卷煙包裝設(shè)備故障監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)研究

曹興強 李超

摘要：研究了對卷煙包裝設(shè)備的機械磨損、機械疲勞等隱性故障進行監(jiān)控和診斷的智能化控制平臺的建立。首先通過合理選點和安裝包裝設(shè)備的故障監(jiān)測傳感器，獲取設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)；在分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究設(shè)備故障監(jiān)測方案；最后，建立了故障處理的智能化診斷專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)備故障的預(yù)先報警和智能診斷。

關(guān)鍵詞：包裝設(shè)備；故障監(jiān)測；智能診斷

中圖分類號：TB

文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.30.096

1引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，機器設(shè)備的大型化、連續(xù)化、高速化和自動化的發(fā)展趨勢已日益明顯，然而，由于機械零部件本身、設(shè)備所處運行條件、操作管理及維護不足等不可避免因素的影響，機械設(shè)備各種類型故障會時常出現(xiàn)。這不僅會促使機械設(shè)備預(yù)定功能的消弱或喪失，給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失，而且更為嚴重者還將直接威脅到人身安全，釀成災(zāi)難性的事故。為了保障設(shè)備安全、正常運行，人們急切需要一種新的維修機制解決上述問題?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)在保障設(shè)備安全運行，預(yù)防事故發(fā)生以及實現(xiàn)設(shè)備維修制度的變革等方面起到了關(guān)鍵性的指導(dǎo)作用，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。故障診斷是隨著生產(chǎn)過程的復(fù)雜化而產(chǎn)生的一種技術(shù)，由于和現(xiàn)代傳感器技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)展現(xiàn)出了很強的生命力。

GD包裝設(shè)備為現(xiàn)階段卷煙企業(yè)的主力包裝設(shè)備，具有控制規(guī)模大、自動化程度高和柔性化強的特點。由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，價格越來越昂貴，因此各種故障而導(dǎo)致的停機都是不可忍受的負擔(dān)。為此，本文提出了一種能夠?qū)頍煱b設(shè)備進行實時故障監(jiān)測和智能診斷的自動化控制系統(tǒng)，以最大限度減少停機維修的時間，以及在故障發(fā)生之后能夠迅速做出反應(yīng)。本系統(tǒng)的研究共分為以下三個部分，首先是進行傳感器的選點和安裝，以獲取包裝設(shè)備的相關(guān)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)；其次進行故障監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，通過對設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析和監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障；最后建立智能診斷專家系統(tǒng)，能夠根據(jù)專家經(jīng)驗智能化地對設(shè)備故障進行診斷，并提出有效的處理建議。

2傳感器選點與安裝

針對包裝設(shè)備故障檢測，可分別采用TA102-1a振溫傳感器和普通振動傳感器兩種類型。在具體布置設(shè)備振動傳感器的安裝時，按照三個原則進行選點：

（1）安裝位置應(yīng)盡量靠近軸承的承載區(qū)，也就是反映轉(zhuǎn)子振動特征最敏感的部位和信息最集中的部位。

（2）安裝位置與被監(jiān)測的轉(zhuǎn)動部件最好只有一個界面，盡可能避免多層相隔，以減少振動信號在傳遞過程中因中間環(huán)節(jié)造成的能量衰減。

（3）安裝位置必須要有足夠的剛度。

測點1位于電動機左側(cè)底座上，采用TA102-1a振溫傳感器。該監(jiān)測點的選取主要是對整套設(shè)備的動力來源的穩(wěn)定性進行監(jiān)測。測點2位于初級傳動軸軸承座上，采用TA102-1a振溫傳感器。該監(jiān)測點的選取主要是對傳動機構(gòu)的狀態(tài)進行監(jiān)測。測點3位于二級傳動軸上的隔板上，采用TA102-1a振溫傳感器。該監(jiān)測點的選取主要是對傳動機構(gòu)的狀態(tài)進行監(jiān)測。除了動力裝置的故障監(jiān)測外，還包括對設(shè)備整體狀態(tài)的監(jiān)測，因此分別又加裝了四個普通傳感器，位于裝盒機玻璃罩下機箱頂左下角、右上角、裝盒機后側(cè)動力系統(tǒng)處、裝包機機箱頂角處等。

3故障監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)對傳感器獲取的振動和溫度等設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析的結(jié)果，建立相應(yīng)的故障監(jiān)控系統(tǒng)。以測點1為例，通過對測點1的振動位移、振動速度、振動加速度、溫度進行實時數(shù)據(jù)收集，通過統(tǒng)計分析技術(shù)進行分析，見圖1。

在圖1中，分別是對設(shè)備較為穩(wěn)定狀態(tài)下檢測到的振動和溫度數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，其中，振動位移、振動速度、振動加速度分別采用均值-標(biāo)準差（Xbar-S）控制圖進行分析，振動速度在設(shè)備穩(wěn)定狀態(tài)下基本保持勻速，且與包裝機轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在65（r/s）左右時，振動速度也穩(wěn)定在1.30（mm/s）左右，均值，方差。

振動位移在設(shè)備穩(wěn)定狀態(tài)下基本保持較小變化，而在包裝機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時往往容易造成振動位移的短時間增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在6.5（r/s）左右時，振動位移也穩(wěn)定在8（um）左右，均值，方差。

振動加速度在設(shè)備穩(wěn)定狀態(tài)下基本保持在較低的水平，且變化的幅度也比較小，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在6.5（r/s）左右時，振動加速度基本穩(wěn)定在0.25（mm/s2）左右，均值，方差。

溫度目前呈往復(fù)式勻速上升狀態(tài)，當(dāng)包裝機正常作業(yè)時，溫度勻速上升，達到一定高度后溫度上升開始變緩，甚至保持基本穩(wěn)定，而當(dāng)包裝機轉(zhuǎn)速下降時，溫度開始快速回落。測點1的溫度上升速度約為（℃/s）。

對于設(shè)備故障的診斷，大多數(shù)診斷標(biāo)準（如ISO10816在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機器的機械振動、ISO10817轉(zhuǎn)軸振動測量系統(tǒng)、VDI2056軸承座振動標(biāo)準等）都采用分區(qū)的方式，因此本項目在已有標(biāo)準的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備運行情況及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，分別對振動和溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分區(qū)監(jiān)控的設(shè)計。對于振動速度、振動位移、振動加速度的監(jiān)測，可分為四個分區(qū)，以振動速度為例，見表1及圖2。

圖2中四條線的位置計算方法為：

（1）在設(shè)備狀態(tài)正常，并處于穩(wěn)定狀態(tài)下（轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定），收集一組（約50-100個）振動速度測定值。

（2）計算它的平均值μ0和標(biāo)準差σ0。

μ0=x1+x2+…+xnn

σ0=Σni=1（xi-μ0）2n-1

（3）基準值=μ0；

預(yù)警值L預(yù)警=μ0+3σ0；

報警值報警=2（μ0+3σ0）；

停機值停機=3（μ0+3σ0）。

對于設(shè)備溫度的監(jiān)控，同樣可分為如表2的三個分區(qū)。

4智能診斷系統(tǒng)設(shè)計

智能診斷系統(tǒng)是一類包含知識和推理的智能計算機程序，智能診斷系統(tǒng)是人工智能在機械故障診斷領(lǐng)域中的應(yīng)用，由于專家系統(tǒng)具有成長周期短、使用成本低、便于復(fù)制、能夠集中多個領(lǐng)域?qū)＜业闹腔鄣戎T多優(yōu)點而受到各方面的普遍關(guān)注，已成為機械故障診斷學(xué)科的一個研究熱點和最新發(fā)展動向。智能診斷是系統(tǒng)建立的一個計算機與現(xiàn)場維修人員的一個通道，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障或發(fā)現(xiàn)故障前兆時，系統(tǒng)會發(fā)出報警，并生成一個故障處理單，故障處理單中包括故障現(xiàn)象數(shù)據(jù)、根據(jù)故障數(shù)據(jù)比對歷史處理記錄中的專家經(jīng)驗，獲取到的故障原因判斷及相應(yīng)的解決方案等。現(xiàn)場維修人員根據(jù)故障處理單的內(nèi)容到現(xiàn)場開展相應(yīng)的排查處理，處理完成后，將處理的結(jié)果回饋系統(tǒng)，系統(tǒng)可根據(jù)處理結(jié)果更新專家?guī)臁?/p>

5結(jié)論

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的實質(zhì)是了解和掌握設(shè)備在運行過程中的狀態(tài)，評價、預(yù)測設(shè)備的可靠性，早期發(fā)現(xiàn)故障，并對其原因、部位、危險程度等進行識別，預(yù)報故障的發(fā)展趨勢，并針對具體情況作出決策。本文針對卷包車間GD包裝設(shè)備的機械磨損、機械疲勞等隱性故障進行監(jiān)控，提前提示機械設(shè)備的壽命曲線，通過增加必要的溫度、振動等傳感器，并選擇合理的安裝位置，設(shè)計合理的研究方案對設(shè)備故障的智能監(jiān)控和診斷進行研究；在此基礎(chǔ)上，建立完善的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷輔助系統(tǒng)平臺，針對GD包裝設(shè)備的機械磨損、機械疲勞等隱性故障進行監(jiān)控，實現(xiàn)了設(shè)備故障的預(yù)先報警和智能診斷，為企業(yè)高效的生產(chǎn)經(jīng)營、檢修維護、設(shè)備管理提供了有力的保障。

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