基于PLM的起重機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)應用研究

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

隨著世界工業(yè)全球化和一體化的深入發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)正向定制化、高端化、智能化方向轉(zhuǎn)型，機械制造產(chǎn)品升級，市場潛力巨大。起重機械行業(yè)作為制造業(yè)的重要組成部分，其技術(shù)性貿(mào)易壁壘，已從早期的功能性、標準性延伸到安全性、持續(xù)性等領域。起重機設備全生命周期的安全、可控、精準、高效成為技術(shù)發(fā)展的突破方向，也是提高企業(yè)核心競爭力的關(guān)鍵。

狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是通過長期主動對設備各項指標進行全面檢測，并依據(jù)監(jiān)測結(jié)果預判發(fā)展趨勢、故障征兆等信息，提前做出預防性保養(yǎng)維護等決策，以保障設備正常運行的系統(tǒng)。起重機具有結(jié)構(gòu)復雜、零部件多、工作環(huán)境惡劣等特點，維修難度大，且對技術(shù)人員檢修水平要求高。狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)能夠著重解決起重機設備運行的問題預測、故障排除、安全維護等問題，提高設備生產(chǎn)能力，降低運維成本。故在起重機設備生命周期各個環(huán)節(jié)中應用狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，建立運維、研判規(guī)則數(shù)據(jù)庫，進而為設備監(jiān)控、維護和管理提供支撐平臺、取得收益，具有十分重要的意義。

1 起重機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 技術(shù)和標準

起重機械狀態(tài)總則可參照國家標準GB/T 25196.1—2010《起重機 狀態(tài)監(jiān)控 第1部分：總則》，該標準以綜述的方式規(guī)定了較為完善的監(jiān)控范圍，由于起重機械種類繁多，各類起重機械可根據(jù)該標準參照執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。結(jié)合調(diào)研和工程實踐，可采用基于狀態(tài)維護的成熟體系實現(xiàn)起重機械監(jiān)控方案。

基于狀態(tài)的維護 (condition-based maintenance簡稱CBM)是一種新的設備維護模式,其核心理念是在有證據(jù)表明故障將要發(fā)生時才對設備進行維護。這種方式可有效地降低設備維護費用、減少設備發(fā)生重大故障的幾率、提高設備的總體可用性。典型的狀態(tài)維護系統(tǒng)如圖1所示，起重機械結(jié)合自身特點在初期需要將數(shù)據(jù)采集和處理結(jié)合并對健康評估和預測層（HA&PA）做適當?shù)暮喕?/p>

圖1 狀態(tài)維護系統(tǒng)總體的體系結(jié)構(gòu)圖

CBM的目標是準確地檢測和判斷運行中的設備及其所處環(huán)境的當前狀態(tài),利用這些信息對設備預期的可使用壽命(remaining useful life簡稱RUL)做出預測,有針對性地制定設備維護計劃。

OSA-CBM標準以組件形式，為分布式CBM系統(tǒng)制定了一個開放的標準化體系結(jié)構(gòu)，定義了CBM系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)交互標準，實現(xiàn)了來自不同廠商CBM組件間的互換性和互操作性。不同的研究機構(gòu)和公司可以發(fā)揮在各自領域的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，充分實現(xiàn)技術(shù)整合，共同推進CBM技術(shù)的發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)平臺建立

借鑒OSA-CBM體系的原理結(jié)合起重機械自身特點，數(shù)據(jù)平臺運用已經(jīng)成熟的技術(shù)，充分吸納面向服務構(gòu)架(Service-Oriented Architecture簡稱SOA)的理念，采用具有高擴展性、可靠性技術(shù)路線，保證系統(tǒng)的可靠性、可擴展性與可管理性，能對起重機械的電氣控制系統(tǒng)進行遠程連接和收集確定的XML報文。對這些數(shù)據(jù)進行處理和反饋采用大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Microsoft SQL Server存儲數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對起重機械進行狀態(tài)和故障信息進行分布式采集和數(shù)據(jù)處理。根據(jù)起重機械的特點建立如圖2所示的系統(tǒng)，系統(tǒng)同時具有較強的容錯性，保障了多臺起重機械的同步數(shù)據(jù)處理。

圖2 用于起重機械的狀態(tài)監(jiān)控物理層體系結(jié)構(gòu)示例

1.3 系統(tǒng)特點

系統(tǒng)首先采集設備關(guān)鍵零部件的實時數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)進行處理后存入數(shù)據(jù)庫中，把數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、分析與預測等程序進行封裝。開發(fā)設備的機載監(jiān)控系統(tǒng)，從而及時了解設備運行狀態(tài)、故障情況以及剩余的工作時間。同時對設備的維修提供建議生成模塊，將企業(yè)內(nèi)、甚至行業(yè)內(nèi)的專家資源整合起來，對故障問題的解決提供專家級的經(jīng)驗和指導，并提供專家級的故障解決方案與維修建議。

設計以機載監(jiān)控系統(tǒng)為客戶端，遠程監(jiān)控中心為服務器端，建立設備的遠程維護系統(tǒng)。遠程監(jiān)控中心通過通信網(wǎng)絡在線收集現(xiàn)場設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)；根據(jù)遠程維護系統(tǒng)內(nèi)嵌的專家系統(tǒng)對收到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)設備遠程維護管理，包括進行整合分析、判斷、統(tǒng)計以及變化趨勢分析，并為施工中的設備提供遠程報警、故障診斷、故障定位、故障解決方案查詢等功能。

2 狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)下的設備分析

2.1 產(chǎn)品生命周期管理（PLM）

產(chǎn)品生命周期管理（PLM）主要是指對產(chǎn)品研發(fā)、投入、使用、維護、淘汰等全過程進行規(guī)劃和管理，它的實現(xiàn)依托于各個應用系統(tǒng)協(xié)同生產(chǎn)和支持，各相關(guān)部門聯(lián)動并參與其中，以產(chǎn)品生命周期中每一階段的信息數(shù)據(jù)等為基礎，在產(chǎn)品投入市場后，仍可以通過分析對產(chǎn)品進行管理，使產(chǎn)品提高性能，滿足用戶需求，直至失去價值。

2.2 起重機設備生命周期

起重機設備從項目管理角度出發(fā)，可分為規(guī)劃設計、設備制造、產(chǎn)品運行維護、產(chǎn)品售后服務，設備報廢退出或升級改造等5個階段。整個生命周期涉及到產(chǎn)品的研發(fā)進度、生產(chǎn)進度、資源配置，人員調(diào)配等過程。

2.2.1 起重機生命周期各階段特點及關(guān)系

設計、制造階段是依據(jù)客戶需求對起重機產(chǎn)品進行規(guī)劃設計和生產(chǎn)的重要階段，需要綜合考量產(chǎn)品的設計、制造、運營、維護、回收等全周期的各項成本，設備后期使用過程中的維護記錄，指導產(chǎn)品的制造工藝、生產(chǎn)裝配、原材料采購以及零部件選用等。

應用維護及售后服務階段涉及起重機產(chǎn)品的運輸、使用、維護以及維修，為了使產(chǎn)品在使用階段實現(xiàn)效益最大化，需要掌握實時的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、遠程維護等技術(shù)，以降低停機風險，保障起重機設備的正常工作運轉(zhuǎn)。

退出或升級改造階段是起重機產(chǎn)品的壽命終末期，在這個階段，設備整體或部分進入到報廢程序，未報廢部分或升級改造的產(chǎn)品重新進入新的生命周期。對起重機進行價值評估，通過數(shù)據(jù)分析可以指導判斷設備退出或升級，以實現(xiàn)生命周期閉環(huán)連接。起重機生命周期各階段數(shù)據(jù)相互作用關(guān)系如圖3所示。

圖3 各階段相互作用關(guān)系圖

2.3 起重機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的應用優(yōu)勢

2.3.1 資源配置方面

狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)能夠提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持，按照既往數(shù)據(jù)分析結(jié)果，合理配置零部件使用及備用情況，讓設計更加優(yōu)化合理，制造更加規(guī)范標準，減少返工情況。實時掌握起重機設備的運行動態(tài)，可以縮短故障排查時間，提高掌握設備狀態(tài)的效率，及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，使零部件的效用最大化。從整體上看，可使時間管理精細化，更好地制定計劃，合理規(guī)劃協(xié)調(diào)人力和物力資源。

2.3.2 成本控制方面

依托設備狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，能實時掌握起重機預警信息，故障排除和診斷，準確預估剩余壽命等重要參數(shù)信息和量化依據(jù)，提高掌握設備狀態(tài)的效率，合理安排設備的最佳維修時間和維護保養(yǎng)，有效控制起重機的精度、功能和可靠性，規(guī)劃預防性維護，減少備品備件庫存量及消耗量，減少人員成本，最大限度降低維修費用。

2.3.3 管理提升方面

狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)能集成市場需求、產(chǎn)品設計、設備制造、售后服務等信息，使數(shù)據(jù)可追溯，做到及時調(diào)整維護，為設備的穩(wěn)定運行和質(zhì)量提升提供保障。同時，系統(tǒng)立足動態(tài)管理技術(shù)，管理人員能夠依據(jù)設備運行情況，有針對性地進行產(chǎn)品性能精進改良，降低安全事故率，強化安全生產(chǎn)管理，細化管理責任，提升管理水平。

2.3.4 基于PLM的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)應用效益

根據(jù)上述系統(tǒng)應用優(yōu)勢總結(jié)可得基于PLM的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)應用效益如表1所示。

表1 基于PLM的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)應用效益

3 起重機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的應用建議

3.1 完善配套信息系統(tǒng)

做好狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)配套的軟、硬件設備配置及兼容工作，適應系統(tǒng)運行，同時圍繞狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進生命周期各階段的管理系統(tǒng)集成，發(fā)揮合力，制定切實可行的管理方案，使企業(yè)可隨時了解整個業(yè)務流程的運行情況，并以此做出決策或調(diào)整。

3.2 做好數(shù)據(jù)收集整理

建立數(shù)據(jù)庫，將系統(tǒng)監(jiān)測的故障數(shù)據(jù)收集整理并存儲，通過大數(shù)據(jù)分析，形成設備常見故障診斷數(shù)據(jù)庫。同時做好各相關(guān)產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，構(gòu)建通暢快捷的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，為信息流動提供支撐，便于依據(jù)各產(chǎn)品數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系進行查詢、調(diào)取和比對、參照，為后續(xù)項目管理提供依據(jù)。

3.3 實施動態(tài)項目管理

對項目實施動態(tài)項目，依據(jù)各階段反饋數(shù)據(jù)相應調(diào)整設計方案、制造進度、維保策略、升級改造計劃等，使其最大限度適應市場需求。并能實時地持續(xù)改進，從整體性、系統(tǒng)性角度出發(fā)，深層次地解決項目問題，規(guī)范管理流程，量化管理指標，糾正管理偏差，提升管理水平。

3.4 加強相關(guān)人員培訓

加強相關(guān)人員的理念培訓和專業(yè)技能培訓，使監(jiān)控人員熟練掌握狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的操作規(guī)程，提高設備故障診斷的能力，使設計人員熟悉系統(tǒng)語言，方便適應系統(tǒng)運行模式下的信息獲取與交流，使售后人員提高設備檢修和問題處理能力等。不僅如此，還應該注重構(gòu)建人才梯隊，使狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)得以充分應用和不斷完善。

4 結(jié)語

在新技術(shù)、新手段的智能化推動下，起重機行業(yè)從設計、制造、使用、維保到升級改造的全生命周期都需要整合資源和優(yōu)化提升，雖然狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)在設備管理中起到很大的積極作用，但在應用細分與人工智能相結(jié)合等方面還有深入探索的空間，希望后續(xù)研究能夠針對不同部門，配備不同的監(jiān)測設備，開發(fā)具有針對性的更專業(yè)的分析工具，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行更加深入的分析，使狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)在起重機領域的應用更加全面和完善。