基于實時數(shù)據(jù)庫的制絲電機設(shè)備預(yù)防性維修策略

黎 勇 徐元根 胡仲達 馮 海

LI Yong XU Yuan－gen HU Zhong－daFENG Hai

（浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315040）

（China Tobacco Zhejiang Industrial Co.，Ltd，Ningbo，Zhejiang 315040，China）

1 傳統(tǒng)設(shè)備維護管理中存在的問題

傳統(tǒng)設(shè)備維護管理通常存在3個層面的問題：

（1）設(shè)備管理基礎(chǔ)薄弱，沒有形成健全的設(shè)備管理制度和體系，沒有具體的職責(zé)要求和專業(yè)分工，設(shè)備的維護管理主要是通過事后維修來進行，設(shè)備狀態(tài)無法保障正常生產(chǎn)。

（2）已經(jīng)建立了設(shè)備管理制度和體系，并且能夠按照制度要求進行設(shè)備維護和保養(yǎng)，以事后維修為主，計劃維修為輔，設(shè)備維護存在過度、不足和兩種情況并存的問題［1］。

（3）有完整的設(shè)備管理制度和體系，實施了包含設(shè)備管理的企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（enterprise resource planning，ERP）或單獨的設(shè)備管理系統(tǒng)，其中ERP系統(tǒng)是一種以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)化的管理體系。由于沒有實時數(shù)據(jù)庫支撐，基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的設(shè)備管理信息系統(tǒng)更多實現(xiàn)的是對資產(chǎn)的財務(wù)管理，設(shè)備過程跟蹤控制功能較弱，設(shè)備維修計劃模式簡單，對設(shè)備維護的事前和事中信息化支撐力度較弱。設(shè)備維護和保養(yǎng)仍是以事后維修為主，計劃維修為輔，同樣存在設(shè)備維修不足或過度的問題。

2 實時數(shù)據(jù)庫與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫

分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）又稱集散控制系統(tǒng)、集散系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合了計算機、通信、顯示和控制等技術(shù)，使企業(yè)生產(chǎn)運行實現(xiàn)了分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。隨著硬件水平的提升，DCS系統(tǒng)在企業(yè)生產(chǎn)控制的廣泛應(yīng)用，實時數(shù)據(jù)庫采集和應(yīng)用的不斷拓展，人工智能快速發(fā)展，建立以實時數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上的業(yè)務(wù)管控系統(tǒng)應(yīng)運而生，使得信息系統(tǒng)在事前預(yù)知、事中控制發(fā)揮出了更大的能力。這其中，實時數(shù)據(jù)庫作為實時數(shù)據(jù)的采集、存儲平臺發(fā)揮了關(guān)鍵的橋梁作用。

實時數(shù)據(jù)庫是指按照一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模型來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的倉庫，采用關(guān)鍵的存儲壓縮算法，以毫秒級為單位存儲自動化控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)［2］。而采用關(guān)系模型建立起來的數(shù)據(jù)庫叫做關(guān)系數(shù)據(jù)庫。關(guān)系數(shù)據(jù)庫是建立在集合代數(shù)基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法來處理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

實時數(shù)據(jù)庫用于不斷更新的快速變化的數(shù)據(jù)處理及具有時間限制的事務(wù)處理。其技術(shù)是實時系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)來解決實時系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理問題，同時利用實時技術(shù)為實時數(shù)據(jù)庫提供時間驅(qū)動調(diào)度和資源分配算法。實時數(shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫的區(qū)別見表1，二者適用范圍見圖1。

隨著技術(shù)的進步，實時數(shù)據(jù)庫的性能不斷提升，能夠長時間不間斷運行，且能實時處理大量的數(shù)據(jù)信息；在制造企業(yè)，應(yīng)該合理使用實時數(shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫，建立以企業(yè)級的數(shù)據(jù)平臺或數(shù)據(jù)中心，建立以制造執(zhí)行系統(tǒng)（manufacturing execution system，MES）等基于實時信息的應(yīng)用，并以將這些數(shù)據(jù)送入ERP等經(jīng)營決策系統(tǒng)，實現(xiàn)企業(yè)有效集成，并且實現(xiàn)控制系統(tǒng)與經(jīng)營決策系統(tǒng)的業(yè)務(wù)對接。

表1 數(shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫的區(qū)別Table 1 The difference between the database and relational database

圖1 實時數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫適用范圍圖Figure 1 Real－time data and relational database application scope

3 建立在實時數(shù)據(jù)庫上的設(shè)備管理系統(tǒng)

在浙江中煙信息化建設(shè)規(guī)劃過程中，將設(shè)備管理與控制統(tǒng)一規(guī)劃在工廠MES系統(tǒng)建設(shè)中。按照設(shè)備管理的要求，有設(shè)備前期管理、設(shè)備臺賬管理、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)管理、設(shè)備運維管理等內(nèi)容。MES中設(shè)備管理子主要功能與目前現(xiàn)有的ERP系統(tǒng)有著明確的邊界劃分。ERP主要負責(zé)設(shè)備前期、設(shè)備轉(zhuǎn)股、設(shè)備臺賬、設(shè)備折舊的相關(guān)的成本管理，而MES系統(tǒng)的設(shè)備管理多圍繞著設(shè)備日常運行維護展開，例如制定設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、模擬維修策略，建立設(shè)備故障樹等設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作；制定設(shè)備維護、保養(yǎng)、維護計劃，并根據(jù)采集到的信號，通過業(yè)務(wù)模型的邏輯判斷，生成設(shè)備故障維護請求，完成維保計劃等實施工作；采集底層自動化設(shè)備的實時數(shù)據(jù)、故障報警等信息，監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)等工作。MES的設(shè)備管理還需要進行設(shè)備停機管理，統(tǒng)計分析并生成維修故障庫，進一步轉(zhuǎn)化為經(jīng)驗庫，用于指導(dǎo)設(shè)備的維護保養(yǎng)工作，制定設(shè)備、零部件維修策略。最終通過基于實時數(shù)據(jù)、工單維修流程、維保計劃為一體的管控，完成設(shè)備的事前、事中、事后處理流程，從而完成設(shè)備的閉環(huán)管理，見圖2。

其中MES系統(tǒng)包括以下幾個部分：實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、生產(chǎn)模型集成平臺、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)平臺、應(yīng)用集成環(huán)境、功能應(yīng)用子系統(tǒng)、接口系統(tǒng)［3］。其中實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)如下功能：

（1）存貯、管理生產(chǎn)現(xiàn)場工藝參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、物料數(shù)據(jù)等信息。

（2）內(nèi)置實時規(guī)則引擎，實時進行數(shù)據(jù)過濾、分析、統(tǒng)計，以及報警等邏輯的推理。

（3）內(nèi)置點表管理、數(shù)采管理，使其能夠通過組態(tài)的方法建立工廠邏輯映象，將物理測點與邏輯測點進行對應(yīng)，可以進行在線數(shù)采擴展。

（4）內(nèi)置事件模型（condition＼trigger＼action），根據(jù)條件實時觸發(fā)相應(yīng)的邏輯；

（5）報警管理為全廠提供一個報警服務(wù)器，實時掌握全廠生產(chǎn)異常。

（6）采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)采接口及信息發(fā)布接口，構(gòu)架數(shù)據(jù)采集總線與信息發(fā)布總線，使得平臺與控制設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)之間的耦合度降低，提高系統(tǒng)的可靠性及可維護性。

（7）實時數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)（由實時規(guī)則產(chǎn)生）、報警信息、事件狀態(tài)等信息，全部可以進行歷史存貯?？傊摬糠植粌H為MES系統(tǒng)，而且為全廠計算機／現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（computer integrated manufacturing systems，CIMS）提供一個接口標(biāo)準(zhǔn)、組態(tài)靈活、功能強大的工廠信息系統(tǒng)（plant information system）。

4 基于實時數(shù)據(jù)庫的制絲電機設(shè)備管理應(yīng)用

4.1 寧波卷煙廠制絲車間當(dāng)前設(shè)備管理現(xiàn)狀分析

制絲設(shè)備是高度自動化的設(shè)備，生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)可以進行實時采集、存儲和監(jiān)視。電機設(shè)備是保障制絲線自動化運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，同時也是容易出問題的環(huán)節(jié)。因此，保障電機設(shè)備的最佳工作狀態(tài)是制絲車間設(shè)備管理的重要工作。

寧波卷煙廠制絲車間的生產(chǎn)模式為流水線式的線性生產(chǎn)，設(shè)備維護采取事后維修策略。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障后，設(shè)備所在的整條生產(chǎn)線停產(chǎn)，對生產(chǎn)影響極大。維修工憑借個人的經(jīng)驗對設(shè)備進行維修，多采取備件更換的維修措施，維修費用高昂。因此，根據(jù)設(shè)備實時狀態(tài)，制定設(shè)備的預(yù)知性維修策略，是制絲設(shè)備管理的重中之重。

4.2 制絲電機設(shè)備的數(shù)采點

制絲車間的電控柜同時控制多個電機設(shè)備及設(shè)備運行過程中的tag點。對于設(shè)備維修方面，可用的實時采集tag點包括電流、開關(guān)次數(shù)、運行時間、開關(guān)次數(shù)回撥次數(shù)、使用時間回撥次數(shù)，電機電流閥值。通過這些實時數(shù)據(jù)的采集，為預(yù)測維修提供依據(jù)。

圖2 卷煙制造執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 2 Cigarette manufacturing execution system structure

4.3 電機設(shè)備維修策略仿真

獲取設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)是制定正確的維修策略的關(guān)鍵途徑［4］，對這些采集數(shù)據(jù)進行處理，從而判斷電機的性能，并預(yù)測電機故障可能的發(fā)生時段和發(fā)生概率，預(yù)測設(shè)備零件及部位的剩余壽命。通過判斷和預(yù)測，維護人員結(jié)合系統(tǒng)判斷設(shè)備維修是否要維修、何時實施維修、需要什么資質(zhì)的人員，采用什么樣的工具、采用的維修決策是什么。

判斷電機設(shè)備的維修決策是一個非常復(fù)雜的過程，經(jīng)過分析，將這個過程定義為4階段：設(shè)備數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)處理階段、性能評估層及故障預(yù)測階段、制定維修決策階段。

（1）數(shù)據(jù)采集階段：由具有較高理論水平和實踐經(jīng)驗豐富的設(shè)備技術(shù)人員，使用在線和離線的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測儀器，在使用設(shè)備前對設(shè)備狀態(tài)進行全面監(jiān)測，利用各種檢測儀器和設(shè)備，采集能夠反映設(shè)備性能的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)，并存儲到軟件系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)處理：通過適當(dāng)?shù)姆椒▽Σ杉脑O(shè)備關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)處理，作為制絲電機設(shè)備的原始狀態(tài)，這種初始狀態(tài)就是進行故障預(yù)測的起始基點。

（3）故障預(yù)測及性能評測階段：應(yīng)用統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析、計算機智能仿真等技術(shù)［5］，建立設(shè)備故障關(guān)鍵特征參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，建立關(guān)鍵特征參數(shù)變化規(guī)律，詳細描述故障產(chǎn)生及發(fā)展的過程，推理出故障預(yù)測結(jié)果，進而評估電機在后期使用過程中的性能變異情況。

（4）維修決策階段：根據(jù)故障預(yù)測、性能評測的結(jié)論判斷后續(xù)工作中電機的無故障工作時間是否能夠保障［6］。如果不能保障，那么就需要預(yù)測維修的時間，確定維修范圍，并制定相應(yīng)的電機維修計劃并實施。為了持續(xù)的優(yōu)化維修決策，在維修結(jié)束后要及時地把維修記錄和故障原因等信息記錄到系統(tǒng)。

4.4 維修策略校驗

經(jīng)過不斷的摸索和調(diào)整，按照信息系統(tǒng)提供的維修策略模型，相比之前傳統(tǒng)的設(shè)備保障方式，制絲車間的設(shè)備故障時間降低了40%，維修費用降低35%，初步證明了維修策略的有效性。

5 結(jié)論

通過基于實時數(shù)據(jù)庫的設(shè)備管理系統(tǒng)在制絲車間電機設(shè)備上的應(yīng)用實踐，成功實現(xiàn)了制絲設(shè)備故障率和維修費用的雙降，并取得了明顯的經(jīng)濟效益。這為浙江中煙在設(shè)備精細化管理方面全面推進提供了成功經(jīng)驗，也為行業(yè)內(nèi)外的設(shè)備精細化管理提供有益探索。

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