ZB45包裝機(jī)組安全聯(lián)鎖裝置失效預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾國(guó)耀

（福建科盛智能物流裝備有限公司，福建泉州 362000）

ZB45包裝機(jī)組作為煙草行業(yè)在生產(chǎn)卷煙過(guò)程中常規(guī)應(yīng)用到的硬盒包裝設(shè)備之一，其外部防護(hù)罩主要應(yīng)用到直動(dòng)式安全聯(lián)鎖裝置，通過(guò)開(kāi)關(guān)和位移信號(hào)轉(zhuǎn)換電信號(hào)保護(hù)防護(hù)罩，同時(shí)可借助電控系統(tǒng)，促使安全聯(lián)鎖裝置能夠形成自動(dòng)診斷故障效果，對(duì)ZB45包裝機(jī)組起到一定的保護(hù)作用。若安全聯(lián)鎖裝置基于機(jī)械故障問(wèn)題，則會(huì)促使裝置失效，需要人工在ZB45包裝機(jī)組生產(chǎn)完成后進(jìn)行排空收尾，存在一定安全隱患，因此需要構(gòu)建更加智能的失效預(yù)警裝置，基于自動(dòng)檢測(cè)以及人工智能方式實(shí)施智能預(yù)警，能夠提升卷煙安裝設(shè)備安全運(yùn)行效果。

1 安全聯(lián)鎖裝置失效問(wèn)題

在煙草公司中應(yīng)用到的ZB45卷煙包裝機(jī)組設(shè)備中包括了條盒透明紙包裝機(jī)、小盒透明紙包裝機(jī)、硬盒包裝機(jī)以及條盒包裝機(jī)，對(duì)每一小盒的煙草實(shí)施包裝完成后將其組裝到條盒中形成完整煙草產(chǎn)品包裝。在這樣的生產(chǎn)流程中，一旦出現(xiàn)任何問(wèn)題，則需要及時(shí)停止設(shè)備，并打開(kāi)防護(hù)罩實(shí)施檢修處理，因此條形包裝機(jī)的出口防護(hù)罩以及小盒透明紙包裝機(jī)其防護(hù)罩會(huì)由于長(zhǎng)久的反復(fù)操作、老化等眾多原因?qū)е掳踩?lián)鎖裝置失效。并且以往ZB45包裝機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均是由集中監(jiān)聽(tīng)方式獲取，并將其形成數(shù)據(jù)包儲(chǔ)存在電控系統(tǒng)中，但是這樣的數(shù)據(jù)整合僅僅只能夠獲取產(chǎn)品不合格的信息以及設(shè)備產(chǎn)量數(shù)據(jù)等，難以完整記錄ZB45包裝機(jī)組的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，在參數(shù)缺失下無(wú)法借助于常規(guī)數(shù)學(xué)模型控制安全聯(lián)鎖裝置，難以形成完善的ZB45包裝機(jī)組安全連鎖失效預(yù)警效果。

2 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在煙草產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，基于ZB45包裝機(jī)組構(gòu)建的安全聯(lián)鎖裝置預(yù)警系統(tǒng)需要?jiǎng)澐譃?個(gè)不同的層次效果：數(shù)據(jù)層、訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯處理層以及展示層。這樣的層次結(jié)構(gòu)能夠保障在ZB45包裝機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)等形成更加直觀且完善的收集處理效果，建立智能化預(yù)警效果。其中信息數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建需要借助更加先進(jìn)的PHP 語(yǔ)言技術(shù)并結(jié)合智能WEB 服務(wù)端口進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[1]。在設(shè)計(jì)預(yù)警檢測(cè)模型時(shí)，需要基于數(shù)據(jù)集中篩選以及特征選擇，構(gòu)建與煙草產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程相適配的ZB45包裝機(jī)組安全預(yù)警檢測(cè)模型，并且需要保障經(jīng)過(guò)該模型處理后的數(shù)據(jù)信息等形成更加直觀清晰的模型文件，以提供信息系統(tǒng)的查詢以及調(diào)用。

在安全聯(lián)鎖裝置失效預(yù)警系統(tǒng)中應(yīng)用到的預(yù)測(cè)模型的設(shè)計(jì)，主要是借助先進(jìn)的Jupyter Notebook 編輯器結(jié)合Python 語(yǔ)言應(yīng)用，結(jié)合ZB45包裝機(jī)組的生產(chǎn)應(yīng)用特質(zhì)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。而在該ZB45包裝機(jī)組的安全聯(lián)鎖裝置失效預(yù)警系統(tǒng)中的信息采集整合結(jié)構(gòu)等，則是建立在實(shí)時(shí)采集的狀態(tài)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)ZB45包裝機(jī)組設(shè)備的停機(jī)原因采集以及防護(hù)罩的開(kāi)合信息等，通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)采集效果將其進(jìn)行集中整合完成后儲(chǔ)存在Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)中，備用后續(xù)調(diào)取查詢，能夠形成更加充足的信息數(shù)據(jù)參考。并且借助于信息系統(tǒng)能夠?qū)B45包裝機(jī)組設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新，完成數(shù)據(jù)共享交互，將眾多數(shù)據(jù)信息應(yīng)用于預(yù)警顯示、任務(wù)記錄以及程序調(diào)用等環(huán)節(jié)中，并最終將即時(shí)數(shù)據(jù)等儲(chǔ)存在Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)中。

在ZB45包裝機(jī)組安全連鎖裝置失效預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合不同層次的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)施預(yù)警功能設(shè)計(jì)，主要分為預(yù)警預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建以及預(yù)警信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在正式應(yīng)用到該預(yù)警系統(tǒng)的過(guò)程中，每3 min 執(zhí)行一輪預(yù)測(cè)判定，對(duì)設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)所獲取的信息數(shù)據(jù)形成完善預(yù)測(cè)結(jié)果，保留到信息系統(tǒng)中，對(duì)應(yīng)不同時(shí)間點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)流水表。根據(jù)預(yù)警系統(tǒng)模型，結(jié)合數(shù)據(jù)分析計(jì)算所形成的預(yù)警結(jié)果，對(duì)安全預(yù)警概要界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新，結(jié)合3D 動(dòng)畫(huà)以及預(yù)警匯總表兩種不同方式展示預(yù)警結(jié)果。如果出現(xiàn)異常預(yù)警信息，則界面通常情況下設(shè)定為紅色，隨后由相關(guān)管理人員結(jié)合預(yù)警結(jié)果，全面確認(rèn)當(dāng)前ZB45包裝機(jī)組安全連鎖裝置的有效性，預(yù)警時(shí)ZB45包裝機(jī)組設(shè)備外層防護(hù)罩會(huì)出現(xiàn)紅色慢閃燈光，提示預(yù)警。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)優(yōu)化

為了能夠?qū)煵莓a(chǎn)品生產(chǎn)包裝過(guò)程中應(yīng)用到的ZB45包裝機(jī)組形成良好的安全聯(lián)鎖裝置失效預(yù)警檢測(cè)，并形成相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。因此，在構(gòu)建整體失效預(yù)警系統(tǒng)的過(guò)程中，需要全面分析當(dāng)前生產(chǎn)車間中所應(yīng)用到的電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，全面獲取與ZB45包裝機(jī)組的防護(hù)罩有關(guān)設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)量、剔除量以及停關(guān)機(jī)原因等[2]。由于在以往的ZB45包裝機(jī)組安全聯(lián)鎖裝置控制系統(tǒng)中所構(gòu)建的原數(shù)采集系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)無(wú)法獲取到除正常停機(jī)原因以外的其他影響防護(hù)罩安全運(yùn)行的信息數(shù)據(jù)，難以保障更加精準(zhǔn)的建立失效預(yù)測(cè)模型。因此基于這一問(wèn)題，在構(gòu)建安全聯(lián)鎖裝置失效預(yù)警系統(tǒng)的過(guò)程中，需要及時(shí)優(yōu)化信息系統(tǒng)，全面優(yōu)化改進(jìn)。

2.3 預(yù)測(cè)模型選擇

以煙草產(chǎn)品條盒包裝機(jī)的出口防護(hù)罩安全聯(lián)鎖裝置為例，設(shè)定相應(yīng)的時(shí)效預(yù)警預(yù)測(cè)模型，在2021年6～9月之間調(diào)查某煙草廠運(yùn)行參數(shù)信息，并全面取樣收集，獲取到共計(jì)128組數(shù)據(jù)，構(gòu)建包括ZB45包裝機(jī)組設(shè)備產(chǎn)量、剔除量、停關(guān)機(jī)原因以及ZB45包裝機(jī)組防護(hù)罩紅色信息等的四個(gè)不同維度特征數(shù)據(jù)集。進(jìn)而結(jié)合有關(guān)檢修人員在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)相關(guān)設(shè)備實(shí)施檢測(cè)所獲取的狀況信息形成異常標(biāo)簽，并對(duì)4個(gè)不同維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行粘貼。若發(fā)生異常則以1表示，若始終處于正常狀態(tài)則用0進(jìn)行表示。結(jié)合采樣數(shù)據(jù)并借助失效預(yù)測(cè)模型進(jìn)行分析，促使條盒包裝機(jī)的出口防護(hù)罩出現(xiàn)故障的原因多種多樣，其中包括第一第二提升器發(fā)生嚴(yán)重堵塞現(xiàn)象、條盒透明紙包裝機(jī)缺失透明紙（或丟失或用完）、條盒包裝機(jī)上部折疊器結(jié)構(gòu)同樣出現(xiàn)較為嚴(yán)重的堵塞現(xiàn)象、條盒透明紙包裝機(jī)中的透明紙由于無(wú)法展開(kāi)造成嚴(yán)重堵塞現(xiàn)象。

基于包裹式特征下的遞歸式消除方式，選擇適應(yīng)ZB45包裝機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測(cè)模型，需要應(yīng)用到兩種不同方式分別計(jì)算其中影響安全聯(lián)鎖裝置造成其失效的原因指標(biāo)比重，獲取最適宜的預(yù)測(cè)模型，能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)安全聯(lián)鎖裝置的失效時(shí)間與結(jié)構(gòu)。這兩種不同的方式分別為支持向量機(jī)以及邏輯回歸法，以此作為預(yù)測(cè)模型的分類器，綜合相關(guān)數(shù)據(jù)搜集對(duì)比，預(yù)測(cè)模型的實(shí)際特征如表1。進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，基于兩種不同的分類器選擇下所形成的模型特征處于一致?tīng)顟B(tài)，為T-FF-T 狀態(tài)，則表示ZB45包裝機(jī)組安全聯(lián)鎖裝置失效與停機(jī)原因具有直接關(guān)系，在日常生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，如若相關(guān)ZB45包裝機(jī)組出現(xiàn)明顯的停機(jī)現(xiàn)象，需要及時(shí)檢測(cè)防護(hù)罩運(yùn)行狀態(tài)，這一測(cè)試流程具有明顯邏輯關(guān)系。

表1 基于包裹式特征下的遞歸式消除方式模型特征選擇結(jié)果

2.4 建立失效預(yù)警模型

為了能夠促使失效預(yù)警系統(tǒng)在日常應(yīng)用過(guò)程中更加精準(zhǔn)地獲取相應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)特征，構(gòu)建相應(yīng)的失效算法模型，則需要將完成特征選擇后所形成的包括停機(jī)原因以及防護(hù)罩紅色信息在內(nèi)的數(shù)據(jù)集形成更加直觀的可視化處理效果，保障相關(guān)管理人員能夠直接借助這樣的可視化圖像清晰了解到防護(hù)罩故障位置。結(jié)合上述采集數(shù)據(jù)組數(shù)量進(jìn)行可視化輸出，其中正常的樣本數(shù)據(jù)處于坐標(biāo)系圖像的右下方結(jié)構(gòu)中，失效樣本主要集中在坐標(biāo)系圖像的左上方，同時(shí)也存在著部分特殊數(shù)據(jù)樣本，處于坐標(biāo)系的中心點(diǎn)位置，無(wú)法形成明確分界狀態(tài)。這是由于在ZB45包裝機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，條盒包裝機(jī)停關(guān)機(jī)次數(shù)小于等于0，則相對(duì)獲取防護(hù)罩故障開(kāi)合的數(shù)據(jù)信息較少，因此缺乏充足的參考可信度，難以應(yīng)用到預(yù)測(cè)模型的試驗(yàn)訓(xùn)練中。

結(jié)合這樣的現(xiàn)象，在構(gòu)建失效預(yù)警系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型的過(guò)程中，需要增加相應(yīng)的硬性約束條件，保障在選擇相適應(yīng)的預(yù)測(cè)模型時(shí)，其中條盒包裝機(jī)的停關(guān)機(jī)次數(shù)需要控制在3次以上，并篩除不符合這一條件的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合剩余數(shù)據(jù)信息形成失效預(yù)測(cè)模型，能夠精準(zhǔn)分析未來(lái)應(yīng)用中ZB45包裝機(jī)組的安全聯(lián)鎖裝置失效時(shí)間。若在實(shí)際中對(duì)于安全聯(lián)鎖裝置的失效預(yù)測(cè)精度相對(duì)較低，則以常見(jiàn)的線性分類模型為主要應(yīng)用方式，但是線性分類方法的總結(jié)具有較大難度。為了能夠保障在安全連鎖裝置失效預(yù)警系統(tǒng)中的預(yù)測(cè)模型具有較為良好的通用性，且能夠形成最佳分類效果設(shè)計(jì)模型，需要應(yīng)用到非線性分類方式。

建立在線性支持向量機(jī)的應(yīng)用基礎(chǔ)上，構(gòu)建非線性支持向量機(jī)，全面借助函數(shù)計(jì)算分析完成向量空間映射，促使非線性問(wèn)題能夠逐漸轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)題，并實(shí)施求解。為了方便測(cè)試失效預(yù)警系統(tǒng)中預(yù)測(cè)模型的有效性，并對(duì)模型性能做出精準(zhǔn)評(píng)估，特征選擇數(shù)據(jù)以及條件約束完成后所形成的數(shù)據(jù)需要按照7 ∶3比例做好訓(xùn)練采集與測(cè)試采集劃分。通過(guò)對(duì)比最終預(yù)測(cè)模型的預(yù)警結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在訓(xùn)練采集樣本與測(cè)試采集樣本發(fā)生不同參數(shù)變化時(shí)，則會(huì)對(duì)失效預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確率同樣造成影響，因此，在構(gòu)建失效預(yù)警系統(tǒng)過(guò)程中，除了保障正常樣本與失效樣本參數(shù)的計(jì)算對(duì)比，也需要結(jié)合ZB45包裝機(jī)組安全連鎖裝置的未知運(yùn)行參數(shù)樣本分類，促使預(yù)測(cè)模型能夠形成良好泛化能力，針對(duì)不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面擬合分析對(duì)比，提升預(yù)警精準(zhǔn)性。

3 預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用效果

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

完成ZB45包裝機(jī)組的安全聯(lián)鎖裝置失效預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，為了能夠進(jìn)一步分析其實(shí)際應(yīng)用效果，需要進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析，其中應(yīng)用到ZB45硬盒包裝機(jī)組并結(jié)合HL8801數(shù)采工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集處理器、同時(shí)應(yīng)用X3850服務(wù)器為預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)器。在實(shí)驗(yàn)中則根據(jù)ZB45包裝機(jī)組安全聯(lián)鎖裝置失效預(yù)警系統(tǒng)在2021年6～9月之間調(diào)查某煙草廠運(yùn)行參數(shù)信息，并全面取樣收集，對(duì)所搜集的條盒包裝機(jī)出口防護(hù)罩的實(shí)際警報(bào)頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。首先需要在ZB45包裝機(jī)組的電控系統(tǒng)當(dāng)中接入HL8801數(shù)采工控機(jī)，以套接數(shù)據(jù)方式將采集到的數(shù)據(jù)樣本傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集處理器中，并每30 s 實(shí)施數(shù)據(jù)自動(dòng)更新。每隔3 min 向預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)器傳輸動(dòng)態(tài)特征數(shù)據(jù)，結(jié)合之前選定的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)，并將最終的預(yù)測(cè)結(jié)果儲(chǔ)存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。按照以往正常生產(chǎn)的早晚班次時(shí)間對(duì)預(yù)警時(shí)間進(jìn)行劃分，促使預(yù)警時(shí)間間隔達(dá)到3 min 左右，并且每次頁(yè)面刷新時(shí)間需要控制在5 s 左右。形成完整預(yù)警信息之后，需要及時(shí)向有關(guān)技術(shù)管理人員進(jìn)行報(bào)備，促使管理人員及時(shí)對(duì)相關(guān)防護(hù)罩進(jìn)行人工巡檢，并結(jié)合預(yù)警信息進(jìn)行及時(shí)處理，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的故障現(xiàn)象影響正常生產(chǎn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

結(jié)合在實(shí)際中所形成的安全聯(lián)鎖裝置失效系統(tǒng)的試驗(yàn)應(yīng)用進(jìn)行綜合分析，基于系統(tǒng)自動(dòng)搜集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)相關(guān)防護(hù)罩的設(shè)備失效預(yù)警形成更加精準(zhǔn)的效果，相較于以往人工實(shí)施檢測(cè)的落后性，失效預(yù)警系統(tǒng)借助于預(yù)測(cè)模型中的數(shù)據(jù)自動(dòng)更新搜集，全面提升預(yù)警工作有效性。借助于智能失效預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，檢查率精準(zhǔn)度達(dá)到96.7 %，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工巡檢的59.3 %。并且結(jié)合以往在煙草生產(chǎn)過(guò)程中所造成的ZB45包裝機(jī)組安全聯(lián)鎖裝置失效問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查，大多數(shù)情況下由于工作人員難以按照標(biāo)準(zhǔn)操作流程進(jìn)行檢修，影響保護(hù)罩裝置有效性，而基于電控系統(tǒng)的自動(dòng)化處理方式，避免人為因素影響，形成良好的預(yù)警應(yīng)用效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)化ZB45包裝機(jī)組當(dāng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)合電控系統(tǒng)構(gòu)建更加先進(jìn)的自動(dòng)化安全聯(lián)鎖裝置失效預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效解決人工巡檢不及時(shí)的弊病，并保障以更加精準(zhǔn)地預(yù)警模型全面掌控保護(hù)罩運(yùn)行狀態(tài)，滿足監(jiān)控需求，降低由故障現(xiàn)象影響正常生產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失，為卷煙生產(chǎn)提供更好的安全保障。