人工智能在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在煙草機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用

李云豪

(廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南寧卷煙廠 廣西南寧 530000)

1 人工智能在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在煙草機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用背景

由數(shù)據(jù)資料顯示，我國(guó)是世界上最大的煙草消費(fèi)國(guó)。煙草企業(yè)屬于國(guó)企，由國(guó)家直接進(jìn)行管控，因此保障煙草的正常生產(chǎn)非常有必要。在煙草生產(chǎn)過程中，對(duì)煙草機(jī)械設(shè)備故障進(jìn)行準(zhǔn)確診斷以及處理能夠?yàn)闊煵莸纳a(chǎn)提供幫助[1]。進(jìn)入21 世紀(jì)之后，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，人工智能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)煙草行業(yè)而言，這是挑戰(zhàn)更是機(jī)遇。借助人工智能技術(shù)來監(jiān)控并優(yōu)化煙草生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，能夠進(jìn)一步提升煙草生產(chǎn)的安全性和效率。當(dāng)前，煙草生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全過程機(jī)械化，設(shè)備精度及系統(tǒng)復(fù)雜程度都較高，一旦某個(gè)位置出現(xiàn)故障，整個(gè)生產(chǎn)線都會(huì)因故障無法正常運(yùn)行。而將人工智能監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于煙草機(jī)械化生產(chǎn)流程中，不僅能夠?qū)煵莸臋C(jī)械化生產(chǎn)全過程進(jìn)行監(jiān)督和管理，同時(shí)還能夠減少人力工作負(fù)擔(dān)，減少人力方面的支出，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

2 煙草生產(chǎn)流程故障診斷作用及其發(fā)展方向

2.1 故障診斷作用

故障診斷技術(shù)是指在煙草生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行時(shí)對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)督，同時(shí)對(duì)突發(fā)的故障進(jìn)行預(yù)警，方便工作人員準(zhǔn)確定位故障，并且查明原因，及時(shí)對(duì)其進(jìn)行維修，從而實(shí)現(xiàn)煙草機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率及安全性。

2.2 故障診斷技術(shù)的研究方向

在進(jìn)行煙草機(jī)械設(shè)備的故障診斷時(shí)，主要從簡(jiǎn)易診斷以及精密診斷兩方面入手。

2.2.1 簡(jiǎn)易診斷

簡(jiǎn)易診斷是指簡(jiǎn)易分析煙草機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備的系統(tǒng)零件及運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過將實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和期望數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，尋找其中的差異點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的判斷。該種方法操作簡(jiǎn)便，能夠短時(shí)間、高精度地進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)管。

2.2.2 精密診斷

精密診斷是在簡(jiǎn)易診斷的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種更加全面的診斷方式，它是在簡(jiǎn)易診斷的基礎(chǔ)上深入分析故障產(chǎn)生原因、影響因素，為后續(xù)開展設(shè)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(yè)檢修人員無法勝任該項(xiàng)工作，只有經(jīng)過特殊培訓(xùn)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(yīng)用于大型煙草機(jī)械的運(yùn)行診斷當(dāng)中[3]。

3 故障診斷技術(shù)在煙草行業(yè)中的發(fā)展

3.1 國(guó)外煙草機(jī)械的發(fā)展

要想對(duì)煙草機(jī)械水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要通過卷煙機(jī)的運(yùn)行速度和效率來完成，以當(dāng)前煙草機(jī)械水平最高的德國(guó)為例，其卷煙機(jī)每分鐘生產(chǎn)的卷煙數(shù)量高達(dá)14 000支，大大推動(dòng)了煙草行業(yè)的發(fā)展。

3.2 聯(lián)動(dòng)化生產(chǎn)線

對(duì)煙草企業(yè)而言，在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天，為了創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益，提升自身行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)煙草生產(chǎn)線朝著聯(lián)動(dòng)化發(fā)展是未來發(fā)展趨勢(shì)。以過濾嘴頭及煙葉連接處為例，將二者生產(chǎn)線合為一體，能夠減少多余的生產(chǎn)流程，提升生產(chǎn)效率。

3.3 自動(dòng)塑料系統(tǒng)

隨著卷煙機(jī)生產(chǎn)速度的不斷提升，采用人工進(jìn)行加料已經(jīng)無法滿足正產(chǎn)生產(chǎn)需求，在當(dāng)前的生產(chǎn)大環(huán)境下，已經(jīng)有自動(dòng)化輔助生產(chǎn)工具應(yīng)用于日常生產(chǎn)當(dāng)中，以美國(guó)、德國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家為代表在質(zhì)量和效率上達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

3.4 高新技術(shù)推動(dòng)發(fā)展

進(jìn)入21 世紀(jì)之后，全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各種全新技術(shù)也隨之出現(xiàn)，煙草行業(yè)也是如此。從全球范圍內(nèi)入手，比如：中國(guó)煙草企業(yè)等大型煙草公司為了提升利潤(rùn)，開始將各種高新技術(shù)嘗試應(yīng)用于生產(chǎn)當(dāng)中。對(duì)煙草企業(yè)來說，除了增加資金投入以外，還需要積極探索全新的生產(chǎn)技術(shù)，即該行業(yè)將出現(xiàn)大量新技術(shù)、新產(chǎn)品[4]。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，煙草機(jī)械行業(yè)也開始向群控網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。主要性能是當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以通過連接的電子屏顯示。同時(shí)，智能診斷技術(shù)還能夠?qū)⒃O(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行自動(dòng)化診斷，借助這種方法，能夠在提升煙草生產(chǎn)效率的同時(shí)降低故障產(chǎn)生率，而車間操作人員則可以“坐鎮(zhèn)一方”，足不出戶便實(shí)現(xiàn)對(duì)車間運(yùn)行情況的了解。

3.5 國(guó)內(nèi)煙草機(jī)械的發(fā)展

我國(guó)煙草行業(yè)的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)80年代，那段時(shí)間，我國(guó)開始實(shí)施了統(tǒng)一的煙草專賣管理制度。通過這種統(tǒng)一管理，我們實(shí)現(xiàn)了從國(guó)外統(tǒng)一購(gòu)配生產(chǎn)設(shè)備，同時(shí)也積極嘗試應(yīng)用國(guó)外的煙草生產(chǎn)新技術(shù)，這種操作不僅提高了生產(chǎn)煙支的質(zhì)量，而且大大降低了生產(chǎn)成本，為煙草企業(yè)創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益。在吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，也提高了我國(guó)煙草機(jī)械的設(shè)計(jì)水平?，F(xiàn)階段，中國(guó)煙草行業(yè)已逐步從進(jìn)口設(shè)備轉(zhuǎn)向合資生產(chǎn)和出口設(shè)備[5]。

3.6 故障診斷技術(shù)在煙草機(jī)械中的應(yīng)用

由于市場(chǎng)的變化以及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，煙草生產(chǎn)設(shè)備呈現(xiàn)出智能化、大型化以及高速化發(fā)展等特征。需要注意的是，盡管我國(guó)煙草機(jī)械生產(chǎn)在精度以及速度上取得了較大的進(jìn)步，但是在鼓掌控制方面卻不理想，各種類型的故障表現(xiàn)以及生產(chǎn)事故層出不窮。一旦這些故障沒有及時(shí)分析原因并且根治解決，后續(xù)就會(huì)導(dǎo)致連鎖式的生產(chǎn)故障，輕者導(dǎo)致生產(chǎn)線無法正常運(yùn)行，重者可能造成操作人員的安全受到威脅，影響煙草生產(chǎn)企業(yè)的口碑。針對(duì)這一情況，在進(jìn)行煙草生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的故障檢測(cè)時(shí)需要與時(shí)俱進(jìn)，改變傳統(tǒng)的以肉眼進(jìn)行檢測(cè)的方法，改用現(xiàn)代化、智能化的故障診斷技術(shù)，保障煙草生產(chǎn)企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展[6]。

4 煙草機(jī)械故障診斷存在的問題

4.1 定期檢修可能增加故障發(fā)生率

有研究表明，在煙草機(jī)械行業(yè)，長(zhǎng)期維護(hù)會(huì)增加故障率，尤其是人工維護(hù)，由于工人的工作經(jīng)驗(yàn)和操作能力的影響，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障。這種現(xiàn)象在旋轉(zhuǎn)設(shè)備中最常見。在維修過程中，由于多個(gè)缺失點(diǎn)的存在，機(jī)械振動(dòng)的振幅在維修過程中會(huì)增加，影響機(jī)械的使用壽命。造成這種現(xiàn)象的主要原因是，對(duì)于一個(gè)相對(duì)封閉和穩(wěn)定的系統(tǒng)來說，維護(hù)和改造都是對(duì)設(shè)備的二次損壞。特別是煙機(jī)的定期維護(hù)，精度高，加速了設(shè)備的損壞，導(dǎo)致設(shè)備故障率增加。由于現(xiàn)有技術(shù)的限制，員工無法熟練掌握設(shè)備的內(nèi)部操作，但為了確保生產(chǎn)安全，企業(yè)必須進(jìn)行定期維護(hù)。如何平衡二者或如何選擇已成為企業(yè)需要慎重考慮的問題[7]。

4.2 定期檢修降低了設(shè)備使用壽命

上文提到，煙草生產(chǎn)設(shè)備是精密度較高的設(shè)備，其內(nèi)部零件眾多，且相互之間連接緊密。在進(jìn)行檢修時(shí)，需要將大量的零件拆除下來，那么必然會(huì)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(zhǎng)此以往，零件的穩(wěn)定性大打折扣，那么設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)故障也就不奇怪了。針對(duì)這一情況，有必要提升設(shè)備診斷技術(shù)，積極收集相關(guān)數(shù)據(jù)資料，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行充分分析，熟練掌握內(nèi)部構(gòu)造以后，再開展檢修工作，這樣才能最小化檢修本身對(duì)設(shè)備的影響[8]。

5 煙草機(jī)械檢修及維護(hù)

現(xiàn)階段，用于煙草生產(chǎn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)開始日益復(fù)雜，精密性增加使得煙草機(jī)械的故障發(fā)生率增加，同時(shí)，當(dāng)前煙草生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的故障具有突發(fā)性的特點(diǎn)，倘若煙草機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行問題，整條生產(chǎn)線都會(huì)受到影響，導(dǎo)致整條流水線都無法進(jìn)行煙草生產(chǎn)，最終給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。這就對(duì)傳統(tǒng)的煙草生產(chǎn)提出了全新的要求，管理人員需要做好煙草生產(chǎn)的檢修盒維護(hù)工作，這不僅能有效地避免機(jī)械事故的發(fā)生，同時(shí)也能在很大的程度上降低煙草生產(chǎn)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。

5.1 積極開展自動(dòng)化檢修工作

上文提到，當(dāng)前煙草機(jī)械設(shè)備呈現(xiàn)出高精度、高復(fù)雜性的特點(diǎn)，因此采用人力對(duì)煙草機(jī)械進(jìn)行定期檢修會(huì)導(dǎo)致大量的人力以及財(cái)力浪費(fèi)，而隨著自動(dòng)化技術(shù)以及人工智能技術(shù)的不斷成熟，將其應(yīng)用到煙草機(jī)械設(shè)備的檢修上成為了當(dāng)前的新趨勢(shì)。舉例來說，某卷包生產(chǎn)機(jī)組，機(jī)齡時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)境外檢修的要求越高，平均每次境外檢修需耗費(fèi)設(shè)備售價(jià)的一半，對(duì)企業(yè)而言，檢修的成本負(fù)擔(dān)較重。因此，針對(duì)不同的煙草機(jī)械設(shè)備定期開展自動(dòng)化的檢修工作是很有必要的，是確保煙草機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)作的前提和基礎(chǔ)。

5.2 煙草機(jī)械設(shè)備檢修增加了煙草機(jī)械設(shè)備故障率

在煙草機(jī)械設(shè)備的維護(hù)中，發(fā)現(xiàn)維護(hù)后，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定的設(shè)備的運(yùn)行故障率和設(shè)備漏洞比維護(hù)前增加了30%。同時(shí)，煙草機(jī)械生產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中運(yùn)行的老化現(xiàn)象明顯增加，導(dǎo)致維修工作量增加。尤其是煙草機(jī)械，如煙草煙機(jī)和包裝機(jī)，其操作過程相對(duì)緊密且復(fù)雜，通過定期維護(hù)增加了其故障的可能性[9]。同時(shí)，由于檢測(cè)技術(shù)尚未達(dá)到預(yù)期的高度，對(duì)難以掌握運(yùn)行狀態(tài)的煙草設(shè)備仍需進(jìn)行定期維護(hù)。

另外，在進(jìn)行檢修時(shí)，倘若工作人員專業(yè)技能掌握不足導(dǎo)致其檢修時(shí)沒有遵守操作規(guī)范，由此導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)人為故障，使得設(shè)備運(yùn)行受阻，反倒不及檢修前，當(dāng)出現(xiàn)這種情況后，需要經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)節(jié)后二次調(diào)試，才能夠滿足煙草正常生產(chǎn)的要求?？傮w來說，煙草設(shè)備的檢修工作是必要的，但是要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行定期檢修，不然會(huì)導(dǎo)致煙草機(jī)械設(shè)備的故障率有所提升，嚴(yán)重影響設(shè)備的運(yùn)行效率。

6 人工智能在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在煙草機(jī)械故障診斷的模式

在應(yīng)用人工智能在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行煙草機(jī)械故障診斷時(shí)，負(fù)責(zé)采集的系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并且傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)，其次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的故障模型。倘若檢測(cè)結(jié)果顯示設(shè)備存在故障，人工智能在線監(jiān)測(cè)技術(shù)便能夠及時(shí)預(yù)警并給出維修建議。

現(xiàn)階段的人工智能在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)采集層、PCL硬件處理層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層以及智能分析層這4個(gè)部分。

數(shù)據(jù)采集層上安裝有傳感器及接收模塊，當(dāng)前廣泛應(yīng)用的振動(dòng)傳感器多選擇工業(yè)加速度振動(dòng)傳感器T101A，其接收的信號(hào)為模擬信號(hào)，借助數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后送至PLC系統(tǒng)[10]。

PLC 系統(tǒng)收集到采集層傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)后，經(jīng)其數(shù)據(jù)采集策略處理技術(shù)進(jìn)行處理成為振動(dòng)的波形數(shù)據(jù)。PLC和工控機(jī)通過TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)需要采集實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)時(shí)，可以借助PLC 的IP地址來觸發(fā)臨時(shí)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(yīng)的趨勢(shì)圖、軌跡圖、瀑布圖以及拓?fù)鋱D等。智能分析層具有自動(dòng)生產(chǎn)顏色報(bào)警、總值報(bào)警、頻段報(bào)警等能力，將卷煙設(shè)備常見的機(jī)械故障如不對(duì)稱、軸承損壞、皮帶磨損、基礎(chǔ)松動(dòng)、轉(zhuǎn)子定子問題以及共振等問題進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷和預(yù)報(bào)，大大降低了檢修人員的工作負(fù)擔(dān)，在最短時(shí)間對(duì)機(jī)器故障類型進(jìn)行確定，并且制定針對(duì)性的處理措施[11]。

7 人工智能在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的未來發(fā)展前景

7.1 對(duì)煙草機(jī)械故障進(jìn)行檢測(cè)

現(xiàn)階段，針對(duì)煙草機(jī)械設(shè)備的故障檢測(cè)主要包括如下幾個(gè)方面。

7.1.1 人工智能系統(tǒng)研究

現(xiàn)階段，借助人工智能技術(shù)來對(duì)煙草生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行診斷已經(jīng)成為了主流，借助人工智能技術(shù)輔助的專家系統(tǒng)能夠?yàn)闊煵萜髽I(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，但是當(dāng)前該領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，煙草企業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用尚未達(dá)到預(yù)期。

7.1.2 信號(hào)輸送技術(shù)研究

傳統(tǒng)信號(hào)傳輸存在穩(wěn)定性不足，信息傳輸速率慢等缺陷，而通過時(shí)序分析、時(shí)域分析以及韋格納普分析等技術(shù)的應(yīng)用使得上述缺陷有效解決，信號(hào)輸送質(zhì)量和效率均得到顯著提升。

7.1.3 網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用

與過去的單機(jī)生產(chǎn)相比，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)輔助的故障診斷技能夠?qū)崿F(xiàn)故障診斷的顯著優(yōu)化，從而使故障診斷的時(shí)效性明顯增加。

7.1.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

現(xiàn)階段，在煙草生產(chǎn)企業(yè)中，旋轉(zhuǎn)機(jī)械診斷技術(shù)得到了極為廣泛的應(yīng)用，并且取得了令人滿意的效果，其已經(jīng)在各大煙草生產(chǎn)企業(yè)的機(jī)械設(shè)備診斷中發(fā)揮著重要的作用。

7.1.5 專業(yè)診斷儀器研發(fā)

人工智能和專家系統(tǒng)快速發(fā)展和成熟使得更多攜帶方便、監(jiān)測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性較高的煙草機(jī)械故障診斷技術(shù)為煙草機(jī)械提供了實(shí)施數(shù)據(jù)對(duì)接的可能，在當(dāng)前煙草生產(chǎn)過程中也具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

7.2 煙草機(jī)械故障診斷系統(tǒng)的智能化發(fā)展

現(xiàn)階段，煙草機(jī)械故障診斷技術(shù)可以通過互聯(lián)網(wǎng)及電子設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。當(dāng)進(jìn)行卷煙生產(chǎn)時(shí)，可以在生產(chǎn)流水線上設(shè)置多個(gè)監(jiān)控位點(diǎn)，借助計(jì)算機(jī)智能技術(shù)來收集數(shù)據(jù)，并且將接近以及超過安全閾值的數(shù)據(jù)通過預(yù)警的形式告知專業(yè)維修人員。這種模式能夠減少監(jiān)管人員的工作量，同時(shí)也能夠提升監(jiān)管效率[12]。

在煙草行業(yè)中，設(shè)備的精密度較高，一旦發(fā)生故障難以短時(shí)間內(nèi)確定故障原因，監(jiān)測(cè)技術(shù)水平尚未發(fā)展至相應(yīng)階段，導(dǎo)致智能故障診斷技術(shù)發(fā)展受阻。對(duì)企業(yè)來說，需要積極對(duì)員工進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，鼓勵(lì)員工在實(shí)踐操作過程中完善自身的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備，借助企業(yè)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)來對(duì)煙草機(jī)械故障點(diǎn)研究出全新的解決方案。企業(yè)管理層可以加大在智能煙草機(jī)械方面的成本支出，研發(fā)出全新的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來降低維修成本，提升機(jī)械運(yùn)行時(shí)的抗感染能力，從而達(dá)到煙草機(jī)械故障智能化診斷的目標(biāo)。

8 結(jié)語

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，煙草機(jī)械故障診斷技術(shù)也在不斷提升，人工智能監(jiān)測(cè)技術(shù)給煙草機(jī)械故障診斷提供了全新的思路，可以預(yù)料，在未來人工智能監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更加高效、準(zhǔn)確地對(duì)煙草機(jī)械生產(chǎn)故障的診斷，同時(shí)為我國(guó)煙草企業(yè)的快速發(fā)展打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。