о прогнозируемые параметры

о параметры, полученные в результате моделирования о нормативные данные

• Управляющие воздействия

о технологические воздействия о организационные мероприятия

Непосредственно контролируемые и прогнозируемые параметры представлены ниже в таблицах (Таблица 1, Таблица 2).

Значение температуры в любой точке кузова самосвала во время его движения от АБЗ до /ого объекта Т£т(х, у, х, С) может быть получено в результате моделирования процесса нестационарной теплопроводности..

ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТИРОВКИ

Температура смеси на выходе АБЗ

Свойства транспортного средства

Точность работы САУ

Схема загрузки смеси

Тип транспортного средства

Условия транспортировки

Время 1

ловия

-Таю

окружающей среды

_|Наличие и качество тента

1

Обогрев кузова

_Скорость

Температура

Скорость и направление аетра

Осадки

, Пробки на дороге

Рисунок 7. Факторы, влияющие на процесс транспортировки

Таблица 1. Измеряемые параметры

№ Наименование Единица измерения Точность, д Обозначение Примечания

1 Температура смеси при ее загрузке в кузов самосвала "с ± 1°С Значение температуры смеси для п-ого объекта в ¡-ой поставке

2 Температура воздуха "с ± 1°С Температура воздуха в момент времени £

3 Расстояние между АБЗ и объектом км ±0,1 км 'абзСО Расстояние для п-ого объекта в ¡-ой поставке с учетом пробок

4 Время в пути мин. ± 1 мин «ю(0 Время в пути для п-ого объекта в ¡-ой поставке с учетом пробок

Управляющие воздействия на температуру асфальтобетонной смеси, доставленной на объект, в соответствии с поставленной целью исследования могут быть реализованы следующими способами:

• Воздействие на технологический процесс для получения на выходе АБЗ требуемой температуры в нужный момент времени.

• Управление температурой асфальтобетонной смеси за счет организационных мероприятий.

При управлении температурой асфальтобетонной смеси следует учитывать, что для качественного управления необходимо управлять температурой всего объема смеси, а не отдельной локальной точки или зоны в общем объеме асфальтобетонной смеси. Единственным возможным способом управления температурой асфальтобетонной смеси является изменение

режима работы сушильного барабана. При этом необходимо учитывать ограничения, как технологического оборудования, так и технологические ограничения в зависимости от вида асфальтобетонной смеси

Таблица 2. Прогнозируемые параметры

№ Наименование Единица . измерения Требуемая точность, А Обозначение Примечания

1 Время в пути от АБЗ до 1-ого объекта для момента времени £5 мин ± 1 мин Ожидаемое время в пути с учетом «пробок»

2 Температура окружающей среды, во время движения транспортного средства, начиная с момента времени С, и заканчивая моментом времени + 2 Оценка средней температуры воздуха за время доставки смеси на объект

"С ±1°С + 25),-, Ряд значений температуры через интервал времени 8

Для достижения поставленной в работе цели - стабилизации на заданном уровне температуры асфальтобетонной смеси непосредственно в месте ее укладки и уплотнения, можно, использовать определенные организационные мероприятия.

К таким организационным мероприятиям следует отнести:

• Управление очередностью поставок асфальтобетонной смеси на объекты. Днем, когда температура воздуха выше, можно отправлять асфальтобетонную смесь на более удаленные объекты. При этом необходимо учитывать загруженность дорог. Обеспечить эффективное решение можно использованием моделирования.

• Управление очередью на разгрузку асфальтобетонной смеси из кузова самосвала в асфальтоукладчик. В настоящее время температура асфальтобетонной смеси не принимается во внимание при организации очереди на разгрузку. Моделирование позволяет оценить температурные поля в каждом самосвале очереди и организовать их разгрузку с учетом этого фактора.

В соответствии с поставленной целью, учитывая известные методы решения проблемы, опираясь на результаты экспериментальных исследований и разработанную концепцию САУ, результаты анализа контролируемых и управляемых параметров, разработана общая структура САУ (Рисунок 8). Подсистема оперативного управления температурой асфальтобетонной смеси формирует заданное значение температуры асфальтобетонной смеси на выходе АБВ, а традиционная САУ АБЗ обеспечивает поддержание требуемой температуры смеси на заданном уровне.

Подсистема оперативного управления

температурой смеси

ОБЪЕКТЫ \ \

Объект №1 ]

• Параметры смеси

• Тип смеси

• Объем поставки во

времени

>< • Время доставки

• Координаты объекта

Г • Дорожные условия

• Фактическая температура

смеси

>

/ с

Рисунок 8. Обобщенная структура подсистемы САУ АБЗ управления температурой

асфальтобетонной смеси

Модель теплообмена обеспечивает расчет изменения температуры асфальтобетонной смеси в процессе ее транспортировки. Это позволяет оценить изменения температуры смеси внутри кузова самосвала. Обобщенно структура модели теплообмена при транспортировке асфальтобетонной смеси имеет следующий вид (Рисунок 9).

На вход модели поступают основные теплофизические характеристики асфальтобетонной смеси, температура воздуха, скорость и направление ветра, скорость и свойства транспортного средства и расстояние перевозки.

Выходами модели являются:

• Распределение температуры по толщине смеси;

• Изменение температуры во времени.

В работах Доценко А.И., Воробьева В.А., Суворова Д.Н. рассматривается задача оценки динамического распределения температуры асфальтобетонной смеси в кузове самосвала в процессе его движения от АБЗ до объекта.

Данная задача относится к классу задач нестационарной теплопроводности, так как температура смеси изменяется во времени. Основные допущения, принятые при моделировании, можно представить в следующем виде:

• Материал - асфальтобетонная смесь - изотропное твердое тело.

• Асфальтобетонная смесь в кузове автосамосвала рассматривается как неограниченная пластина (Рисунок 10) толщиной 2Д.

• пластина тонкая и, следовательно, можно пренебречь теплоотводом с ее торцов,

• условия охлаждения не изменяются вдоль поверхностей пластины.

• начальное распределение температуры равномерное.

Рисунок 9. Структура модели теплообмена при транспортировке

Принятые допущения приводят к одномерной задаче. Количественный анализ должен привести к конкретному выражению для температурного поля пластины t(x, г).

Условия охлаждения определим, указав значения коэффициента теплоотдачи а и температуры охлаждающей среды tB. Для нашего случая следует рассматривать граничные условия III рода (симметричная задача).

Для модели в виде плоской пластины (Рисунок 10) теплообмен происходит через днище самосвала и укрытую тентом верхнюю поверхность смеси. Дифференциальное уравнение теплопроводности для одномерной нестационарной задачи без внутренних источников теплоты и в предположении о постоянстве физических параметров записывается в следующем виде:

dt _ d2t дт дх2

где а - коэффициент температуропроводности.

Рисунок 10. Модель в виде пластины

Благодаря симметрии, достаточно рассмотреть половину пластины, например, верхнюю, заменив отброшенную нижнюю половину, условиями симметрии в виде граничного условия второго рода с нулевым тепловым потоком:

ас I

дх\

= 0.

х=0

(2)

На верхней поверхности (д: = Я) пластины происходит тепловое взаимодействие со средой, которое опишем граничным условием третьего рода:

°х'х=н-о

(3)

Начальное условие задает распределение температуры по толщине пластины для нулевого момента времени, в данном случае это равномерное распределение:

Кх.т = 0) =

(4)

Таким образом, мы задали систему уравнений (1) -(4), которая определяет процесс охлаждения асфальтобетонной смеси в кузове автосамосвала при загрузке, транспортировке и выгрузке смеси. Избыточную температуру в рассматриваемой задаче удобно отсчитывать от уровня температуры окружающей среды £в:

0(х,т) = ¿О.т) - г

В'

Тогда

,9 — /-о _ /-о и0 — с5 М 1в-

(5)

(6)

Размерные параметры а, Я, А формируют безразмерный параметр - число Био:

Я

аЯ т

в'=т=т

а

(8)

Число Био характеризует отношение внутреннего термического сопротивления теплопроводности к внешнему термическому сопротивлению теплоотдачи. Теперь суммируем все сделанные подстановки и преобразования. Дифференциальное уравнение теплопроводности:

дв д2&

дХ2

Граничное условие симметрии на центральной плоскости пластины:

а©

дХ

= 0.

х=0

Граничное условие третьего рода на поверхности:

а©

дХ

х=0

= В£0( X = 1, Г0).

Начальное условие:

©СА", Р0 = 0) = 1.

(9)

(10)

(11)

(12)

Оценка безразмерного времени, называемого числом Фурье 0:

Ра=70г

(13)

Задача теплообмена для плоской пластины является классической. Поэтому в литературе существует значительное количество решений этой классической задачи нестационарной теплопроводности. Таким образом, возможно использование одной из отработанных моделей, которую следует настроить в соответствии с особенностями решаемой задачи. В данной работе мы выбрали модель теплообмена плоской пластины, представленную в работах профессора Солодова А.П. Данная модель реализована на базе одного из наиболее известных пакетов -Ма^сас^.

Общая структура модели системы управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ представлена на рисунке (Рисунок 11).

Параметры асфальтобетона

-1 '-►

Прогноз температуры воздуха у

Параметры самосвала

Параметры среды

Л

БЛОК МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА

Дорожные условия

БЛОК МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ

1

-- I

' ■ Яндекс.Пробки

Рисунок 11. Общая структура модели системы управления температурой асфальтобетонной

смеси на выходе АБЗ

Имитационная модель реализована в программном комплексе Ма1Иса<1 Анализ Результатов моделирования показал адекватность разработанной модели реальному технологическому процессу. Модель позволяет оценить динамику распределения температуры асфальтобетонной смеси в кузове самосвала в зависимости от свойств самой смеси (вид смеси, масса смеси, начальная температура смеси, теплопроводность смеси); параметров транспортировки (вид транспортного средства, время и скорость транспортировки, условия теплообмена, температура окружающей среды, скорость ветра). Модель температурных полей в асфальтобетонной смеси базируется на симметричном дифференциальном уравнении теплопроводности для одномерной нестационарной задачи без внутренних источников теплоты с граничным условием третьего рода на внешней поверхности пластины.

Глава 4

Для разработки САУ температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ необходимы исследования на разработанной модели с использованием полученных экспериментальных данных. Из этих данных мы выбираем объекты с большим числом поставок. Данные представлены в таблице (Таблица 3) и на рисунках (Рисунок 12).

Таблица 3. Выборка данных для анализа

№ Адрес Поездок Расстояние Время доставки, [мин

СРЕДНЕЕ МАХ МШ 5КО* УАЯ**

1 3-я Черепковская ул. 12 39 118 146 72 21,3 0,18

2 9-я Парковая ул. 21 9 89 150 45 29 0,33

3 г. Троицк 21 59 116 213 39 51,8 0,45

4 Калужское ш. 11 41 98 132 65 23,9 0,25

5 Ленинский проспект 10 25 107 155 70 34,1 0,32

6 Мякининское ш. 14 36 61 73 46 7,88 0,13

7 Новорязанское ш. 10 10 69 96 54 12 0,17

8 поселок Птичное 22 65 138 172 63 34,4 0,25

9 Тверская ул. 20 17 112 275 50 53,1 0,47

Время в пути, Тверская ул.

оооооошооооо 1^г^г^оооооост1<г!оо

Время начала движения

Рисунок 12. Изменение времени доставки смеси на Тверскую ул. в зависимости от времени начала движения.

Вопросы идентификации и моделирования динамики случайных процессов давно и весьма подробно рассматривались в работах В.А. Воробьева, В.А Горшкова, А.И. Доценко, Д.Н. Суворова. Практически все процессы могут быть представлены процессами авторегрессии. Модель случайного процесса авторегрессии порядка т [АГЦт)] имеет вид,

х[п] = к\х[т1 - 1] + к2х[п - 2] + — + ктх[п - т].

(14)

где - значение случайного процесса в /'-ый (* = 1, т) дискретный момент времени;

/с( - вес предшествующего [л - ¿] значения ряда;

т - порядок модели. В моменты времени I < (л — т — 1) показатель х[п] перестает зависеть от предшествующих значений.

*- БКО- среднее квадратическое отклонение вариация

В пакете 51тиНпк МАПАВ динамические характеристики процесса АЩт) представляются Дискретным фильтром, например для модели вида АЯ(2)

х[п] = -0.9х[п - 1] + 0.2х[п - 2].

(15)

Дискретный фильтр с использованием механизма 1 преобразований описывается выражением вида

^ У 1—0.92-1+0.2г-2

(16)

Таким образом, далее мы будем моделировать в соответствии с данными из таблицы (Таблица 3) времена доставки асфальтобетонной смеси от АБЗ до 9 представленных объектов. В Результате моделирования будут получены изменения температуры смеси при ее доставке от АБЗ До каждого из выбранных объектов за среднее, максимальное и минимальное время (Рисунок 13 Для объекта Тверская ул.). Далее в моделировании и исследовании работы САУ будет исследована возможность компенсации потерь тепла при транспортировке коррекцией температуры асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ (Рисунок 14).

Рисунок 13. Температура в кузове самосвала при доставке асфальтобетонной смеси от АБЗ до «Тверская ул.» за минимальное, среднее и максимальное время, при отпускной температуре 175 °С

Рисунок 14. Температура в кузове самосвала при доставке асфальтобетонной смеси от АБЗ до «Тверская ул.» за минимальное, среднее и максимальное время при подъеме отпускной температуры до 195°С

При максимальном времени доставки смеси 100% будет иметь температуру ниже 120°С, а 25% смеси - ниже 100°С. Как показывает график изменения времени доставки в зависимости от времени начала движения (Рисунок 12), доставляя асфальтобетонную смесь в период времени с 8 до 11 часов можно обеспечить ее приемлемую температуру.

Для объекта Тверская ул. возможно 3 решения:

• Повышение отпускной температуры до 190сС частично решает проблему. Менее 5% смеси будет иметь температуру ниже 120°С, что позволяет использовать машину для перегрузки материала Roadtec Shuttle Buggy для выравнивания температуры по объему смеси.

• Как видно повышение отпускной температуры до 195°С полностью решает проблему (Рисунок 14).

• Доставляя асфальтобетонную смесь до объекта «Тверская ул.» с 8 до 11 часов можно обеспечить ее приемлемую температуру при условии повышения отпускной температуры всего на 5°С до 175°С.

Возможность обеспечения требуемой температуры асфальтобетонной смеси на объекте за счет управления температурой асфальтобетонной смеси при ее загрузке на АБЗ доказана для всех девяти рассматриваемых объектов. При этом требуется либо увеличение температуры отгрузки смеси на 5-25°С для 7 из 9 объектов, либо ее уменьшение на 5-10 °С для 2 объектов, что позволяет экономить энергозатраты.

Глава 5

Данный раздел посвящен разработке системы управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ. В нем определены задачи системы управления, структура и алгоритмы управления. Произведен выбор программных средств и системы управления базами данных для реализации задач оперативного управления. Определены этапы развития САУ температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

На основе проведенных исследований и разработок можно сделать следующие основные выводы:

1. Анализ технологического процесса производства асфальтобетонной смеси и технологического процесса транспортировки смеси от АБЗ до места ее укладки, как объекта управления, позволил оценить влияние основных факторов на качество асфальтобетонной смеси и готового асфальтобетонного покрытия, проанализировать опыт создания и применения систем управления в производстве асфальтобетона и в смежных отраслях, оценить влияние особенностей г. Москвы на процесс транспортировки асфальтобетонной смеси и сформулировать основные задачи исследования.

2. В результате выполненных исследований удалось сформулировать общую концепцию построения САУ температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ. А именно: предназначение САУ решить задачу оперативного управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ с учетом стабилизации её температуры в процессе транспортировки до объекта укладки.

3. В процессе проведения экспериментальных исследований установлено, что для одних объектов (как, например, 3-я Черепковская улица), время доставки относительно стабильное и изменяется от 70 до 145 минут. При доставки же на другие объекты (например,, на Тверскую улицу), время в пути транспортного средства изменялось от 50 до 270 минут. Такая значительная вариация обусловлена изменением дорожных условий - «пробками». Поэтому необходимо прогнозировать такие характеристики как время в пути и температура окружающей среды для момента начала движения.

4. В результате моделирования процесса нестационарного теплообмена на основе разработанной модели определяются: среднее значение температуры асфальтобетонной смеси в кузове самосвала в момент доставки асфальтобетонной смеси на объект и доля асфальтобетонной смеси в кузове самосвала с температурой ниже нормируемого значения. Эти характеристики позволяют оценить возможность дальнейшего использования асфальтобетонной смеси.

5. Управляющие воздействия на температуру, доставляемой на объект асфальтобетонной смеси, в соответствии с поставленной целью исследования может осуществляться следующими способами:

• воздействием на технологический процесс с целью получения на выходе АБЗ требуемой температуры в нужный момент времени. Для этого осуществляется управление температурой минеральных материалов на выходе сушильного барабана.

• управлением температурой асфальтобетонной смеси за счет организационных мероприятий. К таким мероприятиям следует отнести управление очередностью поставок на различные объекты и управление очередностью разгрузки асфальтобетонной смеси из кузова самосвала в асфальтоукладчик.

• комбинированным управлением с одновременным использованием обоих способов.

6. Разработана модель нестационарного теплообмена, обеспечивающая динамический расчет изменения температуры асфальтобетонной смеси внутри кузова самосвала в процессе ее транспортировки. Имитационная модель реализована в программном комплексе MathCAD. Анализ результатов моделирования показал адекватность разработанной модели реальному технологическому процессу. Модель позволяет оценить динамику распределения температуры асфальтобетонной смеси в кузове самосвала в зависимости от свойств самой смеси (вид смеси, масса смеси, начальная температура смеси, теплопроводность смеси); параметров транспортировки (вид транспортного средства, время и скорость транспортировки, условия теплообмена, температура окружающей среды, скорость ветра). Модель температурных полей в асфальтобетонной смеси базируется на симметричном дифференциальном уравнении теплопроводности для одномерной нестационарной задачи без внутренних источников теплоты с граничным условием третьего рода на внешней поверхности пластины.

7. Результаты моделирования САУ температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ подтвердили работоспособность общей концепции построения САУ температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ.

8. Оценка адекватности разработанной модели, которая проводилась на основе сравнения результатов моделирования и имеющихся экспериментальных данных, показала работоспособность разработанной имитационной модели нестационарной теплопроводности и возможность ее применения для достижения поставленной цели.

9. Разработана методика моделирования динамики свойств материалов и параметров технологического процесса АБЗ на основе моделей авторегрессии. Для моделирования вариации температуры асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ использована модель авторегрессии второго порядка - АР(2). Коэффициенты модели находятся из решения системы уравнений Юла-Уоркера. Модель динамики разработана в пакете Simulink MATLAB.

10. Для проведения более детальных исследований выбрано девять объектов (9-я Парковая ул., г. Троицк, Калужское шоссе, Ленинский проспект. Мякининское шоссе, Новорязанское шоссе, поселок Птичное, Тверская ул.). Для них исследована зависимость длительности доставки асфальтобетонной смеси от времени начала транспортировки. Проведена статистическая оценка этих данных. Проведена оценка возможности управления температурой асфальтобетонной смеси непосредственно на объекте тремя возможными способами управления, которая показала возможность и эффективность их применения для достижения поставленной цели.

11. Необходимо учитывать сложность задач САУ и предусмотреть этапы внедрения САУ. На начальном этапе существенную часть функций управления перекладывают на оператора, а затем, по мере накопления данных и опыта, большая часть процессов автоматизируется. Всего предложено 4 этапа - подготовительный, начальный, модернизация и развитие.

12. Разработана общая структура САУ, в которой для задач моделирования нестационарного теплообмена используется комплекс Mathcad 14, для статистической обработки данных используется комплекс MatLab и Microsoft Access, для реализации СУБД используется Microsoft Access. Для оценки текущей загруженности автомобильных дорог и прокладки оптимального маршрута доставки асфальтобетонной смеси используется программный комплекс Яндекс.Пробки. Для оценки температуры окружающей среды использован программный комплекс Яндекс.Погода.

13. Разработан общий алгоритм функционирования САУ температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ с подпрограммами:

• оценка времени в пути;

• оценка температуры смеси при ее доставке на объект;

• расчет требуемой температуры на выходе АБЗ;

• управление.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ПУБЛИКАЦИИ В ЖУРНАЛАХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК

1. Доценко А.И., Соколов A.A. Система управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ, журнал «Механизация строительства № 7, 2012 г.

2. Доценко А.И., Соколов A.A. «Принципы управления температурой асфальтобетонной смеси при строительстве автомобильных дорог», Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университет, Выпуск 31, 2013 г.

3. Соколов A.A. «Модель теплообмена процесса транспортировки асфальтобетонной смеси Для подсистемы управления», журнал «Механизация строительства», № 1, 2014 г.

4. Доценко А.И., Соколов A.A. «Оперативный контроль температуры асфальтобетонной смеси после ее транспортировки», журнал «Механизация строительства», № 7, 2014 г.

5. Соколов A.A. «Оперативное управление температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ», журнал «Механизация строительства»,№ 2, 2015г.

6. Доценко А.И., Соколов A.A. «Пути повышения качества асфальтобетонной смеси в Дорожном строительстве» Научные труды РААСН «Фундаментальные и приоритетные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2014 г.», Москва-Курск, 2015 г.

ПУБЛИКАЦИИ В ДРУГИХ ИЗДАТЕЛЬСТВАХ

1. Соколов A.A. «Система управления температурой асфальтобетонной смеси на выходе АБЗ», Материалы XXXVI межвузовской научно-практической конференции слушателей, курсантов и студентов «Инновационные материалы, технологии и социально-экономические аспекты строительной индустрии». Федеральное агентство специального строительства «Военно-технический университет», 2011 г.

2. Соколов A.A. «Пути совершенствования технологий производства асфальтобетонной смеси», материалы Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2012», Ижевск, 2012 г.

] 5 - - 8 6 9 1

2015674785

2015674785