物流關鍵設備健康狀態在線感知預警系統設計與應用

文 / 陳林 李磊 李林 董光軍

一、引言

隨著中國煙草行業企業品牌整合達到一定階段，煙草行業必須依靠數字化轉型帶來新的發展動力，積極推進設備智能化的改造升級，提高生產效率。卷煙成品發貨區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，再由分揀機分揀裝車，直行穿梭車在成品煙“搬運”過程中扮演重要的角色，一旦出現故障就會存在斷流現象，影響輸送效率。根據前期調研，直行穿梭車主要故障是由機械故障引起。在生產過程，直行穿梭車處于動態運行中，工作范圍區域都設置有安全防護欄，屬于封閉區域，在動態過程中難以對直行穿梭車關鍵部位實時監測和診斷，缺乏自動化智能監測手段，故障發生后維修較被動。且直行穿梭車具有體積大、質量重、機械結構復雜等特點，其中軸和軸承屬于易損部件，維修存在難度大、時間長等痛點。

目前武漢卷煙廠物流車間已搭建設備健康管理系統平臺，僅針對堆垛機管理，未將此平臺應用到直行穿梭車，若將此平臺應用在直行穿梭車上，可以對直行穿梭車的關鍵部件實施監測，利用平臺的故障診斷技術，實現設備健康狀態在線感知預警，達到預防性維修效果[1]。

二、關鍵設備健康管理系統簡介

關鍵設備健康管理系統是一套基于邊緣狀態感知的設備健康管理平臺，依托平臺探索基于大數據決策的預測性設備運維管理模式[2]，基于5G專網進行數據傳輸，利用大數據分析和算法迭代數據，對設備未來的運行狀態進行預測，進行有效的健康評估，系統界面展示如圖1所示。目前，車間主要對堆垛機的健康度進行監測，如果要全方位提高生產率和設備利用率，關鍵設備應不止于堆垛機，需拓展至成品煙主要輸送設備直行穿梭車，將更進一步體現出平臺的優勢，實現設備層感知多方位覆蓋，為生產計劃、設備運維、備件采購提供科學依據。

圖1 關鍵設備健康管理系統界面展示圖

關鍵設備健康管理系統分為四個板塊，如圖2所示。車間總覽展示物流車間所有監測的關鍵設備的運行概況，了解關鍵設備的實時告警信息、告警趨勢、告警分類、設備總數、異常設備數量、正常設備數量等；區域監控提供簡捷的設備實時監控功能，實現設備狀態、指標、測點數據、告警的一體化展示，以充分了解設備運行情況；數據監控包含了設備接入數據的測點實時數據查看頁面，頁面展示所選設備所有接入數據所有測點的最新數據、關聯的指標數據，及歷史數值折線圖；設備看板可以查看單個設備的某個指標、測點、告警趨勢圖與列表。

圖2 關鍵設備健康管理系統架構圖

三、直行穿梭車機械故障分析

復式直行穿梭車在固定直行軌道運行，在電控系統控制下，通過編碼器、激光測距等認址方式精確定位于各個輸入輸出工位。行走驅動裝置驅動主從行走輪在各個系統邏輯的配合下進行物料輸送，所以運行過程中，行走輪具有很重要的地位。行走輪的主要機械元件是滾動軸承，它是由內圈、外圈、滾動體和保持架等四部分組成，其結構形式如圖3所示，由圖3可知滾動軸承機械結構復雜，若長時間運行容易引起機械故障，不定時導致直行穿梭車故障停機[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行過程中振動加劇。成品煙輸送流量大，若沒有結合在線診斷技術，缺乏預防性維修意識，待故障發生后，設備搶修期會面臨物料斷流的風險。因此，基于健康管理系統平臺的直行穿梭車在線診斷技術具有實際應用意義[4]。

對于直行穿梭車的健康狀態感知實質是對軸承的振動精準診斷，故研究軸承的振動機理和特性是系統應用的充分必要條件[5]。滾動軸承機械結構相對簡單，但振源分析卻相當復雜，滾動軸承的振源一般有兩種，一種是軸承彈性相關的振動，這類振動是固有軸承振動，在異常研究中不做參考；另一種是與軸承轉動面的形狀誤差、損傷等相關的振動，這類振動是異常情況的直接表現，第二類振動是研究設備健康管理系統應用在直行穿梭車的關鍵因素。

四、直行穿梭車測點建立

1.感知層建設

機械振動一般無法直接測量，而是根據位移、速度和加速度這三個響應參數間接求解，安裝振動傳感器測出機械振動響應參數并將此機械量轉換成呈比例的電信號。在實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、線性動態范圍大、體積小等優點。本系統根據前期調研和設備特點選用AIMS-AMWV1B5R50-03一體式無線振動傳感器，其結構示意圖如圖4所示。

圖4 無線振動傳感器結構示意圖

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，可連續監測旋轉設備振動與溫度信號一年以上；內置嵌入式處理單元，信號本地預處理；結構采用工業級設計，適應潮濕、粉塵、強干擾等復雜工業環境；提供Wi-Fi無線接口，方便工業現場大面積組網監測，通過5G工業智能網關可實現5G傳輸監控數據，建立直行穿梭車設備感知層，為系統提供振動響應參數[6]。

關鍵設備健康管理系統結合5G技術的運用，助力武漢卷煙廠進一步完善車間管理流程，實現信息化、數字化、智能化驅動，完善設備管理模式。

2.直行穿梭車測點部署方案

確定監測傳感器選型后，測點的選取也十分重要。直行穿梭車分別有一對主動行走輪和一對從動行走輪，其作用都是驅動穿梭車往復運動，只有對每一個行走輪軸監測，才能準確掌握其“健康”狀態。現場選取一個方位角度進行研究，如圖5所示，其他方位點都可同理，根據現場實際機械結構繪制測點方案概念如圖6所示。

圖5 現場測點示例圖

圖6 測點部署分布概念圖

信號是信息的載體，采集的有效信號越多信息越詳細[7]。如果采集的數據不具備代表性，就不能表征設備的實際運行狀態，不利于后續數據處理、算法模型分析、故障診斷分析等。滾動軸承是機械系統中的一個子結構，一般而言傳感器只能接觸到軸承座或機體，而不能直接與軸承接觸[8]。經過理論和實踐表明，滾動軸承因故障引起的沖擊振動由沖擊點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架。由于沖擊振動頻率高，在信號傳遞通道上，每經過材料分界面一次，信號幅值就會劇烈衰減一次，其能量損失甚至可達 80%。因此，在選擇測點和安裝傳感器時要理論和實際相結合。本文對一個行走輪測點展開分析，選取4個測點如圖6所示，測點1、3、4屬于徑向測點，測點2屬于軸向測點。如果需要監測軸承的軸向振動時，測點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，且根據直行穿梭車現場運行的環境，也不滿足安裝條件，故測點2不合適。如果需要監測軸承的徑向振動時，應當將傳感器安裝在測點1、3、4的位置，測點1是直接部署在行走輪上，直接測量，雖傳遞過程少，監測準確，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4與測點3的位置關于軸對稱，但只有測點3處于軸承的承載區，因而對故障引起的振動信號測量靈敏度高，所以測點3滿足現場安裝環境需求，是最佳的安裝位置。而測點4不是承載區，不具備安裝條件。

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

表1 直行穿梭車測點位部署

根據前期對堆垛機的測點部署經驗，結合穿梭車設備運行的特點和機械故障主要位置，實施現場勘察，選取設備測點最佳點部署位置如圖7所示。

圖7 設備現場測點部署圖

直行穿梭車是成品煙輸送過程中的關鍵設備，其主要部位是行走輪，利用關鍵設備健康管理系統的診斷技術可對直行穿梭車的行走輪進行精準監測，數據的真實性在于測點的位置選擇，故測點部署對數據采集具有重要作用。經研究和分析，監測點位部署應遵循以下基本原則：

（1）設備、部件故障損壞會造成產線大面積停產、斷流，嚴重影響正常生產的；

（2）故障率較高，且價格昂貴、采購周期長、進口類的部件；

（3）設備內部部件發生早期故障不易發覺的（如軸承、齒輪磨損等）；

（4）日常生產過程中，巡檢或維修不方便的設備、部件；

（5）可能引發二次故障的部件。

3.5G 數據傳輸功能設計

設備健康管理系統網絡主要包含數據采集和服務器間的網絡配置兩大板塊。根據武漢卷煙廠物流車間成品庫的需要，在原有平臺基礎上增加直行穿梭車的數據采集模塊，即振動傳感器。所采集的數據通過5G無線路由器傳送到云端服務器，系統再調用采集的數據分析，判斷監測點位是否存在異常，整個數據傳輸架構圖如圖8所示。5G移動專網數據傳輸具有相應的傳輸方式，無線振動傳感器采集的數據經過工控機處理發送到服務器中，5G專網因需要在5G路由器上插入5G專用的物聯網SIM卡，每張SIM卡都綁定一個內部的固定IP，故在5G模式下IP分配按照廠里對內網IP的統一分配進行合理分配。

圖8 設備現場測點部署圖

五、直行穿梭車在線診斷技術應用分析

1.現場實際應用與結果

武漢卷煙廠物流車間成品庫采用無線振動傳感器結合5G數據傳輸技術實現系統感知層建設，系統接受的數據結合相應的算法模型設計與應用，能夠對直行穿梭車健康狀態進行在線感知預警，系統界面已實現相應功能如圖9所示。

圖9 直行穿梭車健康管理界面圖

項目實施階段，對卷煙成品高架庫直行穿梭車的所有行走輪進行安裝和測試，經數據采集，健康管理系統有報警信息提醒，監測平臺對采集的數據分析轉換后，得到數據時域后其波形與包絡譜如圖10所示，時域波形與包絡譜放大圖如圖11所示，頻域波形如圖12所示。

圖10 時域波形與包絡譜

圖11 時域波形與包絡譜的放大圖

圖12 異常數據頻域波形圖

從以上波形可以得出以下結論：

（1）時域波形中，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）包絡譜中可見3.1Hz以及倍頻，與時域波形中的沖擊頻率3.05Hz對應；

（ 4 ） 該直行穿梭車行走速度最大3 m / s ， 行走輪直徑300mm，行走輪每轉一圈時間為0.3×3.14/3=0.314s，與時域波形中沖擊間隔相符；

（5）頻域圖中可見全頻帶范圍內底噪抬升，判斷為沖擊能量激發的全頻域響應；

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

（7）基于以上數據，判定該直行穿梭車的行走輪每旋轉一圈產生一次沖擊信號。

研究發現，由于該直行穿梭車的滾輪材質為聚酯類材料，設備在長時間靜止后會有變形，從而導致行走輪每轉一圈出現一次沖擊，系統存在固有沖擊，且在主軸轉動時會周期性出現。聚酯類材料變形沖擊為柔性沖擊，系統對于其響應主要集中在低頻段。當系統存在松動情況時，行走輪沖擊傳導至松動部位，由于結構均為金屬材質，原有的柔性沖擊變為剛性沖擊，系統在高頻段響應明顯。經測試發現，直行穿梭車驅動端右側輪測點存在數據異常，波形的異常特征疑似故障沖擊，數據分析表明，系統存在松動、偏心故障。通過對直行穿梭車非驅動端右側輪檢查，確實存在系統中判斷的故障。偏心故障由行走輪變形導致，松動故障為軸承鎖緊套松動，與實際情況相符。故關鍵設備健康管理系統在直行穿梭車上的應用具有實際的意義，且成果顯著，能達到預防性維修的作用。

2.在線診斷技術應用效益分析

基于關鍵設備健康管理系統平臺應用于直行穿梭車行走輪健康度監測，利用大數據和故障診斷技術能夠達到預防性維修目的。經過8個月測試，對成品發貨區直行穿梭車發出6次報警，并給出預測性分析，方便維修技術人員快速定位故障點，縮短施工時間，減少故障率，還可合理運用停產期間維修，降低物料斷流頻次，達到很好的應用效果，如表2所示。

表2 在線診斷技術應用效益分析表

六、總結

通過關鍵設備健康管理系統建設，可提升設備管理員對物流關鍵設備的狀態管控水平，保障重要設備的安全、穩定及長周期連續運行，更加科學地進行設備檢修及維護，以達到提高設備可利用率、降低檢修成本、減少故障停機、減少備件庫存、減少預防維修任務、延長維修間隔的目標。該系統結合5G技術的運用，助力武漢卷煙廠進一步完善車間管理流程，實現信息化、數字化、智能化驅動，完善設備管理模式。