基于振動傳感器的濾棒成型機狀態監測系統設計

摘" 要：為提高濾棒成型機維修維護水平，該監測系統采用基于IO-link總線的振動傳感器對設備高速運轉部件進行振動監測，并結合電機電流和設備溫度的監測進行實時的分析，判定故障位置及原因，并預測各部件技術狀態。經過近一年的測試，系統能實現“治病于未然”，提高維修的準確性和保養的科學性，保障設備的正常運行。

關鍵詞：振動傳感器；狀態監測；可編程邏輯控制器；物聯網；濾棒成型機

中圖分類號：TP214" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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業革命深入開展，創新正成為重塑全球和區域競爭格局的關鍵變量。抓創新就是抓發展，謀創新就是謀未來。近年來，四川中煙工業有限責任公司（簡稱四川中煙）圍繞著提升產品質量及提高產品產量開展各種科技創新工作，取得了豐碩的成果。以ZL29濾棒成型機升級改造項目為例，經過相關技術人員的努力，其額定生產速度已經達到600 m/min。如此高的生產速度，在大幅提高了產量的同時也對設備維護維修提出了更高要求。目前的維護維修還存在一些問題：維護有一定的盲目性，存在部分機構過度保養的情況；維修時故障定位困難造成維修停產時間過長。為了解決這類問題，四川中煙綿陽卷煙廠進行了專項研究，采用圖爾克公司先進的基于IO-link總線的振動傳感器對設備高速運轉部件進行振動監測（這是此種傳感器在四川省的首次運用），并結合電機電流和設備溫度的監測進行實時的監測分析，判定故障位置及原因，并預測各部件技術狀態，從而可實現“治病于未然”，以此保障設備的正常運行。

本文以該項目實施為例，就基于振動傳感器的設備狀態監測系統進行分析討論，希望能起到拋磚引玉的作用。

1" 系統功能分析

ZL29濾棒成型機高速運轉部位較多，如刀盤傳動箱、主風機、開松螺紋輥電機、主傳動電機和主傳動箱等，其中主風機電機的常規轉速達到了6 000 r/min。設備高速運行對機械部件的材料特性、機械傳動及配合提出了極高的要求。在高速運行的情況下，若設備運行狀況、部件磨損老化、清潔潤滑等方面稍有異常，將導致設備故障率急劇上升，設備使用壽命隨之驟降。為了保證設備工作在良好狀態，當前的維護保養方式、維修查故手段都需要進行一次大的革新。通過應用基于振動分析的故障診斷定位技術對高速運轉部件進行監測和診斷，可輔助維修人員減少故障查找時間，從而避免維修時間過長造成的停產損失和機械頻繁拆解造成的不必要機械損傷。具體而言，系統功能主要有以下幾點。

故障預警：對設備可能發生的故障及時預警，維修人員可在故障初期進行維修，避免故障擴大化。對于一些不影響設備運行的輕微故障，維修人員可在設備停機時進行處理，避免影響生產。

故障定位：對設備故障部位進行定位，對故障原因進行提示，節省維修成本與時間，降低維修人員工作強度。

備件種類及數量的科學管理：系統在對設備進行在線檢測的同時，對各高速運轉部件進行壽命分析，根據分析結果進行備件準備，在保證生產連續性基礎上減少備件的積壓。

科學保養：根據設備監測結果及設備運行分析，實現科學保養，避免保養過度和保養不足。

2" 硬件平臺搭建

根據項目組技術人員對本項目的前期研究，并結合現場勘測，經技術人員會商，確定項目系統總體方案如下：本項目監測范圍為卷包車間2臺ZL29濾棒成型機。本系統采用安裝有力控組態軟件的IPC（工控機）作上位機，PLC作為設備層控制器；對于濾棒成型機高速運轉部件的監測主要采用圖爾克公司溫度振動傳感器（此類傳感器雖然是四川省內的首次應用，但已經經過前期測試，能滿足項目要求。每臺設備使用6個，共計12個），這些傳感器分別連接到2臺IO-link主機上，IO-link主機通過PROFINET網絡與PLC通信。伺服電機電流傳感器預選開合式穿孔霍爾電流傳感器，傳感器的安裝不破壞伺服電機接線。此類傳感器將通過基于MODBUS-TCP協議的網絡IO模塊連接到PLC（根據電機電流，每臺設備選用0～5 A規格2個，0～10 A規格2個。每臺設備使用4個，共計8個）。PLC完成數據轉換并運行設備層控制程序，IPC運行故障診斷及維護管理程序，實現系統數據分析、特征提取與識別、故障趨勢預測、故障定位和維護預警等功能。在ZL29-1機內安裝系統控制柜，柜門安裝有觸摸屏，可在屏上進行參數設置等基本操作。項目采用的是昆侖通態4G物聯網屏，可通過昆侖通態云控制服務器進行數據交互，項目完成后相關技術人員可在手機APP上監控設備狀態并完成基本操作；為了提高系統的可靠性，系統采用了冗余的4G網關，技術人員可在微信小程序上監控設備狀態，并能通過微信或短信接收到設備報警信息。

平臺搭建中發現問題及解決方案如下：①2號機信號傳輸問題。經過技術人員多次現場勘測和技術研討，為避免現場布線對生產環境產生不利影響，確定在本項目中采用專用千兆無線網橋傳輸信號。選用的工業級網橋采用專業室外殼體設計，IP等級較高，能適應車間內的環境。本機采用5 GHz頻段雙頻傳輸，干擾更少，帶寬能達到867 Mbps，在空曠距離無線傳輸距離達5 km。且無線發射功率線性可調，根據需求調整傳輸距離、避免同頻干擾。②系統上電斷電操作問題。ZL29機直接上電時，本系統工控機可通過設置為上電自啟動方式，系統能直接進入運行狀態。2臺ZL29機啟動時間客觀上存在差異，ZL29-1上的系統主機啟動后將監測ZL29-2上的網絡狀態，對于初期信號異常將予以屏蔽，避免誤報警。ZL29機直接斷電時，為避免工控機WIN10系統長期不正常關機出現問題，本項目對工控機采用UPS供電，UPS在電源斷電后將繼續給工控機供電并發出關機信號，工控機內裝電源管理軟件將啟動關機進程進行關機。③傳感器安裝點位布局研究及傳感器底座設計。本項目確定的振動測點選擇基本原則有：振動測點首選每個支承軸承部位；測點信號能靈敏反映設備的實際振動狀況；測點部位不能存在局部共振和放大；測點方向選擇，每個測點都要在X、Y、Z 3個主方向進行測量，尤其存在故障時，更要測量軸系的軸向振動。為了不破壞設備，監測點位不宜打孔，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，所以本項目專門設計了安裝底座。底座采用鋁合金材質，每個底座都根據安裝位置作優化設計，底座通過進口樹脂膠黏接到部件表面，能保證牢固和熱傳導，底座預留有通孔，可以穿過金屬絲捆扎于設備表面。傳感器通過螺絲固定到底座上，方便后期拆卸，如圖1所示。

3" 系統程序設計及調試

系統中采用西門子S7-1200作為設備層控制器，除了完成基本的數據采集及轉換外，還可完成數據的簡單處理，如對比分析等。博途平臺的網絡視圖如圖2所示。

PLC程序設計采用結構化的編程結構，首先編寫好基本的函數（MODBUS、電流轉換、溫度轉換、閾值判斷、振動轉換和周期判斷等函數（FC））。組織塊OB里MAIN是循環掃描，掃描周期較短，不宜執行大量的數據處理。所以，只是在MAIN里調用MODBUS通信處理函數，其他的數據轉換及處理均放在定時中斷的OB周期比較和周期性處理里，其時間間隔可以設定且精確控制。IPC中采用力控組態軟件開發上位機程序，其功能主要包含參數設置、趨勢曲線、故障報警、數據報表、備件管理、維護管理和用戶管理等。對于一些復雜的數據處理，都是通過力控軟件調用編制好的腳本程序完成，再通過力控的實時數據庫寫入到PLC的DB塊中，可供HMI、4G物聯網模塊訪問并轉發到云控平臺。圖爾克的傳感器通過IO-link專用電纜連接到圖爾克IO-link模塊，不需要做設置及調試。圖爾克IO-link模塊需要通過其配套軟件設置IP地址及設備名，這些數據必須與PLC程序組態中的一致。除此之外，該模塊還需要通過瀏覽器進行相關設置及調試，配置好其功能，如選擇監測振動加速度或振動速度。上位機程序調試中主要需要注意相關數據庫變量的設置必須與PLC中對應數據一致，且PLC中DB塊必須取消優化，這樣上位機才能用絕對地址訪問該數據。PLC的CPU屬性設置中也必須勾選允許遠程伙伴PUT/GET訪問的選項。

在系統調試期間，系統周期性地對單機進行基于時間軸的數據對比和雙機同時間片的數據對比。在某個雙機共同開機的時段，系統程序通過分析發現了設備異常，激活了現場燈柱、微信、短信等報警，報警信息為雙機狀態比對異常。通過事后分析歷史數據，發現該時間段1號機主傳動箱Z軸振動烈度約為19 mm/s，2號機主傳動箱Z軸振動烈度約為3.5 mm/s，該時間段歷史數據曲線如圖3所示。技術人員經過對設備允許狀態及維護情況的摸底調查，發現1號機在事發前1個月進行了主傳動箱維護，更換了部分零件，而2號機還未進行保養維護。類似的這種報警，不僅能對潛在的故障隱患進行提醒，也能較為精準地確定故障隱患位置。

4" 結論

本文介紹的監測系統以ZL29型濾棒成型機整機為研究對象，構建了一套濾棒成型機高速運轉部件監測及維護管理系統，對刀盤傳動箱、主風機電機、開松螺紋輥電機等高速運轉設備進行在線實時監測，形成以振動檢測為主，以其他檢測手段為輔的一個在線故障診斷系統。通過數月的試運行，證明系統能判定故障位置及原因，并預測各部件技術狀態，對潛在的故障進行早期預報和識別，能保證設備安全、穩定、長周期和滿負荷優質運行，避免了“過剩維修”造成的不經濟、不合理現象。對于其他的機電設備，也可以通過本文所介紹的狀態監測與故障診斷等技術手段，及時、準確地對機器各種異常狀態或故障狀態做出診斷，識別機器運行中是否存在故障和缺陷，預防或消除故障，及早地制訂機器的檢修計劃和調整機器的運行方式，對設備的保養計劃進行必要的指導和調整，變靜態固定周期保養為動態保養，可避免故障的進一步擴大和重大事故的發生，提高機器運行的可靠性、安全性、有效性。

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