包裝設備故障分析與維護策略改進研究

鄧秀保

（河北工業大學，天津 300401）

包裝設備故障分析與維護策略改進研究

鄧秀保

（河北工業大學，天津 300401）

對包裝設備的故障進行分析，確定影響包裝設備停機的主要故障，并運用強化學習方法對主要故障進行預防性維護，從而減少由于設備故障的引起企業設備維護費用的支出以及帶來的經濟損失。

包裝設備故障分析；強化學習；預防維護

隨著經濟全球化和科學技術的迅猛發展，企業生產規模日益擴大，這對生產管理提出了更高的要求。在制造系統中，設備會由于疲勞、磨損、老化及動態環境中各種不確定性的影響導致狀態不斷劣化，工作效率和性能逐漸下降，如果不進行維修，最終會無法滿足工作需求，甚至出現嚴重故障導致停機。運行狀態衰變的設備往往會引起設備故障率的增加、生產成本的提高，以及產品質量的降低。設備故障的意外發生，會增加企業的設備維護費用的支出，因為在絕大多數情況下，設備發生故障后導致的事后維修相較平日設備的預防性維護支高出許多。除去維修費用外，設備故障造成的計劃外停機也會造成生產及生產相關的一系列損失，使企業蒙受巨大的損失。因此，為了減少這種經濟上的巨大損失，對設備進行預防維護顯得尤為重要。

1 包裝設備發展現狀

我國一直到20世紀50年代，才開始出現國產包裝設備，在解放前出現的包裝設備基本都是進口的。開始時的包裝設備多限于香煙、牙膏、肥皂等產品的包裝，包裝物產量少，生產水平低，也不稱為包裝機械，而統稱為輕工機械。

我國真正意義上的包裝機械行業是在改革開放后，隨著商品經濟的快速發展，商品生產、商品流通領域出現了空前繁榮景象，這就給商品的包裝及包裝機械行業帶來了發展空間。到了80年代，許多高校設置了包裝機械專業，為行業的發展提供人才。80年代末，行業中的企業生產出的設備類型基本齊全，能初步滿足用戶需求。90年代初，由于外資、合資企業的增加，帶來了大量的先進技術，行業得到了快速發展。進入本世紀后，企業加大了自主創新力度，設備技術含量顯著提高。

目前，世界先進包裝機械的發展已呈現出集機、電、氣、液、光、磁、生為一體的勢頭，生產的高效率化、產品節能可回收化、高新技術實用化、智能化已成趨勢。包裝機械已成為我國機械工業中十大行業之一。我國包裝機械也正向著光機電一體化、自動化推進。在灌裝設備、包裝設備、包裝材料生產設備等方面有了長足的進步。但同時也應看到，與國外包裝機械相比，我國包裝機械在科技水平等方面還有很大差距，需要繼續前行，以滿足越來越龐大的市場需求。

2 故障分析

由于包裝設備自動化程度較高，集機、電、氣、液、光、磁、生為一體，所以故障類型也變得多種多樣、紛繁復雜。因此要加強包裝設備故障管理，管理工作中不但要對每一項具體的設備故障進行分析，查明發生的原因，而且應對出現的故障、原因以及解決故障的時間等相關信息數據進行記錄。

2.1 測量數據

影響設備的包裝效率，根據不同的類型，具體有很大差異性。在包裝線上主要體現在：包裝線上物料搬運設備；生產線平面布置的類型；節拍控制形式；裝配品種；包裝線工作站特性；包裝線的長度。

在具體的包裝設備上經常出現的損失有：設備的故障停機；設備調整耗用時間；空轉和短暫停機；設備速度的降低；質量缺陷及返工；設備啟動損失。根據公司的效益和包裝效率以及其收集數據的可用性和可行性進行分析，選出需要測量的對象和內容。表1是進行選擇測量對象的一些參考建議。通過對收集數據的可用性和可行性進行分析，結合本文的內容，選出需要測量的對象和內容為設備的停機故障。

確定需要測量的對象后，就需要我們收集其對應的時間參數。通過收集與記錄的生產包裝設備的停機故障，對停機故障進行分類整理。

2.2 分析數據

目前收集到的停機故障是在包裝生產過程中出現的所有的故障類型，包括設備每天的開啟準備工作、由于生產計劃調度而進行的必要性停機故障、輸入生產原料而形成的等待時間、處理設備運轉出現的隨機突發故障等等。所以根據是否和設備運轉有關而造成的停機故障，把其故障分為故障性停機和非故障性停機。非故障性的停機故障基本上是由于生產計劃調度而進行更改批號、更改模具、調整監管碼等所引起的，所以降低其故障頻率，減少其故障時間的主要辦法是依靠調整生產計劃調度。故障性停機則基本上是由于設備質量的衰變，壽命的遞減等造成的。如何減少故障性停機是本文研究的主要內容。為了提高效率，減少由于故障性停機所造成的維修時間，所以需對其故障進行優化維護。在此，選擇其主要的停機故障進行優化維護。

表1 選擇測量對象時的一些參考建議

通過對故障性停機數據運用Pareto圖分析，在這里選取影響一定百分比以上的故障進行預防性維護。由此，我們可以確定其故障性停機故障中的主要停機故障，對主要故障進行維護。

3 維護策略

強化學習本質上是一種基于仿真的動態規劃，其主要思想是通過智能體與動態環境間的相互作用，即釆取行動獲得的成本和收益進行學習，在不斷的試錯過程中得到最優的策略。

本文釆用強化學習方法求解問題模型，在保證系統平均回報率最大的前提下尋求最優的維護策略。

強化學習算法包含兩層嵌套式結構，內循環為策略評估過程，外循環為策略提高過程。在策略評估過程中,平均收益率ρ保持不變。步驟如下。

3.1 探索階段

（1）初始化狀態行動值P為隨機值；外循環策略提高次數E=1,策略提高次數最大值Emax；內循環策略更新次數最大值Nmax。

（2）根據當前狀態行動值P，選擇當前維護策略，計算出平均收益率ρ并更新當前策略次數N=l。

3.2 策略評估過程

（1）模擬生產包裝過程，設定其生產過程中設備質量狀態為衰變過程。生產一個新產品后立即檢測其質量狀態是否合格；

（2）生產產品后，設備質量狀態發生轉移，由最初的s轉移到s′。由此可獲得的狀態轉移時間，從而可得到累計狀態轉移時間；

（3）若累計狀態轉移時間大于其主要故障的平均故障間隔時間，則執行3.2（4）步驟，否則，執行3.2（5）；

（4）執行大修，初始化累計狀態轉移時間。令N=N+1，若 N＞ Nmax，執行3.3（1）步驟；否則，執行3.2（5）步驟。

（5）繼續生產產品，獲得新的觀測狀態和狀態轉移時間，跳轉到3.2（2）步驟。

3.3 策略提高過程

4 結束語

通過分析包裝設備的停機故障，運用強化學習方法對主要故障進行分析，可以提前預測出設備發生故障的時間，進而可以對設備進行預防性維護或維修，從而可以減少由于設備故障的意外發生而引起企業的設備維護支出以及可能發生的經濟損失。

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F416.44

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1671-0711（2016）11（上）-0059-02