物流关键设备健康状态在线感知预警系统设计与应用

文 / 陈林 李磊 李林 董光军

一、引言

随着中国烟草行业企业品牌整合达到一定阶段，烟草行业必须依靠数字化转型带来新的发展动力，积极推进设备智能化的改造升级，提高生产效率。卷烟成品发货区主要是成品烟从高架库出库，直行穿梭车将成品烟放置在托盘输送线，再由分拣机分拣装车，直行穿梭车在成品烟“搬运”过程中扮演重要的角色，一旦出现故障就会存在断流现象，影响输送效率。根据前期调研，直行穿梭车主要故障是由机械故障引起。在生产过程，直行穿梭车处于动态运行中，工作范围区域都设置有安全防护栏，属于封闭区域，在动态过程中难以对直行穿梭车关键部位实时监测和诊断，缺乏自动化智能监测手段，故障发生后维修较被动。且直行穿梭车具有体积大、质量重、机械结构复杂等特点，其中轴和轴承属于易损部件，维修存在难度大、时间长等痛点。

目前武汉卷烟厂物流车间已搭建设备健康管理系统平台，仅针对堆垛机管理，未将此平台应用到直行穿梭车，若将此平台应用在直行穿梭车上，可以对直行穿梭车的关键部件实施监测，利用平台的故障诊断技术，实现设备健康状态在线感知预警，达到预防性维修效果[1]。

二、关键设备健康管理系统简介

关键设备健康管理系统是一套基于边缘状态感知的设备健康管理平台，依托平台探索基于大数据决策的预测性设备运维管理模式[2]，基于5G专网进行数据传输，利用大数据分析和算法迭代数据，对设备未来的运行状态进行预测，进行有效的健康评估，系统界面展示如图1所示。目前，车间主要对堆垛机的健康度进行监测，如果要全方位提高生产率和设备利用率，关键设备应不止于堆垛机，需拓展至成品烟主要输送设备直行穿梭车，将更进一步体现出平台的优势，实现设备层感知多方位覆盖，为生产计划、设备运维、备件采购提供科学依据。

图1 关键设备健康管理系统界面展示图

关键设备健康管理系统分为四个板块，如图2所示。车间总览展示物流车间所有监测的关键设备的运行概况，了解关键设备的实时告警信息、告警趋势、告警分类、设备总数、异常设备数量、正常设备数量等；区域监控提供简捷的设备实时监控功能，实现设备状态、指标、测点数据、告警的一体化展示，以充分了解设备运行情况；数据监控包含了设备接入数据的测点实时数据查看页面，页面展示所选设备所有接入数据所有测点的最新数据、关联的指标数据，及历史数值折线图；设备看板可以查看单个设备的某个指标、测点、告警趋势图与列表。

图2 关键设备健康管理系统架构图

三、直行穿梭车机械故障分析

复式直行穿梭车在固定直行轨道运行，在电控系统控制下，通过编码器、激光测距等认址方式精确定位于各个输入输出工位。行走驱动装置驱动主从行走轮在各个系统逻辑的配合下进行物料输送，所以运行过程中，行走轮具有很重要的地位。行走轮的主要机械元件是滚动轴承，它是由内圈、外圈、滚动体和保持架等四部分组成，其结构形式如图3所示，由图3可知滚动轴承机械结构复杂，若长时间运行容易引起机械故障，不定时导致直行穿梭车故障停机[3]。

图3 滚动轴承示意图

滚动轴承主要有磨损、锈蚀和腐蚀、塑性变形、断裂、伤痕等多种损伤类型，这些类型的损伤都会使轴承在运行过程中振动加剧。成品烟输送流量大，若没有结合在线诊断技术，缺乏预防性维修意识，待故障发生后，设备抢修期会面临物料断流的风险。因此，基于健康管理系统平台的直行穿梭车在线诊断技术具有实际应用意义[4]。

对于直行穿梭车的健康状态感知实质是对轴承的振动精准诊断，故研究轴承的振动机理和特性是系统应用的充分必要条件[5]。滚动轴承机械结构相对简单，但振源分析却相当复杂，滚动轴承的振源一般有两种，一种是轴承弹性相关的振动，这类振动是固有轴承振动，在异常研究中不做参考；另一种是与轴承转动面的形状误差、损伤等相关的振动，这类振动是异常情况的直接表现，第二类振动是研究设备健康管理系统应用在直行穿梭车的关键因素。

四、直行穿梭车测点建立

1.感知层建设

机械振动一般无法直接测量，而是根据位移、速度和加速度这三个响应参数间接求解，安装振动传感器测出机械振动响应参数并将此机械量转换成呈比例的电信号。在实际测量工作中压电式加速度传感器使用最为广泛，与其他种类传感器相比，它具有灵敏度高、频率范围宽、线性动态范围大、体积小等优点。本系统根据前期调研和设备特点选用AIMS-AMWV1B5R50-03一体式无线振动传感器，其结构示意图如图4所示。

图4 无线振动传感器结构示意图

该无线振动温度一体传感器是一款Wi-Fi型单轴无线振动传感器，采用锂亚电池供电，可连续监测旋转设备振动与温度信号一年以上；内置嵌入式处理单元，信号本地预处理；结构采用工业级设计，适应潮湿、粉尘、强干扰等复杂工业环境；提供Wi-Fi无线接口，方便工业现场大面积组网监测，通过5G工业智能网关可实现5G传输监控数据，建立直行穿梭车设备感知层，为系统提供振动响应参数[6]。

关键设备健康管理系统结合5G技术的运用，助力武汉卷烟厂进一步完善车间管理流程，实现信息化、数字化、智能化驱动，完善设备管理模式。

2.直行穿梭车测点部署方案

确定监测传感器选型后，测点的选取也十分重要。直行穿梭车分别有一对主动行走轮和一对从动行走轮，其作用都是驱动穿梭车往复运动，只有对每一个行走轮轴监测，才能准确掌握其“健康”状态。现场选取一个方位角度进行研究，如图5所示，其他方位点都可同理，根据现场实际机械结构绘制测点方案概念如图6所示。

图5 现场测点示例图

图6 测点部署分布概念图

信号是信息的载体，采集的有效信号越多信息越详细[7]。如果采集的数据不具备代表性，就不能表征设备的实际运行状态，不利于后续数据处理、算法模型分析、故障诊断分析等。滚动轴承是机械系统中的一个子结构，一般而言传感器只能接触到轴承座或机体，而不能直接与轴承接触[8]。经过理论和实践表明，滚动轴承因故障引起的冲击振动由冲击点以半球面波的方式传播，通过轴承零件、轴承座传递到箱体或机架。由于冲击振动频率高，在信号传递通道上，每经过材料分界面一次，信号幅值就会剧烈衰减一次，其能量损失甚至可达 80%。因此，在选择测点和安装传感器时要理论和实际相结合。本文对一个行走轮测点展开分析，选取4个测点如图6所示，测点1、3、4属于径向测点，测点2属于轴向测点。如果需要监测轴承的轴向振动时，测点2满足测量条件。但轴向振动的传递路径是从轴肩到轴承内圈，再通过滚动体传到轴承外圈，之后传递到轴承端盖。传递过程较多，信号幅值损失较大，且根据直行穿梭车现场运行的环境，也不满足安装条件，故测点2不合适。如果需要监测轴承的径向振动时，应当将传感器安装在测点1、3、4的位置，测点1是直接部署在行走轮上，直接测量，虽传递过程少，监测准确，但对于接触型振动传感器不便于安装在传动的部位上。测点4与测点3的位置关于轴对称，但只有测点3处于轴承的承载区，因而对故障引起的振动信号测量灵敏度高，所以测点3满足现场安装环境需求，是最佳的安装位置。而测点4不是承载区，不具备安装条件。

根据测点位部署基本原则对直行穿梭车的相应位置进行分析研究，将振动传感器主要部署在设备主动轮和从动轮的轴部位，针对这些部位运行的特点，确定最优的测点部署方案，对于直行穿梭车选取方案如表1所示。

表1 直行穿梭车测点位部署

根据前期对堆垛机的测点部署经验，结合穿梭车设备运行的特点和机械故障主要位置，实施现场勘察，选取设备测点最佳点部署位置如图7所示。

图7 设备现场测点部署图

直行穿梭车是成品烟输送过程中的关键设备，其主要部位是行走轮，利用关键设备健康管理系统的诊断技术可对直行穿梭车的行走轮进行精准监测，数据的真实性在于测点的位置选择，故测点部署对数据采集具有重要作用。经研究和分析，监测点位部署应遵循以下基本原则：

（1）设备、部件故障损坏会造成产线大面积停产、断流，严重影响正常生产的；

（2）故障率较高，且价格昂贵、采购周期长、进口类的部件；

（3）设备内部部件发生早期故障不易发觉的（如轴承、齿轮磨损等）；

（4）日常生产过程中，巡检或维修不方便的设备、部件；

（5）可能引发二次故障的部件。

3.5G 数据传输功能设计

设备健康管理系统网络主要包含数据采集和服务器间的网络配置两大板块。根据武汉卷烟厂物流车间成品库的需要，在原有平台基础上增加直行穿梭车的数据采集模块，即振动传感器。所采集的数据通过5G无线路由器传送到云端服务器，系统再调用采集的数据分析，判断监测点位是否存在异常，整个数据传输架构图如图8所示。5G移动专网数据传输具有相应的传输方式，无线振动传感器采集的数据经过工控机处理发送到服务器中，5G专网因需要在5G路由器上插入5G专用的物联网SIM卡，每张SIM卡都绑定一个内部的固定IP，故在5G模式下IP分配按照厂里对内网IP的统一分配进行合理分配。

图8 设备现场测点部署图

五、直行穿梭车在线诊断技术应用分析

1.现场实际应用与结果

武汉卷烟厂物流车间成品库采用无线振动传感器结合5G数据传输技术实现系统感知层建设，系统接受的数据结合相应的算法模型设计与应用，能够对直行穿梭车健康状态进行在线感知预警，系统界面已实现相应功能如图9所示。

图9 直行穿梭车健康管理界面图

项目实施阶段，对卷烟成品高架库直行穿梭车的所有行走轮进行安装和测试，经数据采集，健康管理系统有报警信息提醒，监测平台对采集的数据分析转换后，得到数据时域后其波形与包络谱如图10所示，时域波形与包络谱放大图如图11所示，频域波形如图12所示。

图10 时域波形与包络谱

图11 时域波形与包络谱的放大图

图12 异常数据频域波形图

从以上波形可以得出以下结论：

（1）时域波形中，存在明显的等间隔冲击，冲击间隔周期为t2-t1=2.647-2.32=0.327s；

（2）冲击频率为fimpact=1/0.327=3.05Hz；

（3）包络谱中可见3.1Hz以及倍频，与时域波形中的冲击频率3.05Hz对应；

（ 4 ） 该直行穿梭车行走速度最大3 m / s ， 行走轮直径300mm，行走轮每转一圈时间为0.3×3.14/3=0.314s，与时域波形中冲击间隔相符；

（5）频域图中可见全频带范围内底噪抬升，判断为冲击能量激发的全频域响应；

（6）时频域图中的每一条竖线代表冲击产生的频域响应，同时判断冲击间隔为0.327s，与行走轮转频相符；

（7）基于以上数据，判定该直行穿梭车的行走轮每旋转一圈产生一次冲击信号。

研究发现，由于该直行穿梭车的滚轮材质为聚酯类材料，设备在长时间静止后会有变形，从而导致行走轮每转一圈出现一次冲击，系统存在固有冲击，且在主轴转动时会周期性出现。聚酯类材料变形冲击为柔性冲击，系统对于其响应主要集中在低频段。当系统存在松动情况时，行走轮冲击传导至松动部位，由于结构均为金属材质，原有的柔性冲击变为刚性冲击，系统在高频段响应明显。经测试发现，直行穿梭车驱动端右侧轮测点存在数据异常，波形的异常特征疑似故障冲击，数据分析表明，系统存在松动、偏心故障。通过对直行穿梭车非驱动端右侧轮检查，确实存在系统中判断的故障。偏心故障由行走轮变形导致，松动故障为轴承锁紧套松动，与实际情况相符。故关键设备健康管理系统在直行穿梭车上的应用具有实际的意义，且成果显著，能达到预防性维修的作用。

2.在线诊断技术应用效益分析

基于关键设备健康管理系统平台应用于直行穿梭车行走轮健康度监测，利用大数据和故障诊断技术能够达到预防性维修目的。经过8个月测试，对成品发货区直行穿梭车发出6次报警，并给出预测性分析，方便维修技术人员快速定位故障点，缩短施工时间，减少故障率，还可合理运用停产期间维修，降低物料断流频次，达到很好的应用效果，如表2所示。

表2 在线诊断技术应用效益分析表

六、总结

通过关键设备健康管理系统建设，可提升设备管理员对物流关键设备的状态管控水平，保障重要设备的安全、稳定及长周期连续运行，更加科学地进行设备检修及维护，以达到提高设备可利用率、降低检修成本、减少故障停机、减少备件库存、减少预防维修任务、延长维修间隔的目标。该系统结合5G技术的运用，助力武汉卷烟厂进一步完善车间管理流程，实现信息化、数字化、智能化驱动，完善设备管理模式。