農機電液控制系統的故障表現與維修技術

張春雨

(肇州縣朝陽溝鎮人民政府，黑龍江 肇州 166405)

0 引言

自帕斯卡爾提出靜態液體壓力傳遞的基本規律以來，電液控制系統在各個方面的應用已經發展了近4個世紀[1]。電液控制系統具有功率密度高、輸出力大、易于實現直線運動等優點，廣泛應用于工業液壓和移動液壓機械中。該系統主要包括控制流量、壓力或執行器的液壓系統的關鍵部件。電液控制系統中控制閥門有很多種類型，如比例閥、噴嘴擋板閥，或其他帶電子控制器的閥。隨著材料、制造、電子技術、計算機技術的發展，電液控制系統逐步向智能化方向發展。

工業4.0是德國從一個高科技戰略項目中提出的，其本質是促進制造業的智能化發展。其中，電液控制系統也正在逐步實現工業4.0的特性。由于電液控制系統安裝在農機遠程終端，未來方便對其進行控制和監控，工業4.0下的電液控制系統應該增加自我檢測、故障診斷、功能重新定義和集成的能力。數字技術可以使電液控制系統集成了數字控制器和各種傳感器等硬件，可以通過CANopen或其他通信技術實現在線遠程監測和診斷，還可定制和擴展功能。

本文從工業4.0的角度對農機電液控制系統的研究現狀進行了闡述，主要包括目前農機電液控制系統狀態采集和診斷的傳感器技術，并提出一些間接的狀態采集方法。在此基礎上，總結了電液閥的集成通信技術和管理軟件，實現了電液閥在線遠程監測、控制、故障診斷與維修技術。研究結果對于提高農機電液控制系統智能化故障檢測與高效維修提供理論參考與技術借鑒。

1 農機電液控制系統狀態監測方法

農機電液控制系統狀態采集是實現電液控制數字化、智能化的基礎。電液控制系統需要通過獲取每個零部件的狀態來實現自主控制、遠程故障診斷和物聯網的構建。現有的農機電液控制系統狀態采集方法有兩種，一種是由傳感器直接獲取；另一種是通過間接獲取技術獲得的。從電液控制系統的動態運動方程可以看出，閥口壓力、閥口流量、閥芯位移和閥體溫度是運動控制和故障診斷中最重要的狀態變量。隨著傳感器技術和間接采集技術的發展，農機電液控制系統有望獲得各個關鍵零部件完整狀態信息，實現全面監測與遠程控制[2]。

1.1 農機電液控制系統狀態直接采集法

為了實現閉環控制或監測每個閥的狀態，需要使用傳感器來獲取閥或電液控制系統中其他元件的狀態。傳感器有很多種類型，如壓力傳感器、流量傳感器、位置傳感器、污染傳感器、顆粒物傳感器等，可以為電液控制系統建立系統狀態采集網絡，實現控制功能和故障診斷功能。外部傳感器通過現場總線、IO-Link、傳感器管理器等多種通信方式將系統狀態信息傳輸給閥門，使閥門成為具有傳感功能的元件。然而，外部傳感器給硬件安裝、維護和維修帶來了困難，也給電纜和通信發射機帶來了額外的投入成本。

隨著電子技術和材料技術的發展，現代傳感器的小型化和集成化水平越來越高。許多制造商將各種傳感器集成到閥門中，以提高閥門的狀態采集能力。Atos AGMZO-RES在先導油口集成了一個壓力傳感器，以實現先導級閥的閉環壓力控制。Eaton Axis Pro配備了集成的傳感器適配板，獲取每個端口的壓力和T端口的溫度，以提供過程控制和智能系統診斷。伊頓CMA 200系列在每個端口集成了內部膜壓力傳感器，實現每個端口獨立的閉環壓力控制。多個換向閥集成位移傳感器采用線性變差變壓器(LVDT)，具有良好的兼容性和便捷性，傳感器的精度越高，尺寸越小，安裝方式越好，閥門的狀態采集能力逐漸提高，這是實現農機電液控制系統發智能化、現代化發展的必要條件。

1.2 農機電液控制系統狀態間接采集法

采用直接采集的方法可以解決狀態監測中的一些問題，如端口壓力和閥體溫度。但是，監測某些閥門的狀態會帶來額外的困難和成本，或者導致在農業生產中傳感器的精度和采樣率不能滿足工作要求[3]。許多研究人員使用間接采集的方法來檢測農機電液控制系統工作狀態。

成熟的LVDT位移測量技術已廣泛應用于農機電液控制系統中。然而，LVDT技術在先導比例閥先導級閥芯位移檢測方面仍存在許多困難。很多研究集中在分析線圈的電流、電壓和電感來估計閥芯的位移，后期逐漸提出了一種通過獲取螺線管在大電流區域的電感增量來估計螺線管位置的方法，并通過硬件實現驗證了該方法的有效性，解決了位置估計問題，在數字信號處理器(DSP)上實現了位置估計過程，并進行了實時計算。該方法適用于任何慢動單相磁阻運動裝置；但是，位置估計的精度依賴于器件的電感—位置—電流特性。Braun等人提出了一種通過建立觀測器來估計閥芯位移的方法，采用差動電感法來解決這個問題。對電磁閥電感與閥芯位移關系的分析方法進行了不同的修改，使之更準確、更快。間接排量采集技術可以彌補傳感器的局限性，節約成本，提高閥門的狀態采集能力。

2 農機電液控制系統管理與故障診斷方法

2.1 人機交互系統

農機工作需要建立一個覆蓋整個生產過程的傳感、測量和控制網絡。因此，電液控制系統作為現代農業機械的重要控制部件，還需要具有壓力、流量等信號的測量功能。同時，控制功能需要根據工作條件進行快速調試和集成，以及通過總線或以太網進行通信的快速信息交換。

2.1.1 基于CAN總線的通信模式

CAN總線技術使液壓閥成為一個獨立的控制元件，可實現工業現場的分散控制和集中管理。同時，電液壓閥和電液壓缸可以通過CAN總線形成分散獨立的軸向控制器。CAN總線將電液閥及其壓力、流量、位置傳感器組成的通信單元與其他液壓單元、電子單元和中央工業控制單元連接起來，形成數據交互網絡。這樣可以實現對整個農機電液控制系統的控制和基本信息的收集。

2.1.2 基于藍牙的通信模式

在某些農機生產中，由于電液控制系統沒有足夠的空間放置通信電纜，需要將通信網絡無線化。另一方面，無線通信網絡可以方便工程師調試閥門和監測設備狀態。針對無線通信網絡的需求，一些企業已經發布了集成藍牙的產品，如sun7904a24比例插裝閥。HAWE RV2S-BT集成了藍牙技術，使電液控制系統的控制、監控和管理更加方便、智能。

2.1.3 基于IO-Link的通信模式

不同農業生產方式與地理環境的CAN總線標準很多，這使得用戶在一個項目中使用不同的通信接口連接傳感器、執行器和閥門成為一個難點。IO-Link具有一個開放的生產標準，因此集成了IO-Link的產品幾乎可以與任何使用不同CAN總線的設備連接，使這些產品更容易與其他具有獨立控制系統的設備結合。但是，其只能實現點對點通信，沒有IO-Link Master或IO-Link Hub，它不能將多個設備組合成一個通信網絡。

2.1.4 人機交互軟件

作為硬件基礎，相關電液控制接口可以構建一個巨大的通信網絡，在此基礎上，用戶可以使用ATOS Z-SW、Parker ProPxD、MOOG Valve和泵組態軟件等PC軟件遠程、實時地控制、監測和管理電液控制系統。同時，該軟件可以遠程診斷一些系統故障，如通信故障、硬件故障、電源電壓過載等。

2.2 智能故障診斷

農機電液控制系統的安全性、穩定性與可靠性是保障農業生產效率的重要基礎[4]。隨著統計數學工具的發展，利用數學工具可以定量計算農機電液控制系統的可靠性和穩定性。相關電液控制系統制造商已開始進行產品可靠性測試和故障診斷。目前，市場上的產品大多集中于一些簡單故障的診斷，如電氣故障和通信故障。在實際農業生產中，電液控制系統經常會遇到一些內部深層故障，導致傳感器網絡無法檢測到這些故障。

2.2.1 電流控制系統故障診斷平臺

Marco Münchhof等為農機電液控制系統建立了一個專門的故障診斷實驗平臺。在實際農業生產中，由于系統設計和個人操作失誤，會導致農機電液控制系統出現故障，同時，沒有合適的測量裝置進行自動判別，無法監測閥門的運動狀態和系統運行狀態，只有在故障明顯時才能檢測到故障。因此，研究農機電液控制系統的智能故障診斷對于及時發現故障，防止系統失控具有重要意義。因此，如何從多傳感器信號中提取故障特征并判斷異常狀態是故障診斷的研究重點與發展難點。根據故障診斷的理論和方法，電液控制系統領域常用的診斷方法可分為兩類，基于數據的診斷方法和基于模型的診斷方法。

2.2.2 基于數據的故障診斷方法

基于數據的故障診斷方法通過各種數據分析方法挖掘數據中的隱藏信息，對故障進行預測;然而，大量數據的采集成本較高，數據的不確定性和不完全性會影響該方法的準確性。從實際應用來看，通過檢測信號閾值來診斷故障是一種很實用的方法。一些電液閥產品，如伊頓公司的AxisPro，在電液控制系統安裝傳感器以提高狀態采集能力，并采用數值閾值監測閥的運行狀態。然后，檢查閥門的狀態量，看是否超過預設的閥值，從而進行故障診斷。

后期對該方法進行了推廣，根據采集的大量數據，有效降低了故障診斷的閾值范圍，對于特定比例閥，控制信號與閥芯位移之間的關系隨工況的改變在一定范圍內發生變化。如果出現故障，對應關系也會發生變化。當給出相同的控制信號時，執行器或閥芯位移會超過指定的閾值，可用于故障診斷。

2.2.3 基于模型的故障診斷方法

基于模型的故障診斷方法將故障特征與模型參數緊密聯系起來，建立一個精確的數學模型。由于模型經過大量數據的驗證，可以得到更精確的計算結果。同時，利用物理模型計算系統內部狀態，有效降低了對模型修正數據的要求。圖1模擬了模型故障診斷方法的工作原理。為了提高電液閥控制缸系統模型的精度，可以最小二乘法對模型進行實時補償，也可將識別出的參數與正常工況下的參數進行比較，進行故障診斷。Samadani等也采用參數估計的方法識別電液伺服閥中電磁力放大系數和閥芯運動摩擦力。另一種直接方法是直接利用開環模型仿真與實際物理系統信號進行比較，通過得到的偏差進行故障診斷。由于缺乏保證模型無偏性的數學機制，該方法在建模過程中需要使用更為復雜的非線性模型，而且需要更多的數據來進行模型修正。

3 農機電液控制系統維修技術

由于農業機械在田間使用環境較為惡劣，農機電液控制系統各個零部件在配合過程中可能會出現松動、磨損、零件變形、疲勞及腐蝕等現象，為了維持農機電液控制系統在田間正常運行與延長壽命，應該對農業機械進行定期保養，對各個零部件進行清潔、檢查、潤滑、加緊、調整或及時更換已經磨損的零部件，檢查各個零部件運行狀態，保持農業機械相關系統處于穩定狀態。當農機電液控制系統出現故障時，應該及時進行維修，首先注意對各個關鍵零部件是否存在裂隙進行檢查，主要是將零部件浸泡在煤油中，檢查是否有縫隙流油[5]。

圖1 基于模型的故障診斷方法

4 結論

農機電液控制系統經歷了從純機械結構到機電液一體化的漫長發展歷程，目前正與數字技術和各種通信技術相結合。農機電液控制系統具有智能狀態獲取信息、監測和在線診斷能力，并提供更有效的控制。本研究從傳感器、執行器和電子控制器三個方面闡述了農機電液控制系統的硬件發展，提出高精度集成傳感器和強大的計算數字控制器是未來農機電液控制系統的發展趨勢。精確的模型構建和實驗曲線擬合方法在間接狀態感知方面取得了良好的效果，隨著神經網絡等新技術的逐漸發展及在農業生產中的廣泛應用，間接狀態獲取方法的準確性和計算復雜度得到了顯著提高。采用CAN總線、藍牙、IO-Link等集成通信接口的電液控制系統，為農業生產物聯網搭建硬件基礎，再通過軟件將控制系統的可視化狀態傳遞給用戶，最后，采用基于數據和模型的故障診斷方法，實現了電液控制系統內部故障的實時診斷，從而實現數字化、集成化、智能化發展，推動農機電液控制系統逐漸發展與穩步提升，研究結果對于提高農機電液控制系統的智能化與現代化發展提供技術借鑒與理論基礎。

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