卷煙廠除塵風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)

張寶，劉波

（1.四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司綿陽卷煙廠，四川綿陽621000；2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010）

卷煙廠除塵風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)

張寶1，劉波2

（1.四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司綿陽卷煙廠，四川綿陽621000；2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010）

針對集中式工藝風(fēng)力供給和除塵系統(tǒng)風(fēng)機(jī)開發(fā)的故障診斷系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，輔助維護(hù)人員制定正確合理的維修策略，降低維修工作量及維修費(fèi)用。

除塵風(fēng)機(jī)；實(shí)時監(jiān)測；故障診斷

0 引言

風(fēng)機(jī)是卷煙廠輔助生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，涉及制絲車間的排潮系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、卷接機(jī)組集中工藝風(fēng)力除塵系統(tǒng)及風(fēng)力送絲系統(tǒng)。早期卷煙廠采用單機(jī)工藝風(fēng)力供給和多機(jī)集中除塵，生產(chǎn)線技改后，工藝風(fēng)力（吸絲成型，煙支和濾嘴接裝成型）與除塵風(fēng)力融合，變成集中式的工藝風(fēng)力供給和除塵系統(tǒng)。因此，一旦風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，風(fēng)壓不穩(wěn)，會嚴(yán)重影響成品煙支質(zhì)量，出現(xiàn)煙草粉塵污染，整個生產(chǎn)車間無法正常運(yùn)行。卷煙廠采取的以“計劃維修”為主的設(shè)備檢修方式，通常伴隨“維修過?！被颉熬S修不足”的問題。將故障診斷技術(shù)應(yīng)用到卷煙廠風(fēng)機(jī)設(shè)備，有助于降低風(fēng)機(jī)的故障率，降低維修工作量及維修費(fèi)用，提升設(shè)備的管理水平。

1 風(fēng)機(jī)故障診斷技術(shù)

在故障診斷技術(shù)不斷地應(yīng)用于風(fēng)機(jī)的智能管理過程中。楊波[1]等人針對回轉(zhuǎn)窯風(fēng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際情況，對遠(yuǎn)程監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行了研究。該系統(tǒng)采用模糊故障診斷模型與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的技術(shù)建立基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的診斷專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)設(shè)備故障的自動識別。通過C/S模式，用戶在辦公室或Internet上任意一臺經(jīng)過授權(quán)的客戶端PC上，均可登錄并訪問設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷服務(wù)器，對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時遠(yuǎn)程的在線監(jiān)測與故障診斷。

曾永龍[2]等人以冶金除塵風(fēng)機(jī)為研究對象，開發(fā)基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過CAN總線與服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用BP網(wǎng)絡(luò)與ART-2網(wǎng)絡(luò)聚類分析實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合與診斷分析，實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測與故障診斷，并驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性和可行性。

蘭建武[3]等人在研究了風(fēng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見故障以及振動信號的分析與處理的基礎(chǔ)上，通過C/S結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)了基于LabVIEW的風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，運(yùn)用DataSocket來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)中的傳輸。該系統(tǒng)具有性能可靠、開發(fā)成本低、界面友好、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，能有效實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)測與故障診斷。

劉洋[4]等人以煤礦主扇風(fēng)機(jī)為對象，采用3層集散式結(jié)構(gòu)框架，以可編程控制器PLC為控制核心，采用Power Builder 9.0系統(tǒng)工具為開發(fā)平臺，結(jié)合龐大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)構(gòu)建風(fēng)機(jī)的故障診斷專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)可準(zhǔn)確判斷主扇風(fēng)機(jī)的故障類型和故障走向，為礦山的安全、穩(wěn)定運(yùn)營提供了有效保障。

2 卷煙廠除塵風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)通過采集現(xiàn)場風(fēng)機(jī)的振動、溫度及轉(zhuǎn)速等信號，使用先進(jìn)的故障診斷技術(shù)判斷和識別風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和故障，對故障的危害進(jìn)行早期預(yù)報，輔助工作人員及時制定正確合理的維修策略。整個系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與存儲子系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)、故障知識庫、基于振動信號的診斷分析子系統(tǒng)、基于溫度信號的診斷分析子系統(tǒng)、設(shè)備故障診斷子系統(tǒng)、設(shè)備維護(hù)管理子系統(tǒng)等，見圖1。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要利用風(fēng)機(jī)的振動、溫度、轉(zhuǎn)速等信號進(jìn)行故障診斷分析，風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其振動信息均會傳遞到軸承上，即軸承上的振動信息可以有效的反應(yīng)設(shè)備的振動情況，為保證設(shè)備自身的完整性，選用軸承外的軸承箱作為傳感器測點(diǎn)，對于帶聯(lián)軸器和不帶聯(lián)軸器的風(fēng)機(jī)，傳感器的具體測點(diǎn)分布如圖3所示。兩種風(fēng)機(jī)測點(diǎn)分布說明見表1、表2。另外，每臺風(fēng)機(jī)配置速度傳感器用于測量設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度。

系統(tǒng)采用內(nèi)置集成電路的傳感器，此類傳感器內(nèi)部集成信號處理電路，便于傳感器信號的傳輸和采集。數(shù)據(jù)采集器采集傳感器的輸出數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)總線將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)服務(wù)器，上位機(jī)通過C#編寫的采集程序采集這些數(shù)據(jù)，并結(jié)合SQL SERVER數(shù)據(jù)庫存儲，便于后續(xù)的診斷分析和歷史數(shù)據(jù)查詢。

2.3 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

狀態(tài)監(jiān)測的主要任務(wù)是在前端數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行分析和判斷，準(zhǔn)確給出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在Windows系統(tǒng)上，以Visual Studio 2010為開發(fā)環(huán)境，利用基于.NET的C#語言開發(fā)風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)。針對Windows自帶控件在可視化方面的不足，在普通控件的基礎(chǔ)上，結(jié)合第三方控件Devexpress開發(fā)此監(jiān)測系統(tǒng)，使其在曲線的繪制、動態(tài)點(diǎn)的信息獲取、控件的布局方面都更方便，以增強(qiáng)可視化效果。

2.4 智能診斷系統(tǒng)

通過對現(xiàn)場風(fēng)機(jī)歷史故障信息（包括故障現(xiàn)象、故障部位、故障原因、維修方式以及維修前后的變化等）的分析總結(jié)、廣泛調(diào)研、多地進(jìn)行實(shí)地考察交流信息總結(jié)等方式建立風(fēng)機(jī)設(shè)備的故障知識庫。智能診斷系統(tǒng)包含基于振動信號的診斷分析與基于溫度信號的診斷分析，然后綜合兩種信號的診斷分析結(jié)果并結(jié)合故障知識庫形成最終的診斷分析結(jié)果。智能診斷系統(tǒng)根據(jù)最終的診斷分析結(jié)果給出設(shè)備故障發(fā)生的部位、故障原因、故障發(fā)生的時間、故障的趨勢以及對應(yīng)的故障對策等信息。故障預(yù)警提示、診斷結(jié)果的報告打印與管理、故障處理對策等都可以有效地輔助工作人員對設(shè)備進(jìn)行及時準(zhǔn)確的維修處理。故障診斷過程如圖4所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖3 傳感器測點(diǎn)布置圖

表1 帶聯(lián)軸器風(fēng)機(jī)的測點(diǎn)分布說明

表2 不帶聯(lián)軸器風(fēng)機(jī)的測點(diǎn)分布說明

圖4 故障診斷過程

（1）信號特征提取。作為故障診斷的關(guān)鍵步驟，影響著診斷結(jié)果的可靠性。由于風(fēng)機(jī)設(shè)備的振動信號一般都是頻率較高的齒狀信號，可能還帶有許多紋波，對于這種信號選用基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的特征提取方法。特征提取方法主要是將復(fù)雜的振動時序信號分解成不同尺度的本征模態(tài)函數(shù)之和，分解出的本征模態(tài)函數(shù)分量突出了數(shù)據(jù)的局部特征；之后通過Hilbert變換，獲取每個本征模態(tài)函數(shù)的頻域特征，每個本征模態(tài)函數(shù)所包含的頻率成分不僅與分析頻率有關(guān)，而且還隨信號本身的變化而變化，對頻率波動的大小進(jìn)行分析并與給定的故障庫進(jìn)行對比，可更準(zhǔn)確有效地掌握系統(tǒng)故障狀態(tài)，同時分析積累的歷史特征信息，用于后續(xù)的故障趨勢預(yù)測。振動信號特征提取的主要工作流程如圖5所示。

圖5 振動信號特征提取的主要工作流程

圖6 設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)功能圖

（2）設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)。是診斷系統(tǒng)另一個重要的組成部分，實(shí)現(xiàn)常規(guī)設(shè)備維護(hù)管理的各項(xiàng)基本功能，如圖6所示，主要包括設(shè)備信息管理、設(shè)備點(diǎn)檢管理、設(shè)備維護(hù)管理、設(shè)備運(yùn)行管理、設(shè)備維護(hù)管理。

3 結(jié)語

設(shè)備是企業(yè)的固有資產(chǎn)，設(shè)備的運(yùn)行與維護(hù)是企業(yè)提高投資效益的重要保障，提升設(shè)備的管理水平能有效地提高設(shè)備生產(chǎn)效率和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。故障診斷技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)設(shè)備可以及時了解到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確判斷和識別風(fēng)機(jī)的各種異常，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的維修方式由計劃維修向預(yù)防維修轉(zhuǎn)變升級，提升設(shè)備的管理水平，保障卷煙廠風(fēng)機(jī)安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，避免“維修不足”或“維修過?！痹斐傻牟唤?jīng)濟(jì)、不合理現(xiàn)象，增強(qiáng)設(shè)備維修質(zhì)量，降低設(shè)備維修成本。

［1］楊波，王再明，段鳳春.風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].黃石理工學(xué)院學(xué)報，2007，23（2）：16-19.

［2］曾永龍.冶金除塵風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究[D].武漢科技大學(xué)，2008.

［3］蘭建武.基于LabVIEW的風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研究[D].武漢科技大學(xué)，2012.

［4］劉洋.礦井主扇風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)研究[J].工程技術(shù)，2012（12）：146-147.

〔編輯 李波〕

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川渝中煙四川煙草工業(yè)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目“風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控及故障趨勢預(yù)測系統(tǒng)”（川渝煙工技研【2015】62號）。

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.41