加工中心的狀態(tài)檢修系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

余 然 陸賢輝 李建蘭 康 樂 嚴(yán) 野 劉 念

（①華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北武漢 430074;②上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007）

面對日益激烈的市場競爭，對于企業(yè)來說，設(shè)備維護已不再簡單地僅僅屬于成本范疇，而是企業(yè)獲取利潤的重要戰(zhàn)略工具。狀態(tài)檢修（Condition Based Maintenance，CBM）又稱預(yù)知性檢修（Predictive Diagnostic Maintenance，PDM），作為一種先進的設(shè)備檢修管理體制，它通過對設(shè)備狀態(tài)的科學(xué)監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備檢修優(yōu)化，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)，預(yù)測設(shè)備劣化趨勢，診斷設(shè)備功能故障，評估設(shè)備運行風(fēng)險，提供設(shè)備維持決策支持［1－2］，成為企業(yè)增強市場競爭力有效的途徑之一。狀態(tài)檢修在電力、化工、冶金等行業(yè)的成功應(yīng)用均表明了其有效性［3－6］。

目前，我國大部分發(fā)動機制造企業(yè)的設(shè)備管理仍采用傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式，即主要以故障檢修為主，定期檢修和定期保養(yǎng)為輔的設(shè)備管理體制。隨著現(xiàn)代加工中心的規(guī)?；?、復(fù)雜化、精密化發(fā)展，這種傳統(tǒng)的管理體制已不再適應(yīng)企業(yè)需求，常常導(dǎo)致故障頻發(fā)、維修成本高、設(shè)備可靠性難以保證等問題［7］。因此，將先進的狀態(tài)檢修體制引入加工中心的維修管理成為必要。針對加工中心的發(fā)展現(xiàn)狀，本文提出了狀態(tài)檢修應(yīng)用于加工中心維修管理的技術(shù)路線，設(shè)計、開發(fā)了基于B/S三層結(jié)構(gòu)模式的設(shè)備點檢和檢修信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)備可靠性分析、點檢管理、故障診斷、狀態(tài)風(fēng)險評估和檢修指導(dǎo)管理等功能，形成了一個完整的集設(shè)備檢修的資源管理、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)范、計劃生成、任務(wù)分配、信息提交、進程監(jiān)督、信息查詢、狀態(tài)分析、維修管理等功能于一體的面向加工中心的設(shè)備檢修管理計算機應(yīng)用平臺。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路及構(gòu)架

1．1 系統(tǒng)開發(fā)背景

國內(nèi)某發(fā)動機制造企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備主要以加工中心為主，現(xiàn)已擁有包括MAXIMO系統(tǒng)、加工中心數(shù)據(jù)記錄表、TPM問題記錄表等管理系統(tǒng)和工具，設(shè)備管理實現(xiàn)了一定程度的信息化。但是，該廠的點檢目前還處于人工管理階段。由于點檢制度缺乏信息化管理，導(dǎo)致設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)收集不全、設(shè)備狀態(tài)不了解、故障分析不到位、故障檢修頻繁、“過修”和“欠修”等問題嚴(yán)重。此外，該企業(yè)現(xiàn)有的設(shè)備管理系統(tǒng)僅僅是強調(diào)了檢修工作流程的管理，而在管理體制、信息標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備監(jiān)測、技術(shù)功能（趨勢分析、故障分析及診斷等）、系統(tǒng)緊湊性及使用便利性等方面依然比較薄弱。本系統(tǒng)研發(fā)的目的在于為企業(yè)建立一套完整的狀態(tài)檢修信息管理平臺，完善其設(shè)備管理信息化體系。

1．2 設(shè)計方案

以可靠性為中心的維修（Reliability Centered Maintenance，RCM）是一種以可靠性理論為基礎(chǔ)，以保持設(shè)備的功能和可靠性為目的，針對設(shè)備不同特性采取不同維修決策的維修優(yōu)化分析方法［8－9］。本系統(tǒng)采用基于RCM的狀態(tài)檢修，系統(tǒng)主要分為3個步驟:

（1）對設(shè)備功能與故障進行可靠性分析，為每臺加工中心建立可靠性檔案。主要采用故障樹（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）和故障模式及后果（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）相結(jié)合的分析方法。通過這種分析，可得到分析對象的故障模式、故障原因、故障后果、檢測指標(biāo)及其閾值、檢測方法等基本信息。這些信息存入系統(tǒng)的可靠性分析數(shù)據(jù)庫中，為實施點檢打好基礎(chǔ)。

（2）實施完善的點檢管理系統(tǒng)。通過信息化的點檢管理，能夠獲取大量實時的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立足夠的信息資料和數(shù)據(jù)庫。點檢管理系統(tǒng)的建立對于及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常、隱患，掌握設(shè)備故障的前兆信息發(fā)揮了積極的作用，并成為狀態(tài)監(jiān)測的組織載體，是實施狀態(tài)檢修的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（3）建立故障診斷與檢修決策系統(tǒng)。系統(tǒng)通過對可靠性分析結(jié)果和大量點檢數(shù)據(jù)的綜合分析，通過相關(guān)的數(shù)學(xué)診斷模型，確定設(shè)備狀態(tài)、找出故障源、預(yù)測設(shè)備狀態(tài)發(fā)展趨勢，最后做出檢修決策建議。

1．3 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)在企業(yè)現(xiàn)有MAXIMO系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過新增開發(fā)點檢信息管理系統(tǒng)和維修信息管理系統(tǒng)，構(gòu)造一個從狀態(tài)檢測到故障維修的完善設(shè)備信息管理體系，如圖1所示。在新的體系中，點檢信息管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對設(shè)備所有實時狀態(tài)信息的檢測，評估診斷中心實現(xiàn)對狀態(tài)信息的分析、診斷以及評估，而維修信息管理系統(tǒng)則根據(jù)評估診斷中心的診斷評估結(jié)果，自動提供檢修建議方案并提交檢修工單給MAXIMO，最后由MAXIMO按照現(xiàn)有流程負(fù)責(zé)檢修工作的執(zhí)行，實現(xiàn)了與原有MAXIMO系統(tǒng)的無縫連接。

1．4 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用了基于Web服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)實現(xiàn)方式——B/S模式，如圖2所示。它通過Web服務(wù)器，實現(xiàn)了分布式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)資源共享;通過客戶端瀏覽器（如IE瀏覽器），實現(xiàn)通過局域網(wǎng)或遠(yuǎn)程Internet的多用戶應(yīng)用服務(wù)，既簡化了操作，又實現(xiàn)了強大的功能。

2 系統(tǒng)的功能與實現(xiàn)

2．1 可靠性分析

故障樹分析法能完整地演繹系統(tǒng)故障形成的邏輯關(guān)系，適用于復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的可靠性分析;FMEA分析法的優(yōu)點在于既能明確設(shè)備的故障和風(fēng)險，還能把每一種可能發(fā)生的故障模式按其嚴(yán)重程度予以分級評價［10］，為制定有針對性的設(shè)備維護和檢修措施打下基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用了故障樹和FMEA相結(jié)合的可靠性分析方法，即利用故障樹分析法保證系統(tǒng)分析的完整性，利用FMEA分析法來明確故障模式及后果分級評價，充分發(fā)揮各方面的優(yōu)點，建立完整的設(shè)備可靠性檔案。

根據(jù)加工中心設(shè)備的特點，我們首先將其劃分為控制電氣系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)和機械傳動系統(tǒng)，然后按照“無指令無動作－有指令無動作－有動作無反饋”的邏輯順序分析設(shè)備的動作步驟和功能，最后得出故障模式和故障后果。嚴(yán)密的分析過程，充分保證了分析數(shù)據(jù)的邏輯性和完整性，并在實際使用中得到了證明。制定的設(shè)備FMEA分析表格式如表1所示。

表1 加工中心FMEA分析表

2．2 點檢信息管理子系統(tǒng)

點檢信息管理子系統(tǒng)實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)參數(shù)獲取，并對日常點檢工作進行管理。按照其不同的功能，主要劃分為以下幾個部分來處理:

（1）建立點檢標(biāo)準(zhǔn)庫

系統(tǒng)的設(shè)備點檢標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是實施點檢和設(shè)備狀態(tài)評估的基礎(chǔ)。點檢標(biāo)準(zhǔn)庫的建立應(yīng)具有明確、全面、規(guī)范、無歧義等特點，通過設(shè)定的點檢周期和點檢方法，為點檢工作實施提供依據(jù)。點檢標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫包括:點檢標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表、點檢指標(biāo)數(shù)據(jù)表、點檢周期數(shù)據(jù)表和點檢方法數(shù)據(jù)表。

本系統(tǒng)將整個系統(tǒng)的全部設(shè)備按照用途或者種類可分為裝配線設(shè)備、缸體線設(shè)備、缸蓋線設(shè)備和曲軸線設(shè)備，然后以此作為節(jié)點建立起整個系統(tǒng)的設(shè)備樹，最后建立其相應(yīng)的點檢標(biāo)準(zhǔn)。新建點檢標(biāo)準(zhǔn)界面如圖3所示。

（2）制定點檢任務(wù)

根據(jù)點檢標(biāo)準(zhǔn)信息，通過設(shè)定點檢項目、點檢路線、點檢時間、點檢區(qū)域以及點檢崗位，系統(tǒng)自動生成點檢任務(wù)工單并下達給相應(yīng)崗位。

（3）點檢查詢及報表

系統(tǒng)自動生成點檢日志、點檢周報和點檢月報等常用報表，并對點檢工作進行分析。圖4為某周的點檢信息分析圖。

2．3 維修綜合決策子系統(tǒng)

（1）故障診斷、預(yù)測及狀態(tài)評估

從點檢系統(tǒng)中獲得設(shè)備運行參數(shù)，利用模糊綜合評判的思想，通過隸屬函數(shù)將設(shè)備實測狀態(tài)數(shù)據(jù)與狀態(tài)參數(shù)指標(biāo)閾值進行模糊評判，實現(xiàn)設(shè)備的故障診斷。同時，通過對設(shè)備歷史數(shù)據(jù)的趨勢分析和狀態(tài)變化率分析，實現(xiàn)對設(shè)備運行趨勢的預(yù)測。最后，綜合設(shè)備各狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)基于灰色理論的設(shè)備狀態(tài)評估模型實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)評估。圖5為根據(jù)某實例得出的變量趨勢分析圖。

（2）風(fēng)險評價及檢修建議

根據(jù)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)、趨勢預(yù)測結(jié)果以及故障后果，通過風(fēng)險矩陣實現(xiàn)設(shè)備風(fēng)險的分級評價。風(fēng)險等級分為:高、中、低3個等級。依據(jù)設(shè)定的維修策略，對于高風(fēng)險設(shè)備系統(tǒng)自動生成相應(yīng)的檢修建議，為維修實施提供技術(shù)參考。

3 結(jié)語

針對我國發(fā)動機制造企業(yè)加工中心設(shè)備管理中的不足，本文提出了一套完整的狀態(tài)檢修系統(tǒng)的設(shè)計方案，包括可靠性分析方法、系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)體系和功能模塊的詳細(xì)設(shè)計，實現(xiàn)對設(shè)備基本信息的管理和檢修流程的規(guī)范，同時通過綜合設(shè)備狀態(tài)信息實現(xiàn)故障診斷、狀態(tài)評估與檢修決策，提高設(shè)備的可靠性和檢修工作的準(zhǔn)確性，為狀態(tài)檢修在發(fā)動機制造企業(yè)的實施提供技術(shù)支持。

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