«Умный» датчик для горных машин
Учёные и студенты Физико-технического института Петрозаводского государственного университета (ПетрГУ) создали беспроводной датчик WVS для предиктивной диагностики и непрерывного контроля состояния горнопромышленного оборудования.
Вибрационный анализ – базовый метод диагностики роторного и ударного оборудования, с помощью которого выявляется более 80% неисправностей. В горнодобыче это критично: из-за экстремальных нагрузок обыкновенной щековой дробилки может быть парализован весь выпуск щебня. Однако серийные системы мониторинга стоят дорого, а бюджетные лишь передают «сырой» сигнал, перегружая сети и серверы.
Периферийные вычисления вместо облака
Разработчики из ПетрГУ создали доступную альтернативу – беспроводной датчик вибрационного мониторинга WVS (Wireless Vibration Sensor). Он крепится на корпус магнитом или резьбой и обрабатывает сигнал непосредственно на устройстве (периферийные вычисления), что снижает нагрузку на сети передачи данных. В основе узла – трёхосевой МЭМС-акселерометр (полоса до 6 кГц), двухъядерный микроконтроллер с Wi-Fi и до пяти датчиков температуры. Операционная система реального времени разделяет задачи: одно ядро непрерывно опрашивает сенсоры, исключая потерю отсчётов, а второе проводит вычисления и обмен информацией. Частота дискретизации составляет 13,3 кГц, полный цикл обработки занимает 0,66 с. Встроенное ПО параллельно рассчитывает статистические параметры, выполняет спектральный и модуляционный разбор, а также контролирует температурный режим. Двухпороговая сигнализация соответствует международному стандарту ISO 20816 и защищена от ложных срабатываний.
Спектральный анализ для карьерной техники
Научным достижением стала методика уточнения спектральных оценок. Разработчики совместили логарифмически-параболическую интерполяцию пика с интерполяцией комплексного спектра, что снизило погрешность амплитуды с 37% до 6,1%. Эффективность алгоритма подтверждена численным моделированием и испытаниями на вибрационном стенде.
Особенность проекта – работа со специфическим оборудованием карельского производителя ООО «Сверус»: конусными и щековыми дробилками, виброгрохотами. Главная техническая сложность заключалась в диапазоне низкочастотных колебаний (до 15 Гц), обусловленном большими габаритами машин и подшипников. Это потребовало адаптации алгоритмов преобразования Фурье, построения спектра огибающей и создания новых модулей анализа сигнала. В этом случае данные передаются по протоколу Modbus TCP поверх Wi-Fi, поэтому датчик встраивается в действующие автоматизированные системы управления технологическими процессами без дополнительных шлюзов и кабельных трасс.
От гранта до карьера
Проект «Разработка комплекса первичной вибродиагностики для камнедробильного оборудования горной промышленности» стал победителем грантового конкурса главы Республики Карелия. Комплекс уже прошёл испытания на камнеобрабатывающих предприятиях региона. Материалы, полученные в ходе испытаний, лягут в основу расширенной системы управления линией щебёночного завода.
Разработка WVS – часть системной линейки импортозамещающих решений ПетрГУ. Ранее Инжиниринговый центр вуза создал комплексную систему вибромониторинга с облачной обработкой данных, успешно внедрённую на машиностроительных предприятиях, в том числе на АО «Петрозаводскмаш». Новый автономный датчик развивает заложенные в предыдущей системе принципы – оцифровку сигнала непосредственно на объекте контроля и лёгкую интеграцию без вмешательства в действующие системы управления, – но переносит вычисления с облака на само устройство. Это позволяет применять технологии предиктивного обслуживания в тяжёлых условиях, где облачные решения неэффективны: на удалённых горнодобывающих объектах, в лесной и химической промышленности, на целлюлозно-бумажных комбинатах.
Инвестиции в технологии будущего
В последние годы в России активно формируется экосистема предиктивной диагностики. В 2022 году АО «Росэлектроника» представило комплекс «Вибротекс». Годом позже АО «Петрозаводскмаш» внедрило мониторинг станочного парка, а в 2024 году ПАО «ГМК «Норильский никель» запустило интеллектуальный контроль на Талнахской обогатительной фабрике. ООО «ТИУС» и ООО «ПЛКСистемы» реализовали проекты на заводах «ТЕХНО» с использованием протокола LoRaWAN.
По итогам прошлого года объём рынка предиктивного обслуживания (PdM) в России оценивается в 100 млн долларов. Внедрение PdM позволяет промышленным предприятиям сократить простои оборудования и повысить эффективность производственных мощностей.
Новая эра промышленного обслуживания
Компактность, автономность и низкая стоимость разработки устройства ПетрГУ создают условия для массового внедрения предиктивного обслуживания и открывают изделию путь на рынки России, стран СНГ и развивающихся государств. Однако для экспорта потребуются международные сертификаты качества и промышленной безопасности. В целом же создание таких доступных средств диагностики позволяет успешно конкурировать с зарубежными аналогами и укреплять технологическую независимость страны в сфере промышленной автоматизации.
