Энергетический мониторинг машинно-тракторного парка сельхозпредприятия на основе информационной модели

Одним из важных показателей уровня развития сельскохозяйственного производства является энергообеспеченность его посевных площадей (суммарная мощность двигателей комбайнов, тракторов и другой техники в кВт на 1 га). Несмотря на недостаточный уровень этого показателя в России для своевременного и качественного выполнения сельскохозяйственных наблюдается тенденция к снижению значения этого показателя на протяжении последних 20 лет. Ежегодно парк тракторов сокращается в среднем на 7 %, парк зерноуборочных комбайнов – на 8 %,прогнозируется дальнейшее ежегодное сокращение парка на 10–12 %, что предопределяет и снижение энергообеспеченности сельскохозяйственных полевых работ. Так, например, в Новосибирской области отмечается уменьшение суммарной мощности двигателей тракторов, комбайнов и самоходных машин – что привело в среднем за пять последних лет к снижению энергомощностей на 20,6 % [1]. Энергообеспеченность полеводства составляет 1,7 л.с./га посевной площади против 3,0–3.5 л.с./га по нормативам [2].

Наряду с сокращением парка техники существенное значение в энергообеспеченности имеет и неизбежная потеря (снижение) мощности мобильной сельскохозяйственной техники при выполнении полевых сельскохозяйственных работ. 124

Это происходит вследствие ухудшения технического состояния двигателя внутреннего сгорания (ДВС), основного энергетического средства МТП сельхозпредприятия, из-за износа деталей, нарушения регулировок и настроек механизмов и систем. Отсутствие контроля параметров технического состояния ДВС МТП (мощности, расхода топлива – без специальных средств) при выполнении сельскохозяйственных работ приводит к использованию тракторов при завышенных расходах топлива на 10–15 % из-за потери тяговых свойств. В тоже время результаты исследований показывают, что при обеспечении непрерывного определения фактического состояния МТП возможно выявить скрытые резервы по мощности в пределах 6 – 15,6 %, по расходу топлива – 12–18,7 % [3,4].

Имеющиеся же методы планирования технического обслуживания техники основаны, как правило, на том, что в эксплуатационных условиях накапливаются данные по каждой единице техники (наработка, расход топлива, измеряются параметры N е , М е , G т , g e , n) с периодичностью неделя, месяц и год. Это не позволяет оперативно принимать управляющие воздействия непосредственно во время выполнения полевых работ.

Например, известный упрощённый способ составления годового плана технических обслуживаний и ремонтов основан на так называемой типичной интегральной кривой расхода топлива тракторами каждой марки, для построения которой необходимо знать данные по расходу топлива в хозяйстве тракторами в течение последних трёх лет [5]. Имеющийся инструментальный метод энергетической оценки сельхозмашин по ГОСТ 52777 предусматривает применение расходомеров топлива и использование регуляторных характеристик ДВС, для определения которых рекомендуются, как правило, стендовые испытания двигателей, что практически исключает использование этого метода в эксплуатационных условиях.

В этой связи несомненна актуальность разработки новых диагностических средств контроля энергетических показателей, для чего перспективно применение динамического метода диагностики тракторных двигателей. Этот метод заключается в тестовом циклическом воздействии (динамический тест) на двигатель – подачей топлива от минимального уровня до максимального уровня. При этом коленчатый вал ускоряется и замедляется между установившимися режимами. Измеряя процесс изменения угловой скорости и ускорения коленчатого вала можно построить скоростную динамическую характеристику, аналогично получаемой при стендовых испытаниях, по параметрам которой определяются динамические свойства и мощность ДВС.

Применение этого метода позволяет оперативно определять энергетические параметры двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Следует отметить, что среди целого ряда направлений цифровизации и интеллектуализации сельского хозяйства важное место занимает развитие технологий именно мониторинга сельскохозяйственной техники. Это обусловлено усложнением сельскохозяйственных машин и условий их использования, повышением требований к качеству выполнения технологического процесса техники и вызывает необходимость применения новых подходов и концепций [6].

В связи с большими объемами информации, получаемыми с ДВС при этом методе и подлежащими углубленной аналитической обработке для расчета, очевидна необходимость автоматизации процесса контроля энергетических параметров МТП и управления состоянием техники. Это требует привлечения быстродействующих технических средств, передовых технологий передачи и обработки данных, компьютерного моделирования технологических процессов, автоматизации разработки измерительных экспертных систем контроля и управлением состоянием техники и, тем не менее, становится реальностью в связи с существенным развитием цифровой техники, информационных технологий, в том числе и в инженерно-технической сфере АПК [7–13]. Учитывая особенности разработки средств мониторинга энергетических параметров ДВС, обусловленные сложностью структуры и влиянием множества факторов, а также необходимостью комплексного решения задачи в приемлемые сроки целесообразно формирование информационной модели.

Цель исследования – разработка информационной модели автоматизации энергетического мониторинга техники с применением динамической модели ДВС и современных информационных технологий сбора и обработки данных.

Материалы и методы исследования

В ходе исследований обосновано применение метода информационного моделирования как наиболее адаптивного инструмента анализа для целостного и формализованного описания функционирования средств энергетического мониторинга ДВС. В результате требуется сформировать информационную модель, отражающую основные аспекты получения, обработки, хранения и применения диагностической информации.

Информационная модель становится современным инструментом решения различных задач с помощью информационных технологий и звеном, связывающим любую предметную область с информатикой. Такой подход предполагает применение процедур исследования к формализованной информации об объекте изучения, замещающей или воспроизводящей объект. Учитывая тесную связь информатики и моделирования целесообразно информационные технологии использовать как современные средства моделирования. При этом информационная модель понимается как информация, которая описывает существенные свойства объекта и его связи, формализована с точки зрения цели исследования и зафиксирована на информационном носителе [14]. Для мониторинга энергетических параметров ДВС целесообразно применение образно-знаковой модели в виде схемы, позволяющей наиболее полно отобразить все аспекты рассматриваемого технологического процесса, а для моделей расчета параметров следует применять знаковую форму представления информации, как правило, математическую.

Результаты и обсуждение

Автоматизации энергетического мониторинга ДВС предполагает инструментальный контроль энергетических параметров, для чего используются сигналы физических процессов, характеризующие работу двигателя. Для получения диагностических сигналов применяются штатные и (или) специально установленные датчики (например, датчик углового положения коленчатого вала), а при наличии электронной системы управления ДВС используются сигналы, определяемые стандартным протоколом средств коммуникаций. После измерения и предварительной обработки сигналов, поступающих с датчиков, выполняется целенаправленная обработка информации для вычисления характеристик и параметров ДВС, нахождения диагностических признаков оценки состояние ДВС с применением методов анализа сигналов [15].

В качестве математической модели для расчета параметров привлечена компьютерная математическая модель динамики ДВС, разработанная с учетом многолетнего опыта разработчиков [16]. Она предназначена для диагностирования 126

тракторных двигателей в условиях эксплуатации с применением тестовых переходных режимов работы ДВС на основе вычисления углового ускорения коленчатого вала г.

В стационарном режиме за счет неравномерности вращения коленчатого вала и в режиме свободного разгона (при моменте нагрузки M _наг= 0) угловое ускорение коленчатого вала определяется зависимостью:

^£ = Т Д (^М - ^Ю 2 "ё Д - ^М вп - ^М наг ) = Тд ^{(М + М} - ^М™ - ^М вп - ^М наг ^

где J д =J д ( ф ) - приведённый момент инерции ДВС и нагрузочных масс; to - угловая скорость коленчатого вала;

ф - угол поворота коленчатого вала;

M i =M( to , ф , ф )=M i ^к + M i ^г- индикаторный момент двигателя ( ф - положение органа топливоподачи);

Mt = £k=i Мщк) и М? = 2^=1 Mi1(k) - компрессионная и газовая составляющие индикаторного момента; Mi 1к и Mi 1г компрессионная и газовая составляющие одного цилиндра;

i - число цилиндров;

Мин = Мин (ш, ф) = мрг (ф - Zm) + М”' = о2 ёф инерционная составляющая

крутящего момента,

М вп =М вп ( to , ф ) - момент внутренних потерь (преимущественно трения).

Разработанная модель учитывает нелинейность и нестационарность отдельных звеньев, влияние изменения множества важнейших параметров отдельных агрегатов и систем и проявление существенных нелинейностей и других отклонений на выходные процессы двигателя в функции времени, углового перемещения, скоростного и нагрузочного режимов. При этом рассчитываются временные, частотные и статистические характеристики процессов, их частные и интегральные показатели. Она применима как при стендовых исследовательских испытаниях, так и в эксплуатационных условиях.

Схема информационной модели мониторинга энергетических параметров ДВС приведена на рисунке 1. В состав модели входят блоки получения диагностических сигналов, первичной обработки, расчета параметров и оценки отклонений от нормальных значений, а также базы данных (паспортных, текущего состояния, результатов мониторинга) МТП сельхозпредприятия.

Получение диагностических данных МТП сельхозпредприятия n           ДВС i              ДВС

1              ДВС

Обработка и расчет параметров ДВС

Датчики физических процессов

Расчет

Электронный блок управления

Первичная обработка

параметров (мощности,

расхода топлива)

Сбор и хранение параметров ДВС МТП сельхозапредприятия

Рисунок 1 - Схема информационной модели мониторинга

Рисунок 2 - Схема алгоритма энергетического мониторинга МТП

При построении модели предусмотрено выполнение следующих методических приемов: измерение частоты вращения коленчатого вала при тестовых динамических воздействиях на ДВС; синхронизация измерений с контролем и обеспечением в цикле испытаний необходимого числа полноценных тестовых воздействий; построение по данным измерений скоростной и регуляторной динамических характеристик ДВС и расчет комплекса параметров по скоростной характеристике. На рисунке 2 приведена схема алгоритма автоматизации мониторинга энергетических показателей машиннотракторного парка, реализующего основные аспекты информационной модели энергетического мониторинга МТП сельхозпредприятия.

Информационная модель предусматривает и информационное сопровождение технологического процесса оценки мощности ДВС: обеспечивается ввод и корректировка исходных данных по машинно-тракторному парку сельхозпредприятия (база данных исходных параметров МТП); контролируется измерение, регистрация данных физических процессов ДВС и их обработка (расчет энергетических параметров) с применением тестового режима работы ДВС и проверяется сравнение их с паспортными данными по каждой единице техники и по всему машинно-тракторному парку.

База данных исходных параметров МТП включает набор основных параметров для каждой марки техники - эффективная мощность двигателя, крутящий момент на валу двигателя; часовой расход топлива, удельный расход топлива; частота вращения коленчатого вала. Заносятся также необходимые идентификационные данные по каждой единице техники МТП сельхозпредприятия (наработке трактора с агрегатами по операциям), срокам и видам технического обслуживания, датам ввода в эксплуатацию и др-)-

В случае отклонения параметров от установленных норм даются рекомендация для дальнейшего технического обслуживания или ремонта. Текущие данные мониторинга энергетических показателей парка машин заносятся в специальную базу результатов мониторинга для анализа и принятия оперативных и других управляющих решений по надежной энергообеспеченности полевых работ сельхозпредприятия.

Выводы

На основе предложенной информационной модели энергетического мониторинга МТП сельхозпредприятия разработано диагностическое устройство «МОТОР-ТЕСТЕР СибФТИ», с применением которого создана автоматизированная цифровая технология энергетического мониторинга тракторного парка сельхозпредприятия [16]. Экспериментальная проверка технологии в производственных условиях подтвердила возможность энергетического мониторинга машинно-тракторного парка во время полевых работ. Анализ полученных данных позволяет принять оперативные ремонтнорегулировочные управляющие воздействия, повысить энергообеспеченность полевых работ, предотвратить перерасход топлива и увеличение затрат, повысить тем самым эффективность производства сельхозпродукции.