預(yù)測性維護技術(shù)與制造業(yè)

預(yù)測性維護技術(shù)與制造業(yè)

編者按

制造商對維護的態(tài)度正在發(fā)生改變。企業(yè)日漸將設(shè)備維護視作一種戰(zhàn)略性的工作，不再是“一種必不可少的倒霉事”。預(yù)測性維護可以給制造業(yè)帶來巨大的潛在收益，但在推行時也面臨一定的挑戰(zhàn)。羅蘭貝格國際管理咨詢有限公司是一家著名的跨國咨詢公司。嘉實多公司是世界公認的潤滑油行業(yè)的“專家”，兩家公司一直在研究制造商對預(yù)測性維護技術(shù)的使用，于2014年11月在羅蘭貝格公司網(wǎng)站發(fā)布了本文。

制造商日漸將設(shè)備維護視作一種戰(zhàn)略性的工作，因為他們希望在降低維護成本和縮短故障停機時間的同時延長設(shè)備的生命期。過去，維護曾經(jīng)被視作是“一種必不可少的倒霉事”，但這種日子已經(jīng)一去不復返。制造商們不再選擇成本高昂的突發(fā)性維護，讓設(shè)備一直運轉(zhuǎn)，直到出現(xiàn)問題，或者是采用低效的預(yù)防性維護，“不管出沒有出現(xiàn)問題都進行維護”。

羅蘭貝格國際管理咨詢有限公司（Roland Berger）同嘉實多公司（Castrol）的研究發(fā)現(xiàn)，目前有越來越多的預(yù)測性維護解決方案可供選擇，通過利用設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)來預(yù)測即將發(fā)生的問題，只在必要的時候安排維護，由此幫助制造商提高維護工作的效率。在采用這些解決方案后，一流制造商的設(shè)備意外停機時間比行業(yè)平均水平大約降低5%，設(shè)備綜合效率提高超過8%。

預(yù)測維護技術(shù)正在發(fā)展，在分析預(yù)測性維護可以給當今的制造商帶來哪些好處之前，讓我們先分析一下在制造領(lǐng)域的維護技術(shù)現(xiàn)狀。

制造商目前使用什么方法來對自身設(shè)備進行監(jiān)測？

目前，制造商普遍針對自己的核心設(shè)備采用狀態(tài)監(jiān)測解決方案，即對設(shè)備狀態(tài)的一項或數(shù)項參數(shù)進行監(jiān)測，例如震動、廢油、溫度或超聲波。他們使用這些讀數(shù)來判斷潛在的問題。例如，震動分析可以用來判斷部分常見的機械故障，比如軸偏心、零部件磨損或軸承松動等。

不過，因為眾多設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測解決方案通常重點關(guān)注一二種離散數(shù)據(jù)，所以無法全面地把握所有潛在的故障。此外，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通常不能對發(fā)現(xiàn)的問題進行診斷，人們因此無法深入了解即將發(fā)生的問題究竟是否緊急。這些系統(tǒng)只是告訴人們讀數(shù)不在正常的數(shù)值范圍內(nèi)。

在制造工廠內(nèi)，即使針對關(guān)鍵設(shè)備的潛在機械故障發(fā)出警報，如果工程師們沒有注意到問題的嚴重性和了解其根源，這種警報仍不會起太大作用。如果讓工程師了解到問題的根源，知道問題可能出現(xiàn)的時間段，那么警報的作用會更大。例如，以磨床故障為例，能夠指明主軸電機的某個軸承已經(jīng)磨損，而且如果在一周內(nèi)不更換的話，就有90%的可能出現(xiàn)故障。這正是預(yù)測性維護技術(shù)解決方案可以創(chuàng)造價值的地方。

先進的預(yù)測性維護解決方案有何不同之處？

最近數(shù)年里已經(jīng)開發(fā)出先進的預(yù)測和診斷軟件解決方案，并且在石油天然氣、風力發(fā)電和航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。最新的預(yù)測性維護技術(shù)比傳統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測有著眾多優(yōu)勢。先進的預(yù)測性解決方案會從多個方面收集數(shù)據(jù)，并且使用分析建模技術(shù)來進行預(yù)測。這種解決方案可以更早地發(fā)現(xiàn)問題，進行診斷，根據(jù)問題的嚴重性確定予以解決的緩急，并且就可采取的行動提供建議，以預(yù)防設(shè)備故障的發(fā)生。對于維護部門來說，這種方式可以發(fā)現(xiàn)潛在的問題，并且對問題根源進行處理，避免問題升級，出現(xiàn)全面爆發(fā)或失控的狀況。

預(yù)測性維護技術(shù)的工作原理是什么？

預(yù)測性維護解決方案會采用一種或多種建模方法，建模依據(jù)分別為實證、物理特征和經(jīng)驗。通過這些方法可以構(gòu)建一個正常狀態(tài)下的模型，也就是設(shè)備在特定條件下應(yīng)該是什么樣，然后再根據(jù)這些常態(tài)來監(jiān)測偏差情況。任何與常態(tài)之間的偏差都意味著設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)了變化。

如何來構(gòu)建這個正常狀態(tài)模型？采用實證方法的解決方案會使用設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)來構(gòu)建模型，而基于經(jīng)驗的解決方案在建模時會使用從多個類似設(shè)備上收集的匯總數(shù)據(jù)。基于物理特征的方法則完全不同，在建模時會應(yīng)用工程學的基本原則來了解設(shè)備在特定操作條件下理論上會如何運轉(zhuǎn)。這些方法各有優(yōu)勢，也各有缺點，所以最先進的解決方案會對三種方法綜合加以使用。但所有先進的預(yù)測性維護解決方案都擁有提前預(yù)測、診斷準確性高、為顧客不斷創(chuàng)造高價值的優(yōu)點。

預(yù)測性維護技術(shù)給其他行業(yè)帶來了哪些好處？

先進的預(yù)測性維護技術(shù)解決方案早已在眾多行業(yè)內(nèi)得到有效的應(yīng)用，其中包括石油天然氣、發(fā)電和航空航天等行業(yè)。在這些行業(yè)內(nèi)，預(yù)測性維護技術(shù)給客戶們帶來的好處可以使用一系列的指標來加以衡量，例如投資回報率和生產(chǎn)收入的提高。這些行業(yè)的共同點在于他們都要使用大型的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，這些設(shè)備相比制造業(yè)的眾多設(shè)備而言沒有那么復雜，而且類型更加單一。

案例研究一：石油天然氣行業(yè)——減少了核心設(shè)備的故障停機次數(shù)，提高了產(chǎn)量。

美國能源部發(fā)現(xiàn)，在石油天然氣行業(yè)推行預(yù)測性維護項目的結(jié)果顯示，該項目普遍可以給顧客帶來以下的好處：

——投資回報率提高10倍；

——維護成本降低25%～30%；

——設(shè)備故障現(xiàn)象減少70%～75%；

——設(shè)備停機時間縮短35%～45%；

——產(chǎn)量提高了20%～25%。

案例分析二：風力發(fā)電廠——降低了維護成本，提高了設(shè)備在惡劣環(huán)境下的正常運行時間。

在許多案例中，風力發(fā)電運營商表示，在渦輪機保修期結(jié)束后，預(yù)測性維護技術(shù)可以有效地降低運營和維護成本，提高生產(chǎn)收入。在一些案例中，預(yù)測性維護技術(shù)將投資回報期降低到少于6個月。

一家全球性風力發(fā)電運營商發(fā)現(xiàn)，借助預(yù)測性維護技術(shù)，他們可以在中等規(guī)模的風力發(fā)電廠節(jié)約大概25萬美元的運營和維護成本。

另一家運營商在使用預(yù)測性維護技術(shù)跟蹤設(shè)備的健康狀態(tài)時看到，自己的一臺渦輪機的發(fā)電量大幅低于標準水平。他們發(fā)現(xiàn)，之所以存在這個問題，是因為他們無意之間在這臺渦輪機上設(shè)置了限制。通過解決這個問題，他們可以創(chuàng)造額外的收入。如果沒有預(yù)測性維護解決方案，他們無法實現(xiàn)這個結(jié)果。

制造領(lǐng)域為什么會對先進的預(yù)測性維護技術(shù)感興趣？

其他行業(yè)在采用預(yù)測性維護技術(shù)后所得到的好處對制造商而言也同樣具有吸引力。這些好處包括有：

——消除了不必要的維護工作；

——降低了零部件更換成本；

——縮短了計劃外的停機時間；

——延長了設(shè)備的使用壽命。

綜合在一起，這些好處可以提高制造商設(shè)備的整體生產(chǎn)能力和盈利能力，因而預(yù)測性維護解決方案不管是對維護部門還是對管理層而言都具有同等的吸引力。

在制造業(yè)廣泛采用預(yù)測性維護解決方案會面臨哪些挑戰(zhàn)？

正如我們所看到的，制造商將會從預(yù)測性維護技術(shù)解決方案中受益匪淺。但制造行業(yè)卻在逃避采用先進的預(yù)測性維護技術(shù)。我們認為，為了讓預(yù)測性維護技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，目前存在的一些障礙必須予以克服。這些障礙只存在于制造領(lǐng)域，而且可以被劃分成兩大類：

——開發(fā)適用于制造業(yè)的解決方案存在種種難點；

——制造領(lǐng)域尚未做好準備。

1.開發(fā)適用于制造業(yè)的解決方案存在種種難點

技術(shù)方面存在的眾多難點，讓解決方案供應(yīng)商在為制造行業(yè)提供全面的預(yù)測性解決方案方面面臨巨大的挑戰(zhàn)。

（1）要能為多樣化的大型設(shè)備提供支持

與那些已經(jīng)廣泛采用預(yù)測性維護技術(shù)的行業(yè)不同，多數(shù)制造型企業(yè)使用的設(shè)備復雜多樣。例如風力發(fā)電廠內(nèi)，最重要的是渦輪機的三套主件。但在普通的制造工廠內(nèi)，會使用多種多樣的設(shè)備，而且這些設(shè)備對于生產(chǎn)來說全都一樣重要。因此，成功的預(yù)測性解決方案必須能適用于大量復雜且不同的設(shè)備，這對于現(xiàn)有的解決方案提供商來說是一種技術(shù)挑戰(zhàn)。

（2）要能在動態(tài)的操作條件下發(fā)揮作用

其他行業(yè)的設(shè)備種類要少一些，操作條件的變化也相對少一些，而制造業(yè)的設(shè)備通常在一個多變的條件下運轉(zhuǎn)。這是因為工人的參與度非常高，加工的材料多種多樣，單一的設(shè)備要進行多種操作，而且所生產(chǎn)的成品也是變化的。這種操作條件的改變給預(yù)測性維護技術(shù)提供商帶來了相當大的復雜性，現(xiàn)有的提供商尚未能完全解決這個問題。

（3）能與多種不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備進行互操作

此外，針對制造業(yè)的預(yù)測性維護解決方案必須能夠應(yīng)用于工廠的一系列設(shè)備，而且必須能與這些設(shè)備進行互操作。這也是一項技術(shù)挑戰(zhàn)，因為每家設(shè)備制造商用來測量設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)的方法可能存在差異。

2.制造領(lǐng)域尚未做好準備

就大幅提升預(yù)測性維護技術(shù)在制造業(yè)的使用率而言，一些促進要素已經(jīng)具備，但還有一些要素尚未形成。

（1）可用的設(shè)備數(shù)據(jù)

在當今的制造業(yè)，用來監(jiān)測設(shè)備健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)正越來越多，而且眾多“智能”機器現(xiàn)在都有內(nèi)置的傳感器和數(shù)據(jù)收集功能。企業(yè)在考慮是否對舊設(shè)備進行改造時，會把改造的成本和工作量與設(shè)備的重要性進行均衡。

就收集預(yù)測性維護所必需的數(shù)據(jù)而言，數(shù)據(jù)收集現(xiàn)在有了新的標準（例如MT Connect），而且核心設(shè)備的儀表化在提高，這些都會讓數(shù)據(jù)收集在未來不再是一項挑戰(zhàn)。

（2）在短時間內(nèi)解決設(shè)備故障的緊迫性

在制造工廠內(nèi)，設(shè)備故障可能意味著生產(chǎn)力大幅受損。在研究中，我們與一位維護工程師進行過交流。他此前曾經(jīng)在一家頂尖的汽車廠工作。他回憶說，如果設(shè)備故障在3分鐘不能解決，進而導致生產(chǎn)停止，那么就會被視為相當嚴重的事故。

（3）對預(yù)測性維護技術(shù)的不信任

與制造業(yè)維護工程師的探討顯示，相比于傳統(tǒng)的維護方法，他們對于預(yù)測性維護技術(shù)持較高的懷疑態(tài)度。在大部分制造企業(yè)內(nèi)，維護工作很大程度上依然依賴人工來進行。這些維護人員通常不相信科技能夠和自己一樣準確可靠地發(fā)現(xiàn)機器故障。他們在新技術(shù)的采用方面動力不足，原因也在于擔心自己的工作會因此受到威脅。從文化的角度來說，新維護技術(shù)在多數(shù)制造工廠內(nèi)的接納度偏低。

（4）不愿意進行長期投資

制造行業(yè)的成本壓力是眾所周知的，所以給維護預(yù)算也帶來了一定的負面影響。鑒于預(yù)算壓力，制造商通常不愿意大筆投資新的技術(shù)項目。這種對長期投資和長期項目的謹慎態(tài)度是另一種影響預(yù)測性維護技術(shù)在制造業(yè)廣泛傳播的因素之一。但事實是只有22%的維護經(jīng)理滿意當前的維護項目。他們認為自己花了太多時間來“滅火”，而且預(yù)防性維護工作的效率和效力低下。預(yù)防性維護工作中1/3的費用是浪費的。

結(jié)論

技術(shù)工人短缺，預(yù)算削減，設(shè)備老化，這些都給制造業(yè)帶來了越來越大的壓力。預(yù)測性維護技術(shù)可以作為制造商的一種強有力的工具，幫助他們降低成本，提高生產(chǎn)流程的生產(chǎn)力，從而減輕他們的壓力。

眾多其他行業(yè)的大量案例分析和驗證顯示，在制造領(lǐng)域推行最新的維護技術(shù)，將給該行業(yè)帶來巨大的潛在好處。只要制造商信任預(yù)測性維護技術(shù)的力量，并且駕馭這種力量，那么為制造領(lǐng)域提供可行的預(yù)測性維護解決方案只是時間問題。

（粟志敏 編譯）