2928

Система автоматизации процесса тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках (рис.1) функционирует следующим образом. После включения блока управления командный блок осуществляет запрос необходимых начальных параметров технологического процесса бетонирования: класс укладываемого бетона по прочности; геометрические размеры и модуль поверхности конструкции; параметр, характеризующий конструктивные особенности опалубки (коэффициент теплопередачи опалубки или укрытия неопалубленных поверхностей); параметры уложенной бетонной смеси (начальная температура бетонной смеси, расход цемента в смеси, тепловыделение цемента за время твердения бетона, удельная теплоёмкость бетона, плотность бетона, наличие и вид добавок); температура бетона к концу остывания и др.

При занесении начальных параметров в базу данных системы вырабатывается команда на включение датчиков температуры наружного воздуха и скорости ветра, датчиков температуры бетона в контактной зоне с нагревателями, датчика температуры бетона в теле конструкции. Далее вычислительное устройство с предустановленным программным обеспечением ThermoCon, в соответствии с данными, поступающими на входы командного блока от контролирующих датчиков, определяет оптимальный температурный режим тепловой обработки. Вычислительное устройство формирует массив заданных значений температуры тепловой обработки бетона конструкции (ti=f(τ)) и массив значений электрических характеристик (Рi =f(τ)) с определённым оператором шагом дискретизации Δτ .

Рис. 1. Блок-схема системы автоматизированного управления тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках: 1 - блок управления; 2 - командный блок; 3 - вычислительное устройство; 4 - регулятор температуры наружного щита термоопалубки; 5 - регулятор температуры внутреннего щита термоопалубки; 6 - датчик скорости ветра, 7 - датчик температуры наружного воздуха; 8 - датчик температуры бетона в контактной зоне с наружным щитом термоопалубки; 9 - датчик температуры бетона в контактной зоне с внутренним щитом термоопалубки; 10 - датчик температуры бетона в теле конструкции; 11 - датчик прочности бетона; 12 - наружный щит термоопалубки; 13 - внутренний щит термоопалубки; 14 - бетон монолитной конструкции; 15 - датчик потребляемой электрической мощности строительной площадки

По завершении формирования массива значений электрических характеристик осуществляется запрос системы о максимуме электрической мощности, отведенной для тепловой обработки бетона на строительной площадке (Рмакс ). Вычислительное устройство осуществляет сравнение максимальной электрической мощности, отведенной для тепловой обработки бетона на строительной площадке Рмакс с необходимой для термообработки электрической мощностью

Pi для текущего периода обогрева.

При соблюдении условия Рманс > Рi, вычислительное устройство передаёт

11

информацию на вход командного блока, и щиты термоактивной опалубки начинают процесс тепловой обработки бетона конструкции. Регуляторы температуры поддерживают и ограничивают заданные вычислительным устройством значения температуры. Во время тепловой обработки датчик скорости ветра, датчик температуры наружного воздуха, датчик температуры бетона в теле конструкции, датчики температуры бетона в контактной зоне с термоактивной опалубкой постоянно подают информацию на командный блок. При резких изменениях внешних факторов или аварийной ситуации вычислительное устройство корректирует режим термообработки.

При превышении необходимой для тепловой обработки электрической мощности Pi для текущего периода обогрева, над значением максимальной электрической мощности, отведенной для термообработки бетона на строительной площадке Рмакс , оператору системы предлагаются следующие пути решения:

-ограничение электроснабжения второстепенных потребителей строительной площадки;

-переход на режим аварийного поддержания температуры бетона, конструкции,

всоответствии со значением максимальной электрической мощности, отведенной для тепловой обработки бетона на строительной площадке Рмакс с коррекцией температурно-временного графика.

Использование разработанной автоматизированной технологии тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках ThermoCon обеспечивает, по сравнению с существующими средствами, следующие преимущества:

-точно выдерживаются технологически необходимые параметры скорости подъёма температуры и скорости остывания бетона конструкции в условиях переменных внешних факторов (температуры наружного воздуха и скорости ветра), что гарантированно обеспечивает качество монолитных конструкций;

-выполнение тепловой обработки бетона разработанным методом обеспечивает набор бетоном конструкции заданной прочности за кратчайший промежуток

12

времени при минимуме энергозатрат; - использование предлагаемой системы в процессе возведения монолитных

зданий и сооружений в термоактивных опалубках позволит существенно повысить производительность труда при уменьшении трудоёмкости и повышении качества строительства.

Для реализации системы автоматизированного управления процессом тепловой обработки бетона разработан математический аппарат управляющих воздействий. Основу аппарата управляющих воздействий на автоматизированную систему тепловой обработки бетона ThermoCon в термоактивных опалубках составляют адаптированные для предлагаемых решений методики Ю.А.Минакова:

-определения потребной тепловой мощности нагревательной системы;

-расчёта энергетических параметров и электрических характеристик.

Вразработанной системе автоматизированного управления процессом тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках процесс обогрева складывается из трёх периодов: регулируемого активного подъёма температуры; активного изотермического выдерживания; регулируемого остывания.

Необходимая для тепловой обработки удельная интенсивность теплового потока определяется по формуле

где qi — требуемая удельная интенсивность (плотность) теплового потока внутри участка i, Вт/м2;

i — рассматриваемый участок дискретизации;

tcp i- средняя температура внутри участка i (шага дискретизации), °С;

λб - коэффициент теплопроводности бетона, Вт/(м.°С); у 6 - плотность бетона, кг/м3;

СТАО - удельная теплоёмкость материала термоактивной опалубки,

13

кДж/(кг.°С);

MТАО — масса 1м2 термоактивной опалубки, кг;

F — суммарная площадь палубы термоактивной опалубки, контактирующая с бетоном, м2;

tН.B. — переменная температура наружного воздуха, °С;

а - текущий коэффициент теплопередачи у наружной поверхности термоактивного щита, Вт/(м2.°С).

Значение тока для выделения необходимой мощности в термоактивной опалубке определяется из выражения

где Pi - потребная мощность термоактивной опалубки, Вт;

р - удельное сопротивление нагревателя, Ом.м;

aR — температурный коэффициент сопротивления, 1/°С;

Δt — разность температур между температурой нагревателя и номинальной,

°С;

лубки, м.

Тогда напряжение для выделения необходимой мощности в термоактивной опалубке определится как

где R - активное сопротивление нагревателей.

где рt - удельное сопротивление нагревателей с учётом температурного коэффициента сопротивления

14

На основании полученных значений электрических характеристик программируемый логический контроллер рассчитывает сигнал задания для тиристорного регулятора напряжения, который с цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) контроллера поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) тиристорного регулятора. В зависимости от поступившего сигнала задания тиристорныи регулятор напряжения изменяет угол открывания тиристоров, в результате чего происходит регулирование выходного напряжения, что определяет электрическую мощность, поступающую на нагреватели.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям, выполненным в научно-исследовательских лабораториях ННГАСУ и в производственных условиях на объектах монолитного строительства г. Нижнего Новгоро-

да.

Часть экспериментальных исследований выполнена с использованием ЭВМ методами и средствами математического моделирования и вычислительного эксперимента. Чтобы произвести математическое моделирование процесса автоматизированного управления тепловой обработкой бетона в термоактивной опалубке, разработана модель системы ThermoCon в среде программного пакета MATLAB.

Разработанная simulink-модель (S-модель) для программного пакета MATLAB представлена на рис. 2.

Автоматизированная система отработки оптимального графика тепловой обработки интегрирована трёхконтурной системой с независимыми контурами.

В ходе моделирования S-модели определены оптимальные параметры регуляторов, обеспечивающие заданный температурно-временной график тепловой обработки бетона в условиях переменных возмущающих внешних факторов окружающей среды.

15

Step3

Switch 3

Рис. 2. S-модель автоматизации процесса отработки оптимального графика тепловой обработки бетона в термоактивной опалубке

Комплекс экспериментальных исследований по оценке эффективности режимов тепловой обработки бетона при помощи разработанной системы ThermoCon и определению однородности тепловых полей на палубе разработанной термоактивной опалубки состоял из следующих этапов:

-оценка входных параметров бетонной смеси;

-обеспечение необходимого уплотнения бетонной смеси;

-контроль соблюдения расчётных энергетических параметров термоактивной опалубки;

-контроль соблюдения расчётных режимов тепловой обработки бетона в термоактивной опалубке и их оценка;

-регистрация изменяющихся наружных температурных воздействий и параметров окружающей среды;

-оценка градиентов температурных полей и их однородности по поверхности и толщинебетонируемыхконструкций;

-неразрушающие и разрушающие методы оценки динамики набора прочности

16

бетоном; - подбор и формирование комплекта аппаратуры для регистрации параметров

тепловыхполей; - формирование комплекта аппаратуры дистанционного управления процесса-

ми тепловой обработки бетона.

В соответствии с разработанной методикой проведения исследований была разработана экспериментальная установка, состоящая из аппаратурно реализованной системы управления процессом тепловой обработки бетона в термоактивной опалубке ThermoCon и модели участка стены размерами 1200x600x200 мм. Фрагменты стен были разделены поперечной перегородкой для образования двух объёмов размерами 600x600x200 мм. Для бетонирования фрагментов стен использовался бетон классов В12,5 и В20.

Для контроля и регистрации распределения температурных полей при тепловой обработке бетона конструкций методика предусматривала применение комплекта контрольно-измерительной аппаратуры: тепловизор ИРТИС-2000, теплорегуляторы, термопары, термометры и регистрирующая аппаратура. В качестве контролирующих и регистрирующих датчиков температуры бетона применены: многоканальный программируемый логический контроллер PCD1, портативные цифровые измерители температуры ТЕМП-3.01, платинородиевые термопары типа ТПП13.

Исследования прочностных характеристик бетона и оценка их динамики при приведении экспериментов с применением разработанной системы автоматизированного управления процессом тепловой обработки бетона ThermoCon базировались на методике, основанной на принципах адекватности условий твердения бетона контрольных образцов и основной конструкции, прямых и дублирующих испытаний. Неразрушающий метод прямых испытаний осуществлялся на основе применения ультразвукового прибора УК-14П и склерометра Шмидта типа N. Дублирующими являлись испытания разрушающим методом контрольных образцов-кубов, извлекаемых по специальной методике из тела

17

конструкции.

В результате экспериментальных исследований с помощью портативного тепловизора ИРТИС-2000 (рис.3) подтверждена эффективность размещения нагревательных устройств как между элементами каркаса опалубки, так и в рёбрах, а также использования эффективного утеплителя с отражающим слоем из алюминиевой фольги и окраски палубы составами низкой отражательной способности.

Рис. 3. Термограмма разработанной термоактивной опалубки

Экспериментальные исследования набора бетоном заданной прочности при тепловой обработке по сформированному температурно-временному графику производились как при автоматизированном управлении (рис. 4), так и в режиме ручного управления процессом (рис. 5).

Рис. 4. График изменения температуры бетона конструкции с использованием средств автоматизации процесса тепловой обработки в термоактивных опалубках ThermoCon (сфор-

мирован программой ThermoCon 1.1)

Рис. 5. График изменения температуры бетона конструкции без использования средств автоматизации процесса тепловой обработки в термоактивных опалубках ThermoCon

(сформирован программой ThermoCon 1.1)

Точность расчётного определения прочности бетона при использовании разработанной методики определения прочности бетона конструкции по темпе- ратурно-временному фактору находится в пределах 12% от показателей прочности прямых и дублирующих методов контроля.