工業設備維護管理系統研究與設計

摘 要：【目的】為了滿足當今工業生產領域日益增長的設備維保需求，對行業現有主流設備管理系統管理效率低下、資源浪費大、數據利用率低等問題提供建議。【方法】基于現有技術案例和行業發展趨勢，分析目前工業生產領域對設備管理系統的要求，依托現有網絡技術和信息技術，總結目前設備維護管理系統實現方法的通用邏輯，結合行業痛點和技術發展趨勢對系統未來發展方向進行展望。【結果】本研究從系統實現方式的技術角度出發，發現目前設備管理系統的技術方案已基本成熟，針對不同環境中的不同設備管理需求，可采用不同的技術方案來實現，但各種方案之間的底層邏輯體系不會輕易發生改變。【結論】通過行業節點解析、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展方向，對行業的發展發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

隨著生產規模不斷擴大和生產設備不斷增加，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和工廠管理中的重要性日漸凸顯，成為影響企業高效高質量發展的重要環節。縱觀設備管理發展歷程，可分為事后維修、預防性維修、設備管理系統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、系統化方向發展。近年來，隨著工業互聯網發展，設備管理更是在平臺化方向發展出一條更加高效的道路。

盡管設備管理的理論發展水平已達到較高層次，但目前國內大多數企業仍采用傳統管理方式，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和擴大規模，更不利于管理工作可持續發展。信息系統雖提高管理效率，但對目前生產活動中產生的大量數據只進行記錄，無法對其進行處理和分析，久而久之，冗余數據對系統運行不僅沒有任何幫助，反而會影響系統的性能，增加系統開銷。因此，為了提高設備維保效率，實現企業降本增效的目標，一套行之有效的信息化、智能化設備維護管理系統對制造企業發展有著重要意義。設備維保的各階段如圖1所示。

1 設備管理系統現狀分析

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

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

中部企業大多是基于自身所處行業，偏重發展單一行業或單一研究方向，存在較大的局限性。如徐工Xrea、樹根物聯等，主要研究基于制造業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，且缺少互聯網基因。

尾部企業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的需求仍顯著存在，市場上尚不存在一個產品能很好地滿足大多數企業的設備管理需求。從以上的場景特性和目前產品存在的優缺點出發，可總結出目前生產行業對設備維護管理系統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，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，縮短設備故障時停機檢修時間，提高生產效率。③部署簡單，成本可控。與基于IT技術搭建的管理平臺相比，其生產成本低廉，對中小型企業更加友好。④流程簡單高效。對傳統設備維護管理的復雜流程進行優化，摒棄流程中過于復雜和冗余環節和項目，提升設備維護管理效率。⑤保密效果好。考慮到部分企業的軍工或其他保密性質，該系統必須要適應強保密性和穩定性的環境要求，以免泄露機密，從而產生負面影響。

2 設備維護管理系統技術方案

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

采集層作為物聯網技術的核心，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部的傳感器，現場維護專業人員通過通信設備將采集到的現場信息進行錄入歸檔，對設備進行關聯。其中，數據傳輸環節至關重要，該環節傳輸信號的準確率會對系統分析和預測的準確度產生直接影響，同時信號傳輸速度越快，數據時效性就越好，有利于對系統進行預測性分析。在選擇數據采集和傳輸方式時，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，主要由數據庫軟件和編程語言來開發配套程序，將從采集層獲取到的數據通過相關網絡協議進行傳輸，經篩選、處理和分析，得到足以明確說明設備運行狀況的數據。在架構開發時，除了要滿足現有要求外，還應考慮維護系統的難度，同時為日后增加的需求留出足夠空間。傳統的單體式結構會隨著后期的開發和維護而日漸復雜，啟動時間也會隨之增加，不利于后期的開發和使用，可用微服務來實現不同功能，將其分為多個可獨立運行的子模塊進行并行開發，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，還能增強系統的拓展能力，為后續開發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據，得到有利于企業經營者安排管理生產活動的信息，對生產活動進行調控，從而提高生產效率。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應用層功能的可選項之一。

在系統實現過程中，根據應用場景的不同，設計方案也有所不同，如針對局域網場景的C/S架構和針對廣域網場景的B/S架構。不論使用哪種架構，其基本形式均是以SQL等數據庫軟件為服務層核心，利用C、Java等語言進行軟件開發，輔之以腳本對數據庫中的數據進行管理。劉志華［1］將工業設備信息和數據管理系統應用于現實生產活動中，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，實現數據采集和存儲、設備管理、設備狀態實時監控、遠程維護等功能，展現出較高的自動化與智能化。

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

同時，應用機器學習等方法也能顯著提高系統管理效率，減少人工維護的工作量。禹鑫燚等［3］將數據庫中的數據以設定的閾值數據量為觸發條件，對采集到的數據集進行預處理，選擇合適的機器學習算法對處理后的數據集進行訓練，將訓練結果作為在線診斷的依據，在減少用戶等待模型訓練時間的同時，提高數據診斷的實時性，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 設備維護管理系統未來發展方向

隨著工業控制技術不斷進步，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的功能和性能提出更高要求。未來的設備維護管理系統是在目前系統基礎上，結合大數據、人工智能、云計算等技術手段，進一步提高系統的預測性維護能力和產業鏈協調服務能力，適應更高需求的制造企業設備管理應用場景。

從信息化角度來看，工業互聯網標識節點解析能力建設是實現設備信息化、智能化管理的重要基礎。該能力為行業、企業提供標識注冊和標識解析服務，向上可接入國家頂級節點，加入國家標識解析體系，向下可接入到生產物料及備件管理體系中，實現對生產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營者人脈為主線向外發散，局限性較大，質量良莠不齊，無法保證效率，且不易跟蹤管理，不利于生產計劃的制定。未來，設備維護管理系統可嘗試接入行業二級節點，推進工業領域機械設備標識解析的標準化與統一化，打通上下游以平臺為基礎的“生產制造廠家+維保團隊+設備供應商”的合作共贏生態圈，實現制造行業經濟效益最大化。同時，依托二級節點來建設資源共享平臺，以統一標準來整合一定區域內所有維保團隊、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計劃，提高生產效率。李媛等［4］對裝備制造業工業互聯網二級節點平臺建設和生產應用進行詳細描述，充分展示其整合信息互聯互通的能力，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（PHM）是設備管理系統強化系統功能建設的一大進步，該系統由設備智能感知、設備健康狀態診斷、健康趨勢預測、智能維保決策等組成，以設備的業務記錄和采集到的監測數據為基礎，通過分析提取設備的故障特征，推演出設備運行趨勢，并在設備發生故障前向維保團隊發送警報信息，用來提醒團隊提前準備維護保養。設備健康診斷及預測性維護管理流程如圖4所示。目前，工業生產領域的生產任務安排緊湊，機械設備停機時間短，如果設備運行過程中突發故障，維修保養所耗費的時間容易超出設備停機時間，打亂原有的生產計劃，影響生產效率。同時，設備突發性故障定位難度大、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信息，推斷出設備的磨損狀態和維護周期，協助維保團隊提前制定維修計劃。此外，PHM系統可借助設備的CNC信息和各種傳感器采集到的數據，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，提高生產效率比。李彥夫等［5］通過探討深度學習在工業裝備故障預測與健康管理中的應用與挑戰，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，隨著工業互聯網、云計算、5G物聯網等技術快速發展，平臺模式在設備管理領域中的優勢逐漸展露。基于工業互聯網的設備保全服務共享平臺概念也由此產生，平臺通過集成線下維修服務、備件供應商等資源，為企業提供包括設備維修、備件管理、備件采購等全產業鏈在內的一條龍服務。目前，設備維修相關服務商和團隊數量繁多，但行業內信息交流少、服務質量參差不齊、缺乏統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業態。基于工業互聯網的設備保全服務共享平臺對設備維護管理產業相關服務進行整合和標準化，協助企業、工廠管理人員基于平臺信息做出最優判斷和選擇。

4 結語

本研究從工業生產制造產業設備維護管理中存在的問題出發，對設備管理系統的發展史、行業需求、系統實現和功能效果進行介紹，并結合現有的行業環境和技術發展趨勢對其未來發展方向進行展望。

①目前，市場上尚不存在一個能很好滿足大多數企業設備管理需求的產品，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仍是整個行業的共性需求。

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

③近年來，隨著工業互聯網、云計算、5G物聯網等技術在設備管理領域中的應用，在可預見的未來，行業節點解析、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展方向，對行業發展將發揮著越來越重要作用。

參考文獻：

［1］劉志華.工業設備信息和數據管理系統［J］.機械工程與自動化，2022（4）：168-170，173.

［2］劉靜.現代化企業的設備管理系統［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設備管理系統［J］.計算機科學，2020（S2）：667-672，677.

［4］李媛，馬秀麗，楊祖業，等.裝備制造業工業互聯網二級節點建設與應用［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：設備維修保養及管理。