何向鋒，楊忠華，趙仁芳，黃鳳燕

（1.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣西 南寧 530007；2.南寧科泰機(jī)械設(shè)備有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西商貿(mào)高級(jí)技工學(xué)校，廣西 南寧 530007）

0 引言

在當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化與智能化發(fā)展的趨勢(shì)下，越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備中安裝了繼電器、控制器、傳感器等，有效地提升了機(jī)械設(shè)備的工作性能[1]。與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)與各個(gè)組成系統(tǒng)變得日益復(fù)雜。在運(yùn)行過(guò)程中，受到設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、使用對(duì)象、運(yùn)行條件等多項(xiàng)因素的影響，使得設(shè)備發(fā)生故障的概率不斷提高[2]。針對(duì)這一問(wèn)題，最有效的解決方法就是通過(guò)故障診斷系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備各個(gè)運(yùn)行階段的工況作出監(jiān)測(cè)，找出潛在的故障隱患，并及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，進(jìn)而保證農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的可靠性與安全性[3]。然而，當(dāng)前傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)成熟度較低，且隨著時(shí)代的進(jìn)步與發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備技術(shù)不斷升級(jí)，傳統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)逐漸無(wú)法滿足設(shè)備診斷的需求[4]。為此提出農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以期為提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷效率與診斷精度作出貢獻(xiàn)。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

器、DSP 核心板、LCD 顯示模塊與通信模塊等。同時(shí)選擇合適的硬件設(shè)備安裝位置和布局，以及合理的電路連接和電源供應(yīng)，共同搭建良好可靠的硬件運(yùn)行環(huán)境。具體步驟如下：

微處理器作為系統(tǒng)的核心部件，需要選擇具有高性能和低功耗的型號(hào)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此選擇與農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)適配度較高的微處理器。選擇的型號(hào)為STM36F827 的高性能單片機(jī)，其內(nèi)核為Cortex-M8，整體功耗較低，性能較高。

DSP 核心板需要具備工業(yè)級(jí)別的性能和可靠性，以支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算。因此選擇DSP 核心板：型號(hào)：AM5728；電源電流：830 mA；種類(lèi)：工業(yè)級(jí)核心板；功率：4.09 W。

LCD 顯示模塊與通信模塊則需要滿足系統(tǒng)的終端顯示和觸控功能，同時(shí)按照系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以確保其與其他硬件設(shè)備的兼容性和穩(wěn)定性。因此選取STM36F827 自帶的顯示控制器，提供RAM 作為顯示器的顯存。LCD 顯示模塊與通信模塊技術(shù)參數(shù)設(shè)置，見(jiàn)表1。通過(guò)該硬件，實(shí)現(xiàn)低功耗情況下，故障信息遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪繕?biāo)。

表1 LCD 顯示模塊與通信模塊技術(shù)參數(shù)

為了保證故障診斷系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定地運(yùn)行，首先，設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行所需的硬件設(shè)備。其中包括微處理在安裝微處理器和DSP 核心板時(shí)，考慮到其散熱問(wèn)題，在其中間位置安裝散熱器設(shè)備，確保硬件設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)合理布置各個(gè)硬件設(shè)備之間的電路連接，以確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。使用電源濾波器或過(guò)流保護(hù)裝置，保證電源的可靠性和穩(wěn)定性，防止電源波動(dòng)或過(guò)載問(wèn)題，以此搭建良好的硬件運(yùn)行環(huán)境。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在上述過(guò)程中，完成了故障診斷系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)搭建了良好的硬件運(yùn)行環(huán)境，為優(yōu)化診斷系統(tǒng)整體功能的穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力支持。在此基礎(chǔ)上，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的軟件進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)運(yùn)行性能。

2.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

利用故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，全方位、多個(gè)不同維度地采集待診斷農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的各項(xiàng)故障數(shù)據(jù)，及時(shí)上傳，保證故障數(shù)據(jù)的時(shí)效性與采集精度。在此基礎(chǔ)上，對(duì)采集設(shè)備故障數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，例如設(shè)備突發(fā)性噪聲干擾數(shù)據(jù)、與實(shí)際值偏差較大的數(shù)據(jù)等，濾除異常數(shù)據(jù)，避免系統(tǒng)后續(xù)診斷中發(fā)生過(guò)擬合問(wèn)題[5]。采用正規(guī)化數(shù)據(jù)處理方法原理，對(duì)設(shè)備故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其表達(dá)式為：

其中，x?表示正規(guī)化處理后的設(shè)備故障數(shù)據(jù)；x表示原始設(shè)備故障數(shù)據(jù)；μ表示故障數(shù)據(jù)均值；σ表示故障數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。通過(guò)該表達(dá)式，完成設(shè)備故障數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲取能夠準(zhǔn)確反映設(shè)備故障狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

2.2 建立設(shè)備故障診斷模型

完成上述農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障數(shù)據(jù)預(yù)處理后，獲取到與故障診斷系統(tǒng)契合度較高的設(shè)備故障數(shù)據(jù)，接下來(lái)，在系統(tǒng)中，建立設(shè)備故障診斷模型，全方位地對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷操作[6]。

為了提高設(shè)備故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，引入RNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立了故障診斷模型，結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1 所示。

圖1 基于RNN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的故障診斷模型

建立的系統(tǒng)故障診斷模型中包括四個(gè)層次結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。將上述預(yù)處理完畢的設(shè)備故障數(shù)據(jù)輸入到模型輸入層中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)特殊點(diǎn)，將其傳遞給下一個(gè)時(shí)刻使用[7]。模型隱藏層與循環(huán)層之間通過(guò)迭代訓(xùn)練，不斷診斷農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障隱患，迭代完畢后，將故障診斷結(jié)果傳遞至輸出層[8]。設(shè)備診斷結(jié)果為故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)輸出故障類(lèi)別，并發(fā)出故障報(bào)警，將故障診斷數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)與管理，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷的目標(biāo)。

2.3 設(shè)計(jì)故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)

基于上述農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷模型建立完畢后，達(dá)到了設(shè)備故障全方位高精度診斷的目的。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)設(shè)備故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)并管理上述得出的故障診斷數(shù)據(jù)，為設(shè)備運(yùn)維養(yǎng)護(hù)提供參考依據(jù)[9]。

基于E-R 圖，得出農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷實(shí)體之間存在的相互關(guān)聯(lián)見(jiàn)圖2。

圖2 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)E-R 圖

在獲取農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)實(shí)體關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)表見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)表

按照表2 字段說(shuō)明及數(shù)據(jù)類(lèi)型，存儲(chǔ)并管理農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷數(shù)據(jù)，一方面為下次設(shè)備故障診斷提供參考依據(jù)，另一方面能夠?yàn)樵O(shè)備運(yùn)維養(yǎng)護(hù)提供有力的數(shù)據(jù)支持，能夠有針對(duì)性地對(duì)設(shè)備故障作出檢修。

3 系統(tǒng)測(cè)試

以上是針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中存在的故障隱患，提出的故障診斷系統(tǒng)的全部設(shè)計(jì)流程，分為硬件部分與軟件部分。在該診斷系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用前，首先，對(duì)其診斷有效性以及診斷效果作出如下文所示的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后方可投入實(shí)際使用。

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

按照提出的系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容，搭建農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)。使用Storm 作為此次系統(tǒng)測(cè)試處理海量設(shè)備故障數(shù)據(jù)流的云平臺(tái)基礎(chǔ)。在云平臺(tái)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)上，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試需求以及農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況與特征，布置Supervisor 組件，主要負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷數(shù)據(jù)接收處理。布置Nimbus 組件，控制及管理系統(tǒng)的各個(gè)故障診斷從節(jié)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，利用黑盒測(cè)試方法，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的性能進(jìn)行全方位測(cè)試。

3.2 結(jié)果分析

選取高性能CAN 卡，將其接入設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端，模擬收發(fā)設(shè)備故障診斷數(shù)據(jù)，作為故障數(shù)據(jù)源，測(cè)試系統(tǒng)故障診斷的正確率。設(shè)置農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障報(bào)文數(shù)量分別為20、40、60、80、100、120 個(gè)，每幀故障報(bào)文發(fā)送間隔為10.5 ms。設(shè)置上述的故障診斷系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)組，文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]提出的故障診斷系統(tǒng)為對(duì)照組1 與對(duì)照組2，對(duì)比分析系統(tǒng)故障診斷結(jié)果。進(jìn)行1000 次循環(huán)測(cè)試，利用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件，統(tǒng)計(jì)三種系統(tǒng)故障報(bào)文診斷情況，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 故障報(bào)文診斷統(tǒng)計(jì)結(jié)果

通過(guò)表3，得出三種系統(tǒng)故障報(bào)文診斷成功次數(shù)與誤診、漏診次數(shù)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)表1 的診斷統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別計(jì)算出三種系統(tǒng)的故障診斷正確率，并繪制對(duì)比圖（圖3），更加直觀地檢驗(yàn)系統(tǒng)的診斷效果。

圖3 三種系統(tǒng)故障診斷正確率對(duì)比結(jié)果

從圖3 看，三種農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的診斷效果有明顯的差距。筆者提出的系統(tǒng)，其故障診斷正確率均在99%以上，最高可達(dá)99.8%，最低為99.5%，故障診斷精度較高。對(duì)照組1 的故障診斷正確率最高為93.4%，最低為91.5%；對(duì)照組2 的故障診斷正確率最高為94.7%，最低為91.4%。相比之下，不難看出，筆者設(shè)計(jì)的故障診斷系統(tǒng)具有較高的診斷正確率，故障診斷正確率接近100%，能夠準(zhǔn)確地診斷出農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備潛在的各項(xiàng)故障隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備高強(qiáng)度使用過(guò)程中，受到設(shè)備使用環(huán)境、使用條件等因素的影響，存在一定的故障隱患。若故障隱患診斷不及時(shí)，會(huì)引發(fā)設(shè)備運(yùn)行故障，降低設(shè)備使用壽命的同時(shí)，存在嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，科學(xué)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)至關(guān)重要。從系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，研究出了一種全新的故障診斷系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試可知，筆者設(shè)計(jì)的故障診斷系統(tǒng)具有較高的可行性，能夠在快速時(shí)間內(nèi)診斷出機(jī)械設(shè)備運(yùn)行異常狀況，并作出故障定位，為后續(xù)故障維修提供了重要參考依據(jù)。