工業(yè)設備維護管理系統(tǒng)研究與設計

摘 要：【目的】為了滿足當今工業(yè)生產(chǎn)領域日益增長的設備維保需求，對行業(yè)現(xiàn)有主流設備管理系統(tǒng)管理效率低下、資源浪費大、數(shù)據(jù)利用率低等問題提供建議。【方法】基于現(xiàn)有技術案例和行業(yè)發(fā)展趨勢，分析目前工業(yè)生產(chǎn)領域對設備管理系統(tǒng)的要求，依托現(xiàn)有網(wǎng)絡技術和信息技術，總結目前設備維護管理系統(tǒng)實現(xiàn)方法的通用邏輯，結合行業(yè)痛點和技術發(fā)展趨勢對系統(tǒng)未來發(fā)展方向進行展望?！窘Y果】本研究從系統(tǒng)實現(xiàn)方式的技術角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)目前設備管理系統(tǒng)的技術方案已基本成熟，針對不同環(huán)境中的不同設備管理需求，可采用不同的技術方案來實現(xiàn)，但各種方案之間的底層邏輯體系不會輕易發(fā)生改變?！窘Y論】通過行業(yè)節(jié)點解析、設備健康診斷及預測性維護、平臺化設備保全模式將是設備管理領域的重點發(fā)展方向，對行業(yè)的發(fā)展發(fā)揮著越來越重要的作用。

關鍵詞：設備管理；信息化；智能化；健康管理

中圖分類號：TP399? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）08-0022-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.005

Research and Design of Industrial Equipment Maintenance

Management System

WANG Hai

（The Ninth Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Mianyang 621000，China）

Abstract： [Purposes] In order to meet the growing equipment maintenance demand in today's industrial production field， it provides suggestions for the shortcomings of low management efficiency， large resource waste and low data utilization of the existing main stream equipment management system in the industry. [Methods] Based on the existing technical cases and industry development trends， the requirements of the current industrial production field for the equipment management system are analyzed， the general logic of the current equipment maintenance management system implementation methods is summarized based on the existing network technology and information technology， and the development direction of the future system is prospected in combination with the industry pain points and technology trends. [Findings] From the technical point of view of the system implementation mode， the technical scheme of the equipment management system is basically mature at present. Different technical schemes can be adopted for different equipment management requirements in different environments， but the underlying logical system between various schemes will not be easily changed. [Conclusions] Industry node analysis， equipment health diagnosis and predictive maintenance， and platform-based equipment preservation mode will be the key development directions in the field of equipment management， and will play an increasingly important role in the development of the industry.

Keywords： equipment management; informationization; intelligence; PHM

0 引言

隨著生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大和生產(chǎn)設備不斷增加，維保服務資源供需不匹配的矛盾也日益突出，設備維護與管理在企業(yè)和工廠管理中的重要性日漸凸顯，成為影響企業(yè)高效高質量發(fā)展的重要環(huán)節(jié)?？v觀設備管理發(fā)展歷程，可分為事后維修、預防性維修、設備管理系統(tǒng)和綜合性維修管理四個階段，設備管理水平也逐漸由低水平的人工管理逐漸向標準化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。近年來，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，設備管理更是在平臺化方向發(fā)展出一條更加高效的道路。

盡管設備管理的理論發(fā)展水平已達到較高層次，但目前國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)仍采用傳統(tǒng)管理方式，雖具備一定的信息化能力，但管理水平仍較低。傳統(tǒng)管理模式的審批流程冗長煩瑣，記錄粗略，不僅不利于開展生產(chǎn)和擴大規(guī)模，更不利于管理工作可持續(xù)發(fā)展。信息系統(tǒng)雖提高管理效率，但對目前生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)只進行記錄，無法對其進行處理和分析，久而久之，冗余數(shù)據(jù)對系統(tǒng)運行不僅沒有任何幫助，反而會影響系統(tǒng)的性能，增加系統(tǒng)開銷。因此，為了提高設備維保效率，實現(xiàn)企業(yè)降本增效的目標，一套行之有效的信息化、智能化設備維護管理系統(tǒng)對制造企業(yè)發(fā)展有著重要意義。設備維保的各階段如圖1所示。

1 設備管理系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

從20世紀70年代開始，發(fā)達國家就對設備信息化維護管理系統(tǒng)進行研究，而國內(nèi)相關研究是從20世紀80年代開始的。時至今日，市場上已出現(xiàn)多種設備維護管理軟件。

頭部企業(yè)（如Predix、MindSphere）偏重對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基礎框架進行研究，提供云平臺解決方案，尋找用戶的業(yè)務共性，但忽略用戶業(yè)務的特性，定制化、私有化部署成本高。

中部企業(yè)大多是基于自身所處行業(yè)，偏重發(fā)展單一行業(yè)或單一研究方向，存在較大的局限性。如徐工Xrea、樹根物聯(lián)等，主要研究基于制造業(yè)的設備維護管理服務、故障預測；時代龍城專注對設備振動和平衡分析的研究。這些軟件都不具備泛用性，且缺少互聯(lián)網(wǎng)基因。

尾部企業(yè)往往缺少真實的應用場景，其交付給用戶的軟件的可行性無法得到保障。

綜上所述，目前對設備管理系統(tǒng)的需求仍顯著存在，市場上尚不存在一個產(chǎn)品能很好地滿足大多數(shù)企業(yè)的設備管理需求。從以上的場景特性和目前產(chǎn)品存在的優(yōu)缺點出發(fā)，可總結出目前生產(chǎn)行業(yè)對設備維護管理系統(tǒng)有以下五個方面的要求。①應用場景廣泛。針對不同類型新老設備上的各種采集設備均能做到兼容適配，并能給出相對可靠的結果。②智能化程度高。能以歷史維修記錄和設備運轉狀況為依據(jù)，提供壽命預測、故障預判等信息，維護團隊能及時檢修維護設備，保證設備運轉狀態(tài)，縮短設備故障時停機檢修時間，提高生產(chǎn)效率。③部署簡單，成本可控。與基于IT技術搭建的管理平臺相比，其生產(chǎn)成本低廉，對中小型企業(yè)更加友好。④流程簡單高效。對傳統(tǒng)設備維護管理的復雜流程進行優(yōu)化，摒棄流程中過于復雜和冗余環(huán)節(jié)和項目，提升設備維護管理效率。⑤保密效果好?？紤]到部分企業(yè)的軍工或其他保密性質，該系統(tǒng)必須要適應強保密性和穩(wěn)定性的環(huán)境要求，以免泄露機密，從而產(chǎn)生負面影響。

2 設備維護管理系統(tǒng)技術方案

本研究所設計的設備維護管理系統(tǒng)采用分層式架構，可分為采集層、服務層和應用層三層架構，不同層在系統(tǒng)中發(fā)揮不同職能。該設備管理系統(tǒng)的總體技術架構如圖2所示。

采集層作為物聯(lián)網(wǎng)技術的核心，主要用于自動識別設備和信息采集，依靠布置在設備周圍或內(nèi)部的傳感器，現(xiàn)場維護專業(yè)人員通過通信設備將采集到的現(xiàn)場信息進行錄入歸檔，對設備進行關聯(lián)。其中，數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)至關重要，該環(huán)節(jié)傳輸信號的準確率會對系統(tǒng)分析和預測的準確度產(chǎn)生直接影響，同時信號傳輸速度越快，數(shù)據(jù)時效性就越好，有利于對系統(tǒng)進行預測性分析。在選擇數(shù)據(jù)采集和傳輸方式時，除了要考慮設備接口的通用性和布線成本等因素外，還要考慮傳輸穩(wěn)定性和傳輸速度等因素。

服務層作為連接采集層和應用層的架構，主要由數(shù)據(jù)庫軟件和編程語言來開發(fā)配套程序，將從采集層獲取到的數(shù)據(jù)通過相關網(wǎng)絡協(xié)議進行傳輸，經(jīng)篩選、處理和分析，得到足以明確說明設備運行狀況的數(shù)據(jù)。在架構開發(fā)時，除了要滿足現(xiàn)有要求外，還應考慮維護系統(tǒng)的難度，同時為日后增加的需求留出足夠空間。傳統(tǒng)的單體式結構會隨著后期的開發(fā)和維護而日漸復雜，啟動時間也會隨之增加，不利于后期的開發(fā)和使用，可用微服務來實現(xiàn)不同功能，將其分為多個可獨立運行的子模塊進行并行開發(fā)，由每個子模塊來完成單一的功能。這樣不僅能減少不同功能互相影響，還能增強系統(tǒng)的拓展能力，為后續(xù)開發(fā)與維護預留充足空間。

應用層作為最頂層，通過調用服務層分析后的數(shù)據(jù)，得到有利于企業(yè)經(jīng)營者安排管理生產(chǎn)活動的信息，對生產(chǎn)活動進行調控，從而提高生產(chǎn)效率。目前，常見的應用層是基于web前端或手機APP等形式來實現(xiàn)的，而新興的微信小程序等受眾龐大，高度的跨平臺靈活性和完善的接口配置同樣可作為實現(xiàn)應用層功能的可選項之一。

在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，根據(jù)應用場景的不同，設計方案也有所不同，如針對局域網(wǎng)場景的C/S架構和針對廣域網(wǎng)場景的B/S架構。不論使用哪種架構，其基本形式均是以SQL等數(shù)據(jù)庫軟件為服務層核心，利用C、Java等語言進行軟件開發(fā)，輔之以腳本對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行管理。劉志華［1］將工業(yè)設備信息和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)應用于現(xiàn)實生產(chǎn)活動中，研究結果表明，該方案在實際應用中能顯著提高生產(chǎn)效率，具有極高的應用價值。劉靜［2］利用Java Spring Boot框架來搭建管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和存儲、設備管理、設備狀態(tài)實時監(jiān)控、遠程維護等功能，展現(xiàn)出較高的自動化與智能化。

分布式系統(tǒng)是由多個處理機通過通信線路互聯(lián)而成的松散耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每臺處理機都將相應的資源存儲在本地，各個節(jié)點都包含處理機和內(nèi)存，在將一個大型任務劃分為不同子任務后，子任務可在不同節(jié)點上獨立運行，互不影響。相比于現(xiàn)行的系統(tǒng)模式，分布式系統(tǒng)中單一節(jié)點出現(xiàn)故障后不會影響整個系統(tǒng)的運行。因此，分布式系統(tǒng)比一般系統(tǒng)具有更高的安全性和穩(wěn)定性，更適合部署在對系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性要求較高的企業(yè)或工廠內(nèi)。

同時，應用機器學習等方法也能顯著提高系統(tǒng)管理效率，減少人工維護的工作量。禹鑫燚等［3］將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)以設定的閾值數(shù)據(jù)量為觸發(fā)條件，對采集到的數(shù)據(jù)集進行預處理，選擇合適的機器學習算法對處理后的數(shù)據(jù)集進行訓練，將訓練結果作為在線診斷的依據(jù)，在減少用戶等待模型訓練時間的同時，提高數(shù)據(jù)診斷的實時性，驗證了機器學習在設備管理與設備維護方面的可行性與先進性。機器學習方法的流程如圖3所示。

3 設備維護管理系統(tǒng)未來發(fā)展方向

隨著工業(yè)控制技術不斷進步，工廠對設備管理信息化、智能化要求也在不斷提高，對設備維護管理系統(tǒng)的功能和性能提出更高要求。未來的設備維護管理系統(tǒng)是在目前系統(tǒng)基礎上，結合大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等技術手段，進一步提高系統(tǒng)的預測性維護能力和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調服務能力，適應更高需求的制造企業(yè)設備管理應用場景。

從信息化角度來看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識節(jié)點解析能力建設是實現(xiàn)設備信息化、智能化管理的重要基礎。該能力為行業(yè)、企業(yè)提供標識注冊和標識解析服務，向上可接入國家頂級節(jié)點，加入國家標識解析體系，向下可接入到生產(chǎn)物料及備件管理體系中，實現(xiàn)對生產(chǎn)物料和備品備件的全流程跟蹤管理。目前，設備使用方的維保團隊在設備、備件供給等方面以其經(jīng)營者人脈為主線向外發(fā)散，局限性較大，質量良莠不齊，無法保證效率，且不易跟蹤管理，不利于生產(chǎn)計劃的制定。未來，設備維護管理系統(tǒng)可嘗試接入行業(yè)二級節(jié)點，推進工業(yè)領域機械設備標識解析的標準化與統(tǒng)一化，打通上下游以平臺為基礎的“生產(chǎn)制造廠家+維保團隊+設備供應商”的合作共贏生態(tài)圈，實現(xiàn)制造行業(yè)經(jīng)濟效益最大化。同時，依托二級節(jié)點來建設資源共享平臺，以統(tǒng)一標準來整合一定區(qū)域內(nèi)所有維保團隊、設備供給、備品供給等資源，同時對相關服務進行跟蹤管理和綜合評價，為經(jīng)營者提供更加全面、高效的高質量資源，有助于制定合理的生產(chǎn)計劃，提高生產(chǎn)效率。李媛等［4］對裝備制造業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)二級節(jié)點平臺建設和生產(chǎn)應用進行詳細描述，充分展示其整合信息互聯(lián)互通的能力，能顯著提高管理效率，降低管理成本。

設備健康診斷及預測性維護系統(tǒng)（PHM）是設備管理系統(tǒng)強化系統(tǒng)功能建設的一大進步，該系統(tǒng)由設備智能感知、設備健康狀態(tài)診斷、健康趨勢預測、智能維保決策等組成，以設備的業(yè)務記錄和采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，通過分析提取設備的故障特征，推演出設備運行趨勢，并在設備發(fā)生故障前向維保團隊發(fā)送警報信息，用來提醒團隊提前準備維護保養(yǎng)。設備健康診斷及預測性維護管理流程如圖4所示。目前，工業(yè)生產(chǎn)領域的生產(chǎn)任務安排緊湊，機械設備停機時間短，如果設備運行過程中突發(fā)故障，維修保養(yǎng)所耗費的時間容易超出設備停機時間，打亂原有的生產(chǎn)計劃，影響生產(chǎn)效率。同時，設備突發(fā)性故障定位難度大、時間長，維護修理設備所耗費的時間會進一步增加。將PHM系統(tǒng)應用在設備維護領域中，可基于平時設備運行相關信息和歷史維護保養(yǎng)信息，推斷出設備的磨損狀態(tài)和維護周期，協(xié)助維保團隊提前制定維修計劃。此外，PHM系統(tǒng)可借助設備的CNC信息和各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并結合深度學習等，對設備故障的嚴重程度進行診斷，縮小故障部件范圍，顯著減少設備維護所需時間，提高生產(chǎn)效率比。李彥夫等［5］通過探討深度學習在工業(yè)裝備故障預測與健康管理中的應用與挑戰(zhàn)，并對其框架進行構建，推動該研究方法向實際應用轉化。

近年來，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、5G物聯(lián)網(wǎng)等技術快速發(fā)展，平臺模式在設備管理領域中的優(yōu)勢逐漸展露?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設備保全服務共享平臺概念也由此產(chǎn)生，平臺通過集成線下維修服務、備件供應商等資源，為企業(yè)提供包括設備維修、備件管理、備件采購等全產(chǎn)業(yè)鏈在內(nèi)的一條龍服務。目前，設備維修相關服務商和團隊數(shù)量繁多，但行業(yè)內(nèi)信息交流少、服務質量參差不齊、缺乏統(tǒng)一評判標準和同類服務對比平臺，仍處于一個無序競爭的行業(yè)業(yè)態(tài)?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設備保全服務共享平臺對設備維護管理產(chǎn)業(yè)相關服務進行整合和標準化，協(xié)助企業(yè)、工廠管理人員基于平臺信息做出最優(yōu)判斷和選擇。

4 結語

本研究從工業(yè)生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)設備維護管理中存在的問題出發(fā)，對設備管理系統(tǒng)的發(fā)展史、行業(yè)需求、系統(tǒng)實現(xiàn)和功能效果進行介紹，并結合現(xiàn)有的行業(yè)環(huán)境和技術發(fā)展趨勢對其未來發(fā)展方向進行展望。

①目前，市場上尚不存在一個能很好滿足大多數(shù)企業(yè)設備管理需求的產(chǎn)品，一個信息化智能化程度更高、適用場景更廣的設備管理系統(tǒng)仍是整個行業(yè)的共性需求。

②從系統(tǒng)實現(xiàn)方式的技術角度出發(fā)，目前設備管理系統(tǒng)技術方案已基本成熟，對不同環(huán)境中不同設備管理需求，可采用不同的技術方案來實現(xiàn)，但各方案之間的底層邏輯體系不會輕易改變。

③近年來，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、5G物聯(lián)網(wǎng)等技術在設備管理領域中的應用，在可預見的未來，行業(yè)節(jié)點解析、設備健康診斷及預測性維護、平臺化設備保全模式將是設備管理領域的重點發(fā)展方向，對行業(yè)發(fā)展將發(fā)揮著越來越重要作用。

參考文獻：

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［2］劉靜.現(xiàn)代化企業(yè)的設備管理系統(tǒng)［J］.中國建材科技，2022（3）：107-110.

［3］禹鑫燚，施甜峰，唐權瑞，等.面向預測性維護的工業(yè)設備管理系統(tǒng)［J］.計算機科學，2020（S2）：667-672，677.

［4］李媛，馬秀麗，楊祖業(yè)，等.裝備制造業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)二級節(jié)點建設與應用［J］.中國儀器儀表，2022（8）：17-21.

［5］李彥夫，韓特.基于深度學習的工業(yè)裝備PHM研究綜述［J］.振動.測試與診斷，2022（5）：835-847，1029.

收稿日期：2022-11-10

作者簡介：汪海（1967—），男，工程師，研究方向：設備維修保養(yǎng)及管理。