故障诊断技术在烟草行业的应用

杨 露，李 乾，权发香，程 亮

（红云红河集团会泽卷烟厂，云南曲靖 654200）

0 引言

随着烟草消费的更新升级以及烟民自我健康意识的提升，卷烟工业面临着更加复杂的外部环境、日益激烈的产品竞争、不断提升的消费需求。烟草行业发展已经从扩容式增长走向集约式增长，“降本增效”成为烟草工业共同面对的问题。物联网、自动控制技术、设备诊断技术不断迭代，现在烟草行业对生产过程自动化程度要求不断提高，越来越多的大型化、智能化、集成化机械设备应用到烟草行业的生产过程中，烟草机械的精密度和结构复杂性更加明显，一个组件涉及众多标准件、非标零件组合，内部结构较为复杂，其中某个零件局部出现问题将导致该组件运动精度发生改变，影响整个生产计划，降低设备效率。目前，我国大型烟草企业陆续从国外各大烟机公司引入各种新型高速设备，相关部分技术被国内烟草机械公司进行引进、消化吸收。这就对烟草机械设备的运行安全提出更高的要求，因为一旦生产线发生机械故障，高速运转的机械设备带来的损失将十分巨大。因此烟草行业的机械故障诊断技术就显得越来越重要，必须结合工厂实际操作情况以及使用的烟机设备的不同型号，制定更加先进以及安全的诊断方法，淘汰低效的诊断方法。近20年来设备诊断方法不断增多，计算机技术、诊断技术、信号处理算法等不断结合，使得故障诊断技术越来越趋于智能化和自动化。

1 故障诊断的含义

烟草故障诊断技术是指烟草机械设备通过技术手段的诊断来确定烟草机械设备的运行状态是否正常，机械设备的局部与整体之间的配合状态是否正常，以及机械设备的运行效率是否正常，从而对机械设备是否能够正常运行以及故障情况进行判断的学科[1]。现有的定期维保与轮休轮保制度，受限修理人员技能水平与经验，原本设备结构标准安装调试的位置、结构运行配合衔接、配合精度等受到影响。如果维修保养不到位将加速设备老化，同时对产品质量产生一定的隐患，造成设备停机故障频发，产品质量间歇出现缺陷。

2 故障诊断的发展阶段

故障诊断技术发展可以分为以下几个阶段：基础诊断阶段、经验诊断阶段、诊断技术阶段和智能诊断阶段[2]。

（1）基础诊断阶段的诊断方法及其落后，通常只能通过人工诊断初步判断较为严重的机械故障或者是比较明显的机械故障。这种诊断手段对于不明显或者是细微的零件，例如轴承损坏，或配合零件精度改变引起的机械故障，或未发生的隐患，则无法诊断出来。因此这是极为落后的诊断方法，目前逐渐被其他诊断手段所代替，如卷烟工业普遍使用的三级点检制度，从设备组件外观、参数设置、运行异响等进行判断。

（2）经验诊断阶段，诊断效率取决于诊断人员平常积累的工作经验，除了采用产品的抽样诊断之外，大部分取决于诊断人员的自主判断。例如通过观察机械的工作状态和机械运作发出的声音，来判断烟草机械设备的工作状态是否正常。除此之外，无论是通过抽样质检法还是人工观测法都只能大概判断出机械是否存在故障。无法精确判断出故障发生的位置以及故障原因，更无法做到对故障的精确排除与维修。同时无论是基础诊断还是经验诊断都只能对故障机械进行及时止损，很难对机械故障预测从源头上避免故障造成的损失，属于事后维修阶段。这种维修模式在计划工作时间内因为设备故障、过程缺陷会对设备效率带来负面影响，拉低包装机设备综合效率，甚至引发因为产品质量缺陷进行质量追溯的设备闲置时间。跟踪统计，会烟2022年2—5月中支包装维修项目与时长如图1所示，图中仅仅是列举维修时间大于65min的维修项目，机械维修项目占到整体维修时长的96.6%，所有的维修项目中重复性维修项目频次较高，突发、偶发、异常的故障可能因为缺少备件延长机组待机时间。

图1 中支包装设备维修内容与时长

（3）诊断技术阶段是基于一套故障诊断技术的理论以及相应的诊断设备对烟草机械进行更加精确快速的诊断方法，目前的诊断设备大致分为振动检测器、温度检测器、加速度检测器。通过诊断机械设备运行时采集的信号，通过数模转换，利用一定的数据算法进行特征信号提取，与正常工作时的数据进行对比分析，若是收集的数据在正常数据区间之外，则发出故障信号，烟草机械设备进行急停检修，根据传感器位置精确判断出故障机构中的零件及耗损情况。该诊断方法还可以避免在诊断过程中对部分封闭零件进行拆卸诊断，这样可以对高精度零件的配合精度影响降到最低。同时对于零件的磨损还可以通过其周期性信号变化来判断出耐损零部件和易损零部件，对不同的零部件进行周期性质检来制定出更合理的诊断方案，既提高了机械的使用寿命，又降低了诊断的成本。例如，YB25小盒包装机背后的齿轮箱内某个传动齿轮齿面点蚀，初期可能周期性出现缺陷产品，修理人员可以通过造成产品缺陷的包装过程中某一个折叠传送通道，进行机构间隙调整、机构零件更换。经过不断修正维修方向，最终才能确定是传动系统出现问题，更换某个齿轮后需要对传动系统进行相位确认，整个维修耗时较长。目前，重庆卷烟厂针对GDX2包装机利用声振对成型推杆齿轮箱进行高频能量比、声振能量比诊断，结合传感器位置逻辑关系诊断关联部位的设备模式情况[3]，再结合故障诊断理论和合理的诊断方案之后，对耐损零部件的诊断周期适当扩大，对于易损零部件周期相应缩短，替换成加工性能更好的零件，都可以降低机械故障以及修理方面的资金投入。例如，FOCKE350硬7#包装机偶发出现中支小盒斜角露白产品缺陷，现在使用的中支硬盒包装机是在常规的FOCKE350S包装机机组的基础上进行改造的。包装工艺过程：经过商标纸输送轨道、烟包裹包机构后，完成除商标纸短顶斜片、外侧盖片外其余的折叠，第二推进器从折叠转塔将部分折叠的烟包推出进入烟包通道，烟盒在经过大胶缸涂胶机构时在外侧盖片、短顶斜片两侧涂上胶水，成型的烟盒由提升器夹持烟包底板和盖片端垂直送入传递转台，烟包在运动的过程，外侧盖片、短顶斜片两侧与传递转台活动的边爪接触，进而完成外侧盖片粘贴在长内侧斜片上，短顶斜片粘贴在短内侧斜片，完成烟盒的折叠成型。

用标准模盒量块对干燥鼓轮各个模盒尺寸进行确认，符合工艺标准，最终考虑故障因素为：现有的预折叠结构存在设计缺陷，由于中支烟支圆周变细，造成烟盒高度变小以及烟盒宽度变小，导致外侧盖片、短顶斜片变窄，经过大胶缸涂胶机构时，在外侧盖片、短顶斜片两侧涂胶，提升器在提升过程中，烟盒两侧折叠不良，出现烟包斜角露白、斜角翻卷、弯曲变形等外观质量缺陷，带动传递转塔的活动安全导轨频繁被抬起，触发活动安全导轨的接近开关，导致包装机组停机频次较高。因此在进入干燥鼓轮前，从新设计安装一个预折叠器，当从折叠转塔出来的烟包经过大胶缸的打胶辊完成商标纸外侧盖片、短顶斜片特定位置涂胶后，通过弧形板将其往下逐渐折叠90°，在胶液作用下，分别粘贴在长内侧斜片、短内侧斜片上，进而在进入提升器动作前完成外侧盖片、短顶斜片向下折叠的动作，但改进后中支小盒斜角露白数量减少并不明显，手动盘车利用百分表对干燥鼓轮支持轴进行径向跳动诊断，因为速度较低，径向跳动量较小，不易观察，通过LKG5000系列高精度激光位移传感器在包装机低速运行时，控制器通过相应算法转化为轴圆周表面上某点与传感器的距离，并通过USB与PLC进行连接。PLC安装的专用软件可实时显示数字变化，最终确定为干燥鼓轮支撑轴跳动原因，组织修理人员进行相关轴承的更换并加注润滑脂，利用标准模板对干燥鼓轮模盒进行校验调整。设备重新运行后，该产品缺陷数量明显降低。

目前网络技术、智能诊断技术、集成技术的不断成熟与人工智能相结合不断的应用在烟草机械诊断领域，借助各种传感器、分析软件、PLC控制器、视频网络等可以达到远程高效的诊断效果，这就为烟草机械设备的健康状态实时监控奠定了基础。故障诊断技术研究与运用需要企业管理层重视，通过在机械动力学、诊断原理、信号处理、数据分析等理论进行高素质人才培养，与相关专业的学者、机构开展项目攻关合作，对高精密旋转的轴、末端执行机构间隙要求较高的传动机构、难以深度保养的设备内部零部件等进行振动、温度、位置诊断，并利用接近开关、电容开关、图像识别、色标诊断、红外测量等传感器进行机构保护与防差错，避免刚性碰撞与突发安全事故，对各种安全隐患及质量隐患及时预警。智能诊断阶段则需依托于计算机技术的发展、网络通信、人工智能技术，以及各种算法：神经网络、深度学习、数字孪生等，这也是未来机械诊断技术的一个发展趋势。

3 故障诊断的发展趋势

目前故障诊断技术的发展逐渐向智能化和高精度两个大方向发展，原因是网络技术和计算机技术的飞速发展为诊断技术提供了新的诊断途径，即远程诊断。远程诊断减少了人工成本的支出，可以更加高效迅速地对烟机设备进行故障诊断，避免了因人工失误造成的误诊、漏诊等事件的发生。例如，诊断人员通过诊断设备收集到的设备工作数据信息来对机械设备的工作情况进行判断，同时针对某个区域或者关键部位，通过网络通信将传感器采集的相关数据传送到指定服务器和相关分析软件，相关专业人员可以通过对数据进行分析，为设备出现的各种疑难问题指导改进思路。与人工智能技术结合的智能诊断技术是另一个发展方向，在此前技术领域的基础上，结合集成技术和人工智能技术开展机械设备的健康状态监测，在故障诊断的诊断和处理方面实现一体化和自动化，能根据各个故障表现分析出烟草机械故障发生原因、位置、严重程度，给修理人员指定修理方案提供指导，在烟草机械运行效率、稳定性、安全性以及维修成本等方面有质的提升。

烟草机械设备的健康监测体系通过计算机技术网络技术与人工智能技术的结合，在诊断理论的加持下实现对烟草机械设备的健康状态进行预警、监测和维修处理，摆摊人工监测，制定合理的高精度监测方案，对烟机设备实时监控，对于故障提前预警排除或是及时止损。可以大幅度节约在故障诊断方面的投资成本和需要的人力资源，又能高效准确地对故障进行排除和修复。因此，在目前烟草行业中，诊断手段也需要朝着智能化与自动诊断方向发展[4]，确保能够合理高效地运用新型材料，对相关算法加以改进，使得故障诊断技术能够与新技术相结合，不断适应日益激烈的行业竞争。因此在故障诊断技术的研发过程中，应该加大投资力度，优化软件和硬件设备，提供更加安全可靠的诊断手段。

4 结论

故障诊断技术作为一门学科至今已经日益成熟，与各种相关的领域和技术不断结合衍生出诸多更高效准确的诊断手段。本文论述了过去我国烟草行业的故障诊断技术以及现阶段所使用的故障诊断技术，对今后的故障诊断技术进行展望。从基础诊断发展、经验诊断到现今使用较多的技术手段诊断，最终朝着智能诊断方向的发展，离不开诊断理论的不断完善，以及计算机技术、网络技术和人工智能技术不断发展，才能与烟草机械设备的诊断相结合，不断淘汰过去落后的诊断手段，实现更加智能高效的诊断手段，最终形成机械设备的健康监测生态，做到预防、诊断到修复的一体化，大程度降低烟草行业在诊断方面的投入。