智慧設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

文 / 葉文鋒

隨著云服務(wù)、大數(shù)據(jù)、人工智能的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交換技術(shù)的日新月異，計(jì)算機(jī)通信已經(jīng)深入到社會(huì)生活，并對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到?jīng)Q定性的作用，而數(shù)據(jù)中心作為載體更是整個(gè)生態(tài)鏈中的重中之重。為了實(shí)現(xiàn)具有“全面感知、實(shí)時(shí)分析、智能決策、精準(zhǔn)執(zhí)行、持續(xù)學(xué)習(xí)”特征的綠色環(huán)保型智能化卷煙工廠的愿景，智慧設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)通過對(duì)設(shè)備運(yùn)維業(yè)務(wù)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的管理，重點(diǎn)圍繞設(shè)備管理策略、設(shè)備運(yùn)維管理、設(shè)備預(yù)測性維修等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)展開研究，有效推進(jìn)“面向智能化的傳統(tǒng)制造升級(jí)，推進(jìn)精益制造上水平，提高質(zhì)量、降低成本、增強(qiáng)效率”的要求。

當(dāng)前，原料、成品、輔料等物流系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)備種類繁多、數(shù)量龐大，生產(chǎn)的復(fù)雜多變性，決定了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜多變，要求設(shè)備管理信息必須準(zhǔn)確、及時(shí)。設(shè)備技術(shù)資料、檔案不透明，數(shù)據(jù)收集不到位等問題將直接影響管理決策的正確性。本文對(duì)智慧設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，構(gòu)建和完善具備系統(tǒng)性、完整性、協(xié)調(diào)性、先進(jìn)性等的3D可視化平臺(tái)，形成上下貫通、橫縱聯(lián)接的物流設(shè)備運(yùn)行保障體系，積極探索打造自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)的智能運(yùn)維模式。

一、設(shè)備運(yùn)維和管理中存在的問題

目前，設(shè)備運(yùn)維和管理主要存在以下幾個(gè)方面的問題：

1.當(dāng)前行業(yè)內(nèi)設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)，主要側(cè)重于出入庫作業(yè)任務(wù)配合自動(dòng)化物流設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行，對(duì)自動(dòng)化設(shè)備正常運(yùn)行依賴程度高，傳統(tǒng)的設(shè)備線下管理方式亟待提升為信息化管理。

2.系統(tǒng)具有一定的設(shè)備數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)，分別分布于WMS系統(tǒng)任務(wù)管理、WCS系統(tǒng)設(shè)備調(diào)度信息、SCADA系統(tǒng)物流監(jiān)控、現(xiàn)場HMI電控監(jiān)控終端，缺乏整合。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，需要相關(guān)人員分別查看，增加人員分析強(qiáng)度，影響設(shè)備故障處理效率，距離智能化有明顯差距。

3.缺乏設(shè)備故障預(yù)警，發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題才進(jìn)行處理，較為被動(dòng)，設(shè)備故障所帶來生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)高，影響生產(chǎn)。

4.備件庫存在信息孤島，無法及時(shí)掌握備件有效庫存，領(lǐng)用效率低，影響設(shè)備維修效率。

5.缺乏設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，設(shè)備維保及管理工作難度大，同時(shí)，對(duì)后端備件庫存不能提供有效的數(shù)據(jù)分析，很難科學(xué)指導(dǎo)備件采購。

二、智慧設(shè)備運(yùn)維的應(yīng)用

1.設(shè)計(jì)思路

智慧設(shè)備運(yùn)維的設(shè)計(jì)思路，包括：

（1）設(shè)備管理信息化

通過3D建模、物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)物流企業(yè)對(duì)設(shè)備管理環(huán)節(jié)“全面感知、全面覆蓋、全程控制，全面提升”的目標(biāo)，以先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托，利用高度信息化、集成化、智能化的設(shè)計(jì)理念與架構(gòu)，為企業(yè)設(shè)備管理提供閉環(huán)運(yùn)行的信息管理系統(tǒng)，從而達(dá)到企業(yè)降本增效的目的。

（2）物流系統(tǒng)智能化

對(duì)堆垛機(jī)、AGV、輸送機(jī)等設(shè)備并行集成、并行采集，實(shí)現(xiàn)每個(gè)子系統(tǒng)能夠獨(dú)立運(yùn)作而且頂層能夠?qū)崿F(xiàn)策略的管控，減少設(shè)備系統(tǒng)之間的耦合度，在各個(gè)子系統(tǒng)之間通過3D系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)結(jié)，在平行串聯(lián)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的智能化、柔性化，達(dá)到高內(nèi)聚、低耦合。

（3）設(shè)備維護(hù)智能化

在設(shè)計(jì)中增加了感知層設(shè)備，一方面為未來工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展預(yù)留優(yōu)化空間，使其盡可能長的適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)系統(tǒng)，從而延長系統(tǒng)壽命；另一方面進(jìn)行設(shè)備的大數(shù)據(jù)采集和分析，配合3D可視化系統(tǒng)做到：系統(tǒng)和元件的生命周期管理、異常數(shù)據(jù)分析預(yù)報(bào)警、故障處理方案自動(dòng)生成，提升系統(tǒng)維護(hù)智能化水平，從而大幅提高設(shè)備生命過程的預(yù)見性，達(dá)到“上醫(yī)治未病”，確保設(shè)備的穩(wěn)定及低成本運(yùn)維。

2.技術(shù)路線

全面、高效、便捷的數(shù)據(jù)中心3D可視化系統(tǒng)是集3D建模、三維場景仿真、視頻監(jiān)控、查詢目標(biāo)跟蹤、二三維聯(lián)動(dòng)與Web發(fā)布于一體的三維監(jiān)控系統(tǒng)軟件。用戶通過計(jì)算機(jī)生成的虛擬模型，可對(duì)數(shù)據(jù)中心一切的物理對(duì)象進(jìn)行查看、交互與分析，有效提升信息交互的效率。技術(shù)路線圖，如圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

圖2 建模管理

3.智慧設(shè)備的運(yùn)維功能

智慧設(shè)備的運(yùn)維系統(tǒng)，應(yīng)借助邊緣數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、OPC以及分布式處理等先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)遠(yuǎn)端各專業(yè)類型設(shè)備的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，統(tǒng)計(jì)，分析，計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況自動(dòng)、連續(xù)的監(jiān)視，為安全運(yùn)行提供必要的輔助決策信息。借助3D仿真技術(shù)移入智能平臺(tái)，清晰地展現(xiàn)復(fù)雜設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、判斷設(shè)備運(yùn)行情況，并以此為依托，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，開展設(shè)備生命周期管理，通過“故障診斷樹”來輔助現(xiàn)場的異常判斷和故障處置；通過后臺(tái)的智能維修決策模型進(jìn)行維修計(jì)劃排程和任務(wù)閉環(huán)；通過“保養(yǎng)模型”對(duì)各類型設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化維護(hù)保養(yǎng)；通過“備件需求模型”科學(xué)控制成本費(fèi)用，拉動(dòng)物流保障服務(wù)；通過“設(shè)備健康評(píng)價(jià)模型”進(jìn)行即時(shí)自動(dòng)化評(píng)價(jià)，建立設(shè)備改善工作的良性循環(huán)。主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）建模管理（如圖2）

將“三維空間”和“虛擬數(shù)據(jù)”高度融合，能采集實(shí)體物流過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將物流過程、設(shè)備運(yùn)行情況虛擬化，并且在虛擬環(huán)境中跨各類專業(yè)集成展示，完成實(shí)體信息、經(jīng)流程數(shù)據(jù)的無縫結(jié)合，達(dá)到信息充分共享，有利于實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低損失，減少開支，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控，為企業(yè)打造智慧型生產(chǎn)工廠。

（2）數(shù)據(jù)采集

采用邊緣計(jì)算微服務(wù)器進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)采集，支持大約120種工業(yè)協(xié)議，包括在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域經(jīng)常被各個(gè)廠家使用的Modbus協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)中經(jīng)常用到的MQTT協(xié)議、Profibus協(xié)議等，采集速率最快可以達(dá)到50ms/次，實(shí)際采集速率應(yīng)用看現(xiàn)場情況而定，用戶可用配置項(xiàng)中更改采集速率，以便滿足不同設(shè)備的采集需求。

（3）物流監(jiān)控（如圖3）

通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。并進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾和分析，然后通過后臺(tái)通訊分發(fā)到系統(tǒng)平臺(tái)的各個(gè)模塊中。進(jìn)行模擬反映企業(yè)的生產(chǎn)過程、設(shè)備運(yùn)行情況、質(zhì)量跟蹤狀態(tài)實(shí)時(shí)虛擬化，實(shí)現(xiàn)企業(yè)車間生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（4）故障提示（如圖4）

通過對(duì)在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或離線的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)在指定的時(shí)間段內(nèi)做觸發(fā)運(yùn)算，包括最大、最小、平均值、次數(shù)、時(shí)間等統(tǒng)計(jì)分析運(yùn)算。一旦監(jiān)測到設(shè)備故障或系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)越限時(shí)，會(huì)第一時(shí)間通過故障數(shù)據(jù)發(fā)布APP方式推送，通知到相關(guān)責(zé)任人以便及時(shí)處理。

（5）備件聯(lián)動(dòng)

設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)后端備件庫庫存情況，系統(tǒng)提供豐富的元器件查詢方式，用戶可以使用多條件，選擇在整個(gè)設(shè)備范圍內(nèi)進(jìn)行全局搜索，也可以選擇某一個(gè)部套進(jìn)行局部搜索。

（6）移動(dòng)應(yīng)用

主要是為現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)人員提供報(bào)警故障提醒、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)提醒、設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表、資料查看、備件庫存展示等功能。

（7）決策分析

通過故障信息、圖片信息和預(yù)警信息，追溯故障發(fā)生時(shí)，相關(guān)變量狀態(tài)和運(yùn)行值，同時(shí)結(jié)合運(yùn)行曲線圖，幫助監(jiān)控人員進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷和分析，精確地統(tǒng)計(jì)、顯示出故障率、歷史報(bào)警信息等內(nèi)容，并能對(duì)故障信息進(jìn)行班、日、周、月、年統(tǒng)計(jì)與分析。根據(jù)分析結(jié)果，管理人員針對(duì)性地制定物流設(shè)備維修保養(yǎng)計(jì)劃、備件采購需求，做好預(yù)防性維修，提高設(shè)備管理水平。

4.實(shí)現(xiàn)價(jià)值

真正實(shí)現(xiàn)“賬、卡、物”相符，提高設(shè)備管理的速度和準(zhǔn)確性，使各種設(shè)備管理能真正落到實(shí)處，從而徹底改變工作繁忙、手段落后、信息滯后、溝通困難的傳統(tǒng)管理方式，使設(shè)備管理更科學(xué)、更規(guī)范、更有效。

圖3 物流監(jiān)控

圖4 預(yù)警管理

輕松管理設(shè)備，在辦公室中就能掌握全方位設(shè)備信息，提高經(jīng)營效率，降低成本支出；為企業(yè)設(shè)備評(píng)估、決策提供更可靠的依據(jù)，避免企業(yè)在設(shè)備管理環(huán)節(jié)上可能造成的隱患。

三、結(jié)論

本文構(gòu)建和完善了具備系統(tǒng)性、完整性、協(xié)調(diào)性、先進(jìn)性的3D可視化平臺(tái)，形成了上下貫通、橫縱聯(lián)接的物流設(shè)備運(yùn)行保障體系，積極探索打造自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)的智慧運(yùn)維模式。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)迅速將故障報(bào)警信息傳輸至本地服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)，再由上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)將報(bào)警信息上傳至信息處理平臺(tái)。平臺(tái)通過APP應(yīng)用將報(bào)警信息推送給相關(guān)責(zé)任人，進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精確統(tǒng)計(jì)、故障頻率及歷史報(bào)警信息顯示、故障信息統(tǒng)計(jì)與分析的功能，提高了維修效率，能夠?yàn)楣芾碚咛峁Q策管理依據(jù)。