Разработка инструментария в системе управления качеством процессов производства и укладки горячих асфальтобетонных смесей

Качество асфальтобетонных покрытий формируется совокупностью технологических режимов на этапах входного контроля материалов, производства горячих асфальтобетонных смесей (ГАБС) на асфальтобетонном заводе (АБЗ), транспортирования, укладки и уплотнения. Эксплуатационные дефекты, такие как колея, трещины, недостаточная плотность, неоднородность и ухудшение ровности, обычно обусловлены совместным влиянием изменчивости свойств материалов, точности дозирования и температурных режимов, состояния оборудования и фактических условий укладки [1, 2].

Действующие подходы в значительной степени опираются на контроль конечного результата, что не обеспечивает своевременного выявления причин отклонений и оперативной корректировки процесса. Существенной проблемой является разобщенность данных: лабораторные результаты, параметры АБЗ, сведения о калибровках средств измерений, а также параметры транспортирования и уплотнения фиксируются в разных источниках, недостаточно синхронизируются по времени и не привязываются к конкретным партиям, что затрудняет установление причинно-следственных связей.

В связи с этим актуальна разработка информационного обеспечения оперативного управления качеством производства и укладки ГАБС, демонстрирующее прослеживаемость следующей цепочки, «сырьё – производство – транспортирование – укладка – уплотнение – покрытие» и реализацию замкнутого контура «мониторинг – диагностика – корректирующее воздействие» с учетом требований ГОСТ и условий приемки [3-6].

Цель работы – разработка и обоснование метода оперативного управления качеством процессов производства и укладки ГАБС на основе структурированной системы информационного обеспечения и сквозной прослеживаемости данных по партии продукции.

В статье предложены структура информационного обеспечения и формализованный закон корректировки уставок по данным последовательных партий; работоспособность подхода показана на примере показателей производственного контроля по ГОСТ 9128–2013 [7].

Процесс производства горячей асфальтобетонной смеси представляет собой совокупность взаимосвязанных и последовательно выполняемых технологических операций, направленных на получение готовой смеси требуемого типа и качества в соответствии с требованиями заказчика и действующей нормативно-технической документацией. В логике функционального моделирования данный процесс целесообразно рассматривать как функцию верхнего уровня «Производство асфальтобетонной смеси», где входами являются минеральные материалы различных фракций, битум, минеральный порошок и добавки, а выходом – горячая асфальтобетонная смесь заданного состава и свойств [8].

Согласно представленной схеме, исходные требования к смеси формируются на стороне заказчика (тип смеси, назначение по слою покрытия, целевые показатели качества и условия приемки). Эти требования поступают в лабораторию, которая выполняет функции технологического сопровождения: уточняет и интерпретирует требования, обеспечивает проверку соответствия сырьевых материалов проектному составу, формирует программу испытаний и контроля, а также выдает заключения и рекомендации для корректировки технологических режимов. Далее информация и материальные ресурсы поступают на склад/хранилище, где осуществляется накопление и подготовка компонентов (щебень различных фракций, песок, битум, минеральный порошок, добавки) и обеспечивается их идентификация по партиям.

На первом этапе (A1) выполняется сбор и подготовка минеральных материалов с формированием набора фракций, предусмотренных проектным составом. Выбор фракционного состава щебня определяется требованиями заказчика, типом покрытия и конструктивным слоем (основание, нижний или верхний слой). В производственной практике применяются фракции от крупных (например, 31,5; 22,4 мм) до мелких (8; 5,6 мм и менее). Для обеспечения требуемой гранулометрии и заполнения межзернового пространства используется отсев (A2), подбор которого осуществляется на основе проектного состава смеси и нормативных требований к зерновому составу.

Следующий этап (A3) включает дозирование и подачу минеральных материалов. Щебень и отсев различных фракций загружаются в секционные бункера (питатели), каждая секция которых предназначена для отдельной фракции. В соответствии с рецептурой и регламентами дозирования материалы подаются на ленточные конвейеры, формируя дозированные потоки минеральных компонентов в требуемых соотношениях.

Далее выполняются операции сушки (A4), нагрева (A5) и повторной сортировки (A6). Дозированные материалы поступают в сушильный барабан, где удаляется влага, после чего осуществляется нагрев до технологически заданной температуры. Нагретый материал направляется на грохот, где проводится повторная сортировка по фракциям с целью стабилизации зернового состава, отделения отклоняющихся по крупности частиц и обеспечения соответствия проектным требованиям.

После подготовки минеральной части выполняется смешивание компонентов (A7). Нагретые и отсортированные минеральные материалы подаются в смеситель, куда вводится битумное вяжущее, являющееся основным связующим компонентом минерального заполнителя и обеспечивающее требуемые упруго-пластические свойства асфальтобетона. При необходимости (в зависимости от требуемых эксплуатационных свойств) дополнительно вводятся минеральный порошок и/или технологические добавки. Управление смешиванием осуществляется по контролируемым параметрам температуры, времени и режима перемешивания, обеспечивающим равномерное распределение вяжущего и получение однородной смеси.

Завершающая часть производственного цикла включает выпуск смеси (A8) и отгрузку готовой продукции (A9). Готовая асфальтобетонная смесь через выпускной люк смесителя загружается в транспортные средства и направляется к месту укладки. На данном этапе учитываются требования к температурному режиму и временные ограничения, связанные с сохранением технологической работоспособности смеси при транспортировании и последующей укладке.

Контроль качества и оперативная корректировка процесса осуществляются на всех стадиях производства, что соответствует схеме, где каждый технологический блок связан с контуром «Контроль качества». Лаборатория и производственные службы выполняют входной контроль материалов, контроль технологических параметров (дозирование, температурные режимы, время смешивания и др.) и выходной контроль показателей готовой смеси в рамках программы производственного контроля. По результатам контроля формируются корректирующие воздействия, направленные на стабилизацию параметров технологического процесса и обеспечение соответствия продукции требованиям заказчика и нормативных документов.

Таким образом, выпуск горячей асфальтобетонной смеси на АБЗ является лишь промежуточным этапом формирования конечного качества покрытия. После отгрузки технологический результат в значительной степени определяется условиями транспортирования, приемки на объекте, распределения и уплотнения смеси. При этом даже при стабильном производстве отклонения по температурному режиму, времени доставки, параметрам работы асфальтоукладчика и катков, а также по состоянию основания способны привести к снижению эксплуатационных характеристик покрытия.

Рисунок 1 – Последовательность операций процесса производства асфальтобетонных смесей

Технологический процесс

• 1.    ПодготовительноПроизводственные операции

• 2.    Транспортные операции смеси

3. Операции формирования из смеси покрытия

Операционный контроль качества

Территориальная система укладки асфальтобетонных смесей

Рисунок 2 – Последовательность операций технологического процесса строительства асфальтобетонного покрытия

В связи с этим рассмотрим модель технологического процесса укладки асфальтобетона, обеспечивающая прослеживаемость ключевых операций и параметров, влияющих на качество готового слоя.

Представленная на рисунке 2 последовательность операций технологического процесса строительства асфальтобетонных смесей отражает технологию как функциональную систему, представляющую собой совокупность рациональных методов подготовки минеральных материалов, битума, поверхностно-активных веществ и пластификаторов, их смешения, хранения и транспортирования асфальтобетонной смеси, а также её укладки и уплотнения до требуемой плотности. Данная система включает материально-технические ресурсы, в том числе контрольно-измерительные приборы и оборудование, а также временные и трудовые ресурсы и регламент их взаимодействия.

Цель технологии строительства асфальтобетонного покрытия заключается в получении покрытия заданного проектом качества при условии обеспечения безопасности жизнедеятельности и минимальной себестоимости работ. Достижение данной цели обеспечивается направленным структурообразованием асфальтобетона в течение последовательных периодов технологического процесса, представленных в схеме.

Подготовительно-производственные операции соответствуют подготовительному периоду и включают входной контроль качества материалов, технологическую подготовку производства, приготовление асфальтобетонной смеси, а также её отгрузку и хранение в накопительном бункере. На данном этапе осуществляются выбор, контроль и подготовка компонентов, обеспечивающие возможность формирования требуемых структурных связей в последующих стадиях.

Транспортные операции смеси, включающие загрузку, перевозку и выгрузку, относятся к основному периоду технологического процесса. В этот период происходит дальнейшее перераспределение структурных элементов смеси под воздействием собственного веса и динамических нагрузок, сопровождающееся процессами старения битума. Сохранение технологических параметров смеси при транспортировании является необходимым условием предотвращения сегрегации и обеспечения качества покрытия.

Операции формирования из смеси покрытия соответствуют завершающему периоду технологического процесса и включают подготовку основания, укладку смеси, её распределение и уплотнение, устранение дефектов, устройство продольных и поперечных технологических швов и формирование покрытия. В процессе уплотнения происходит сближение минеральных зерен, перераспределение битума и формирование микроструктуры асфальтобетона, что определяет прочностные и эксплуатационные характеристики покрытия.

На всех этапах технологического процесса осуществляется операционный контроль качества, а по завершении работ - приёмочный контроль качества асфальтобетонного покрытия, обеспечивающий соответствие полученного результата требованиям проекта и нормативной документации.

РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАРИЯ СИСТЕМЫ МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА НА ПРОИЗВОДСТВЕ ГОРЯЧИХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Практика показывает, что колея, трещины, недостаточная плотность и неоднородность формируются под совместным влиянием режимов производства, состояния оборудования и фактических условий укладки, поэтому контроля только конечного результата недостаточно - требуется оперативное управление на основе данных о процессе.

Основная проблема действующих подходов заключается в разобщенности и неупорядоченности информации: лабораторные испытания, данные дозирования и температур, сведения о калибровках и параметрах уплотнения фиксируются в разных источниках и не синхронизируются по времени и партиям, из-за чего причины отклонений выявляются поздно, а корректирующие меры принимаются постфактум.

В связи с этим актуальна разработка информационного обеспечения оперативного управления качеством производства и укладки ГАБС, объединяющего данные об исходных материалах, параметрах технологических операций АБЗ (дозирование, температурные режимы, смешение, учет влажности), характеристиках оборудования и средств измерений (исправность, износ, калибровки, точность датчиков), а также основанная на параметрах укладки и уплотнения (температурное окно, толщина слоя, режимы катков, фактическая плотность) [9 - 11]. Нормативные требования ГОСТ и ТУ задают целевые критерии, но для оперативного управления должны дополняться технологическими данными и формализованными правилами принятия решений (корректировка режимов АБЗ, допуск партии, изменение технологии уплотнения). Поэтому необходимо структурировать информационные потоки по этапам цепочки, определить состав контролируемых показателей и задать связи «показатель качества покрытия - параметры производства/оборудования/полуфабрикатов» для последующего прогнозирования и выбора управляющих воздействий.

В соответствии с разработанной структурой информационного обеспечения управления качеством процессов производства и укладки ГАБС целесообразно формализовать причинно-следственные связи между показателями качества укладки и эксплуатационными свойствами покрытия, параметрами производства на АБЗ, характеристиками оборудования и состоянием полуфабрикатов. Это обосновывает переход от «контроля результата» к оперативному управлению: отклонения, выявляемые при укладке и в готовом покрытии, рассматриваются как следствие вариативности режимов производства, точности дозирования, теплотехнических условий и устойчивости промежуточных потоков материалов. В рамках информационной модели данные объединяются в единый контур (операции АБЗ, оборудование и средства измерений, полуфабрикаты, укладка и уплотнение), что обеспечивает прослеживаемость по цепочке «сырьё - производство - транспортирование - укладка - уплотнение - покрытие».

Наиболее значимые взаимосвязи относятся к уплотняемости и достижению проектной плотности (коэффициент уплотнения, плотность по кернам, пустотность, водонасыщение, водостойкость). Эти показатели определяются не только режимом уплотнения на объекте, но и параметрами, формируемыми на АБЗ: температурой выпуска и её стабильностью, фактическим содержанием вяжущего, гранулометрией (включая долю мелких и пылевидных частиц), эффективностью перемешивания, корректностью учета влажности и коррекции дозирования. Существенными источниками вариативности выступают точность и калибровка дозаторов, устойчивость режима сушки и нагрева, техническое состояние смесителя и достоверность температурных и весовых измерений; на уровне полуфабрикатов критичны остаточная влажность, температура и стабильность гранулометрический (грансостав) горячих фракций и однородность минеральной смеси. Недогрев и высокая вариативность температуры сокращают «окно уплотнения», что приводит к недоуплотнению и росту водопроницаемости.

Рисунок 3 - Блок-схема информационного обеспечения системы управления качеством производства и укладки асфальтобетонной смеси

Показатели ровности и качества поверхности зависят от однородности смеси по грансоставу и распределению вяжущего, стабильности температуры и ритма выпуска/отгрузки, а также от узлов, способных усиливать расслоение при транспортировании и перегрузках (элеватор, грохот, бункера, транспортёры) и эффективности смесителя. Сегрегация (фракционная и термическая) связывает блоки «полуфабрикаты» и «оборудование» с качеством укладки. Она обусловливается нестабильностью грохочения и распределения по горячим бункерам, колебаниями дозирования, режимами накопления/хранения, а также конструктивными и режимными особенностями горячих бункеров, элеваторов, силоса и выгрузки; на уровне полуфабрикатов важны стабильность горячих фракций и равномерность минеральной смеси до ввода битума.

Показатели колееобразования и сдвигоустойчивости определяются фактическим содержанием битума, соотношением «вяжущее-минеральный порошок», гранулометрией и температурными режимами (риски перегрева и старения), а также точностью дозирования и качеством перемешивания. Трещино-стойкость увязывается со свойствами вяжущего и режимами термического воздействия (нагрев, время пребывания при высокой температуре), настройками сушильного агрегата и достоверностью температурного контроля, а также степенью пересушивания/перегрева фракций. Межслойная адгезия и водопроницаемость зависят от температуры на выпуске и при укладке, соответствия типа/вязкости вяжущего, вариативности битумосодержания и равномерности распределения вяжущего и мелкой фракции.

Каждый показатель качества укладки/покрытия сопоставляется с влияющими параметрами операций АБЗ, конкретными узлами оборудования и средствами измерений как источниками вариативности, а также измеряемыми характеристиками полуфабрикатов, что требует синхронизированного сбора температурных, дозировочных и гранулометрических данных на АБЗ, регистрации состояния и калибровок критических средств измерений и интеграции с данными укладки (температурное окно, параметры уплотнения, фактическая плотность, показатели ровности).

Информационное взаимодействие в рамках нового инструментария осуществляется между заказчиком, формирующим требования и ограничения по показателям качества и типу смеси, производственным контуром асфальтобетонного завода, обеспечивающим регистрацию технологических параметров средствами автоматизированной системы управления, датчиков и производственных журналов, складско-логистическим контуром, фиксирующим сведения о партиях материалов, условиях их хранения и влажности, а также лабораторией, выполняющей входной контроль материалов и контроль проб готовой смеси.

Для каждой партии смеси формируется единый идентификатор, обеспечивающий прослеживаемость и однозначную привязку всех данных к конкретному выпуску; при этом регистрируется полный набор исходной и фактической информации, включающий рецепт асфальтобетона, установленные режимные значения и измеренные параметры технологического процесса, сведения о примененных материалах, результаты лабораторных испытаний, а также статус принятия продук- ции и решения о разрешении либо блокировке отгрузки. Введём вектор показателей качества партии Qi, формируемый по требованиям заказчика и нормативным ограничениям:

4i = ^4iL’4i2’4it-Rim ^4i € ^^m,                                   (1)

где 9ij – контролируемые показатели, такие как температура выпуска, содержание битумного вяжущего, показатели грансостава, однородность, лабораторные показатели и другие.

Управляемые воздействия обозначим латинской буквой u, отражающий уставки дозирования компонентов, расход вяжущего, температурные режимы, а также режимы смешения

«i= [«(Р«*г2<“й-“in, u, e Я" .(2)

Возмущающие воздействия, описывающие изменчивость свойств материалов (влажность, гран-состав, температуру), внешние условия и факторы технического состояния оборудования.

Зависимость выходных показателей качества партии от уставок и возмущений задается в общем виде, при помощи оператора технологического объекта.

Qi = /(“i, w.) + $ ,(4)

где f(⋅) – неизвестная нелинейная функция, идентифицируемая по данным АСУ и лабораторного контроля;

F. – вектор погрешностей измерений и неучтённых факторов.

Оперативное управление реализуется как итеративная корректировка уставок по результатам контроля партии. В качестве базового закона регулирования (с учетом ограничений на уставки) используется

«i+i =ла(«4-ад-?)) ,

где K – матрица коэффициентов корректировки, настраивается по регламенту, либо по данным идентификации;

£ – область допустимых уставок (технологические ограничения);

^ – оператор насыщения/проекции на допустимую область уставок.

На рисунке 4 представлена динамика фактического значения показателя качества 9i (содержание битума, % по массе) по при наличии требований заказчика: целевого значения по утверждённой рецептуре и нормативного допуска. Согласно ГОСТ 9128–2013 абсолютное отклонение содержания битума в смеси от проектного значения не должно превышать ±0,5 % по массе, что задаёт верхнюю и нижнюю границы допуска. Полученная кривая характеризуется переходным участком на начальных партиях, выход процесса из смещенного режима в область целевого значения, что типично при запуске смены переналадки дозаторов. Выходы за пределы допуска обусловлены возмущениями, что согласуется с принятой формулой (4). Для иллюстративной выборки доля партий, попавших в допуск, составила 92,5% (37 из 40); выход за допуск – 3 партии.

На графике (рис. 5) показана температура смеси при отгрузке потребителю по партиям и нормативный диапазон. ГОСТ 9128-2013 устанавливает, что температура горячих смесей при отгрузке должна соответствовать таблице 8 и зависит от показателей применяемого битума; например, при глубине проникания иглы 61–90 (0,1 мм) для горячей смеси указан диапазон 145–155 °C. Наблюдаемая динамика включает устранение систематического недогрева на начальном участке (температуры ниже нижней границы), что отражает корректировку режима нагрева/сушки и настройку уставок и удержание температуры в нормативном диапазоне после стабилизации управления.

Кратковременные нарушения границ связаны с резкими возмущениями: скачками влажности инертных, изменением теплопроизводительности горелки и колебаниями производительности. Для иллюстративной серии доля партий в диапазоне составила 85,7% (30 из 35), вне диапазона – 5 партий. Следует отметить, что ГОСТ также допускает корректировку температурных требований в отдельных случаях. Например, при применении активированных порошков допускается снижение температуры горячих смесей на 10–20 °C. При погодных условиях и для высокоплотных асфальтобетонов допускается повышение температуры на 10–20 °C – эти положения целесообразно учитывать как ограничение/правило в алгоритме принятия решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования разработан и апробирован инструментарий оперативного управления качеством процесса производства горячих асфальтобетонных смесей, основанный на новой математической модели управления технологическими процессами с учетом параметров качества и информационной системы менеджмента качества. В основе нового инструментария системы менеджмента качества АБЗ лежит анализ замкнутого контура «мониторинг – диагностика – корректирующее воздействие» и прослеживаемости «партия – АБЗ – материалы/склад – лаборатория – результат контроля». Интеграция с данными укладки и уплотнения является следующим этапом

Рисунок 4 – Контроль содержания битума по партиям

Рисунок 5 – Температура смеси при отгрузке, качество партии и диапазон по ГОСТ исследования. Требования заказчика формализованы в виде целевых значений показателей качества ч и нормативных границ допустимых отклонений, что позволяет количественно оценивать соответствие каждой партии и реализовывать управление по отклонениям, а не только фиксировать несоответствия. На примере ключевых показателей производственного контроля, регламентированных ГОСТ 9128-2013 (отклонение содержания битума от проектного значения не более ±0,5 % по массе; температура смеси при отгрузке в пределах диапазона, устанавливаемого таблицей 8 в зависимости от применяемого вяжущего), показано, что применение корректирующего закона управления обеспечивает устранение систематического смещения параметров и стабилизацию качества в пределах допуска после переходного участка, характерного для пусковых режимов и переналадок. Выходы за пределы нормативов наблюдаются преимущественно при действии возмущений, связанных с изменчивостью свойств материалов и условий процесса (влажность и гранулометрия инертных, стабильность подачи вяжущего, режимы нагрева и смешения), что подтверждает необходимость включения в метод процедуры оперативной диагностики причин и выбора адресных корректирующих воздействий. Таким образом, предложенный подход обеспечивает повышение устойчивости технологического процесса, снижение доли несоответствующих партий за счёт раннего выявления и компенсации отклонений, а также доказательность управленческих решений благодаря регистрации параметров процесса и результатов лабораторного контроля, что в совокупности повышает надежность обеспечения требуемого качества продукции при производстве асфальтобетонных смесей.