數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下的設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)建設(shè)案例研究

王彥昌

（保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071000）

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)加速創(chuàng)新，日益融入經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，世界主要國(guó)家和地區(qū)紛紛加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略布局。推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為一道決定企業(yè)未來(lái)生存發(fā)展的必答題[1]。裝備制造企業(yè)要落實(shí)國(guó)家政策，打造數(shù)字化工廠，就必須加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的管理，提升生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的綜合管控力，通過(guò)生產(chǎn)設(shè)備與信息系統(tǒng)的集成，確保生產(chǎn)設(shè)備能夠按預(yù)定計(jì)劃穩(wěn)定輸出，及時(shí)解決設(shè)備的異常狀況，提高產(chǎn)品的交付能力，進(jìn)而提升企業(yè)的運(yùn)營(yíng)管理能力。

1 數(shù)字化背景下設(shè)備管控的發(fā)展趨勢(shì)

1.1 設(shè)備管控與企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理深度融合

目前，企業(yè)設(shè)備狀態(tài)管控已由原來(lái)的低水平、局部的狀態(tài)監(jiān)控階段，進(jìn)入由計(jì)算機(jī)管理的具有監(jiān)測(cè)、警告等功能的高級(jí)階段，逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備狀態(tài)的全面實(shí)時(shí)掌控。設(shè)備狀態(tài)管控體系已發(fā)展成為一個(gè)包含信息化平臺(tái)、設(shè)備狀態(tài)信息收集、分析、判斷、維修計(jì)劃制定、維修行為以及維修后驗(yàn)收、考核、評(píng)價(jià)、激勵(lì)等內(nèi)容的完整體系[2]。利用先進(jìn)的技術(shù)手段，企業(yè)能夠及早發(fā)現(xiàn)或預(yù)測(cè)設(shè)備的功能失效和故障，適時(shí)地采取維修或更換等對(duì)策，在保證設(shè)備處于良好狀態(tài)的基礎(chǔ)上，穩(wěn)步提升企業(yè)的運(yùn)行效率。

1.2 設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控手段不斷豐富

通過(guò)對(duì)設(shè)備加裝傳感器、數(shù)據(jù)采集器等方式，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)采集，很大程度上解決了通過(guò)巡檢人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的缺點(diǎn)。利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)通過(guò)ETL 工具能夠自動(dòng)抽取分散在各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)據(jù)信息，并將其保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。可以結(jié)合行業(yè)設(shè)備的特點(diǎn)，針對(duì)不同的采集要素（例如設(shè)備的震動(dòng)、磨損、泄露、異音、松弛、龜裂、油脂、壓力、溫度、流量等），選取不同的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和存儲(chǔ)；可以利用傳感設(shè)備定期測(cè)試設(shè)備動(dòng)靜態(tài)性能或比較實(shí)際的生產(chǎn)節(jié)拍與理想（工藝）工作節(jié)拍之間的差異來(lái)積累數(shù)據(jù)；還可以存儲(chǔ)對(duì)設(shè)備發(fā)送頻率進(jìn)行處理分析后的數(shù)據(jù)，進(jìn)而掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[3]。

1.3 設(shè)備維修管理模式不斷創(chuàng)新完善

隨著對(duì)設(shè)備管理顆粒度的持續(xù)細(xì)化，設(shè)備維修模式也在不斷創(chuàng)新。目前設(shè)備維修模式已經(jīng)在事后維修、預(yù)防維修的基礎(chǔ)上發(fā)展出預(yù)知維修和主動(dòng)維修等新的設(shè)備維修管理模式。以前，只有在設(shè)備發(fā)生故障后才進(jìn)行的非計(jì)劃維修，或是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合設(shè)備的磨損情況，事先確定設(shè)備檢修的周期和具體內(nèi)容，進(jìn)而定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行停機(jī)維護(hù)。預(yù)知維修則是以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，在對(duì)設(shè)備日常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，按設(shè)備實(shí)際狀態(tài)來(lái)決定維修時(shí)間與內(nèi)容；主動(dòng)維修就是以故障根源分析為基礎(chǔ)，基于設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，通過(guò)設(shè)備診斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，結(jié)合檢修過(guò)程實(shí)施的檢修，對(duì)設(shè)備的局部結(jié)構(gòu)或零件的設(shè)計(jì)加以改進(jìn)。

2 實(shí)施設(shè)備狀態(tài)管控的目的和意義

2.1 有效控制由設(shè)備引發(fā)的各類損失

一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生各式各樣的損失，例如因設(shè)備發(fā)生故障而導(dǎo)致的損失；設(shè)備空轉(zhuǎn)或停止運(yùn)行導(dǎo)致的損失；設(shè)備調(diào)試、換型導(dǎo)致的損失；設(shè)備因性能衰減導(dǎo)致的損失；以及設(shè)備生產(chǎn)的不合格品導(dǎo)致的損失[4]。歸其原因大致可以分為以下三類：一是由于設(shè)備性能下降；二是設(shè)備使用時(shí)間減少；三是產(chǎn)品合格品率的降低。因此要了解設(shè)備在實(shí)際使用過(guò)程中的狀態(tài)，以及各類損失的分布情況，分析研究導(dǎo)致?lián)p失的原因，進(jìn)而確定消除損失的方法策略，企業(yè)就必須對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)定相應(yīng)的控制點(diǎn)，以確保能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀態(tài)。

2.2 通過(guò)狀態(tài)監(jiān)控及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備的問(wèn)題和故障

獲取的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)越精確，越及時(shí)，對(duì)設(shè)備的評(píng)價(jià)就越準(zhǔn)確，解決設(shè)備異常狀態(tài)的時(shí)間就越短。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備從性能衰減到功能失效都會(huì)存在一定的周期。如果在衰減的初期能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的失效，就可以提前對(duì)設(shè)備采取相應(yīng)的措施，避免可能產(chǎn)生的安全、環(huán)境和運(yùn)營(yíng)的損失。設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)能夠根據(jù)不同設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的情況，進(jìn)行定時(shí)任務(wù)配置，通過(guò)定時(shí)任務(wù)輪詢?cè)O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，根據(jù)信息反饋情況提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀況，如果發(fā)現(xiàn)異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通知到相關(guān)責(zé)任人，以確保能夠及時(shí)對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行故障排查。

3 設(shè)備管控系統(tǒng)建設(shè)所需的基礎(chǔ)硬件條件

裝備制造企業(yè)要開(kāi)展設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)施建設(shè)，就必須具備相應(yīng)的基礎(chǔ)硬件條件。物聯(lián)網(wǎng)和5G通訊技術(shù)是最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)硬件，物聯(lián)網(wǎng)是設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的基礎(chǔ)，而5G 通訊技術(shù)能夠保障數(shù)據(jù)的傳輸速度。此外，還要結(jié)合企業(yè)設(shè)備的具體情況，對(duì)其進(jìn)行改造，確保設(shè)備能夠順利接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

3.1 基礎(chǔ)硬件設(shè)施的主體架構(gòu)

要確保設(shè)備管控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)收集、獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，首先要對(duì)車間設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)改造，利用5G 專網(wǎng)+MEC 邊緣計(jì)算技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上加裝功率傳感器、振動(dòng)傳感器等，并通過(guò)內(nèi)置的5G 模組或部署5G 網(wǎng)關(guān)等方式接入5G 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)大帶寬、低延時(shí)設(shè)備數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)上傳到企業(yè)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)?；谖锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的快速處理，借助物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)（開(kāi)機(jī)、運(yùn)行、關(guān)機(jī)、故障、報(bào)警等）、OEE 的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而代替人工監(jiān)控；及時(shí)掌控生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)存在隱患的設(shè)備進(jìn)行預(yù)警，以便不斷優(yōu)化改善生產(chǎn)工藝、精準(zhǔn)控制加工程序，自動(dòng)優(yōu)化生產(chǎn)方案，提升設(shè)備維護(hù)管理[5]。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展故障診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)、智能調(diào)度等業(yè)務(wù)，重點(diǎn)分析設(shè)備利用率與和實(shí)際效率，發(fā)現(xiàn)瓶頸環(huán)節(jié)，以效率分析為抓手，促進(jìn)管理提升。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)作為“新基建”的重要組成部分，屬于企業(yè)數(shù)字化工廠的地基。建立標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)共享、統(tǒng)一接入、快速運(yùn)維的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，是各業(yè)務(wù)系統(tǒng)全方位互聯(lián)互通的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以快速連接生產(chǎn)設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、安環(huán)設(shè)備、能源設(shè)備和企業(yè)安全環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)等各子系統(tǒng)。向下接入分散的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，匯集傳感數(shù)據(jù)；向上面向應(yīng)用層服務(wù)提供應(yīng)用開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)性平臺(tái)和面向底層設(shè)備的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口。平臺(tái)具備引擎規(guī)則、物網(wǎng)管理等功能，具有高可靠性、高安全性、高并發(fā)、高開(kāi)放性、低時(shí)延、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和可維護(hù)性強(qiáng)、易用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。可以說(shuō)將物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（DMP）與物聯(lián)網(wǎng)連接管理平臺(tái)（CMP）打通，實(shí)現(xiàn)物網(wǎng)協(xié)同管理，是設(shè)備管控系統(tǒng)建設(shè)的先決條件。

3.3 企業(yè)5G 專網(wǎng)建設(shè)

要實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，這增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，通過(guò)建立5G 企業(yè)專網(wǎng)，利用5G 專網(wǎng)大帶寬和低時(shí)延的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)基于5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的各類設(shè)備遠(yuǎn)程采集、遠(yuǎn)程控制、高清視頻回傳等應(yīng)用。5G 企業(yè)專網(wǎng)可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景及業(yè)務(wù)特點(diǎn)，提供端到端精細(xì)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、維護(hù)及優(yōu)化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)覆蓋、速率、容量、上下行配比的靈活配置，企業(yè)可以自主管理，擁有自主配置、告警提醒等能力權(quán)限，具有網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、業(yè)務(wù)管理、用戶策略配置等靈活自服務(wù)能力。利用5G 專網(wǎng)可以全面覆蓋設(shè)備使用區(qū)域，滿足無(wú)線規(guī)劃，可以結(jié)合車間設(shè)備的具體排布情況，靈活規(guī)劃部署宏站，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)高質(zhì)量覆蓋。而且5G 專網(wǎng)在基礎(chǔ)連接能力之上，可基于MEC 平臺(tái)為客戶提供集群調(diào)度、AR遠(yuǎn)程協(xié)作、5G專網(wǎng)語(yǔ)音、安全網(wǎng)關(guān)等服務(wù)。

4 設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)基本功能

4.1 信息獲取功能

數(shù)據(jù)采集和設(shè)備監(jiān)控是設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)最基本的功能，為了全面掌握設(shè)備狀態(tài)，要實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并基于采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)分析；如果設(shè)備運(yùn)行狀況出現(xiàn)異常則會(huì)及時(shí)報(bào)警通知。設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備在車間實(shí)際位置進(jìn)行初始設(shè)置，通過(guò)系統(tǒng)可查看每臺(tái)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)根據(jù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、MES 系統(tǒng)任務(wù)信息、設(shè)備異常反饋情況綜合分析進(jìn)行判定，分為開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、故障、運(yùn)行；故障又可細(xì)分為故障待接收、設(shè)備維修中等不同狀態(tài)。系統(tǒng)還能夠提供設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控看板功能，同樣可在中控室（服務(wù)器端）進(jìn)行部署配置。系統(tǒng)用戶還可以通過(guò)設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)的移動(dòng)APP 對(duì)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

4.2 消息提醒功能

設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)支持消息提醒功能，并且能夠支持對(duì)消息提醒進(jìn)一步細(xì)分管理。在應(yīng)用程序中用戶可以隨意選擇需要發(fā)送消息的內(nèi)容或?qū)ο?，與用戶相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)信息（報(bào)檢申請(qǐng)、異常狀況、接收信息、處理完工、評(píng)價(jià)信息等）均可以根據(jù)管理員的設(shè)置情況，通過(guò)消息提醒任務(wù)發(fā)送到指定用戶。

例如：當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)后，可以發(fā)起報(bào)檢任務(wù)呼叫，呼叫時(shí)系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品類別自動(dòng)指定到檢驗(yàn)組，呼叫時(shí)可查看該檢驗(yàn)組所有成員是否在班、是否有其他任務(wù)“報(bào)檢中”；當(dāng)任務(wù)發(fā)出10 分鐘后認(rèn)未接收確認(rèn)，則系統(tǒng)可再次發(fā)送提醒消息至檢驗(yàn)員的工作界面；如果任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間未接受確認(rèn)，系統(tǒng)還可以自動(dòng)將其升級(jí)處理，擴(kuò)大接收人員范圍，向檢驗(yàn)組組長(zhǎng)或相應(yīng)領(lǐng)導(dǎo)發(fā)送信息。系統(tǒng)還可由管理員發(fā)布企業(yè)文化、重要通知等各類信息，向移動(dòng)終端APP 進(jìn)行推送。

4.3 分析統(tǒng)計(jì)功能

設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)具備強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)分析功能，能夠靈活運(yùn)用多數(shù)據(jù)集、網(wǎng)格式、分組式、交叉式數(shù)據(jù)集；支持簡(jiǎn)單報(bào)表、圖形報(bào)表、填報(bào)報(bào)表、多區(qū)域報(bào)表和參數(shù)性報(bào)表等；支持柱狀圖、餅狀圖、折線圖、儀表盤等常用圖形。可視化模塊開(kāi)發(fā)主要包括設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、效率圖報(bào)表分析、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，能夠以設(shè)備為關(guān)鍵字進(jìn)行查詢分析。效率圖報(bào)表分析能夠查詢?cè)O(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)的數(shù)據(jù)值，主要包括設(shè)備運(yùn)行效率、運(yùn)行時(shí)間、開(kāi)機(jī)時(shí)間、故障時(shí)間、關(guān)機(jī)時(shí)間等詳細(xì)數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)查詢功能可以選擇多個(gè)關(guān)鍵字，從不同的維度對(duì)設(shè)備相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.4 系統(tǒng)集成功能

要打造數(shù)字化車間，就是要實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)的有效集成，充分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效傳輸和信息的充分共享。設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)與公司的ERP 系統(tǒng)和MES 系統(tǒng)充分集成，通過(guò)程序接口接收來(lái)自ERP 系統(tǒng)和MES 系統(tǒng)的設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不僅可以便捷地獲取設(shè)備的基礎(chǔ)信息、人員及組織等相關(guān)信息，還可以靈活設(shè)置需要納入本系統(tǒng)管理的設(shè)備的范圍；其次，設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)能夠從MES 系統(tǒng)提取任務(wù)開(kāi)工、報(bào)工等信息；最后，系統(tǒng)的異常管理模塊能夠接收來(lái)自MES 系統(tǒng)安燈模塊發(fā)起的異常，并且可以通過(guò)移動(dòng)終端APP 將設(shè)備異常信息發(fā)送至ERP 系統(tǒng)和MES 系統(tǒng)。

4.5 其他主要功能

設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)除了業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)等基本功能外，還提供身份驗(yàn)證、權(quán)限設(shè)置、安全管理等其他功能服務(wù)，基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) OAuth2 進(jìn)行身份驗(yàn)證和授權(quán)的管理，進(jìn)而有效提升API 的安全性。設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)可通過(guò)域控模塊實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)登錄。用戶管理方面，系統(tǒng)支持人員的新增、禁用、權(quán)限修改等功能，系統(tǒng)用戶可以獨(dú)立進(jìn)行個(gè)人信息維護(hù)，例如對(duì)個(gè)人基本信息包括姓名、登錄密碼、聯(lián)系電話等內(nèi)容進(jìn)行修改；系統(tǒng)基于RBAC 理論有效降低了權(quán)限管理的成本，可基于人員、部門、角色、崗位進(jìn)行靈活授權(quán)；系統(tǒng)支持多系統(tǒng)管理員方式，管理員可以對(duì)全員權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，部門管理員支持對(duì)本部門的人員權(quán)限進(jìn)行設(shè)置。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)建設(shè)是大型裝備制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型必不可少的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)要在充分利用物聯(lián)網(wǎng)、5G 通訊技術(shù)、云計(jì)算等信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，改造部分現(xiàn)有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)；開(kāi)發(fā)與企業(yè)運(yùn)營(yíng)模式和生產(chǎn)方式相匹配的軟件系統(tǒng)。設(shè)備狀態(tài)管控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)瓶頸工序的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)分析，自動(dòng)計(jì)算設(shè)備開(kāi)動(dòng)率，設(shè)備利用率，人員勞動(dòng)效率等指標(biāo)，為運(yùn)營(yíng)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為車間績(jī)效分配提供基礎(chǔ)依據(jù)，能為打造數(shù)字化工廠提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，推動(dòng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的穩(wěn)步提升。