[发明专利]卷烟工厂超高速条盒包装机多工况过程在线监测与故障诊断方法

说明书

技术领域

本发明涉及卷烟包装过程中意大利G.D公司超高速条盒包装机BV的统计建模、在线监测与故障诊断技术。

背景技术

随着近年来烟草行业全球化、新的法律法规以及外部环境的重大变化，中国烟草面临愈来愈严峻的竞争压力和社会压力。在保证产品质量的前提下，有效提升设备的智能化水平和高效运行能力成为卷烟工厂关注的焦点。智能化，即生产设备具有感知、分析、推理和决策等功能；高效运行，即在规定时间内消耗更少的资源生产更多、更好的产品。卷烟工厂设备的智能化水平和高效运行能力与其自动化程度密不可分，设备状态的在线监测与故障诊断技术是提升智能化水平、保证高效运行的重要手段。

意大利G.D公司超高速包装设备是中国烟草总公司“十二五”期间重点引进的目前世界上最高速、最先进的卷烟包装设备，其设计生产能力为1000包/分钟香烟。超高速包装设备由小盒包装机H1000、小盒薄膜封装机W1000和条盒包装机BV三部分组成。条盒包装机BV是一台高速自动外条包装机，可以包装各种不同特性和硬度的条包，其运行过程由二五平包成型、条盒纸松卷、条盒纸上胶、条盒纸输送、条盒纸包裹、条盒纸折叠、透明纸松卷、透明纸分切、透明纸输送、透明纸包裹、透明纸折叠成型、透明纸热封、条烟输出等部分组成。条盒包装机BV是超高速包装设备的重要组成部分，也是生产现场故障较为集中的部位。由于G.D公司超高速包装设备底层PLC开放的程序源代码和库文件非常有限，生产现场主要通过每班一组的数据报表、轮保时的人工检测、设备故障的计划维修和事后抢修等方式保证条盒包装机BV的完好性。2013、2014年杭州卷烟厂G.D公司超高速包装设备的运行效率分别为70％和70.08％，其中条盒包装机BV的条盒纸和透明纸堵塞、透明纸折角等故障是影响停设备运行效率的主要因素之一。目前采用的条盒包装机BV状态监测方式已经不能满足卷烟生产的实际需要，亟需一种切实有效的条盒包装机BV在线监测与故障诊断方法。

为解决G.D公司超高速包装设备底层PLC参数数据难以获取的问题，杭州卷烟厂(朱立明,钱杰,王琪,李钰靓,李勇.一种超高速包装机数据采集系统:中国,CN204056360U[P].2014-12-31.)提出了一种基于Beckoff软PLC的超高速包装设备底层PLC数据采集方法，通过对设备底层PLC源代码和库文件的分析，能够采集条盒包装机BV的部分参数数据，从而为基于多元统计分析方法实施条盒包装机BV统计建模、在线监测与故障诊断提供了丰富的运行数据。

条盒包装机BV生产过程中，操作人员根据目测的设备运行状态和产品外观质量频繁调整BV车速设定值，使得生产过程具有多个运行工况。由于条盒包装机BV的高速运行，从一个稳定运行工况到另外一个稳定运行工况的时间非常短(如BV车速从89条/分钟降低到0条/分钟仅需10秒，即在一个采样周期内完成)，因此本发明仅考虑各个不同的稳定运行工况。不同稳定运行工况之间数据的均值、方差、相关关系等特征变量会有明显的变化，直接应用PCA方法进行统计建模和在线监测会产生大量的误报警或漏报警。

发明内容

为了满足条盒包装机BV在线监测与故障诊断的实际需要，本发明面向生产过程的多工况特性，提出一种包含离线工况识别和划分、稳定工况统计建模、多工况过程在线监测、故障原因诊断等关键技术的超高速条盒包装机在线监测与故障诊断方法。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

卷烟工厂超高速条盒包装机多工况过程在线监测与故障诊断方法，包括：

1)根据超高速条盒包装机BV的运行机理确定统计模型的监测变量，采集某一机台底层PLC中的BV运行数据，获得二维原始数据D(K×J)，K为采样点个数，J为监测变量个数；

2)基于BV车速检测值，采用滑动时间窗口H方法计算稳定度因子SF，当其值较小时(小于等于阈值ζ)表明过程处于稳定工况，反之表明过程处于过渡工况。采用平滑滤波方法对处于稳定工况的滑动时间窗口H内原始数据进行算术平均，获得一组移动平均数据，将移动平均数据中“BV车速”变量值大于阈值ψ的数据作为稳定工况的有效数据D(N×J)，N为有效数据的个数；

3)稳定工况的有效数据被识别出以后，采用自适应k-means聚类方法对有效数据的相似度进行聚类分析，获得每一种稳定工况的建模数据C表示将稳定工况划分成C个聚类，其中第r个聚类为K_rm表示第r个聚类中稳定工况的个数，每个聚类中具有相似过程特性的建模数据可以用一个统计模型来描述；