ZB45包装机组安全联锁装置失效预警系统设计

曾国耀

（福建科盛智能物流装备有限公司，福建泉州 362000）

ZB45包装机组作为烟草行业在生产卷烟过程中常规应用到的硬盒包装设备之一，其外部防护罩主要应用到直动式安全联锁装置，通过开关和位移信号转换电信号保护防护罩，同时可借助电控系统，促使安全联锁装置能够形成自动诊断故障效果，对ZB45包装机组起到一定的保护作用。若安全联锁装置基于机械故障问题，则会促使装置失效，需要人工在ZB45包装机组生产完成后进行排空收尾，存在一定安全隐患，因此需要构建更加智能的失效预警装置，基于自动检测以及人工智能方式实施智能预警，能够提升卷烟安装设备安全运行效果。

1 安全联锁装置失效问题

在烟草公司中应用到的ZB45卷烟包装机组设备中包括了条盒透明纸包装机、小盒透明纸包装机、硬盒包装机以及条盒包装机，对每一小盒的烟草实施包装完成后将其组装到条盒中形成完整烟草产品包装。在这样的生产流程中，一旦出现任何问题，则需要及时停止设备，并打开防护罩实施检修处理，因此条形包装机的出口防护罩以及小盒透明纸包装机其防护罩会由于长久的反复操作、老化等众多原因导致安全联锁装置失效。并且以往ZB45包装机组运行过程中产生的数据均是由集中监听方式获取，并将其形成数据包储存在电控系统中，但是这样的数据整合仅仅只能够获取产品不合格的信息以及设备产量数据等，难以完整记录ZB45包装机组的设备运行参数，在参数缺失下无法借助于常规数学模型控制安全联锁装置，难以形成完善的ZB45包装机组安全连锁失效预警效果。

2 预警系统设计

2.1 预警系统结构

在烟草产品生产过程中，基于ZB45包装机组构建的安全联锁装置预警系统需要划分为4个不同的层次效果：数据层、访问层、业务逻辑处理层以及展示层。这样的层次结构能够保障在ZB45包装机组运行过程中对其各项设备的运行参数等形成更加直观且完善的收集处理效果，建立智能化预警效果。其中信息数据传输系统的构建需要借助更加先进的PHP 语言技术并结合智能WEB 服务端口进行开发设计[1]。在设计预警检测模型时，需要基于数据集中筛选以及特征选择，构建与烟草产品生产过程相适配的ZB45包装机组安全预警检测模型，并且需要保障经过该模型处理后的数据信息等形成更加直观清晰的模型文件，以提供信息系统的查询以及调用。

在安全联锁装置失效预警系统中应用到的预测模型的设计，主要是借助先进的Jupyter Notebook 编辑器结合Python 语言应用，结合ZB45包装机组的生产应用特质进行编程设计。而在该ZB45包装机组的安全联锁装置失效预警系统中的信息采集整合结构等，则是建立在实时采集的状态基础上，通过对ZB45包装机组设备的停机原因采集以及防护罩的开合信息等，通过自动检测采集效果将其进行集中整合完成后储存在Oracle 数据库中，备用后续调取查询，能够形成更加充足的信息数据参考。并且借助于信息系统能够对ZB45包装机组设备运行过程中的数据进行实时动态更新，完成数据共享交互，将众多数据信息应用于预警显示、任务记录以及程序调用等环节中，并最终将即时数据等储存在Oracle 数据库中。

在ZB45包装机组安全连锁装置失效预警系统设计过程中，结合不同层次的系统结构实施预警功能设计，主要分为预警预测模型的构建以及预警信息系统的设计。在正式应用到该预警系统的过程中，每3 min 执行一轮预测判定，对设备当前运行状态所获取的信息数据形成完善预测结果，保留到信息系统中，对应不同时间点，形成数据流水表。根据预警系统模型，结合数据分析计算所形成的预警结果，对安全预警概要界面进行动态刷新，结合3D 动画以及预警汇总表两种不同方式展示预警结果。如果出现异常预警信息，则界面通常情况下设定为红色，随后由相关管理人员结合预警结果，全面确认当前ZB45包装机组安全连锁装置的有效性，预警时ZB45包装机组设备外层防护罩会出现红色慢闪灯光，提示预警。

2.2 数据采集系统优化

为了能够对烟草产品生产包装过程中应用到的ZB45包装机组形成良好的安全联锁装置失效预警检测，并形成相应的预测模型。因此，在构建整体失效预警系统的过程中，需要全面分析当前生产车间中所应用到的电控系统结构，全面获取与ZB45包装机组的防护罩有关设备实际生产运营产量、剔除量以及停关机原因等[2]。由于在以往的ZB45包装机组安全联锁装置控制系统中所构建的原数采集系统，其整体结构无法获取到除正常停机原因以外的其他影响防护罩安全运行的信息数据，难以保障更加精准的建立失效预测模型。因此基于这一问题，在构建安全联锁装置失效预警系统的过程中，需要及时优化信息系统，全面优化改进。

2.3 预测模型选择

以烟草产品条盒包装机的出口防护罩安全联锁装置为例，设定相应的时效预警预测模型，在2021年6～9月之间调查某烟草厂运行参数信息，并全面取样收集，获取到共计128组数据，构建包括ZB45包装机组设备产量、剔除量、停关机原因以及ZB45包装机组防护罩红色信息等的四个不同维度特征数据集。进而结合有关检修人员在生产现场对相关设备实施检测所获取的状况信息形成异常标签，并对4个不同维度的数据进行粘贴。若发生异常则以1表示，若始终处于正常状态则用0进行表示。结合采样数据并借助失效预测模型进行分析，促使条盒包装机的出口防护罩出现故障的原因多种多样，其中包括第一第二提升器发生严重堵塞现象、条盒透明纸包装机缺失透明纸（或丢失或用完）、条盒包装机上部折叠器结构同样出现较为严重的堵塞现象、条盒透明纸包装机中的透明纸由于无法展开造成严重堵塞现象。

基于包裹式特征下的递归式消除方式，选择适应ZB45包装机组运行状态的预测模型，需要应用到两种不同方式分别计算其中影响安全联锁装置造成其失效的原因指标比重，获取最适宜的预测模型，能够精准预测安全联锁装置的失效时间与结构。这两种不同的方式分别为支持向量机以及逻辑回归法，以此作为预测模型的分类器，综合相关数据搜集对比，预测模型的实际特征如表1。进而发现，基于两种不同的分类器选择下所形成的模型特征处于一致状态，为T-FF-T 状态，则表示ZB45包装机组安全联锁装置失效与停机原因具有直接关系，在日常生产过程当中，如若相关ZB45包装机组出现明显的停机现象，需要及时检测防护罩运行状态，这一测试流程具有明显逻辑关系。

表1 基于包裹式特征下的递归式消除方式模型特征选择结果

2.4 建立失效预警模型

为了能够促使失效预警系统在日常应用过程中更加精准地获取相应设备的数据特征，构建相应的失效算法模型，则需要将完成特征选择后所形成的包括停机原因以及防护罩红色信息在内的数据集形成更加直观的可视化处理效果，保障相关管理人员能够直接借助这样的可视化图像清晰了解到防护罩故障位置。结合上述采集数据组数量进行可视化输出，其中正常的样本数据处于坐标系图像的右下方结构中，失效样本主要集中在坐标系图像的左上方，同时也存在着部分特殊数据样本，处于坐标系的中心点位置，无法形成明确分界状态。这是由于在ZB45包装机组运行过程中处于正常运行状态时，条盒包装机停关机次数小于等于0，则相对获取防护罩故障开合的数据信息较少，因此缺乏充足的参考可信度，难以应用到预测模型的试验训练中。

结合这样的现象，在构建失效预警系统预测模型的过程中，需要增加相应的硬性约束条件，保障在选择相适应的预测模型时，其中条盒包装机的停关机次数需要控制在3次以上，并筛除不符合这一条件的相关数据，结合剩余数据信息形成失效预测模型，能够精准分析未来应用中ZB45包装机组的安全联锁装置失效时间。若在实际中对于安全联锁装置的失效预测精度相对较低，则以常见的线性分类模型为主要应用方式，但是线性分类方法的总结具有较大难度。为了能够保障在安全连锁装置失效预警系统中的预测模型具有较为良好的通用性，且能够形成最佳分类效果设计模型，需要应用到非线性分类方式。

建立在线性支持向量机的应用基础上，构建非线性支持向量机，全面借助函数计算分析完成向量空间映射，促使非线性问题能够逐渐转化为线性问题，并实施求解。为了方便测试失效预警系统中预测模型的有效性，并对模型性能做出精准评估，特征选择数据以及条件约束完成后所形成的数据需要按照7 ∶3比例做好训练采集与测试采集划分。通过对比最终预测模型的预警结果进行分析发现，在训练采集样本与测试采集样本发生不同参数变化时，则会对失效预测模型的准确率同样造成影响，因此，在构建失效预警系统过程中，除了保障正常样本与失效样本参数的计算对比，也需要结合ZB45包装机组安全连锁装置的未知运行参数样本分类，促使预测模型能够形成良好泛化能力，针对不同状态下的数据进行全面拟合分析对比，提升预警精准性。

3 预警系统应用效果

3.1 设计实验

完成ZB45包装机组的安全联锁装置失效预警系统设计后，为了能够进一步分析其实际应用效果，需要进行相应的实验分析，其中应用到ZB45硬盒包装机组并结合HL8801数采工控机、数据采集处理器、同时应用X3850服务器为预警系统服务器。在实验中则根据ZB45包装机组安全联锁装置失效预警系统在2021年6～9月之间调查某烟草厂运行参数信息，并全面取样收集，对所搜集的条盒包装机出口防护罩的实际警报频次进行统计。首先需要在ZB45包装机组的电控系统当中接入HL8801数采工控机，以套接数据方式将采集到的数据样本传输到数据采集处理器中，并每30 s 实施数据自动更新。每隔3 min 向预警系统服务器传输动态特征数据，结合之前选定的预测模型进行计算预测，并将最终的预测结果储存在系统数据库当中。按照以往正常生产的早晚班次时间对预警时间进行划分，促使预警时间间隔达到3 min 左右，并且每次页面刷新时间需要控制在5 s 左右。形成完整预警信息之后，需要及时向有关技术管理人员进行报备，促使管理人员及时对相关防护罩进行人工巡检，并结合预警信息进行及时处理，避免出现严重的故障现象影响正常生产。

3.2 实验分析

结合在实际中所形成的安全联锁装置失效系统的试验应用进行综合分析，基于系统自动搜集数据进行计算分析，对相关防护罩的设备失效预警形成更加精准的效果，相较于以往人工实施检测的落后性，失效预警系统借助于预测模型中的数据自动更新搜集，全面提升预警工作有效性。借助于智能失效预警系统的应用，检查率精准度达到96.7 %，远远高于人工巡检的59.3 %。并且结合以往在烟草生产过程中所造成的ZB45包装机组安全联锁装置失效问题进行调查，大多数情况下由于工作人员难以按照标准操作流程进行检修，影响保护罩装置有效性，而基于电控系统的自动化处理方式，避免人为因素影响，形成良好的预警应用效果。

4 结束语

优化ZB45包装机组当中的数据采集系统，结合电控系统构建更加先进的自动化安全联锁装置失效预警系统设计，有效解决人工巡检不及时的弊病，并保障以更加精准地预警模型全面掌控保护罩运行状态，满足监控需求，降低由故障现象影响正常生产造成的经济损失，为卷烟生产提供更好的安全保障。