АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.
Строительство относится к числу ключевых, фондообразующих отраслей, во многом определяющих темпы развития экономики страны, решение важнейших социально-экономических задач.
Ежегодно выпуск бетона превышает 2 миллиарда кубометров, что намного превосходит производство других видов промышленной продукции и строительных материалов. Для его выпуска расходуются сотни миллионов тонн цемента, щебня, песка, что требует существенного изъятия естественных природных ресурсов.
Наблюдается постоянный рост монолитного домостроения в гг. Москве и Санкт-Петербурге, Чувашской Республике, Республике Татарстан, Свердловской, Челябинской, Нижегородской, Самарской областях, Приморском и Алтайском краях. В г. Санкт-Петербурге в прошлом году объем монолитного домостроения составил 26% от общей площади введенного жилья, что является одним из самых высоких показателей в стране.
Вариация показателей качества каждого из компонентов смеси, режимов технологического процесса вносят свой вклад в общую вариацию показателей качества бетонной смеси и бетона. Изучение этого влияния является традиционным для технологии бетона от самых истоков появления науки о бетоне и его свойствах. Этому вопросу посвящено значительное количество работ как отечественных, так и зарубежных ученых: Л. А. Алимова, И. Н. Ахвердова, Ю. М. Баженова, О .Я. Берга, П. И. Боженова, М. И. Бруссера, Ю. М. Бутта, ф. Вавржина, М. А. Вердияна, В. А. Вознесенского, A.B. Волженского, В. В. Воронина, O.A. Гершберга, С. С. Гордона, Г. И. Горчакова, А. П. Давидовича, E.JI. Даниленко, A.C. Дмитриева, JIM. Добшица, В. А. Дорфа, М. З. Кагана, Л. А. Кайсера, С. С. Каприелова, А. Г. Комара, И. И. Крижавичаса, Т. Н. Кудрявцева, В. Д. Кузнецова, Л. И. Левина, Н. С. Левковой, Р. Лермита, М. Ю. Лещинского, Т. Т. Лукашовой, О.П. Мчедлова-Петросяна, М. Р. Никонова, М. Л. Нисиевича, Л. П. Ориентлихер, Ю. В. Панича, В. А. Подлесных, С. А. Подмазовой, В. Б. Ратинова, Т. И. Розенберг, С. М. Рояка, Г. С. Рояка, И. А. Рыбьева, Г. П. Сахарова, Е. С. Силаенкова, Л. М. Сулименко, Б. Н. Урьева, М.ф. Чебукова, Ю. В. Чеховского, Ю. Д. Чистова, В. И. Шеина, А. Е. Шейкина, A.B. Шейнфельда, C.B. Шестоперова, И. Б. Шлаена, А. И. Штерна и др.
Контролируемые заводскими лабораториями отпускные характеристики товарного бетона недостаточны для оценки его применимости при возведении монолитных строений. Транспортировка бетонной смеси, отличия условий формования, уплотнения, термовлажностного режима твердения непосредственно на строительной площадке от условий испытания бетона на бетонных заводах приводит к существенным отличиям в значениях контролируемых характеристик заводскими и построечными лабораториями.
Поскольку физико-химические свойства бетона на строительной площадке практически не поддаются коррекции, проблема управления потребительским качеством бетона должны решаться в рамках заводской лаборатории заводов товарного бетона. Задачей заводской лаборатории в этом случае является управление (стабилизация) характеристиками смеси не на выходе бетонного завода, а непосредственно на строительном объекте.
Однако заводские лаборатории осуществляют лишь управление отпускным качеством бетона на основе результатов проводимых ею испытаний без учета результатов контроля качества поступающего на строительные площадки бетона. Организация мониторинга качества бетона в системе «характеристики исходных материалов (входное качество) -характеристики бетонной смеси на выходе из бетоносмесителя (отпускное качество) — характеристики смеси и бетона на строительной площадке (потребительское качество)» создает предпосылки к повышению качества бетона за счет оптимизации управления его составом.
Одним из эффективных методов стабилизации показателей качества бетонной смеси является активное управление этими показателями. В работах В. А. Вознесенского, Воробьева В. А., Горшкова В. А., В. А. Дорфа, Суворова Д. Н., В. И. Шеина приводится система управления прочностью бетона в сборных железобетонных изделиях. Однако системы управления, разработанные для нужд сборного железобетона, не могут быть использованы при производстве товарного бетона, так как необходимо обеспечить заданные значения показателей качества не на бетонном заводе, а непосредственно на строительной площадке.
Таким образом, в настоящее время существует практическая и теоретическая потребности для разработки комплекса методов и средств для эффективного управления качеством бетонной смеси на объекте строительства.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Эти обстоятельства определяют актуальность работы, целью которой является решение важной народно-хозяйственной проблемы — обеспечение заданного качества бетонной смеси непосредственно на объекте строительства путем разработки теоретических и методологических основ оптимального автоматизированного управления составом бетона.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач научного характера вызванных противоречиями между состояниями теории и практики:
1. Определить место разрабатываемой системы автоматизированного управления производством товарного бетона в современной концепции построения систем управления качеством на основе совокупности стандартов ИСО 9000.
2. Разработать общую концепцию автоматизированного управления характеристиками бетона на строительном объекте. Определить круг управляемых и управляющих характеристик в системе управления. Сформулировать задачи автоматизированного управления по возмущению и отклонению в производстве товарного бетона. Обосновать выбор целевых функций оптимизации системы управления.
3. Провести анализ динамики изменения характеристик исходных материалов (цемента, песка, крупного заполнителя), бетонной смеси, бетона, провести идентификацию процессов их изменения, синтезировать модели, описывающие характер вариации характеристик в реальном производстве, оценить область изменения параметров моделей.
4. Синтезировать многоконтурную систему автоматизированного управления эксплуатационными характеристиками бетонной смеси и бетона на строительном объекте путем введения корректирующих воздействий на заводе-изготовителе товарного бетона.
5. Разработать структуру и алгоритмы, провести декомпозицию задач для распределенной многоконтурной системы автоматизированного управления. Рассмотреть прикладные вопросы автоматизации на основе разработанных методов эффективного управления технологическим процессом производства бетонной смеси.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.
В диссертационной работе для достижения поставленной цели применялись методы теории автоматического управления, методы оптимального управления, теории алгоритмов, методы идентификации динамических объектов и процессов, методы теории вероятностей и математической статистики, методы теории случайных процессов, методы спектрального анализа, методы математического и компьютерного моделирования.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.
Впервые предложена концепция оптимального управления производством бетонной смеси, базирующаяся на автоматизированном управлении качеством смеси не на выходе бетонного завода, а непосредственно на объекте строительства. При этом компенсация вариации контролируемых параметров осуществляется с использованием распределенной системы многоконтурного автоматизированного управления с текущей оперативной оценкой динамических характеристик процесса и возмущения.
Научную новизну работы так же определяют:
Разработанные методы и система автоматизированного управления, обеспечивающие минимум вариации показателей качества бетонной смеси на объекте строительства.
Результаты исследований динамических характеристик возмущений, воздействующих на технологический процесс производства бетонной смеси и показателей качества бетонной смеси.
Модель управляемого процесса формирования показателей качества бетонной смеси с учетом динамических характеристик возмущения.
Структура и параметры распределенной многоконтурной системы автоматизированного управления.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.
Результаты исследований позволили эффективно решить важную народнохозяйственную задачу — повысить качество бетона:
Создана и внедрена в практику производства бетонной смеси распределенная многоконтурная система автоматизированного управления качеством бетонной смеси на объекте строительства. Разработаны практические алгоритмы оптимального оперативного управления производством бетонной смеси, обеспечивающие компенсацию нестабильного качества компонентов смеси и режимов ее транспортирования до строительного объекта. На основе проведенных исследований и разработок создана система автоматизированного управления, обеспечивающая достижение поставленных целей.
Материалы диссертации внедрены на бетонных заводах Москвы и Самары и используются в учебном процессе.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ, ПУБЛИКАЦИИ.
Основные положения диссертационной работы и полученные в ходе исследований результаты докладывались, обсуждались и получили одобрение на: Всесоюзной конференции «Совершенствование технологии, снижение ручного труда, контроль и стандартизация в строительной индустрии и строительстве» — (г. Брянск, 1986 г.), Международном семинаре «Совершенствование качества в строительном комплексе» (г. Брянск, 1999 г.), 30-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Пенза, 1999 г.), «1-ой Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона» (г. Москва, 2001 г.), «13-й Конгресс европейских производителей товарного бетона» (г. Берлин, 2001 г.), научно-технических конференциях ВЗИСИ, МИКХиС, МАДИ (ГТУ).
По теме диссертации опубликовано шестьдесят шесть работ.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.
Диссертация изложена на 244 страницах машинописного текста, включает 156 рисунков, 23 таблицы и состоит из введения, шести глав, списка литературы из 272 наименований и четырех приложений.
7.0БЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.
1. Обоснована задача синтеза системы автоматизированного управления характеристиками бетонной смеси и бетона на строительном объекте путем коррекции технологического процесса его изготовления.
2. Определено место разрабатываемой системы автоматизированного управления производством товарного бетона в современной концепции построения систем управления качеством на основе совокупности стандартов ИСО 9000.
3. Разработана общая концепция автоматизированного управления характеристиками бетона на строительном объекте, обеспечивающая минимизацию отклонения подвижности бетонной смеси и прочности бетона в ранние сроки твердения от регламентированных значений. Обоснован выбор целевых функций оптимизации системы управления. Целевой функцией управления подвижностью на выходе бетонной смеси на заводе-изготовителе является минимум дисперсии отклонения фактической подвижности от заданной. Целевой функцией управления подвижностью на строительном объекте является минимум дисперсии отклонения заданной подвижности от регламентированной на стройке.
4. Исследования доказали наличие периодической составляющей в спектрах практически всех исследуемых характеристик. Исследования доказали наличие практически во всех процессах изменения характеристик наличие низкочастотных составляющих, что доказывает принципиальную возможность и эффективность введения управления по отклонению подвижности бетонной смеси и прочности бетона на строительном объекте путем управления составом на заводе изготовителе. Исследования доказали невозможность управления прочности в 7-ми и 28-ми суточных возрастах.
5. Синтезирована многоконтурная система автоматизированного управления эксплуатационными характеристиками бетонной смеси и бетона на строительном объекте путем введения корректирующих воздействий на заводе-изготовителе товарного бетона. Система стабилизации подвижности бетонной смеси на основе анализа ее изменения на строительном объекте существенно снижает вариацию данного показателя. Организация текущего управления прочностью бетона на строительном объекте путем коррекции состава бетонной смеси на бетонном заводе возможна лишь для бетонов в возрасте не более 3−4 суток.
6. Разработана структура и алгоритмы, проведена декомпозиция задач для распределенной многоконтурной системы автоматизированного управления. Решены прикладные задачи реализации автоматизированной системы на основе разработанных методов эффективного управления технологическим процессом производства бетонной смеси.
