Мониторинг технического состояния сельскохозяйственных машин и качества выполнения технологических операций

На рынке появляется все больше машин, оснащенных телеметрическими системами мониторинга на основе систем ГЛОНАСС, GPS, а также систем, позволяющих передавать сигнал и «общаться» машинам друг с другом. Их использование, внешних и встроенных датчиков позволяет на качественно ином уровне осуществлять мониторинг, дистанционный контроль технического состояния машин и более эффективно планировать и осуществлять техническое обслуживание и ремонт (ТОиР). На этой основе активно формируются предсказательные стратегии технического обслуживания машин (predictive maintenance (PdM)), создающие для предприятий существенные выгоды:

• –    организация и систематизация эксплуатационной и диагностической информации в едином информационном пространстве, ее эффективное использование для повышения надежности и эффективности эксплуатации машин;

• –    снижение зависимости от потребности в высококвалифицированном персонале с уникальными компетенциями, навыками и знаниями в области эксплуатации и ТОиР сложных технических систем за счет использования экспертных систем;

• –    снижение трудоемкости планирования и проведения ТОиР при использовании машин разных поколений и разных марок благодаря предсказанию отказов и более точной оценке прогнозов остаточного ресурса машин и механизмов;

• –    предотвращение использования машин в аварийном и предаварийном состоянии, персонификация ответственности при эксплуатации машин и во время проведения ТОиР;

• –    снижение объема складских запасов запасных частей (и как следствие – суммы оборотных средств предприятия), повышение уровня организации логистики при обеспечении запасными частями и расходными материалами.

Мониторинг технического состояния (ТС) машин – важная часть процесса технического обслуживания и ремонта, позволяющая решать задачи: оперативного контроля текущего состояния; оценки степени деградации деталей и механизмов; прогнозирования остаточного ресурса; поддержки принятия решений и т.д. Мониторинг ТС осуществляется на основе общих подходов, методик и процедур диагностирования, позволяющих оценить состояние функционирования машин и механизмов и интерпретировать результаты измерений.

В настоящее время можно выделить проблемы при проектировании, внедрении и эксплуатации систем мониторинга ТС:

• –    недостаточные количество и качество получаемой информации при диагностировании для достоверной оценки надежности функционирования машин и механизмов;

• –    низкий уровень информативности получаемых в процессе диагностики оценок с преобладанием качественным характеристик дефектов над количественными;

• –    производители машин и оборудования, как правило, не разрабатывают системы диагностирования и диагностические устройства, что сдерживает процесс расширения внедрения систем мониторинга технического состояния;

• –    сторонние разработчики диагностических систем и устройств сосредоточены на создании и продвижении оборудования и услуг для наиболее дорогостоящих

  Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 2(50) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS и ответственных узлов (двигатель, коробка передач и т.д.) либо на системах, обеспечивающих контроль дисциплины использования машин и выполнения операций;

• –    данные, получаемые со встроенных производителями датчиков, остаются невостребованными, а системы сбора и анализа слабо развитыми, это приводит к неэффективному использованию машин, оснащенных уникальным оборудованием.

Отсутствуют готовые полноценные системы мониторинга ТС и решения как для автоматизированной, так и для автоматической системы контроля технического состояния сельскохозяйственных машин и механизмов. Цель исследования – изучение нормативных требований и научных подходов к определению содержания мониторинга технического состояния, а также оценка возможности повышения качества и количества диагностической информации за счет внешних средств технического диагностирования.

Материалы и методы

Сельскохозяйственная техника – класс специализированных машин, технического оборудования и агрегатов, предназначенных для механизации и автоматизации различных технологических процессов в сельском хозяйстве. Эти машины одни из самых дорогих активов предприятий и основа для осуществления технологических процессов. Это обусловливает необходимость обеспечения надежности техники, ее качественной эксплуатации, в том числе ТОиР.

В соответствии с ГОСТ 27.002–89 надежность определяется как «одно из свойств качества продукции или свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования». Переход к новым формам ТОиР сельскохозяйственных машин, основанных на обеспечении непрерывного контроля уровня надежности, подразумевает сбор, обработку и анализ данных о надежности и эффективности эксплуатации. Основаны эти процессы на технической диагностике, являющейся важнейшим элементом системы ТОиР.

Техническую диагностику в соответствии с ГОСТ 20911–89 определяют как «область знаний, охватывающую теорию, методы и средства определения технического состояния объектов», а техническое состояние объекта – как «состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленных технической документацией на объект».

Вопросам технической диагностики в АПК посвящено много трудов отечественных и зарубежных ученых. Исследованиями в этой области занимались ученые ГОС-НИТИ, вузов, НИИ, частных компаний. Значительный вклад в разработку методов и средств контроля и диагностирования машин внесли ведущие отечественные ученые Н.С. Ждановский, В.А. Аллилуев, И.П. Добролюбов, В.М. Лившиц, Б.В. Павлов, И.П. Терских, Б.А. Улитовский и др. Появляются отдельные работы по вопросам использования автоматизированных и автоматических систем технической диагностики в системе ТОиР [1–4] и работы, посвященные построению предсказательных моделей, выработке новых подходов для оптимизации ТОиР сельскохозяйственных машин [5; 6].

Однако остаются слабоизученными методологические вопросы разработки, внедрения и эксплуатации систем мониторинга ТС, не предложены для сельскохозяйственных предприятий комплексные подходы к организации систем мониторинга и развитию диагностической сети. В действующих государственных стандартах в отношении сельскохозяйственных машин не сформулированы в достаточной степени требования к системам мониторинга ТС для обеспечения эффективного взаимодействия произ-

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 2(50) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS водителей техники, сервисных компаний и эксплуатирующих организаций. В связи с этим содержание понятия мониторинга ТС сельскохозяйственных машин представлено на основании анализа государственных стандартов, применяемых в разных отраслях и сферах деятельности.

Вопросы мониторинга состояния машин, контроля технического состояния, технической диагностики регулируются государственными и международными стандартами, которые использовались при написании настоящей статьи. В общем виде под мониторингом понимают непрерывный процесс наблюдения за техническим состоянием машин (мониторинг состояния) или отдельным техническим параметром (мониторинг параметра). Мониторинг параметров позволяет получить совокупность измеренных значений параметров в непрерывном интервале времени. Мониторинг состояния машин представляет совокупность диагнозов контролируемых параметров и процесс определения момента наступления негативных событий. То есть, в отличие от мониторинга параметров, предусмотрено наличие некой интеллектуальной системы для обработки данных и построения предсказательных моделей [7]. В ГОСТ Р ИСО 13372–2013 мониторинг технического состояния представлен как «процесс, обеспечивающий возможность определения текущей эксплуатационной готовности машин и узлов без необходимости их демонтажа или обследования».

Стандарт ГОСТ Р 53564–2009 устанавливает классификацию и общие технические требования к комплексным системам мониторинга, предназначенным для определения технического состояния и построения прогноза ресурса оборудования опасных производств, содержит определение понятия системы мониторинга – важного в рамках данного исследования. «Система мониторинга: совокупность процедур, процессов и ресурсов, реализованных с использованием диагностической сети, позволяющая по результатам измерений заданных параметров в заданных точках и наблюдений за работой оборудования получить информацию о текущем техническом состоянии оборудования, об опасностях и рисках, связанных с его применением, требуемых действиях обслуживающего персонала и другие сведения, необходимые для реализации установленных предупреждающих мер».

Таким образом, обобщая изученные материалы, можно представить мониторинг технического состояния сельскохозяйственных машин как непрерывный процесс наблюдения за состоянием машин и механизмов, реализованный с использованием диагностической сети и направленный на получение информации о текущем техническом состоянии, предсказании изменений, интерпретации результатов для принятия решений. Система мониторинга ТС должна удовлетворять требованиям: 1) диагностическая сеть должна отвечать задачам мониторинга; 2) должна быть реализована система накопления данных и их обработки; 3) точность датчиков и средств измерений должна быть достаточной для оценки диагностических признаков; 4) система интерпретации результатов должна содержать математические модели для прогнозирования деградации машин и механизмов, а также экспертную систему для поддержки принятия решений персоналом.

Результаты исследования

Требования к системе мониторинга технического состояния сельскохозяйственных машин. На основании проведенных исследований и понятий стандартов мониторинга технического состояния можно сформулировать основой набор компонентов системы мониторинга технического состояния для ТОиР самоходных сельскохозяйст-

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 2(50)

PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS венных машин. Базой для системы мониторинга будут диагностическая сеть и иные инструменты безразборного контроля технического состояния сельскохозяйственных машин. Диагностические данные и иные сведения о состоянии, полученные в электронном виде (либо оцифрованные), должны собираться, храниться и быть доступными для обработки, для чего необходимы ИТ-инфраструктура и соответствующие программные решения. Для интерпретации результатов и обеспечения эффективных действий персонала при реализации системы мониторинга технического состояния должны быть созданы специализированные экспертные системы, содержащие базы знаний с информацией обо всех этапах жизненного цикла машин [8]. Сложные экспертные системы для продвинутых систем мониторинга должны содержать предиктивные и прескриптивные модели, позволяющие реализовать предсказательную стратегию ТОиР.

По анализу научных исследований, направленных на разработку подходов к созданию систем мониторинга, следует, что они должны содержать следующие элементы (табл. 1) [7–10].

Таблица 1

Элементы системы мониторинга технического состояния сельскохозяйственных машин

Элемент	Назначение
Датчик	Преобразование контролируемой величины в унифицированный сигнал для его измерения, передачи, преобразования, хранения в целях последующей обработки и интерпретации
Преобразователи (согласование сигналов)	Преобразование измеренных значений одного вида в другой (аналоговый и/или цифровой)
Сетевая инфраструктура	Посредством физических и логических компонентов обеспечивает передачу данных
Системы сбора данных	Комплекс средств, выполняющий автоматизированный сбор информации с аналоговых и/или цифровых источников сигнала, а также осуществляя-ющий первичную обработку, накопление и передачу данных
Программное обеспечение и интерфейсы	Совокупность программ, используемых для обработки сигнала, накопления и передачи информации, создания баз данных и баз знаний, построения предсказательных моделей, интерпретации результата, администрирования и управления в системе мониторинга
Платформа	Совокупность основных программных и технических компонентов системы мониторинга, содержащей типовые конструктивные и технологические решения

Отметим, что в отдельных отраслях экономики (аэрокосмическая индустрия, авиация, атомная энергетика и т.д.) накоплен достаточно большой опыт построения систем мониторинга ТС объектов контроля. Анализ показывает, что логика построения систем мониторинга схожа и содержит схожие элементы. Чем более технологичная и масштабная система мониторинга, тем у нее более сложная диагностическая сеть (большое количество и разнообразие датчиков), тем сложнее цифровая архитектура – системы сбора, хранения и обработки информации; инфраструктура передачи данных; системы оцифровки; системы обработки и интерпретации.

Основные компоненты в системе мониторинга современных сельскохозяйственных машин, как правило: датчики (по ГОСТ 20911–89 могут относиться как к встроенным компонентам технического диагностирования, так и к внешним), в том числе портативные микропроцессорные диагностические средства; преобразователи сигнала из аналогового в цифровой (микропроцессор также может быть установлен на датчике); бортовой контроллер (промежуточное устройство сбора, обработки и хранения данных)

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 2(50) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS с единым программным обеспечением в рамках диагностической сети; проводные и беспроводные внутренние сети передачи сигнала и данных; проводные и беспроводные внешние сети передачи данных и обмена данными, протоколы CAN/CANopen, Ethernet, GSM/GPRS, LONworks, Wi-Fi и т.д.); внешние устройства сбора данных (промежуточные и корневые серверы сбора и обработки данных); широкий класс различного программного обеспечения для обработки и интерпретации данных; интерфейсы как способ и средства, позволяющие взаимодействовать наблюдателю с программным обеспечением, или программ между собой или аппаратной частью.

Обзор диагностических компонентов для контроля технического состояния машин и механизмов, а также технологических операций сельскохозяйственных машин. Диагностическая сеть является основой для построения систем мониторинга ТС. Современные сельскохозяйственные машины как отечественного, так и зарубежного производства уже с завода оснащены встроенными диагностическими системами. Например, штатная автоматическая система контроля зерноуборочного комбайна РСМ-101 «Вектор 410» в базе имеет порядка 50 датчиков контроля и диагностирования технических параметров. Для удаленного контроля разработана система «Агротроник» (Agrotronic), обеспечивающая дистанционный мониторинг и контроль операций агромашин на уровне сельскохозяйственных предприятий.

Существуют возможности для дополнительного оснащения сельскохозяйственной техники датчиками, контролерами, системами передачи данных и т.д. Россия – один из мировых лидеров по внедрению транспортной телематики [11]. Среди российских компаний, предоставляющих услуги транспортной телематики и спутниковой навигации, выделяют: «М2М телематика» , МАПРОКС , «Единая национальная диспетчерская система» , ITOB и др. Федеральным сетевым оператором является некоммерческое партнерство «Содействие развитию и использованию навигационных технологий» (НП ГЛОНАСС).

Предлагаемые на рынке решения не в полной мере отвечают требованиям мониторинга технико-технологических параметров и управления техническим состоянием сельскохозяйственных машин. В базовом варианте эти системы осуществляют мониторинг передвижения транспорта, контроль работы водителей (в продвинутых версиях – скоринг), слежение за расходом ГСМ. Это позволяет в итоге обеспечить контроль дисциплины вождения, сохранности транспортного средства, снижение аварийности и т.д.

Повысить значение для ТОиР этих систем возможно путем дополнительного оснащения датчиками и объединения их в единую систему телематики через штатную бортовую систему или через автономный блок, особенно актуально это для машин с низкой контролепригодностью.

Современные автономные бортовые блоки (рисунок) позволяют подключаться к более чем 100 независимым каналам от устройств внешнего контроля и получать такие данные, как давление и температура жидкостей, частота вращения подвижных элементов, аварийный режим работы и т.д. Ниже (табл. 2) представлены некоторые внешние датчики, доступные для установки на самоходные сельскохозяйственные машины, вне зависимости от года выпуска.

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 2(50)

PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

Бортовой контроллер БК 11-02 А/АГ (80 каналов связи; 2 сим-карты)

Внешние устройства для подключения к бортовому блоку

Таблица 2

№ п/п	Наименование устройства	Производитель	Внешний вид
1	Датчик работы механизмов Автосат ДРМ15 (контроль положения и перемещения механических узлов и передача данных в бортовой терминал системы мониторинга)	Группа компаний «Автосат», Россия
2	Емкостный датчик уровня топлива Autosat ДУТ 12	Группа компаний «Автосат», Россия
3	Бортовая информационно-управляющая система (контроль и управление технологическими режимами узлов и агрегатов зерноуборочных комбайнов)	ОАО «Интеграл», Республика Беларусь
4	Бортовой компьютер (контроль и оптимизация процесса работы зерноуборочного комбайна – комбайнирование, транспортный режим, состояние датчиков и т.д.)	ОАО «Интеграл», Республика Беларусь	Tfv^B
5	Система картирования урожайности зерноуборочных комбайнов с функцией дистанционного мониторинга	ОАО «Интеграл», Республика Беларусь
6	Датчик вибрации АВС 117 (для измерения вибрационных и ударных ускорений)	АО «НПО ИТ», Россия	^^*=—

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 2(50) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

Кроме представленных в таблице внешних устройств, на рынке предлагаются датчики для контроля дополнительного специального оборудования, расходомеры, цифровые датчики измерения температуры узлов, датчики засорения фильтров, акселерометры, блоки контроля моточасов, кондуктометрические датчики, реле давления и температуры и т.д.

Реализация этих возможностей требует выработки подходов к формированию диагностической сети и других элементов системы мониторинга технического состояния и технологических операций сельскохозяйственных машин. В статье представлен краткий обзор диагностических компонентов, доступных на рынке, как пример возможных решений для создания диагностической сети машин. Однако необходимо отметить, что остаются нерешенными вопросы при устройстве такой сети в отношении инфраструктуры передачи, хранения и обработки данных, разработки программного обеспечения и интерфейсов, создания единых отраслевых платформ и экспертных систем.

Выводы

Современный уровень научно-технического прогресса, развитие концепции интернета вещей и внедрение IoT устройств в современную сельскохозяйственную технику открывают новые возможности для развития системы технического сервиса. Все большее количество машин, узлов и агрегатов оснащается системами и датчиками удаленного контроля технологических процессов, которые, в свою очередь, генерируют большое количество структурированных и неструктурированных данных.

Надежность является функцией многих факторов, большинство из которых случайны. Отсюда ясно, что для оценки надежности объекта и выстраивания системы его технического обслуживания необходимо большое количество критериев и данных. Создание и внедрение систем мониторинга технического состояния благодаря использованию больших данных позволяет повысить уровень надежности машин и внедрить новые технологии ТОиР.

Современные цифровые устройства открывают дополнительные возможности для непрерывного удаленного контроля за техническим состоянием машин, оперативного реагирования с целью предотвращения или устранения неисправностей. Использование дистанционных и стационарных систем мониторинга и других инструментов ТОиР позволяет получить обширный набор данных для прогнозирования и предсказания неисправностей.

Изучение научных исследований, касающихся методов и средств контроля и диагностирования машин, государственных стандартов, позволяет сформулировать понятие мониторинга технического состояния сельскохозяйственных машин как непрерывного процесса наблюдения за состоянием машин и механизмов, реализованного с использованием диагностической сети и направленного на получение информации о текущем техническом состоянии, предсказании изменений, интерпретации результатов для принятия решений.

Несмотря на то, что в России развит рынок транспортной телематики, представлен достаточно широкий набор диагностических устройств, на современных машинах реализованы встроенные системы непрерывного диагностирования, развитие систем мониторинга ТС сдерживается: остаются нерешенными вопросы создания инфраструктуры передачи, хранения и обработки данных, разработки программного обеспечения и интерфейсов, создания единых отраслевых платформ и экспертных систем.

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 2(50)

PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS