CC BY
7УДК 62-529.004.5-047.36+62-529.004.5:005
К ВОПРОСУ О МОНИТОРИНГЕ И УПРАВЛЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
М.М. Ревякин, А.А. Жосан, С.И. Головин
ФГБОУ ВО Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина
Аннотация. Современное мобильное энергетическое средство, эксплуатирующееся в агропромышленном комплексе, является сложным техническим объектом со множеством параметров, характеризующих его техническое состояние в режиме реального времени. Выявление комплекса диагностических информаторов, которые наиболее полно способствуют объективной оценке состояния машин в процессе жизненного цикла, является базовой задачей в дальнейшей реализации бортовых систем контроля и управления. Учитывая многопараметричность условного автотракторного двигателя как объекта для контроля технического состояния с определенной точностью в процессе непосредственной эксплуатации, необходимо использование разнообразного спектра алгоритмов управления, реализуемых в соответствующих программируемых блоках без учета применяемой системы технического обслуживания и ремонта машин. Выделены основные аспекты структурного построения алгоритмов для функционирования систем управления с учетом требований простоты и компактности при фактической реализации диагностического информационного поля, позволяющие оптимизировать программную реализацию, а также минимизировать временной интервал формирования управляющих сигналов и одновременно повысить качество регулирования самого процесса. Представлена обобщенная блок-схема распределенных алгоритмов управления параметров двигателей, предусматривающая аспект расширения базовых алгоритмов дополнительными блоками при изменении функциональности системы автоматического регулирования, а также рассмотрена вариативность требований в зависимости от режимов его работы. Рассмотрены частные задачи мониторинга и управления двигателем внутреннего сгорания в процессе эксплуатации с учетом отдельных критериев оптимальности.
Ключевые слова: мобильное энергетическое средство, двигатель, мониторинг, управление, техническое состояние, алгоритм, блок-схема, диагностические информаторы
Введение. Современный уровень развития техники и технологий, требования предъявляемые к экологическим показателям, а также необходимость улучшения технико-экономических показателей диктуют необходимость совершенствования и внедрения электронных систем мониторинга и управления техническим состоянием мобильных энергетических средств [4], эксплуатирующихся не только в сфере агропромышленного комплекса, но и других отраслях. Получение необходимого объема диагностической информации о техническом состоянии отдельных агрегатов и систем или объекте в целом невозможно без предварительного поиска и актуализации перечня достоверных информаторов, наиболее полно формирующих общую картину текущего уровня исправности и работоспособности машины [1, 2]. Для автотракторных двигателей данная проблема также актуальна, учитывая, что предварительным аспектом разработки оптимальных мониторинговых систем является выявление ряда закономерностей показателей характеризующих его работу.
Основная часть. Многомерность (многопараметричность) двигателя и многочисленность задач при диагностировании (контроле технического состояния) в режиме реального времени и его регулирования требуют применения широкого набора разнообразных алгоритмов управления в соответствующих программируемых блоках, независимо от применяемой системы технического обслуживания и ремонта [8]. Очевидно, что в зависимости от функционального назначения, требования к алгоритмам меняются, поэтому можно говорить о необходимости целого их набора для создания полной системы управления. Алгоритмы управления могут быть представлены как в виде функциональных или структурных схем, так и в виде блок-схем программ санкционирования микропроцессоров [3, 5].
Каждой из частных систем управления при ее создании целесообразно назначение исходной версии своего алгоритма управления, которая в большинстве случаев остается неизменной на весь период эксплуатации технического структурного элемента, но она может быть улучшена в процессе функционирования системы [7].
Методика структурного построения алгоритмов должна быть сравнительно проста, компактна в фактической реализации диагностического информационного поля и позволять:
- выполнять четкую алгоритмизацию законов регулирования и ограничений по предельно допустимым значениям параметров;
-обеспечивать достижение конечного результата при минимальном количестве датчиков первичной информации, времени реализации, требуемой памяти, разрядности и т.д.;
-обеспечивать устойчивое функционирование алгоритмов при наличии сбоев и отказов отдельных структурных элементов системы, а также ошибок по входной информации;
-учитывать особенности программной и аппаратной реализации задач регулирования;
-обеспечивать контроль и правильность функционирования заданного алгоритма.
В частности, рационально составленные алгоритмы автоматического регулирования частоты вращения позволят существенно упростить их программную реализацию, что обеспечит минимизацию временного отрезка в формировании управляющего сигнала и позволит повысить качество регулирования самого процесса.
На рисунке 1 представлена обобщенная блок-схема управления автотракторными дизельными двигателями, которая включает в себя блок данных исходной информации (БД), блок регулирования (БР), блок управления (БУ), блоки ограничения параметров (Бо 1...п) и блок оптимизации (БО)
БО
БД
X
БР
□Е
БЧ
Бп(1!
БокI
Рисунок 1 - Обобщенная блок-схема распределенных алгоритмов управления параметров
Расширение функций системы автоматического регулирования производится последовательным дополнением базового алгоритма соответствующими алгоритмическими блоками. Так, например, наряду с регулированием частоты вращения (блок БР), можно обеспечить регулирование нагрузки (БУ), определить режим работы управляющих механизмов по предельно допустимым значениям параметров работы двигателя (соответственно Бо 1, Бо 2 и Бо п), оптимизировать протекание рабочего процесса за счет реализации алгоритмов формирования оптимальных статических характеристик (блок БО). Таким образом, программное обеспечение регулирования частоты вращения вала дизеля может включать ряд алгоритмов в зависимости от конкретного режима его функционирования.
Для тракторного двигателя характерна работа при изменении в
широком диапазоне нагрузочного и теплового режимов работы [1, 6]. При этом возникает ряд дополнительных требований, что и вызывает необходимость специального управления работой двигателя на этих режимах.
Предъявляемые к двигателю требования могут варьироваться в зависимости от режима его работы (максимальная эффективная мощность, частичные нагрузки, холостой ход, пуск и др.). Так, например, на режимах полных нагрузок - получение возможной топливной экономичности, обеспечение экологических показателей и надежной работы двигателя; на режимах частичных нагрузок -получение максимально возможной топливной экономичности и требуемого протекания характеристики крутящего момента, низкие выбросы токсичных веществ; на режиме холостого хода - устойчивая работа при минимальной частоте вращения вала двигателя.
Конкретными частными задачами мониторинга и управления двигателем в эксплуатации может быть оптимизация установившихся режимов, для каждого из которых необходимо использование различных вариантов критериев оптимальности в зависимости от выбранной конструкции двигателя с последующей перспективой программно-аппаратной реализации алгоритмов. Однако даже при решении задач оптимизации управления двигателем только в эксплуатации и с ограниченным перечнем управляющих воздействий зачастую трудно выбрать единый обобщенный критерий оптимальности управления.
В наиболее общем случае в качестве критерия оптимальности, используется расход топлива при ограничениях на управляющие воздействия по технико-экономическим показателям, и токсичность отработавших газов двигателей по экологическим показателям. Учитывая, что данные показатели носят противоречивый характер, получить необходимое соотношение топливной экономичности и экологичности возможно путем реализации комплексного решения применения систем автоматического регулирования и мониторинга технического состояния, позволяющих управлять основными рабочими процессами отдельных агрегатов, а также объекта в целом.
Выводы. Таким образом, в настоящее время, наиболее оптимальными решениями в области развития и совершенствования мониторинга технического состояния мобильных энергетических средств, включая аппаратно-программные структуры управления, является предварительная аналитическая идентификация диагностических информаторов и параметров, способствующих формированию исходных данных с последующей их обработкой в режиме реального времени, а также разработка моделей функционирования распределенных бортовых систем с базовым
комплексом частных алгоритмов, обеспечивающих ее непрерывную и надежную работу.
Список использованных источников:
1. Головин С.И. Прогнозирование остаточного ресурса дизелей / Н.М. Деревягин // В сборнике: Сборник докладов молодых ученых факультета агротехники и энергообеспечения Орел, 2007. С. 111-114.
2. Жосан А.А. К вопросу развития средств диагностирования / А.А. Жосан, С.Н. Куликов, М.М. Ревякин // Труды ГОСНИТИ. -Москва, 2009. Т. 103. № 1. С. 47-48.
3. Калашников В.И. Информационно-измерительная техника и технологии / В.И. Калашников, С.В. Нефедов, А.Б. Путилин - М.: Высшая школа, 2002. - 520 с.
4. Куликов С.А. Повышение эксплуатационных характеристик надежности МТА при помощи систем телематического контроля / С.А. Куликов, М.М. Ревякин // В сборнике: Инновационные технологии механизации, автоматизации и технического обслуживания в АПК Материалы Международной научно-практической интернет-конференции. - Орел, 2008. С. 90-93.
5. Мороз С.М. Методы обеспечения работоспособности технического состояния автотранспортных средств: учебник / С.М. Мороз. - М.: МАДИ, 2015. - 204 с.
6. Охотников Б.Л. Эксплуатация двигателей внутреннего сгорания [Электронный ресурс]: учебное пособие / Б.Л. Охотников. -Электрон. текстовые данные. - Екатеринбург: Уральский федеральный университет, 2014. - 139 с.
7. Ревякин М.М. Современный подход и реалии диагностирования / М.М. Ревякин, А.А. Жосан // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2008. Т. 2008. С. 193.
8. Фомичёв Е.В. Диагностирование как способ получения информации о техническом состоянии сельскохозяйственных машин и повышения их надежности / Е.В. Фомичёв, М.М. Ревякин // Агротехника и энергообеспечение. - Орел, 2014. № 1 (1). С. 356-361.
Максим Михайлович Ревякин, кандидат технических наук, доцент, revyakinmm@inbox.ru, Россия, Орел, ФГБОУ ВО Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина
Артур Александрович Жосан, кандидат технических наук, доцент, a-josan@yandex.ru, Россия, Орел, ФГБОУ ВО Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина
Сергей Иванович Головин, кандидат технических наук, доцент, golovinsi@yandex.ru, Россия, Орел, ФГБОУ ВО Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина
ON THE ISSUE OF MONITORING AND MANAGING THE TECHNICAL CONDITION OF MOBILE ENERGETIC MEANS
Revyakin M.M., Josan A.A., Golovin S.I.
Abstract. A modern mobile energy facility operating in the agricultural sector is a complex technical object with many parameters characterizing its technical condition in real time. The identification of a set of diagnostic informants that most fully contribute to an objective assessment of the condition of machines during the life cycle is a basic task in the further implementation of on-board monitoring and control systems. Given the multi-parametric condition of a conventional tractor engine as an object for monitoring the technical condition with a certain accuracy in the process of direct operation, it is necessary to use a diverse range of control algorithms implemented in the corresponding programmable blocks without taking into account the applied system of technical maintenance and repair of machines. The main aspects of the structural construction of algorithms for the functioning of control systems are highlighted, taking into account the requirements of simplicity and compactness in the actual implementation of the diagnostic information field, which allow optimizing the software implementation, as well as minimizing the time interval for generating control signals and simultaneously improving the quality of regulation of the process itself. A generalized block diagram of distributed control algorithms for engine parameters is presented, which provides for the aspect of expanding the basic algorithms with additional blocks when changing the functionality of the automatic control system, and also considers the variability of requirements depending on its operation modes. Particular tasks of monitoring and controlling an internal combustion engine during operation are considered, taking into account individual optimality criteria.
Key words: mobile energy means, engine, monitoring, control, technical condition, algorithm, block diagram, diagnostic informants
Revyakin M.M., Candidate of Technical Sciences, revyakinmm@inbox.ru, Russia, Orel, Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Orel State Agrarian University named afterN.V. Parakhin"
Josan A.A., Candidate of Technical Sciences, a-josan@yandex.ru, Russia, Orel, Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhin"
Golovin S.I., Candidate of Technical Sciences, golovinsi@yandex.ru, Russia, Orel, Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhin"
