Технічні та програмні засоби систем автоматизації процесів приготування технологічної суміші у будівництві

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технічні та програмні засоби систем автоматизації процесів приготування технологічної суміші у будівництві

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Приготування технологічної суміші являється основою виробництва продукції у багатьох галузях господарства України. Особливо велике значення мають технологічні суміші у будівельному виробництві. Важкий і легкий бетони, різні типи розчинів, технологічна маса для виробництва лінолеуму - ось далеко не повний список технологічних сумішей, що використовуються у будівництві.

Оскільки якість технологічної суміші значно впливає на якість виробів, що виготовляються, на Україні і особливо за кордоном велика увага приділяється питанню удосконалення ділянок і процесів по її виготовленню. У розвинутих країнах більшість ділянок по виробництву технологічної суміші являються ділянкою одного робітника.

Підвищити якість технологічної суміші, скоротити витрати на її приготування, знизити вплив шкідливих факторів (шуму, пилу, вібрації) на оператора можна шляхом автоматизації технологічного процесу. Тому питанням автоматизації процесу приготування технологічної суміші присвячено багато робіт.

Таким чином актуальність теми дисертації обумовлена широким використовуванням технологічних сумішей у будівельному виробництві України, а також необхідністю удосконалення процесу в умовах постійного підвищення вимог до якості технологічних сумішей шляхом використання сучасних елементів і систем автоматики, а також сучасних методів управління, основаних на програмній реалізації більшості функцій системи.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є дослідження та розробка основних компонентів автоматизованих систем приготування технологічних сумішей у будівництві.

Основні задачі полягають в:

розробці теорії і наукових основ автоматизованого управління виробництвом технологічних сумішей;

реалізації теоретичних положень у вигляді технологічних пристроїв, моделей і алгоритмів та пакетів прикладних програм для впровадження у виробництво;

впровадження одержаного інструментарію у практику виробництва технологічних сумішей з ціллю підвищення якості продукції та продуктивності технологічного комплексу.

Предмет досліджень - технічне і програмне забезпечення сучасних комп'ютерних систем управління технологічним процесом приготування технологічних сумішей у будівництві.

Об'єкт досліджень - система автоматизованого приготування технологічної суміші.

Наукова новизна - заключається у наступному:

запропонований потенційний метод перетворення вага - код на базі безконтактного сельсину з оптимальним розподілом функцій між технічним та програмним забезпеченням, який враховує особливості сучасних мікропроцесорних елементів автоматики і дозволяє побудувати перетворювач з мінімальною вартістю та підвищеною надійністю;

розроблені математичні та імітаційні моделі основних агрегатів технологічного процесу, а також штучну реальність програмно-технологічного комплексу;

на основі прогнозування довірчих інтервалів можливих значень похибки дозування запропонований оптимальний по швидкодії алгоритм управління дозатором з автоматичним вибором режимів дозування (по вазі, чи за часом) і виключенням можливості передозування, при цьому відомий алгоритм управління без прогнозування можливих значень похибки, є частковим випадком запропонованого;

запропонована двохрівнева адаптивна система управління дозатором дискретної дії з підвищеною швидкістю збіжності і мінімальною помилкою дозування;

на основі проведеного аналізу, а також запропонованих математичних і цифрових моделей основних агрегатів, розроблено типовий пакет програм, що дозволяє виконувати генерацію програмного забезпечення конкретної системи з меншими затратами та з більшою надійністю функціонування;

на основі типового пакету запропонована система побудови штучної реальності, що імітує роботу конкретної системи управління конкретним технологічним процесом.

Вищевказані результати дисертаційної роботи виносяться на захист.

Практичне значення одержаних у дисертації результатів.

Розроблений, досліджений і впроваджений у виробництво потенційний метод виміру кута оберту ротору сельсина відносно статору шляхом виміру миттєвих значень напруг на двох виходах обмоток ротору відносно виходу третьої обмотки. Показані переваги цього методу при реалізації перетворювача вага-код у системі управління дозатором ваги.

Розроблені цифрові моделі основних агрегатів ділянок приготування технологічної суміші і на їх основі побудована імітаційна модель процесу, яка може використовуватись при дослідженні алгоритмів управління, навчанні операторів та на етапах аналізу конкретного технологічного процесу і обгрунтуванні технічних рішень, що приймаються.

На основі дослідження динаміки управління дозатором запропонований оптимальний по швидкодії прогнозуючий алгоритм управління дозатором з підвищеною точністю і виключенням можливості передозування.

Проведений аналіз операційних систем реального часу і на його основі розроблений пакет задач реалізації основних функцій системи автоматизованого управління процесом приготування технологічної суміші.

Розроблений пакет програм, що дозволяє генерувати з мінімальними витратами програмне забезпечення конкретної системи і легко будувати її демонстраційну систему для обгрунтування рішень, що приймаються, а також для навчання операторів технологічного процесу.

Особистий внесок у розробку наукових результатів.

Особисто автором розроблені положення, яки визначають наукову новизну дисертації.

В статті «Дослідження динаміки дозатору дискретної дії з метою зменшення помилки дозування // Гірн., будів., дор., та меліорат. машини: Республіканський міжвідомчий науково-технічний збірник. - 1999.-Вип.54.», написаній спільно з Є.П. Григоровським, автору належить побудова і дослідження адаптивної моделі системи управління дозатором дискретної дії.

Решта статей написані без співавторів. П'ять статей опубліковані у виданнях, затверджених ВАК України.

Впровадження результатів дисертаційної роботи.

Розроблене технічне та програмне забезпечення системи автоматизованого управління приготування технологічних сумішей впроваджено на комбінаті «Буд індустрія» при приготуванні суміші для виробництва лінолеуму.

Реальний економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи досягається за рахунок таких факторів:

економії матеріалів за рахунок підвищення точності дозування;

підвищення якості виробів за рахунок забезпечення більш точного співвідношення компонентів у технологічній суміші;

зменшення кількості браку кінцевого продукту шляхом чіткого виконання вимог до параметрів технологічної суміші, контролю за ходом технологічних процесів дозування і перемішування, а також реєстрації ходу технологічного процесу з можливим подальшим його аналізом, виявленням і запобіганням ситуацій, що приводять до зниження якості виробів;

зменшення кількості операторів за рахунок автоматичного виконання більшості функцій системи управління;

скорочення строків впровадження системи у виробництво за рахунок паралельного виконання монтажу та наладки системи автоматики і навчанню операторів за допомогою демонстраційної системи;

зменшення витрат на розробку програмного забезпечення систем управління ділянками по виробництву технологічних сумішей шляхом використання запропонованого у дисертації типового пакету програм.

Одночасно досягається такі важливі для сучасного виробництва результати, як:

зменшення впливу шкідливих факторів (пилу, вібрації, шуму та інших) на операторів технологічного процесу за рахунок переміщення пульту управління із цеху з технологічним обладнанням у кімнату оператора з комфортними для людини умовами;

підвищення культури праці за рахунок використання сучасних мікропроцесорних засобів автоматики і персональних комп'ютерів.

Результати дисертаційної роботи також використовуються у навчальному процесі Київського національного університету будівництва і архітектури при викладанні курсів для студентів спеціальності 7.092501 «Автоматизація технологічних процесів та виробництв». Розділ «Дослідження перетворювача ваги з метою підвищення точності та зниження вартості» використовується у курсі «Електроніка, електричні вимірювання і електротехніка». Запропоновані у подальших розділах моделі агрегатів процесу приготування технологічної суміші, модель адаптивної системи управління дозатором дискретної дії з ідентифікатором у колі зворотного зв'язку, а також демонстраційна система автоматизованого управління бетонозмішувальним вузлом використовуються у курсі «Ідентифікація та моделювання об'єктів та систем».

Апробація результатів дисертації.

Основні результати роботи доповідались і обговорювались на:

науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ, 1997, 1998, 1999,2000 р.);

Міжнародній конференції по математичному моделюванню «Математичні моделі і сучасні інформаційні технології» (м. Херсон, 1998 р.);

П'ятій міжнародній науково-технічній конференції «Контроль і управління в складних системах» (м. Вінниця, 1999 р.);

об'єднаному науковому семінарі кафедр автоматизації будівельного виробництва, електротехніки та електроприводу та прикладної математики під керівництвом д.т.н., проф. Бушуєва С.Д.

Публікації. По результатам наукових досліджень опубліковано 7 друкованих праць, в яких викладено основний зміст виконаних досліджень.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, основної частина (5 розділів), списку використаних джерел та 4 додатків. Загальний обсяг тексту складає 145 сторінок, в тому числі 25 рисунків. Список літератури складається із 99 найменувань.

Основний зміст

автоматизований управління продуктивність суміш

У вступі обґрунтовано актуальність теми, відзначено вклад вчених в установлення та розвиток теорії і практики побудови автоматизованих систем управління процесами приготування технологічної суміші, сформульовані цілі та основні завдання досліджень, показана наукова новизна і практична цінність одержаних результатів, а також викладено основний зміст роботи.

У першому розділі виконаний огляд наукових робіт у цій галузі, проведений аналіз структури системи управління приготуванням технологічної суміші. На основі рівняння Мещерського надана класифікація похибок дозування, можливих шляхів їх зменшення, а також існуючих алгоритмів управління дозатором дискретної дії.

У другому розділі аналізуються вимоги до перетворювача вага-код, та пропонується потенційний метод даного перетворення. На основі аналізу сучасних мікропроцесорних елементів автоматики пропонується схема перетворювача з оптимальним розподілом функцій між програмною і технічною реалізацією. Миттєві значення двох сигналів U_1b, U_2b з обмоток ротора сельсинів (рис. 1) після нормування поступають на схеми слідкування запам'ятовування, випрямляються за допомогою прецизійних схем і поступають на однокристальний контролер системи MCS-196 у вигляді абсолютних миттєвих значень U₁, U₂ і їх знаків S₁, S₂ Код К_А, та сигнал початку перетворення формує контролер, який програмно реалізує алгоритм подальшого перетворення.

Спочатку знаходиться відношення:

(1)

Інтервали однакових знаків напруг, а також однакових логічних умов виразу (1) визначаються кодом Грея. Кут оберту ротора сельсину відносно статора знаходиться наступним чином:

= F₁(U') на інтервалі 101;

= 60⁰ - F₁(U') на інтервалі 001;

= 60⁰ + F₂(U') на інтервалі 000;

= 180⁰ - F₂(U') на інтервалі 100;

= 180⁰ + F₁(U') на інтервалі 110;

= 240⁰ - F₁(U') на інтервалі 010; (2)

= 240⁰ + F₂(U') на інтервалі 011;

= 360⁰ - F₂(U') на інтервалі 111;

де

(3)

Для зменшення випадкової складової похибки перетворення пропонується застосовувати КІХ - фільтр арифметичного усереднення з парною кількістю результатів перетворення.

У третьому розділі розглядаються методи побудови математичних і імітаційних моделей основних агрегатів технологічного процесу. Оскільки математичні моделі повинні задовольняти ієрархічним рівням задач - координації роботи агрегатів і управління агрегатами у реальному часі, для кожного рівня пропонується своя модель.

Математична модель дозатору одержана на основі рівняння Мещерського

, (4)

де M₀ - приведена до координати х маса всіх рухомих частин вимірювальної системи дозатору;

m(t) - маса матеріалу в бункері в момент t;

x_i+1, x_i, x_i-1 - значення координати просідання бункеру з матеріалом під дією ваги у наступному, поточному і попередньому кроках моделювання,

C_V - коефіцієнт демпфірування;

C_T - коефіцієнт тертя ковзання;

C_x - коефіцієнт пружності;

F_d(t) - сила динамічної дії струму матеріалу, що падає, на вантажоприймальний пристрій;

g - прискорення вільного падіння.

Показано, що коефіцієнт тертя спокою не впливає на параметри перехідного процесу. Але цей тип тертя визначає момент зупинки руху і впливає на випадкову складову похибки дозування. Одержані логічні вирази визначення моменту зупинки руху.

Модель змішувача примусової дії одержана на основі поняття динамічної системи. Ставиться і вирішується задача адекватності математичної моделі змішувача відносно задачі управління консистенцією суміші. Показано, що математичну модель змішувача можна представити у вигляді адитивної суми двох складових: детермінованої і стохастичної. Для забезпечення адекватності детермінованої складової необхідно використовувати тривалість змішування, як змінну стану динамічної системи. При цьому додаткове значення активної потужності двигуна змішувача Wa, обумовлене тривалістю змішування, можна одержати за допомогою функцій виходу та переходу математичної моделі динамічної системи:

; (5)

,

де W _a(i+1) - значення Wa на наступному кроку моделювання;

W_ai - значення Wa на поточному кроку моделювання;

m_i - маса матеріалу в змішувачі у поточний момент часу;

m_pri - маса матеріалу у змішувачі у попередній момент часу;

m_pr(i+1) - попередня маса матеріалу в наступний момент часу;

K_W - коефіцієнт збільшення потужності, що споживається при надходженні матеріалу.

Для одержання стохастичної складової моделі змішувача пропонується використовувати КІХ фільтр

, (6)

де Y_i - значення збурення на і-му кроку моделювання,

- n останніх значень послідовності дійсних некорельованих, рівномірно розподілених у інтервалі [-1,1] псевдовипадкових чисел;

- n коефіцієнтів, від яких залежить форма кореляційної функції.

У дисертації пропонується алгоритм і на його основі програма зворотного рішення задачі знаходження коефіцієнтів по значенням заданої кореляційної функції.

У четвертому розділі на основі одержаної у третьому розділі імітаційній моделі дозатору проведено дослідження ефективності управління при використанні двох принципів: «по вазі» і «за часом» (рис. 2). Для побудови верхньої та нижньої границь імовірних значень похибки по результатам моделювання використано правило двох сигм. Як показують графіки 4 і 5 (рис 2) дозування малих доз «по вазі» виконується з великою похибкою, а великих - з малою. Графіки 6 і 7 показують, що при дозування «за часом», навпаки, дозування малих доз відбувається з малою похибкою, а великих - з великою. Враховуючи цю особливість пропонується алгоритм управління дозатором, який у процесі функціонування визначає і виконує кроки управління «по вазі» та «за часом», поки вага дози з визначеною точністю не буде відповідати заданій (рис. 3).

Згідно з цим алгоритмом на початку блоком 1 визначається доцільність дозування матеріалу «по вазі». Умовою доцільності

P_Z >К_РP (7)

вважається перевищення заданого значення ваги дози P_Z збільшеного у K_P разів вибігу P. Значення K_P являється параметром настройки алгоритму.

Якщо умова (7) не виконується, то з метою запобігання передозування вище дозволеної межи задане значення P_Z зменшується блоком 4 на величину очікуваного передозування, визначеного за допомогою правила К сигм. К сигм визначається довірчою імовірністю знаходження похибки у межах довірчого інтервалу. У цьому випадку виконується перехід до циклу дозування «за часом». З початку блоком 5 обчислюється термін дозування

, (8)

де - математичне очікування щільності надходження матеріалу Q(t).

Потім блоком 6 перевіряється умова знаходження очікуваної похибки у межах дозволеної

_Z>К, (9)

де - дисперсія щільності надходження матеріалу.

Якщо справедлива умова (9) то це означає, що очікувана похибка знаходиться у межах дозволеного простору і можна починати крок дозування «за часом». Якщо умова (9) не виконується, то, з метою запобігти передозування, знаходиться максимальне значення терміну T_Z, при якому очікуване значення дози знаходиться у межах дозволенного

(10)

Якщо умови (8) і (9) виконуються завжди, то як частковий випадок одержуємо відомий алгоритм. Коли ці умови не виконуються, то застосування відомого алгоритму може привести до передозування вище дозволеної межі. Запропонований алгоритм вільний від цього недоліку. За його допомогою, шляхом послідовності кроків дозувань «по вазі» та «за часом», досягається задане значення дози навіть тоді, коли випадкова складова процесу дозування по вазі перевищує дозволене значення похибки. У роботі показано, що даний алгоритм буде оптимальним по швидкодії. Показано, що запропонований алгоритм може ефективно використовуватись також у системах зв'язаного управління, наприклад, при завантаженні бетоновозів товарним бетоном.

Використовуючи запропонований алгоритм у дисертації пропонується двухрівнева адаптивна система управління з ідентифікатором у колі зворотнього зв'язку. Розглянуто алгоритми параметричної ідентифікації та обгрунтовано вибір однокрокових процедур по критерію швидкості збіжності.

У п'ятому розділі на підставі теорії управління паралельними процесами проведемо дослідження комп'ютерної системи управління приготуванням технологічної суміші з метою визначення основних принципів побудови програмного забезпечення цієї системи. Узагальнена схема (рис. 3) покладена в основу розробки типового пакету програм, на базі якого пропонується виконувати генерацію програмного забезпечення конкретної системи. У основу схеми покладена концепція розподілу задач на два класи, що породжують слабко і сильно зв'язані процеси. Поставлені і вирішені задачі управління складом технологічної суміші на рівні системи реального часу, реалізації інтерфейсу з оператором, та інші. Показано, що задача управління складом суміші може бути зведена до рішення системи лінійних рівнянь змінної розмірності. Розглянуті часткові випадки рішення системи, та їх зв'язки з реальним процесом.

Запропонований пакет дозволяє замість реального технологічного процесу використовувати розроблену автором імітаційну модель процесу приготування технологічної суміші Одержана таким чином демонстраційна модель являє собою штучну реальність майбутньої системи, що підлягає розробці. В цьому розумінні вона може використовуватись на етапі постановки задач та аналізу особливостей управління конкретною системою на етапах технічного завдання та її розробки. Як показала практика, демонстраційна модель може ефективно використовуватись також при навчанні операторів процесу. Важливою особливістю такого навчання є можливість підготовки операторів одночасно з виконанням робіт по створенню системи управління технологічним процесом.

Поставлено та вирішено задачу побудови інтерфейсу між програмним комплексом управління та технологічним об'єктом (реальним процесом чи імітаційною моделлю), таким чином, щоб звести до мінімуму кількість програм комплексу які підключаються або відключаються при переході від імітаційної моделі до реального процесу і в зворотному напрямку. Це дозволяє виконати весь цикл розробки та доводки програмного забезпечення для конкретного технологічного процесу приготування суміші по імітаційній моделі, що значно знижує вартість впровадження систем автоматичного управління і підвищує надійність отриманих програмних комплексів.

Висновки та результати

Основним результатом дисертаційної роботи є дослідження та розробка основних компонентів технічного та програмного забезпечення комп'ютерної системи приготування технологічних сумішей у будівництві. Основні наукові та практичні результати роботи полягають у наступному:

Автором запропоновано метод вимірювання кутових переміщень на основі миттєвих значень напруг між виходами двох обмоток роторів сельсинів і виходом третьої, при якому точність вимірювань не залежить від форми і параметрів напруги живлення сельсина. За допомогою цього методу можливо вимірювати кутові переміщення при використанні сельсинів в індикаторному режимі без зміни схеми їх з'єднання.

Проведена експериментальна перевірка запропонованого у дисертації методу шляхом виготовлення і дослідження лабораторного макету з подальшим впровадженням у виробництво. Таким чином підтверджені теоретичні висновки і показана практична цінність запропонованого в дисертації методу перетворення вага - код.

Розроблені математичні і на їх основі цифрові моделі основних агрегатів технологічного процесу приготування технологічної суміші.

На основі розроблених цифрових моделей проведено дослідження динаміки управління процесами дозування матеріалів, у результаті якого запропонований оптимальний по швидкодії алгоритм з прогнозуванням похибки дозування і автоматичним вибором способу дозування: «за часом» чи «по вазі».

Проведено дослідження динаміки адаптивної системи управління дозуванням матеріалів. На основі дослідження розроблена система параметричної ідентифікації запропонованого у дисертації оптимального по швидкодії прогнозуючого алгоритму управління дозатором.

Проведений аналіз операційних систем реального часу, на основі якого виконано розподілення задач на сильно зв'язані і слабко зв'язані. Показано, що більшість задач програмного забезпечення мікропроцесорної системи приготування технологічної суміші можна реалізувати у середовищі слабко зв'язаних процесів, що дозволяє збільшити наочність більшості задач, придати їм просту і чітку структуру, більш ефективно використовувати стек.

На основі проведеного аналізу, а також запропонованих математичних і цифрових моделей основних агрегатів, розроблено типовий пакет програм, що дозволяє виконувати генерацію програмного забезпечення конкретної системи з меншими затратами та з більшою надійністю функціонування.

На основі типового розробленого пакету, розроблена система побудови штучної реальності, що дозволяє більш детально обгрунтувати технічні рішення, проводити дослідження алгоритмів управління і відладку програмного забезпечення, виконувати підготовку операторів процесу одночасно з створенням реальної системи (практично з моменту підписання договору) і з більшою ефективністю.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Цилюрик А.Л. Цифровое моделирование процессов дозирования и перемешивания в АСУ ТП приготовления технологических смесей. // Физико-технические и технологические приложения математического моделирования. Национальная академия Украины. Институт математики. Сборник трудов. КИЕВ - 1998, - с. 257-260.

А.Л. Цилюрик Автоматизация приготовления бетонной смеси в условиях чрезвычайных ситуаций.. // Науково-практичні проблеми цивільної оборони в системі МНС. Збірник наукових статей. Випуск 1. Київ-1998, - с. 117-119.

Цилюрик О.Л. Метод виміру кутових переміщень з використанням миттєвих значень напруг на обмотках ротору сельсина // Автоматика, автоматизация, электротехнические комплексы и системы. - - №1, 1998, - с. 72-77.

Цилюрик О.Л. Алгоритми моделювання випадкових збурень у імовірних імітаційних моделях прогнозування ситуацій. // Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій. Україна, МНС, збірник наукових статей. Випуск 2. Київ-1999, - с. 22-25.

О.Л. Цилюрик Математична модель управління складом технологічної суміші у мікропроцесорних системах автоматики. Будівництво України №2. 1999, - с. 42-43.

О.Л. Цилюрик. Вимір кутових переміщень з використанням безконтактних сельсинів. Книга за матеріалами п'ятої міжнародної науково-технічної конференції «Контроль і управління в складних системах» (КУСС-99).Том 2. «УНІВЕРСУМ-Вінниця», 3 - 5 лютого 1999 року, - с. 239-245.

Размещено на Allbest.ru

...