автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Теория и практика автоматизации процесса уплотнения бетона на базе адаптивных микропроцессорных систем гамма-изотопного контроля

ЙОШВШЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИДЬ'Нр^ОРОЖКЬ^, иНШШ

1 с 9.2,

На правах рукописи

ШЕЛОМАНОВ Андрей Евгеньевич

УДК 666.97-503.5

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА

УПЛОТНЕНИЯ БЕТОНА НА БАЗЕ АДАПТИВНЫХ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ ГАММА-ИЗОТОПНОГО КОНТРОЛЯ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (в строительстве)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена в Хабаровском политехническом институте и Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Л.А. Баранов

доктор технических наук, профессор Л.С. Вальков

долтор технических наук, профессор В.Г. <Гирстов

Ведущая организация - Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт организации, механизации и технической помощи строительству при Госстрое СССР

Защита состоится " _—_ 1991 г. в час.

на зас« ании специализированно^ совета ДР 053.30.99 при Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-до-рокном институте по адресу 125029, Москва, Ленинградский пр., 64.

С диссертацией можно ознакомиться в,библиотеке института.

£С' //

Автореферат разослан " ___ 1891 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, проспи направлять на имя ученого секретаря специализированного совета.

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

Н.В. Михайлова

" .-'V - 3 -

i.-, ' ■'-?/ СПЗЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

: : ... • •'; }

'-"-■'■-■-^ÍVís/

Актуальность работы.

Бетонные и железобетонные изделия продо. лают оставаться основными среди всего многообразия строительных материалов, применяемых в промышленном, гражданском и дорожним строительстве.

Одной из основных характеристик, формируемых на ранних стадиях технологического процесса производства ЖБИ и определяющих в дальнейшем качество выпускаемой продукции, является плотность и однородность материала по всему изделию. Несмотря на накопленный опыт реализации автоматизированных систем управления уплотнением бетонной смеси, все они, по сути, являются разомкнутыми из-за отсутствия достоверной информации о динамике изменения степени ушк гнанИя как в отдельно взятой точке, так и интегральных характеристик уплотнения по всему изделию, на основании которых можно было бы проводить адекватное управление процессом уплотнения. Сложность излучения такой информации связана, прежде всего, с отсутствием специальных измерительных систем, обладающих необходимыми : арактеристиками в части точности и быстродействия, а также методической непро-работаиностью самого вопроса использования таких измерительных систем в контуре системы управления технологическим процессом уплотнения бетонной смеси.

Проведенный анализ распределения продукции сборного железобетона по типам изделий позволяет обнаружить, что практически большая чк часть имеет сложную геометрию ( пустотгости и ребра жесткости в плитах перекрытий, оконива и двариыа проемы

в стеновых панелях ), и существенные неоднородности ( наличие арматуры, слоев из различных утеплителей и т.д. ). Данное обстоятельство следует учитывать при проектировании автоматизированных систем управления процессами фс рмования и уплотнения , т.к. это накладывает определенные ограничен! I на используемые методы и средства определения плотности материалов.

Коэффициент уплотнения изделий ЖЕИ относится к основным характеристикам полуфабрикатов и, в значительной степени, определяет такие основные показатели качества готовой продукции, как прочн :ть бетона на сжатие, морозостойкость, водопроницаемость, долговечность и другие. Поддержание данных показателей качества готовой продукции на заданном уровне в настоящее время ведется, в основном, за счет достаточно высоких нормативны:; коэффициентов запаса, что в свою очередь приводит к значительному перерасходу как цене;:та ( наиболее дефицитного компанента бетонной смеси ), так и самого бетона. По данным некоторых исследователей перерасход цемента составляет до 17-20 процентов. Данное обстоятельство отрицательно сказывается на экономической эффективности производства сборного железобетона и не сгчдает предпосылок к снижению норм расхода цемента, что в ■ свою очередь сдерживает рост производства изделий ЖБН.

Таким образом, повышение экономической эффективности производства сборного железобетона неразрывно связано с повышением однородности бетона по плотности и, как следствие, по прочности - основному показателю качества готовой продукции.

Следовательно, эад-ча разработки теории и практики автоматизации процесса уплотнения бетона, которой посвящена данная

диссертационная работа, является крупной народнохозяйственной проблемой.

Работа выполнялась в соответствии с целевой комплзксноП программой О.Ц. 02С "Автоматизация управления технологически:™ процессами, производствами, станками и оборудованием с применением мини-ЭВМ и микроэвм" (раздал 01.70) и программой Госстроя СССР (постановление II 14 от 013.02.1909 г. > "Автоматизация производства конструкций крупнопанельного домостроения", (подпрограмма Н 3, раздел 7).

Цель и основные задачи '«сследсвания.

Целыэ реботи является разработка теоретически;-: основ ав-

'»ом^'иисщ;-;!! чо>и*о.»и-1'нЧ"-ского процесса >пло. ■.¿.йпл ии

зч использования и контуре упр&илсиия адаптивних иикропро-цеесорных систем г&мма-изотопногс контроля.

Для достнкспнл поставленной поли пеогхог"и :>: разработать нотодологич.-скне осногм аптег т' '•кгог^зшпга управления технологический процессом уплотнения Сетона использование гамяз-иоотогткх н?мернтгалыплг систем п контуре управления.;

провести анализ и пибор целотзых функций оптимизации информационного об, спечення всего процесса уплотнения;

разработать имитационную модель тохко, ггнческого процесса уплотнения, измерительной систем;» и управления ою, исследопать на пдгали эффективность автоматиз1.сланной о :те!'ц управления •уплотнением бетонной смеси;

исследовать локальные и -интегральные оценки распределения

плотности материала по всему изделию в условиях сложной геометрии и существенных неоднородностей формуемых изделий ЯСБИ;

синтезировать структуру н алгоритмы автоматизированной системы управления технологическим процесс м уплотнения бетонной смеси, обеспечивающие стабилизацию коэффициента уплотнения на заданном уровне минимизируя его вариацию по всему изделию;

разработать аппаратно-программное обеспечение автоматизированной системы управления технологическим процессом уплотнения, внедрить ее на заводах сборного железобетона и оценить ее эффективность в производственных условиях.

Метода исследования.

При исследованиях плотностных характеристик бетона, использовались метода разрушающего и нераэрушаищего контроля, математической статистики и теории случайных процессов, методы теории автоматического управления.

При разработке и исследовании имитационной'модели технологического процесса уплоть_ния использованы методы имитационного математического- модалирования, теории случайных процессов, методы идентификации и моделирования случайных процессов .

При синтезе системы автоматизированного управления использовались методы синтеза цифровых систем, теория проектирования ЭВМ и систем, методы теории инвариантности и адаптивного управления.

На защиту выносятся.

1. Концепция автомг"изированного адаптивного управления технологическим процессом уплотнения бетонной смеси на основа

получения обработки и анализа информации о динамика изменения локальных и интегральных характеристик распределения плотности по всему изделию и комплексной оптимизации всего процесса уплотнения.

2. Методы и алгоритмы автоматизированной системы оптимального управления технологическим процессом уплотнения бетонной смеси путем оперативного управления продолжительность!} уплотнения,

3. Автоматизированная система оперативного управления технологическим процессом уплотнения бетона, обеспечивающая минимум вариации коэффициента уплотнения бетона по всему изделию, результаты ее эксплуатации.

4. Методы и алгоритмы моделирования процесса взаимодействия гамма-излучения с бетоном инвариантные к химическому составу и геометрии моделируемых изделий.

Научная новизна работы.

В диссертации проведено теоретическое сбоб^онига исследований в области автоматизации технологического процесса уплотнения бетона и путей стабилизации его плотностных характеристик, на базе использования адаптивных микропроцессорных 'систем гамма-изотопного контроля, что позволило разработать теорию адаптивного управления процессом уплотнения батона с целью стабилизации его плотностных характеристик и максимизации коэффициента уплотнения.

Диссертантом впервые:

1. Разработанч методологические основы синтеза систем адаптивного оперативного управления технологией уплотнения в

производстве сборного яелеэоботопа аа осново локального и интегрального гамма-изотопного контроля, обеспечивающие получение и наиболее эффективное использование имеющейся с производственных условиях информации о динамике изменения плотност-ных характеристик формуемых изделий, параметрах уплотняемой среда и показателях качества полуфабрикатов.

2. Разработана универсальная имитационная модель для оптимизации пнфогмощ1ошю-упрзшт;о:;;еп системы инвариантной к геометрии формуете: изделий как объекта контроля и управления. Исследовано формирование и дана оценка влияния характеристик информационного массива локальных и интегрс.льшгх показателей качества уплопюпия па эффективность автоматизированного управления. технологическим процессом уплотнения.

3. разработана методика моделирования процесса взаимодействия гамма-излучения с бетоном инвариантная к геометрии исследуемых изделий и позволяющая производить многопаранэтрм-ческую оптимизацию параметров датчика измерительной систег-ц в зависимости от особенностей используемой технологии, номенклатуры выпускаемых изделий и требований технологического процесса .

4. Сформулированы и обоснованы целевые-функции оптимизации информационней и управляющей систем технологическими процессами уплотнения, которые обеспечивают минимум вариации коэффициента уплотнения по всему изделию .

5. Синтезирован аппаратно-программный комплекс автоматизированной системы управления уплотнением бетона на базе адаптивных микропроцессорных систем гамма-изотопного контроля,

- О -

ориентированный на получение и обработку локальных и интегральных оценок распределения плотности уплотняемого бетона по всему изделию ЖЕН с целью динамической оценки хода уплотнения и параметрической и структурной адаптации алгоритмов управления к изменяющимся параметрам уплотняемой среда.

6. Определен комплекс вазовых и лнетрументальнш; зппарат-тк и программных средств, обеспечивающих, эф&ективнуга реализацию автоматизированной системы управления технологическим процессом уплотнения бетонной смеси.

Практическая значимость работы.

Па оснотзо теоретических, экспериментальных и прикладных исследований ранена вэгная для народного хозяйства проблема -создание и внедрение в практику производства сборного талезс-езетона высокоэффективных систем автоматизированного управления технологическим процессом уплотнения бетонной спеси.

Разработала методика инженерного синтеза автоматизированных систем адаптивного оперативного управления уплотненном 6?-тонной смеси в производстве сборного железобетона.

Разработаны алгоритмы эффективней обработки оперативной информации о динамика изменения локальных и интэгралыпк оценок качества уплотнения'бетонной смеси.

Создана и эксплуатируется на предприятиях отрасли система адаптивного автоматизированного управления технологическим процессом уплотнения бетонной смеси, минимизирующая вариацию плотности бетона -по всему изделию. Наторкали диссертации использованы в учабном процесса НАДИ и ХП11.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались,

обсуждались и получили одобрение на 15-тн Международны",

Всесоюзны:: ¡; Республиканских ис.учпэ-томппчсск::;: копфэрспцилх, семинарах и совещаниях.

Разрзьотаинсш а1)те::атпзирс;зп;шап снстриэ и с« еенс^ьио

бЛС'Г.П Cr.CIICirSïpCL1?/! ГЬ Н;л пи'^'-'И г - . "-г ""' " г.:' и " -

дународнах симпозиумах.

Содорканио работы отражено n 1 монографии, 20 статьях, 4 авторских свидетельствах. Объем paGoTu.

Ш1С1.ЭГО текста, cwi*r«>tr СО рисунка, 10 тсоли-д и состс;:т ££ОД<.:Ш1Я, пяти глав, заключения, en.icKS испэл1.созг.шюЯ литература на 249 наименований п пр1!ЛО:',«ч;'.й.

содержание РДЕСТЫ ' • • На CE-oiiCTiia Се тона в сха больно"! cicrienu, чаи гар: |шс, оказывает слияние уплотнение Сстопной сизси. Поп пэдоуп-лотнении бетона наблюдается резкое ухудшение по отног.энию к проектным оценкам практически всех основных показателей качества бетона, таких как: прочность, морозостойкость, долговечность, водопроницаемость и других.

Так, недоуплотнение бетонной смеси всего на 1 % снижает прочност1!ые характеристики готового изделия на 5-7 %. Однако более детальные исследогания показывают, что при снижении расхода цемента недоуплотнение■сказывается на прочности более сильно и достигает 7 - 8 % при жесткости 100 с., а по данным

японских исследователей снижение прочности вызванное недоул-лотнением бетона достигает 8 - 10 %.

Учитывая то, что эффективность уплотнения бетонной смеси определяется многими параметрами, стабильность которых но мо-::от бить обеспечена при существующем уровне технологического процесса нэготовлешш железобетонных изделий, практически »та всех заводах отрасли возникает задача стабилизации платпостиих характеристик формуемых изделии ЖВК на максимально возможном уровне. При этом следует иметь ввиду, что из-за существенных стг-лопепий от проектных параметров бетонной смеси управление степенью ее уплотнения, основанное на статистическом подходе, имеет определенные ограничения и позволяет обеспечить управление только низкочастотными процессами, определяющими основные тенденции в изменении параметров бетона и технологического процесса, и по способствует сникенига уровня брака, вызванного нодоуплотнениеи бетонной смеси.

Реализация оптимального управления ' технологическим процессом уплотнения бетонной смеси, позволяющая минимизировать потери от брака вызванные как недоуплотнением, так и расслоением бетона, ввиду неконтролируемое™ хода-самого процесса уплотнения возможна только на основе информации о динамике изменения плотности, получаемой индивидуально для каждого формуемого изделия ЖБИ.

Для-определения возможности осуществления такого управления в диссертационной работе рассмотрены особенности используемого для уплотнения бетона технологического оборудования и определены наиболее эффективные управляющие воздействия.

Как показали проведенный исследования , вне зависимости от вида технологии, основным способом уплотнении бетонной смеси при производстве сборного ¡хелезобзтопа является вибрирование. По данным ряда авторов в СССР более 80 процентов всей 1:окен1У1атури железобетонных изделий формуется именно таким образом. Это обстоятельство вызвано тем, что в процессе вибрационного воздействия на бетонную смесь создаются благоприятные условия для пероконпановки частиц и эффективного использования явления тиксотропии.

Как видно из представленных в работа данных, управление качеством уплотнения производится, в основном, путем управления временем уплотнения. Частотнио жа характеристики вибровоз-дойствия на уплотняемый материал зависят, от типа используемого виброоборудования, которое подбирается в соответствии с но-мошелатурей выпускаемых изделий.

Следует отметить, что в производственных условиях используется как вибрационное, так и ударно-вибрационное оборудование, причем последнее оборудование обладает рядом преимуществ, обесточиваемы;:, в основном, за счет более широкого частотного спектра механического воздействия на уплотняемый бетон.

Обобщенно рассматривал технологию уплотнения, можно сделать вывод о том, что Еесь процесс уплотнения бетона в большой степени зависит от способа уплотнения и в общем случае имеет вид, представленный на рис.1. Условно весь процесс уплотнения может быть разделен на три основные фазы:

I - активное уплотнение;

IX - стабилизация, плотностных характеристик бетона;

■ III - деструктивные изменения.

Относительное соотношение длительности каждой из фаз существенно зависит от дозировки и типа бетона, геометрии формуемого изделия, способа уплотнения и ряда других параметров.

R6, отн.ед. 4

3

* I II III

I I

I I

I I

. . Г ^ ^ 5

отн. ед.

Рис.1. Обобщенная зависимость процесса уплотнения бетонной смеси

Определив необходимость получения информации о динамике изменения плотности уплотняемой бетонной смеси, необходимо било определить технологические и технические особенности ее получения, а также выбрать эффективные методы и средства, обеспечивающие реализацию такой информационной системы.

Как показал проведенный анализ особенностей автоматизируемого технологического процесса, основными ограничениями при использовании измерительных систем в контуре управления являются время контроля плотности и необходимость проведения бесконтактного контроля.

Проведанный в диссертационной работе анализ методов к средств измерения плотности бетона позволил обоснованно остановиться на радиационных методах, обладающих рядом преимуществ по сравнению с остальными и хорошо зарекомендовавших себя при использовании в промышленности. Однако, выпускаемые промышленностью измерительные средства не могут бить использованы в существующем вида в контуре системы управления технологическим процессом уплотнения по следующим причинам:

- не обеспечивается необходимое быстродействие ( порядка 10-15 секунд при точности 1-1.5 процента );

- нет достаточной методической основы для использования данных измерительных средств для измерения динамики изменения плотности уплотняемого батона в условиях его существенной неоднородности и сложной геометрии.

Перечисленные проблемы являются достаточно существенным,! и определяющими, в конечном итоге, возможность реализации автоматизированной системы управления уплотнением бетонной смеси. В диссертационной работа для проведения всесторонних исследований измерительной системы, работающей в условиях жестких временных ограничений и существенной неоднородности измеряемого материала, была разработана моцелирующая средз, ориентированная на широкое использование баз данных, структура

Г •

которых представлена на рисунке 2.

Основным результатом, полученным при таком подходе к моделированию измерительной системы было существенное увеличение быстродействия и, как результат, возможность получения уникальных результатов по всестороннему исследованию динамики процесса взаимодействия гамма-излучения с уплотняемым бетоном.

Рис.2. Развернутая структура баз данных по моделированию результатов текущего контроля

основой для реализации такой моделирующей среда послужила разработанная имитационная модель взаимодействия гамма-излуча-ния с материалом тич§ бетон. В еэ основу били' положены соотно-

иония, описывающие взаимодействие гамма-излучения с любым материалом с известным химическим составом. При этом для сложных материалов необходимо рассмотрен весь спектр возможных комбинаций и проведены исследования их влияния на результаты контроля.

Основными соотношениями, характеризующими взаимодействие гамма-кванта с уплотняемой средой, является длина свободного пробега, функция плотности распределения которой может быть цписана следующим выражением:

= Ни(Е)*ЕХРС-Ми(Е)*Ь], ( 1 )

гда: М^Е) - коэффициент линейного поглощения гамма-излучения; Е - энергия гамма-кванта; Ь - длина свободного пробога гамма-кванта.

При этом следует иметь ввиду, что Ми(Е) представляет собой комбинацию из следующих выражений:

Ни(Е) Ми(Е)ф Ми(Е)к Ми(Е)п

Йо Ко Ко Но

гда: Ми(Е)ф, Ми(Е)к, Ми(Е)п - линейные коэффициенты поглощения, вызванные фотоэлектрическим эффектов, комптоцовским рассеявшем и образованием электрон-позитронных пар ( имеет место для энергий больше 1.02 Мэв ); Ио - плотность материала. В свс очередь, значение каждого иэ слагаемых выражения ( 2 ) вычисляются по следующим формулам:

Ми(Е)ф n Ми(Е)ф1

------s SUM --------* Huí,

Ео 1 Rol

MU(E)K n Mu(E)Kl

------= SUM --------* Mal,

По 1 Rol

Mu(E)n n Mu(E)п1

------= SUM --------* Huí,

Ro 1 Rol

( 3 1

( 4 )

< S )

где: Nul - относительная массовая доля 1-го элемента; Rol - плотность 1-го элемента; Ко - плотность сложного веществ. Характер взаимодействия гамма-излучения с материалом полностью определяется следующими выражениями:

Ми(Е)к Mu ( Е ) к + Ми(Е)ф

( 6 )

Рк

Ни(Е)ф Ми(Ё)к + Ми(Е)ф

< V )

где: Рк, Рф - вероятности соответственно комптоновского взаимодействия фотоэлектрического поглощения.

Угол рассеяния гамма-кванта на электроне определяется в соответствии с формулой Клейна-Нишинц-Тамма и имеет также статистический характер о соответствующей функцией распределения, как и азимутальный угол, подчиняющийся равномерному закону распределения.

Остальные параметры, описывающие распространение гамма-кванта в материале, функционально связаны с рассмотренными выше параметрами и с предысторией гамма-кванта.

- IQ -

Энергия гамма-кванта, рассеянного на электроне посла взаимодействия Еп+1,определяется энергией до взаимодействия En и ¿гг.оа комптоновского рассеяния w

En

Еп+1 ---. ( В )

En

1 +--* (1 - сов w )

то * С**2

где гио*С**2 - энергия покоя электрона, равная 0,511 МэБ.

' Траектория движения гаима-кванта после взаимодействия определяется углами Or+1, fn+1 , вычисляемыми из следующих соотношений:

соеОп+1 - coa On*coo wn+l+ Bin On*sin wn+l*coa fn+1; ( 9 )

ein Xn+1* sin wn+1

sin( fn+1- fn) = --( 10 )

ein On+1

сов v/n+l - cos On* cos On+1

cos( fn+1- fn) = -----( 11 )

Bin On* sin On+1

Данными соотношениями полностью списывается процесс взаимодействия гамма-излучения с бетонной смесью.

Однако, для элективного управления1 процессам уплотнения бетона необходимо наличие достоверной информации не только о ходе процесса уплотнения, но и о результатах входного контроля качества исходных материалов и результатах выходного контроля качества готовых изделий, на основании этих данных и принимается решение о прекращении проца^"!а уплотнения. Таким образом.

оптимальное управление является функцией следующих векторов:

U(t) = U[A(t), B(t), C(tn .. ( 12 )

где: A(t) - вектор показателей качества готовой продукции;

B(t) - вектор показателей качества исходного материала ( бетона );

C(t) - вектор показателей качества уплотнения текущего изделия.

Для правильного выбора упргвл.'лсхцего воздействия па процесс уплотнения в результате выходного контроля кпчзстгл готовой продукции интерес представляют прежде всего дефекты уолй-зобатош:и>: изде.',;;Л, носящий систематический характ?р, г'гуг'--'-ные нсдоуплотнепи.е:!, с указанием конкретных sen с педоуплот'?~-нием. Такая информация позволяет, в дальнейшем, проводить t?^-ленапргшлениый контроль качества уплотнения именно отнх г-о::.

Определение вектора показателей качества негодного материала позволяет скорректировать тарировочвыэ псрг-ч-ористи"': измерительной систсиы и, в дальнейшем, правильно определить теоретически плотность уплотняемого Сетона с ссотсэтстпуюгич •вычислением текущего коэффициента уплотнения.

Вектор показателей качества уплотнения токуцзго изделия представляет собой совокупность результатов измерений плотности бетона в отдельных "критичных" к уплотнению, точках изделия ЖПИ и составленных на этой основе кнтегральиих характеристиках уплотнения текущего изделия.

Основной проблемой в получении всех этих данных и uppa-

ботке в соответствии с ними правильного управляющего воздействия на прекращение процесса уплотнения представляет собой проблема правильной интерпретации результатов измерений плотное в условиях сложной геометрии уплотняемых изделий при их существенной неоднородности.

Для решения этой проблема в диссертационной работе били детально рассмотрены теоретические и методологические основы взаимодействия гамма-излучения с бетоном в условия сложной геометрии и неоднородности последнего.

Исследованиям в этом направлении посвящено значительное количество работ советских и зарубежных ученых: Арцибашев В.Л., Ратнар л.А., Врейтман З.М.., Булатов Б.П., Еарварин Г.Б., Воробьев В.А., Горшков В.А., Гегерь В.П., Гельфанд М.Е., Гусев A.A., Гусев Б.В., Дядькин И.Г., Емельянов В.А., Игнатик а.ф. , Кивилпс С.С., лейпунский о.и., Михайлова Н.В., Недавний О.П., Осмачкип Б.П., Павлов Л.С., Позднеев Д.В., Клюев В.В., Пугачез A.B., Родэ Л.Г. Рсдип A.A., Фирстоз В.Г., Филиппов Е.М., Хисамутдинов Л.И. и других.

Важнейшим этапом в разработке алгоритмов управления технологическим процессом уплотнэшш батона является обоснование и выбор целевых функций управления. При зтом следует иметь ввиду то, что оценка каждой целевой функции управления должна проводиться с позиций экономической выгоды, и только этот критерий позволит правильно оценить целесообразность реализации той или иной целевой функции управления.

В рамках реализации проблемы оптимизации алгоритмов управления оптимальной и реализуемой является практически одна

. • :.........

- ?л -

целевая функция - это обеспечение максимально возможной средней плотности уплотняелого бетона: m

SUM Roi 1

Q1 = -- —> шах , ( 12 )

m

где га - число точек измерения плотности;

Для реализации оптимального, в выбранном смысле, алгоритма управления уплотнением была разработана автоматизированная система управления уплотнением бэтогшой смеси, учитывающая особенности самого технологического процесса уплотнения.

Характерными особенностями технологического процесса уплотнения являются:

- нестабильность компонентов качества бетонной смеси, изменяющееся как от поставки к поставке, так и в процессе хранения на складе;

- недостаточная изученность ' влияния режимов технологического процесса уплотнения па качество готовой продукции;

- сложный и неоднозначный 'характер связей мезду физико-механическими и химико-минералогическими характеристиками исходных материалов и качеством готовой продукции;

- ^крайне малое время длительности технологического процесса уплотнения, что накладывает существенные ограничения на получение и оценку результатов измерения плотности.

В общем виде автоматизированная система управления уплотнением, построенная с учетом всех вышеперечисленных факторов может быть представлена в вида структурной схемы рис.3.1.

При существующем подходе к управлению уплотнением используется вектор - V(t)*; размерность которого п'всег-

Компоненты

бетонной смеси W(t)

Информация о выходном качестве

Xft) готовых изделий

информация о динамике процесса уплотнения

-> Технологический процесс формования и уплотнения

> Y<t)

.¡с. О. GGoCqjinmn структурная схс-n тсхполог:г;оского процесса уплотнения

Где: W(t) - Вектор показателей качества компонентов бетонной смасн;.

V(t) - Вектор состояния динамической характеристики процесса уплотнения;

X(t) - Вектор выходного качества железобетонных изделий и конструкций:

Y(t) - Вектор выходного состояния свежеот-формованного изделия;

LJ(t) - Вектор заданных показателей качества уплотнения;

S(t) - Вектор состояния технологического процесса.

- 23--Т

да меньаэ п'- размерности вектора V(t), ив котором практически отсутствует информация об интегральных и локальных ха-. рзктеристлках полей плотности распределения коэффициента уплотнения по уплотняемому издали«}. При этом, вся информация поступающая по ot .'альным каналам на вход информационной системы будет иметь систематические и случайные погрешности измерений, что в конечном итоге приведет к следующей модификации указанных информационных векторов:

W(tr = W(t)* + al(.t) + bl(t); ( 13 )

V(t)" = V(t)- + a2(t) + b2(t); ( 14 )

X(t)" = X(t)- + a3(t) + b3(t), ( 16 )

где: ajl - систематическая ошибка при измерении i-го параметра в J-ой группе С J =1-3 >;

bji - систематическая ошибка при измерении 1-го параметра в j-oft группа ( J = 1 - 3 ).

На основа этой поступающей в информационную систему щи-Формации формируется вэктор S(t), .размерность которого равна сумме размерностей векторов eró составляющих

S(t) = W(tr + V(t)" + X(t)" ( 16 )

Разработанная имитационная модель управления технологическим процессом уплотнения батона обеспечивает моделирование всех информационных и,измерительных каналов. '

В рамках проведенных исследований была проведена многопараметрическая оптимизация технологической схемы измерения в сгстветствии с критерием, представленным ниае:

rl rl

SQRT (SUM Nil - SUM Hi2) 1=г2 i=r2

J =--( 17 )

rl

(Rol - Ro2)*SQRT <SUM Mil + Nnp) i=r2

где: Nil - дифференциальные характеристики отраженного гамма-излучения для соответствующих углов коллимации и соответственно радиусов детектора полученные для плотности Rol;

Кж2 - тоже, что и Nil только для другой плотности бетона;

Nnp - прямое излучение попавшее в детектор через защиту;

Rol, Ro2 - плотность бетона для первого и второго случая; Пример полученной поверхности критерия оптимизации для практически одной точки в пространстве оптимизируемых параметров представлял рисунка 4

После отработки и оптимизации алгоритмов управления автоматизированной систем Я управления уплотнением бетона, проведенном на имитационной модели технологического процесса уплотнения с учетом его особенностей, была предложена структурная схема аппаратной части автоматизированной системы - управления представленной на рисунке 5.

Предложенная аппаратно-программная часть имеет ярко выраженную двухуровневую структуру

На первом - нижнем уровне управления - стоят три однок- • ристальные микроэвм, управляющие измерительной 'системой, системой позиционирования и исполнительным устройством, реали-

ПОДЕ КРИТЕРИЯ ОПТИНИЗПЦИИ и ПРИ НС-ЧСМ.НБ=1 СМ.СЕР=5СМ

Рис.4. Поверхность критерия оптимизации, полученная для следующих значений оптимизируемых параметров: высота подъема источника - 4 см, высота подъема детектора - 1, толщина защиты - 5 см, {¡-внешний угол коллимации, ^ внутренний угол

Передача информации

Информация о динамике процесса уплотнения изделия ЖБИ.

Измерительная система

Сигнал управления виброустаиовкой

Рис.5. Структурная схема аппаратной части автоматизированной системы управления уплотнением бетонной смеси

эующие следую функции управления:

- управление режимами измерений плотности;

- настройка на различные типы изделий;

- определение интегральных оценок распределения плотности по всему изделию;

- формирование и выдача управляющего воздействия на исполнительные устройства позиционирования измерительной системы;

- формирование управляющего воздействия для завершения процесса формова—ля.

На втором - самом' верхвем уровне управления - стоит 1БМ-совместимак ПЭВМ, на котсчую возложены следующие функции управления: л

- анализ информации о ходе процесса уплотнения, поступающей от микроЭЕМ нижнего уровня, и принятие решения на его завершение;

- осуществление взаимодействия с АСУ высшего уровня;

- накопление и анализ статистической информации о параметрах управления процессом уплотнения бетонной смеси;

- хранение данных по нормативным значениям обобщенной плотности в локальных точках всей номенклатуры изделий для данной формовочной линии.

Такая структура•позволила освободить ПЭВМ верхнего уровня от выполнения "рутинных" и на требующих больших ресурсов операций, возложив эти обязанности на однокристальные микроэвм нижнего уровня управления с фиксированными программами. '

В диссертационной работе представлены результаты разработки всех основных блоков аппаратной и программной части автоматизированной системы управления уплотнением а также проведены всесторонние исследования автоматизированной системы управления уплотнением бетонной смеси на имитационной модели технологического процесса уплотнения и в производственных условиях, полученные в процессе исследований локальные и интегральные оценки качества уплотнения представлены на рисунках 6 и 7. При этом на рисунке 6 показана динамика изменения плотности бетонной смеси при уплотнении плит перекрытий для 25 изделий ЖБИ. .

Оценка эффективности использования разработанной автоматизированной системы управления уплотнением особенно наглядно видна из данных, представленных на рисунке 7,где показано среднее значение прочности готовых изделия • ЖБИ уплотненных стандартным образом ( первые 25 точек графика ), и под управ-

Рис.6. Динамика изменения плотности бетонной смеси при уплотнении плит перекрцтий для 25 изделий ЖБН в 25 точках по времени.

к

А

у\

ы

М\

19 НЗ 1.5 !й IIВ Ы £9 11.« Г» ЯП М 19 М ?.!4 М 1« М X« М М С8 ГД Ф.в

У:р • 1'

Рис.7. Результаты измерения средней прочности готовых изделий ЖЕИ отформованных без использования автоматизированной системы управления уплотнением бетонной смеси. Первые 25 точек для 25 случайным образом выбранных изделий ЖБИ И последние 25 точек для 25 случайным образом выбранных изделий ЖЕИ отформованных с использованием автоматизированной системы управления уплотнением бетонной смеси.

ланием автоматизированной системы управления 1 уплотнением ( последние 25 точек графика ).

Результаты производственны:; испытаний автоматизированной системы управления технологическим процессом уплотнения бетонной смеси подтвердили ео высокую экономическую эффективность и актуальность решенной проблемы для народного хозяйства. Средний годовой экономический эффект от внедрения системы i;a заводе мощностью 100 ООО мЗ бетона в год составляет 25000. . . 60000 рублей.

Наряду с разработкой аш'сматизироьинной системы управления уплотнением ботона в работе показана роль и мссто разработанного аппаратно-программного комплекса в структуре управляемого технологического процесса производства ЖБИ.

Известно, что »¡а предприятиях отрасли производства строительных материалов отсутствует сложившаяся структура локальных систем управления отдельными технологическими переделами. С учитом высокой ресурсообеспочешюстм ьы'шслитслышмн юздиостя-пн автоматизированной системы управления уплотнение)] декесеэб-раэно использовать их для установки комплексной систем;.: управления качеством готовой продукции, и остальную часть ресурсов в фоновом режима использовать для реализации автоматизированной системы управления уплотнением.

Роль и место разработанной автоматизированной системы управления уплотнением в структурной схеме управляемого технологического процесса производства ЖБИ представлена на рисунке 0

Компоненты

Тле.8. Сюгсеетирссзшод укрупнятся структур »я схскг у. рг-апясмсго техьэлслиес го процесса производства i.d;i и моего в ней рирасота-мой авчоматиоирма-яой сисгэд уп-рааг.енм технологическим ьрсцзссси умяит ия '.^ю 5.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ технологического процесса производства сборного железобетона как объекта управления и известных принципов построения автоматизированных систем управления уплотнением бетонной смеси позволил сформировать научно обоснованную кк; цепцию адаптивного автоматизированного управления уплотнение!-, бетонной смеси на основе анализа оперативной информации о динамике изменения локальных и интегральных оценок качества уплотнения бетонной смеси.

2. Разработаны методологические основы автоматизированного управления уплотнением бетона на заводах ЖЕН. Выполнен анализ тохняко-зпономического состояния отрасли, обеспечивший выбор стратегии стабилизации и повышения качества уплотнения бетона. Проведен анализ технологических предпосылок построения эффективной системы управления. Еыбрана и обоснована целевая функция оптимального управления уплотнение!-! Сетона (функция, качества). Проведен анализ и научно обоснованный быЕор комплекса управляющих воздействий, обеспачивадацих эффективное автоматизированное управление технологическим процессом уплотне-

' вия бетона.

3. Разработаны и реализованы в соответствующем программном - обеспечении' принципы моделирования технологического процесса уплотнения бетонной смеси. Создана имитационная модель взаимодействия гамма-излучения с уплотняемой бетонной смесью в условиях существенной неоднородности и сложной геометрии уплотняемого бетона.

4. Изучение на разработанной имитационной модели техноло-

гического проп°сг!<ч уплотнения ботопп статист"гиоин:: и динамических хг'рэктериетик степени уплотнения уплотненных изделий ЖБИ по-т"-".'.1!'ло рлере^отеть :*!>,►»»ггкг»«.!'» рлщчпгн ynp.-Mi.wi««? технологическим процессом уплотнении бетона п услег.кях его пестзциетрнееть кап самого прецееел уплотнения, тек и характеристик исходных материалов.

5. Ппзреботзн и псслодорзн т математической модели и V, релльнях происчголстрстмх условия* алгоритм оперативной пдеп-тацич параметре!.) аптсмътизщхэсашгоП систо>'!1 упр-^л^ния уплотнением бетона к напоптчфюсч параметр?,м уплотчяеммх изделий

' ЖШ, погюоляквияй оптимиэирогтть гр«мя уплотнения, а о конечном итоге юксиниэирояать степень уплотнения, л сяодо;?тголыи), м прочностных "арзктеристик для коядого конкретного иеделпя "Т.'.!.

6. Проведен синтез структуры и алгоритмов аппаратно-программного комплекса автоматизированной систоим управления технологическим процессом уплотнения СетошюЛ сн^еч, сСгсп<~-ч;*г!.г.">-щий максимизацию коэффициента уплотнения, а следовательно, и прочности каждого изделия ЖЕН. Реализована мпегоконтурпзя .г?--томатизированпая система адаптивного управления технологическим процессом уплотнения бетона.

7. Общим научным итогом диссертационной работы являатся разработанная теория и матодологиг иякенерного проектирования автоматизированных систем управления технологическим процессом уплотнения бетона на базе адаптивных микропроцессорных систем гамма-изотопного контроля, обеспечивающих адаптацию параметров

• и алгоритмов автоматизированной системы управления, которая основывается на новых принципах, теоретических предпосылках и математическом аппарате, доведенных до практического примене-

вин. что составляет в целом обобщение теоретических исследований в области автоматизированных систем управления плотностью бетонной смеси и обеспечивает эффективное решение важной народнохозяйственной проблемы.

6. Основные результаты работы реализованы в разработанной автоматизированной системе управления уплотнением бетона. Обоснован выбор комплекса базовых V инструментальные; аппаратных и программных средств. Исследована эффективность разработанной автоматизированной системы в производственных условиях. Как показал анализ результатов внедрения автоматизированной системы на предприятиях отрасли вариация прочности бетона за счет увеличения коэффициента уплотнения бетона и снижения вариации плотности в отформованных изделиях КБИ снижается па 15...30 % от имеющегося уровня.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Воробьев В.А., Горшков В.А., Шеломанов А.Е. Гаммаплот-нометрия. Монография. Энергоатомиздат, 1989. 140 С.

2. Шеломанов А.Е..Бурдинский И.Н. Описание команд мониторов операционной системы ИТ—11 : Методические указания к использованию программного обеспечения операционной системы ЕТ-11. Хабаровск, ХПИ: 1088. 48 С.

3. Шеломанов А.Е. Бурдинский И.Н. Технические средства САПР. Методические указания к изучению курса " Системы автоматизированного проектирования ЭВМ и систем. Хабаровск, 1988. 24 С.

4. Шеломанов А.Е., Вуряк В.И., Гегерь В.Я., Голованова D.E. Устройство рзнтгенотелевиэионного контроля материалов и изделий с использованием цифровых методов обработки изображений. Материалы научн.-практич. конференц. молодчх ученнх и специалистов посп. 1000-летию г. Брянска, Брянск, 1985.

5. Шеломанов A.B., Воробьев В.Л., Горшков В.А. К вопросу оптимизации параметров доинрерсионных поверхностных гамма-плотномеров // Материалы к пленарному заседанию секции "Не-разрушающие испытания бетона и железобетона" Научно-координационного совета Госстроя СССР по бетону и железобетону", л., 1984. С. 0-8.

О. Шеломанов А.Е., Воробьев В.А.,Горшков Ч.А.. Суворов Д.Н., Тимофеев A.A.- Устройство для программного управления.А.с. N 1252750, 19S6.

7. Иаломанов А.Е.,Воробьев Е.А. , Горшков В.А. , Кварчия Г.Я., Устройство для радиационного контроля. A.c. N'1290051, 19BQ. A.A.

•8. Шеломанов А.Е., Воробьев В.А., Михайлова п.В. Радиационный контроль плотностных характеристик строительных материалов. Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции Экспериментальные исследования инженерных сооружений". Новополоцк, 19Q6.

9. Шелсманог A.B., Торобьев в.А., Михайлова Н.В. Метрологическое и программное обеспечение гамма-плотнометрии с распределенной обработкой информации // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "информациончо-изморителыше .системы". Винница, 1985. С. 75-83.

'10. Шеломанов A.B., Воробьев В.А. Влияние химического

состава свехеуложенного бетона на точность радиоизотопного контроля его плотности. Тезисы докладов науч.- практич. кон-фер. "Совершенствование технологии, снижение ручного труда, контроль и стандартизация в строительной индустрии и строительстве ", Брянск, 1986.

11. Шеломанов Л.Е., Воробьева Ю.А. Универсальный контроллер многофункционального поверхностного гамма-плотномера на базе однокристальной микроэвм КР1В16БЕ35 // Методы и сродства обработки информации в радиоэлектронных и микропроцессорных системах, л'абаровск, ХПИ, 1989.

1?. Иеломлнов А.Е.'. Гориков В.А. Поверхностней Го.-s-лля псфяльтоб^тошпк материалов. A.c. И1235318.

190''..

13. Мелскапоз А.Е.,Долгов C.B.. Отческий A.C., Колбаскни О.П. Аппаратно-программный комплекс для разраГоткн контроллеров на базо однокристальной микроэвм KP101SDÈ35 // Метола и с5-_д;-;са обработки игг$ог>:зкии с рздиоэл-эктрот!и:: и микропроцессорных системах. Хабаровск, ХПИ, 19Г>0.

14. Ееломанов А.Е., Долгов С.Е. Расота в пультовом ix-xhm-j на микроэвм ряда электроника: Методические указания. Хабаровск, ХПИ, 1889.

15. Иеломанбв А.Е., Колбаскин О.П. Аппаратно-программпыЛ комплекс подготовки графической информации // Тезисы докладов ХХП1 научно-практ. конференции. Хабаровск, 1988. С. 259.

16. Шеломанов А.Е., Лгзгин А.Л., Михайлова Н.В., Моделирован' з и оптимизация г._мма-иэоТошгаго контроля железобетонных изделий // Системы автоматизированного контроля и управления в

производство сборного железобетона, м., 1983. с.70-90.

17. Шеломанов А.Е., Михайлова Н.В. Исследований полей об-ратнорассеяннсго гамма-излучения // Неразрушающий контроль производства и качества железобетонных изделий а конструкций. Киев, 1983. С. 80-82.

10. Шеломанов А.Е, Михайлова П.В. Моделирование автоматизированного радиационного контроля степечи уплотнения бетона в железобетонных изделиях // Автоматизация технологических процессов контроля в строительстве. М., МАДИ, 1984.

19. Шеломанов А.Е., Отческий A.C. Аппаратно-программный отладочный комплекс процессорных модулей на базе ОМЭЕМ КЮ;ЗЕЕ35 графической информации // Тезисы докладов XXIII на-учно-практ. конференции Хабаровск, 1988. С. 258.

.20. Шеломанов А.Е. Доинверсионный поверхностный гамма-плотномер: Дис. ... канд техн I 1ук. М., 1986. С.195.

21. Шеломанов А.Е. оптимизация поверхностных гамма-плотномеров // Ароматизированный контроль и управление технологическими процессами в строительстве. М., 1986. С. 4^-52..

22. Шеломанов А.Е. Приборное и программное обеспечение поверхностной гаммаплотнометрии // Материалы науч.!. -практтич. -конференц. молодых ученых и специалистов поев. 1000-летию г. Брянска, Брянск, 1965.

23. Шеломанов А.Е. методические указания к использованию программного обеспечения операционной системы RT-11. Хабаровск, ХПИ, 1989, 40 С.

24. Shelomanov А.Е., • Dolgov S.V., Otcheski A.S. The complex for systems debug on a single-chip microcomputer //

The actual problems of the scientific and technological progress of the Far eastern region on the base of Soviet Union -China direct cooperation. Abstracts. Khabarovsk, 1991.

25. Shelotnanov A.E. The surface back-scattering gemm; densitymeter's dotectors computer aided design system // Th< actual problems of the scientific and technological progros.' of the Far eastern region on the base of Soviet Union - Chin* direct cooperation. Abstracts. Khabarovsk, 1991.