Пути совершенствования регистраторов параметров грузоподъемных кранов

Неотъемлемой составной частью современных систем контроля, защиты и управления грузоподъемных кранов являются регистраторы параметров их работы (далее в тексте — «РП» или «регистраторы»). Применение регистраторов не только является обязательным согласно Правилам ПБ 10-382-00, но и оправдано с технически-организационной точки зрения. В существующих научных публикациях практически не рассматривается, в каких направлениях следует ожидать совершенствования РП и что является движущей силой их развития. Для восполнения этого пробела дадим нашу оценку свойств и характеристик регистраторов будущего и тех задач, которые они могут решать в перспективе.

Рассмотрим факторы, стимулирующие повышение технического уровня РП.

Практика показывает, что обязательность применения регистраторов не является стимулом для их совершенствования. Яркий пример тому — РП, встроенный в прибор типа ОНК-140. Он не соответствует требованиям РД 10-399-01, в частности по причине отсутствия часов реального времени, но продолжает выпускаться более 5-ти лет после введения в действие этого РД.

В настоящее время в нашей стране происходит реформа технического регулирования. После ее завершения обязательные требования к продукции будут изложены исключительно в технических регламентах. Мы видим, что в проекте специального технического регламента«О безопасности подъемно-транспортного оборудования и процессов его эксплуатации» в отношении РП лишь упоминается, что они должны устанавливаться на краны. Но никаких требований к ним технический регламент не предъявляет и не может предъявлять в принципе. Он определяет лишь требования к безопасности оборудования, но не к его конструкции. К тому же РП не оказывает прямого влияния на безопасность работы крана, а правильность его отнесения к приборам безопасности далеко не очевидна.

В итоге, после завершения реформы технического регулирования производители и потребители регистраторов будут иметь принципиальную возможность выпускать и применять примитивные РП, формально выполняя по минимуму требования технического регламента. И Ростехнадзор, скорее всего, не будет иметь реальной возможности обязать кого-либо выпускать и применять более совершенные регистраторы.
Поэтому как в настоящее время, так и в перспективе добиться повышения технического уровня РП путем ужесточения нормативных требований к ним практически невозможно.

Но если силовые методы бесперспективны, то остается найти сторону, заинтересованную в применении более совершенных регистраторов. Анализ потребностей этой стороны и технико-экономических возможностей их практического удовлетворения дает нам ключ к определению возможных направлений совершенствования регистраторов и к пониманию того, что они из себя будут представлять в будущем. Если же такой стороны не найдется, то сама идея применения регистраторов постепенно себя изживет.

В п. 6.1 РД 10-399-01 указано, что «необходимость и сроки оборудования кранов РП устанавливаются владельцами кранов по согласованию с предприятиями — изготовителями кранов и РП, специализированными организациями и органами Госгортехнадзора (Ростехнадзора)».

Но мы не встречали владельцев кранов, которые по своей инициативе установили бы необходимость оборудования своих кранов регистраторами. Владелец крана заинтересован в приобретении крана по меньшей цене, но РП увеличивает его стоимость. Он стремится к сокращению эксплуатационных затрат, но считывание данных РП, согласно п. 5.3 РД 10-399-01, вправе выполнять лишь специально обученные специалисты или специализированные организации, что требует затрат на обучение и содержание своих специалистов либо оплаты услуг специализированных организаций.

Регистратор позволяет выявлять нарушения правил эксплуатации крана, что его владельцу в большинстве случаев совершенно ни к чему, особенно если кран находится на гарантии завода-изготовителя. Поэтому применение регистраторов в их нынешнем виде дает для владельцев кранов массу минусов и практически ни одного плюса. Соответственно, владельцы кранов не будут заинтересованы в совершенствовании РП до тех пор, пока они не станут для них действительно полезными устройствами.

Для контролирующего органа — Ростехнадзора — предпочтительнее применение таких регистраторов, которые позволили бы повысить эффективность надзорной деятельности. Но, как отмечалось, Ростехнадзор может потребовать лишь наличия РП на кране, но не улучшения его характеристик.

В итоге, среди основных лиц, действующих в жизненном цикле грузоподъемного крана, осталось обратить внимание на завод-изготовитель этого крана.

Наш опыт разработки и производства приборов безопасности свидетельствует о том, что крановые заводы не только заинтересованы в применении РП, но и выдвигают дополнительные требования по улучшению и расширению их функциональных возможностей. Это объясняется тем, что, во-первых, при авариях или отказах каких-либо узлов и агрегатов крана, произошедших в гарантийный период его работы, завод-изготовитель путем анализа данных регистратора имеет возможность выявить и доказать нарушение правил эксплуатации крана и отклонить соответствующую рекламацию. В этих случаях наличие РП на кране — печальная реальность для его владельца. Но для кранового завода наоборот — чрезвычайно полезное устройство. И во-вторых, завод заинтересован в сборе и обобщении информации о работе своих кранов в эксплуатации. Она является ценным фактическим материалом, необходимым для проведения работ по улучшению конструкции крана и повышению его конкурентоспособности. Поэтому определение наиболее вероятных направлений совершенствования РП на сегодняшнем этапе их развития должно базироваться на учете интересов крановых заводов.

Заводу-изготовителю крана требуется, во-первых, информативность и достоверность данных РП и, во-вторых, как, впрочем, и любым другим специалистам, имеющим дело с регистраторами, — максимальное упрощение процедуры считывания накопленных данных.

Первоочередные пути этого упрощения мы рассматривали в своей предыдущей статье, опубликованной на сайте http://www.rez.ru. К ним относятся унификация программы вторичной обработки данных РП на ЭВМ и применение в качестве прибора считывания стандартного устройства, в частности Flash-карты или USB Flash drive (техническое решение по патенту RU 48525).

Но сказанное относится лишь к сегодняшнему этапу развития РП.

Очевидно, что самое простое считывание данных РП — автоматическое, без переключения РП в режим считывания, без механического подключения к нему внешних устройств считывания и т. п.

Такое считывание возможно только с использованием беспроводной передачи данных. Более того, это неизбежно будет реализовано: по мнению экспертов, например Уве Интата (компания Electronic Arts), современные физические носители информации — CD, DVD и т. п. — примерно через 10 лет исчезнут. Их место займет онлайновый способ хранения информации. Иными словами, развитие беспроводных сетей связи сделает бессмысленным применение каких-либо переносных приборов считывания. Данные РП непосредственно с грузоподъемных кранов будут передаваться в компьютеры пользователей.

Если учесть, что данные РП представляют интерес для трех категорий пользователей: а) для специалистов завода-изготовителя крана; б) для владельцев кранов; в) для инспекторского состава Ростехнадзора, то само собой напрашивается объединение их компьютеров через Интернет с созданием единой базы данных и с организацией удаленного доступа к ним.

С учетом того, что одной из наиболее значимых особенностей эксплуатации грузоподъемных кранов является их рассредоточенность, по меньшей мере, по всей территории России, дистанционная передача накопленной в регистраторах информации в базу данных может осуществляться путем использования:
-  спутниковых, преимущественно низкоорбитальных, систем связи типа Orbcomm,Iridium, GlobalStar или Гонец;
-  сетей сотовой связи GSM/GPRS, CDMA и т. п.;
-  локального канала беспроводной связи, в частности входящего в состав беспроводной локальной сети передачи данных WLAN.

Безусловным достоинством любой спутниковой системы связи, в отличие от сотовых систем с ограниченными зонами покрытия, является возможность передачи данных независимо от местоположения крана, в глобальном масштабе. Такая передача возможна при работе крана, например, в отдаленных районах Сибири и Крайнего Севера, где сотовая связь на сегодняшний день отсутствует. Однако терминалы спутниковых систем связи примерно на порядок дороже сотовых терминалов GSM и CDMA, а стоимость передачи килобайта информации по каналам спутниковой связи на несколько порядков больше, чем по сетям сотовой связи. Это предопределяет проблематичность передачи всего объема накопленных данных РП через спутниковые терминалы.

В настоящее время происходит интенсивное расширение зон покрытия сотовых систем связи и снижение стоимости передачи данных по этим сетям, что приводит к снижению конкурентоспособности и популярности спутниковых систем. Они становятся оправданными лишь в особых случаях, например для связи с объектами морского базирования, где применение сотовых систем связи невозможно. Но основная масса грузоподъемных кранов к таким объектам явно не относится. Поэтому, несмотря на очевидный в настоящее время недостаток сотовых сетей связи — ограниченность зон покрытия, дистанционное считывание данных РП будет осуществляться, по нашему мнению, преимущественно с их использованием (патент RU 269483).

В случае, когда грузоподъемный кран работает вне зоны покрытия сотовой сети, но периодически возвращается на место своего постоянного базирования (на стоянку, базу, в гараж и т. п.), где такая связь имеется, то проблем передачи данных РП по сотовой сети не возникает. Во время работы крана информация накапливается во встроенной памяти РП на кране. Далее, как только кран окажется в зоне радиовидимости базовой станции, нетрудно реализовать автоматическую передачу накопленных данных с использованием, например, GPRS или какой-либо другой технологии, которая может прийти ей на смену, в частности EDGE.

Если в месте постоянного базирования крана сотовая связь отсутствует, то, как правило, имеется какая-либо другая связь, например стационарная телефонная. В этих случаях пути обеспечения мобильной сотовой связью могут быть аналогичны решению проблем улучшения покрытия сети внутри зданий/сооружений. Например, внутри станций метро сотовые операторы устанавливают NanoBTS — маленькие базовые станции, которые формируют одну пикосоту и изначально поддерживает GPRS.

Другим вариантом дистанционной передачи данных РП при отсутствии сотовой связи является применение какого-либо локального радиоканала связи между грузоподъемным краном и местом его постоянного базирования. Естественно, что такой канал связи может быть использован не только для дистанционного считывания данных РП, но и для других целей, в частности для голосовой связи крановщика с диспетчером.

Передачу данных с крана можно осуществить также с использованием стационарной беспроводной локальной сети передачи данных WLAN, реализованной по стандарту Wi-Fi, и т. п. В этом случае регистратор, расположенный на кране, является одним из узлов этой сети, и при вхождении крана в зону действия WLAN возможна автоматическая инициализация начала передачи накопленных данных РП.

Если кран постоянно находится вне зоны покрытия сотовых сетей связи и применение локального радиоканала невозможно (например, при работе на трассе крана-трубоукладчика), то дистанционное считывание РП также возможно. Для этого достаточно снабдить крановщика бесконтактным устройством считывания, в которое данные РП с использованием Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth и т. п. автоматически записывались бы во время работы крана. Далее из этого устройства эти данные могут также автоматически перезаписываться в стационарную ЭВМ в месте отдыха крановщика, в диспетчерском пункте и т. п., где имеется сотовая связь или, по меньшей мере, телефонная связь с выходом в Интернет.

В качестве такого бесконтактного устройства считывания может быть использована какая-либо модель сотового телефона, оснащенного беспроводным интерфейсом Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee. Этот вариант считывания РП является универсальным и наиболее экономичным. Он применим при работе крана как в зоне покрытия сотовой сети, так и вне ее, и не требует установки на грузоподъемный кран модема GSM/GPRS (EDGE). Достаточно, чтобы сотовый телефон с интерфейсами Wi-Fi, Bluetooth или ZigBee имел с собой крановщик. Одновременно такой сотовый телефон может использоваться в качестве ключа, разрешающего доступ крановщику к работе с краном, для управления какими-либо параметрами работы системы защиты и управления краном и для других целей.

Особенно эффективно этот вариант реализуется в случае применения на кране беспроводной передачи данных между датчиками и электронными блоками (патент RU 2251524) с использованием, например, технологии ZigBee (заявка RU 2004138353).

Беспроводная передача данных регистратора возможна по оптическому инфракрасному каналу IrDA. Но этот подход, на наш взгляд, является бесперспективным, поскольку оптическая связь по многим показателям уступает радиосвязи.

В конечном счете, реализация дистанционного считывания информации РП позволит предельно упростить это считывание, освободив пользователей от необходимости разбираться в конструкции РП и приборов считывания, в технологиях считывания, и вывести организацию доступа ко всей необходимой информации о работе грузоподъемных кранов на интуитивно понятный уровень. Она позволит получить все необходимые данные о работе каждого крана непосредственно на рабочем месте инспектора Ростехнадзора, владельца крана и работника службы эксплуатации кранового завода. Это обеспечит повышение эффективности контроля за исполнительской и организационно-технической дисциплиной, включая соблюдение установленных правил безопасного выполнения грузоподъемных работ, а также своевременности и качества выполнения предписанных операций технического контроля, ППР и ТО.

Другим направлением совершенствования РП является повышение достоверности его данных. Понятно, что это требует реализации аппаратурных и программных методов повышения надежности самого регистратора. Но в РП возможна и в большинстве случаев целесообразна реализация дополнительных методов повышения достоверности его данных. К ним относятся:
-  автоматизация накопления, чтения и обработки данных РП, позволяющая исключить ошибки оператора. Формирование итогового результата (протокола) обработки данных РП без участия оператора, с хранением, при необходимости, всех необходимых настроечных данных для этой обработки и, возможно, самой программы обработки непосредственно в регистраторе (заявка RU 2006108721);
-  применение встроенной диагностики всех составных частей РП на аппаратном и программном уровнях (заявкаRU 2004130532);
-  реализация криптографической защиты данных для предотвращения их непреднамеренного или умышленного искажения (заявка RU 2004130532);
-  хранение накопленных данных о параметрах работы крана не менее чем в двух составных частях РП, в том числе в датчиках, с целью обеспечения их сохранности при отказах или повреждениях этих составных частей при авариях крана (заявка RU 2005100881).

Следующим важнейшим направлением совершенствования регистраторов является повышение информативности накопленных данных о работе крана, которая зависит, в первую очередь, от количества и вида регистрируемых параметров и от своевременности их записи в память РП.
Следует ожидать, что перспективные регистраторы в отличие от выпускаемых в настоящее время будут иметь улучшенную информативность за счет реализации более совершенных алгоритмов записи параметров. К ним, в частности, относятся (заявка RU 2005100881):
-  уменьшение периода записи пропорционально увеличению не только нагрузки крана, но и скорости изменения какого-либо аналогового параметра;
-   уменьшение периода записи непосредственно после изменения какого-либо дискретного параметра или управляющего воздействия крановщика;
-  регистрация параметров непосредственно после их изменения независимо от времени окончания текущего периода записи.

Второе направление повышение информативности РП — это оптимизация количества и вида регистрируемых параметров.

Ввиду высокой информационной емкости и низкой стоимости современных микросхем флэш-памяти DataFlash над выбором количества и вида регистрируемых параметров в первом приближении можно не задумываться. В РП целесообразно записывать сигналы всех аналоговых и дискретных датчиков, присутствующих в системе защиты и управления крана, и не экономить на информативности РП, выискивая «лишние» для записи параметры.

Но кроме этих параметров в перспективных регистраторах неизбежно будет осуществляться регистрация новых дополнительных параметров, обеспечивающих повышение их информативности.

Если исходить из интересов завода-изготовителя крана, то, по нашему мнению, в первую очередь целесообразно ввести регистрацию параметра, характеризующего поперечный изгиб и скручивание стрелы крана (патент RU 2271332). Необходимый для этого контроль положения оголовка стрелы нетрудно реализовать при помощи акселерометров. Регистрация этого параметра существенно облегчит выявление причин аварий, вызванных неправильной строповкой груза, его подъемом при наклонном положении грузовых канатов, подтаскиванием груза краном по земле и т. п.

Более эффективным средством выявления этих нарушений является применение видеорегистрации (патент RU 2270162). Установка видеокамер с обработкой и записью видеоизображений в РП весьма перспективна и неизбежно появится на грузоподъемных кранах. Она позволяет не только повысить информативность РП, но и реализовать целый ряд дополнительных функций — улучшить обзорность рабочей зоны крана, выявить наличие людей на пути следования груза с реализацией соответствующих функций защитного отключения движений крана, реализовать автоматическую координатную защиту и т. п.

По мере того, как у изготовителей кранов будут появляться дополнительные задачи по выявлению причин аварий и отказов кранов в эксплуатации, они будут требовать соответствующего совершенствования регистраторов. Это совершенствование неизбежно ускорится, если в применении РП проявят заинтересованность владельцы кранов. Но чтобы это произошло, необходимо владельцам кранов за приемлемую цену предложить регистраторы, обладающие полезными для них функциями.

По нашему мнению, из этих функций наиболее перспективной являет регистрация расхода топлива (заявка RU 2005119761).Для этого может быть использован имеющийся на грузоподъемном кране штатный датчик уровня топлива. Это практически не приводит к усложнению РП, но позволит проконтролировать объем и время заправки крана топливом, его несанкционированный слив, определить часовой расход топлива и т. п.

Другая функция, полезная владельцу крана, — это контроль координат местоположения крана с их записью в РП или, что предпочтительнее, с оперативной передачей этих координат по каналу сотовой связи GSM/GPRS (EDGE) (патент RU2269483).

Если на кране установлен терминал GSM/GPRS (EDGE), то информация о его местоположении может быть получена на основе информации от базовых станций сотовой связи (патент RU 2269483). Но ограниченность зоны покрытия сотовой сети и невысокая точность определения местоположения с ее помощью позволяют считать, что более перспективным является применение спутниковой глобальной системы определения местоположения GPS, Глонас и т. п.

В этом случае местоположение крана отражается на карте местности либо в реальном времени, если данные с крана передаются в онлайновом режиме по каналу GPRS/EDGE, либо после считывания данных РП. Это позволяет владельцу крана контролировать перемещения крана и выявлять его несанкционированное использование.

Эта система может предотвратить угон крана путем блокирования его передвижения при помощи иммобилайзера, топливного клапана и т. п. при выезде крана за пределы предварительно установленной и записанной в РП разрешенной зоны работы. Но даже если устройства блокирования передвижения крана отсутствуют или отключены угонщиком, передача данных о местоположении крана в какой-либо диспетчерский пункт в режиме реального времени позволяет своевременно выявить факт угона крана и направление его движения. Это открывает возможность оперативной реализации мер по противодействию угону, что крайне важно для владельца крана.

Среди других функций, которые могут быть реализованы в перспективных регистраторах, можно отметить:
-  запись в РП идентификационных данных крановщика и обслуживающего персонала, например отпечатков пальцев, с целью последующего выявления лиц, работавших на кране, или для ограничения их доступа к управлению краном (патент RU 2267457);
-  учет продолжительности времени работы крановщика с целью контроля установленного режима труда и отдыха крановщика (патент RU 2267457);
-  запись в РП производственных заданий крановщику и их вывод на дисплей во время работы крана;
-  запись в регистратор координат рабочей площадки и маршрута следования крана к месту его работы с выводом этой информации на дисплей во время движения крана;
-  перезапись накопленных данных РП при его перестановке на другой грузоподъемный кран или дополнение его записей данными о предыдущей работе крана (патент RU 48525, заявка RU 2004130532);
-  перепрограммирование РП с целью его улучшения, например, после оснащения крана дополнительными датчиками или применения усовершенствованных алгоритмов первичной или вторичной обработки данных о параметрах работы крана (патент RU 48525).

Совершенствование алгоритмов обработки данных регистратора имеет крайне важное значение. Эти вопросы освещены в работах А. А. Зарецкого, А. И. Инденбаума и других специалистов, и мы не будем на них подробно останавливаться. Отметим лишь, что совершенствование РП в этом направлении неизбежно приведет к реализации экспертной системы грузоподъемного крана.

Накопленные данные о параметрах работы крана, в том числе в динамических режимах его работы, данные о техническом состоянии крана, об обслуживающем персонале, о проведенных профилактических и ремонтных работах можно представить в виде информационных баз данных. В памяти РП могут храниться также сформированные при помощи экспертных оценок информационные базы данных о наиболее целесообразной последовательности действий крановщика по управлению краном в различных режимах его работы, о характеристиках аварийных ситуаций грузоподъемного крана и о наилучших действиях крановщика или автоматизированной системы управления краном по выходу из аварийных ситуаций.

С использованием этих баз данных возможен прогноз поведения крана и выбор управляющих воздействий, наилучших с точки зрения безопасности или экономичности работы крана, с выдачей крановщику рекомендаций по управлению краном, в том числе в аварийных режимах. Возможны выдача крановщику предупреждающих сообщений и блокирование движений крана, если крановщик не реагирует на это предупреждение, — автоматический переход от ручного управления к автоматическому, а также оценка правильности действий крановщика и запись результатов этой оценки в РП (заявка RU 2004134628). Благодаря этому перспективные регистраторы могут обеспечить существенное повышение эффективности и безопасности работы крана.

Выводы
1.  Движущей силой совершенствования регистраторов является не ужесточение нормативных требований к ним со стороны Ростехнадзора, а заинтересованность потребителей в их применении.
2. Генеральными направлениями развития РП являются повышение информативности и достоверности данных регистратора параметров, а также упрощение процедуры их считывания.
3. Для максимального упрощения считывание данных РП целесообразно реализовать автоматическую беспроводную передачу данных регистратора в компьютеры пользователей и, соответственно, в сеть Интернет. Наиболее перспективной является онлайновая передача данных с использованием сотовых каналов связи — технологии GSM/GPRS (EDGE). В случае работы крана вне зоны покрытия сотовой связи для автоматической передачи данных РП целесообразно применение беспроводной локальной сети передачи данных WLAN.
4. Для повышения достоверности данных в РП могут быть реализованы автоматизация процессов накопления, чтения и обработки данных РП, встроенная диагностика всех его составных частей, криптографическая защита информации и хранение накопленных данных о параметрах работы крана не менее чем в двух составных частях РП.
5. С целью повышения информативности РП запись параметров целесообразно осуществлять в моменты времени, зависящие от нагрузки, скорости изменения параметров работы крана и управляющих воздействий крановщика. Целесообразно осуществлять записи сигналов всех датчиков, присутствующих в системе защиты и управления крана, а также рассмотреть возможность установки дополнительных датчиков, в частности для контроля поперечного изгиба и скручивания стрелы крана и для видеорегистрации его работы.
6. Дальнейшее совершенствование информативности регистраторов неизбежно приведет к реализации на их основе экспертной системы грузоподъемного крана и к качественно более высокому уровню эффективности их применения.