|
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
Журавльов Юрій Володимирович
УДК 681.518.3:658.012:624.01
АВТОМАТИЗОВАНЕ УПРАВЛІННЯ ВИРОБНИЦТВОМ
ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ВИРОБІВ НА ОСНОВІ НЕЧІТКОЇ ЛОГІКИ
Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Пермяков В’ячеслав Іванович,
Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури,
доцент кафедри автоматизації
виробничих процесів.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Стенін Олександр Африканович,
Національний технічний університет України
“КПІ”, професор кафедри технічної кібернетики;
кандидат технічних наук, доцент
Кишенько Василь Дмитрович,
НУХТ, доцент кафедри автоматизації та
комп’ютерно-інтегрованих технологій.
Провідна установа: Національний технічний університет
“Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра автоматизації хіміко-технологічних систем і екологічного моніторингу
Захист відбудеться 25 травня 2005 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.058.05 Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ-33, вул.. Володимирська, 68, ауд. А-311
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ-33, вул. Володимирська, 68.
Автореферат розісланий 23 квітня 2005 року.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент Філоненко В.М.
1
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Залізобетон та залізобетонні вироби ще протягом багатьох років залишаться основним будівельним матеріалом у житловій, цивільній, транспортній, гідротехнічній, енергетичній та інших галузях виробництва в Україні. Якість цієї продукції закладається на етапах виготовлення бетонної суміші та теплової обробки, які складають основу технологічного процесу і на долю яких припадає 85-90% витрат енергоресурсів.
Проблема прискорення твердіння бетону, незважаючи на зниження обертовості форм і теплових агрегатів, ще чекає свого остаточного вирішення, так як пара залишається основним теплоносієм, а теплова обробка – одним з основних технологічних процесів у виробництві збірного залізобетону, особливо в осінньо-зимовий період. Також треба відзначити деяку цільову переакцентацію щодо цього технологічного процесу. Це пов’язано з переходом від “жорстких”, форсованих режимів теплової обробки до так званих ”м’яких”, які характеризуються значно нижчою температурою ізотермічного прогріву та деяким підвищенням тривалості окремих етапів процесу. Важливість цього питання обумовлена необхідністю забезпечення насамперед довговічності залізобетону в залежності від умов експлуатації, на відміну від потреби збільшення обсягів виробництва залізобетону, актуальної ще до недавнього часу.
Довговічність залізобетону залежить від взаємодії багатьох факторів, обумовлених у тому числі станом його структури на етапі виробництва бетонної суміші та теплової обробки. Забезпечення якості кінцевої продукції цих складних хіміко-технологічних процесів неможливе без застосування сучасних автоматизованих систем управління, нових інформаційних технологій та комп’ютерного матеріалознавства. Особливо це має значення в умовах невизначеності сучасного реального виробництва, пов’язаних з порушенням традиційних зв’язків між постачальниками технологічної сировини, матеріалів, енергоносіїв. Впливає на цю невизначеність також відсутність повної і чіткої картини процесу структуроутворення цементного каменю, математичних моделей, які адекватно описують механізм зміцнення структури в процесі теплової обробки, відсутність єдиної методики розрахунку оптимальних режимів теплової обробки залізобетону та методів оперативної оцінки якості бетонної суміші в реальному масштабі часу. В цих умовах досягнення оптимальності управління ходом технологічного процесу покладається на оператора-технолога, конкретну особу, що приймає рішення (ОПР), на її знання, багаторічний досвід, професійну майстерність.
Найчастіше під час прийняття рішень ОПР користуються правилами типу “Якщо-Тоді-Інакше”, що дає можливість формалізувати інтелектуальну діяльність та побудувати інформаційно-дорадчу систему, яка б в інтерактивному режимі надавала рекомендації щодо управління, імітуючи поведінку досвідченого спеціаліста-експерта. Оскільки таких спеціалістів бракує на виробництві, виникає потреба в розробці автоматизованих систем підтримки прийняття рішень у виробництві залізобетонних виробів та накопиченні нових знань, отриманих у ході
2
реального виробництва.
Формалізація та обробка знань спеціаліста-експерта, які найчастіше надаються в якісній, нечітко заданій формі, можлива з використанням математичного апарата нечіткої логіки, хоча застосування цієї теорії ускладнено багатьма чинниками: неможливістю побудови процедур нечітких виводів під час обробки багатьох нечітких значень, узгодженістю оцінок достовірності, непротиріччя та повноти експертної інформації тощо.
Таким чином, автоматизоване управління виробництвом залізобетонних виробів з використанням знань та навичок досвідчених спеціалістів-експертів у вигляді “інтелектуальної” системи підтримки прийняття рішень, яка використовує математичний апарат нечіткої логіки, є актуальною науково-технічною проблемою.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до наукових напрямків кафедри автоматизації виробничих процесів Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури в рамках держбюджетної теми №049 “Розробка теорії і моделей системного аналізу складних соціально-економічних та технічних систем на основі впровадження інформаційних технологій” (№ ДР 0100U001016) згідно з координаційним планом науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України “Створення нових технологій, методів організації та механізації будівельних процесів”.
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності управління касетною технологією виробництва залізобетонних виробів на підставі створення автоматизованої системи підтримки прийняття рішень з механізмом самонавчання і накопичення знань, наданих у вигляді нечіткої експертної інформації. Для досягнення цієї мети в роботі поставлені і виконані такі завдання:
- формування теоретичних основ автоматизованого управління касетною технологією виробництва залізобетонних виробів з використанням математичного апарата нечіткої логіки;
- визначення технологічних факторів, що суттєво впливають на якість залізобетону на етапах виробництва бетонної суміші та теплової обробки;
- розробка методики організації температурних вимірів під час теплової обробки залізобетону з рекомендаціями щодо оптимальної кількості первинних вимірювачів температури, встановлених на технологічному обладнанні;
- представлення основних технологічних факторів у вигляді лінгвістичних змінних з їх відповідним розбиттям на терм-множини;
- синтез нечіткої продукційної моделі для автоматизованого управління виробництвом залізобетону;
- розробка комп’ютерної системи підтримки прийняття рішень оператором-технологом для касетної технології виробництва залізобетону та залізобетонних виробів;
- впровадження результатів роботи.
3
Об’єктом дослідження є касетна технологія виробництва залізобетону та залізобетонних виробів, яка розглядається в класі слабкоформалізованих складних хіміко-технологічних процесів.
Предметом дослідження є структура, програмно-технічні засоби, інформаційне та програмне забезпечення системи підтримки прийняття рішень для автоматизації технологічного процесу виготовлення залізобетону та залізобетонних виробів в умовах жорстких обмежень на витрати енергоресурсів та невизначеності виробництва.
Методи дослідження базуються на математичному апараті теорії нечітких множин і нечіткої логіки. Реалізація автоматизованої системи підтримки прийняття рішень виконана за допомогою засобів обчислювальної техніки. Методика організації температурних вимірювань під час теплової обробки базується на статистичному підході з використанням методів кореляційного аналізу.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що на відміну від існуючих інформаційних технологій виробництва залізобетону та залізобетонних виробів, розроблена система підтримки прийняття рішень надає можливість технологу-оператору формалізувати якісні вхідні та вихідні параметри технологічного процесу та автоматизувати прийняття рішень у реальному масштабі часу. При цьому:
вперше виробництво залізобетону та залізобетонних виробів як предметна галузь розглядається в класі слабкоформалізованих процесів, які характеризуються значним ступенем невизначеності, а основні технологічні фактори виробництва бетонної суміші та теплової оброки представлені у вигляді лінгвістичних змінних з відповідним терм-розбиттям;
вперше для формалізації технологічного процесу виробництва залізобетонних виробів запропоновано використання нечіткої продукційної моделі Такагі-Сугено першого порядку;
отримали подальшого розвитку методи управління виробництвом залізобетонних виробів на базі ієрархічної структури визначення тривалості теплової обробки;
удосконалено функціональну структуру системи автоматизованого управління тепловою обробкою залізобетону, яка доповнена системою підтримки прийняття рішень, що здатна формувати керуючі та інформаційні сигнали, які задані відповідними правилами-продукціями;
запропоновано методику організації температурних вимірювань у технологічних об’єктах з критерієм розташування вимірювачів температури на технологічному обладнанні.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблена
автоматизована система підтримки прийняття рішень під час управління касетною
4
технологією виробництва залізобетону та залізобетонних виробів надасть можливість оператору-технологу забезпечити необхідну якість кінцевої продукції в умовах невизначеності виробництва та обмежень енергоресурсів, видаючи рекомендації з управління на рівні досвідчених спеціалістів-експертів. Крім того, ця система може застосовуватися для набуття персоналом формувальних цехів будівельних підприємств навичок управління технологічним обладнанням з виробництва залізобетону та залізобетонних виробів.
Створена автоматизована система управління виробництвом залізобетону та залізобетонних виробів прийнята до експлуатації на підприємстві ВАТ “Харківський домобудівний комбінат №1”.
Запропонований метод організації температурних вимірювань у теплових установках дозволить суттєво скоротити число датчиків первинної технологічної інформації, а також скоротити час та кількість технічних засобів для статистичної обробки результатів.
Основні положення роботи використовуються у навчальному процесі під час проведення практичних і лабораторних занять з дисциплін “Автоматизоване управління технологічними процесами”, “Автоматизовані технологічні комплекси в будівельній індустрії” (спеціальності 7.092501 та 8.092501).
Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати та положення дисертаційної роботи одержані автором самостійно. В публікації [5] особистий внесок автора полягає в застосуванні лінгвістичного підходу до організації управління процесом теплової обробки у процесі будівельного виробництва. В публікації [7] автору належать результати дослідження особливостей процесу виробництва залізобетонних виробів як об’єкта управління в нечіткому середовищі. В публікації [10] автором запропоновано класифікацію факторів невизначеності в процесі виробництва залізобетону. В публікації [11] автором запропонована комп’ютерна реалізація автоматизованої системи підтримки прийняття рішень, в основу якої покладені правила-продукції [12], які застосовують спеціалісти-експерти під час реалізації “м’яких” режимів теплової обробки залізобетону та залізобетонних виробів [13].
Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідались і обговорювались на: 52-59 науково-технічних конференціях “Підвищення ефективності будівництва” Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури в 1997-2004р.р.; міжнародних конференціях з автоматичного управління “Автоматика-2001” (Одеса, ОДПУ, 2001р.). “Автоматика-2002” (Донецьк, ДонНТУ, 2002р.), “Автоматика-2003” (Севастополь, СевНТУ, 2003р.); міжнародній науково-технічній конференції “Будівництво, реконструкція і відновлення будівель та споруд міського господарства” (Харків, ХДАМГ, 2002р.); 10-й Міжнародній науково-практичній
5
конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я MicroCAD-2002” (Харків, НТУ “ХПІ”, 2002р.); 1-му Міжнародному радіоелектронному форумі “Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку” (Харків, ХНУРЕ, 2002р.); міжнародному конгресі “Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии” (Белгород, БГТУ им.В.Г.Шухова, 2003г.), міжнародній конференції з математичного моделювання “МКММ-2003” (Херсон, ХГТУ, 2003), міжнародній науковій конференції “Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд” (Харків, ХДТУБА, 2003р.).
Публікації. За результатами дисертації опубліковано 13 (із них 6 – без співавторів) робіт, в яких викладено основний зміст виконаних досліджень, у тому числі 11 статей у виданнях, що входять до переліку ВАК України.
Структура та обсяг роботи. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури з 118 найменувань та 4 додатків. Текст роботи викладено на 146 сторінках машинописного тексту, включаючи 37 рисунків та 5 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, проведений аналіз об’єкта та предмета наукових досліджень, зв’язок роботи з тематикою наукових програм Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури.
Сформульовані мета й завдання досліджень, визначена наукова новизна отриманих результатів, їх достовірність, практична цінність. Наведені відомості про
впровадження та апробацію результатів дисертації, про кількість публікацій, про особистий внесок здобувача та про структуру роботи.
Перший розділ присвячений аналізу особливостей виробництва залізобетону та залізобетонних виробів як предметній галузі в класі слабкоформалізованих процесів та поставленню завдання дослідження.
Показано, що виробництво бетонної суміші та теплова обробка залізобетону і залізобетонних виробів є складними хіміко-технологічними процесами, які характеризуються певною невизначеністю параметрів та середовища управління.
У зв’язку з цим обґрунтовано необхідність створення автоматизованої системи підтримки прийняття рішень, яка призначена для надання рекомендацій щодо
корегування рецептурних параметрів бетонної суміші та температурно-часових факторів теплової обробки в реальному масштабі часу. Робота такої системи заснована на імітуванні процесів прийняття рішень досвідченими спеціалістами – особами, що приймають рішення (ОПР), професійні навички, знання, вміння яких
дозволяють ефективно керувати вказаним виробництвом. Для цього необхідно
6
вміти формалізувати інтелектуальну діяльність людини в процесі прийняття рішень.
Установлено, що ступінь зручноукладальності бетонної суміші є одним з найбільш значущих чинників для визначення режимів теплової обробки залізобетону та залізобетонних виробів. Це – істотно якісний показник, тому використання лінгвістичних змінних є єдиним зручним способом опису.
Показано, що розв’язання цієї задачі можливе з використанням нових інформаційних технологій, до яких належить теорія нечітких множин, генетичні алгоритми та ін.
Схема процесу виробництва залізобетону та залізобетонних виробів наведена на рис. 1.
Рис.1. Схема процесу виробництва залізобетону та залізобетонних виробів
Використання інформаційних технологій у виробництві будівельних матеріалів і виробів, до яких належить залізобетон та вироби з нього, ще не набуло в Україні достатнього розвитку, хоча цей процес уже позначився. Це зроблено, перш за все, завдяки працям учених КНУБА, ХДТУБА, ПДАБА, дослідженням російських колег, науковців інших країн СНД, дальнього зарубіжжя.
Найбільший внесок у вирішенні цієї проблеми належить науковим розробкам Бушуєва С.Д., Горбунова С.Д., Глухова В.М., Михайлова В.С., Овчаренка В.А., Преждо Л.М., Пунагіна В.М., Серікова Я.О., Синюка В.Г., Синякіна А.Г.,
Соколова О.Ю., Ушерова-Маршака О.В., Цилюрика Л.І., Дуда В., Фронсдорфа Г. (Frohnsdorff G.), Клифтона Д. (Clifton J.). Але запропоновані ними технічні рішення базуються на традиційному математичному та програмному забезпеченні, яке реалізує обробку детермінованої, чітко визначеної технологічної інформації, що відповідало існуючим на той час вимогам нормативних документів.
Аналіз сучасного стану виробництва будівельних виробів та матеріалів і заходів
7
щодо підвищення ефективності виробництва збірного залізобетону виявив тенденції впровадження “м’яких” режимів теплової обробки зі зниженою температурою ізотермічного прогріву та певним підвищенням часу її тривалості. Останнє потребує прийняття нетрадиційних рішень з управління технологічними процесами виготовлення бетонної суміші та теплової обробки, що неможливо без урахування досвіду оператора-технолога та його знань, які частіш за все реалізуються у вигляді правил-продукцій типу “ЯКЩО - ТО”.
Визначені науково-технічні основи дисертаційних досліджень та їх основні напрямки.
У другому розділі наведені результати експериментальних досліджень касетної технології виробництва збірного залізобетону та надана методика організаціїї температурних вимірів під час теплової обробки, що дозволило вирішити завдання визначення необхідної кількості датчиків температури та їх оптимального розташування на технологічному обладнанні. З цією метою у виробничих умовах підприємства ВАТ ”Харківський домобудівний комбінат №1” були проведені дослідження температурного поля твердіючого бетону в касетній установці.
На рис. 2 показано розташування площин заміру температурних полів у залізобетонному виробі касетної установки.
Рис. 2. Розташування площин заміру температурних полів у залізобетонному виробі касетної установки:
1, 4 – тепловий відсік;
2 – розподільний лист;
3 – технологічний відсік.
Під час дослідження теплообміну в виробах у процесі їх термообробки у касетних установках були отримані дані про температурні поля в площинах виробу, які прилягають до теплового відсіку та розподільного листа. Замір температур відбувався у 18 точках (рис. 3) виробу (9 з лицьової поверхні і 9 поряд з розподільним листом).
| 
