农业机械电控系统故障诊断

陈 明

（海南经贸职业技术学院，海南 海口 571100）

中国农业机械发展30多年，随着机械业机电一体化的进程，农业机械逐渐形成一体化、信息化和智能化，从而对农业机械的故障诊断提出更高要求。现代农业要求故障诊断技术从过去的定时拆卸检修、凭经验维修发展到故障预测，即发现故障苗头时预先进行诊断，清除故障隐患。所以，现代农业机械的故障诊断现代化势在必行，是目前农业机械领域急需解决的重要问题。

1 机械故障诊断技术

机械故障诊断技术是一种了解和掌握机器在运行过程的状态，确定其整体或局部正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。现代工业生产中的故障诊断技术是通过对设备工况进行检测,对故障发展趋势进行早期诊断,找出故障原因,采取措施避免设备的突然损坏,使之安全经济地运转。

机械故障检测诊断的基本过程如图1所示。包含2方面内容:①对设备运行状态进行检测;②发现异常情况后对设备的故障进行分析、诊断。其发展也经历了从简易诊断到精密诊断,从一般诊断到智能诊断,从单机诊断到网络诊断的过程,发展速度愈来愈快。

（1）农业机械电控系统。农业机械电控系统是指由电控单元（ECU）、通信接口模块及执行模块组成，根据驾驶员的操作指令、主机运行工况和各路传感器输入信号进行自动或半自动化，以完成满足农业生产要求的动力传递。目前，国内外农业机械电控化技术发展已相当普及，一些著名农机厂商将信息数据自动采集控制、数据信息批量处理、GPS全球定位系统和激光扫描、信息遥感等现代尖端技术、装备应用于农业机械上。如农用激光平地机就是利用激光调平传感微机处理技术，经过一次地面平整作业，即可成形，且能达到高精度。美国的约翰·迪尔公司所生产的水稻联合收割机就安装了专用的精密电控系统。该系统能向主机提供产量或收获量信息、湿度、待收获作物总质量等读数，能精确测量粮食升运器顶部的谷物流量及实时的产量数据，并分别对分离装置、滚筒转速、割台升降、割台倾斜和停车制动安全等装置进行快捷实时监测与控制。

图1 机械故障诊断基本过程

（2）农业机械诊断技术发展。农业机械诊断技术经历了3个发展历程:①经验诊断阶段:始于19世纪末20世纪初，此阶段要求维修人员的经验非常丰富，由于机器设备较简单，故障诊断主要依靠个体专家或维修人员通过感官直接获得设备的状态信息，并凭借其经验或辅助以简单的仪表对故障进行直接判断；②基于零件寿命评估的诊断阶段:始于20世纪初至60年代，由于可靠性理论的产生和应用，使得维修人员依靠事先对零件寿命的分析与估计以及对设备零件性能的部分检测来完成诊断任务；③基于数模的诊断阶段:始于20世纪60年代的美国，目前已比较成熟，揭开了现代诊断技术的进程。该诊断技术融合了大量现代科技成果:传感器技术使得信号诊断和数据测量变得容易；计算机弥补人类在数据处理上的低效率和困难，提出了状态空间分析诊断、函数诊断、逻辑诊断、统计诊断和模糊诊断等方法。信号检测、数据处理与信号分析构成了这一阶段的主要研究内容。

2 现代农业机械电控系统故障诊断

2.1 农业机械电控系统故障诊断的基本思想

在农业机械电控系统中，设有较多的传感器（速度感器、温度传感器、湿度传感器、换挡传感器等），这些传感器的作用是获得农业生产中的各种信息。机械运行过程中各传感器的信号不断地输入电控单元，使ECU能够判断调试人员的意图、运行工况，从而发出正确的控制指令。在线诊断可以很方便地获取各种传感器的信号，快速地进行监控，判别输入的信号是否在正常的范围内。每一种被监控的传感器都设定有正常的工作范围。当某一传感器的信号值超出正常范围时，信号监控系统分析比较后，判断出该传感器的故障或连接电路的问题，并将该故障以代码的形式存储在存储器中。

2.2 电控系统故障诊断分析

电控系统示意图如图2所示，由图可知，电控系统故障大致可分为3个部分:动力系统有关故障、与传动系统有关故障、与通信系统有关故障。

故障诊断主要针对电控系统常见故障进行分析，帮助维护人员判断故障可能发生的原因及故障点，提高农业机械维护人员的维护水平，保障农业机械的可靠性和安全性。常见故障主要包括电机故障、接线故障、传感器故障、变速箱故障、阀门故障等二十多种故障。

图 2电控系统示意图

2.3 故障诊断方法

（1）电控系统中的冗余法。冗余法有以下2种形式:①直接冗余，不同传感器同一时刻输出信号的静态功能重叠，只存在于传感器之间；②动态冗余，传感器的输出信号和执行机构的输出信号的动态功能重叠可存在于传感器及传感器与执行机构间。通过控制过程的机理分析和数学分析就可确定电控系统的解析冗余，对于农业机械电控系统来说，系统的结构和功能分析是确定解析冗余的前提，在此基础上，与数学分析方法相结合，就可确定系统中的上所有解析冗余关系。

（2）专家规则法。专家规则法是根据农业机械电控系统中的可能出现的故障建立故障库，根据各种传感器和下位单片机的检测结果，通过和专家规则进行比较对比，从故障库读出相应的故障信息和代码并显示。专家规则法的优点是可以对故障库进行修改，并根据需要添加新的故障信息和代码，灵活方便。

2.4 现代农业机械电控系统故障诊断发展趋势

随着农业机械的飞速发展，各种功能的电控系统用于实现农业生产，且数量不断增多，控制功能也变地越来越复杂。同时，现代数学、信息科学强大的渗透力、计算机技术、电子技术、人工智能技术更广泛、更深入应用，推动了机器诊断技术向以下5个方面发展:

（1）应用农业局域网。采用局域网(VAN/CAN)对各子系统模块进行管理的技术将会得到推广应用。为了适应这一发展，要求各子系统模块提高智能化的程度，具有相应的在线诊断功能，由专用的诊断模块对各子系统进行监控，提供故障信息和发生故障的部位。外部诊断设备可以通过局域网，直接对各子系统进行诊断和测试。

（2）增强在线诊断系统对农业机械电控系统运行状态的监视功能。采用大容量的存储器，实时记录机械电控系统运行的状态(各种传感器及执行器的工作状态)，记录故障发生前后的情况。

（3）提高在线故障诊断系统对突发故障的处理能力。预测突发故障的发生，并采取应急措施，更改控制逻辑或给出固定数值替代出错的传感器输出信号，使机械电控系统仍能正常运行。

（4）加强维修点与其维修中心之间故障诊断信息资源的交流与共享。维修点利用网络与农业机械生产厂或售后维修中心之间通信，共享维修诊断资源。维修中心拥有高级的故障诊断专家系统，维修站只需一些简单的计算机终端和更为简单的手持诊断仪就可以工作，这样既增强了维修点的故障诊断能力，又可降低维修成本。

（5）加强诊断技术的研究。将一些新技术用于农业机械电控系统故障诊断。例如，规则系统或专家系统的知识数据库；神经网络和扰动分析模式识别技术及动态模型技术等。增强故障诊断专家系统的功能，提高故障诊断的能力和准确性。

3 结语

利用相关的编程工具，编写程序代码，并运行在相关的设备上（比如PDA、便携式移动PC等），实现能和农业机械电控系统中央ECU准确的互通信息。在进行故障检测时，能准确地接收电控系统中央ECU传送来的故障信息，并及时地对其作出分析，判断出可能的故障点及可能的故障原因，在相关设备上以直观的方式显示给用户和维修人员，提高工作效率，降低维修人员的劳动强度，同时也是提高农业生产效率的有效途径。