摘 要：自動(dòng)化卷包設(shè)備不僅能夠大幅度提高卷煙生產(chǎn)效率，而且能夠降低原輔材料損耗，對(duì)提高煙草企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有積極作用。但隨著長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，設(shè)備不可避免地會(huì)出現(xiàn)故障，如都采用事后維修模式會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率產(chǎn)生較大負(fù)面影響。鑒于此，首先介紹了卷包設(shè)備產(chǎn)品指標(biāo)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和關(guān)鍵部位振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，隨后概述了狀態(tài)監(jiān)測(cè)及檢修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，最后通過實(shí)踐驗(yàn)證了該系統(tǒng)在卷包設(shè)備運(yùn)行記錄、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障維修方面有良好的應(yīng)用效果，具有推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：卷包設(shè)備;狀態(tài)監(jiān)測(cè);卷煙空頭率;故障診斷

中圖分類號(hào)：TS43? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）10-0065-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.017

0? ? 引言

卷煙機(jī)和包裝機(jī)（統(tǒng)稱卷包設(shè)備）是卷煙生產(chǎn)中的核心設(shè)備，同時(shí)也直接決定了卷煙產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。目前，先進(jìn)的卷包設(shè)備，其卷煙速度可達(dá)到20 000支/min，包裝速度可達(dá)到1 000包/min。由于長(zhǎng)時(shí)間處于高速度、高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，隨著使用年限的增加，設(shè)備發(fā)生故障的概率也逐年上升。為了切實(shí)維護(hù)企業(yè)效益，必須做好卷包設(shè)備的檢修維護(hù)工作。相比于人工檢修，利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)時(shí)采集卷包設(shè)備的工況參數(shù)，一旦監(jiān)測(cè)到異常情況可以立即告警，并自動(dòng)生成故障診斷結(jié)果，從而為設(shè)備管理人員進(jìn)行故障處理提供參考。

1? ? 卷包設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1? ? 卷包設(shè)備產(chǎn)品指標(biāo)在線監(jiān)測(cè)

在卷煙生產(chǎn)過程中可選擇量化技術(shù)指標(biāo)輔助卷包設(shè)備的故障診斷，常用的技術(shù)指標(biāo)包括煙支空頭率、煙支重量、煙支外觀缺陷等。以煙支外觀缺陷為例，在卷包設(shè)備運(yùn)行期間，如果存在鼓輪積膠、供膠含氣泡、長(zhǎng)梗簽剔除不徹底等問題，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)出來(lái)的煙支存在濾嘴歪斜、水松紙翹邊、卷煙紙開縫等一系列質(zhì)量缺陷。因此，如果同一批次的卷煙產(chǎn)品中質(zhì)量缺陷率明顯上升，則推測(cè)卷包設(shè)備出現(xiàn)異常。煙支外觀缺陷可利用測(cè)量傳感器監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，該裝置由發(fā)光二極管、光學(xué)透鏡組、遮光片、接收器等組成，監(jiān)測(cè)原理為：發(fā)光二極管發(fā)射出的光線經(jīng)過多個(gè)透鏡的折射后形成直徑為10 mm的穩(wěn)定光柱[1]，煙端掃描鼓輪上的濾嘴卷煙在傳送時(shí)經(jīng)過光柱，帶有同心圓的遮光片位于接收器前面，并且內(nèi)圓直徑略小于濾嘴卷煙直徑，光柱照射卷煙時(shí)，一部分被濾嘴卷煙及遮光片遮擋，還有一部分從同心圓開口處透過并被接收器捕捉，接收器通過對(duì)比發(fā)射器發(fā)出端的光通量和接收的光通量，判斷濾嘴卷煙外形是否合格。如大量濾嘴卷煙外觀均存在瑕疵，則說(shuō)明卷包設(shè)備出現(xiàn)了故障。

1.2? ? 卷包設(shè)備關(guān)鍵部位振動(dòng)監(jiān)測(cè)

卷包設(shè)備中使用了許多精密軸承，如果軸承出現(xiàn)嚴(yán)重磨損、腐蝕裂紋或內(nèi)套弛緩等故障，會(huì)影響卷包設(shè)備的正常運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)致卷煙質(zhì)量受到影響。目前常用的卷包設(shè)備軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)為振動(dòng)診斷法，故障診斷原理為設(shè)定好測(cè)量?jī)x器的參數(shù)后，對(duì)卷包設(shè)備軸承部位的運(yùn)行參數(shù)（加速度有效值和峭度系數(shù)）進(jìn)行多次采樣，根據(jù)分析結(jié)果判斷軸承是否存在異常。其中，加速度有效值（G）可以反映出軸承在頻帶范圍內(nèi)的振動(dòng)幅值，計(jì)算公式為：

G=■? ? （1）

如果G值超過正常水平，則說(shuō)明軸承振幅過大，存在異常。

峭度系數(shù)（K）表示軸承工作面存在疲勞故障時(shí)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一周缺陷處產(chǎn)生的沖擊脈沖，計(jì)算公式為：

K=■? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

K值越大，則說(shuō)明沖擊響應(yīng)幅值越大，故障越嚴(yán)重。正常情況下，軸承的K值服從正態(tài)分布，取3;當(dāng)軸承發(fā)生故障后，K值增加并偏離正態(tài)分布。

通過G值和K值可以判斷出卷包設(shè)備軸承部位是否出現(xiàn)異常情況。

2? ? 卷包設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及檢修系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? ? 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，包含接口界面層、應(yīng)用邏輯層、信息資源層、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)層四大部分，結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

接口界面層主要提供接入服務(wù)以及展示應(yīng)用程序的接口界面，具體又分為安全認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)接入管理等模塊。用戶從接口界面層登錄，經(jīng)過安全認(rèn)證后成功登錄系統(tǒng)，并進(jìn)入主界面。應(yīng)用邏輯層支持該系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，包括卷包設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，以及可靠性評(píng)估、維修任務(wù)管理等。其核心是應(yīng)用邏輯組件，如Web頁(yè)面組件、系統(tǒng)模塊功能組件等，這些組件彼此相互獨(dú)立，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于提高了邏輯的清晰度，方便后續(xù)的維護(hù)，同時(shí)也能保證系統(tǒng)運(yùn)行流暢，具備較好的可擴(kuò)展性。信息資源層由數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)等組成，用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、調(diào)用[2]。外部數(shù)據(jù)經(jīng)過ETL技術(shù)提取后按照數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)類型分別存儲(chǔ)到不同的庫(kù)中。網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)層提供該系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、有關(guān)通信協(xié)議等。

2.2? ? 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)中，除了要求各個(gè)模塊功能可以正常實(shí)現(xiàn)外，還必須從系統(tǒng)的整體運(yùn)行出發(fā)，保證模塊之間具有較強(qiáng)的兼容性。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2.1? ? 狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷

該功能模塊由卷煙產(chǎn)品指標(biāo)分析、卷包設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備運(yùn)行記錄與查詢、故障簡(jiǎn)易診斷四部分組成。其中，卷煙產(chǎn)品指標(biāo)包括煙支空頭率、煙支重量SD、煙支外觀缺陷等，綜合產(chǎn)品生產(chǎn)指標(biāo)判斷卷煙生產(chǎn)質(zhì)量，進(jìn)而推測(cè)出卷包設(shè)備有無(wú)異?；蚬收稀顟B(tài)監(jiān)測(cè)由前端監(jiān)測(cè)儀器采集卷包設(shè)備的振動(dòng)加速度有效值、峭度等基本參數(shù)，然后利用模型庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)模型，將實(shí)時(shí)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，如果參?shù)差值超出允許范圍，則說(shuō)明卷包設(shè)備存在異常。設(shè)備運(yùn)行記錄可記錄卷包設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、故障發(fā)生時(shí)間、故障類型等相關(guān)信息。故障簡(jiǎn)易診斷可綜合故障設(shè)備的溫度、速度、加速度等分析振動(dòng)特性，并生成故障診斷報(bào)告。

2.2.2? ? 點(diǎn)檢管理

該功能模塊是基于卷包設(shè)備運(yùn)行情況設(shè)定故障點(diǎn)，確定點(diǎn)檢部位后設(shè)計(jì)詳細(xì)的點(diǎn)檢內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上生成點(diǎn)檢任務(wù)。后臺(tái)自動(dòng)將點(diǎn)檢任務(wù)單發(fā)送給就近的點(diǎn)檢人員，按照任務(wù)單開展點(diǎn)檢作業(yè)[3]。點(diǎn)檢專員到達(dá)指定位置后，對(duì)卷包設(shè)備進(jìn)行檢查，并將點(diǎn)檢信息實(shí)時(shí)上傳至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通過前端反饋的點(diǎn)檢信息進(jìn)行智能分析，分析卷包設(shè)備存在的故障隱患，明確需要重點(diǎn)改進(jìn)的部位。

2.2.3? ? 可靠性評(píng)估

系統(tǒng)綜合設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、故障發(fā)生時(shí)間及頻率、歷史故障率等相關(guān)信息，對(duì)設(shè)備可靠度進(jìn)行評(píng)估，判斷在特定條件或某個(gè)時(shí)間段內(nèi)卷包設(shè)備正常運(yùn)行的概率。同時(shí)，該模塊還能計(jì)算出可能影響卷包設(shè)備正常運(yùn)行的故障因素，并在監(jiān)測(cè)到該因素后發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒設(shè)備管理人員及時(shí)做好應(yīng)急應(yīng)對(duì)。根據(jù)可靠性評(píng)估結(jié)果，設(shè)備管理人員還可以提前制訂相應(yīng)的維護(hù)計(jì)劃。

2.2.4? ? 維修任務(wù)單管理

該功能模塊可根據(jù)卷包設(shè)備運(yùn)行狀況以及系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果生成維修任務(wù)單，并將其發(fā)送至對(duì)應(yīng)的機(jī)臺(tái)。設(shè)備維修人員根據(jù)維修任務(wù)單找到對(duì)應(yīng)的卷包設(shè)備，檢查并確定故障后進(jìn)行維修。維修完成后，工作人員將故障情況、維修記錄以及零配件更換信息等錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)核實(shí)維修任務(wù)單完成情況后，核銷維修任務(wù)單。

3? ? 卷包設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及檢修系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1? ? 運(yùn)行記錄與產(chǎn)品指標(biāo)

卷包設(shè)備運(yùn)行記錄可從機(jī)臺(tái)電腦中直接導(dǎo)出，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。運(yùn)行記錄表中包含起止日期、班次、機(jī)號(hào)、輕煙、重?zé)?、硬?jié)煙、軟節(jié)煙、總剔除率等基本信息。停機(jī)原因、故障記錄等以故障代碼形式展示，可通過代碼翻譯數(shù)據(jù)庫(kù)獲得詳細(xì)的停機(jī)原因、故障記錄，幫助設(shè)備管理人員全面了解卷包設(shè)備的運(yùn)行情況和卷煙產(chǎn)品指標(biāo)。部分卷包設(shè)備5月4日的故障信息如表1所示。

3.2? ? 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

系統(tǒng)運(yùn)行后利用前端監(jiān)測(cè)裝置采集卷包設(shè)備核心部件（軸承）的振動(dòng)數(shù)據(jù)，然后利用振動(dòng)分析儀將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由計(jì)算機(jī)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，將處理結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，判斷軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)是否正常。實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，軸承滾動(dòng)體頻率譜線上出現(xiàn)振動(dòng)峰值，初步推測(cè)為軸承滾子出現(xiàn)點(diǎn)蝕或裂紋。在此基礎(chǔ)上生成故障診斷報(bào)告，并將該報(bào)告發(fā)送給設(shè)備維修人員。根據(jù)該報(bào)告快速鎖定故障位置后，進(jìn)一步檢查確定滾子出現(xiàn)裂紋，及時(shí)更換新的零件后再次觀察狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

3.3? ? 任務(wù)單管理

卷包設(shè)備異常信息或故障信息，通過PID部件編號(hào)、Def_ID故障類型匯總至任務(wù)單管理模塊，然后自動(dòng)生成維修保養(yǎng)任務(wù)單，并由系統(tǒng)后臺(tái)將任務(wù)單發(fā)送給指定的維修專員[4]。該系統(tǒng)的任務(wù)單管理界面包括周輪保、加換油、一級(jí)點(diǎn)檢、二級(jí)/日常點(diǎn)檢、三級(jí)/專業(yè)點(diǎn)檢、日常維修等內(nèi)容。以日常維修任務(wù)單為例，可添加不同車間各臺(tái)卷包設(shè)備的維修計(jì)劃，保證卷包設(shè)備維修工作順利開展，解決了漏檢問題。

4?   結(jié)語(yǔ)

煙草產(chǎn)品生產(chǎn)中大量使用自動(dòng)化設(shè)備是煙草行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。卷包設(shè)備作為卷煙生產(chǎn)中的核心設(shè)備，由于自身精密化程度高、長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加容易出現(xiàn)故障。通過引進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，以卷包設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)為依據(jù)，在數(shù)據(jù)處理和對(duì)比分析的基礎(chǔ)上得到異常監(jiān)測(cè)或故障診斷結(jié)果，從而為維修人員開展維修作業(yè)提供依據(jù)，對(duì)保障卷煙生產(chǎn)作業(yè)持續(xù)進(jìn)行和維護(hù)煙草企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有積極作用。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2022-02-14

作者簡(jiǎn)介：韋炳佐（1988—），男，廣西河池人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：設(shè)備自動(dòng)化控制與應(yīng)用。