農業機械電控系統故障診斷

陳 明

（海南經貿職業技術學院，海南 海口 571100）

中國農業機械發展30多年，隨著機械業機電一體化的進程，農業機械逐漸形成一體化、信息化和智能化，從而對農業機械的故障診斷提出更高要求。現代農業要求故障診斷技術從過去的定時拆卸檢修、憑經驗維修發展到故障預測，即發現故障苗頭時預先進行診斷，清除故障隱患。所以，現代農業機械的故障診斷現代化勢在必行，是目前農業機械領域急需解決的重要問題。

1 機械故障診斷技術

機械故障診斷技術是一種了解和掌握機器在運行過程的狀態，確定其整體或局部正常或異常，早期發現故障及其原因，并能預報故障發展趨勢的技術。現代工業生產中的故障診斷技術是通過對設備工況進行檢測,對故障發展趨勢進行早期診斷,找出故障原因,采取措施避免設備的突然損壞,使之安全經濟地運轉。

機械故障檢測診斷的基本過程如圖1所示。包含2方面內容:①對設備運行狀態進行檢測;②發現異常情況后對設備的故障進行分析、診斷。其發展也經歷了從簡易診斷到精密診斷,從一般診斷到智能診斷,從單機診斷到網絡診斷的過程,發展速度愈來愈快。

（1）農業機械電控系統。農業機械電控系統是指由電控單元（ECU）、通信接口模塊及執行模塊組成，根據駕駛員的操作指令、主機運行工況和各路傳感器輸入信號進行自動或半自動化，以完成滿足農業生產要求的動力傳遞。目前，國內外農業機械電控化技術發展已相當普及，一些著名農機廠商將信息數據自動采集控制、數據信息批量處理、GPS全球定位系統和激光掃描、信息遙感等現代尖端技術、裝備應用于農業機械上。如農用激光平地機就是利用激光調平傳感微機處理技術，經過一次地面平整作業，即可成形，且能達到高精度。美國的約翰·迪爾公司所生產的水稻聯合收割機就安裝了專用的精密電控系統。該系統能向主機提供產量或收獲量信息、濕度、待收獲作物總質量等讀數，能精確測量糧食升運器頂部的谷物流量及實時的產量數據，并分別對分離裝置、滾筒轉速、割臺升降、割臺傾斜和停車制動安全等裝置進行快捷實時監測與控制。

圖1 機械故障診斷基本過程

（2）農業機械診斷技術發展。農業機械診斷技術經歷了3個發展歷程:①經驗診斷階段:始于19世紀末20世紀初，此階段要求維修人員的經驗非常豐富，由于機器設備較簡單，故障診斷主要依靠個體專家或維修人員通過感官直接獲得設備的狀態信息，并憑借其經驗或輔助以簡單的儀表對故障進行直接判斷；②基于零件壽命評估的診斷階段:始于20世紀初至60年代，由于可靠性理論的產生和應用，使得維修人員依靠事先對零件壽命的分析與估計以及對設備零件性能的部分檢測來完成診斷任務；③基于數模的診斷階段:始于20世紀60年代的美國，目前已比較成熟，揭開了現代診斷技術的進程。該診斷技術融合了大量現代科技成果:傳感器技術使得信號診斷和數據測量變得容易；計算機彌補人類在數據處理上的低效率和困難，提出了狀態空間分析診斷、函數診斷、邏輯診斷、統計診斷和模糊診斷等方法。信號檢測、數據處理與信號分析構成了這一階段的主要研究內容。

2 現代農業機械電控系統故障診斷

2.1 農業機械電控系統故障診斷的基本思想

在農業機械電控系統中，設有較多的傳感器（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業生產中的各種信息。機械運行過程中各傳感器的信號不斷地輸入電控單元，使ECU能夠判斷調試人員的意圖、運行工況，從而發出正確的控制指令。在線診斷可以很方便地獲取各種傳感器的信號，快速地進行監控，判別輸入的信號是否在正常的范圍內。每一種被監控的傳感器都設定有正常的工作范圍。當某一傳感器的信號值超出正常范圍時，信號監控系統分析比較后，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在存儲器中。

2.2 電控系統故障診斷分析

電控系統示意圖如圖2所示，由圖可知，電控系統故障大致可分為3個部分:動力系統有關故障、與傳動系統有關故障、與通信系統有關故障。

故障診斷主要針對電控系統常見故障進行分析，幫助維護人員判斷故障可能發生的原因及故障點，提高農業機械維護人員的維護水平，保障農業機械的可靠性和安全性。常見故障主要包括電機故障、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電控系統示意圖

2.3 故障診斷方法

（1）電控系統中的冗余法。冗余法有以下2種形式:①直接冗余，不同傳感器同一時刻輸出信號的靜態功能重疊，只存在于傳感器之間；②動態冗余，傳感器的輸出信號和執行機構的輸出信號的動態功能重疊可存在于傳感器及傳感器與執行機構間。通過控制過程的機理分析和數學分析就可確定電控系統的解析冗余，對于農業機械電控系統來說，系統的結構和功能分析是確定解析冗余的前提，在此基礎上，與數學分析方法相結合，就可確定系統中的上所有解析冗余關系。

（2）專家規則法。專家規則法是根據農業機械電控系統中的可能出現的故障建立故障庫，根據各種傳感器和下位單片機的檢測結果，通過和專家規則進行比較對比，從故障庫讀出相應的故障信息和代碼并顯示。專家規則法的優點是可以對故障庫進行修改，并根據需要添加新的故障信息和代碼，靈活方便。

2.4 現代農業機械電控系統故障診斷發展趨勢

隨著農業機械的飛速發展，各種功能的電控系統用于實現農業生產，且數量不斷增多，控制功能也變地越來越復雜。同時，現代數學、信息科學強大的滲透力、計算機技術、電子技術、人工智能技術更廣泛、更深入應用，推動了機器診斷技術向以下5個方面發展:

（1）應用農業局域網。采用局域網(VAN/CAN)對各子系統模塊進行管理的技術將會得到推廣應用。為了適應這一發展，要求各子系統模塊提高智能化的程度，具有相應的在線診斷功能，由專用的診斷模塊對各子系統進行監控，提供故障信息和發生故障的部位。外部診斷設備可以通過局域網，直接對各子系統進行診斷和測試。

（2）增強在線診斷系統對農業機械電控系統運行狀態的監視功能。采用大容量的存儲器，實時記錄機械電控系統運行的狀態(各種傳感器及執行器的工作狀態)，記錄故障發生前后的情況。

（3）提高在線故障診斷系統對突發故障的處理能力。預測突發故障的發生，并采取應急措施，更改控制邏輯或給出固定數值替代出錯的傳感器輸出信號，使機械電控系統仍能正常運行。

（4）加強維修點與其維修中心之間故障診斷信息資源的交流與共享。維修點利用網絡與農業機械生產廠或售后維修中心之間通信，共享維修診斷資源。維修中心擁有高級的故障診斷專家系統，維修站只需一些簡單的計算機終端和更為簡單的手持診斷儀就可以工作，這樣既增強了維修點的故障診斷能力，又可降低維修成本。

（5）加強診斷技術的研究。將一些新技術用于農業機械電控系統故障診斷。例如，規則系統或專家系統的知識數據庫；神經網絡和擾動分析模式識別技術及動態模型技術等。增強故障診斷專家系統的功能，提高故障診斷的能力和準確性。

3 結語

利用相關的編程工具，編寫程序代碼，并運行在相關的設備上（比如PDA、便攜式移動PC等），實現能和農業機械電控系統中央ECU準確的互通信息。在進行故障檢測時，能準確地接收電控系統中央ECU傳送來的故障信息，并及時地對其作出分析，判斷出可能的故障點及可能的故障原因，在相關設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強度，同時也是提高農業生產效率的有效途徑。