淺談?lì)A(yù)測(cè)性維護(hù)在智能工廠中的應(yīng)用

◆李維峰

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院陜西 710089）

制造業(yè)中的維護(hù)和可靠性專(zhuān)業(yè)人員面臨許多挑戰(zhàn)，但是任何維護(hù)組織的目標(biāo)始終是相同的：最大化資產(chǎn)可用性。所謂資產(chǎn)，簡(jiǎn)而言之就是固定資產(chǎn)，即車(chē)間中將原材料變成成品的機(jī)器。

如今，不良的維護(hù)策略可能會(huì)使工廠的整體生產(chǎn)能力降低5%至20%。最近的研究還表明，計(jì)劃外的停機(jī)時(shí)間每年給工業(yè)制造商造成的損失估計(jì)為500億美元。這引出了一個(gè)問(wèn)題：“一臺(tái)機(jī)器使用多久之后需要下線維修？”傳統(tǒng)上，這種困境迫使大多數(shù)維護(hù)組織陷入一種折中的局面，他們不得不在最大化零件的使用壽命或者通過(guò)盡早更換可能的零件來(lái)最大化正常運(yùn)行的時(shí)間二者之間進(jìn)行選擇?；跁r(shí)間的預(yù)防性維護(hù)已證明對(duì)大多數(shù)設(shè)備組件無(wú)效。

通常，通過(guò)運(yùn)行工具或機(jī)器組件直到它們失效，可以最大程度地利用它們。但是隨著零件開(kāi)始振動(dòng)，過(guò)熱和破裂，這可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的機(jī)器損壞。而且，盡管對(duì)于某些資產(chǎn)而言，運(yùn)行失敗可能是一種可接受的方法，但計(jì)劃外停機(jī)幾乎總是更昂貴且更耗時(shí)間進(jìn)行糾正。相反，您可能會(huì)考慮更頻繁地更換零件和維修設(shè)備。但這不僅會(huì)隨著時(shí)間的流逝而增加更換成本，還會(huì)增加計(jì)劃內(nèi)的停機(jī)時(shí)間和運(yùn)營(yíng)中斷。

備件管理提出了類(lèi)似的挑戰(zhàn)，感覺(jué)就像是持續(xù)不斷的平衡行為。在預(yù)算有限的情況下，維護(hù)專(zhuān)業(yè)人員必須評(píng)估所需的零件以及何時(shí)購(gòu)買(mǎi)它們。如果在需要時(shí)沒(méi)有備件或訂購(gòu)備件，則在等待更換零件時(shí)，資產(chǎn)的停機(jī)時(shí)間可能為數(shù)天至數(shù)周甚至數(shù)月之久[1]。這通常會(huì)導(dǎo)致備件庫(kù)存的積累，這不僅占用了營(yíng)運(yùn)資金，而且增加過(guò)多和過(guò)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。

預(yù)測(cè)性維護(hù)（PdM）旨在通過(guò)授權(quán)公司最大程度地延長(zhǎng)零件的使用壽命，同時(shí)避免計(jì)劃外的停機(jī)時(shí)間并最大程度地減少計(jì)劃內(nèi)的停機(jī)時(shí)間來(lái)打破這些折衷。隨著用于制造業(yè)的工業(yè)4.0的出現(xiàn)，公司能夠利用新技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)視和深入了解其運(yùn)營(yíng)，從而將典型的制造工廠轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芄S。簡(jiǎn)而言之，智能工廠就是配備了能夠使機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）和機(jī)器對(duì)人（M2H）通信與分析和認(rèn)知技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，從而使我們可以正確，及時(shí)地做出決策。

PdM（已經(jīng)在我們耳邊縈繞多年）利用多源數(shù)據(jù)，例如關(guān)鍵設(shè)備傳感器，企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)化維護(hù)管理系統(tǒng)（CMMS）和生產(chǎn)數(shù)據(jù)。智能工廠管理系統(tǒng)將此數(shù)據(jù)與高級(jí)預(yù)測(cè)模型和分析工具結(jié)合在一起，以預(yù)測(cè)故障并主動(dòng)解決。此外，隨著時(shí)間的流逝，新的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以提高預(yù)測(cè)算法的準(zhǔn)確性，從而帶來(lái)更好的性能。

相比之下，傳統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)（PM）程序通常需要非常耗時(shí)的手動(dòng)數(shù)據(jù)處理和分析，才能從收集的數(shù)據(jù)中獲得真正的洞察力。盡管許多人在這些策略上取得了一些成功，但它們通常嚴(yán)重依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估計(jì)，或者需要深度知識(shí)和對(duì)每臺(tái)獨(dú)立設(shè)備的不斷分析，以保持準(zhǔn)確性。

為了實(shí)現(xiàn)最大化機(jī)器可用性的維護(hù)目標(biāo)，著名的德勤公司甚至確定了在工業(yè)4.0時(shí)代[2]運(yùn)營(yíng)的所有制造公司的兩個(gè)主要業(yè)務(wù)目標(biāo)：

1）經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)；

2）增長(zhǎng)業(yè)務(wù)。

一般增長(zhǎng)業(yè)務(wù)聚焦于業(yè)務(wù)上線的增長(zhǎng)，而經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)則旨在消減成本。PdM技術(shù)可以從多個(gè)來(lái)源和舊系統(tǒng)中提取數(shù)據(jù)，以提供實(shí)時(shí)的高級(jí)見(jiàn)解，從而使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以輕松地進(jìn)行日常工作，從而使維護(hù)管理人員可以更有效地部署資源。

1 技術(shù)探索

根據(jù)設(shè)計(jì)或默認(rèn)情況，跨行業(yè)的維護(hù)組織處于不同的成熟階段。有些可能正在基于估計(jì)或OEM建議進(jìn)行定期維護(hù)檢查，而其他一些可能會(huì)使用針對(duì)每種固定資產(chǎn)量身定制的基于統(tǒng)計(jì)的程序。但是，其他一些公司，尤其是航空航天和能源領(lǐng)域的公司，已經(jīng)在對(duì)其資產(chǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視技術(shù)，但是可能僅監(jiān)視數(shù)據(jù)的輸出，而不是利用先進(jìn)的預(yù)測(cè)模型。

像其他任何事情一樣，從預(yù)防性維護(hù)和以可靠性為中心的維護(hù)的一些基礎(chǔ)開(kāi)始，同時(shí)采取一兩個(gè)合適的資產(chǎn)試行PdM，就存在著朝著可靠性?xún)?yōu)化的方向邁出的步驟。這些試點(diǎn)之一的主要資產(chǎn)應(yīng)該是運(yùn)營(yíng)不可或缺的組成部分，并且必須以一定的規(guī)律性失敗才能創(chuàng)建基線預(yù)測(cè)算法。

現(xiàn)在，PdM的想法聽(tīng)起來(lái)很誘人。但是它如何工作？組成智能工廠的許多技術(shù)不一定是新技術(shù)，而是變得更實(shí)惠，更健壯，更先進(jìn)，并且已集成到業(yè)務(wù)中。與20年前相比，計(jì)算，存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)帶寬現(xiàn)在都只花費(fèi)幾分之一，這使試點(diǎn)和擴(kuò)展在財(cái)務(wù)上可行。

讓我們探究組成智能工廠并使PdM成為可能的一些技術(shù)。

2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）可能是PdM難題中最大的部分。我們所知道的互聯(lián)網(wǎng)已將您的筆記本電腦和移動(dòng)設(shè)備連接到大型服務(wù)器場(chǎng)，這些服務(wù)器場(chǎng)中充滿(mǎn)了用HTML編碼的網(wǎng)站數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)類(lèi)似，但是數(shù)據(jù)是從資產(chǎn)到企業(yè)服務(wù)器的連續(xù)流。物聯(lián)網(wǎng)使用溫度，振動(dòng)或電導(dǎo)率等傳感器將機(jī)器的物理動(dòng)作轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)還可以從其他來(lái)源流式傳輸，例如機(jī)器的可編程邏輯控制器（PLC），制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）終端，CMMS甚至是ERP系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)完成了“物理到數(shù)字再到物理（P-D-P）”這個(gè)循環(huán)的前半部分（如圖1所示）。這種智能工廠概念是在德勤關(guān)于“數(shù)字供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的興起”的討論中引入的。一旦通過(guò)傳感器將物理動(dòng)作轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即可對(duì)其進(jìn)行處理，匯總和分析。憑借價(jià)格合理的帶寬和存儲(chǔ)能力，可以傳輸大量數(shù)據(jù)，從而不僅可以全面了解單個(gè)工廠中的資產(chǎn)情況，還可以顯示整個(gè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 P-D-P循環(huán)

3 分析與可視化

P-D-P循環(huán)的第二步是使用高級(jí)分析和預(yù)測(cè)算法分析和可視化數(shù)字信號(hào)。高級(jí)商業(yè)智能（BI）工具不再僅適用于數(shù)據(jù)科學(xué)家。許多分析平臺(tái)已開(kāi)始為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，認(rèn)知技術(shù)，機(jī)器學(xué)習(xí)和可視化集成高級(jí)解決方案。與生產(chǎn)過(guò)程有更多聯(lián)系的運(yùn)營(yíng)分析師可以使用專(zhuān)門(mén)為日常用戶(hù)創(chuàng)建的現(xiàn)代API（應(yīng)用程序接口）輕松創(chuàng)建儀表板。

另一個(gè)趨勢(shì)是數(shù)據(jù)移回邊緣。與在使用點(diǎn)存儲(chǔ)工具的精益技術(shù)類(lèi)似，數(shù)據(jù)計(jì)算將在“邊緣”進(jìn)行，這意味著它在生成它的機(jī)器上進(jìn)行處理。結(jié)果可以直接傳達(dá)給機(jī)器操作員和維護(hù)技術(shù)人員。隨著數(shù)據(jù)開(kāi)始接近ZB量級(jí)，邊緣計(jì)算通過(guò)將一些處理工作分配給網(wǎng)絡(luò)的外部節(jié)點(diǎn)來(lái)減輕核心網(wǎng)絡(luò)流量并提高應(yīng)用程序性能，從而減輕了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的總體負(fù)擔(dān)。

4 閉環(huán)P-D-P循環(huán)

最后，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，分析和可視化之后，是時(shí)候?qū)⑦@些結(jié)果轉(zhuǎn)化為實(shí)際行動(dòng)了。在某些情況下，得出的數(shù)字結(jié)論可能會(huì)指示機(jī)器人或機(jī)器更改其功能。在其他情況下，維護(hù)警報(bào)將促使技術(shù)人員采取行動(dòng)?？紤]一種情況，在這種情況下，預(yù)測(cè)算法將觸發(fā)公司CMMS系統(tǒng)中維護(hù)工作訂單的創(chuàng)建，檢查ERP系統(tǒng)中是否有備用零件，并自動(dòng)為任何所需的其他零件創(chuàng)建采購(gòu)請(qǐng)求。然后，維護(hù)經(jīng)理只需批準(zhǔn)工作流中的項(xiàng)目并派遣適當(dāng)?shù)募夹g(shù)人員，這些操作都是自動(dòng)化的，并且可以在計(jì)劃外停機(jī)之前執(zhí)行。

5 潛在優(yōu)勢(shì)

思考之初，挑戰(zhàn)似乎難以克服。但是，數(shù)字化轉(zhuǎn)型的好處遠(yuǎn)大于風(fēng)險(xiǎn)。這些好處包括：

1）節(jié)省物料成本（運(yùn)營(yíng)和MRO物料支出中的5-10%）；

2）降低存貨成本；

3）設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間和可用性增加（10-20%）；

4）減少維護(hù)計(jì)劃時(shí)間（20-50%）；

5）降低了總體維護(hù)成本（5%至10%）；

6）改進(jìn)的HS＆E合規(guī)性；

7）減少花費(fèi)在暴力信息提取和驗(yàn)證上的時(shí)間；

8）花更多的時(shí)間在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題解決上；

9）與計(jì)劃，績(jī)效和責(zé)任制的明確聯(lián)系；

10）對(duì)數(shù)據(jù)和信息更有信心，從而擁有決策權(quán)。

6 成功的七個(gè)關(guān)鍵要素

單靠技術(shù)無(wú)法使您完全實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，您還需要關(guān)注流程和組織的變化。成功的維護(hù)組織應(yīng)該能夠在需要的任何時(shí)間和地點(diǎn)部署所有適當(dāng)?shù)馁Y源（人力資源，技術(shù)說(shuō)明/參考材料，備件和工具）以支持運(yùn)營(yíng)。為此，有許多關(guān)鍵領(lǐng)域需要解決。公司常常會(huì)花時(shí)間和金錢(qián)在主要技術(shù)增強(qiáng)上，例如更健壯的計(jì)算機(jī)管理的維護(hù)系統(tǒng)（CMMS）或可靠性軟件，而沒(méi)有首先將注意力集中在組織的某些更基本要素上。應(yīng)該理解的是，沒(méi)有“葵花寶典”式的計(jì)算機(jī)解決方案可以減輕對(duì)某些初期地面工作的需求，包括確定哪種類(lèi)型的維護(hù)組織和方法學(xué)適合特定操作。為了優(yōu)化維護(hù)組織，應(yīng)考慮七個(gè)主要重點(diǎn)領(lǐng)域（參見(jiàn)圖2）。

維護(hù)策略和過(guò)程是任何成功的維護(hù)組織的核心要素。這里需要特別注意的是，雖然技術(shù)是關(guān)鍵的推動(dòng)力（也是本文的重點(diǎn)），但它只是成功的七個(gè)支柱之一。沒(méi)有基本的構(gòu)建模塊，對(duì)技術(shù)的投資可能永遠(yuǎn)不會(huì)產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果。還應(yīng)該理解，并非所有公司都要求其資產(chǎn)具有相同級(jí)別的可靠性。一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)是評(píng)估組織的任務(wù)要求和維護(hù)計(jì)劃的成熟度。問(wèn)問(wèn)自己以下一些問(wèn)題：

1）我們的資產(chǎn)需要多可靠？我們的可用性目標(biāo)是什么？

2）我們的技術(shù)人員是否具備執(zhí)行所需工作的正確技能？

3）我們是否在正確的時(shí)間在正確的位置提供了正確的備件？

4）我們的流程是否文件齊全，可訪問(wèn)且有用？

5）我們有合適的工具來(lái)完成這項(xiàng)工作嗎？

6）我們?nèi)绾未_定何時(shí)該更換資產(chǎn)而不是維護(hù)資產(chǎn)？

7）我們已經(jīng)擁有哪些數(shù)據(jù)沒(méi)有得到有效利用？

8）我們是否已確定生產(chǎn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵資產(chǎn)？

9）是否有一些關(guān)鍵資產(chǎn)可以從PdM試點(diǎn)中受益？

10）PdM在我們整個(gè)企業(yè)中的價(jià)值是什么？

無(wú)論是大企業(yè)還是小企業(yè)，如果沒(méi)有考慮基礎(chǔ)維護(hù)策略和流程以及與之相關(guān)的技術(shù)，任何維護(hù)組織都無(wú)法成功。

圖2 成功的七個(gè)關(guān)鍵要素

7 總結(jié)

智能工廠和PdM是未來(lái)。并且選擇是無(wú)止境的。但是，確定下一步應(yīng)該是什么，或者如何通過(guò)投資于維護(hù)優(yōu)化來(lái)提升價(jià)值可能會(huì)讓人不知所措。本淺析了預(yù)測(cè)性維護(hù)在智能工廠中的應(yīng)用，拋磚引玉，希望能引起業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的注意，共同討論研究。