Автоматизация проектирования системы оперативного управления производством строительных изделий

Проблеме автоматизации проектирования и управления производственными процессами в строительной индустрии с каждым годом уделяется все большее внимание. Широкое применение средств автоматизации позволило увеличить производительность технологического оборудования, повысить качество выпускаемых строительных изделий и конструкций, снизить потери и непроизводительные затраты. Указанные факторы, обуславливающие достижение экономического эффекта, наиболее характерны для заводов сборного железобетона, отличающихся относительно небольшим количеством персонала, обслуживающего технологические участки. Так, автоматизация процессов дозирования компонентов, приготовления бетонной смеси, те-пловлажностной обработки отформованных изделий позволила не только интенсифицировать их протекание, но и создала условия для форсирования технологических режимов. Применение же вычислительной техники позволило не только более эффективно решать перечисленные задачи локальной автоматизации, но и существенно расширить круг задач техники и технологии производства ЖБИ, решаемых с позиций оптимального проектирования и оперативного управления.

Стремление максимально использовать современные ЭВМ побудило многих специалистов формулировать и решать задачи оптимизации в общем виде с вовлечением возможно большего числа параметров и с подчинением процедуры поиска единой цели. Однако, по мере расширения круга задач и перехода от автоматизации перечисленных выше отдельных агрегатов и производственных операций к оперативному управлению технологическими комплексами автоматизируемые объекты все больше усложняются, а успевшие стать традиционными приемы и методы проектирования обнаруживают тем большую ограниченность, чем сложнее объект.

Действительно, хотя технология ЖБИ вместе с оборудованием, в котором она реализуется, и системой автоматизации представляет собой единую техническую систему, до сих пор нет методики комплексного решения задач оперативного управления всеми входящими в нее элементами по единой или взаимообусловленным целевым функциям. В настоящее время в лучшем случае комплексно решаются задачи проектирования оптимального состава бетонной смеси и технологических режимов ее обработки. Эти работы существенно различаются как по точности принятых математических моделей, так и по критериям и алгоритмам оптимизации. Задачи проектирования систем оперативного управления решаются обычно отдельно, т. е. неза- /• висимо от задач оптимизации конструктивно-режимных параметров.

В связи с этим арсенал математических методов для оптимизации производства ЖБИ быстро пополняется за счет использования различных методов исследования операций. Вряд ли можно утверждать, что такой путь не обещает новых интересных результатов. Тем не менее анализ содержания многочисленных опубликованных работ со всей очевидностью показывает, что кардинальное решение этих проблем нуждается не столько в увеличении формальных методов, сколько в качественной иной методологии. Такой методологической основой является системный подход, развиваемый в настоящее время в рамках общей теории систем. Разработке одного из вариантов этого подхода, связанного с автоматизацией проектирования систем оперативного управления технологией производства ЖБИ по технико-экономическим показателям в условиях рыночной экономики, посвящена настоящая диссертация.

Работа выполнялась в соответствии с планами НИР кафедры Автоматизации инженерно-строительных технологий МГСУ в рамках межвузовской научно-технической программы «Строительство».

Цель работы — исследование структур, моделей и алгоритмов оперативного управления технологией производства железобетонных строительных изделий и получения научных и методических результатов, дающих инженерам-проектировщикам современных систем автоматизации совокупность новых знаний, представлений и навыков позволяющих создавать системы с более вьюокими потребительскими свойствами в более короткие сроки.

Для достижения поставленной цели:

— выполнен анализ характеристик, структур и специфических особенностей построения и функционирования систем автоматизации и оперативного управления на предприятиях строительной индустрии;

— выявлены недостатки существующих способов и устройств управления рассматриваемыми объектами, дана их характеристика как объектов автоматизации проектирования и сформулирована задача исследований;

— изучены функции и основные виды программного и технического обеспечения проектируемых систем управления технологией производства сборного железобетона;

— исследованы характеристики организационной системы управления производством строительных изделий в условиях рыночной экономики и разработаны модель и структура упрощенной модели оперативного управления сбытом и производством изделий;

— сформулирована целевая функция (критерий оптимальности) управления производством строительных изделий, позволяющая решать задачи оперативной оптимизации по технико-экономическим показателям;

— разработаны алгоритмы расчета технологических параметров и автоматического оперативного расчета техникеэкономических показателей для оперативного управления производством изделий;

— исследован процесс тепловой обработки железобетонных изделий в индукционных камерах, изучены его теплофизические характеристики, построены математическая модель и разработан алгоритм оптимизации, на основе которых спроектирована структура системы управления.

В перечисленных исследованиях и разработках был использован комплексный метод исследований, сочетающий в себе элементы системного анализа, использование разнотипных структурных и математических моделей систем и объектов управления, приемов и методов проектной и оперативной оптимизации, а также сопоставительный анализ материалов научных исследований по рассматриваемой проблеме.

Научная новизна результатов выполненных исследований заключается в том, что впервые:

— установлена и исследована связь системы производства строительных изделий с директивным органом, определяющим объем выпуска изделий, с системой распределения (реализации) с директивным органом, определяющим цену при их реализации;

— разработана и научно обоснована структура управления производством строительных изделий, учитывающая специфику рыночных отношений, удобную для проектирования и эксплуатации современной интегрированной автоматизированной системы управления,.

— при формировании алгоритма оптимального управления технологией производства строительных изделий впервые использованы не только технологические и экономические показатели, но и их динамические связи с управляемыми переменными, учитывающие автоматический сдвиг информации во времени и ее усреднение интегрированием до использования в расчетах критерия оптимальности,.

— разработаны модель, алгоритмы автоматического оперативного расчета технико-экономических показателей и функциональная схема системы оперативного управления технологией производства строительных изделий,.

— построена математическая модель, исследованы условия оптимизации и решена задача наискорейшей приближенной тепловой обработки железобетонных изделий в индукционных камерах, результаты которой позволили спроектировать новую структурную схему системы управления процессом.

Практическая значимость перечисленных выше результатов исследований для автоматизации производства строительных изделий состоит в том, что они являются теоретической базой для научно-обоснованного выбора способов, структуры и технических средств управления технологическими процессами на стадии автоматизированного проектирования новых и модернизации действующих систем. Предварительные ориентировочные расчеты показывают, что использование полученных результатов позволит не только повьюить технико-экономические показатели работы предприятий строительной индустрии, но существенно сократить сроки и стоимость НИР и ОКР.

На основе полученных практических результатов для АОЗТ Научно-производственный Центр «Энерготех» подготовлены рекомендации по автоматизированному проектированию и выбору способов и технических средств управления технологией производства ЖБИ на ряде заводов энергостройиндустрии. Эти же результаты используются в учебном процессе при подготовке в МГСУ инженеров по специальностям: 21.02 — Автоматизация технологических процессов и производств в строительстве, 29.06 — Производство строительных изделий и конструкций, 29.13 — Механизация и автоматизация строительства .

Результаты исследований отражены в 8 публикациях автора, докладывались и обсуждались па 12-й международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Вел. Новгород, 1999 г.), 2-й и 3-й научно практических конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов МГСУ «Строительство — Формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, 1999, 2000 г. г.), заседаниях Ученого Совета факультета «Механизация и Автоматизация строительства» и научных семинарах кафедры Автоматизации инженерно-строительных технологий МГСУ.

На основании результатов исследований и практических разработок на защиту выносятся следующие основные положения:

— принципы организации, эффективного функционирования и оперативного управления производством строительных изделий в условиях изменяющейся внешней среды, связанных с трансформацией командной экономической системы и ее адаптацией к рыночным условиям хозяйствования;

— модель, структуру и характеристики автоматизированного проектирования системы оперативного управления производством строительных изделий, отражающие смену целей функционирования предприятий стройиндустрии;

— новый технико-экономический критерий оптимальности, алгоритмы его автоматического расчета и контроля, структурную схему системы оперативного управления многостадийной технологией производства железобетонных изделий,.

— математическую модель, алгоритм и спроектированную структуру подсистемы управления тепловой обработки железобетонных изделий в индукционных камерах тупикового типа.

4.5. Основные результаты.

4.5.1. Изложенные в двух предыдущих главах результаты научно — методологических исследований апробированы на примере автоматизации проектирования СОУ процессом тепловой обработки ЖБИ в индукционных камерах, При этом сформулирована уточненная задача управления, сущность которой заключается в возможности использования для оптимизации процесса более простого, взаимообусловленного критерия не противоречащего глобальной целевой функции. Доказано, что в качестве такого критерия вместо стоимости может быть использован минимум продолжительности тепловой обработки, учитывающий прочностные требования (степень завершенности процесса), затраты электрической энергии, а также величину ущерба, связанную с нарушением температурного режима.

4.5.2. Установлено, что для решения задач управления и оперативного получения необходимой информации следует использовать адекватную математическую модель процесса, с помощью которой возможна косвенная оценка теплового и температурного полей изделий и оценка эффективности назначаемых управлений. Разработанная для этих целей модель учитывает взаимосвязь формирования тепловой нагрузки, внешнего теплообмена, внутренней теплопередачи и представляет собой уравнение теплопроводности, учитывающее суммарное количество тепла, выделяемого в единицу времени в единице объема в результате действия вихревых токов и экзотермической реакции гидратации.

4.5.3. Сформулирована задача наискорейшей приближенной тепловой обработки ЖБИ в индукционных камерах, решение которой на примере обработки центрифугированных железобетонных опор ЛЭП показало, что применение трехинтервального управления позволяет сократить общее время нагрева 33 минуты и, тем самым, снизить стоимость процесса на 24%, обеспечивая при этом точность в 4% от заданного значения температуры.

4.5.4. На основе полученных результатов математического моделирования и компьютерного решения оптимизационных задач спроектирована структурная схема автоматизированной системы управления, позволяющая осуществлять, как оперативное поддержание заданных значений управляющих воздействий и температуры тепловой обработки, так и оперативный выбор оптимальных управлений (заданий локальным регуляторам). Для рабочего проектирования и практической реализации предложенной структуры в составе интегрированной СОУ производства ЖБИ рекомендовано использование гибридного (аналого-дискретного) вычислительного комплекса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической задачи — разработке системотехнического подхода к автоматизации проектирования систем оперативного управления технологией производства строительных изделий и получению новых научных и методических результатов, дающих инженерам проектировщикам современных систем автоматизации совокупность новых знаний, представлений и навыков, позволяющих создавать системы с бо-пее высокими потребительскими свойствами в более короткие сроки.

Полученные результаты могут быть сведены к следующему:

1.Разработана удобная для анализа и проектирования современных систем автоматизации модель структуры иерархического /правления технологическими процессами производства строительных изделий, учитывающая взаимосвязь подсистемы производства изделий с подсистемой их потребления, характеризующей рыночные отношения «спрос-предложение».

2. Исследованы характеристики организационно-технологической системы производства строительных изделий, на основе свойств которых впервые поставлена специфическая для предприятий стройиндустрии задача оперативного управления производством по технико-экономическим показателям.

3. Сформулирован и научно обоснован новый критерий оптимальности, представляющий технологическую составляющую себестоимости изделий, при определении которой учитывается сдвиг информации по времени и ее усреднение интегрированием, позволяющие получать результаты с частотой, ограничиваемой только частотой ввода информации.

4. Разработаны алгоритмы оперативного расчета основных технологических параметров для автоматизированного проектирования и управления технологией производства строительных изделий давления, температуры, расходов материальных и энергетических потоков) при использовании различных методов тепловой обработки (пропаривания, электротермии, продуктов сгорания природного газа и т. п.).

5. Разработана структура и функциональная схема системы оперативного управления технологией производства железобетонных изделий, управляющая часть которой, включающая модель управляемой системы, алгоритмы оптимизации и формирования управляющих воздействий, обеспечивает поддержание оптимальных значений параметров на основных участках производства (приготовления бетонной смеси, уплотнения, формования и тепловой обработки изделий).

6. Достоверность результатов исследований доказана на примере проектной оптимизации тепловой обработки железобетонных изделий в индукционных камерах, решение задачи которой методами математического моделирования позволило разработать новый способ оперативного управления процессом, позволяющий существенно снизить продолжительность обработки и значительно уменьшить эксплуатационные расходы.

7. Практические рекомендации, обобщившие результаты приведенных исследований, применяются в работах Научно-производственного Центра «Энерготех» при проектировании новых и модернизации действующих систем управления тепловой обработкой железобетонных изделий на промышленных предприятиях энерго-стройиндустрии.

8. Результаты диссертации используются в учебном процессе при подготовке в МГСУ инженеров по автоматизации, доложены на международной и внутривузовских научных конференциях, опубликованы в периодической печати и научных сборниках [99−106'.