工业4.0时代——烟草制丝电气故障智能诊断的应用

工业4.0时代——烟草制丝电气故障智能诊断的应用

黄枭男

厦门烟草工业有限责任公司  福建省厦门市海沧区  361012

摘要：目前，制丝车间的生产已基本实现了机械化，由于PLC技术的运用，许多制丝工序都已实现了自动化，但在实际生产中，由于电气故障的存在，会对制丝的正常进行造成很大影响。因此，在此基础上，本文对烟草制丝的整体结构进行了设计和构建，并对各个环节的功能进行了详细的探讨和分析，为建立一个完整的烟草制丝系统奠定理论和实际基础。

关键词：烟草；制丝；电气故障；智能诊断；应用

前言

随着工业控制技术的兴起与发展，以 PLC为代表的工控技术也有了很大的发展。以工控 PLC技术为代表的控制系统已被广泛应用于各个行业，为实现工业生产的自动化作出了卓越的贡献。现场总线是工业控制系统中的一个重要组成部分，它是工业控制系统中通讯与数据传送的载体。

一、烟草制丝电气故障诊断模拟诊断平台构建思路

在烟草生产中，对不同种类的信号进行检测，包括温度、压力、流量、湿度等。在采集完毕之后，这些信号会被传输到转换与处理区，经过转换和一系列的处理，最后变成一个数字信号，再将其发送给信号处理区，由处理区对其进行分析，并由特定的数学模型进行分析，得出相应的故障类型。此系统的核心硬件部分均由现有的软件模块构成，本文的重点在于将各功能模块整合，最后完成信号的采集、转换、传输、处理、诊断等工作[1]。

二、具体构建方案

（一）编程器

PLC是一种具有可编程逻辑的单片机，它还包含了一种可编程程序，通过它可以实现整个数据采集、转换、传输、处理等全流程的控制，可以用 PLC程序来完成。此外，还可以对 PLC进行编程来修改故障诊断模式，如果 PLC的故障诊断代码是可以修改的，可以对制丝设备的源码进行修改，从而提高故障诊断的准确性。同时，它还可以利用程序区对整个系统进行代码优化，从而大大缩短了故障诊断的执行周期，提高了诊断的工作效率，使之在实际的生产中得到应用。

（二）主站区

主站区包括：接口监控器、基站 PLC、电源系统、信号模块等，各组件由后面板相连，各模块通过 U型总线相连，并与模块的后部连接。在安装前，先把总线与处理器系统相连，再把每一个组件都装上。S7-300/400可编程控制器是企业生产的主控设备，它是由 DP接口与其它工作站进行通讯的。S7-300/400 PLC采用 DIN标准导轨模组，具有安装方便、便于扩充、结构灵活、能有效进行模块间扩充与组装的优势，可实现各种工艺电流、电压及 PLC信号之间的电平匹配。

（三）网络区

网络区主要由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和工业以太网等组成。PROFIBUS是目前国际上应用最为广泛的一种现场总线，它的技术特点很特殊，有着非常严格的公开和认证规则，制造和支持厂家也很多，所以它是目前最好的现场通讯网络解决方案，处于业界的领头羊位置。PROFIBUS-DP可以通过轮询方式实现从站和主站的通讯，并支持周期数据通讯[2]。PROFIBUS-PA是一种高效的通讯方式，它可以将通讯数据和电气输送到现场，并可有效地用于自动化生产。PROFIBUS- PA可将阀门定位器、流量、温度、压力等现场设备与工艺控制及自动控制系统相结合，可替代模拟技术，节约大量的电缆，增加现场检测的安全性和稳定性。

（四）子站区

子站区由变频器、馈线、ET200S等组成。ET200S是PROFIBUS-DP的一个子站，它可以进行信息的控制和通讯，通过特殊的网络与现场设备相连，使得各个组件之间可以进行高速通讯，无需调速电动机进行馈电控制，可实现对异步电动机的双向起动，对电动机进行有效的控制，可利用 PROFIBUS网络实现诊断和切换状态的呼叫，并在工作期间充电进行馈电更换。在变频调速器的控制中，必须要有一台可以调节转速的电机，才能对子站区进行有效的控制。

（五）信号处理区

在信号处理区中，主要包括 AO、 AI、 DO、 DI、 CPU、 PS电源模块等，这些模块的作用就是将信号转换和发送区域中的数据进行处理，以便于处理和规范化，最后将数据发送给故障诊断模型。常规设备的故障诊断模式主要有经验式、信号分配式、神经网络等，这些方法各有利弊。在此基础上，以经验式为基础的故障诊断模型，将故障类型与某些测量参数之间进行简单对应，从而实现对各种故障类型的分析与诊断。在此基础上，提出了一种基于神经网络的故障诊断模型，并利用反向误差对其进行建模，以实现对故障的诊断。信号处理区的主要硬件设备有电源、 PLC、信号、人机接口等。各个模块由总线相连，并配有对应的连接器。在集成时，各模块的总线可以直接与 CPU总线的接口相连，并将各模块分别固定在各自的位置。该系统具有两个功能，即：一种是数字 IO，另一种是模拟 IO，它可以实现对不同装置的电信号，如电压、电流，从而使两者的信号达到一致。

（六）信号转化传输区

信号经由总线传送至信号转化传输区，包括耦合器，频率转换器，馈电路， SM信号模块，以及子站，以耦合所获取的信号实现变频反馈控制。这一环节的主要功能是完成通讯，并具有一定的控制功能。若要达到控制功能，则可以使用网络线路把需要被控制的装置与控制装置相连，所获取的输入信息能够更快地经由总线网络传输，并将诊断信息输出[3]。此外，该区域采用无接触耦合的方法获取信号，并对所耦合的信号进行变频处理，以达到下一阶段的转换。这个过程的主要功能是转换过程，就像是一个信号的中转站，完成信号的转换和处理。

（七）执行区

执行区由电磁阀、马达等组成。执行区是实现现场控制的最低层，它可以有效地执行子站区的操作和指令。执行区由三相异步电机和电磁阀组成。电磁阀可以对阀门进行控制，使得阀门和汽缸可以井然有序的工作，同时马达可以为装置提供持续的电气。

三、应用效果

经过多次试验和调试，取得了如下的良好效果：（1）通过对烟叶制丝PROFIBUS-PA、PROFIBUS-DP、工业以太网、故障仿真诊断等方法进行分析，实现了对故障的离线或在线诊断。(2)可与电气维护人员进行技术交流，缩短维护时间，实现远程诊断。(3)可以方便地对现场计量装置如水分仪、压力传感器、温度传感器等进行测量，使各种数据符合工艺要求。

四、结语

总之，烟草制丝生产工艺的电气故障诊断系统，主要从硬件构建的角度出发，对烟草制丝的电气设备进行整体的设计与构建，但能否实现烟草制丝电气系统的实用价值，关键在于该系统的故障诊断算法。因此，应对该系统在实际中的应用进行深入而细致的研究，有待于今后烟草制丝工作的稳定发展。

参考文献

[1]周健.烟草制丝设备的故障分析及其防范策略[J].现代制造技术与装备,2022,58(05):144-146.

[2]施旭东.烟草制丝电气故障模拟诊断台的构建与应用[J].中国战略新兴产业,2018(16):196.

[3]周全.烟草制丝电气故障模拟诊断台的构建方案与应用[J].企业技术开发,2016,35(12):14-15.