文 / 陳林 李磊 李林 董光軍

一、引言

隨著中國煙草行業(yè)企業(yè)品牌整合達(dá)到一定階段，煙草行業(yè)必須依靠數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來新的發(fā)展動力，積極推進(jìn)設(shè)備智能化的改造升級，提高生產(chǎn)效率。卷煙成品發(fā)貨區(qū)主要是成品煙從高架庫出庫，直行穿梭車將成品煙放置在托盤輸送線，再由分揀機(jī)分揀裝車，直行穿梭車在成品煙“搬運(yùn)”過程中扮演重要的角色，一旦出現(xiàn)故障就會存在斷流現(xiàn)象，影響輸送效率。根據(jù)前期調(diào)研，直行穿梭車主要故障是由機(jī)械故障引起。在生產(chǎn)過程，直行穿梭車處于動態(tài)運(yùn)行中，工作范圍區(qū)域都設(shè)置有安全防護(hù)欄，屬于封閉區(qū)域，在動態(tài)過程中難以對直行穿梭車關(guān)鍵部位實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷，缺乏自動化智能監(jiān)測手段，故障發(fā)生后維修較被動。且直行穿梭車具有體積大、質(zhì)量重、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，其中軸和軸承屬于易損部件，維修存在難度大、時(shí)間長等痛點(diǎn)。

目前武漢卷煙廠物流車間已搭建設(shè)備健康管理系統(tǒng)平臺，僅針對堆垛機(jī)管理，未將此平臺應(yīng)用到直行穿梭車，若將此平臺應(yīng)用在直行穿梭車上，可以對直行穿梭車的關(guān)鍵部件實(shí)施監(jiān)測，利用平臺的故障診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)在線感知預(yù)警，達(dá)到預(yù)防性維修效果[1]。

二、關(guān)鍵設(shè)備健康管理系統(tǒng)簡介

關(guān)鍵設(shè)備健康管理系統(tǒng)是一套基于邊緣狀態(tài)感知的設(shè)備健康管理平臺，依托平臺探索基于大數(shù)據(jù)決策的預(yù)測性設(shè)備運(yùn)維管理模式[2]，基于5G專網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用大數(shù)據(jù)分析和算法迭代數(shù)據(jù)，對設(shè)備未來的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)行有效的健康評估，系統(tǒng)界面展示如圖1所示。目前，車間主要對堆垛機(jī)的健康度進(jìn)行監(jiān)測，如果要全方位提高生產(chǎn)率和設(shè)備利用率，關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)不止于堆垛機(jī)，需拓展至成品煙主要輸送設(shè)備直行穿梭車，將更進(jìn)一步體現(xiàn)出平臺的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)設(shè)備層感知多方位覆蓋，為生產(chǎn)計(jì)劃、設(shè)備運(yùn)維、備件采購提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 關(guān)鍵設(shè)備健康管理系統(tǒng)界面展示圖

關(guān)鍵設(shè)備健康管理系統(tǒng)分為四個(gè)板塊，如圖2所示。車間總覽展示物流車間所有監(jiān)測的關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行概況，了解關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)時(shí)告警信息、告警趨勢、告警分類、設(shè)備總數(shù)、異常設(shè)備數(shù)量、正常設(shè)備數(shù)量等；區(qū)域監(jiān)控提供簡捷的設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、指標(biāo)、測點(diǎn)數(shù)據(jù)、告警的一體化展示，以充分了解設(shè)備運(yùn)行情況；數(shù)據(jù)監(jiān)控包含了設(shè)備接入數(shù)據(jù)的測點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看頁面，頁面展示所選設(shè)備所有接入數(shù)據(jù)所有測點(diǎn)的最新數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，及歷史數(shù)值折線圖；設(shè)備看板可以查看單個(gè)設(shè)備的某個(gè)指標(biāo)、測點(diǎn)、告警趨勢圖與列表。

圖2 關(guān)鍵設(shè)備健康管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

三、直行穿梭車機(jī)械故障分析

復(fù)式直行穿梭車在固定直行軌道運(yùn)行，在電控系統(tǒng)控制下，通過編碼器、激光測距等認(rèn)址方式精確定位于各個(gè)輸入輸出工位。行走驅(qū)動裝置驅(qū)動主從行走輪在各個(gè)系統(tǒng)邏輯的配合下進(jìn)行物料輸送，所以運(yùn)行過程中，行走輪具有很重要的地位。行走輪的主要機(jī)械元件是滾動軸承，它是由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架等四部分組成，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，由圖3可知滾動軸承機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若長時(shí)間運(yùn)行容易引起機(jī)械故障，不定時(shí)導(dǎo)致直行穿梭車故障停機(jī)[3]。

圖3 滾動軸承示意圖

滾動軸承主要有磨損、銹蝕和腐蝕、塑性變形、斷裂、傷痕等多種損傷類型，這些類型的損傷都會使軸承在運(yùn)行過程中振動加劇。成品煙輸送流量大，若沒有結(jié)合在線診斷技術(shù)，缺乏預(yù)防性維修意識，待故障發(fā)生后，設(shè)備搶修期會面臨物料斷流的風(fēng)險(xiǎn)。因此，基于健康管理系統(tǒng)平臺的直行穿梭車在線診斷技術(shù)具有實(shí)際應(yīng)用意義[4]。

對于直行穿梭車的健康狀態(tài)感知實(shí)質(zhì)是對軸承的振動精準(zhǔn)診斷，故研究軸承的振動機(jī)理和特性是系統(tǒng)應(yīng)用的充分必要條件[5]。滾動軸承機(jī)械結(jié)構(gòu)相對簡單，但振源分析卻相當(dāng)復(fù)雜，滾動軸承的振源一般有兩種，一種是軸承彈性相關(guān)的振動，這類振動是固有軸承振動，在異常研究中不做參考；另一種是與軸承轉(zhuǎn)動面的形狀誤差、損傷等相關(guān)的振動，這類振動是異常情況的直接表現(xiàn)，第二類振動是研究設(shè)備健康管理系統(tǒng)應(yīng)用在直行穿梭車的關(guān)鍵因素。

四、直行穿梭車測點(diǎn)建立

1.感知層建設(shè)

機(jī)械振動一般無法直接測量，而是根據(jù)位移、速度和加速度這三個(gè)響應(yīng)參數(shù)間接求解，安裝振動傳感器測出機(jī)械振動響應(yīng)參數(shù)并將此機(jī)械量轉(zhuǎn)換成呈比例的電信號。在實(shí)際測量工作中壓電式加速度傳感器使用最為廣泛，與其他種類傳感器相比，它具有靈敏度高、頻率范圍寬、線性動態(tài)范圍大、體積小等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)根據(jù)前期調(diào)研和設(shè)備特點(diǎn)選用AIMS-AMWV1B5R50-03一體式無線振動傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 無線振動傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

該無線振動溫度一體傳感器是一款Wi-Fi型單軸無線振動傳感器，采用鋰亞電池供電，可連續(xù)監(jiān)測旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動與溫度信號一年以上；內(nèi)置嵌入式處理單元，信號本地預(yù)處理；結(jié)構(gòu)采用工業(yè)級設(shè)計(jì)，適應(yīng)潮濕、粉塵、強(qiáng)干擾等復(fù)雜工業(yè)環(huán)境；提供Wi-Fi無線接口，方便工業(yè)現(xiàn)場大面積組網(wǎng)監(jiān)測，通過5G工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)5G傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，建立直行穿梭車設(shè)備感知層，為系統(tǒng)提供振動響應(yīng)參數(shù)[6]。

關(guān)鍵設(shè)備健康管理系統(tǒng)結(jié)合5G技術(shù)的運(yùn)用，助力武漢卷煙廠進(jìn)一步完善車間管理流程，實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化、智能化驅(qū)動，完善設(shè)備管理模式。

2.直行穿梭車測點(diǎn)部署方案

確定監(jiān)測傳感器選型后，測點(diǎn)的選取也十分重要。直行穿梭車分別有一對主動行走輪和一對從動行走輪，其作用都是驅(qū)動穿梭車往復(fù)運(yùn)動，只有對每一個(gè)行走輪軸監(jiān)測，才能準(zhǔn)確掌握其“健康”狀態(tài)。現(xiàn)場選取一個(gè)方位角度進(jìn)行研究，如圖5所示，其他方位點(diǎn)都可同理，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)繪制測點(diǎn)方案概念如圖6所示。

圖5 現(xiàn)場測點(diǎn)示例圖

圖6 測點(diǎn)部署分布概念圖

信號是信息的載體，采集的有效信號越多信息越詳細(xì)[7]。如果采集的數(shù)據(jù)不具備代表性，就不能表征設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，不利于后續(xù)數(shù)據(jù)處理、算法模型分析、故障診斷分析等。滾動軸承是機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)子結(jié)構(gòu)，一般而言傳感器只能接觸到軸承座或機(jī)體，而不能直接與軸承接觸[8]。經(jīng)過理論和實(shí)踐表明，滾動軸承因故障引起的沖擊振動由沖擊點(diǎn)以半球面波的方式傳播，通過軸承零件、軸承座傳遞到箱體或機(jī)架。由于沖擊振動頻率高，在信號傳遞通道上，每經(jīng)過材料分界面一次，信號幅值就會劇烈衰減一次，其能量損失甚至可達(dá) 80%。因此，在選擇測點(diǎn)和安裝傳感器時(shí)要理論和實(shí)際相結(jié)合。本文對一個(gè)行走輪測點(diǎn)展開分析，選取4個(gè)測點(diǎn)如圖6所示，測點(diǎn)1、3、4屬于徑向測點(diǎn)，測點(diǎn)2屬于軸向測點(diǎn)。如果需要監(jiān)測軸承的軸向振動時(shí)，測點(diǎn)2滿足測量條件。但軸向振動的傳遞路徑是從軸肩到軸承內(nèi)圈，再通過滾動體傳到軸承外圈，之后傳遞到軸承端蓋。傳遞過程較多，信號幅值損失較大，且根據(jù)直行穿梭車現(xiàn)場運(yùn)行的環(huán)境，也不滿足安裝條件，故測點(diǎn)2不合適。如果需要監(jiān)測軸承的徑向振動時(shí)，應(yīng)當(dāng)將傳感器安裝在測點(diǎn)1、3、4的位置，測點(diǎn)1是直接部署在行走輪上，直接測量，雖傳遞過程少，監(jiān)測準(zhǔn)確，但對于接觸型振動傳感器不便于安裝在傳動的部位上。測點(diǎn)4與測點(diǎn)3的位置關(guān)于軸對稱，但只有測點(diǎn)3處于軸承的承載區(qū)，因而對故障引起的振動信號測量靈敏度高，所以測點(diǎn)3滿足現(xiàn)場安裝環(huán)境需求，是最佳的安裝位置。而測點(diǎn)4不是承載區(qū)，不具備安裝條件。

根據(jù)測點(diǎn)位部署基本原則對直行穿梭車的相應(yīng)位置進(jìn)行分析研究，將振動傳感器主要部署在設(shè)備主動輪和從動輪的軸部位，針對這些部位運(yùn)行的特點(diǎn)，確定最優(yōu)的測點(diǎn)部署方案，對于直行穿梭車選取方案如表1所示。

表1 直行穿梭車測點(diǎn)位部署

根據(jù)前期對堆垛機(jī)的測點(diǎn)部署經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合穿梭車設(shè)備運(yùn)行的特點(diǎn)和機(jī)械故障主要位置，實(shí)施現(xiàn)場勘察，選取設(shè)備測點(diǎn)最佳點(diǎn)部署位置如圖7所示。

圖7 設(shè)備現(xiàn)場測點(diǎn)部署圖

直行穿梭車是成品煙輸送過程中的關(guān)鍵設(shè)備，其主要部位是行走輪，利用關(guān)鍵設(shè)備健康管理系統(tǒng)的診斷技術(shù)可對直行穿梭車的行走輪進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測，數(shù)據(jù)的真實(shí)性在于測點(diǎn)的位置選擇，故測點(diǎn)部署對數(shù)據(jù)采集具有重要作用。經(jīng)研究和分析，監(jiān)測點(diǎn)位部署應(yīng)遵循以下基本原則：

（1）設(shè)備、部件故障損壞會造成產(chǎn)線大面積停產(chǎn)、斷流，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)的；

（2）故障率較高，且價(jià)格昂貴、采購周期長、進(jìn)口類的部件；

（3）設(shè)備內(nèi)部部件發(fā)生早期故障不易發(fā)覺的（如軸承、齒輪磨損等）；

（4）日常生產(chǎn)過程中，巡檢或維修不方便的設(shè)備、部件；

（5）可能引發(fā)二次故障的部件。

3.5G 數(shù)據(jù)傳輸功能設(shè)計(jì)

設(shè)備健康管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要包含數(shù)據(jù)采集和服務(wù)器間的網(wǎng)絡(luò)配置兩大板塊。根據(jù)武漢卷煙廠物流車間成品庫的需要，在原有平臺基礎(chǔ)上增加直行穿梭車的數(shù)據(jù)采集模塊，即振動傳感器。所采集的數(shù)據(jù)通過5G無線路由器傳送到云端服務(wù)器，系統(tǒng)再調(diào)用采集的數(shù)據(jù)分析，判斷監(jiān)測點(diǎn)位是否存在異常，整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)圖如圖8所示。5G移動專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸具有相應(yīng)的傳輸方式，無線振動傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過工控機(jī)處理發(fā)送到服務(wù)器中，5G專網(wǎng)因需要在5G路由器上插入5G專用的物聯(lián)網(wǎng)SIM卡，每張SIM卡都綁定一個(gè)內(nèi)部的固定IP，故在5G模式下IP分配按照廠里對內(nèi)網(wǎng)IP的統(tǒng)一分配進(jìn)行合理分配。

圖8 設(shè)備現(xiàn)場測點(diǎn)部署圖

五、直行穿梭車在線診斷技術(shù)應(yīng)用分析

1.現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用與結(jié)果

武漢卷煙廠物流車間成品庫采用無線振動傳感器結(jié)合5G數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)感知層建設(shè)，系統(tǒng)接受的數(shù)據(jù)結(jié)合相應(yīng)的算法模型設(shè)計(jì)與應(yīng)用，能夠?qū)χ毙写┧筌嚱】禒顟B(tài)進(jìn)行在線感知預(yù)警，系統(tǒng)界面已實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能如圖9所示。

圖9 直行穿梭車健康管理界面圖

項(xiàng)目實(shí)施階段，對卷煙成品高架庫直行穿梭車的所有行走輪進(jìn)行安裝和測試，經(jīng)數(shù)據(jù)采集，健康管理系統(tǒng)有報(bào)警信息提醒，監(jiān)測平臺對采集的數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)換后，得到數(shù)據(jù)時(shí)域后其波形與包絡(luò)譜如圖10所示，時(shí)域波形與包絡(luò)譜放大圖如圖11所示，頻域波形如圖12所示。

圖10 時(shí)域波形與包絡(luò)譜

圖11 時(shí)域波形與包絡(luò)譜的放大圖

圖12 異常數(shù)據(jù)頻域波形圖

從以上波形可以得出以下結(jié)論：

（1）時(shí)域波形中，存在明顯的等間隔沖擊，沖擊間隔周期為t2-t1=2.647-2.32=0.327s；

（2）沖擊頻率為fimpact=1/0.327=3.05Hz；

（3）包絡(luò)譜中可見3.1Hz以及倍頻，與時(shí)域波形中的沖擊頻率3.05Hz對應(yīng)；

（ 4 ） 該直行穿梭車行走速度最大3 m / s ， 行走輪直徑300mm，行走輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)間為0.3×3.14/3=0.314s，與時(shí)域波形中沖擊間隔相符；

（5）頻域圖中可見全頻帶范圍內(nèi)底噪抬升，判斷為沖擊能量激發(fā)的全頻域響應(yīng)；

（6）時(shí)頻域圖中的每一條豎線代表沖擊產(chǎn)生的頻域響應(yīng)，同時(shí)判斷沖擊間隔為0.327s，與行走輪轉(zhuǎn)頻相符；

（7）基于以上數(shù)據(jù)，判定該直行穿梭車的行走輪每旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一次沖擊信號。

研究發(fā)現(xiàn)，由于該直行穿梭車的滾輪材質(zhì)為聚酯類材料，設(shè)備在長時(shí)間靜止后會有變形，從而導(dǎo)致行走輪每轉(zhuǎn)一圈出現(xiàn)一次沖擊，系統(tǒng)存在固有沖擊，且在主軸轉(zhuǎn)動時(shí)會周期性出現(xiàn)。聚酯類材料變形沖擊為柔性沖擊，系統(tǒng)對于其響應(yīng)主要集中在低頻段。當(dāng)系統(tǒng)存在松動情況時(shí)，行走輪沖擊傳導(dǎo)至松動部位，由于結(jié)構(gòu)均為金屬材質(zhì)，原有的柔性沖擊變?yōu)閯傂詻_擊，系統(tǒng)在高頻段響應(yīng)明顯。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，直行穿梭車驅(qū)動端右側(cè)輪測點(diǎn)存在數(shù)據(jù)異常，波形的異常特征疑似故障沖擊，數(shù)據(jù)分析表明，系統(tǒng)存在松動、偏心故障。通過對直行穿梭車非驅(qū)動端右側(cè)輪檢查，確實(shí)存在系統(tǒng)中判斷的故障。偏心故障由行走輪變形導(dǎo)致，松動故障為軸承鎖緊套松動，與實(shí)際情況相符。故關(guān)鍵設(shè)備健康管理系統(tǒng)在直行穿梭車上的應(yīng)用具有實(shí)際的意義，且成果顯著，能達(dá)到預(yù)防性維修的作用。

2.在線診斷技術(shù)應(yīng)用效益分析

基于關(guān)鍵設(shè)備健康管理系統(tǒng)平臺應(yīng)用于直行穿梭車行走輪健康度監(jiān)測，利用大數(shù)據(jù)和故障診斷技術(shù)能夠達(dá)到預(yù)防性維修目的。經(jīng)過8個(gè)月測試，對成品發(fā)貨區(qū)直行穿梭車發(fā)出6次報(bào)警，并給出預(yù)測性分析，方便維修技術(shù)人員快速定位故障點(diǎn)，縮短施工時(shí)間，減少故障率，還可合理運(yùn)用停產(chǎn)期間維修，降低物料斷流頻次，達(dá)到很好的應(yīng)用效果，如表2所示。

表2 在線診斷技術(shù)應(yīng)用效益分析表

六、總結(jié)

通過關(guān)鍵設(shè)備健康管理系統(tǒng)建設(shè)，可提升設(shè)備管理員對物流關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)管控水平，保障重要設(shè)備的安全、穩(wěn)定及長周期連續(xù)運(yùn)行，更加科學(xué)地進(jìn)行設(shè)備檢修及維護(hù)，以達(dá)到提高設(shè)備可利用率、降低檢修成本、減少故障停機(jī)、減少備件庫存、減少預(yù)防維修任務(wù)、延長維修間隔的目標(biāo)。該系統(tǒng)結(jié)合5G技術(shù)的運(yùn)用，助力武漢卷煙廠進(jìn)一步完善車間管理流程，實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化、智能化驅(qū)動，完善設(shè)備管理模式。