面向汽車行業的設備維護管理系統設計

周鵬飛，薛春雷，魏 磊，孟 宇，馬 健

（中汽研汽車工業工程（天津）有限公司，天津 300300）

0 引言

隨著信息網絡技術的發展，越來越多的制造型企業希望能夠對設備狀態進行實時監控、智能化運維、故障診斷等。為實現設備管理信息化與自動化，利用信息化技術對設備進行全面管理成為了迫切需求[1]。以汽車生產制造場景為藍本，研究總結面向汽車行業的設備維護管理系統設計方案，從總體功能需求、設備維護保養策略、系統軟硬件架構設計、系統功能特點、關鍵功能的開發與實現等環節予以闡釋，羅列汽車生產制造過程中需監控的關鍵典型設備，為相關行業的設備管理系統開發與設計提供技術參考。

1 系統概述

以某整車制造企業為例，通過詳細的需求調研總結，明確系統的主要功能需求：①建立完善的設備維護、故障、售后的數據分析和報告體系，為管理考核提供依據；②根據不同的設備類型和特性，建立面向設備對象的故障和技術分析體系，建立基于設備類型的維護數據知識庫，輔助提高設備維護效率；③實現各個部門和相關員工對于設備相關信息的及時跟蹤、處理和分析等，提高工作效率。

2 設備維護保養策略

2.1 設備故障分類

一般來講，設備故障按技術性原因可分為四大類，即磨損性故障、腐蝕性故障、斷裂性故障及老化性故障[2]：磨損性故障是指設計時已預料到的、不可避免的正常磨損造成的故障；腐蝕性故障按腐蝕機理不同可分化學腐蝕、電化學腐蝕和物理腐蝕3 類；斷裂性故障可分脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕斷裂、塑性斷裂4 類；上述3類故障的綜合作用，使設備性能老化引起的故障，稱為老化性故障。

在正常設備使用過程中，磨損故障是設備故障的主要表現形式。磨損性故障是由正常磨損而引起的故障，對這類故障形式，一般要進行壽命預測，更換零件或部件，對磨損造成的間隙進行補償[3]。磨損型設備故障趨勢如圖1 所示，設備管理可分為反應性、預防性、主動性3 個階段，在反應性階段，機械故障會造成巨大損失，而在預防性及主動性階段，所有工序故障/機械故障所造成的損失概率則會大大降低。清楚地認識引起各種設備故障的主要成因，確定引發的主要故障類型，是評價設備維護保養重要度、制定維護保養規程的重要基礎。

圖1 磨損型設備故障趨勢

2.2 設備維護保養重要度評價

設備維護保養主要考慮四大因素：機械設備的平均修理時間、設備的影響程度、機械發生故障的概率、故障造成產線停線的危險程度。影響程度應細分為考慮以下各項因素：機械計劃運行時間、機械故障產生的產品報廢情況、質量缺陷導致的平均成本、能量損耗、機械可用度方面的生產影響、安全方面的生產影響、環境方面的生產影響。設備保養重要度評價見表1，對不同影響因素賦值權重，可得出各設備的保養重要度評價。

表1 設備保養重要度評價

2.3 設備維護保養流程

經梳理總結，設備維護保養流程如圖2 所示，分為保養循環和維修循環，并通過監控平臺進行數據統計、分析、處理、預警和診斷預測，實現如下效果：①運行狀態實時監控。實時收集各設備的運行數據，通過駕駛艙展示實時運行狀態；②故障及時維修。發現信號異常超出設定閾值，向報警裝置或移動APP 端傳遞報警指令，提醒維修保養班組長組織維修下達維修指令，及時組織維修活動；③定期保養記錄。記錄設備定期點檢、巡檢保養情況；④決策支持看板。實現保養報表、現場故障、處理狀態、設備保養情況、庫存控制等的全方位展示；建立維護知識庫，結合大數據分析、機器學習等技術，實現設備故障預測性分析。

圖2 設備維護保養流程

3 系統設計

3.1 軟件架構

系統構建的整體軟件架構如圖3 所示，主要由設備層、服務層、業務層、展示層和數據庫五部分組成。設備層主要面向汽車制造車間的主要生產設備和傳感器設備。服務層用于支撐系統軟件服務的正常運行，主要包括事件通知服務、異常處理服務、安全控制服務、SQL Service、系統監控服務等。業務層涉及系統的核心功能，分為數據管理、設備保養、設備維修、故障分析四部分，其中：數據管理包括設備清單管理、設備信息數據配置、設備文件上傳，設備保養包括設備保養計劃維護、設備保養情況查詢、設備保養提醒，設備維修包括設備維修計劃維護、設備維修情況查詢、設備維修情況上報，故障分析包括設備故障上報維護、設備故障采集、設備故障分析。展示層涵蓋AVI 車輛路由顯示、生產狀態監控、設備運行報表、設備狀態看板。數據庫包括系統數據庫、設備運行狀態數據庫。

圖3 軟件架構

3.2 設備連接拓撲結構

設備連接拓撲圖如圖4 所示，各車間生產設備及傳感器主要通過以太網和系統服務器進行通信，核心設備PLC 可以直接與服務器通信。為保證系統運行穩定，系統分別部署了應用服務器、數據庫服務器、接口服務器。CCR 中控屏用于綜合顯示設備運行狀態。

圖4 設備連接拓撲結構

4 系統設計

設備管理系統面向工廠生產現場，需充分考慮現場生產的重要性，做到高可靠性、高可用性、高擴展性和靈活性。搭建思路以集群控制模式、冗余熱備模式、分散均衡控制模式為主，以保證系統的安全性、穩定性、效率性為根本目的。

4.1 系統特點

（1）數據分析能力。實現設備運維KPI 全局可視化，能夠顯示不同維度的數據分析及展示；支持項目、任務、設備資產、設備系統等不同層級的故障、任務等執行狀況分析以及成本分析、任務分析、人員績效分析、OEE（設備稼動率）、MTBF（平均無故障工作時間）、MTTR（平均修復時間）、備件庫存分析等。

（2）物聯網數據平臺（IOT）。能夠實現設備物聯接入、遠程實時監控及運維；可替代傳統人工點巡檢，自動預警設備異常；自主兼容多種通信協議，具備采集和監控PLC、SCADA、數采邊緣盒、智能計量表等能力；可配置IOT 預警指標，根據指標自動生成和推送維護工單；通過關鍵資產監控看板，可實現對IOT數據的實時監控和快速配置。

（3）運維管理流程。具備全生命周期設備數據管理能力，支持二維碼或RFID 設備卡管理；支持自修、臨修、委外修、預防性維修、點巡檢、維修工程等方式；可方便地制定維修、保養、點檢等計劃，可以基于設備狀態和維修記錄自動生成保養計劃；支持排班管理以及基于專業、時間、維修策略等的自動化任務處理流程；內置工作流引擎，可以快速配置審批流程；完善的備品備件、部件管理功能，備件數據與維修過程無縫鏈接。

4.2 需監控設備清單

以汽車生產為例，因生產制造的核心在于沖壓、焊接、涂裝、總裝四大工藝車間，羅列各工藝車間的關鍵典型生產制造類設備清單（表2），方便進行參考。這里不討論工廠生產輔助性設備、能源供給設施及廠區級監測儀表等。

表2 汽車生產車間典型設備

4.3 關鍵業務功能設計

系統關鍵業務功能設計包括四部分，設備清單管理、設備定期保養提醒、設備維修結果錄入、設備停機管理等。

（1）設備清單管理（圖5）。系統提供設備清單錄入界面，供相關人員維護設備、工具、器具等類別的設備信息。字段包括：需要保養的設備編號、保養周期、提前通知的周期、需通知的人員名稱和郵件號等。

圖5 設備清單管理

（2）設備定期保養提醒（圖6）。需要操作人員維護設備的保養周期、保養提前通知的周期，系統定時運行：當（當前時間-上次保養完成時間）>（保養周期-提前通知的周期）時，系統推送郵件給相關人員。由于MES 不能上外網，郵件方式通知，需要有內網郵件服務器才能實現，否則無法實現。

圖6 設備定期保養

（3）設備維修結果錄入（圖7）。需要操作人員錄入設備維修的結果記錄，信息包括：維修設備編號、維修人、時間、設備故障的原因、故障解決的方法和更換的零件清單等。

圖7 設備維修管理

（4）設備停機管理（圖8）。系統自動采集設備停線記錄和設備狀態（含設備運行、報警、故障等信息）。維護設備停機故障碼和中文描述對照表。對故障類型等進行統計形成分析曲線。提供設備分析OEE 報表。具體設備清單，需要根據現場聯網情況制定。

圖8 設備停機管理

5 結語

對整車實際生產過程中的設備管理需求進行分析，從設備故障類型、設備故障重要度評估、設備維護保養流程等方面闡述設備維護保養策略；采用模塊化分層架構模式，對系統功能框架和軟硬件架構進行詳細設計，對關鍵功能模塊進行開發與實現。在企業實現設備管理系統的國產化開發及部署實施，建立完善的設備維護、故障、售后的數據分析和報告體系，建立面向設備對象的故障和技術分析體系，實現各個部門和相關員工對于設備相關信息的及時跟蹤、處理和分析。