面向CPS 的EAM 研究

陶明東，傅亞琴

（1.江蘇奧神新材料股份有限公司，江蘇連云港 222000；2.北京國智云鼎科技有限公司，北京 100195）

0 引言

企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)（EAM）從計算機(jī)化維護(hù)管理系統(tǒng)CMMS 發(fā)展而來，其根本目標(biāo)是以信息技術(shù)為支撐，合理安排設(shè)備維修與備件采購，降低維護(hù)成本同時獲得較高設(shè)備可用性。現(xiàn)代EAM 軟件吸取了預(yù)防性維護(hù)PM、全員設(shè)備維護(hù)TPM、以可靠性為中心的維修管理RCM 等設(shè)備管理思想，大多包含倉儲管理、供應(yīng)鏈管理、安全管理、項目管理等模塊，并提供數(shù)據(jù)接口，可與ERP 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)企業(yè)級運(yùn)營系統(tǒng)集成。有些EAM 系統(tǒng)能通過接口實現(xiàn)對數(shù)字化設(shè)備或DCS/PLC、SCADA 系統(tǒng)的信息采集，進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)基于參數(shù)閾值的預(yù)測性維護(hù)。

EAM 是相對成熟的應(yīng)用系統(tǒng)，相關(guān)文獻(xiàn)多為應(yīng)用層面，如基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的預(yù)測性維護(hù)文章，如文獻(xiàn)［1］提出一種面向發(fā)電設(shè)備的多傳感序列特征抽取方法；文獻(xiàn)［2］提出一種基于公平熵的預(yù)測性維護(hù)服務(wù)價值衡量及收益分配機(jī)制，協(xié)助解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供預(yù)測性服務(wù)時遇到的價值衡量和收益分配問題。上述研究在EAM 維護(hù)功能實現(xiàn)及未來研發(fā)方向上的探討較少。

隨著智能制造的發(fā)展，以設(shè)備為中心的信息物理系統(tǒng)（CPS）建設(shè)逐步推進(jìn)，圍繞CPS 的相關(guān)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)研究不斷深入。2017 年中國信息物理系統(tǒng)發(fā)展論壇［3］發(fā)布了《信息物理系統(tǒng)白皮書》，對CPS 定義、分級與定位、技術(shù)體系、實現(xiàn)路徑等作了全面闡述。作為智能制造系統(tǒng)研究熱點，面向CPS 數(shù)字化車間構(gòu)建方面研究較多。陶飛等［4］提出通過構(gòu)建數(shù)字孿生車間實現(xiàn)制造的物理世界和信息世界之間的交互與共融；江海凡等［5］對數(shù)字孿生車間演化機(jī)理及運(yùn)行機(jī)制做了深入研究，提出從可視化、邏輯、數(shù)據(jù)3 個維度構(gòu)建可交互、可控制、可計算的虛擬車間。這些前沿研究具有很高的理論價值，為數(shù)字孿生車間的構(gòu)建指明了方向。

現(xiàn)階段制造業(yè)更需要盡快擁有可以落地、協(xié)助推進(jìn)智能制造的軟硬件產(chǎn)品。本文嘗試將EAM 納入CPS 技術(shù)體系，分析EAM 在智能制造系統(tǒng)中的定位、研發(fā)方向與功能實現(xiàn)路徑，探討利用EAM 面向設(shè)備的特性構(gòu)建設(shè)備乃至生產(chǎn)線的數(shù)字孿生，通過與其他應(yīng)用系統(tǒng)的信息交互，推進(jìn)數(shù)字化車間建設(shè)的可行性。

1 傳統(tǒng)EAM 核心功能與問題

1.1 傳統(tǒng)EAM 系統(tǒng)核心功能

傳統(tǒng)EAM 系統(tǒng)能實現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理，覆蓋項目規(guī)劃、設(shè)備采購及安裝、運(yùn)行維護(hù)、報廢等全過程，并提供故障分析、可靠性分析、維修成本分析、設(shè)備維護(hù)績效（如設(shè)備綜合績效OEE 等）分析等功能，且能與ERP（或EAM）相關(guān)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，參見圖1。

Fig.1 Core function modules and data interaction of traditional EAM software圖1 傳統(tǒng)EAM 核心功能模塊與數(shù)據(jù)交互

1.2 傳統(tǒng)EAM 系統(tǒng)問題

目前市場上EAM 軟件功能大多是處于信息化階段的管理信息系統(tǒng)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流基本基于相對固定的規(guī)則和策略［6］，即在項目實施過程中建立的“業(yè)務(wù)藍(lán)圖”；項目實施效果有：①規(guī)范業(yè)務(wù)流程，建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、積累標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)；②通過提供預(yù)防性維護(hù)、基于關(guān)鍵參數(shù)閾值的預(yù)測性維護(hù)功能，提高設(shè)備可用性；③提供各類統(tǒng)計報表，為管理人員決策提供支持?？傮w上系統(tǒng)還不具備智能發(fā)現(xiàn)問題的能力，難以提供優(yōu)化方案與建議。

2 CPS 與智能制造對EAM 的影響

2.1 CPS 概念

信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）通過集成先進(jìn)的感知、計算、通信、控制等信息技術(shù)和自動控制技術(shù)，構(gòu)建物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同，實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行按需響應(yīng)、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化。

衡量一個系統(tǒng)是否是CPS，主要依據(jù)其是否有感知、分析、決策、執(zhí)行能力。根據(jù)系統(tǒng)是否具有網(wǎng)絡(luò)特性和平臺特性分為不同級別，如表1 所示。

Table 1 Levels of CPS and typical samples表1 CPS 級別劃分及典型示例

2.2 智能化CPS 系統(tǒng)演進(jìn)趨勢

傳統(tǒng)EAM 軟件是流程驅(qū)動的信息化系統(tǒng)，現(xiàn)階段有些EAM 產(chǎn)品已能通過接口與具有數(shù)據(jù)通信能力的物理系統(tǒng)通信，收集狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)超過設(shè)定閾值時可自動觸發(fā)故障報告，具備初步的狀態(tài)感知、判斷、決策并執(zhí)行相應(yīng)動作的能力，體現(xiàn)出向CPS 系統(tǒng)演變的趨勢。隨著數(shù)字化、智能化設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域的普及與智能制造相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，EAM 必然會向數(shù)據(jù)驅(qū)動、具備自主學(xué)習(xí)與成長能力的智能化CPS 演進(jìn)。

3 面向CPS 的EAM 系統(tǒng)定位與開發(fā)方向

3.1 EAM 在智能工廠中的定位

智能工廠構(gòu)建需要從數(shù)字化車間開始，數(shù)字化車間是物理車間的數(shù)字化鏡像。從制造業(yè)業(yè)務(wù)特點看，資產(chǎn)性能管理與運(yùn)營優(yōu)化管理是智能制造平臺的兩大核心，EAM 是定位于SoS 級別的CPS。這意味著EAM 能通過CPS 總線接入單元級和系統(tǒng)級CPS，同時具備較強(qiáng)的狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)分析、決策支持、自主執(zhí)行能力，如圖2 所示。

Fig.2 Intellectual CPS service platform at the level of SoS圖2 SoS 級CPS 智能服務(wù)平臺

3.2 面向CPS 的EAM 功能架構(gòu)

參考CPS 架構(gòu)有關(guān)文獻(xiàn)［7］，本文提出覆蓋設(shè)備全生命周期的EAM 功能架構(gòu)，如圖3 所示，圖中虛線表示CPS 總線仍處于發(fā)展過程中。

3.3 面向CPS 的EAM 開發(fā)方向

3.3.1 構(gòu)建物理設(shè)備的數(shù)字孿生

EAM 本身具有面向設(shè)備特點，基于EAM 系統(tǒng)構(gòu)建物理設(shè)備的數(shù)字孿生在技術(shù)上是可行的，所構(gòu)建的數(shù)字孿生作為實現(xiàn)虛實之間雙向映射、動態(tài)交互、實時連接的關(guān)鍵途徑，可將物理實體和系統(tǒng)屬性、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、性能、功能和行為映射到虛擬世界［8］，為資產(chǎn)優(yōu)化和營運(yùn)優(yōu)化提供支持。

數(shù)字孿生本質(zhì)上是模型的集合，這些模型包括要素、行為、規(guī)則3 個層面［4］。

Fig.3 CPS-oriented EAM function frame圖3 面向CPS 的EAM 功能架構(gòu)

要素層面包含：①設(shè)備基本參數(shù)，如外形（3D 仿真）及尺寸、重量、裝機(jī)功率、廠商相關(guān)信息等；②設(shè)備間關(guān)系，如上下游設(shè)備及連接形式、介質(zhì)等，故障對其他設(shè)備的影響；③設(shè)備狀態(tài)，如溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、震動、負(fù)荷、能源與資源耗用等。行為層面主要包括加工行為（工序與能力調(diào)節(jié)）、協(xié)作行為、故障行為等。規(guī)則層面主要包括數(shù)據(jù)采集規(guī)則（數(shù)據(jù)來源和采集頻率）、維護(hù)規(guī)則、故障規(guī)則（預(yù)警、判定、處置）等。

構(gòu)建物理設(shè)備數(shù)字孿生的信息來源于4 個渠道：

（1）工程設(shè)計CAD 數(shù)據(jù)。目前工廠3D CAD 設(shè)計是基本技術(shù)，EAM 可通過CAD 數(shù)據(jù)接口建立可視化的3D 設(shè)備布局、外形模型與設(shè)備關(guān)聯(lián)，形成車間、設(shè)備空間結(jié)構(gòu)的數(shù)字仿真。工程設(shè)計通常采用結(jié)構(gòu)化編碼規(guī)則標(biāo)識系統(tǒng)構(gòu)成，直至底層單臺設(shè)備。單臺設(shè)備通常是一個邏輯的設(shè)備位號，當(dāng)一臺物理設(shè)備就位后才會與該位號形成對應(yīng)關(guān)系。從這種結(jié)構(gòu)化編碼中可以抽取出設(shè)備隸屬關(guān)系，形成平面化的設(shè)備結(jié)構(gòu)樹以方便使用。

每一層次的系統(tǒng)可手工定義信息，方便設(shè)備資料完善。有具體位號的底層單臺設(shè)備應(yīng)具備自動尋找并匹配已經(jīng)構(gòu)建好的單臺物理設(shè)備數(shù)字孿生能力，便于用戶確定物理設(shè)備的準(zhǔn)確位置與狀態(tài)。

（2）自動化系統(tǒng)DCS/PLC、SCADA。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，類似數(shù)字孿生概念早已提出，如ISO 9506 制造信息規(guī)范MMS 中提出的虛擬制造設(shè)備（VMD）［9］與數(shù)字孿生概念極為相似。類似西門子Profibus-FMS 等現(xiàn)場總線信息規(guī)范可提供強(qiáng)大的車間現(xiàn)場集成自動化支持，除狀態(tài)參數(shù)外，設(shè)備本身定義等相關(guān)信息可通過OPC 接入上層應(yīng)用系統(tǒng)。

（3）具備狀態(tài)采集與數(shù)據(jù)通信能力的設(shè)備。對于具有狀態(tài)采集能力，能支持類似Profibus-FMS 等符合MMS 標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)約設(shè)備，可通過“詢問—反饋”機(jī)制建立模型，完成實體對象的定義和狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。EAM 系統(tǒng)需要兼容此類規(guī)約，從而具備在一定規(guī)則下自動發(fā)現(xiàn)、識別和更新設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的能力。

（4）人工維護(hù)。主要用于產(chǎn)線、系統(tǒng)、設(shè)備結(jié)構(gòu)調(diào)整及相關(guān)數(shù)據(jù)補(bǔ)充完善，還可用于那些無通信能力，出于成本及設(shè)備重要性考慮不值得進(jìn)行數(shù)字化改造的設(shè)備信息維護(hù)。

3.3.2 預(yù)測性維護(hù)與高可用性

（1）建立故障模型實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)。不同于目前EAM中預(yù)測性維護(hù)普遍采用的基于閾值報警和窮舉式故障庫模式（這種方式準(zhǔn)確性較低，通常需要人工確認(rèn)），EAM 能依據(jù)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合設(shè)備行為數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立故障模型，其流程如圖4 所示。

Fig.4 Establishment and deployment procedure of fault module圖4 故障模型建立與部署流程

狀態(tài)指標(biāo)指從所收集的狀態(tài)數(shù)據(jù)中提取出來的、與判斷設(shè)備健康狀態(tài)有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的可量化指標(biāo)，這種指標(biāo)通常不會是一個參數(shù)或閾值，而是一個或多個狀態(tài)參數(shù)值的組合分布［10］。比如機(jī)械設(shè)備的震動頻率、溫度、噪音頻率等。一般來說，狀態(tài)指標(biāo)分析不能只依靠數(shù)據(jù)技術(shù)，須結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域工程知識才會更加高效。

在模型建立和訓(xùn)練過程中，除了傳統(tǒng)的回歸、相關(guān)性分析等統(tǒng)計技術(shù)外，更多是采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Petri 網(wǎng)和Agent 等仿真技術(shù)；從數(shù)據(jù)來源看，應(yīng)調(diào)用歷史數(shù)據(jù)、其他實例數(shù)據(jù)（同類型設(shè)備的數(shù)字孿生）、供應(yīng)商提供的最佳運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。圖5 是一個基于狀態(tài)指標(biāo)的風(fēng)機(jī)軸承故障監(jiān)測模型示例［11］。

Fig.5 Fan bearing fault monitoring module based on status indicator圖5 基于狀態(tài)指標(biāo)的風(fēng)機(jī)軸承故障監(jiān)測模型

訓(xùn)練后的模型可使設(shè)備具有自省能力，能進(jìn)行自我狀態(tài)評估并預(yù)測其壽命，計算下一個生產(chǎn)周期中設(shè)備發(fā)生故障的概率、原因等，并依據(jù)故障情況推薦維修方案；還可通過向運(yùn)營系統(tǒng)提供維修信息優(yōu)化生產(chǎn)排程。EAM 系統(tǒng)集成一些標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，如泵、電機(jī)、風(fēng)機(jī)、高價值軸承等設(shè)備的故障分析模型非常有操作性，可以加快故障分析效率。

（2）構(gòu)建運(yùn)行控制模型提高設(shè)備可用性。設(shè)備使用不當(dāng)經(jīng)常是導(dǎo)致故障的根源，比如變頻過低、齒輪泵工作介質(zhì)粘度過高、串聯(lián)風(fēng)機(jī)的壓力、風(fēng)量匹配不合理等。設(shè)備運(yùn)行邊界在實際工況下會受到環(huán)境、上下游設(shè)備及生產(chǎn)負(fù)荷影響，通過建立運(yùn)行控制模型，計算實際工況條件下的運(yùn)行邊界，確定其動態(tài)調(diào)整規(guī)則以及上下游設(shè)備間的協(xié)調(diào)規(guī)則，可使設(shè)備具有更高的穩(wěn)定性和可靠性，這種優(yōu)化需要在滿足生產(chǎn)需求工況的前提下進(jìn)行。運(yùn)行控制方案通常沒有特別高的實時性要求，在控制模型確定一些關(guān)鍵控制要點后，可在設(shè)備運(yùn)行控制系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)，如果需要實時控制則需要和現(xiàn)場控制系統(tǒng)、設(shè)備建立雙向通信。

3.3.3 資產(chǎn)優(yōu)化

EAM 可以支持資產(chǎn)優(yōu)化，包括備件庫存、資源能源利用、能力利用、服務(wù)可用性優(yōu)化4 個方面，目標(biāo)在于提升設(shè)備完好性、可用性，以更低的維護(hù)成本發(fā)揮設(shè)備作用。以上優(yōu)化需要結(jié)合設(shè)備歷史、同類型設(shè)備、設(shè)備制造商技術(shù)支持等多來源數(shù)據(jù)，以不同可用性指標(biāo)的運(yùn)維成本為核心內(nèi)容建立模型，供用戶進(jìn)行多方案優(yōu)選。

3.3.4 環(huán)境與安全

環(huán)境與安全是企業(yè)賴以生存的根本，是合規(guī)經(jīng)營的核心內(nèi)容。環(huán)境與安全問題常與設(shè)備故障或違章操作有關(guān)，EAM 可對環(huán)境與安全管理提供支持。

（1）基于設(shè)備的風(fēng)險等級劃分，自動觸發(fā)作業(yè)許可和隔離。我國從2018 年開始推行風(fēng)險分級管控與隱患排查治理相結(jié)合的雙重預(yù)防機(jī)制。風(fēng)險分級管控指依據(jù)風(fēng)險不同級別采取對應(yīng)的管控措施。EAM 可提供標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險評估方法，如LEC 等，協(xié)助用戶評估設(shè)備風(fēng)險等級，作為開具作業(yè)許可、隔離工單的判斷依據(jù)，由系統(tǒng)依據(jù)檢修作業(yè)涉及的風(fēng)險類別、等級自動觸發(fā)。而且設(shè)備數(shù)字孿生可以依據(jù)感知到的壓力、溫度、運(yùn)行狀態(tài)等信息，結(jié)合行為數(shù)據(jù)，對檢修作業(yè)進(jìn)行流程管控，避免人為疏漏導(dǎo)致事故。

（2）面向設(shè)備的點巡檢管理同步完成隱患排查與治理。點巡檢包括安全內(nèi)容，錄入的缺陷如屬安全隱患——判斷標(biāo)準(zhǔn)可從安全管理系統(tǒng)中獲得，可同步標(biāo)識，通過接口或者以數(shù)據(jù)驅(qū)動的形式通知安全管理系統(tǒng)，達(dá)到隱患排查目的；對缺陷的檢修作業(yè)可同步完成隱患治理。這些數(shù)據(jù)可通過CPS 總線傳遞到安全管理系統(tǒng)，以提高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)一致性與工作效率。

（3）基于設(shè)備狀態(tài)的預(yù)警系統(tǒng)?；跔顟B(tài)的故障模型可以起到極強(qiáng)的安全預(yù)警作用，尤其對于高風(fēng)險的儲存或生產(chǎn)裝置，可以作為控制系統(tǒng)、安全儀表系統(tǒng)（SIS）的補(bǔ)充?？刂葡到y(tǒng)、SIS 系統(tǒng)通常都是依據(jù)關(guān)鍵監(jiān)測點實時數(shù)據(jù)（如壓力、溫度等）是否超過閾值采取行動的，缺少基于模型的預(yù)警能力；基于模型的預(yù)警可以更早監(jiān)測到設(shè)備的故障演變趨勢，及早進(jìn)行預(yù)警。

4 結(jié)語

CPS 是智能制造的關(guān)鍵，也是近年智能制造研究的熱點。理論上，建設(shè)數(shù)字化車間應(yīng)該從構(gòu)建物理車間的數(shù)字孿生開始，但現(xiàn)階段成熟的商業(yè)化數(shù)字化車間構(gòu)建軟件很少，且其技術(shù)復(fù)雜度與產(chǎn)品價格令很多中小型企業(yè)難以承受?；诿嫦蛟O(shè)備的EAM 系統(tǒng)構(gòu)建物理設(shè)備的數(shù)字孿生，可運(yùn)用傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將有數(shù)據(jù)傳輸與執(zhí)行能力但無足夠運(yùn)算能力的聾、啞、傻設(shè)備轉(zhuǎn)化為真正意義上的CPS；故障模型是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺關(guān)注的焦點，將來會以最為普遍的動設(shè)備故障模型為先導(dǎo)，逐步集成到EAM 產(chǎn)品中，為預(yù)測性維護(hù)提供有力支撐，實現(xiàn)智能化維護(hù)。同時，通過向運(yùn)營系統(tǒng)提供設(shè)備實時狀態(tài)信息，可有效支持生產(chǎn)排程和營運(yùn)優(yōu)化，這種集成化系統(tǒng)將初步具備數(shù)字化車間的形態(tài)與功能。這種方式可操作性很強(qiáng)，可對智能制造的落地起到強(qiáng)有力的推動作用。