故障診斷技術在煙草行業的應用

楊 露，李 乾，權發香，程 亮

（紅云紅河集團會澤卷煙廠，云南曲靖 654200）

0 引言

隨著煙草消費的更新升級以及煙民自我健康意識的提升，卷煙工業面臨著更加復雜的外部環境、日益激烈的產品競爭、不斷提升的消費需求。煙草行業發展已經從擴容式增長走向集約式增長，“降本增效”成為煙草工業共同面對的問題。物聯網、自動控制技術、設備診斷技術不斷迭代，現在煙草行業對生產過程自動化程度要求不斷提高，越來越多的大型化、智能化、集成化機械設備應用到煙草行業的生產過程中，煙草機械的精密度和結構復雜性更加明顯，一個組件涉及眾多標準件、非標零件組合，內部結構較為復雜，其中某個零件局部出現問題將導致該組件運動精度發生改變，影響整個生產計劃，降低設備效率。目前，我國大型煙草企業陸續從國外各大煙機公司引入各種新型高速設備，相關部分技術被國內煙草機械公司進行引進、消化吸收。這就對煙草機械設備的運行安全提出更高的要求，因為一旦生產線發生機械故障，高速運轉的機械設備帶來的損失將十分巨大。因此煙草行業的機械故障診斷技術就顯得越來越重要，必須結合工廠實際操作情況以及使用的煙機設備的不同型號，制定更加先進以及安全的診斷方法，淘汰低效的診斷方法。近20年來設備診斷方法不斷增多，計算機技術、診斷技術、信號處理算法等不斷結合，使得故障診斷技術越來越趨于智能化和自動化。

1 故障診斷的含義

煙草故障診斷技術是指煙草機械設備通過技術手段的診斷來確定煙草機械設備的運行狀態是否正常，機械設備的局部與整體之間的配合狀態是否正常，以及機械設備的運行效率是否正常，從而對機械設備是否能夠正常運行以及故障情況進行判斷的學科[1]?，F有的定期維保與輪休輪保制度，受限修理人員技能水平與經驗，原本設備結構標準安裝調試的位置、結構運行配合銜接、配合精度等受到影響。如果維修保養不到位將加速設備老化，同時對產品質量產生一定的隱患，造成設備停機故障頻發，產品質量間歇出現缺陷。

2 故障診斷的發展階段

故障診斷技術發展可以分為以下幾個階段：基礎診斷階段、經驗診斷階段、診斷技術階段和智能診斷階段[2]。

（1）基礎診斷階段的診斷方法及其落后，通常只能通過人工診斷初步判斷較為嚴重的機械故障或者是比較明顯的機械故障。這種診斷手段對于不明顯或者是細微的零件，例如軸承損壞，或配合零件精度改變引起的機械故障，或未發生的隱患，則無法診斷出來。因此這是極為落后的診斷方法，目前逐漸被其他診斷手段所代替，如卷煙工業普遍使用的三級點檢制度，從設備組件外觀、參數設置、運行異響等進行判斷。

（2）經驗診斷階段，診斷效率取決于診斷人員平常積累的工作經驗，除了采用產品的抽樣診斷之外，大部分取決于診斷人員的自主判斷。例如通過觀察機械的工作狀態和機械運作發出的聲音，來判斷煙草機械設備的工作狀態是否正常。除此之外，無論是通過抽樣質檢法還是人工觀測法都只能大概判斷出機械是否存在故障。無法精確判斷出故障發生的位置以及故障原因，更無法做到對故障的精確排除與維修。同時無論是基礎診斷還是經驗診斷都只能對故障機械進行及時止損，很難對機械故障預測從源頭上避免故障造成的損失，屬于事后維修階段。這種維修模式在計劃工作時間內因為設備故障、過程缺陷會對設備效率帶來負面影響，拉低包裝機設備綜合效率，甚至引發因為產品質量缺陷進行質量追溯的設備閑置時間。跟蹤統計，會煙2022年2—5月中支包裝維修項目與時長如圖1所示，圖中僅僅是列舉維修時間大于65min的維修項目，機械維修項目占到整體維修時長的96.6%，所有的維修項目中重復性維修項目頻次較高，突發、偶發、異常的故障可能因為缺少備件延長機組待機時間。

圖1 中支包裝設備維修內容與時長

（3）診斷技術階段是基于一套故障診斷技術的理論以及相應的診斷設備對煙草機械進行更加精確快速的診斷方法，目前的診斷設備大致分為振動檢測器、溫度檢測器、加速度檢測器。通過診斷機械設備運行時采集的信號，通過數模轉換，利用一定的數據算法進行特征信號提取，與正常工作時的數據進行對比分析，若是收集的數據在正常數據區間之外，則發出故障信號，煙草機械設備進行急停檢修，根據傳感器位置精確判斷出故障機構中的零件及耗損情況。該診斷方法還可以避免在診斷過程中對部分封閉零件進行拆卸診斷，這樣可以對高精度零件的配合精度影響降到最低。同時對于零件的磨損還可以通過其周期性信號變化來判斷出耐損零部件和易損零部件，對不同的零部件進行周期性質檢來制定出更合理的診斷方案，既提高了機械的使用壽命，又降低了診斷的成本。例如，YB25小盒包裝機背后的齒輪箱內某個傳動齒輪齒面點蝕，初期可能周期性出現缺陷產品，修理人員可以通過造成產品缺陷的包裝過程中某一個折疊傳送通道，進行機構間隙調整、機構零件更換。經過不斷修正維修方向，最終才能確定是傳動系統出現問題，更換某個齒輪后需要對傳動系統進行相位確認，整個維修耗時較長。目前，重慶卷煙廠針對GDX2包裝機利用聲振對成型推桿齒輪箱進行高頻能量比、聲振能量比診斷，結合傳感器位置邏輯關系診斷關聯部位的設備模式情況[3]，再結合故障診斷理論和合理的診斷方案之后，對耐損零部件的診斷周期適當擴大，對于易損零部件周期相應縮短，替換成加工性能更好的零件，都可以降低機械故障以及修理方面的資金投入。例如，FOCKE350硬7#包裝機偶發出現中支小盒斜角露白產品缺陷，現在使用的中支硬盒包裝機是在常規的FOCKE350S包裝機機組的基礎上進行改造的。包裝工藝過程：經過商標紙輸送軌道、煙包裹包機構后，完成除商標紙短頂斜片、外側蓋片外其余的折疊，第二推進器從折疊轉塔將部分折疊的煙包推出進入煙包通道，煙盒在經過大膠缸涂膠機構時在外側蓋片、短頂斜片兩側涂上膠水，成型的煙盒由提升器夾持煙包底板和蓋片端垂直送入傳遞轉臺，煙包在運動的過程，外側蓋片、短頂斜片兩側與傳遞轉臺活動的邊爪接觸，進而完成外側蓋片粘貼在長內側斜片上，短頂斜片粘貼在短內側斜片，完成煙盒的折疊成型。

用標準模盒量塊對干燥鼓輪各個模盒尺寸進行確認，符合工藝標準，最終考慮故障因素為：現有的預折疊結構存在設計缺陷，由于中支煙支圓周變細，造成煙盒高度變小以及煙盒寬度變小，導致外側蓋片、短頂斜片變窄，經過大膠缸涂膠機構時，在外側蓋片、短頂斜片兩側涂膠，提升器在提升過程中，煙盒兩側折疊不良，出現煙包斜角露白、斜角翻卷、彎曲變形等外觀質量缺陷，帶動傳遞轉塔的活動安全導軌頻繁被抬起，觸發活動安全導軌的接近開關，導致包裝機組停機頻次較高。因此在進入干燥鼓輪前，從新設計安裝一個預折疊器，當從折疊轉塔出來的煙包經過大膠缸的打膠輥完成商標紙外側蓋片、短頂斜片特定位置涂膠后，通過弧形板將其往下逐漸折疊90°，在膠液作用下，分別粘貼在長內側斜片、短內側斜片上，進而在進入提升器動作前完成外側蓋片、短頂斜片向下折疊的動作，但改進后中支小盒斜角露白數量減少并不明顯，手動盤車利用百分表對干燥鼓輪支持軸進行徑向跳動診斷，因為速度較低，徑向跳動量較小，不易觀察，通過LKG5000系列高精度激光位移傳感器在包裝機低速運行時，控制器通過相應算法轉化為軸圓周表面上某點與傳感器的距離，并通過USB與PLC進行連接。PLC安裝的專用軟件可實時顯示數字變化，最終確定為干燥鼓輪支撐軸跳動原因，組織修理人員進行相關軸承的更換并加注潤滑脂，利用標準模板對干燥鼓輪模盒進行校驗調整。設備重新運行后，該產品缺陷數量明顯降低。

目前網絡技術、智能診斷技術、集成技術的不斷成熟與人工智能相結合不斷的應用在煙草機械診斷領域，借助各種傳感器、分析軟件、PLC控制器、視頻網絡等可以達到遠程高效的診斷效果，這就為煙草機械設備的健康狀態實時監控奠定了基礎。故障診斷技術研究與運用需要企業管理層重視，通過在機械動力學、診斷原理、信號處理、數據分析等理論進行高素質人才培養，與相關專業的學者、機構開展項目攻關合作，對高精密旋轉的軸、末端執行機構間隙要求較高的傳動機構、難以深度保養的設備內部零部件等進行振動、溫度、位置診斷，并利用接近開關、電容開關、圖像識別、色標診斷、紅外測量等傳感器進行機構保護與防差錯，避免剛性碰撞與突發安全事故，對各種安全隱患及質量隱患及時預警。智能診斷階段則需依托于計算機技術的發展、網絡通信、人工智能技術，以及各種算法：神經網絡、深度學習、數字孿生等，這也是未來機械診斷技術的一個發展趨勢。

3 故障診斷的發展趨勢

目前故障診斷技術的發展逐漸向智能化和高精度兩個大方向發展，原因是網絡技術和計算機技術的飛速發展為診斷技術提供了新的診斷途徑，即遠程診斷。遠程診斷減少了人工成本的支出，可以更加高效迅速地對煙機設備進行故障診斷，避免了因人工失誤造成的誤診、漏診等事件的發生。例如，診斷人員通過診斷設備收集到的設備工作數據信息來對機械設備的工作情況進行判斷，同時針對某個區域或者關鍵部位，通過網絡通信將傳感器采集的相關數據傳送到指定服務器和相關分析軟件，相關專業人員可以通過對數據進行分析，為設備出現的各種疑難問題指導改進思路。與人工智能技術結合的智能診斷技術是另一個發展方向，在此前技術領域的基礎上，結合集成技術和人工智能技術開展機械設備的健康狀態監測，在故障診斷的診斷和處理方面實現一體化和自動化，能根據各個故障表現分析出煙草機械故障發生原因、位置、嚴重程度，給修理人員指定修理方案提供指導，在煙草機械運行效率、穩定性、安全性以及維修成本等方面有質的提升。

煙草機械設備的健康監測體系通過計算機技術網絡技術與人工智能技術的結合，在診斷理論的加持下實現對煙草機械設備的健康狀態進行預警、監測和維修處理，擺攤人工監測，制定合理的高精度監測方案，對煙機設備實時監控，對于故障提前預警排除或是及時止損?？梢源蠓裙澕s在故障診斷方面的投資成本和需要的人力資源，又能高效準確地對故障進行排除和修復。因此，在目前煙草行業中，診斷手段也需要朝著智能化與自動診斷方向發展[4]，確保能夠合理高效地運用新型材料，對相關算法加以改進，使得故障診斷技術能夠與新技術相結合，不斷適應日益激烈的行業競爭。因此在故障診斷技術的研發過程中，應該加大投資力度，優化軟件和硬件設備，提供更加安全可靠的診斷手段。

4 結論

故障診斷技術作為一門學科至今已經日益成熟，與各種相關的領域和技術不斷結合衍生出諸多更高效準確的診斷手段。本文論述了過去我國煙草行業的故障診斷技術以及現階段所使用的故障診斷技術，對今后的故障診斷技術進行展望。從基礎診斷發展、經驗診斷到現今使用較多的技術手段診斷，最終朝著智能診斷方向的發展，離不開診斷理論的不斷完善，以及計算機技術、網絡技術和人工智能技術不斷發展，才能與煙草機械設備的診斷相結合，不斷淘汰過去落后的診斷手段，實現更加智能高效的診斷手段，最終形成機械設備的健康監測生態，做到預防、診斷到修復的一體化，大程度降低煙草行業在診斷方面的投入。