人工智能在线监测技术在烟草机械故障诊断中的应用

李云豪

(广西中烟工业有限责任公司南宁卷烟厂 广西南宁 530000)

1 人工智能在线监测技术在烟草机械故障诊断中的应用背景

由数据资料显示，我国是世界上最大的烟草消费国。烟草企业属于国企，由国家直接进行管控，因此保障烟草的正常生产非常有必要。在烟草生产过程中，对烟草机械设备故障进行准确诊断以及处理能够为烟草的生产提供帮助[1]。进入21 世纪之后，随着互联网技术的普及，人工智能技术应运而生。对烟草行业而言，这是挑战更是机遇。借助人工智能技术来监控并优化烟草生产设备的运行状态，能够进一步提升烟草生产的安全性和效率。当前，烟草生产已经实现了全过程机械化，设备精度及系统复杂程度都较高，一旦某个位置出现故障，整个生产线都会因故障无法正常运行。而将人工智能监测技术应用于烟草机械化生产流程中，不仅能够对烟草的机械化生产全过程进行监督和管理，同时还能够减少人力工作负担，减少人力方面的支出，为企业创造更多的经济效益[2]。

2 烟草生产流程故障诊断作用及其发展方向

2.1 故障诊断作用

故障诊断技术是指在烟草生产机械运行时对生产流程进行监督，同时对突发的故障进行预警，方便工作人员准确定位故障，并且查明原因，及时对其进行维修，从而实现烟草机械设备的运转效率及安全性。

2.2 故障诊断技术的研究方向

在进行烟草机械设备的故障诊断时，主要从简易诊断以及精密诊断两方面入手。

2.2.1 简易诊断

简易诊断是指简易分析烟草机械生产设备的系统零件及运行数据，通过将实际运行数据和期望数据进行比对，寻找其中的差异点，实现对设备运行状态的判断。该种方法操作简便，能够短时间、高精度地进行设备运行状态的监管。

2.2.2 精密诊断

精密诊断是在简易诊断的基础上产生的一种更加全面的诊断方式，它是在简易诊断的基础上深入分析故障产生原因、影响因素，为后续开展设备故障维修提供参考资料。需要注意的是，精密诊断的操作要求较高，普通烟草企业检修人员无法胜任该项工作，只有经过特殊培训且通过考核的工程师才可以采用该种诊断方式，而精密诊断也常常应用于大型烟草机械的运行诊断当中[3]。

3 故障诊断技术在烟草行业中的发展

3.1 国外烟草机械的发展

要想对烟草机械水平进行评价，主要通过卷烟机的运行速度和效率来完成，以当前烟草机械水平最高的德国为例，其卷烟机每分钟生产的卷烟数量高达14 000支，大大推动了烟草行业的发展。

3.2 联动化生产线

对烟草企业而言，在行业竞争激烈的今天，为了创造更多的经济效益，提升自身行业竞争力，推动烟草生产线朝着联动化发展是未来发展趋势。以过滤嘴头及烟叶连接处为例，将二者生产线合为一体，能够减少多余的生产流程，提升生产效率。

3.3 自动塑料系统

随着卷烟机生产速度的不断提升，采用人工进行加料已经无法满足正产生产需求，在当前的生产大环境下，已经有自动化辅助生产工具应用于日常生产当中，以美国、德国等西方发达国家为代表在质量和效率上达到了国际先进水平。

3.4 高新技术推动发展

进入21 世纪之后，全球经济快速发展，各种全新技术也随之出现，烟草行业也是如此。从全球范围内入手，比如：中国烟草企业等大型烟草公司为了提升利润，开始将各种高新技术尝试应用于生产当中。对烟草企业来说，除了增加资金投入以外，还需要积极探索全新的生产技术，即该行业将出现大量新技术、新产品[4]。随着高新技术的不断发展和应用，烟草机械行业也开始向群控网络方向发展。主要性能是当设备发生故障时，可以通过连接的电子屏显示。同时，智能诊断技术还能够将设备运行过程中出现的故障进行自动化诊断，借助这种方法，能够在提升烟草生产效率的同时降低故障产生率，而车间操作人员则可以“坐镇一方”，足不出户便实现对车间运行情况的了解。

3.5 国内烟草机械的发展

我国烟草行业的发展可以追溯到20世纪80年代，那段时间，我国开始实施了统一的烟草专卖管理制度。通过这种统一管理，我们实现了从国外统一购配生产设备，同时也积极尝试应用国外的烟草生产新技术，这种操作不仅提高了生产烟支的质量，而且大大降低了生产成本，为烟草企业创造了更大的经济效益。在吸收国外先进技术的同时，也提高了我国烟草机械的设计水平。现阶段，中国烟草行业已逐步从进口设备转向合资生产和出口设备[5]。

3.6 故障诊断技术在烟草机械中的应用

由于市场的变化以及科学技术的快速发展，烟草生产设备呈现出智能化、大型化以及高速化发展等特征。需要注意的是，尽管我国烟草机械生产在精度以及速度上取得了较大的进步，但是在鼓掌控制方面却不理想，各种类型的故障表现以及生产事故层出不穷。一旦这些故障没有及时分析原因并且根治解决，后续就会导致连锁式的生产故障，轻者导致生产线无法正常运行，重者可能造成操作人员的安全受到威胁，影响烟草生产企业的口碑。针对这一情况，在进行烟草生产机械设备的故障检测时需要与时俱进，改变传统的以肉眼进行检测的方法，改用现代化、智能化的故障诊断技术，保障烟草生产企业的稳定发展[6]。

4 烟草机械故障诊断存在的问题

4.1 定期检修可能增加故障发生率

有研究表明，在烟草机械行业，长期维护会增加故障率，尤其是人工维护，由于工人的工作经验和操作能力的影响，会导致设备故障。这种现象在旋转设备中最常见。在维修过程中，由于多个缺失点的存在，机械振动的振幅在维修过程中会增加，影响机械的使用寿命。造成这种现象的主要原因是，对于一个相对封闭和稳定的系统来说，维护和改造都是对设备的二次损坏。特别是烟机的定期维护，精度高，加速了设备的损坏，导致设备故障率增加。由于现有技术的限制，员工无法熟练掌握设备的内部操作，但为了确保生产安全，企业必须进行定期维护。如何平衡二者或如何选择已成为企业需要慎重考虑的问题[7]。

4.2 定期检修降低了设备使用寿命

上文提到，烟草生产设备是精密度较高的设备，其内部零件众多，且相互之间连接紧密。在进行检修时，需要将大量的零件拆除下来，那么必然会有部分零件受到外力冲击后损伤，无法像之前那样和其他零件契合紧密，长此以往，零件的稳定性大打折扣，那么设备运转出现故障也就不奇怪了。针对这一情况，有必要提升设备诊断技术，积极收集相关数据资料，在对设备进行充分分析，熟练掌握内部构造以后，再开展检修工作，这样才能最小化检修本身对设备的影响[8]。

5 烟草机械检修及维护

现阶段，用于烟草生产的传动机构开始日益复杂，精密性增加使得烟草机械的故障发生率增加，同时，当前烟草生产机械设备的故障具有突发性的特点，倘若烟草机械设备出现运行问题，整条生产线都会受到影响，导致整条流水线都无法进行烟草生产，最终给企业带来较大的经济损失。这就对传统的烟草生产提出了全新的要求，管理人员需要做好烟草生产的检修盒维护工作，这不仅能有效地避免机械事故的发生，同时也能在很大的程度上降低烟草生产企业的运营成本。

5.1 积极开展自动化检修工作

上文提到，当前烟草机械设备呈现出高精度、高复杂性的特点，因此采用人力对烟草机械进行定期检修会导致大量的人力以及财力浪费，而随着自动化技术以及人工智能技术的不断成熟，将其应用到烟草机械设备的检修上成为了当前的新趋势。举例来说，某卷包生产机组，机龄时间越长，对境外检修的要求越高，平均每次境外检修需耗费设备售价的一半，对企业而言，检修的成本负担较重。因此，针对不同的烟草机械设备定期开展自动化的检修工作是很有必要的，是确保烟草机械设备正常运作的前提和基础。

5.2 烟草机械设备检修增加了烟草机械设备故障率

在烟草机械设备的维护中，发现维护后，运行状态稳定的设备的运行故障率和设备漏洞比维护前增加了30%。同时，烟草机械生产线在生产过程中运行的老化现象明显增加，导致维修工作量增加。尤其是烟草机械，如烟草烟机和包装机，其操作过程相对紧密且复杂，通过定期维护增加了其故障的可能性[9]。同时，由于检测技术尚未达到预期的高度，对难以掌握运行状态的烟草设备仍需进行定期维护。

另外，在进行检修时，倘若工作人员专业技能掌握不足导致其检修时没有遵守操作规范，由此导致设备出现人为故障，使得设备运行受阻，反倒不及检修前，当出现这种情况后，需要经过一段时间调节后二次调试，才能够满足烟草正常生产的要求。总体来说，烟草设备的检修工作是必要的，但是要根据实际情况进行定期检修，不然会导致烟草机械设备的故障率有所提升，严重影响设备的运行效率。

6 人工智能在线监测技术在烟草机械故障诊断的模式

在应用人工智能在线监测技术进行烟草机械故障诊断时，负责采集的系统将数据进行收集并且传输至数据库，其次对数据进行分析，建立相应的故障模型。倘若检测结果显示设备存在故障，人工智能在线监测技术便能够及时预警并给出维修建议。

现阶段的人工智能在线监测技术主要包括数据采集层、PCL硬件处理层、数据存储层以及智能分析层这4个部分。

数据采集层上安装有传感器及接收模块，当前广泛应用的振动传感器多选择工业加速度振动传感器T101A，其接收的信号为模拟信号，借助数据转换器将模拟信号转化为数字信号后送至PLC系统[10]。

PLC 系统收集到采集层传输的数字信号后，经其数据采集策略处理技术进行处理成为振动的波形数据。PLC和工控机通过TCP/IP协议传输数据。当需要采集实时波形数据时，可以借助PLC 的IP地址来触发临时采集程序。

智能分析层，顾名思义能够提供多种类型的缝隙功能，生成相应的趋势图、轨迹图、瀑布图以及拓扑图等。智能分析层具有自动生产颜色报警、总值报警、频段报警等能力，将卷烟设备常见的机械故障如不对称、轴承损坏、皮带磨损、基础松动、转子定子问题以及共振等问题进行准确的诊断和预报，大大降低了检修人员的工作负担，在最短时间对机器故障类型进行确定，并且制定针对性的处理措施[11]。

7 人工智能在线监测技术的未来发展前景

7.1 对烟草机械故障进行检测

现阶段，针对烟草机械设备的故障检测主要包括如下几个方面。

7.1.1 人工智能系统研究

现阶段，借助人工智能技术来对烟草生产设备进行诊断已经成为了主流，借助人工智能技术辅助的专家系统能够为烟草企业创造更大的经济效益，但是当前该领域在国内尚处于起步阶段，烟草企业的大规模应用尚未达到预期。

7.1.2 信号输送技术研究

传统信号传输存在稳定性不足，信息传输速率慢等缺陷，而通过时序分析、时域分析以及韦格纳普分析等技术的应用使得上述缺陷有效解决，信号输送质量和效率均得到显著提升。

7.1.3 网络诊断系统的开发应用

与过去的单机生产相比，借助互联网技术辅助的故障诊断技能够实现故障诊断的显著优化，从而使故障诊断的时效性明显增加。

7.1.4 神经网络技术研究

现阶段，在烟草生产企业中，旋转机械诊断技术得到了极为广泛的应用，并且取得了令人满意的效果，其已经在各大烟草生产企业的机械设备诊断中发挥着重要的作用。

7.1.5 专业诊断仪器研发

人工智能和专家系统快速发展和成熟使得更多携带方便、监测灵敏度和准确性较高的烟草机械故障诊断技术为烟草机械提供了实施数据对接的可能，在当前烟草生产过程中也具有非常广泛的应用前景。

7.2 烟草机械故障诊断系统的智能化发展

现阶段，烟草机械故障诊断技术可以通过互联网及电子设备进行远程控制。当进行卷烟生产时，可以在生产流水线上设置多个监控位点，借助计算机智能技术来收集数据，并且将接近以及超过安全阈值的数据通过预警的形式告知专业维修人员。这种模式能够减少监管人员的工作量，同时也能够提升监管效率[12]。

在烟草行业中，设备的精密度较高，一旦发生故障难以短时间内确定故障原因，监测技术水平尚未发展至相应阶段，导致智能故障诊断技术发展受阻。对企业来说，需要积极对员工进行专业培训，鼓励员工在实践操作过程中完善自身的专业知识储备，借助企业现有的监测技术来对烟草机械故障点研究出全新的解决方案。企业管理层可以加大在智能烟草机械方面的成本支出，研发出全新的智能监测系统来降低维修成本，提升机械运行时的抗感染能力，从而达到烟草机械故障智能化诊断的目标。

8 结语

综上所述，随着科学技术的不断发展，烟草机械故障诊断技术也在不断提升，人工智能监测技术给烟草机械故障诊断提供了全新的思路，可以预料，在未来人工智能监测技术能够实现更加高效、准确地对烟草机械生产故障的诊断，同时为我国烟草企业的快速发展打下夯实的基础。