（机械工程专业论文）煤矿洗选设备维护管理系统的研究与实现.pdf

论文题目：煤矿洗选设备维护管理系统的研究与实现 专 业：机械工程 硕 士 生：何宗政 （签名） 指导教师：任中全 （签名） 摘 要 近年来，企业经济效益和维护的依存关系日趋紧密。设备维护既是保证制造企业经 营成功的关键因素，也对社会的可持续发展有重要意义；提升企业的设备维护水平不仅 有助于企业实现其经营目标，也将推动生产、环境与社会的和谐发展。 当前，企业逐渐向柔性化、智能化、虚拟化、敏捷化的方向发展，以提高企业市场 响应能力，降低企业运营成本，提高企业竞争力。设备维护作为工厂最大的单个可控制 的费用， 其维护方式和方法也面临着深刻的变革。 如何管理好设备， 降低设备维修费用， 提高设备的可靠性，延长设备使用寿命是现代化企业设备管理面临的一项重要研究课 题。 本文以神东集团洗选中心设备维护管理系统开发为背景，在对其设备维护管理业务 流程进行详细研究的基础上，结合现代设备维护理论，研究洗选设备维护管理的关键使 能技术，设计并开发相应的设备维护管理系统。 首先，本文在研究当前设备维护理论发展现状和趋势的基础上，针对洗选设备维护 管理业务具体要求， 研究面向洗选设备的维护管理系统， 建立设备相应的逻辑功能模型， 设计基于多层架构技术的系统体系架构。 其次，在研究机械设备故障发生规律的基础上，研究基于点检数据的设备性能退化 趋势预测方法，研究适用于洗选设备的维修策略理论和决策优化方法。 然后，针对设备维护管理业务流程中的问题，研究相应的业务流程优化方法，实现 洗选设备维护管理业务再造，以提高管理效率，降低管理成本。 最后，设计设备维护管理系统的数据模型，建立系统数据字典，基于 j2ee 架构， 完成维护系统的详细，设计并开发基于 java web 方案的软件系统，并在实际运行环境 中验证。 本文的研究工作对于实现设备全寿命周期管理，提高设备的安全可靠性，降低维护 成本，确保高产高效，促进企业管理的现代化、数字化、智能化具有极其重要的意义。 关 键 词：设备维护；信息系统；洗选设备；维护决策 研究类型：应用研究 subject ： research and development of coal preparation equipment maintenance system specialty ： mechanical engineering name ： he zongzheng （signature） instructor： ren zhongquan （signature） abstract the dependency degree of the economic efficiency of enterprises on maintenance has increased in recent years. equipment maintenance is not only a critical factor in the success of manufacturing enterprises， but also of great significance in the sustainable development of the society; upgrading the level of enterprise maintenance will not only help enterprise achieve their business objectives， but will promote the harmonious development of production， environment and the society. at present， the enterprises has gradually changed to the flexible， intelligent， virtual， agile oriented development to enhance enterprise market response capability and reduce the operation cost for improving enterprise competition. as the maximal costs for an enterprise can be controlled， equipment maintenance would face profound changes. how to manage equipment， reduce equipment maintenance costs， improve equipment reliability， extend equipment life presents an important reform direction about the maintenance. in this paper， for shendong coal group corporation limited equipment maintenance management system development， based on detailed research and modern equipment maintenance theory， ， the maintenance key enabling technologies are researched. first， based on current maintenance theories and the specific request of development of coal preparation equipment maintenance management services， an equipments maintenance system for coal preparation equipment is put forward. the functional model， layered framework， systematic architecture and multi architecture technology are constructed. secondly， the disciplinarian of mechanical malfunction is researched， degradation prediction method based on the equipment inspection data and maintenance strategy optimization theory are researched，. then， for solving equipment maintenance management business processes problem， the business process optimization of coal preparation equipment is researched to improve management efficiency， reduce management costs. finally， the equipment maintenance management system data model and system data dictionary are designed， based on j2ee architecture， system detailed design and development of java web-based software will achieve ， and verified in the actual operating environment. this research is extremely important for the achievement of equipment life cycle management， and improve equipment safety and reliability， reduce maintenance costs and ensure high efficiency， and promote the modernization， digital， intelligent of enterprise management. key words：equipment maintenance information system coal preparation equipment maintenance decision thesis ：application research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景及研究的意义 设备是社会生产力的重要组成部分，是国发经济重要的技术物质基础，也是企业的 主要生产手段 1 。近五十多年来，企业经济效益和维修的依存关系日趋紧密。这是由于 生产设备的规模不断加大，生产设备的技术集成度越来越高，从而使得停产损失愈来愈 大，而且对操作人员的安全也造成极大威胁。为了保持设备安全生产，也必须做好维修 管理工作。为此工业界普遍采用预防维修的方法，即定期把全部设备解体检查。定期维 修具有管理简单。然而，实践发现，在定期维修过程中产生一系列不良后果，甚至增加 总体故障率。 据统计， 现代企业中， 故障维修及其停产损失已占其生产成本的30%40%， 杜邦公司宣称， 工厂最大的单个可控制的费用是维修管理 2 。随着煤矿事业的发展，煤 矿企业的设备费用支出占煤矿开采成本的 40%以上 3 4 ，煤矿洗选企业的设备管理费用 更高。因此，提高设备可靠性，延长设备使用寿命，是现代化洗煤企业生产管理的重要 考核指标。如何管理好这些设备，降低设备维修费用，使设备资产能够有效地发挥其效 益，是现代化洗选企业管理者面临的一项重要研究课题。 为了减少设备故障和维护不当造成的损失，设备维护技术不断得到发展和进步，先 后出现了事后维修、预防性维修、状态维修、可靠性维修、预知维修、远程维修、集成 维修、e-维护等不同的维修模式和维修方法 5 - 1 3 。提高设备可靠性，延长设备使用寿命， 是现代化企业生产管理的重要考核指标。由于洗选设备的逐年老化，设备的维修费用也 在增加。 如何管理好这些设备， 降低设备维修费用， 使设备资产能够有效地发挥其效益， 是现代化煤矿企业管理者面临的一项重要研究课题。 神东公司洗选加工中心下设十二厂、两部，地跨陕晋蒙三省。中心共有设备 5413 台套，生产设备 1913 台套，电气设备 2500 台套，辅助设备 1000 台套，运输设备 288 台，运输距离达 36km。之前，中心机电管理模式主要依靠人工和手抄表单管理的原始 经验式模式。由于设备多，物资数量庞大且各厂部分散布置，导致中心对设备难以实现 科学的全寿命维护管理，设备信息无法根据变化及时更新；物资无法做到快捷、高效管 理，出入库管理不够细致、严密；在员工业务技能方面，一些较先进的检修维护经验仅 限于厂内人员交流，达不到中心各厂部人员共享的目的。因此一种信息化、自动化、科 学化的新管理模式呼之欲出。 基于上述考虑，本课题在参考国内外先进维护策略、模式以及技术的发展前沿和最 新动向的基础上，针对神东洗选加工中心各洗煤厂的设备物资管理现状，选定“煤矿洗 选设备维护管理系统的设计与实现”作为研究课题，以预知维护作为指导核心，在设备 西安科技大学工程硕士学位论文 维护进行深入研究的基础上，对其体系结构、设备点检、趋势预测、维护决策等理论方 法进行了研究，并完成相应管理系统的开发，这对加速煤矿洗选企业管理与国际先进管 理体系接轨，提高企业竞争力，使设备管理创造更大的经济效益具有非常重要的现实意 义。 1.2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势 1.2.1 设备维护方式发展现状 随着工业生产的发展，设备现代化水平的提高，设备在现代生产中的作用与影响日 益扩大，加上管理科学技术的进步，设备管理也得到了相应重视、充实和发展，以致逐 步形成一门独立的设备管理学科。其发展过程，大致可以分为以下四个阶段 2 1 4 : （1）事后维修阶段 资本主义工业刚开始生产时，由于设备简单，维修便当、耗费的工时少，一般都是 在设备使用到出故障时才进行修理，这就是人们熟悉的事后修理制度，这时候的设备操 作和修理全由操作人员承担。 （2）设备预防维修管理阶段 1925 年前后， 美国首先提出预防维修的概念， 其基本含义是对影响设备正常运行的 故障采取“预防为主” 、 “防患于未然”的措施，以降低停工损失费用和维修费用。苏联 大约在 30 年代末和 40 年代初开始推行设备预防维修制度，苏联称其为计划预防维修制 度（即称计划预维修） 。50 年代初期，我国从苏联引进了计划预维修制度，这是我国设 备管理制度的第一次飞跃，对于建立我国自己的设备管理体制，促进生产发展起到了积 极的作用。 （3）设备系统管理阶段 在 60 年代，美国企业界又提出了设备管理“后勤学”的观点。它是从（制造厂为 用户） “后勤支援”的要求出发，强调对设备的系统管理，设备在设计阶段就必须考虑 其可靠性，维修性及其必要的后勤支援方案。与此同时，日本也首先在汽车工业和家用 电器工业提出了可靠性和维修性观点，以及“无维修”和“无故障”设计的要求。至此， 设备管理从传统的维修管理转为重视先天设计和制造的系统管理，设备管理进入一个新 的阶段。 （4）设备综合管理阶段 体现设备综合管理思想的两个典型代表是 “设备综合工程学” 和 “全员生产维修制” 。 “设备综合工程学”是由英国设备综合工程中心所所长丹尼斯帕克斯于1971 年提出， 后在英国官方的支持下，迅速发展，并逐步完善起来的一门设备管理新学科，它是以设 备寿命周期费用即以最经济为设备管理目标。 “全员生产维修制” （tpm）是日本在 70 1 绪论 3 年代初开始推行的一种设备管理和维修制度，其中心思想是“三全” ，即“全效率、全 系统和全员参加” 。随着经济体制改革的深入和技术进步。 随着工业化、经济全球化、信息化的发展，机械制造、自动控制、可靠性工程及管 理科学出现了新的突破，使现代设备的科学管理出现了新的趋势，把握这一新趋势，对 于加强我国设备管理的现代化和科学化具有重要的现实意义。 1.2.2 设备趋势预测的国内外发展现状 设备故障趋势预测在设备维护中的应用大致可分为两大类，其中之一是根据设备当 前状态和过去（和未来）的运行状况，预测其发生失效（故障或潜在故障）的剩余时间， 即剩余服役时间估计 1 5 ，大部分有关预测的研究都属于这种类型。第二种类型是首先对 与故障联系紧密的参数设定一个阈值，然后把监测到的参数和设定的阈值做比较，从而 判断是否需要进行维护 1 6 1 7 。该类型比第一种类型要简单得多，但第一种类型比第二种 类型更具有实际意义。 关于故障诊断与服役寿命预测方法的分类，目前尚不统一， “基于数据、基于模型” 1 8 ， “基于经验、基于趋势、基于模型” 1 9 等分类方法可以见诸文献。本研究依据对数 据处理方法的不同，把服役寿命预测方法主要分为四大类：统计方法、人工智能方法、 基于模型的方法、基于数据融合的方法。 概率统计方法 概率统计方法 此类方法通过异常现象对应的关键参数集，依据历史数据建立各参数变化与故障失 效的概率模型（退化概率轨迹） ，与当前多参数概率状态空间进行比较，进行当前状态 判断与退化趋势分析。通过当前参数概率空间与已知失效状态概率空间的干涉来进行定 量的失效判定，基于既往历史信息来进行趋势分析与故障预测。其中，goode 等 2 0 把整 个设备的寿命周期分为两个阶段，i-p （installation-potential failure）和 p-f（potential failure-functional failure） ；i-p 阶段是指设备正常运转的阶段，p-f 阶段是指设备具有潜 在故障的阶段，pf 曲线如图 1-1 所示；并对两个阶段分别假定威布尔分布，并估计了剩 余寿命。 phelps 等 2 1 采用卡尔曼滤波检测传感器级别的失效概率向量与设备状态变化间 的关系而不是物理系统或传感器参数来预测退化趋势。廖书长等 2 2 建立了基于威布尔分 布的水轮机最佳使用寿命模型。 西安科技大学工程硕士学位论文 功能 潜在故障 故障 pf i 图 1-1 pf 曲线 人工智能方法 人工智能方法 把人工智能应用于 rul 估计已经被许多学者研究过。 此类方法利用 ann 的非线性 转化特征，及其智能学习机制，来建立监测到的故障现象与产品故障变化状态之间的联 系。利用已知的“异常特征- 故障变化”退化轨迹，或通过故障注入建立与特征分析结 果关联的退化轨迹，对 ann 模型进行“训练/ 学习” ；然后，利用“训练/ 学习”后的 ann 依据当前产品特征对产品的故障变化状态进行判断。由于 ann 具有自适应特征， 因此可以利用非显式特征信息来进行“训练/ 学习”与故障损伤状态判断。其中，张和 ganesan 2 3 利用自组织神经网络研究多变量故障发展趋势，估计轴承的剩余寿命；wang 和 vachtsevanos 2 4 利用动态小波神经网络预测故障变化过程，估计剩余寿命；董玉亮等 2 5 利用灰色模型和 bp 神经网络预测设备状态。 基于模型的方法 基于模型的方法 基于模型的服役寿命预测需要失效机理的知识理论及相应的监控设备。它一般通过 建立被观测对象动态响应模型（包括退化过程中的动态响应） ，针对当前系统的响应输 出，进行参数辨识，对照正常状态下的参数统计特性，进行故障模式确认、故障诊断和 故障预测。这种方法提供了一种不同于概率趋势分析、ann 的途径，具有更高的置信 度和故障早期预报能力 2 6 。其中，张新聚等 2 7 以机械加工车间为背景，探讨了在 cims 环境下制造执行系统中刀具剩余磨损寿命的预测模式，推导了刀具磨损寿命计算公式中 的系数表达形式；裴峻峰等 2 8 提出了将金属磨屑增长的速率作为状态考察的指标对泵动 力端轴承等摩擦副的运行状态进行了预测。 基于数据融合的方法 基于数据融合的方法 综合利用来自多种信息源的、多参数、多传感器信息，以及历史与经验信息，以减 小故障诊断与预测的差错，提高置信度，是数据融合的根本任务。 1 绪论 5 故障诊断与预测中的数据融合可以在三个层次进行 2 9 ：传感器层融合，没有信息 丢失，但传输与计算量大；特征层融合，特征提取时有信息丢失。推理层融合。典 型的数据融合过程包括在特征层融合时采信传感器层的关键原始数据，推理层融合时采 信相似产品可靠性统计数据或专家经验知识。 数据融合时要考虑的主要问题是各种来源的信息的可信程度/ 精确度是不一样的， 不恰当的数据融合也会导致故障诊断与预测的置信度降低 3 0 - 3 1 。常用的数据融合方法有 权重/ 表决、贝叶斯推理、dempster-shafer、卡尔曼滤波、神经网络、专家系统、模糊 逻辑等方法 3 0 。 当前大量的应用案例都采用了数据融合的综合诊断与预测方法。例如，张明书等 3 1 采用灰色理论、自适应谐振理论（art）和 bp 网络等相结合的决策级融合技术，融合柴 油机热工、油液及振动三大类信息，一种舰用柴油机状态预测系统；byington 等 3 4 采用 自动推理对齿轮箱的振动数据与油液污染数据进行融合等。 通过上面论述看出，已经有不少人对设备性能退化趋势预测问题进行了研究，但是 在多传感器融合、判定设备性能状态及对趋势预测方面仍然存在不少问题，特别是在多 传感器参数融合检测方面。 1.2.3 设备维护决策的国内外发展现状 维护策略模型的优化， 是选择、 建立、 改造和调整相关维护策略模型的结构和参数， 将各种约束条件纳入计算过程，并以从维护成本和维护收益之间寻求最佳平衡点或区间 为目标，为维护活动的控制管理提供决策依据的过程。或者说，优化维护策略的目标是 为系统提供最适宜的可靠性和可用性，并以可能的最低维护成本获得系统安全、可靠、 稳定的使用性能。 从理论上看，维护管理面临着能否从设备运行这一广阔领域的维护最优化研究中受 益的问题。维护策略最优化模型基本上是一种数学模型，在这种模型中，维护的成本和 效益都被量化，力求获取两者之间最合适的平衡关系。参考维护领域的相关文献，从模 型的应用上来看，寿命和模块替换模型研究得最多。 大多数维护方面的研究是研究在不同维护策略下系统的随机行为，从而确定最佳系 统维护策略。 系统的随机行为主要体现在系统维护成本指标和系统可靠性指标上， 其中， 维护成本指标包括维护成本率和成本折扣率，系统可靠性评价指标包括可用性、平均故 障时间和故障率等。通常，一个最优化系统维护策略可能以下面的几种情况之一：1） 降低系统维护成本；2）提高系统可靠性指标；3）在保持满意的系统可靠性的前提下降 低系统维护成本；4）在保持满意的系统维护成本需求前提下提高系统可靠性指标。 西安科技大学工程硕士学位论文 使用年限更新 块更新 修理限制 故障限制 顺序性/周期 修理次数 单一部件 多部件串联 多部件并联 n中取k 冗余配置 规则1 规则2 规则n 小限度维护 不完全维护 理想化维护 劣化性维护 固定成本 随机成本 复合成本 最小化成本率 最大化可用度 限制故障率 最小化停机时间 成本和可靠性 更新理论 markov链 概率论 泊松过程 广义随机petri网 有限的 无限的 离散的 连续的 经济依赖性 故障相关性 结构关联性 完备系统信息 不完备系统信息 维护策略系统结构停机规则维护程序维护费用 优化准则建模工具计划幅度依赖性系统信息 优化维护策略 图 1-2 影响维护策略优化的因素 图 1-2 对影响维护策略的各种因素进行了总结 3 5 。制定一个最优的维护计划，应当 全面考虑、权衡和综合各种不同的维护策略、系统结构、停机规则、维护程度、设备维 护的相互关系、可能的故障模式、可采用的维护方式、维护时间是否可以忽略等。 当前所有的维护建模和优化方法均针对预防维护策略 3 6 。传统的维护模方法主要针 对计划维护的决策优化问题，模型中只考虑设备的正常工作和故障两种状态，并把设备 寿命或故障时间看作随机变量，这种方法有学者称为基于可靠性统计的方法。20 世纪 90 年代以来，针对视情维护的维护决策研究不断增多。视情维护模型中，设备的退化过 程包含了除正常和故障两种状态外的多个中间退化状态。常见的建模理论方法包括泊松 过程、马尔可夫链等 3 7 。视情维护决策技术正成为运筹学和可靠性工程学交叉领研究热 点。 另外，传统的设备管理信息系统主要功能是设备台帐和档案管理，可以使设备的静 态信息规范化、标准化，以便高效、及时、准确地分析处理这些信息。但无法实现对设 备的动态管理，而且设备管理各部门的设备管理系统自成体系，缺乏沟通和联系，形成 “信息孤岛” 。目前，设备管理系统的研究有基于 web 开发的设备维修管理系统、基于 b/s 和 c/s 混合模式的设备管理系统、基于 eam 的设备管理系统、基于 erp 的设备管 理系统等 3 7 - 4 1 。 现代洗选企业生产设备的规模和自动化程度都在不断提高，设备管理工作占据越来 越重要的地位。为了促进企业的管理工作，实现企业设备管理的科学、规范化、系统化、 1 绪论 7 信息化。开发煤矿洗选设备维护管理系统已经成为企业发展的一个必然要求。 1.3 本课题的研究内容 本论文以煤炭洗选企业机电设备维修和管理模式的不断改进和发展为背景，系统深 入地研究煤炭洗选企业机电设备的管理途径和方法，研究其设备维护管理系统的整体功 能框架和体系框架。探讨洗选设备维护管理的关键技术。分析设备管理业务流程，并优 化业务流程。最后从软件实现的角度，理论联系实际，研究系统的框架结构，开发洗选 设备维护管理系统。 1.4 论文主要内容 第一章 简述本文的选题背景、国内外研究现状、本课题的研究内容以及论文的主 要工作。 第二章 探讨洗选设备维护系统的主要功能，阐述系统设计目标和设计原则，研究 系统的总体逻辑功能框架和体系架构。 第三章 从洗选设备维护管理的角度出发，研究洗选设备故障规律，点检管理方法， 基于点检的设备性能趋势预测和维护决策理论。 第四章 采用 bpr 流程优化理论优化设备管理主要流程。运用 jbpm 工作流程管理 框架定义了系统主要流程定义，实现了设备管理主要流程的优化管理。 第五章 设计洗选设备维护管理的数据模型，开发机电设备维护管理系统软件。最 后搭建系统的运行平台，并对系统进行验证。 第六章 总结本文所做的工作，并对本文选题做出展望。 1.5 本章小结 本章介绍了国内外设备管理现状及动向，阐述了本课题研究的背景、意义、研究内 容以及技术路线。 西安科技大学工程硕士学位论文 8 2 洗选设备维护管理系统的体系架构 2.1 洗选设备维护管理系统定义 洗选设备维护管理系统以现代维护理论和网络技术为基础，以安全质量标准化创水 平为目标，以提升神华煤品牌形象为根本，以生产建设为中心，以人才战略为方向，以 科学管理和自动化为手段，以信息化为依托，坚持科学发展观，不断持续改进，全面完 成公司下达的各项工作任务为指导思想，以现有管理模式为基础，切合洗选加工中心实 际要求，利用电子商务的在线性、分布性、服务性等特征，采用基于 web 技术的解决 方案，实现设备维护的数字化、网络化和智能化，从而整合和优化维护资源、实现整个 设备维护周期的优化管理， 提高设备维护的层次， 减少维护工作量， 降低设备备件库存， 提高维护工作效率， 进而减少维护费用， 提高设备使用效率， 可以取得极大的经济效益。 2.2 系统的设计原则和目标 2.2.1 设计原则 洗选设备维护管理系统开发的目的是用信息技术手段改造并优化现有机电管理流 程，提高机电管理水平。系统建成后预计能减少设备故障停机率，降低配件积压率，延 长设备运行寿命，提高资产使用率，降低生产经营成本，使机电管理工作高效、通畅地 运行，产生良好的经济效益，为洗选设备的维护管理奠定坚实的基础。因此，系统开发 中应遵循以下原则： 1）可靠性原则 洗选设备的可靠性运行是企业生产运营的关键，而洗选设备维护管理又是保证洗选 设备可靠性运行的关键。因此，管理系统的可靠性设计是整个软件设计的核心。整个系 统由许多功能部分组成，要保证整个系统的可靠性可以将组成系统的每个小单无进行可 靠性测试，从而可以保证整个系统的可靠性。 2）兼容性和开放性 在企业管理中存在着其他运行的软件，系统应该与传统的软件兼容并应向其它系统 提供接口。便于系统的后续开发和保证系统稳定可靠的运行。 3）可操作性和实用性原则 尽可能的保证软件使用方便、快捷并符合人们操作的习惯。从用户的实际需要出发 开发本系统，不能盲目地追求高新技术的应用。原始信息皆由各相关部门（或人员）录 入，系统应尽量减少操作人员的数据录入量，录入数据应尽量通过下拉列表框来选择录 2 洗选设备维护管理系统的体系架构 9 入，这样的处理同时也避免了许多录入异常现象的发生。数据输入的格式应符合业务习 惯，并且直观、方便。要求系统处理的数据能准确无误，同时输出信息要求直观、简洁。 4）系统维护简单、方便 软件系统应该能够方便地增删软件对象而不影响系统原来的结构，使得系统对于需 求的变化具有较强的应变能力。这样可延长系统的生命周期。用户能够做到像把新的硬 件插入计算机一样来扩展系统的功能。这意味着可以动态地将软件对象连接到系统中， 而传统的方法往往要重新编译和连接整个系统。 2.2.2 设计目标 洗选设备维护管理系统旨在用信息技术手段改造并优化现有机电管理流程，提高机 电管理水平使机电管理工作高效、通畅地运行，产生良好的经济效益。系统不仅能完成 各事务性管理任务，实现洗选设备的信息化管理，还能实现将数据组织成为信息，将信 息提炼成为知识，将知识融入整个管理，全面持事务管理、决策分析、制定战略过程的 目标。 洗选设备维护管理系统要实现的主要目标如下： 1）建立一个科学、高效、稳定的洗选设备管理平台。为各厂部提供优质、高效的 业务管理和事务处理，实现资源共享。 2）建立完整的设备故障数据体系，实现设备典型故障、常见故障的分析。准确了 解设备状态、及时发现设备故障、准确诊断设备故障类型及处理方案，及时提供维修保 障。 3）利用监控手段，实现设备的动态监控，按照设备的实际状况，制定出大、中、 小不同的修理方案，将降低设备维护修理费用，创造出新的经济效益。 4）建立系统化的预防性维修和预测性维修体制，提高设备的使用寿命，实现设备 的维护管理。 5）系统操作使用方便，人机界面功能丰富友好，使用灵活。 2.3 系统功能架构 2.3.1 系统功能架构 洗选设备维护管理系统的目标是实现设备的全生命周期管理， 包含基础数据、 计划、 采购、维修、备件等诸多方面。图 2-1 为设备管理系统功能示意图。系统覆盖以下互相 集成、互相协作的功能模块： l 基础数据管理模块 l 计划管理模块 西安科技大学工程硕士学位论文 10 l 采购管理模块 l 设备动态台账管理模块 l 设备运行管理模块 l 维修管理模块 l 成套设备技术改造管理模块 l 设备报废/ 处置管理模块 l 备件/ 物资管理模块 各个模块之间相互关联，通过具体业务的执行完成数据之间的转换，保证数据的一 致性。作为一个设备全生命周期解决方案，本系统承载了目前设备维护、管理的先进思 想，实现了设备信息的模型化，具有完善的设备及其历史信息跟踪功能；利用科学的管 理手段，全面实现微机网络化管理，将设备维修由现在的事后维修和定期预防性维修， 逐步向设备全员生产维修、状态维修和健康管理模式过渡，提高可靠性，降低故障性停 机比率，减少事后维护的成本，提高工作效率。 设备台帐管理流程 设备基础台帐 （静态、动态） 设备技术文件 设备、物资采 购、管理流程 调拨计划 采购计划 采购/出入库 管理流程 调拨/调剂流程 历史记录 决策分析 维修管理流程 设备维修 计划设备大修项目执 行流程 设备封 存流程 设备运行 状况记录 流程 设备事故 管理流程 成套设备技 术改造流程 非成套设备技 术改造流程 技术改造 设备大修预算 管理流程 采购计划审批 流程 基础数据管理 用户/用户组 安全管理 设备缺陷 管理流程 设备报废 流程 图 2.1 系统功能架构 2.3.2 系统逻辑体系架构 （1 ） 系统分层信息架构和逻辑架构模型 洗选设备维护管理是一种复杂的系统过程，其内部不仅有复杂的信息流，同时还涉 及各种复杂的知识和过程。项目构建的系统是基于 soa 框架的，其系统分层架构模型 如图 2-2 所示，分为功能应用层和技术基础层，其中功能应用层包括实际功能层、组件 2 洗选设备维护管理系统的体系架构 11 层、服务层、工作流程层、表示层等五个层次，技术基础层包括企业服务总线层、qos 及安全监控层。具体如下： 功能层 包括动态台账数据更新、设备退化趋势预测、设备维修、备件管理等根据系统的功 能模型进行分解、分配的各种功能模块，在上层以 web 服务的形式进行封装。 组件层 用不同的组件把底层系统的功能封装起来，形成系统基本的功能服务部件，如数据 获取、数据分析、维修决策、知识管理等服务部件等等。 服务层 soa 中的服务可以被映射到具体系统中的任何功能模块， 按其功能特点可划分为三 种类型，即业务过程、业务功能服务、技术功能服务等。服务层基于发布、查找、绑定 等方式响应用户的请求，调用功能服务部件，产生相应的动态内容，从而形成了一个标 准的用户请求/ 响应体系结构。 工作流程层 利用已经封装好的各种服务来构建系统中的业务流程，比如用户角色管理流程、设 备点检流程等。基于协同工作流技术，实现系统管理流程的整合、再造管理。 表示层 向用户提供用户接口服务，实现基于 web 等不同表现形式的人机交互接口，基于 portal 系统来构建。比如设备维护人员可以通过维护执行系统的 portal 来聚合、实施维 护过程相关的各种操作。 企业服务总线（esb） 为整个系统提供了一个集成的环境来支持它们的运行。一个服务可以通过发送消息 来调用另外一个服务，这些消息经由服务总线转换后得以实现。 表示层 工作流程 服务层 组件层 功能层 服 务 消 费 者 服 务 提 供 者 流程再造、整合 企 业 服 务 总 线 基 础 架 构 环 境 qos 安全 监控 数据分析 知识管理 事故分析 退化预测 数据获取 客户端表示 发布 查找 绑定 图 2-2 系统分层架构模型 西安科技大学工程硕士学位论文 12 qos 及安全监控层 主要为整个 soa 系统提供一些辅助的功能，例如服务质量管理，安全管理这一类 的辅助功能。 基于此信息架构，系统能够根据相应的权限获取相应的维护服务资源，根据系统在 不同阶段的决策结果进行相应的动作，实现维护信息流、维护资源流的协同运行和协同 管理。 基于上述分层架构模型，建立了系统的基本逻辑架构，如图 2-3 所示。 1）用户层 用户层作为系统对外的窗口，用于实现用户与系统的交互。其中，企业员工通过该 平台实现日常维护工作，如维护计划、工单管理等的在线化、网络化；维护专家、维护 商通过该平台可以与企业共同构成维护联盟， 在安全机制的控制下， 共享相关设备信息， 共同解决设备维护问题；备件供应商经过注册其相关备件供应等服务到该平台，并通过 平台实现其相关信息的发布，以便获取潜在的订单。此外，通过各自的门户网站，各种 用户可以实现彼此间的实时交互。 2）领域服务层 在领域服务层，集成了一系列使能的系统级和应用级工具集。典型工具主要包括： 基础服务功能集。此部分功能包括数据安全服务、基于角色的权限管理、远程协同 管理、信息反馈、跟踪与监控管理等，为整个平台的运行提供基础功能服务。 核心功能服务集。该部分集成了一系列设备维护相关的核心功能，如设备的维护管 理、维护决策、维护计划制定、备件决策、维护任务调度等功能，是系统的关键使能工 具集。 数据与知识管理服务。支撑系统运作的所有维护相关的设备信息、资源信息以及相 关的过程与状态信息均在此得以保存和维护； 同时， 所有维护相关的知识由此部分管理， 通过其提供的数据与知识管理模型，可以实现异构环境下的信息、知识共享服务，还有 基于本体的知识管理等服务功能。此外，在此处完成各种服务功能的聚合等任务。 3）基本面向服务体系结构层 此层提供 soa 的基本实现环境，如 uddi、soap、wsdl 等，为整个系统的运行 提供运行基础。 2 洗选设备维护管理系统的体系架构 13 图 2.2 系统体系架构图 4）应用执行层 应用执行层包括实际执行各种维护操作的软硬件资源及其应用。各种资源的静态信 息及运行时的动态信息均存储于相应的数据库中。 2.4 本章小结 本章首先介绍了洗选设备维护管理系统的定义，讨论了系统的设计原则和设计目 标，分析了系统的逻辑功能架构和体系架构。 西安科技大学工程硕士学位论文 14 3 设备维护管理的关键使能技术 本章对设备维护管理的一些关键使能技术（enable technoloty）进行了研究，在论 述机械设备故障发生规律的基础上，研究了基于点检数据的设备退化趋势预测理论和维 修决策问题，为设备维护决策提供了基础。 3.1 机械设备故障发生规律 设备故障的发展都有其客观规律，在一些设备故障发生前都有出现一些预兆，也就 是潜在的故障。研究故障发生规律对于建立科学合理的设备维护系统有重要的意义。设 备在使用过程中，其性能的变化如图 3.1 所示 2 ，1 4 。 图 3.1 设备性能状态变化图 设备的潜在故障中某些物理参数表明设备功能性故障将要发生。上图上“p”点说 明设备发展到可识别潜在故障的程度。 “f”表示潜在故障己经发展到了功能故障。p-f 间隔显示了设备从潜在故障发展变化到功能性故障的时间间隔，p-f 间隔的时间长短与 设备有关，各个设备 p-f 间隔不同，可由几秒到好几年，对于突发故障来说 p-f 时间间 隔就很短。对于 p-f 较长的间隔说明可以有更多的时间来预防设备功能性故障的发生。 图 3.2 显示了机械产品故障率与时间对应的寿命曲线，又称为“浴盆曲线” 。 图 3.2 机械设备寿命特征曲线 3 设备维护管理的关键使能技术 15 从图 3.2 中可以看出，机械设备寿命特性曲线分为三段：t0 早期故障期、t1 偶发 故障期、t2 耗损故障期。 t0：早期故障期，机械设备从投入使用到 t1 时刻为止，这个阶段的特点是：开始 时故障率较高，但随着运转时间的增加，故障率很快又下降，进入故障率恒定阶段。 t1：偶发故障期，机械设备从 t1 时刻转到 t2 时刻这一阶段的故障率最低，而且故 障率恒定。一般情况下这一阶段不会发生故障，是产品的最佳工作时期。当然，可能由 于使用不当、操作失误或其他意外的原因而引发某些故障。也可能由于设计时取的安全 系数较小而出现故障，如当某个零件的强度为下限时，正好遇到实际使用载荷的上限， 这样就可能出现超负荷而损坏的故障。这些情况的出现带有很大的偶然性。所以，在偶 发故障阶段要特别重视合理使用，加强维护与保养，避免操作上的失误，以达到尽可能 延长机械的有效寿命。 t2：耗损故障期，当机械设备使用到 t2 时刻以后故障率再度上升。这是由于零件 的磨损、化学腐蚀、物理性质变化及材料的疲劳等老化过程所引起的。对于任何机械， 采用各种诊断技术，掌握零部件耗损期的开始时间，在零部件达到寿命的稍前些时间就 采取维修或更换措施，便可以把即将上升的故障率降下来，也能避免重大安全事故的发 生。因此采用故障诊断技术对降低耗损故障期的故障率是非常有效的。这正是对机械设 备进行剩余寿命分析与预测的主要目的。 设备性能的退化过程随着时间的推移发生变化，从正常状态下降至功能失效的过 程，退化过程如下图所示： 设备健康水平 图 3.3 设备健康状态退化过程 由设备性能退化过程模型可知，根据当前所处的状态和有历史数据，预报系统出现 故障的时间。 西安科技大学工程硕士学位论文 16 3.2 基于点检数据的设备退化趋势预测 设备点检是按照预先制定的技术标准，定点、定标准、定人、定周期、定方法、定 量、定作业流程地对设备进行检查，它通过对设备的全面检查和分析来达到对设备进行 量化评价的目的。设备点检运用运行岗位的日常点检、点检员及其他专业人员的定期点 检、精密点检、技术诊断和劣化倾向管理、综合性能测试等技术和手段，形成保证设备 健康运转的多层防护体系，体现对设备全员管理的原则。 在对设备进行状态监测前，必须根据当前设备的特点，合理地选择监测点的位置， 监测点位置的选择主要是劣化部位和设备的关键部件。例如在对轴承的振动信号进行测 定时要从轴向、 水平方向、 垂直方向三个方向进行测定。 点检位置选择后需要进行标记， 保证每次测试点是同一位置。 对于大多数机械设备来说，点检主要采集的信号包括振动、温度、声音 3 个方面的 重要数据。 3.2.1 点检标准的确定 在设备点检管理中， 首先要确定设备点检标准， 点检标准包括点检内容， 点检部位， 点检方法，点检周期等内容。对于点检周期，一般采用如下方法确定。 （1）根据安全性要求确定设备点检的检测周期 点检的目的是通过对机械系统进行检测来发现系统中存在的潜在故障，防止机械系 统中的潜在故障发展成为功能故障，从而将机械系统的功能故障发生概念控制在规定的 水平内， 确保机械系统在工作过程中的安全性。 通常机械系统维修的检测周期 tc必须小 于机械系统中潜在故障发展成为功能故障所需时间 t，即 ttc。一般在实际检测中取 tc为 t 的 1/4 及 1/4 以上，即通过多次维修检测来防止漏检的发生。 当机械系统发生具有安全性影响的功能故障时，若机械系统可接受的故障发生概率 为 pc，一次检测出机械系统存在潜在故障概率为 p，则在机械系统由混合在故障发展在 为功能故障所需时间 t 内的检测次数 n 为14 ，15，16 (1)n c pp= （3.1） 即 ln ln(1) c p n p = （3.2） 从而，机械系统的维修检测周期 tc为15 ，16 c t t n = （3.3） （2）根据维修费用最小原则确定设备点检的检测周期 3 设备维护管理的关键使能技术 17 假如机械零部件的功能故障不危及机械本身的安全，对机械系统进行预防性维修所 需的费用比机械系统发生功能故障后所需的维修费小，且机械系统中的潜在故障通过维 修检测被发现，则该类机械系统可按最小维修费用原则，确定其维修检测周期 t。 设备通过维修的周期性检测能够及时发现机械系统存在的潜在故障，且发现的潜在 故障可以及时消除，则单位时间内的检测次数 n 越多，机械系统的故障率就越小，此时 机械系统的故障率可用检测次数 n 的函数表示，即 ( ) k n n = （3.4） 式中，k 是比例系统，即单位时间内进行 1 次视情维修检测时的故障率。从而检测 周期 t 为 1 t n = （3.5） 设机械系统事后维修的平均维修费用为 f c ，检测的平均费