热拌沥青混合料级配变化仿真与优化控制系统及方法与流程

文档序号:14923636发布日期:2018-07-13 08:22

本发明属于生产过程质量控制领域,具体涉及热拌沥青混合料生产中混合料级配的在线质量控制系统及控制方法。



背景技术:

热拌沥青混合料(Hot Mix Asphalt,HMA)是目前高速公路建设的重要材料,直接关系着高速路的建设和质量。其中沥青混合料级配是指混合料中粗、细集料及矿质填料所占的比例,是影响沥青混合料的多种路用性能的关键因素。在过去的几十年中,HMA的级配控制主要集中在实验室的样本测试上,很多措施着力于使样本测试更快、更准。样本测试速度和效率的提高虽然在一定程度上有利于HMA的质量控制,但样本测试需要较长的时间,一般花费2个小时左右才能得到样本测试结果,不能及时地对系统的偏离进行控制。

近年来,利用计算机仿真技术进行沥青混合料质量控制的研究在国内外得以广泛开展。在监控HMA生产过程的在线数据库,模拟HMA的压实过程,分析影响HMA生产过程的因素方面做了一系列的研究,研究表明计算机仿真技术在HMA生产中发挥着重要作用,但对沥青生产过程级配控制的计算机仿真研究相对较少。



技术实现要素:

鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种热拌沥青混合料级配变化仿真与优化控制系统及通过该系统的在线质量控制方法。它能有效地解决此类生产过程无法实现在线实时控制的问题。

为实现上述发明目的,本发明技术方案如下:

一种热拌沥青混合料级配变化仿真与优化控制系统,包括级配数据子系统、控制策略建模子系统、优化控制子系统及图像数据输出子系统;其中:

级配数据子系统用于建立热拌沥青混合料生产的基础数据并进行模拟集料数据变化;

控制策略建模子系统用于模拟实际热拌沥青混合料生产过程中受众多因素影响而使集料成分发生变化的趋势,根据实际情况制定不同级配标准应对不同的生产商要求,满足规定的现场拌合配方限制下的要求,本系统采用下列三种控制方法中的其中一种,控制方法1:如果各级配中的任一筛值超过控制的限制,则系统处于失控状态,各冷料仓的比例就重新被优化;控制方法2:如果各级配中的任两个或两个以上筛值超过控制的限制,则系统处于失控状态,各冷料仓的比例就重新被优化;控制方法3:从模型的总级配考虑,如果各筛值偏离总和超过最大控制限度的70%,则系统处于失控状态,各冷料仓的比例就重新被优化;

优化控制子系统将数学优化模型嵌套进系统模型中,当模型判断系统处于失控状态,此系统启动优化程序,通过改变各冷料仓所占总混合集料的百分比来对系统进行优化,使其迅速恢复到受控状态;本子系统采用的数学优化模型是以各筛值总偏差最小为目标值,通过改变各冷料仓的百分比来满足沥青混合集料的级配要求,并满足各冷料仓的百分比、各筛值、各矿石类型的上下限要求;

图像数据输出子系统用于实时输出热拌沥青混合料生产状态的变化和相关的模型数据,用于直观展示热拌沥青混合料级配变化。

本发明还提供一种利用上述系统的热拌沥青混合料级配生产过程在线质量控制方法:通过级配数据子系统建立热拌沥青混合料生产的基础数据并进行模拟集料数据变化;通过控制策略建模子系统模拟实际热拌沥青混合料生产过程中受众多因素影响而使集料成分发生变化趋势,根据实际情况制定不同级配标准应对不同的生产商要求,利用各级配成分变化确定不同的控制方案;通过优化控制子系统将数学优化模型嵌套进系统模型中,当模型判断系统处于失控状态,仿真模型启动优化程序,通过改变各冷料仓所占总混合集料的百分比来对系统进行优化,使其迅速恢复到控制状态;通过图像数据输出子系统实时输出热拌沥青混合料生产状态的变化和相关的模型数据,直观展示热拌沥青混合料级配变化。

作为优选方式,所述热拌沥青混合料级配生产过程在线质量控制方法进一步包括如下步骤:

(1)利用冷骨料仓设定比例输入集料组成成分;

(2)利用离散单元法并利用单元块在传送带上的距离和速度来实现连续系统离散化,选取1分钟作为离散单位时间,1分钟传送的集料质量作为一个离散块;

(3)设定各集料的平均值和方差值,通过改变平均值来模拟阶跃,趋势以及阶跃趋势三种状态变化,并根据实际需求设定生产拌合配方规格和生产许可范围;

(4)设定集料变化的趋势函数,通过改变平均值来模拟阶跃,趋势以及阶跃趋势三种状态变化;

(5)产品级配要求标准:标准规格限表示集料的级配符合标准JMF要求;生产规格限表示集料的级配符合生产商要求;

(6)系统控制方法:本系统采用下列三种控制方法中的其中一种,控制方法1:如果各级配中的任一筛值超过控制的限制,则系统处于失控状态,各冷料仓的比例就重新被优化;控制方法2:如果各级配中的任两个或两个以上筛值超过控制的限制,则系统处于失控状态,各冷料仓的比例就重新被优化;控制方法3:从模型的总级配考虑,如果各筛值偏离总和超过最大控制限度的70%,则系统处于失控状态,各冷料仓的比例就重新被优化;

(7)移动平均次数的选取:为了避免突然或暂时性的级配变化对集料级配的影响,引入移动平均方法对数据进行处理,从而得到较为平稳的数据,本发明选取4、8和16作为移动平均周期进行数据处理;

(8)设定数学优化模型,通过改变各冷料仓的百分比来满足沥青混合集料的级配要求;

(9)利用动画和图表的形式直观地展示系统的运行数据,将模型运行过程中的各冷料仓比例变化、各筛值变化以及筛值偏差的情况形象的表示出来,并通过控制图的形式表现系统的整个控制优化过程。

作为优选方式,所述热拌沥青混合料级配生产过程在线质量控制方法利用冷料仓的开口和传送带的速度来改变冷料仓进料比例。

本发明与现有技术方法相比的优点和效果在于:本发明克服了在实际的复杂生产过程中,传统试验方法成本高、可重复性差的缺点,本发明通过虚拟仿真的方式动态模拟生产过程,对生产过程的各质量因素进行分析,得到影响其质量问题的控制因素。

附图说明

图1为本发明系统的作业示意图。

图2为本发明系统的HMA生产级配过程模型。

图3为本发明系统的热拌沥青混合料生产中混合料级配在线质量控制系统的各模块。

图4为本发明的热拌沥青混合料生产中混合料级配优化模型的控制逻辑图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图1所示,一种热拌沥青混合料生产中混合料级配的在线质量控制方法。热沥青混合料是由适当用量的沥青与适当比例的粗集料、细集料及填料在一定的温度下经过充分拌和而成。集料暂时储存在冷料仓内,然后根据特定的生产拌合配方(JMF)输送到主运输带上,混合后的集料形成热沥青混合料的级配,通过仿真系统控制级配比例。

如图2所示,一种热拌沥青混合料生产中混合料级配在线质量控制方法的过程模型。在实际的HMA生产过程中,混合集料通过各冷料仓按照特定的比例混合形成,然后计算混合集料通过各筛孔的质量百分率(筛值),并与规定的JMF限制进行比较。根据控制标准判断混合料是否满足要求,若满足就可以投入生产,否者混合集料的原冷料仓集料比例就得重新优化,通过优化模型得到更为合适的冷料仓的混合比例,并利用冷料仓的开口和传送带的速度来改变冷料仓进料比例,来满足生产的要求。

如图3所示,热拌沥青混合料级配变化仿真与优化控制系统包括级配数据子系统、控制策略建模子系统、优化控制子系统及图像数据输出子系统;其中:

级配数据子系统用于建立热拌沥青混合料生产的基础数据并进行模拟集料数据变化;

控制策略建模子系统用于模拟实际热拌沥青混合料生产过程中受众多因素影响而使集料成分发生变化的趋势,根据实际情况制定不同级配标准应对不同的生产商要求,满足规定的现场拌合配方限制下的要求,本系统采用下列三种控制方法中的其中一种,控制方法1:如果各级配中的任一筛值超过控制的限制,则系统处于失控状态,各冷料仓的比例就重新被优化;控制方法2:如果各级配中的任两个或两个以上筛值超过控制的限制,则系统处于失控状态,各冷料仓的比例就重新被优化;控制方法3:从模型的总级配考虑,如果各筛值偏离总和超过最大控制限度的70%,则系统处于失控状态,各冷料仓的比例就重新被优化;

优化控制子系统将数学优化模型嵌套进系统模型中,当模型判断系统处于失控状态,此系统启动优化程序,通过改变各冷料仓所占总混合集料的百分比来对系统进行优化,使其迅速恢复到受控状态;本子系统采用的数学优化模型是以各筛值总偏差最小为目标值,通过改变各冷料仓的百分比来满足沥青混合集料的级配要求,并满足各冷料仓的百分比、各筛值、各矿石类型(如碎石,粉碎石,自然沙等)等因素的上下限要求;

图像数据输出子系统用于实时输出热拌沥青混合料生产状态的变化和相关的模型数据,用于直观展示热拌沥青混合料级配变化。

热拌沥青混合料级配生产过程在线质量控制方法,包括如下步骤:

(1)利用冷骨料仓设定比例输入集料组成成分;

(2)利用离散单元法并利用单元块在传送带上的距离和速度来实现连续系统离散化,选取1分钟作为离散单位时间,1分钟传送的集料质量作为一个离散块;

(3)设定各集料的平均值和方差值,通过改变平均值来模拟阶跃,趋势以及阶跃趋势三种状态变化,并根据实际需求设定生产拌合配方规格和生产许可范围;

(4)设定集料变化的趋势函数,通过改变平均值来模拟阶跃,趋势以及阶跃趋势三种状态变化;

(5)产品级配要求标准:标准规格限表示集料的级配符合标准JMF要求;生产规格限表示集料的级配符合生产商要求;

(6)系统控制方法:本系统采用下列三种控制方法中的其中一种,控制方法1:如果各级配中的任一筛值超过控制的限制,则系统处于失控状态,各冷料仓的比例就重新被优化;控制方法2:如果各级配中的任两个或两个以上筛值超过控制的限制,则系统处于失控状态,各冷料仓的比例就重新被优化;控制方法3:从模型的总级配考虑,如果各筛值偏离总和超过最大控制限度的70%,则系统处于失控状态,各冷料仓的比例就重新被优化;

(7)移动平均次数的选取:为了避免突然或暂时性的级配变化对集料级配的影响,引入移动平均方法对数据进行处理,从而得到较为平稳的数据,本发明选取4、8和16作为移动平均周期进行数据处理;

(8)设定数学优化模型,通过改变各冷料仓的百分比来满足沥青混合集料的级配要求;采用的数学优化模型是以各筛值总偏差最小为目标值,通过改变各冷料仓的百分比来满足沥青混合集料的级配要求,并满足各冷料仓的百分比、各筛值、各矿石类型的上下限要求;

(9)利用动画和图表的形式直观地展示系统的运行数据,将模型运行过程中的各冷料仓比例变化、各筛值变化以及筛值偏差的情况形象的表示出来,并通过控制图的形式表现系统的整个控制优化过程。

本实施例利用冷料仓的开口和传送带的速度来改变冷料仓进料比例。

如图4所示,沥青混合料级配生产过程质量模型的逻辑控制过程。沥青混合料级配控制系统利用Arena仿真软件建立沥青混合料级配控制模型,利用内嵌的VBA进行编程实现,实现其生产过程级配变化的仿真及质量控制。首先通过输入子系统的功能为定义系统的行为、从Excel中读取集料的各筛值数据并设定系统的各项输入参数,包括集料的各筛值数据、变化趋势类型、波动性的强弱、数据的移动平均次数以及控制优化子模型中的控制逻辑。接着优化控制子系统的功能是计算各筛值,设定各控制策略并进行优化实现,为分析控制效果提供依据。最后图像数据输出子系统接收模型运行的数据,利用动画和图表的形式将控制优化子系统运行的数据显示出来。

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