人工智能在線監測技術在煙草機械故障診斷中的應用

李云豪

(廣西中煙工業有限責任公司南寧卷煙廠 廣西南寧 530000)

1 人工智能在線監測技術在煙草機械故障診斷中的應用背景

由數據資料顯示，我國是世界上最大的煙草消費國。煙草企業屬于國企，由國家直接進行管控，因此保障煙草的正常生產非常有必要。在煙草生產過程中，對煙草機械設備故障進行準確診斷以及處理能夠為煙草的生產提供幫助[1]。進入21 世紀之后，隨著互聯網技術的普及，人工智能技術應運而生。對煙草行業而言，這是挑戰更是機遇。借助人工智能技術來監控并優化煙草生產設備的運行狀態，能夠進一步提升煙草生產的安全性和效率。當前，煙草生產已經實現了全過程機械化，設備精度及系統復雜程度都較高，一旦某個位置出現故障，整個生產線都會因故障無法正常運行。而將人工智能監測技術應用于煙草機械化生產流程中，不僅能夠對煙草的機械化生產全過程進行監督和管理，同時還能夠減少人力工作負擔，減少人力方面的支出，為企業創造更多的經濟效益[2]。

2 煙草生產流程故障診斷作用及其發展方向

2.1 故障診斷作用

故障診斷技術是指在煙草生產機械運行時對生產流程進行監督，同時對突發的故障進行預警，方便工作人員準確定位故障，并且查明原因，及時對其進行維修，從而實現煙草機械設備的運轉效率及安全性。

2.2 故障診斷技術的研究方向

在進行煙草機械設備的故障診斷時，主要從簡易診斷以及精密診斷兩方面入手。

2.2.1 簡易診斷

簡易診斷是指簡易分析煙草機械生產設備的系統零件及運行數據，通過將實際運行數據和期望數據進行比對，尋找其中的差異點，實現對設備運行狀態的判斷。該種方法操作簡便，能夠短時間、高精度地進行設備運行狀態的監管。

2.2.2 精密診斷

精密診斷是在簡易診斷的基礎上產生的一種更加全面的診斷方式，它是在簡易診斷的基礎上深入分析故障產生原因、影響因素，為后續開展設備故障維修提供參考資料。需要注意的是，精密診斷的操作要求較高，普通煙草企業檢修人員無法勝任該項工作，只有經過特殊培訓且通過考核的工程師才可以采用該種診斷方式，而精密診斷也常常應用于大型煙草機械的運行診斷當中[3]。

3 故障診斷技術在煙草行業中的發展

3.1 國外煙草機械的發展

要想對煙草機械水平進行評價，主要通過卷煙機的運行速度和效率來完成，以當前煙草機械水平最高的德國為例，其卷煙機每分鐘生產的卷煙數量高達14 000支，大大推動了煙草行業的發展。

3.2 聯動化生產線

對煙草企業而言，在行業競爭激烈的今天，為了創造更多的經濟效益，提升自身行業競爭力，推動煙草生產線朝著聯動化發展是未來發展趨勢。以過濾嘴頭及煙葉連接處為例，將二者生產線合為一體，能夠減少多余的生產流程，提升生產效率。

3.3 自動塑料系統

隨著卷煙機生產速度的不斷提升，采用人工進行加料已經無法滿足正產生產需求，在當前的生產大環境下，已經有自動化輔助生產工具應用于日常生產當中，以美國、德國等西方發達國家為代表在質量和效率上達到了國際先進水平。

3.4 高新技術推動發展

進入21 世紀之后，全球經濟快速發展，各種全新技術也隨之出現，煙草行業也是如此。從全球范圍內入手，比如：中國煙草企業等大型煙草公司為了提升利潤，開始將各種高新技術嘗試應用于生產當中。對煙草企業來說，除了增加資金投入以外，還需要積極探索全新的生產技術，即該行業將出現大量新技術、新產品[4]。隨著高新技術的不斷發展和應用，煙草機械行業也開始向群控網絡方向發展。主要性能是當設備發生故障時，可以通過連接的電子屏顯示。同時，智能診斷技術還能夠將設備運行過程中出現的故障進行自動化診斷，借助這種方法，能夠在提升煙草生產效率的同時降低故障產生率，而車間操作人員則可以“坐鎮一方”，足不出戶便實現對車間運行情況的了解。

3.5 國內煙草機械的發展

我國煙草行業的發展可以追溯到20世紀80年代，那段時間，我國開始實施了統一的煙草專賣管理制度。通過這種統一管理，我們實現了從國外統一購配生產設備，同時也積極嘗試應用國外的煙草生產新技術，這種操作不僅提高了生產煙支的質量，而且大大降低了生產成本，為煙草企業創造了更大的經濟效益。在吸收國外先進技術的同時，也提高了我國煙草機械的設計水平?，F階段，中國煙草行業已逐步從進口設備轉向合資生產和出口設備[5]。

3.6 故障診斷技術在煙草機械中的應用

由于市場的變化以及科學技術的快速發展，煙草生產設備呈現出智能化、大型化以及高速化發展等特征。需要注意的是，盡管我國煙草機械生產在精度以及速度上取得了較大的進步，但是在鼓掌控制方面卻不理想，各種類型的故障表現以及生產事故層出不窮。一旦這些故障沒有及時分析原因并且根治解決，后續就會導致連鎖式的生產故障，輕者導致生產線無法正常運行，重者可能造成操作人員的安全受到威脅，影響煙草生產企業的口碑。針對這一情況，在進行煙草生產機械設備的故障檢測時需要與時俱進，改變傳統的以肉眼進行檢測的方法，改用現代化、智能化的故障診斷技術，保障煙草生產企業的穩定發展[6]。

4 煙草機械故障診斷存在的問題

4.1 定期檢修可能增加故障發生率

有研究表明，在煙草機械行業，長期維護會增加故障率，尤其是人工維護，由于工人的工作經驗和操作能力的影響，會導致設備故障。這種現象在旋轉設備中最常見。在維修過程中，由于多個缺失點的存在，機械振動的振幅在維修過程中會增加，影響機械的使用壽命。造成這種現象的主要原因是，對于一個相對封閉和穩定的系統來說，維護和改造都是對設備的二次損壞。特別是煙機的定期維護，精度高，加速了設備的損壞，導致設備故障率增加。由于現有技術的限制，員工無法熟練掌握設備的內部操作，但為了確保生產安全，企業必須進行定期維護。如何平衡二者或如何選擇已成為企業需要慎重考慮的問題[7]。

4.2 定期檢修降低了設備使用壽命

上文提到，煙草生產設備是精密度較高的設備，其內部零件眾多，且相互之間連接緊密。在進行檢修時，需要將大量的零件拆除下來，那么必然會有部分零件受到外力沖擊后損傷，無法像之前那樣和其他零件契合緊密，長此以往，零件的穩定性大打折扣，那么設備運轉出現故障也就不奇怪了。針對這一情況，有必要提升設備診斷技術，積極收集相關數據資料，在對設備進行充分分析，熟練掌握內部構造以后，再開展檢修工作，這樣才能最小化檢修本身對設備的影響[8]。

5 煙草機械檢修及維護

現階段，用于煙草生產的傳動機構開始日益復雜，精密性增加使得煙草機械的故障發生率增加，同時，當前煙草生產機械設備的故障具有突發性的特點，倘若煙草機械設備出現運行問題，整條生產線都會受到影響，導致整條流水線都無法進行煙草生產，最終給企業帶來較大的經濟損失。這就對傳統的煙草生產提出了全新的要求，管理人員需要做好煙草生產的檢修盒維護工作，這不僅能有效地避免機械事故的發生，同時也能在很大的程度上降低煙草生產企業的運營成本。

5.1 積極開展自動化檢修工作

上文提到，當前煙草機械設備呈現出高精度、高復雜性的特點，因此采用人力對煙草機械進行定期檢修會導致大量的人力以及財力浪費，而隨著自動化技術以及人工智能技術的不斷成熟，將其應用到煙草機械設備的檢修上成為了當前的新趨勢。舉例來說，某卷包生產機組，機齡時間越長，對境外檢修的要求越高，平均每次境外檢修需耗費設備售價的一半，對企業而言，檢修的成本負擔較重。因此，針對不同的煙草機械設備定期開展自動化的檢修工作是很有必要的，是確保煙草機械設備正常運作的前提和基礎。

5.2 煙草機械設備檢修增加了煙草機械設備故障率

在煙草機械設備的維護中，發現維護后，運行狀態穩定的設備的運行故障率和設備漏洞比維護前增加了30%。同時，煙草機械生產線在生產過程中運行的老化現象明顯增加，導致維修工作量增加。尤其是煙草機械，如煙草煙機和包裝機，其操作過程相對緊密且復雜，通過定期維護增加了其故障的可能性[9]。同時，由于檢測技術尚未達到預期的高度，對難以掌握運行狀態的煙草設備仍需進行定期維護。

另外，在進行檢修時，倘若工作人員專業技能掌握不足導致其檢修時沒有遵守操作規范，由此導致設備出現人為故障，使得設備運行受阻，反倒不及檢修前，當出現這種情況后，需要經過一段時間調節后二次調試，才能夠滿足煙草正常生產的要求。總體來說，煙草設備的檢修工作是必要的，但是要根據實際情況進行定期檢修，不然會導致煙草機械設備的故障率有所提升，嚴重影響設備的運行效率。

6 人工智能在線監測技術在煙草機械故障診斷的模式

在應用人工智能在線監測技術進行煙草機械故障診斷時，負責采集的系統將數據進行收集并且傳輸至數據庫，其次對數據進行分析，建立相應的故障模型。倘若檢測結果顯示設備存在故障，人工智能在線監測技術便能夠及時預警并給出維修建議。

現階段的人工智能在線監測技術主要包括數據采集層、PCL硬件處理層、數據存儲層以及智能分析層這4個部分。

數據采集層上安裝有傳感器及接收模塊，當前廣泛應用的振動傳感器多選擇工業加速度振動傳感器T101A，其接收的信號為模擬信號，借助數據轉換器將模擬信號轉化為數字信號后送至PLC系統[10]。

PLC 系統收集到采集層傳輸的數字信號后，經其數據采集策略處理技術進行處理成為振動的波形數據。PLC和工控機通過TCP/IP協議傳輸數據。當需要采集實時波形數據時，可以借助PLC 的IP地址來觸發臨時采集程序。

智能分析層，顧名思義能夠提供多種類型的縫隙功能，生成相應的趨勢圖、軌跡圖、瀑布圖以及拓撲圖等。智能分析層具有自動生產顏色報警、總值報警、頻段報警等能力，將卷煙設備常見的機械故障如不對稱、軸承損壞、皮帶磨損、基礎松動、轉子定子問題以及共振等問題進行準確的診斷和預報，大大降低了檢修人員的工作負擔，在最短時間對機器故障類型進行確定，并且制定針對性的處理措施[11]。

7 人工智能在線監測技術的未來發展前景

7.1 對煙草機械故障進行檢測

現階段，針對煙草機械設備的故障檢測主要包括如下幾個方面。

7.1.1 人工智能系統研究

現階段，借助人工智能技術來對煙草生產設備進行診斷已經成為了主流，借助人工智能技術輔助的專家系統能夠為煙草企業創造更大的經濟效益，但是當前該領域在國內尚處于起步階段，煙草企業的大規模應用尚未達到預期。

7.1.2 信號輸送技術研究

傳統信號傳輸存在穩定性不足，信息傳輸速率慢等缺陷，而通過時序分析、時域分析以及韋格納普分析等技術的應用使得上述缺陷有效解決，信號輸送質量和效率均得到顯著提升。

7.1.3 網絡診斷系統的開發應用

與過去的單機生產相比，借助互聯網技術輔助的故障診斷技能夠實現故障診斷的顯著優化，從而使故障診斷的時效性明顯增加。

7.1.4 神經網絡技術研究

現階段，在煙草生產企業中，旋轉機械診斷技術得到了極為廣泛的應用，并且取得了令人滿意的效果，其已經在各大煙草生產企業的機械設備診斷中發揮著重要的作用。

7.1.5 專業診斷儀器研發

人工智能和專家系統快速發展和成熟使得更多攜帶方便、監測靈敏度和準確性較高的煙草機械故障診斷技術為煙草機械提供了實施數據對接的可能，在當前煙草生產過程中也具有非常廣泛的應用前景。

7.2 煙草機械故障診斷系統的智能化發展

現階段，煙草機械故障診斷技術可以通過互聯網及電子設備進行遠程控制。當進行卷煙生產時，可以在生產流水線上設置多個監控位點，借助計算機智能技術來收集數據，并且將接近以及超過安全閾值的數據通過預警的形式告知專業維修人員。這種模式能夠減少監管人員的工作量，同時也能夠提升監管效率[12]。

在煙草行業中，設備的精密度較高，一旦發生故障難以短時間內確定故障原因，監測技術水平尚未發展至相應階段，導致智能故障診斷技術發展受阻。對企業來說，需要積極對員工進行專業培訓，鼓勵員工在實踐操作過程中完善自身的專業知識儲備，借助企業現有的監測技術來對煙草機械故障點研究出全新的解決方案。企業管理層可以加大在智能煙草機械方面的成本支出，研發出全新的智能監測系統來降低維修成本，提升機械運行時的抗感染能力，從而達到煙草機械故障智能化診斷的目標。

8 結語

綜上所述，隨著科學技術的不斷發展，煙草機械故障診斷技術也在不斷提升，人工智能監測技術給煙草機械故障診斷提供了全新的思路，可以預料，在未來人工智能監測技術能夠實現更加高效、準確地對煙草機械生產故障的診斷，同時為我國煙草企業的快速發展打下夯實的基礎。