加工中心的狀態(tài)檢修系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

余 然 陸賢輝 李建蘭 康 樂 嚴(yán) 野 劉 念

（①華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430074;②上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007）

面對(duì)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)于企業(yè)來說，設(shè)備維護(hù)已不再簡(jiǎn)單地僅僅屬于成本范疇，而是企業(yè)獲取利潤(rùn)的重要戰(zhàn)略工具。狀態(tài)檢修（Condition Based Maintenance，CBM）又稱預(yù)知性檢修（Predictive Diagnostic Maintenance，PDM），作為一種先進(jìn)的設(shè)備檢修管理體制，它通過對(duì)設(shè)備狀態(tài)的科學(xué)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備檢修優(yōu)化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)，預(yù)測(cè)設(shè)備劣化趨勢(shì)，診斷設(shè)備功能故障，評(píng)估設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提供設(shè)備維持決策支持［1－2］，成為企業(yè)增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有效的途徑之一。狀態(tài)檢修在電力、化工、冶金等行業(yè)的成功應(yīng)用均表明了其有效性［3－6］。

目前，我國(guó)大部分發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)的設(shè)備管理仍采用傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式，即主要以故障檢修為主，定期檢修和定期保養(yǎng)為輔的設(shè)備管理體制。隨著現(xiàn)代加工中心的規(guī)模化、復(fù)雜化、精密化發(fā)展，這種傳統(tǒng)的管理體制已不再適應(yīng)企業(yè)需求，常常導(dǎo)致故障頻發(fā)、維修成本高、設(shè)備可靠性難以保證等問題［7］。因此，將先進(jìn)的狀態(tài)檢修體制引入加工中心的維修管理成為必要。針對(duì)加工中心的發(fā)展現(xiàn)狀，本文提出了狀態(tài)檢修應(yīng)用于加工中心維修管理的技術(shù)路線，設(shè)計(jì)、開發(fā)了基于B/S三層結(jié)構(gòu)模式的設(shè)備點(diǎn)檢和檢修信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備可靠性分析、點(diǎn)檢管理、故障診斷、狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和檢修指導(dǎo)管理等功能，形成了一個(gè)完整的集設(shè)備檢修的資源管理、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)范、計(jì)劃生成、任務(wù)分配、信息提交、進(jìn)程監(jiān)督、信息查詢、狀態(tài)分析、維修管理等功能于一體的面向加工中心的設(shè)備檢修管理計(jì)算機(jī)應(yīng)用平臺(tái)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及構(gòu)架

1．1 系統(tǒng)開發(fā)背景

國(guó)內(nèi)某發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備主要以加工中心為主，現(xiàn)已擁有包括MAXIMO系統(tǒng)、加工中心數(shù)據(jù)記錄表、TPM問題記錄表等管理系統(tǒng)和工具，設(shè)備管理實(shí)現(xiàn)了一定程度的信息化。但是，該廠的點(diǎn)檢目前還處于人工管理階段。由于點(diǎn)檢制度缺乏信息化管理，導(dǎo)致設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)收集不全、設(shè)備狀態(tài)不了解、故障分析不到位、故障檢修頻繁、“過修”和“欠修”等問題嚴(yán)重。此外，該企業(yè)現(xiàn)有的設(shè)備管理系統(tǒng)僅僅是強(qiáng)調(diào)了檢修工作流程的管理，而在管理體制、信息標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備監(jiān)測(cè)、技術(shù)功能（趨勢(shì)分析、故障分析及診斷等）、系統(tǒng)緊湊性及使用便利性等方面依然比較薄弱。本系統(tǒng)研發(fā)的目的在于為企業(yè)建立一套完整的狀態(tài)檢修信息管理平臺(tái)，完善其設(shè)備管理信息化體系。

1．2 設(shè)計(jì)方案

以可靠性為中心的維修（Reliability Centered Maintenance，RCM）是一種以可靠性理論為基礎(chǔ)，以保持設(shè)備的功能和可靠性為目的，針對(duì)設(shè)備不同特性采取不同維修決策的維修優(yōu)化分析方法［8－9］。本系統(tǒng)采用基于RCM的狀態(tài)檢修，系統(tǒng)主要分為3個(gè)步驟:

（1）對(duì)設(shè)備功能與故障進(jìn)行可靠性分析，為每臺(tái)加工中心建立可靠性檔案。主要采用故障樹（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）和故障模式及后果（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）相結(jié)合的分析方法。通過這種分析，可得到分析對(duì)象的故障模式、故障原因、故障后果、檢測(cè)指標(biāo)及其閾值、檢測(cè)方法等基本信息。這些信息存入系統(tǒng)的可靠性分析數(shù)據(jù)庫中，為實(shí)施點(diǎn)檢打好基礎(chǔ)。

（2）實(shí)施完善的點(diǎn)檢管理系統(tǒng)。通過信息化的點(diǎn)檢管理，能夠獲取大量實(shí)時(shí)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立足夠的信息資料和數(shù)據(jù)庫。點(diǎn)檢管理系統(tǒng)的建立對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常、隱患，掌握設(shè)備故障的前兆信息發(fā)揮了積極的作用，并成為狀態(tài)監(jiān)測(cè)的組織載體，是實(shí)施狀態(tài)檢修的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（3）建立故障診斷與檢修決策系統(tǒng)。系統(tǒng)通過對(duì)可靠性分析結(jié)果和大量點(diǎn)檢數(shù)據(jù)的綜合分析，通過相關(guān)的數(shù)學(xué)診斷模型，確定設(shè)備狀態(tài)、找出故障源、預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，最后做出檢修決策建議。

1．3 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)在企業(yè)現(xiàn)有MAXIMO系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過新增開發(fā)點(diǎn)檢信息管理系統(tǒng)和維修信息管理系統(tǒng)，構(gòu)造一個(gè)從狀態(tài)檢測(cè)到故障維修的完善設(shè)備信息管理體系，如圖1所示。在新的體系中，點(diǎn)檢信息管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備所有實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的檢測(cè)，評(píng)估診斷中心實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)信息的分析、診斷以及評(píng)估，而維修信息管理系統(tǒng)則根據(jù)評(píng)估診斷中心的診斷評(píng)估結(jié)果，自動(dòng)提供檢修建議方案并提交檢修工單給MAXIMO，最后由MAXIMO按照現(xiàn)有流程負(fù)責(zé)檢修工作的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了與原有MAXIMO系統(tǒng)的無縫連接。

1．4 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用了基于Web服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式——B/S模式，如圖2所示。它通過Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了分布式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)資源共享;通過客戶端瀏覽器（如IE瀏覽器），實(shí)現(xiàn)通過局域網(wǎng)或遠(yuǎn)程Internet的多用戶應(yīng)用服務(wù)，既簡(jiǎn)化了操作，又實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的功能。

2 系統(tǒng)的功能與實(shí)現(xiàn)

2．1 可靠性分析

故障樹分析法能完整地演繹系統(tǒng)故障形成的邏輯關(guān)系，適用于復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的可靠性分析;FMEA分析法的優(yōu)點(diǎn)在于既能明確設(shè)備的故障和風(fēng)險(xiǎn)，還能把每一種可能發(fā)生的故障模式按其嚴(yán)重程度予以分級(jí)評(píng)價(jià)［10］，為制定有針對(duì)性的設(shè)備維護(hù)和檢修措施打下基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用了故障樹和FMEA相結(jié)合的可靠性分析方法，即利用故障樹分析法保證系統(tǒng)分析的完整性，利用FMEA分析法來明確故障模式及后果分級(jí)評(píng)價(jià)，充分發(fā)揮各方面的優(yōu)點(diǎn)，建立完整的設(shè)備可靠性檔案。

根據(jù)加工中心設(shè)備的特點(diǎn)，我們首先將其劃分為控制電氣系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，然后按照“無指令無動(dòng)作－有指令無動(dòng)作－有動(dòng)作無反饋”的邏輯順序分析設(shè)備的動(dòng)作步驟和功能，最后得出故障模式和故障后果。嚴(yán)密的分析過程，充分保證了分析數(shù)據(jù)的邏輯性和完整性，并在實(shí)際使用中得到了證明。制定的設(shè)備FMEA分析表格式如表1所示。

表1 加工中心FMEA分析表

2．2 點(diǎn)檢信息管理子系統(tǒng)

點(diǎn)檢信息管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)獲取，并對(duì)日常點(diǎn)檢工作進(jìn)行管理。按照其不同的功能，主要?jiǎng)澐譃橐韵聨讉€(gè)部分來處理:

（1）建立點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)庫

系統(tǒng)的設(shè)備點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是實(shí)施點(diǎn)檢和設(shè)備狀態(tài)評(píng)估的基礎(chǔ)。點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)庫的建立應(yīng)具有明確、全面、規(guī)范、無歧義等特點(diǎn)，通過設(shè)定的點(diǎn)檢周期和點(diǎn)檢方法，為點(diǎn)檢工作實(shí)施提供依據(jù)。點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫包括:點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表、點(diǎn)檢指標(biāo)數(shù)據(jù)表、點(diǎn)檢周期數(shù)據(jù)表和點(diǎn)檢方法數(shù)據(jù)表。

本系統(tǒng)將整個(gè)系統(tǒng)的全部設(shè)備按照用途或者種類可分為裝配線設(shè)備、缸體線設(shè)備、缸蓋線設(shè)備和曲軸線設(shè)備，然后以此作為節(jié)點(diǎn)建立起整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備樹，最后建立其相應(yīng)的點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)。新建點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)界面如圖3所示。

（2）制定點(diǎn)檢任務(wù)

根據(jù)點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)信息，通過設(shè)定點(diǎn)檢項(xiàng)目、點(diǎn)檢路線、點(diǎn)檢時(shí)間、點(diǎn)檢區(qū)域以及點(diǎn)檢崗位，系統(tǒng)自動(dòng)生成點(diǎn)檢任務(wù)工單并下達(dá)給相應(yīng)崗位。

（3）點(diǎn)檢查詢及報(bào)表

系統(tǒng)自動(dòng)生成點(diǎn)檢日志、點(diǎn)檢周報(bào)和點(diǎn)檢月報(bào)等常用報(bào)表，并對(duì)點(diǎn)檢工作進(jìn)行分析。圖4為某周的點(diǎn)檢信息分析圖。

2．3 維修綜合決策子系統(tǒng)

（1）故障診斷、預(yù)測(cè)及狀態(tài)評(píng)估

從點(diǎn)檢系統(tǒng)中獲得設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，利用模糊綜合評(píng)判的思想，通過隸屬函數(shù)將設(shè)備實(shí)測(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)與狀態(tài)參數(shù)指標(biāo)閾值進(jìn)行模糊評(píng)判，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障診斷。同時(shí)，通過對(duì)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析和狀態(tài)變化率分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。最后，綜合設(shè)備各狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)基于灰色理論的設(shè)備狀態(tài)評(píng)估模型實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估。圖5為根據(jù)某實(shí)例得出的變量趨勢(shì)分析圖。

（2）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及檢修建議

根據(jù)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)、趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果以及故障后果，通過風(fēng)險(xiǎn)矩陣實(shí)現(xiàn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的分級(jí)評(píng)價(jià)。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為:高、中、低3個(gè)等級(jí)。依據(jù)設(shè)定的維修策略，對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備系統(tǒng)自動(dòng)生成相應(yīng)的檢修建議，為維修實(shí)施提供技術(shù)參考。

3 結(jié)語

針對(duì)我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)加工中心設(shè)備管理中的不足，本文提出了一套完整的狀態(tài)檢修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包括可靠性分析方法、系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)體系和功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備基本信息的管理和檢修流程的規(guī)范，同時(shí)通過綜合設(shè)備狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)故障診斷、狀態(tài)評(píng)估與檢修決策，提高設(shè)備的可靠性和檢修工作的準(zhǔn)確性，為狀態(tài)檢修在發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)的實(shí)施提供技術(shù)支持。

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