В дорожном строительстве на стадиях ремонта и строительства дорог применяются вяжущие материалы. В качестве основного вяжущего применяют битум, работа с таким вяжущим затруднена из-за высокой плотности битума в холодном состоянии. Применение чистого битума нерационально и экономически не выгодно.
Сейчас широко распространены 4-е системы приготовления битумных эмульсий, которые позволяют приготавливать эмульсии периодическим или непрерывным методом, что позволяет удовлетворить разнообразные потребности в битумных эмульсиях.
Эмульсии являются прекрасным вяжущим, позволяющим повысить качество дорог и их ремонтопригодность. Также применение эмульсии увеличивает период проведения ремонтно-строительных работ расширяя диапазон температур применения вяжущего.
Главными проблемными задачами при приготовлении битумных эмульсий, являются:
- работа при высоких температурах, неэкономичность и затруднения при проведении разогрева используемых материалов в полном объёме;
- вопросы лаборатории конечного продукта;
- время распада эмульсии, которое является одной из главных характеристик эмульсии при транспортировании на участок проведения работ, хранении и применении эмульсии.
Главной областью применения водно-битумных эмульсий является дорожное строительство.
Актуальность работы
В дорожном строительстве прибыль поступает только от ремонта дорог. Это является основным критерием при распределении средств на приобретение нового оборудования и проведения его модернизации. Из-за существующей технологии ремонта дорог, период проведения данного ремонта ограничен погодными условиями и в зимний период практически невозможен. Отсюда вытекают такие критерии к оборудованию дорожного строительства:
- быстрая окупаемость и долговечность;
- широкий диапазон природных условий для приминения данного оборудования;
- простота использования;
- высокое качество конечной работы.
Также из-за условий финансирования модернизация текущих и разработки новых установок, дорожное строительство испытывает дефицит в оборудовании нового качества. Сейчас широко распространены мини-заводы (установки) системы управления которыми основано на релейно-контакторных схемах, большинство приводов являются не управляемыми и основной контроль осуществляется оператором, что не может не сказаться на недостаточно высоком качестве продукции этих установок.
Обзор существующих исследований
По данной теме исследований выявлено не было, но имеется широкий перечень исследований в смежных вопросах или по отдельным проблемным узлам.
Широко ведутся исследования по вопросу целесообразности частотного регулирования в приводах центробежного типа, применения нечетких систем для передачи эвристических знаний оператора управляющему модулю, внедрения систем диагностики и визуализации для более качественного контроля процессов, продуктов и работоспособности объекта.
Перечень решаемых в работе задач
В данной работе решаются следующие задачи:
1. Проблема дозирования компонентов согласно технологическому регламенту.
В существующей установке применяются ротаметры (механические дросселирующее устройство), управление которыми осуществляет оператор. Рекомендуется применять преобразователи частоты совместно с асинхронным короткозамкнутым электродвигателем, что аргументируется энергетической экономичностью, простотой в обслуживании, долговечностью и широтой применения данных систем в простых электроприводах.
2. Водная фаза (приготовление купажа) в качестве критерия готовности требует проведения контроля показателя pH, готовится согласно рецепту и, в случае отклонения показателя от нормы, вмешательства оператора.
Рекомендуется синтезировать нечеткую модель контроля процесса приготовления купажа, внеся в неё эвристический опыт оператора.
3. Организация системы диагностики и визуализации работы установки.
Существующий шкаф управления снабжен световой индикацией и цифровыми индикаторами давления и температуры. Это дает минимальное знание о проходящем процессе и требует постоянного контроля со стороны оператора, для обеспечения должного порядка работы.
Основная часть
Целью работы является автоматизация технологического объекта и процесса с учетом современных тенденций и разработок применения новейших разработок в области интеллектуальных систем управления и контроля.
Объектом исследования является установка по приготовлению водно-битумных эмульсий периодическим методом (система «Batch»).
Теоретический анализ
Комплекс периодического действия состоит из двух фаз: водной и битумной. Объемы составляющих определяются согласно рецептуре, но из-за особенностей процесса их необходимо корректировать, корректировку производит оператор.
За основу была принята существующая установка УВБ-14 (промышленная) производства ООО «Завод УКРБУДМАШ».
Данный метод приготовления битумной эмульсии базируется на приготовлении купажа, что нивелирует процесс дозирования компонентов в общий объем продукции. Это обусловлено технологическим процессом (недопущение коагуляции компонентов).
К недостаткам относятся простая система управления, не обеспечивающая высокую стабильность работы объекта, нуждающуюся в постоянном контроле со стороны оператора. Это не лучшим образом сказывается на качестве работы объекта и требует квалифицированного оператора.
В данной работе решаются следующие задачи:
- применение полностью управляемой аппаратуры;
- исполнительные механизмы запорной аппаратуры снабдить пневмоприводами, управление которыми производиться логическим контроллером;
- дозирующие механические устройства (ротаметры) заменить на насосные установки с преобразователями частоты;
- контроль качества купажа (показатель рН) осуществляется на основе нечеткого регулятора;
- организация системы визуализации и диагностики объекта.
Внедрение данных усовершенствований позволит оптимизировать по времени протекание технологического процесса, осуществлять экономичное и рациональное управление объектом, повысить качество продукта и снизить роль оператора в технологическом процессе.
Анализ системы показал, что внедрение в существующий объект автоматической системы дозирования требуемой точности не целесообразно, в тоже время применение везде в объекте регулируемых приводов будет излишним и дорогостоящим. Поэтому было решено автоматизировать приготовление купажа и управлять подачей воды и подачей купажа, согласно текущей подачи подготовленного битума.
Возможность управления подачи вытекает из характеристики насоса определяющаяся по эмпирической зависимости . Где Н –напор развиваемый насосом; Н0 – статический напор; Rb – гидравлическое сопротивление сети потребления; Q – подача развиваемая насосом; ν – относительная скорость вращения рабочего колеса насоса. Модель характеристики насоса в пакете MatLab приложение Simulink примет вид:
Но любое регулирование приводит к изменению характеристики или насосного агрегата или характеристики самой сети, определяющейся по формуле . Где Нс – статический напор; Rc – гидродинамическое сопротивление сети. Задача достижения равенства подачи заданной подаче насосной станции при определенном значении давления на её выходе осложняется тем, что с изменением подачи изменяется и значение давления. Модель характеристики сети в пакете MatLab приложение Simulink примет вид:
Формула момента сопротивления двигателя имеет вид , где ρ – плотность жидкости [кг/м3]; g – ускорение свободного падения [м/с2]; Q – производительность турбомеханизма [м3/с]; H – давление в сети [м]; ηm – КПД насосной установки; ω – угловая скорость вращения рабочего колеса [рад/с]. Модель формирования момента сопротивления в пакете MatLab приложение Simulink примет вид:
Систему управления двигателем насосной установки необходимо в общем случае обеспечить обратной связью по напору и подаче. Применяя частотное регулирование, мы регулируем угловую скорость вращения рабочего колеса насосной установки. Это позволяет добиться соответствия подачи и напора насоса расчетному значению расхода и потерь давления в гидравлической сети, снизить потребление электроэнергии в процессе эксплуатации за счет уменьшения расхода перемещаемой среды. При дросселировании терялась мощность определяемая выражением . Где hw – напор, теряемый в дросселирующей задвижке(ротаметре); ηB – КПД насоса, соответствующая подаче QВ. Коэффициент полезного действия регулируемой дросселированием установки определяется выражением . Где Hc – напор, необходимый для подачи расхода Qc, Hb – напор, развиваемый насосом при подаче расхода Qb, ηm –КПД двигателя. На рисунке приведенном ниже показана характеристика насоса(1) и сети (2 – номинальная, 2 ´, 2 ´´, 2 ´´´ – исскуственные при дросселирование, то есть увеличение вредного сопротивления гидросети) при регулировании дросселированием напорной стороны, а также кривая(3) - КПД насоса и кривая(3`) – КПД насосной установки:
Анимированный рисунок: 4-е повторения, 77 кадров, размер 61kb. При создании использовалась программа EasyGifAnimator. Для запуска анимации обновите страницу.
На рисунке приведенном ниже показаны характеристики насоса(2) и сети(1) при регулировании частоты вращения рабочего органа насосной установки:
Зависимости η = f(Q) насоса типа ЦНС при регулировании задвижкой (1) и скоростью вращения (2) приведены на рисунке ниже:
Следует отметить, что при работе турбомеханизма на сеть без противодавления изменение частоты вращения не влияет на КПД турбомеханизма: ηH=const.
В случае работы с открытой задвижкой при малой частоте вращения на сеть со статическим подпором насос соединяется с сетью через обратный клапан, который удерживает столб жидкости Hc, пока насос стоит. По мере увеличения скорости насос развивает всё больший напор, вследствие чего клапан открывается. Это произойдёт, когда частота вращения достигнет значения: где ωH - номинальная частота вращения насоса, НН - номинальный напор насоса, НС - напор столба жидкости. Модель характеристики сети с учетом установки обратного клапана в пакете MatLab приложение Simulink примет вид:
В общем случае функциональная схема частотного электропривода насосного агрегата примет вид:
Заданием может выступать уровень требуемой подачи. В нашем случае подача водной фазы(воды и купажа) прямо пропорциональна подачи битумной фазы. При работе турбомеханизма на сеть без статической составляющей напора подача пропорциональна частоте его вращения: Это справедливо для нашего случая, так как в установке применяются насосные агрегаты, вместо ротаметров. Тогда в пакете MatLab в приложении Simulink модель приведения заданной подачи к угловой скорости и нормирование её примет вид:
Синтез нечеткого регулятора рекомендуется организовать на основе алгоритма Tsukamoto. Выходом которого будет потребность в корректировке выраженная количественно.
Это позволяет выдерживать заданные параметры на должном уровне без вмешательства оператора. А в случае возникновения ситуаций приводящих к аварийным или нежелательным, нарушающих заданный режим система диагностики позволит в кратчайшие сроки выявить проблемный узел и устранить неполадки.
Собственные разработки
Собственными разработками являются:
- модель в пакете MatLab в приложении Simulink логического контроллера запорной арматурой;
- модель в пакете MatLab нечеткого (fuzzy) регулятора показателя pH при приготовлении купажа;
- исследование прямого пуска асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором в сравнении с предложенной системы частотного регулирования оборотов рабочего колеса насосной установки, в качестве дозирующего устройства.
Экспериментальные исследования
К сожалению снять реальные показатели с существующей установки было затруднительно, поэтому невозможно показать сравнительный анализ реальных показателей датчиков с моделированными. Достоверность данного исследования основывается на предыдущих исследованиях по отдельным вопросам.
Заключительная часть
В заключение хочется отметить, что данная работа является комплексной и её дальнейшее исследования на качественно новом уровне возможно только при наличии командной разработки с привлечением специалиста по коллоидной химии и гидравлическим системам.
Обзор результатов и выводы
В результате исследования были проработаны основные вопросы для модернизации существующей установки до качественно нового уровня. В первую очередь это внедрение энергосберегающих технологий, комплексной автоматизации и создание системы диагностики и визуализации технологического процесса.
Перспективы дальнейшего исследования
К перспективам данного исследования можно отнести создание компактной и полностью независимой установки для получения битумной эмульсии, применение которой, в настоящее время, очень широко.
Литература
В разделе «Статьи и Доклады» вы найдете мои статьи по данной теме и различные статьи рассматривающие смежные вопросы данной тематики.
Браславский И.Я., Ишматов З.Ш. Опыт внедрения энергосберегающих технологий на основе частотно-управляемых асинхронных электроприводов
Вісник НТУ «ХПІ». Збірник наукових праць. Тематичний збірник наукових праць «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика». – Харків: НТУ «ХПІ», 2002, №12, т.1 – С. 169-170.
Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления
Под ред. Н.Д. Егупова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. – 744 с.
Нейросетевые системы управления / Терехов В.А., Ефимов Д.В., Тюкин И.Ю.
Высш. шк. 2002. – 183 с.
Интеллектуальные технологии управления. Искусственные нейронные сети и нечеткая логика
Усков А.А., Кузьмин А.В. – М.: Горячая линия – Телеком, 2004. – 143 с.
Методы современной теории автоматического управления
Под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егупова. – М.: Из-во МГТУ им. Баумана, 2004. – 784 с.
Системы управления электроприводов : учебник для студ. высш. учеб. заведений
В.М. Терехов, О.И. Осипов ; под ред. В.М. Терехов. – 2-е изд., стер. – М. : Издательский центр «Академия», 2006. – 304 с.
Электроприводы переменного тока с частотным регулированием : учебник для студ. высш. учеб. заведений
Г.Г. Соколовский – М. : Издательский центр «Академия», 2006. – 272 с.
Электрические машины : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений
В.Я. Беспалов, Н.Ф. Котеленец – М. : Издательский центр «Академия», 2006. – 320 с.
Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов
М.П.Белов, В.А. Новиков, Л.Н.Рассудов – 2-е изд., стер – М. : Издательский центр «Академия», 2004. – 576 с.
Инженеринг электроприводов и систем автоматизации : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений
[М.П.Белов, О.И.Зементов, А.Е.Козярук и др.] ; под ред. В.А. Новикова, Л.М. Чернигова. – М. : Издательский центр «Академия», 2006. – 368 с.
. Где Нс – статический напор; Rc – гидродинамическое сопротивление сети. Задача достижения равенства подачи заданной подаче насосной станции при определенном значении давления на её выходе осложняется тем, что с изменением подачи изменяется и значение давления. Модель характеристики сети в пакете MatLab приложение Simulink примет вид:
, где ρ – плотность жидкости [кг/м3]; g – ускорение свободного падения [м/с2]; Q – производительность турбомеханизма [м3/с]; H – давление в сети [м]; ηm – КПД насосной установки; ω – угловая скорость вращения рабочего колеса [рад/с]. Модель формирования момента сопротивления в пакете MatLab приложение Simulink примет вид:
. Где hw – напор, теряемый в дросселирующей задвижке(ротаметре); ηB – КПД насоса, соответствующая подаче QВ. Коэффициент полезного действия регулируемой дросселированием установки определяется выражением 
. Где Hc – напор, необходимый для подачи расхода Qc, Hb – напор, развиваемый насосом при подаче расхода Qb, ηm –КПД двигателя. На рисунке приведенном ниже показана характеристика насоса(1) и сети (2 – номинальная, 2 ´, 2 ´´, 2 ´´´ – исскуственные при дросселирование, то есть увеличение вредного сопротивления гидросети) при регулировании дросселированием напорной стороны, а также кривая(3) - КПД насоса и кривая(3`) – КПД насосной установки:
где ωH - номинальная частота вращения насоса, НН - номинальный напор насоса, НС - напор столба жидкости. Модель характеристики сети с учетом установки обратного клапана в пакете MatLab приложение Simulink примет вид:
Это справедливо для нашего случая, так как в установке применяются насосные агрегаты, вместо ротаметров. Тогда в пакете MatLab в приложении Simulink модель приведения заданной подачи к угловой скорости и нормирование её примет вид:
. Где Н –напор развиваемый насосом; Н0 – статический напор; Rb – гидравлическое сопротивление сети потребления; Q – подача развиваемая насосом; ν – относительная скорость вращения рабочего колеса насоса. Модель характеристики насоса в пакете MatLab приложение Simulink примет вид: