机电一体化设备的故障诊断技术运用分析

朱建辉

（中国平煤神马集团平煤股份一矿，河南平顶山 467011）

0 引言

机电一体化融合电气技术、机械设计技术、机械加工技术以及信息技术等诸多学科。为达到自动化生产的目的，通过在传统机械设备中加入相应的集成电路与微控制器，实现生产加工过程中机械设备的自动化管理，可以极大减少劳动力成本，同时机械加工精度高，产品性能优异，可以提高产品的市场竞争力。目前机电一体化进程在各个行业得以推广，还依赖于其具有较强的故障诊断技术。可以通过自诊断功能，在机器遇到运行故障时可以自动切断电源，发出报警信号。这极大的提高机电一体化设备的可维修率，降低维修成本，达到可持续循环使用的功能。提高系统的故障诊断能力，是设备功能的重要体现。在介绍故障诊断技术相关定义的同时，分析目前几种故障诊断技术的发展情况。在此基础上，结合相关实践经验，分析这些故障诊断技术在机电一体化设备中运用存在的问题，并给出一些建议。

1 故障诊断技术概述

最早的故障诊断技术的提出要追溯到20 世纪80年代，由于汽车生产工艺复杂，其行驶过程中出现故障往往不知道原因。因此，汽车生产厂家提出发展故障诊断技术的概念，希望通过自诊断技术，在汽车故障过程中将故障模块显示出来，便于修理与更换，降低汽车的维护成本。然后，故障诊断的概念得以推广，目前评价故障诊断技术的性能指标有以下几点：

（1）故障诊断的时效性。故障诊断具有时效要求，无论在何种设备加工生产过程中，在系统出错的情况下，能够越早的将故障类型与位置检测出来，其时效性就越好。

（2）故障诊断的灵敏度。往往在设备生产加工过程中，故障的发生都不是突然形成的。大多是微小故障的日积月累，在不断修正的情况下逐步放大，最终造成严重后果。因此故障诊断技术能够越早检测出微小的故障，其灵敏度越高，性能越好。

（3）故障诊断的正确率。故障诊断技术并不是一个完美的技术，存在诊断错误或漏诊断的问题。尤其目前的自动化设备自诊断系统庞大，程序复杂，极有可能存在误报错误的概率。因此，故障诊断正确率越高，诊断系统就越完善。

（4）故障诊断的显示能力。复杂机电一体化系统中，故障诊断的结果显示往往为界面错误代码。但是很多微小故障并没有完全与之匹配的代码号，或者和其他小故障都隶属于某大部件的故障代码号之下，这就加大了维修的难度。因此，故障诊断显示能力的强弱，也在一定程度上影响了设备维修成本。

（5）故障诊断的适应性。机电一体化设备应用在生产加工的各行各业，有些生产行业环境恶劣，存在各种噪声、震动等干扰。因此，故障诊断需要有很强的适应能力，在不同工作场合下都能保持其工作性能是非常重要的。

2 设备故障特点分析

机电一体化设备是由传统的机械设备与微电子控制电路组成。因此其故障特点也可以从4 个部分来讨论。

（1）传统机械设备在生产过程中是一个动态的过程，每一次机械动作都具有随机性、离散性以及模糊特性，因此实际故障具有相当高的隐蔽性的特点，其检测难度大、具有误导性。例如，在煤矿生产过程中，经常出现称重系统的称重质量超过误差范围的现象，检测员根据故障数据怀疑煤矿投放部件损坏。而实际并非如此，称重系统底部的质量测量相关传感器线头松动，但未明显脱离的状态也会引起这样的现象。往往这种现象的隐蔽性会加大故障诊断的难度。

（2）机电一体化设备的功能是持续更新的。目前机电一体化设备在实际生产加工过程中并不是处于一成不变的状态，随着生产加工项目的变化，加工工艺的要求也随之改变。这就要求机电一体化设备去改变系统功能，完成新技术的更迭。而往往设备的故障诊断系统并不能实时随着生产加工系统新技术的变化做出及时的更新。长期以往就会导致诊断系统的故障报警功能混乱，增加维修人员维护与修理的难度。例如，在煤矿开采生产线中，不同客户开采煤矿的纯度与质量不同，这就要求开采过程中需要系统功能不断调整。如果前期开采生产与后期差异较大，极有可能存在系统改进过程中，造成相关子部件的故障诊断系统的缺失。

（3）机电一体化设备一般都较为复杂，具有零部件多，功能强大的特点。而每一个子功能部件是相互联系，密不可分的。往往一个部件的故障会导致与之相关联其他部件的功能失常，使得故障诊断系统很难分辨出最初出错的部件，出现报错紊乱的问题。因此其故障诊断大部分不能确定给出具体的故障零件位置，导致设备检测工作人员的作业难度加大，需要花大量时间去排查所有可能部件，并进行进一步的确认。

（4）机电一体化设备大部分产生的故障是微小故障，这些故障存在间歇性，有些在短时间内并不会在生产加工过程中显现出来，更不会通过报警系统显示，容易进一步延缓故障发现的时机。例如，在煤炭开采时，称重系统的规格要求是100±5 kg，但由于质量测量相关的传感器老化的原因，质量测量精度下降，容易出现+3 kg 的误差。而这个误差是在工艺要求范围内的，系统并不会通过故障检测报警显示出来，长期开采生产过程中会提高煤炭原料质量，无形中增加了生产成本。

3 设备故障诊断技术的方法

（1）设备故障诊断方法总的划分为离线诊断与在线诊断。离线诊断指的在故障产生之后，将故障设备断电，拆下可疑部件进行测试，进一步分析排查出故障位置的诊断方式。这种诊断方式相对复杂，一旦故障产生，需要停机操作，降低设备的利用率。与之相对应的是在线诊断方式，这种诊断方式适用于正在生产加工中的设备，一旦故障产生，会将故障对应的代码号显示在相应显示器上，并且将结果上传至计算机系统，进行记录保存。这种诊断方式会根据故障的严重程度决定设备继续生产加工或是断电处理。

（2）离线诊断方式属于传统故障诊断技术的一种，而随着电子技术与计算机技术的发展，在线诊断的各种应用方式相继被提出。依赖于其无可替代的优点，逐渐在机电一体化设备中得到推广。目前机电一体化设备中大多采用了离线诊断与在线诊断相结合的方式，通过在线诊断可以及时准确的获取设备的故障的位置，通过及时更换部件来保证设备的正常工作。其次，通过离线诊断对替换下来的故障部件进一步检测，确定部件中产生故障的配件，进行修理或者更换。这种在线与离线相结合的方法，综合了二者的优点，能够在保证机电设备工作效率最大化的情况下，及时完成部件故障的维修，达到良好的诊断效果。

4 设备故障诊断操作方法

虽然机电一体化设备的故障诊断技术具有深厚理论基础，涉及电力电子技术、计算机技术、机械设计与加工等多学科交叉，但是在实际故障诊断操作过程中，并非单纯的理论指导就可以完成。操作人员需要严格执行基本的操作手册，按照安全操作步骤与流程去完成检测工作。确保在检测过程中能够最好最快的完成对故障设备的问题分析，并给出解决方案。从多年的实际操作经验中，总结出需注意的2 点问题：

（1）机电一体化设备中，大部分的故障都具有偶发性。往往会在实际运行过程中中断生产加工的进度。此时需要设备故障检测人员能够及时给出应急预案，而不是草率的停机详细检查。这需要设备故障检测人员具有较为丰富的经验，在故障发生后根据故障现象与报警信息给出临时性的解决方案，减少故障事件带来的经济损失。

（2）故障诊断技术需要配以专业的专家指导团队。一旦出现异常的重大故障，设备故障检测人员除了立刻断电停止生产工作，还需要及时上报专家组。专家组成员能够立刻召开问题研讨会，给出检测途径以及改进方案。这样才能够提高重大故障问题解决的时效性。

5 结束语

虽然目前经济的快速发展给机电一体化带来空前的机会，但也面临非常大的挑战。如何有效维护机电一体化设备，是目前故障诊断技术的重要议题。针对这一议题，给出故障诊断技术的相关分析，并详细介绍机电一体化设备的故障特点。另外，根据自身生产工作的实际经验，简要分析在实际设备故障诊断中需要注意的问题，为机电一体化设备的安全生产提供理论依据。