基于振動傳感器的濾棒成型機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要：為提高濾棒成型機(jī)維修維護(hù)水平，該監(jiān)測系統(tǒng)采用基于IO-link總線的振動傳感器對設(shè)備高速運轉(zhuǎn)部件進(jìn)行振動監(jiān)測，并結(jié)合電機(jī)電流和設(shè)備溫度的監(jiān)測進(jìn)行實時的分析，判定故障位置及原因，并預(yù)測各部件技術(shù)狀態(tài)。經(jīng)過近一年的測試，系統(tǒng)能實現(xiàn)“治病于未然”，提高維修的準(zhǔn)確性和保養(yǎng)的科學(xué)性，保障設(shè)備的正常運行。

關(guān)鍵詞：振動傳感器；狀態(tài)監(jiān)測；可編程邏輯控制器；物聯(lián)網(wǎng)；濾棒成型機(jī)

中圖分類號：TP214" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0117-04

Abstract： In order to improve the maintenance level of the filter rod forming machine， the monitoring system uses the vibration sensor based on IO-link bus to monitor the vibration of the high-speed running parts of the equipment， and carries on the real-time analysis combined with the monitoring of motor current and equipment temperature， determines the fault location and cause， and predicts the technical status of each part. Through nearly a year of testing， the system can achieve \"treatment\"， improve the accuracy of repair and scientific maintenance， and ensure the normal operation of the equipment.

Keywords： vibration sensor; condition monitoring; Programmable Logic Controller（PLC）; Internet of Things（IoT）; filter rod forming machine

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命深入開展，創(chuàng)新正成為重塑全球和區(qū)域競爭格局的關(guān)鍵變量。抓創(chuàng)新就是抓發(fā)展，謀創(chuàng)新就是謀未來。近年來，四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司（簡稱四川中煙）圍繞著提升產(chǎn)品質(zhì)量及提高產(chǎn)品產(chǎn)量開展各種科技創(chuàng)新工作，取得了豐碩的成果。以ZL29濾棒成型機(jī)升級改造項目為例，經(jīng)過相關(guān)技術(shù)人員的努力，其額定生產(chǎn)速度已經(jīng)達(dá)到600 m/min。如此高的生產(chǎn)速度，在大幅提高了產(chǎn)量的同時也對設(shè)備維護(hù)維修提出了更高要求。目前的維護(hù)維修還存在一些問題：維護(hù)有一定的盲目性，存在部分機(jī)構(gòu)過度保養(yǎng)的情況；維修時故障定位困難造成維修停產(chǎn)時間過長。為了解決這類問題，四川中煙綿陽卷煙廠進(jìn)行了專項研究，采用圖爾克公司先進(jìn)的基于IO-link總線的振動傳感器對設(shè)備高速運轉(zhuǎn)部件進(jìn)行振動監(jiān)測（這是此種傳感器在四川省的首次運用），并結(jié)合電機(jī)電流和設(shè)備溫度的監(jiān)測進(jìn)行實時的監(jiān)測分析，判定故障位置及原因，并預(yù)測各部件技術(shù)狀態(tài)，從而可實現(xiàn)“治病于未然”，以此保障設(shè)備的正常運行。

本文以該項目實施為例，就基于振動傳感器的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行分析討論，希望能起到拋磚引玉的作用。

1" 系統(tǒng)功能分析

ZL29濾棒成型機(jī)高速運轉(zhuǎn)部位較多，如刀盤傳動箱、主風(fēng)機(jī)、開松螺紋輥電機(jī)、主傳動電機(jī)和主傳動箱等，其中主風(fēng)機(jī)電機(jī)的常規(guī)轉(zhuǎn)速達(dá)到了6 000 r/min。設(shè)備高速運行對機(jī)械部件的材料特性、機(jī)械傳動及配合提出了極高的要求。在高速運行的情況下，若設(shè)備運行狀況、部件磨損老化、清潔潤滑等方面稍有異常，將導(dǎo)致設(shè)備故障率急劇上升，設(shè)備使用壽命隨之驟降。為了保證設(shè)備工作在良好狀態(tài)，當(dāng)前的維護(hù)保養(yǎng)方式、維修查故手段都需要進(jìn)行一次大的革新。通過應(yīng)用基于振動分析的故障診斷定位技術(shù)對高速運轉(zhuǎn)部件進(jìn)行監(jiān)測和診斷，可輔助維修人員減少故障查找時間，從而避免維修時間過長造成的停產(chǎn)損失和機(jī)械頻繁拆解造成的不必要機(jī)械損傷。具體而言，系統(tǒng)功能主要有以下幾點。

故障預(yù)警：對設(shè)備可能發(fā)生的故障及時預(yù)警，維修人員可在故障初期進(jìn)行維修，避免故障擴(kuò)大化。對于一些不影響設(shè)備運行的輕微故障，維修人員可在設(shè)備停機(jī)時進(jìn)行處理，避免影響生產(chǎn)。

故障定位：對設(shè)備故障部位進(jìn)行定位，對故障原因進(jìn)行提示，節(jié)省維修成本與時間，降低維修人員工作強(qiáng)度。

備件種類及數(shù)量的科學(xué)管理：系統(tǒng)在對設(shè)備進(jìn)行在線檢測的同時，對各高速運轉(zhuǎn)部件進(jìn)行壽命分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行備件準(zhǔn)備，在保證生產(chǎn)連續(xù)性基礎(chǔ)上減少備件的積壓。

科學(xué)保養(yǎng)：根據(jù)設(shè)備監(jiān)測結(jié)果及設(shè)備運行分析，實現(xiàn)科學(xué)保養(yǎng)，避免保養(yǎng)過度和保養(yǎng)不足。

2" 硬件平臺搭建

根據(jù)項目組技術(shù)人員對本項目的前期研究，并結(jié)合現(xiàn)場勘測，經(jīng)技術(shù)人員會商，確定項目系統(tǒng)總體方案如下：本項目監(jiān)測范圍為卷包車間2臺ZL29濾棒成型機(jī)。本系統(tǒng)采用安裝有力控組態(tài)軟件的IPC（工控機(jī)）作上位機(jī)，PLC作為設(shè)備層控制器；對于濾棒成型機(jī)高速運轉(zhuǎn)部件的監(jiān)測主要采用圖爾克公司溫度振動傳感器（此類傳感器雖然是四川省內(nèi)的首次應(yīng)用，但已經(jīng)經(jīng)過前期測試，能滿足項目要求。每臺設(shè)備使用6個，共計12個），這些傳感器分別連接到2臺IO-link主機(jī)上，IO-link主機(jī)通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)與PLC通信。伺服電機(jī)電流傳感器預(yù)選開合式穿孔霍爾電流傳感器，傳感器的安裝不破壞伺服電機(jī)接線。此類傳感器將通過基于MODBUS-TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)IO模塊連接到PLC（根據(jù)電機(jī)電流，每臺設(shè)備選用0～5 A規(guī)格2個，0～10 A規(guī)格2個。每臺設(shè)備使用4個，共計8個）。PLC完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并運行設(shè)備層控制程序，IPC運行故障診斷及維護(hù)管理程序，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、特征提取與識別、故障趨勢預(yù)測、故障定位和維護(hù)預(yù)警等功能。在ZL29-1機(jī)內(nèi)安裝系統(tǒng)控制柜，柜門安裝有觸摸屏，可在屏上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置等基本操作。項目采用的是昆侖通態(tài)4G物聯(lián)網(wǎng)屏，可通過昆侖通態(tài)云控制服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，項目完成后相關(guān)技術(shù)人員可在手機(jī)APP上監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)并完成基本操作；為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)采用了冗余的4G網(wǎng)關(guān)，技術(shù)人員可在微信小程序上監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，并能通過微信或短信接收到設(shè)備報警信息。

平臺搭建中發(fā)現(xiàn)問題及解決方案如下：①2號機(jī)信號傳輸問題。經(jīng)過技術(shù)人員多次現(xiàn)場勘測和技術(shù)研討，為避免現(xiàn)場布線對生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，確定在本項目中采用專用千兆無線網(wǎng)橋傳輸信號。選用的工業(yè)級網(wǎng)橋采用專業(yè)室外殼體設(shè)計，IP等級較高，能適應(yīng)車間內(nèi)的環(huán)境。本機(jī)采用5 GHz頻段雙頻傳輸，干擾更少，帶寬能達(dá)到867 Mbps，在空曠距離無線傳輸距離達(dá)5 km。且無線發(fā)射功率線性可調(diào)，根據(jù)需求調(diào)整傳輸距離、避免同頻干擾。②系統(tǒng)上電斷電操作問題。ZL29機(jī)直接上電時，本系統(tǒng)工控機(jī)可通過設(shè)置為上電自啟動方式，系統(tǒng)能直接進(jìn)入運行狀態(tài)。2臺ZL29機(jī)啟動時間客觀上存在差異，ZL29-1上的系統(tǒng)主機(jī)啟動后將監(jiān)測ZL29-2上的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，對于初期信號異常將予以屏蔽，避免誤報警。ZL29機(jī)直接斷電時，為避免工控機(jī)WIN10系統(tǒng)長期不正常關(guān)機(jī)出現(xiàn)問題，本項目對工控機(jī)采用UPS供電，UPS在電源斷電后將繼續(xù)給工控機(jī)供電并發(fā)出關(guān)機(jī)信號，工控機(jī)內(nèi)裝電源管理軟件將啟動關(guān)機(jī)進(jìn)程進(jìn)行關(guān)機(jī)。③傳感器安裝點位布局研究及傳感器底座設(shè)計。本項目確定的振動測點選擇基本原則有：振動測點首選每個支承軸承部位；測點信號能靈敏反映設(shè)備的實際振動狀況；測點部位不能存在局部共振和放大；測點方向選擇，每個測點都要在X、Y、Z 3個主方向進(jìn)行測量，尤其存在故障時，更要測量軸系的軸向振動。為了不破壞設(shè)備，監(jiān)測點位不宜打孔，傳感器不能采用螺栓固定，且部件多為鋁合金材料，也不能采用磁吸固定，所以本項目專門設(shè)計了安裝底座。底座采用鋁合金材質(zhì)，每個底座都根據(jù)安裝位置作優(yōu)化設(shè)計，底座通過進(jìn)口樹脂膠黏接到部件表面，能保證牢固和熱傳導(dǎo)，底座預(yù)留有通孔，可以穿過金屬絲捆扎于設(shè)備表面。傳感器通過螺絲固定到底座上，方便后期拆卸，如圖1所示。

3" 系統(tǒng)程序設(shè)計及調(diào)試

系統(tǒng)中采用西門子S7-1200作為設(shè)備層控制器，除了完成基本的數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換外，還可完成數(shù)據(jù)的簡單處理，如對比分析等。博途平臺的網(wǎng)絡(luò)視圖如圖2所示。

PLC程序設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化的編程結(jié)構(gòu)，首先編寫好基本的函數(shù)（MODBUS、電流轉(zhuǎn)換、溫度轉(zhuǎn)換、閾值判斷、振動轉(zhuǎn)換和周期判斷等函數(shù)（FC））。組織塊OB里MAIN是循環(huán)掃描，掃描周期較短，不宜執(zhí)行大量的數(shù)據(jù)處理。所以，只是在MAIN里調(diào)用MODBUS通信處理函數(shù)，其他的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理均放在定時中斷的OB周期比較和周期性處理里，其時間間隔可以設(shè)定且精確控制。IPC中采用力控組態(tài)軟件開發(fā)上位機(jī)程序，其功能主要包含參數(shù)設(shè)置、趨勢曲線、故障報警、數(shù)據(jù)報表、備件管理、維護(hù)管理和用戶管理等。對于一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，都是通過力控軟件調(diào)用編制好的腳本程序完成，再通過力控的實時數(shù)據(jù)庫寫入到PLC的DB塊中，可供HMI、4G物聯(lián)網(wǎng)模塊訪問并轉(zhuǎn)發(fā)到云控平臺。圖爾克的傳感器通過IO-link專用電纜連接到圖爾克IO-link模塊，不需要做設(shè)置及調(diào)試。圖爾克IO-link模塊需要通過其配套軟件設(shè)置IP地址及設(shè)備名，這些數(shù)據(jù)必須與PLC程序組態(tài)中的一致。除此之外，該模塊還需要通過瀏覽器進(jìn)行相關(guān)設(shè)置及調(diào)試，配置好其功能，如選擇監(jiān)測振動加速度或振動速度。上位機(jī)程序調(diào)試中主要需要注意相關(guān)數(shù)據(jù)庫變量的設(shè)置必須與PLC中對應(yīng)數(shù)據(jù)一致，且PLC中DB塊必須取消優(yōu)化，這樣上位機(jī)才能用絕對地址訪問該數(shù)據(jù)。PLC的CPU屬性設(shè)置中也必須勾選允許遠(yuǎn)程伙伴PUT/GET訪問的選項。

在系統(tǒng)調(diào)試期間，系統(tǒng)周期性地對單機(jī)進(jìn)行基于時間軸的數(shù)據(jù)對比和雙機(jī)同時間片的數(shù)據(jù)對比。在某個雙機(jī)共同開機(jī)的時段，系統(tǒng)程序通過分析發(fā)現(xiàn)了設(shè)備異常，激活了現(xiàn)場燈柱、微信、短信等報警，報警信息為雙機(jī)狀態(tài)比對異常。通過事后分析歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該時間段1號機(jī)主傳動箱Z軸振動烈度約為19 mm/s，2號機(jī)主傳動箱Z軸振動烈度約為3.5 mm/s，該時間段歷史數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。技術(shù)人員經(jīng)過對設(shè)備允許狀態(tài)及維護(hù)情況的摸底調(diào)查，發(fā)現(xiàn)1號機(jī)在事發(fā)前1個月進(jìn)行了主傳動箱維護(hù)，更換了部分零件，而2號機(jī)還未進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)。類似的這種報警，不僅能對潛在的故障隱患進(jìn)行提醒，也能較為精準(zhǔn)地確定故障隱患位置。

4" 結(jié)論

本文介紹的監(jiān)測系統(tǒng)以ZL29型濾棒成型機(jī)整機(jī)為研究對象，構(gòu)建了一套濾棒成型機(jī)高速運轉(zhuǎn)部件監(jiān)測及維護(hù)管理系統(tǒng)，對刀盤傳動箱、主風(fēng)機(jī)電機(jī)、開松螺紋輥電機(jī)等高速運轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行在線實時監(jiān)測，形成以振動檢測為主，以其他檢測手段為輔的一個在線故障診斷系統(tǒng)。通過數(shù)月的試運行，證明系統(tǒng)能判定故障位置及原因，并預(yù)測各部件技術(shù)狀態(tài)，對潛在的故障進(jìn)行早期預(yù)報和識別，能保證設(shè)備安全、穩(wěn)定、長周期和滿負(fù)荷優(yōu)質(zhì)運行，避免了“過剩維修”造成的不經(jīng)濟(jì)、不合理現(xiàn)象。對于其他的機(jī)電設(shè)備，也可以通過本文所介紹的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等技術(shù)手段，及時、準(zhǔn)確地對機(jī)器各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷，識別機(jī)器運行中是否存在故障和缺陷，預(yù)防或消除故障，及早地制訂機(jī)器的檢修計劃和調(diào)整機(jī)器的運行方式，對設(shè)備的保養(yǎng)計劃進(jìn)行必要的指導(dǎo)和調(diào)整，變靜態(tài)固定周期保養(yǎng)為動態(tài)保養(yǎng)，可避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大和重大事故的發(fā)生，提高機(jī)器運行的可靠性、安全性、有效性。

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