農(nóng)業(yè)機(jī)械電控系統(tǒng)故障診斷

陳 明

（海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?571100）

中國農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展30多年，隨著機(jī)械業(yè)機(jī)電一體化的進(jìn)程，農(nóng)業(yè)機(jī)械逐漸形成一體化、信息化和智能化，從而對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障診斷提出更高要求?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求故障診斷技術(shù)從過去的定時(shí)拆卸檢修、憑經(jīng)驗(yàn)維修發(fā)展到故障預(yù)測，即發(fā)現(xiàn)故障苗頭時(shí)預(yù)先進(jìn)行診斷，清除故障隱患。所以，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障診斷現(xiàn)代化勢在必行，是目前農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域急需解決的重要問題。

1 機(jī)械故障診斷技術(shù)

機(jī)械故障診斷技術(shù)是一種了解和掌握機(jī)器在運(yùn)行過程的狀態(tài)，確定其整體或局部正常或異常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢的技術(shù)?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的故障診斷技術(shù)是通過對(duì)設(shè)備工況進(jìn)行檢測,對(duì)故障發(fā)展趨勢進(jìn)行早期診斷,找出故障原因,采取措施避免設(shè)備的突然損壞,使之安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)轉(zhuǎn)。

機(jī)械故障檢測診斷的基本過程如圖1所示。包含2方面內(nèi)容:①對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測;②發(fā)現(xiàn)異常情況后對(duì)設(shè)備的故障進(jìn)行分析、診斷。其發(fā)展也經(jīng)歷了從簡易診斷到精密診斷,從一般診斷到智能診斷,從單機(jī)診斷到網(wǎng)絡(luò)診斷的過程,發(fā)展速度愈來愈快。

（1）農(nóng)業(yè)機(jī)械電控系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)機(jī)械電控系統(tǒng)是指由電控單元（ECU）、通信接口模塊及執(zhí)行模塊組成，根據(jù)駕駛員的操作指令、主機(jī)運(yùn)行工況和各路傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)化，以完成滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的動(dòng)力傳遞。目前，國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)械電控化技術(shù)發(fā)展已相當(dāng)普及，一些著名農(nóng)機(jī)廠商將信息數(shù)據(jù)自動(dòng)采集控制、數(shù)據(jù)信息批量處理、GPS全球定位系統(tǒng)和激光掃描、信息遙感等現(xiàn)代尖端技術(shù)、裝備應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械上。如農(nóng)用激光平地機(jī)就是利用激光調(diào)平傳感微機(jī)處理技術(shù)，經(jīng)過一次地面平整作業(yè)，即可成形，且能達(dá)到高精度。美國的約翰·迪爾公司所生產(chǎn)的水稻聯(lián)合收割機(jī)就安裝了專用的精密電控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能向主機(jī)提供產(chǎn)量或收獲量信息、濕度、待收獲作物總質(zhì)量等讀數(shù)，能精確測量糧食升運(yùn)器頂部的谷物流量及實(shí)時(shí)的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，并分別對(duì)分離裝置、滾筒轉(zhuǎn)速、割臺(tái)升降、割臺(tái)傾斜和停車制動(dòng)安全等裝置進(jìn)行快捷實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。

圖1 機(jī)械故障診斷基本過程

（2）農(nóng)業(yè)機(jī)械診斷技術(shù)發(fā)展。農(nóng)業(yè)機(jī)械診斷技術(shù)經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展歷程:①經(jīng)驗(yàn)診斷階段:始于19世紀(jì)末20世紀(jì)初，此階段要求維修人員的經(jīng)驗(yàn)非常豐富，由于機(jī)器設(shè)備較簡單，故障診斷主要依靠個(gè)體專家或維修人員通過感官直接獲得設(shè)備的狀態(tài)信息，并憑借其經(jīng)驗(yàn)或輔助以簡單的儀表對(duì)故障進(jìn)行直接判斷；②基于零件壽命評(píng)估的診斷階段:始于20世紀(jì)初至60年代，由于可靠性理論的產(chǎn)生和應(yīng)用，使得維修人員依靠事先對(duì)零件壽命的分析與估計(jì)以及對(duì)設(shè)備零件性能的部分檢測來完成診斷任務(wù)；③基于數(shù)模的診斷階段:始于20世紀(jì)60年代的美國，目前已比較成熟，揭開了現(xiàn)代診斷技術(shù)的進(jìn)程。該診斷技術(shù)融合了大量現(xiàn)代科技成果:傳感器技術(shù)使得信號(hào)診斷和數(shù)據(jù)測量變得容易；計(jì)算機(jī)彌補(bǔ)人類在數(shù)據(jù)處理上的低效率和困難，提出了狀態(tài)空間分析診斷、函數(shù)診斷、邏輯診斷、統(tǒng)計(jì)診斷和模糊診斷等方法。信號(hào)檢測、數(shù)據(jù)處理與信號(hào)分析構(gòu)成了這一階段的主要研究內(nèi)容。

2 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械電控系統(tǒng)故障診斷

2.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械電控系統(tǒng)故障診斷的基本思想

在農(nóng)業(yè)機(jī)械電控系統(tǒng)中，設(shè)有較多的傳感器（速度感器、溫度傳感器、濕度傳感器、換擋傳感器等），這些傳感器的作用是獲得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各種信息。機(jī)械運(yùn)行過程中各傳感器的信號(hào)不斷地輸入電控單元，使ECU能夠判斷調(diào)試人員的意圖、運(yùn)行工況，從而發(fā)出正確的控制指令。在線診斷可以很方便地獲取各種傳感器的信號(hào)，快速地進(jìn)行監(jiān)控，判別輸入的信號(hào)是否在正常的范圍內(nèi)。每一種被監(jiān)控的傳感器都設(shè)定有正常的工作范圍。當(dāng)某一傳感器的信號(hào)值超出正常范圍時(shí)，信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)分析比較后，判斷出該傳感器的故障或連接電路的問題，并將該故障以代碼的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。

2.2 電控系統(tǒng)故障診斷分析

電控系統(tǒng)示意圖如圖2所示，由圖可知，電控系統(tǒng)故障大致可分為3個(gè)部分:動(dòng)力系統(tǒng)有關(guān)故障、與傳動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)故障、與通信系統(tǒng)有關(guān)故障。

故障診斷主要針對(duì)電控系統(tǒng)常見故障進(jìn)行分析，幫助維護(hù)人員判斷故障可能發(fā)生的原因及故障點(diǎn)，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械維護(hù)人員的維護(hù)水平，保障農(nóng)業(yè)機(jī)械的可靠性和安全性。常見故障主要包括電機(jī)故障、接線故障、傳感器故障、變速箱故障、閥門故障等二十多種故障。

圖 2電控系統(tǒng)示意圖

2.3 故障診斷方法

（1）電控系統(tǒng)中的冗余法。冗余法有以下2種形式:①直接冗余，不同傳感器同一時(shí)刻輸出信號(hào)的靜態(tài)功能重疊，只存在于傳感器之間；②動(dòng)態(tài)冗余，傳感器的輸出信號(hào)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)功能重疊可存在于傳感器及傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)間。通過控制過程的機(jī)理分析和數(shù)學(xué)分析就可確定電控系統(tǒng)的解析冗余，對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械電控系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能分析是確定解析冗余的前提，在此基礎(chǔ)上，與數(shù)學(xué)分析方法相結(jié)合，就可確定系統(tǒng)中的上所有解析冗余關(guān)系。

（2）專家規(guī)則法。專家規(guī)則法是根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械電控系統(tǒng)中的可能出現(xiàn)的故障建立故障庫，根據(jù)各種傳感器和下位單片機(jī)的檢測結(jié)果，通過和專家規(guī)則進(jìn)行比較對(duì)比，從故障庫讀出相應(yīng)的故障信息和代碼并顯示。專家規(guī)則法的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)故障庫進(jìn)行修改，并根據(jù)需要添加新的故障信息和代碼，靈活方便。

2.4 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械電控系統(tǒng)故障診斷發(fā)展趨勢

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械的飛速發(fā)展，各種功能的電控系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，且數(shù)量不斷增多，控制功能也變地越來越復(fù)雜。同時(shí)，現(xiàn)代數(shù)學(xué)、信息科學(xué)強(qiáng)大的滲透力、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、人工智能技術(shù)更廣泛、更深入應(yīng)用，推動(dòng)了機(jī)器診斷技術(shù)向以下5個(gè)方面發(fā)展:

（1）應(yīng)用農(nóng)業(yè)局域網(wǎng)。采用局域網(wǎng)(VAN/CAN)對(duì)各子系統(tǒng)模塊進(jìn)行管理的技術(shù)將會(huì)得到推廣應(yīng)用。為了適應(yīng)這一發(fā)展，要求各子系統(tǒng)模塊提高智能化的程度，具有相應(yīng)的在線診斷功能，由專用的診斷模塊對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，提供故障信息和發(fā)生故障的部位。外部診斷設(shè)備可以通過局域網(wǎng)，直接對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行診斷和測試。

（2）增強(qiáng)在線診斷系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械電控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視功能。采用大容量的存儲(chǔ)器，實(shí)時(shí)記錄機(jī)械電控系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)(各種傳感器及執(zhí)行器的工作狀態(tài))，記錄故障發(fā)生前后的情況。

（3）提高在線故障診斷系統(tǒng)對(duì)突發(fā)故障的處理能力。預(yù)測突發(fā)故障的發(fā)生，并采取應(yīng)急措施，更改控制邏輯或給出固定數(shù)值替代出錯(cuò)的傳感器輸出信號(hào)，使機(jī)械電控系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。

（4）加強(qiáng)維修點(diǎn)與其維修中心之間故障診斷信息資源的交流與共享。維修點(diǎn)利用網(wǎng)絡(luò)與農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)廠或售后維修中心之間通信，共享維修診斷資源。維修中心擁有高級(jí)的故障診斷專家系統(tǒng)，維修站只需一些簡單的計(jì)算機(jī)終端和更為簡單的手持診斷儀就可以工作，這樣既增強(qiáng)了維修點(diǎn)的故障診斷能力，又可降低維修成本。

（5）加強(qiáng)診斷技術(shù)的研究。將一些新技術(shù)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械電控系統(tǒng)故障診斷。例如，規(guī)則系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)的知識(shí)數(shù)據(jù)庫；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和擾動(dòng)分析模式識(shí)別技術(shù)及動(dòng)態(tài)模型技術(shù)等。增強(qiáng)故障診斷專家系統(tǒng)的功能，提高故障診斷的能力和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

利用相關(guān)的編程工具，編寫程序代碼，并運(yùn)行在相關(guān)的設(shè)備上（比如PDA、便攜式移動(dòng)PC等），實(shí)現(xiàn)能和農(nóng)業(yè)機(jī)械電控系統(tǒng)中央ECU準(zhǔn)確的互通信息。在進(jìn)行故障檢測時(shí)，能準(zhǔn)確地接收電控系統(tǒng)中央ECU傳送來的故障信息，并及時(shí)地對(duì)其作出分析，判斷出可能的故障點(diǎn)及可能的故障原因，在相關(guān)設(shè)備上以直觀的方式顯示給用戶和維修人員，提高工作效率，降低維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的有效途徑。