摘" 要：為提高濾棒成型機(jī)維修維護(hù)水平，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用基于IO-link總線(xiàn)的振動(dòng)傳感器對(duì)設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合電機(jī)電流和設(shè)備溫度的監(jiān)測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，判定故障位置及原因，并預(yù)測(cè)各部件技術(shù)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)近一年的測(cè)試，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)“治病于未然”，提高維修的準(zhǔn)確性和保養(yǎng)的科學(xué)性，保障設(shè)備的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)傳感器；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；可編程邏輯控制器；物聯(lián)網(wǎng)；濾棒成型機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP214" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）17-0117-04

Abstract： In order to improve the maintenance level of the filter rod forming machine， the monitoring system uses the vibration sensor based on IO-link bus to monitor the vibration of the high-speed running parts of the equipment， and carries on the real-time analysis combined with the monitoring of motor current and equipment temperature， determines the fault location and cause， and predicts the technical status of each part. Through nearly a year of testing， the system can achieve \"treatment\"， improve the accuracy of repair and scientific maintenance， and ensure the normal operation of the equipment.

Keywords： vibration sensor; condition monitoring; Programmable Logic Controller（PLC）; Internet of Things（IoT）; filter rod forming machine

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命深入開(kāi)展，創(chuàng)新正成為重塑全球和區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)格局的關(guān)鍵變量。抓創(chuàng)新就是抓發(fā)展，謀創(chuàng)新就是謀未來(lái)。近年來(lái)，四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱(chēng)四川中煙）圍繞著提升產(chǎn)品質(zhì)量及提高產(chǎn)品產(chǎn)量開(kāi)展各種科技創(chuàng)新工作，取得了豐碩的成果。以ZL29濾棒成型機(jī)升級(jí)改造項(xiàng)目為例，經(jīng)過(guò)相關(guān)技術(shù)人員的努力，其額定生產(chǎn)速度已經(jīng)達(dá)到600 m/min。如此高的生產(chǎn)速度，在大幅提高了產(chǎn)量的同時(shí)也對(duì)設(shè)備維護(hù)維修提出了更高要求。目前的維護(hù)維修還存在一些問(wèn)題：維護(hù)有一定的盲目性，存在部分機(jī)構(gòu)過(guò)度保養(yǎng)的情況；維修時(shí)故障定位困難造成維修停產(chǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為了解決這類(lèi)問(wèn)題，四川中煙綿陽(yáng)卷煙廠(chǎng)進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)研究，采用圖爾克公司先進(jìn)的基于IO-link總線(xiàn)的振動(dòng)傳感器對(duì)設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)（這是此種傳感器在四川省的首次運(yùn)用），并結(jié)合電機(jī)電流和設(shè)備溫度的監(jiān)測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)分析，判定故障位置及原因，并預(yù)測(cè)各部件技術(shù)狀態(tài)，從而可實(shí)現(xiàn)“治病于未然”，以此保障設(shè)備的正常運(yùn)行。

本文以該項(xiàng)目實(shí)施為例，就基于振動(dòng)傳感器的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析討論，希望能起到拋磚引玉的作用。

1" 系統(tǒng)功能分析

ZL29濾棒成型機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)部位較多，如刀盤(pán)傳動(dòng)箱、主風(fēng)機(jī)、開(kāi)松螺紋輥電機(jī)、主傳動(dòng)電機(jī)和主傳動(dòng)箱等，其中主風(fēng)機(jī)電機(jī)的常規(guī)轉(zhuǎn)速達(dá)到了6 000 r/min。設(shè)備高速運(yùn)行對(duì)機(jī)械部件的材料特性、機(jī)械傳動(dòng)及配合提出了極高的要求。在高速運(yùn)行的情況下，若設(shè)備運(yùn)行狀況、部件磨損老化、清潔潤(rùn)滑等方面稍有異常，將導(dǎo)致設(shè)備故障率急劇上升，設(shè)備使用壽命隨之驟降。為了保證設(shè)備工作在良好狀態(tài)，當(dāng)前的維護(hù)保養(yǎng)方式、維修查故手段都需要進(jìn)行一次大的革新。通過(guò)應(yīng)用基于振動(dòng)分析的故障診斷定位技術(shù)對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，可輔助維修人員減少故障查找時(shí)間，從而避免維修時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成的停產(chǎn)損失和機(jī)械頻繁拆解造成的不必要機(jī)械損傷。具體而言，系統(tǒng)功能主要有以下幾點(diǎn)。

故障預(yù)警：對(duì)設(shè)備可能發(fā)生的故障及時(shí)預(yù)警，維修人員可在故障初期進(jìn)行維修，避免故障擴(kuò)大化。對(duì)于一些不影響設(shè)備運(yùn)行的輕微故障，維修人員可在設(shè)備停機(jī)時(shí)進(jìn)行處理，避免影響生產(chǎn)。

故障定位：對(duì)設(shè)備故障部位進(jìn)行定位，對(duì)故障原因進(jìn)行提示，節(jié)省維修成本與時(shí)間，降低維修人員工作強(qiáng)度。

備件種類(lèi)及數(shù)量的科學(xué)管理：系統(tǒng)在對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)的同時(shí)，對(duì)各高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件進(jìn)行壽命分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行備件準(zhǔn)備，在保證生產(chǎn)連續(xù)性基礎(chǔ)上減少備件的積壓。

科學(xué)保養(yǎng)：根據(jù)設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)果及設(shè)備運(yùn)行分析，實(shí)現(xiàn)科學(xué)保養(yǎng)，避免保養(yǎng)過(guò)度和保養(yǎng)不足。

2" 硬件平臺(tái)搭建

根據(jù)項(xiàng)目組技術(shù)人員對(duì)本項(xiàng)目的前期研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，經(jīng)技術(shù)人員會(huì)商，確定項(xiàng)目系統(tǒng)總體方案如下：本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)范圍為卷包車(chē)間2臺(tái)ZL29濾棒成型機(jī)。本系統(tǒng)采用安裝有力控組態(tài)軟件的IPC（工控機(jī)）作上位機(jī)，PLC作為設(shè)備層控制器；對(duì)于濾棒成型機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件的監(jiān)測(cè)主要采用圖爾克公司溫度振動(dòng)傳感器（此類(lèi)傳感器雖然是四川省內(nèi)的首次應(yīng)用，但已經(jīng)經(jīng)過(guò)前期測(cè)試，能滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。每臺(tái)設(shè)備使用6個(gè)，共計(jì)12個(gè)），這些傳感器分別連接到2臺(tái)IO-link主機(jī)上，IO-link主機(jī)通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)與PLC通信。伺服電機(jī)電流傳感器預(yù)選開(kāi)合式穿孔霍爾電流傳感器，傳感器的安裝不破壞伺服電機(jī)接線(xiàn)。此類(lèi)傳感器將通過(guò)基于MODBUS-TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)IO模塊連接到PLC（根據(jù)電機(jī)電流，每臺(tái)設(shè)備選用0～5 A規(guī)格2個(gè)，0～10 A規(guī)格2個(gè)。每臺(tái)設(shè)備使用4個(gè)，共計(jì)8個(gè)）。PLC完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并運(yùn)行設(shè)備層控制程序，IPC運(yùn)行故障診斷及維護(hù)管理程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、特征提取與識(shí)別、故障趨勢(shì)預(yù)測(cè)、故障定位和維護(hù)預(yù)警等功能。在ZL29-1機(jī)內(nèi)安裝系統(tǒng)控制柜，柜門(mén)安裝有觸摸屏，可在屏上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置等基本操作。項(xiàng)目采用的是昆侖通態(tài)4G物聯(lián)網(wǎng)屏，可通過(guò)昆侖通態(tài)云控制服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，項(xiàng)目完成后相關(guān)技術(shù)人員可在手機(jī)APP上監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)并完成基本操作；為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)采用了冗余的4G網(wǎng)關(guān)，技術(shù)人員可在微信小程序上監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，并能通過(guò)微信或短信接收到設(shè)備報(bào)警信息。

平臺(tái)搭建中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及解決方案如下：①2號(hào)機(jī)信號(hào)傳輸問(wèn)題。經(jīng)過(guò)技術(shù)人員多次現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和技術(shù)研討，為避免現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，確定在本項(xiàng)目中采用專(zhuān)用千兆無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋傳輸信號(hào)。選用的工業(yè)級(jí)網(wǎng)橋采用專(zhuān)業(yè)室外殼體設(shè)計(jì)，IP等級(jí)較高，能適應(yīng)車(chē)間內(nèi)的環(huán)境。本機(jī)采用5 GHz頻段雙頻傳輸，干擾更少，帶寬能達(dá)到867 Mbps，在空曠距離無(wú)線(xiàn)傳輸距離達(dá)5 km。且無(wú)線(xiàn)發(fā)射功率線(xiàn)性可調(diào)，根據(jù)需求調(diào)整傳輸距離、避免同頻干擾。②系統(tǒng)上電斷電操作問(wèn)題。ZL29機(jī)直接上電時(shí)，本系統(tǒng)工控機(jī)可通過(guò)設(shè)置為上電自啟動(dòng)方式，系統(tǒng)能直接進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。2臺(tái)ZL29機(jī)啟動(dòng)時(shí)間客觀上存在差異，ZL29-1上的系統(tǒng)主機(jī)啟動(dòng)后將監(jiān)測(cè)ZL29-2上的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，對(duì)于初期信號(hào)異常將予以屏蔽，避免誤報(bào)警。ZL29機(jī)直接斷電時(shí)，為避免工控機(jī)WIN10系統(tǒng)長(zhǎng)期不正常關(guān)機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題，本項(xiàng)目對(duì)工控機(jī)采用UPS供電，UPS在電源斷電后將繼續(xù)給工控機(jī)供電并發(fā)出關(guān)機(jī)信號(hào)，工控機(jī)內(nèi)裝電源管理軟件將啟動(dòng)關(guān)機(jī)進(jìn)程進(jìn)行關(guān)機(jī)。③傳感器安裝點(diǎn)位布局研究及傳感器底座設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目確定的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)選擇基本原則有：振動(dòng)測(cè)點(diǎn)首選每個(gè)支承軸承部位；測(cè)點(diǎn)信號(hào)能靈敏反映設(shè)備的實(shí)際振動(dòng)狀況；測(cè)點(diǎn)部位不能存在局部共振和放大；測(cè)點(diǎn)方向選擇，每個(gè)測(cè)點(diǎn)都要在X、Y、Z 3個(gè)主方向進(jìn)行測(cè)量，尤其存在故障時(shí)，更要測(cè)量軸系的軸向振動(dòng)。為了不破壞設(shè)備，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位不宜打孔，傳感器不能采用螺栓固定，且部件多為鋁合金材料，也不能采用磁吸固定，所以本項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了安裝底座。底座采用鋁合金材質(zhì)，每個(gè)底座都根據(jù)安裝位置作優(yōu)化設(shè)計(jì)，底座通過(guò)進(jìn)口樹(shù)脂膠黏接到部件表面，能保證牢固和熱傳導(dǎo)，底座預(yù)留有通孔，可以穿過(guò)金屬絲捆扎于設(shè)備表面。傳感器通過(guò)螺絲固定到底座上，方便后期拆卸，如圖1所示。

3" 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及調(diào)試

系統(tǒng)中采用西門(mén)子S7-1200作為設(shè)備層控制器，除了完成基本的數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換外，還可完成數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理，如對(duì)比分析等。博途平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)視圖如圖2所示。

PLC程序設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化的編程結(jié)構(gòu)，首先編寫(xiě)好基本的函數(shù)（MODBUS、電流轉(zhuǎn)換、溫度轉(zhuǎn)換、閾值判斷、振動(dòng)轉(zhuǎn)換和周期判斷等函數(shù)（FC））。組織塊OB里MAIN是循環(huán)掃描，掃描周期較短，不宜執(zhí)行大量的數(shù)據(jù)處理。所以，只是在MAIN里調(diào)用MODBUS通信處理函數(shù)，其他的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理均放在定時(shí)中斷的OB周期比較和周期性處理里，其時(shí)間間隔可以設(shè)定且精確控制。IPC中采用力控組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)上位機(jī)程序，其功能主要包含參數(shù)設(shè)置、趨勢(shì)曲線(xiàn)、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)報(bào)表、備件管理、維護(hù)管理和用戶(hù)管理等。對(duì)于一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，都是通過(guò)力控軟件調(diào)用編制好的腳本程序完成，再通過(guò)力控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入到PLC的DB塊中，可供HMI、4G物聯(lián)網(wǎng)模塊訪(fǎng)問(wèn)并轉(zhuǎn)發(fā)到云控平臺(tái)。圖爾克的傳感器通過(guò)IO-link專(zhuān)用電纜連接到圖爾克IO-link模塊，不需要做設(shè)置及調(diào)試。圖爾克IO-link模塊需要通過(guò)其配套軟件設(shè)置IP地址及設(shè)備名，這些數(shù)據(jù)必須與PLC程序組態(tài)中的一致。除此之外，該模塊還需要通過(guò)瀏覽器進(jìn)行相關(guān)設(shè)置及調(diào)試，配置好其功能，如選擇監(jiān)測(cè)振動(dòng)加速度或振動(dòng)速度。上位機(jī)程序調(diào)試中主要需要注意相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)變量的設(shè)置必須與PLC中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)一致，且PLC中DB塊必須取消優(yōu)化，這樣上位機(jī)才能用絕對(duì)地址訪(fǎng)問(wèn)該數(shù)據(jù)。PLC的CPU屬性設(shè)置中也必須勾選允許遠(yuǎn)程伙伴PUT/GET訪(fǎng)問(wèn)的選項(xiàng)。

在系統(tǒng)調(diào)試期間，系統(tǒng)周期性地對(duì)單機(jī)進(jìn)行基于時(shí)間軸的數(shù)據(jù)對(duì)比和雙機(jī)同時(shí)間片的數(shù)據(jù)對(duì)比。在某個(gè)雙機(jī)共同開(kāi)機(jī)的時(shí)段，系統(tǒng)程序通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)了設(shè)備異常，激活了現(xiàn)場(chǎng)燈柱、微信、短信等報(bào)警，報(bào)警信息為雙機(jī)狀態(tài)比對(duì)異常。通過(guò)事后分析歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該時(shí)間段1號(hào)機(jī)主傳動(dòng)箱Z軸振動(dòng)烈度約為19 mm/s，2號(hào)機(jī)主傳動(dòng)箱Z軸振動(dòng)烈度約為3.5 mm/s，該時(shí)間段歷史數(shù)據(jù)曲線(xiàn)如圖3所示。技術(shù)人員經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)備允許狀態(tài)及維護(hù)情況的摸底調(diào)查，發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)在事發(fā)前1個(gè)月進(jìn)行了主傳動(dòng)箱維護(hù)，更換了部分零件，而2號(hào)機(jī)還未進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)。類(lèi)似的這種報(bào)警，不僅能對(duì)潛在的故障隱患進(jìn)行提醒，也能較為精準(zhǔn)地確定故障隱患位置。

4" 結(jié)論

本文介紹的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以ZL29型濾棒成型機(jī)整機(jī)為研究對(duì)象，構(gòu)建了一套濾棒成型機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件監(jiān)測(cè)及維護(hù)管理系統(tǒng)，對(duì)刀盤(pán)傳動(dòng)箱、主風(fēng)機(jī)電機(jī)、開(kāi)松螺紋輥電機(jī)等高速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，形成以振動(dòng)檢測(cè)為主，以其他檢測(cè)手段為輔的一個(gè)在線(xiàn)故障診斷系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)月的試運(yùn)行，證明系統(tǒng)能判定故障位置及原因，并預(yù)測(cè)各部件技術(shù)狀態(tài)，對(duì)潛在的故障進(jìn)行早期預(yù)報(bào)和識(shí)別，能保證設(shè)備安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期和滿(mǎn)負(fù)荷優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，避免了“過(guò)剩維修”造成的不經(jīng)濟(jì)、不合理現(xiàn)象。對(duì)于其他的機(jī)電設(shè)備，也可以通過(guò)本文所介紹的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等技術(shù)手段，及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)機(jī)器各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷，識(shí)別機(jī)器運(yùn)行中是否存在故障和缺陷，預(yù)防或消除故障，及早地制訂機(jī)器的檢修計(jì)劃和調(diào)整機(jī)器的運(yùn)行方式，對(duì)設(shè)備的保養(yǎng)計(jì)劃進(jìn)行必要的指導(dǎo)和調(diào)整，變靜態(tài)固定周期保養(yǎng)為動(dòng)態(tài)保養(yǎng)，可避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大和重大事故的發(fā)生，提高機(jī)器運(yùn)行的可靠性、安全性、有效性。

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