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烟草行业卷包设备的状态监测技术研究

2022-05-26韦炳佐

机电信息 2022年10期
关键词:状态监测故障诊断

摘 要:自动化卷包设备不仅能够大幅度提高卷烟生产效率,而且能够降低原辅材料损耗,对提高烟草企业经济效益有积极作用。但随着长时间运行,设备不可避免地会出现故障,如都采用事后维修模式会对生产效率产生较大负面影响。鉴于此,首先介绍了卷包设备产品指标在线监测技术和关键部位振动监测技术,随后概述了状态监测及检修系统的设计要点,最后通过实践验证了该系统在卷包设备运行记录、状态监测、故障维修方面有良好的应用效果,具有推广价值。

关键词:卷包设备;状态监测;卷烟空头率;故障诊断

中图分类号:TS43    文献标志码:A    文章编号:1671-0797(2022)10-0065-03

DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.017

0    引言

卷烟机和包装机(统称卷包设备)是卷烟生产中的核心设备,同时也直接决定了卷烟产品质量和企业经济效益。目前,先进的卷包设备,其卷烟速度可达到20 000支/min,包装速度可达到1 000包/min。由于长时间处于高速度、高负荷运行状态,随着使用年限的增加,设备发生故障的概率也逐年上升。为了切实维护企业效益,必须做好卷包设备的检修维护工作。相比于人工检修,利用状态监测技术可实时采集卷包设备的工况参数,一旦监测到异常情况可以立即告警,并自动生成故障诊断结果,从而为设备管理人员进行故障处理提供参考。

1    卷包设备状态监测技术

1.1    卷包设备产品指标在线监测

在卷烟生产过程中可选择量化技术指标辅助卷包设备的故障诊断,常用的技术指标包括烟支空头率、烟支重量、烟支外观缺陷等。以烟支外观缺陷为例,在卷包设备运行期间,如果存在鼓轮积胶、供胶含气泡、长梗签剔除不彻底等问题,会导致生产出来的烟支存在滤嘴歪斜、水松纸翘边、卷烟纸开缝等一系列质量缺陷。因此,如果同一批次的卷烟产品中质量缺陷率明显上升,则推测卷包设备出现异常。烟支外观缺陷可利用测量传感器监测装置进行在线监测,该装置由发光二极管、光学透镜组、遮光片、接收器等组成,监测原理为:发光二极管发射出的光线经过多个透镜的折射后形成直径为10 mm的稳定光柱[1],烟端扫描鼓轮上的滤嘴卷烟在传送时经过光柱,带有同心圆的遮光片位于接收器前面,并且内圆直径略小于滤嘴卷烟直径,光柱照射卷烟时,一部分被滤嘴卷烟及遮光片遮挡,还有一部分从同心圆开口处透过并被接收器捕捉,接收器通过对比发射器发出端的光通量和接收的光通量,判断滤嘴卷烟外形是否合格。如大量滤嘴卷烟外观均存在瑕疵,则说明卷包设备出现了故障。

1.2    卷包设备关键部位振动监测

卷包设备中使用了许多精密轴承,如果軸承出现严重磨损、腐蚀裂纹或内套弛缓等故障,会影响卷包设备的正常运行,进而导致卷烟质量受到影响。目前常用的卷包设备轴承状态监测技术为振动诊断法,故障诊断原理为设定好测量仪器的参数后,对卷包设备轴承部位的运行参数(加速度有效值和峭度系数)进行多次采样,根据分析结果判断轴承是否存在异常。其中,加速度有效值(G)可以反映出轴承在频带范围内的振动幅值,计算公式为:

G=■    (1)

如果G值超过正常水平,则说明轴承振幅过大,存在异常。

峭度系数(K)表示轴承工作面存在疲劳故障时,每转动一周缺陷处产生的冲击脉冲,计算公式为:

K=■                 (2)

K值越大,则说明冲击响应幅值越大,故障越严重。正常情况下,轴承的K值服从正态分布,取3;当轴承发生故障后,K值增加并偏离正态分布。

通过G值和K值可以判断出卷包设备轴承部位是否出现异常情况。

2    卷包设备状态监测及检修系统设计

2.1    系统整体架构设计

该系统采用C/S架构,包含接口界面层、应用逻辑层、信息资源层、网络平台层四大部分,结构组成如图1所示。

接口界面层主要提供接入服务以及展示应用程序的接口界面,具体又分为安全认证、网络接入管理等模块。用户从接口界面层登录,经过安全认证后成功登录系统,并进入主界面。应用逻辑层支持该系统功能的实现,包括卷包设备状态监测和故障诊断,以及可靠性评估、维修任务管理等。其核心是应用逻辑组件,如Web页面组件、系统模块功能组件等,这些组件彼此相互独立,这种设计的优势在于提高了逻辑的清晰度,方便后续的维护,同时也能保证系统运行流畅,具备较好的可扩展性。信息资源层由数据库、模型库、知识库等组成,用于数据的存储、调用[2]。外部数据经过ETL技术提取后按照数据来源、数据类型分别存储到不同的库中。网络平台层提供该系统运行的网络基础设施、有关通信协议等。

2.2    系统功能设计

在系统功能设计中,除了要求各个模块功能可以正常实现外,还必须从系统的整体运行出发,保证模块之间具有较强的兼容性。系统功能设计如图2所示。

2.2.1    状态监测及诊断

该功能模块由卷烟产品指标分析、卷包设备状态监测、设备运行记录与查询、故障简易诊断四部分组成。其中,卷烟产品指标包括烟支空头率、烟支重量SD、烟支外观缺陷等,综合产品生产指标判断卷烟生产质量,进而推测出卷包设备有无异常或故障。状态监测由前端监测仪器采集卷包设备的振动加速度有效值、峭度等基本参数,然后利用模型库中的标准模型,将实时参数与标准参数进行横向对比,如果参数差值超出允许范围,则说明卷包设备存在异常。设备运行记录可记录卷包设备运行时间、故障发生时间、故障类型等相关信息。故障简易诊断可综合故障设备的温度、速度、加速度等分析振动特性,并生成故障诊断报告。

2.2.2    点检管理

该功能模块是基于卷包设备运行情况设定故障点,确定点检部位后设计详细的点检内容,并在此基础上生成点检任务。后台自动将点检任务单发送给就近的点检人员,按照任务单开展点检作业[3]。点检专员到达指定位置后,对卷包设备进行检查,并将点检信息实时上传至计算机。计算机通过前端反馈的点检信息进行智能分析,分析卷包设备存在的故障隐患,明确需要重点改进的部位。

2.2.3    可靠性评估

系统综合设备运行时间、故障发生时间及频率、历史故障率等相关信息,对设备可靠度进行评估,判断在特定条件或某个时间段内卷包设备正常运行的概率。同时,该模块还能计算出可能影响卷包设备正常运行的故障因素,并在监测到该因素后发出报警信号,提醒设备管理人员及时做好应急应对。根据可靠性评估结果,设备管理人员还可以提前制订相应的维护计划。

2.2.4    维修任务单管理

该功能模块可根据卷包设备运行状况以及系统的监测分析结果生成维修任务单,并将其发送至对应的机台。设备维修人员根据维修任务单找到对应的卷包设备,检查并确定故障后进行维修。维修完成后,工作人员将故障情况、维修记录以及零配件更换信息等录入系统,系统核实维修任务单完成情况后,核销维修任务单。

3    卷包设备状态监测及检修系统的应用

3.1    运行记录与产品指标

卷包设备运行记录可从机台电脑中直接导出,并存储到数据库中。运行记录表中包含起止日期、班次、机号、轻烟、重烟、硬节烟、软节烟、总剔除率等基本信息。停机原因、故障记录等以故障代码形式展示,可通过代码翻译数据库获得详细的停机原因、故障记录,帮助设备管理人员全面了解卷包设备的运行情况和卷烟产品指标。部分卷包设备5月4日的故障信息如表1所示。

3.2    状态监测与故障诊断

系统运行后利用前端监测装置采集卷包设备核心部件(轴承)的振动数据,然后利用振動分析仪将加速度信号转化为电信号,由计算机对电信号进行处理,将处理结果与标准参数进行对比,判断轴承运转状态是否正常。实际监测数据表明,轴承滚动体频率谱线上出现振动峰值,初步推测为轴承滚子出现点蚀或裂纹。在此基础上生成故障诊断报告,并将该报告发送给设备维修人员。根据该报告快速锁定故障位置后,进一步检查确定滚子出现裂纹,及时更换新的零件后再次观察状态监测数据,发现轴承振动数据恢复正常。

3.3    任务单管理

卷包设备异常信息或故障信息,通过PID部件编号、Def_ID故障类型汇总至任务单管理模块,然后自动生成维修保养任务单,并由系统后台将任务单发送给指定的维修专员[4]。该系统的任务单管理界面包括周轮保、加换油、一级点检、二级/日常点检、三级/专业点检、日常维修等内容。以日常维修任务单为例,可添加不同车间各台卷包设备的维修计划,保证卷包设备维修工作顺利开展,解决了漏检问题。

4    结语

烟草产品生产中大量使用自动化设备是烟草行业发展的必然趋势。卷包设备作为卷烟生产中的核心设备,由于自身精密化程度高、长时间高负荷运行,随着运行时间的增加容易出现故障。通过引进状态监测技术,以卷包设备实时运行参数为依据,在数据处理和对比分析的基础上得到异常监测或故障诊断结果,从而为维修人员开展维修作业提供依据,对保障卷烟生产作业持续进行和维护烟草企业经济效益有积极作用。

[参考文献]

[1] 汪建兵.浅析卷包在线检测设备状态监控系统的应用[J].科技创新导报,2020,17(16):75-76.

[2] 王双丽,杨正清.烟草工业物流设备“再制造”技术探索与实践[J].云南科技管理,2019,32(2):35-37.

[3] 邓晓凝,常宝富,田鹏,等.设备状态监测技术在冶金行业中的实施[J].门窗,2019(12):228.

[4] 关淑红,李函,张保刚.人机交互在卷接包设备预测性维护中的应用[J].信息技术与标准化,2020(12):52-57.

收稿日期:2022-02-14

作者简介:韦炳佐(1988—),男,广西河池人,硕士研究生,助理工程师,研究方向:设备自动化控制与应用。

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