煙草行業卷包設備的狀態監測技術研究

摘 要：自動化卷包設備不僅能夠大幅度提高卷煙生產效率，而且能夠降低原輔材料損耗，對提高煙草企業經濟效益有積極作用。但隨著長時間運行，設備不可避免地會出現故障，如都采用事后維修模式會對生產效率產生較大負面影響。鑒于此，首先介紹了卷包設備產品指標在線監測技術和關鍵部位振動監測技術，隨后概述了狀態監測及檢修系統的設計要點，最后通過實踐驗證了該系統在卷包設備運行記錄、狀態監測、故障維修方面有良好的應用效果，具有推廣價值。

關鍵詞：卷包設備;狀態監測;卷煙空頭率;故障診斷

中圖分類號：TS43? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）10-0065-03

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

0? ? 引言

卷煙機和包裝機（統稱卷包設備）是卷煙生產中的核心設備，同時也直接決定了卷煙產品質量和企業經濟效益。目前，先進的卷包設備，其卷煙速度可達到20 000支/min，包裝速度可達到1 000包/min。由于長時間處于高速度、高負荷運行狀態，隨著使用年限的增加，設備發生故障的概率也逐年上升。為了切實維護企業效益，必須做好卷包設備的檢修維護工作。相比于人工檢修，利用狀態監測技術可實時采集卷包設備的工況參數，一旦監測到異常情況可以立即告警，并自動生成故障診斷結果，從而為設備管理人員進行故障處理提供參考。

1? ? 卷包設備狀態監測技術

1.1? ? 卷包設備產品指標在線監測

在卷煙生產過程中可選擇量化技術指標輔助卷包設備的故障診斷，常用的技術指標包括煙支空頭率、煙支重量、煙支外觀缺陷等。以煙支外觀缺陷為例，在卷包設備運行期間，如果存在鼓輪積膠、供膠含氣泡、長梗簽剔除不徹底等問題，會導致生產出來的煙支存在濾嘴歪斜、水松紙翹邊、卷煙紙開縫等一系列質量缺陷。因此，如果同一批次的卷煙產品中質量缺陷率明顯上升，則推測卷包設備出現異常。煙支外觀缺陷可利用測量傳感器監測裝置進行在線監測，該裝置由發光二極管、光學透鏡組、遮光片、接收器等組成，監測原理為：發光二極管發射出的光線經過多個透鏡的折射后形成直徑為10 mm的穩定光柱[1]，煙端掃描鼓輪上的濾嘴卷煙在傳送時經過光柱，帶有同心圓的遮光片位于接收器前面，并且內圓直徑略小于濾嘴卷煙直徑，光柱照射卷煙時，一部分被濾嘴卷煙及遮光片遮擋，還有一部分從同心圓開口處透過并被接收器捕捉，接收器通過對比發射器發出端的光通量和接收的光通量，判斷濾嘴卷煙外形是否合格。如大量濾嘴卷煙外觀均存在瑕疵，則說明卷包設備出現了故障。

1.2? ? 卷包設備關鍵部位振動監測

卷包設備中使用了許多精密軸承，如果軸承出現嚴重磨損、腐蝕裂紋或內套弛緩等故障，會影響卷包設備的正常運行，進而導致卷煙質量受到影響。目前常用的卷包設備軸承狀態監測技術為振動診斷法，故障診斷原理為設定好測量儀器的參數后，對卷包設備軸承部位的運行參數（加速度有效值和峭度系數）進行多次采樣，根據分析結果判斷軸承是否存在異常。其中，加速度有效值（G）可以反映出軸承在頻帶范圍內的振動幅值，計算公式為：

G=■? ? （1）

如果G值超過正常水平，則說明軸承振幅過大，存在異常。

峭度系數（K）表示軸承工作面存在疲勞故障時，每轉動一周缺陷處產生的沖擊脈沖，計算公式為：

K=■? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

K值越大，則說明沖擊響應幅值越大，故障越嚴重。正常情況下，軸承的K值服從正態分布，取3;當軸承發生故障后，K值增加并偏離正態分布。

通過G值和K值可以判斷出卷包設備軸承部位是否出現異常情況。

2? ? 卷包設備狀態監測及檢修系統設計

2.1? ? 系統整體架構設計

該系統采用C/S架構，包含接口界面層、應用邏輯層、信息資源層、網絡平臺層四大部分，結構組成如圖1所示。

接口界面層主要提供接入服務以及展示應用程序的接口界面，具體又分為安全認證、網絡接入管理等模塊。用戶從接口界面層登錄，經過安全認證后成功登錄系統，并進入主界面。應用邏輯層支持該系統功能的實現，包括卷包設備狀態監測和故障診斷，以及可靠性評估、維修任務管理等。其核心是應用邏輯組件，如Web頁面組件、系統模塊功能組件等，這些組件彼此相互獨立，這種設計的優勢在于提高了邏輯的清晰度，方便后續的維護，同時也能保證系統運行流暢，具備較好的可擴展性。信息資源層由數據庫、模型庫、知識庫等組成，用于數據的存儲、調用[2]。外部數據經過ETL技術提取后按照數據來源、數據類型分別存儲到不同的庫中。網絡平臺層提供該系統運行的網絡基礎設施、有關通信協議等。

2.2? ? 系統功能設計

在系統功能設計中，除了要求各個模塊功能可以正常實現外，還必須從系統的整體運行出發，保證模塊之間具有較強的兼容性。系統功能設計如圖2所示。

2.2.1? ? 狀態監測及診斷

該功能模塊由卷煙產品指標分析、卷包設備狀態監測、設備運行記錄與查詢、故障簡易診斷四部分組成。其中，卷煙產品指標包括煙支空頭率、煙支重量SD、煙支外觀缺陷等，綜合產品生產指標判斷卷煙生產質量，進而推測出卷包設備有無異常或故障。狀態監測由前端監測儀器采集卷包設備的振動加速度有效值、峭度等基本參數，然后利用模型庫中的標準模型，將實時參數與標準參數進行橫向對比，如果參數差值超出允許范圍，則說明卷包設備存在異常。設備運行記錄可記錄卷包設備運行時間、故障發生時間、故障類型等相關信息。故障簡易診斷可綜合故障設備的溫度、速度、加速度等分析振動特性，并生成故障診斷報告。

2.2.2? ? 點檢管理

該功能模塊是基于卷包設備運行情況設定故障點，確定點檢部位后設計詳細的點檢內容，并在此基礎上生成點檢任務。后臺自動將點檢任務單發送給就近的點檢人員，按照任務單開展點檢作業[3]。點檢專員到達指定位置后，對卷包設備進行檢查，并將點檢信息實時上傳至計算機。計算機通過前端反饋的點檢信息進行智能分析，分析卷包設備存在的故障隱患，明確需要重點改進的部位。

2.2.3? ? 可靠性評估

系統綜合設備運行時間、故障發生時間及頻率、歷史故障率等相關信息，對設備可靠度進行評估，判斷在特定條件或某個時間段內卷包設備正常運行的概率。同時，該模塊還能計算出可能影響卷包設備正常運行的故障因素，并在監測到該因素后發出報警信號，提醒設備管理人員及時做好應急應對。根據可靠性評估結果，設備管理人員還可以提前制訂相應的維護計劃。

2.2.4? ? 維修任務單管理

該功能模塊可根據卷包設備運行狀況以及系統的監測分析結果生成維修任務單，并將其發送至對應的機臺。設備維修人員根據維修任務單找到對應的卷包設備，檢查并確定故障后進行維修。維修完成后，工作人員將故障情況、維修記錄以及零配件更換信息等錄入系統，系統核實維修任務單完成情況后，核銷維修任務單。

3? ? 卷包設備狀態監測及檢修系統的應用

3.1? ? 運行記錄與產品指標

卷包設備運行記錄可從機臺電腦中直接導出，并存儲到數據庫中。運行記錄表中包含起止日期、班次、機號、輕煙、重煙、硬節煙、軟節煙、總剔除率等基本信息。停機原因、故障記錄等以故障代碼形式展示，可通過代碼翻譯數據庫獲得詳細的停機原因、故障記錄，幫助設備管理人員全面了解卷包設備的運行情況和卷煙產品指標。部分卷包設備5月4日的故障信息如表1所示。

3.2? ? 狀態監測與故障診斷

系統運行后利用前端監測裝置采集卷包設備核心部件（軸承）的振動數據，然后利用振動分析儀將加速度信號轉化為電信號，由計算機對電信號進行處理，將處理結果與標準參數進行對比，判斷軸承運轉狀態是否正常。實際監測數據表明，軸承滾動體頻率譜線上出現振動峰值，初步推測為軸承滾子出現點蝕或裂紋。在此基礎上生成故障診斷報告，并將該報告發送給設備維修人員。根據該報告快速鎖定故障位置后，進一步檢查確定滾子出現裂紋，及時更換新的零件后再次觀察狀態監測數據，發現軸承振動數據恢復正常。

3.3? ? 任務單管理

卷包設備異常信息或故障信息，通過PID部件編號、Def_ID故障類型匯總至任務單管理模塊，然后自動生成維修保養任務單，并由系統后臺將任務單發送給指定的維修專員[4]。該系統的任務單管理界面包括周輪保、加換油、一級點檢、二級/日常點檢、三級/專業點檢、日常維修等內容。以日常維修任務單為例，可添加不同車間各臺卷包設備的維修計劃，保證卷包設備維修工作順利開展，解決了漏檢問題。

4?   結語

煙草產品生產中大量使用自動化設備是煙草行業發展的必然趨勢。卷包設備作為卷煙生產中的核心設備，由于自身精密化程度高、長時間高負荷運行，隨著運行時間的增加容易出現故障。通過引進狀態監測技術，以卷包設備實時運行參數為依據，在數據處理和對比分析的基礎上得到異常監測或故障診斷結果，從而為維修人員開展維修作業提供依據，對保障卷煙生產作業持續進行和維護煙草企業經濟效益有積極作用。

[參考文獻]

[1] 汪建兵.淺析卷包在線檢測設備狀態監控系統的應用[J].科技創新導報，2020，17（16）：75-76.

[2] 王雙麗，楊正清.煙草工業物流設備“再制造”技術探索與實踐[J].云南科技管理，2019，32（2）：35-37.

[3] 鄧曉凝，常寶富，田鵬，等.設備狀態監測技術在冶金行業中的實施[J].門窗，2019（12）：228.

[4] 關淑紅，李函，張保剛.人機交互在卷接包設備預測性維護中的應用[J].信息技術與標準化，2020（12）：52-57.

收稿日期：2022-02-14

作者簡介：韋炳佐（1988—），男，廣西河池人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：設備自動化控制與應用。