故障診斷技術(shù)在煙草行業(yè)的應(yīng)用

楊 露，李 乾，權(quán)發(fā)香，程 亮

（紅云紅河集團(tuán)會澤卷煙廠，云南曲靖 654200）

0 引言

隨著煙草消費(fèi)的更新升級以及煙民自我健康意識的提升，卷煙工業(yè)面臨著更加復(fù)雜的外部環(huán)境、日益激烈的產(chǎn)品競爭、不斷提升的消費(fèi)需求。煙草行業(yè)發(fā)展已經(jīng)從擴(kuò)容式增長走向集約式增長，“降本增效”成為煙草工業(yè)共同面對的問題。物聯(lián)網(wǎng)、自動控制技術(shù)、設(shè)備診斷技術(shù)不斷迭代，現(xiàn)在煙草行業(yè)對生產(chǎn)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(jī)械設(shè)備應(yīng)用到煙草行業(yè)的生產(chǎn)過程中，煙草機(jī)械的精密度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性更加明顯，一個組件涉及眾多標(biāo)準(zhǔn)件、非標(biāo)零件組合，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其中某個零件局部出現(xiàn)問題將導(dǎo)致該組件運(yùn)動精度發(fā)生改變，影響整個生產(chǎn)計劃，降低設(shè)備效率。目前，我國大型煙草企業(yè)陸續(xù)從國外各大煙機(jī)公司引入各種新型高速設(shè)備，相關(guān)部分技術(shù)被國內(nèi)煙草機(jī)械公司進(jìn)行引進(jìn)、消化吸收。這就對煙草機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行安全提出更高的要求，因?yàn)橐坏┥a(chǎn)線發(fā)生機(jī)械故障，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備帶來的損失將十分巨大。因此煙草行業(yè)的機(jī)械故障診斷技術(shù)就顯得越來越重要，必須結(jié)合工廠實(shí)際操作情況以及使用的煙機(jī)設(shè)備的不同型號，制定更加先進(jìn)以及安全的診斷方法，淘汰低效的診斷方法。近20年來設(shè)備診斷方法不斷增多，計算機(jī)技術(shù)、診斷技術(shù)、信號處理算法等不斷結(jié)合，使得故障診斷技術(shù)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(shù)是指煙草機(jī)械設(shè)備通過技術(shù)手段的診斷來確定煙草機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，機(jī)械設(shè)備的局部與整體之間的配合狀態(tài)是否正常，以及機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率是否正常，從而對機(jī)械設(shè)備是否能夠正常運(yùn)行以及故障情況進(jìn)行判斷的學(xué)科[1]?，F(xiàn)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(jīng)驗(yàn)，原本設(shè)備結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)安裝調(diào)試的位置、結(jié)構(gòu)運(yùn)行配合銜接、配合精度等受到影響。如果維修保養(yǎng)不到位將加速設(shè)備老化，同時對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生一定的隱患，造成設(shè)備停機(jī)故障頻發(fā)，產(chǎn)品質(zhì)量間歇出現(xiàn)缺陷。

2 故障診斷的發(fā)展階段

故障診斷技術(shù)發(fā)展可以分為以下幾個階段：基礎(chǔ)診斷階段、經(jīng)驗(yàn)診斷階段、診斷技術(shù)階段和智能診斷階段[2]。

（1）基礎(chǔ)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(yán)重的機(jī)械故障或者是比較明顯的機(jī)械故障。這種診斷手段對于不明顯或者是細(xì)微的零件，例如軸承損壞，或配合零件精度改變引起的機(jī)械故障，或未發(fā)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(yè)普遍使用的三級點(diǎn)檢制度，從設(shè)備組件外觀、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行異響等進(jìn)行判斷。

（2）經(jīng)驗(yàn)診斷階段，診斷效率取決于診斷人員平常積累的工作經(jīng)驗(yàn)，除了采用產(chǎn)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(jī)械的工作狀態(tài)和機(jī)械運(yùn)作發(fā)出的聲音，來判斷煙草機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常。除此之外，無論是通過抽樣質(zhì)檢法還是人工觀測法都只能大概判斷出機(jī)械是否存在故障。無法精確判斷出故障發(fā)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(chǔ)診斷還是經(jīng)驗(yàn)診斷都只能對故障機(jī)械進(jìn)行及時止損，很難對機(jī)械故障預(yù)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(nèi)因?yàn)樵O(shè)備故障、過程缺陷會對設(shè)備效率帶來負(fù)面影響，拉低包裝機(jī)設(shè)備綜合效率，甚至引發(fā)因?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量缺陷進(jìn)行質(zhì)量追溯的設(shè)備閑置時間。跟蹤統(tǒng)計，會煙2022年2—5月中支包裝維修項(xiàng)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(xiàng)目，機(jī)械維修項(xiàng)目占到整體維修時長的96.6%，所有的維修項(xiàng)目中重復(fù)性維修項(xiàng)目頻次較高，突發(fā)、偶發(fā)、異常的故障可能因?yàn)槿鄙賯浼娱L機(jī)組待機(jī)時間。

圖1 中支包裝設(shè)備維修內(nèi)容與時長

（3）診斷技術(shù)階段是基于一套故障診斷技術(shù)的理論以及相應(yīng)的診斷設(shè)備對煙草機(jī)械進(jìn)行更加精確快速的診斷方法，目前的診斷設(shè)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(jī)械設(shè)備運(yùn)行時采集的信號，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，利用一定的數(shù)據(jù)算法進(jìn)行特征信號提取，與正常工作時的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，若是收集的數(shù)據(jù)在正常數(shù)據(jù)區(qū)間之外，則發(fā)出故障信號，煙草機(jī)械設(shè)備進(jìn)行急停檢修，根據(jù)傳感器位置精確判斷出故障機(jī)構(gòu)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(jìn)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(jìn)行周期性質(zhì)檢來制定出更合理的診斷方案，既提高了機(jī)械的使用壽命，又降低了診斷的成本。例如，YB25小盒包裝機(jī)背后的齒輪箱內(nèi)某個傳動齒輪齒面點(diǎn)蝕，初期可能周期性出現(xiàn)缺陷產(chǎn)品，修理人員可以通過造成產(chǎn)品缺陷的包裝過程中某一個折疊傳送通道，進(jìn)行機(jī)構(gòu)間隙調(diào)整、機(jī)構(gòu)零件更換。經(jīng)過不斷修正維修方向，最終才能確定是傳動系統(tǒng)出現(xiàn)問題，更換某個齒輪后需要對傳動系統(tǒng)進(jìn)行相位確認(rèn)，整個維修耗時較長。目前，重慶卷煙廠針對GDX2包裝機(jī)利用聲振對成型推桿齒輪箱進(jìn)行高頻能量比、聲振能量比診斷，結(jié)合傳感器位置邏輯關(guān)系診斷關(guān)聯(lián)部位的設(shè)備模式情況[3]，再結(jié)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(dāng)擴(kuò)大，對于易損零部件周期相應(yīng)縮短，替換成加工性能更好的零件，都可以降低機(jī)械故障以及修理方面的資金投入。例如，F(xiàn)OCKE350硬7#包裝機(jī)偶發(fā)出現(xiàn)中支小盒斜角露白產(chǎn)品缺陷，現(xiàn)在使用的中支硬盒包裝機(jī)是在常規(guī)的FOCKE350S包裝機(jī)機(jī)組的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的。包裝工藝過程：經(jīng)過商標(biāo)紙輸送軌道、煙包裹包機(jī)構(gòu)后，完成除商標(biāo)紙短頂斜片、外側(cè)蓋片外其余的折疊，第二推進(jìn)器從折疊轉(zhuǎn)塔將部分折疊的煙包推出進(jìn)入煙包通道，煙盒在經(jīng)過大膠缸涂膠機(jī)構(gòu)時在外側(cè)蓋片、短頂斜片兩側(cè)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(zhuǎn)臺，煙包在運(yùn)動的過程，外側(cè)蓋片、短頂斜片兩側(cè)與傳遞轉(zhuǎn)臺活動的邊爪接觸，進(jìn)而完成外側(cè)蓋片粘貼在長內(nèi)側(cè)斜片上，短頂斜片粘貼在短內(nèi)側(cè)斜片，完成煙盒的折疊成型。

用標(biāo)準(zhǔn)模盒量塊對干燥鼓輪各個模盒尺寸進(jìn)行確認(rèn)，符合工藝標(biāo)準(zhǔn)，最終考慮故障因素為：現(xiàn)有的預(yù)折疊結(jié)構(gòu)存在設(shè)計缺陷，由于中支煙支圓周變細(xì)，造成煙盒高度變小以及煙盒寬度變小，導(dǎo)致外側(cè)蓋片、短頂斜片變窄，經(jīng)過大膠缸涂膠機(jī)構(gòu)時，在外側(cè)蓋片、短頂斜片兩側(cè)涂膠，提升器在提升過程中，煙盒兩側(cè)折疊不良，出現(xiàn)煙包斜角露白、斜角翻卷、彎曲變形等外觀質(zhì)量缺陷，帶動傳遞轉(zhuǎn)塔的活動安全導(dǎo)軌頻繁被抬起，觸發(fā)活動安全導(dǎo)軌的接近開關(guān)，導(dǎo)致包裝機(jī)組停機(jī)頻次較高。因此在進(jìn)入干燥鼓輪前，從新設(shè)計安裝一個預(yù)折疊器，當(dāng)從折疊轉(zhuǎn)塔出來的煙包經(jīng)過大膠缸的打膠輥完成商標(biāo)紙外側(cè)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(nèi)側(cè)斜片、短內(nèi)側(cè)斜片上，進(jìn)而在進(jìn)入提升器動作前完成外側(cè)蓋片、短頂斜片向下折疊的動作，但改進(jìn)后中支小盒斜角露白數(shù)量減少并不明顯，手動盤車?yán)冒俜直韺Ω稍锕妮喼С州S進(jìn)行徑向跳動診斷，因?yàn)樗俣容^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(jī)低速運(yùn)行時，控制器通過相應(yīng)算法轉(zhuǎn)化為軸圓周表面上某點(diǎn)與傳感器的距離，并通過USB與PLC進(jìn)行連接。PLC安裝的專用軟件可實(shí)時顯示數(shù)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(jìn)行相關(guān)軸承的更換并加注潤滑脂，利用標(biāo)準(zhǔn)模板對干燥鼓輪模盒進(jìn)行校驗(yàn)調(diào)整。設(shè)備重新運(yùn)行后，該產(chǎn)品缺陷數(shù)量明顯降低。

目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能診斷技術(shù)、集成技術(shù)的不斷成熟與人工智能相結(jié)合不斷的應(yīng)用在煙草機(jī)械診斷領(lǐng)域，借助各種傳感器、分析軟件、PLC控制器、視頻網(wǎng)絡(luò)等可以達(dá)到遠(yuǎn)程高效的診斷效果，這就為煙草機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控奠定了基礎(chǔ)。故障診斷技術(shù)研究與運(yùn)用需要企業(yè)管理層重視，通過在機(jī)械動力學(xué)、診斷原理、信號處理、數(shù)據(jù)分析等理論進(jìn)行高素質(zhì)人才培養(yǎng)，與相關(guān)專業(yè)的學(xué)者、機(jī)構(gòu)開展項(xiàng)目攻關(guān)合作，對高精密旋轉(zhuǎn)的軸、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)間隙要求較高的傳動機(jī)構(gòu)、難以深度保養(yǎng)的設(shè)備內(nèi)部零部件等進(jìn)行振動、溫度、位置診斷，并利用接近開關(guān)、電容開關(guān)、圖像識別、色標(biāo)診斷、紅外測量等傳感器進(jìn)行機(jī)構(gòu)保護(hù)與防差錯，避免剛性碰撞與突發(fā)安全事故，對各種安全隱患及質(zhì)量隱患及時預(yù)警。智能診斷階段則需依托于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)通信、人工智能技術(shù)，以及各種算法：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生等，這也是未來機(jī)械診斷技術(shù)的一個發(fā)展趨勢。

3 故障診斷的發(fā)展趨勢

目前故障診斷技術(shù)的發(fā)展逐漸向智能化和高精度兩個大方向發(fā)展，原因是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為診斷技術(shù)提供了新的診斷途徑，即遠(yuǎn)程診斷。遠(yuǎn)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(jī)設(shè)備進(jìn)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(fā)生。例如，診斷人員通過診斷設(shè)備收集到的設(shè)備工作數(shù)據(jù)信息來對機(jī)械設(shè)備的工作情況進(jìn)行判斷，同時針對某個區(qū)域或者關(guān)鍵部位，通過網(wǎng)絡(luò)通信將傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到指定服務(wù)器和相關(guān)分析軟件，相關(guān)專業(yè)人員可以通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為設(shè)備出現(xiàn)的各種疑難問題指導(dǎo)改進(jìn)思路。與人工智能技術(shù)結(jié)合的智能診斷技術(shù)是另一個發(fā)展方向，在此前技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，結(jié)合集成技術(shù)和人工智能技術(shù)開展機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)監(jiān)測，在故障診斷的診斷和處理方面實(shí)現(xiàn)一體化和自動化，能根據(jù)各個故障表現(xiàn)分析出煙草機(jī)械故障發(fā)生原因、位置、嚴(yán)重程度，給修理人員指定修理方案提供指導(dǎo)，在煙草機(jī)械運(yùn)行效率、穩(wěn)定性、安全性以及維修成本等方面有質(zhì)的提升。

煙草機(jī)械設(shè)備的健康監(jiān)測體系通過計算機(jī)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合，在診斷理論的加持下實(shí)現(xiàn)對煙草機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警、監(jiān)測和維修處理，擺攤?cè)斯けO(jiān)測，制定合理的高精度監(jiān)測方案，對煙機(jī)設(shè)備實(shí)時監(jiān)控，對于故障提前預(yù)警排除或是及時止損?？梢源蠓裙?jié)約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(zhǔn)確地對故障進(jìn)行排除和修復(fù)。因此，在目前煙草行業(yè)中，診斷手段也需要朝著智能化與自動診斷方向發(fā)展[4]，確保能夠合理高效地運(yùn)用新型材料，對相關(guān)算法加以改進(jìn)，使得故障診斷技術(shù)能夠與新技術(shù)相結(jié)合，不斷適應(yīng)日益激烈的行業(yè)競爭。因此在故障診斷技術(shù)的研發(fā)過程中，應(yīng)該加大投資力度，優(yōu)化軟件和硬件設(shè)備，提供更加安全可靠的診斷手段。

4 結(jié)論

故障診斷技術(shù)作為一門學(xué)科至今已經(jīng)日益成熟，與各種相關(guān)的領(lǐng)域和技術(shù)不斷結(jié)合衍生出諸多更高效準(zhǔn)確的診斷手段。本文論述了過去我國煙草行業(yè)的故障診斷技術(shù)以及現(xiàn)階段所使用的故障診斷技術(shù)，對今后的故障診斷技術(shù)進(jìn)行展望。從基礎(chǔ)診斷發(fā)展、經(jīng)驗(yàn)診斷到現(xiàn)今使用較多的技術(shù)手段診斷，最終朝著智能診斷方向的發(fā)展，離不開診斷理論的不斷完善，以及計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，才能與煙草機(jī)械設(shè)備的診斷相結(jié)合，不斷淘汰過去落后的診斷手段，實(shí)現(xiàn)更加智能高效的診斷手段，最終形成機(jī)械設(shè)備的健康監(jiān)測生態(tài)，做到預(yù)防、診斷到修復(fù)的一體化，大程度降低煙草行業(yè)在診斷方面的投入。