（机械设计及理论专业论文）德兴铜矿采矿场camm设备状态与控制子系统研制.pdf

摘要 、摘要 f “德兴铜矿采场主要生产设备计算机辅助设备维修与管理系 统”是在德兴铜矿的大力协助下，由中南工业大学机电工程学院 设备工程研究所负责研制开发的一项研究课题。研制开发此系统 是为了实现设备维修作业控制、设备状态控制、备件材料控制和 维修费用控制的最优化，达到提高设备有效利用率，减少备件库 存，提高维修质量，提高管理工作效率，降低生产成本，提高生 产的安全性和可靠性。 德* 铜矿的cam i v 系统分为设备综合数据统计与报表管 理、维修计划编制与控制、设备状态及其控制、备件及仓库管理、 综合统计查询、软件维护六个子系统。该系统是经过多次深入现 场调查之后，使用结构化系统分析方法开发完成的，通过反复修 改，与用户多次协商，达到了协议规定的要求，德兴铜矿对此给 出了满意的评价( 见附录1 ) ，并于1996 年3 月通过了有色总 公司的科技成果鉴定，得到了与会专家的高度评价，获中国有色 金属工业总公司科技进步二等奖。y 作者主要进行了“设备状蕊控制”和“综合统计查询”两个 子系统的开发与研制，设备状态控制子系统，利用设备可靠性_ t - 程的理论，提出了故障分析、预报的统计模型，实现了主要生产 设备的运行参数、检修信息的动态跟踪，应用设备状态之间转移 的马尔柯夫性，对设备维修决策进行了优化。对动态计算机辅助 设备维修与管理进行了初步探索；综合统计查询子系统可以让矿 场领导及时准确地掌握所有设备的动态信息，为指导生产、维修 决策提供可靠依据。 本系统的开发在有色系统属于首创，在国内处于领先水平。 现场运行证明：系统运行可靠，功能齐全，易于推广，具有很强 的适用性。对提高德兴铜矿设备维修管理水平，提高企业的经济 效益具有直接的现实意义；为我国大中型企业、工厂计算机辅助 设备维修管理的推广应用，实现设备管理现代化进行了有益的尝 试。 关冀字：计算机，设备堆修管理，计算机辅助设备雏修譬理 铜矿霉苁7 7 i 。移修引。“池 英文摘要 a b s t r a c t c o m p u t e r a i d e dp l a n tm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n ts y s t e m ( c a m m ) f o rd e x i nc o p p e rm i n em a i no p e r a t i n gp l a n t ”i sd e v e l o p e d b yc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yw i t ht h eh e l po fd e x i n c o p p e rm i n e t h ec a m mi sa i m e da tr e a l i z a t i o no fc o n t r o lo fp l a n t m a i n t e n a n c e ，p l a n ts t a t e ，a c c e s s o r ym a t e r i a la n dm a i n t e n a n c ec o s t st o e n h a n c ee f f e c t i v eu t i l i z a t i o no fp l a n t ，i o w e r s t o r a l g e o fa c c e s s o r i e s ， p r o m o t e w o r k i n ge f f i c i e n c yo f m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t ，c u td o w n o p e r a t i n gc o s t s ，i n c r e a s ep r o d u c t i o n ，a d dt os a f e t ya n dr e l i a b i l i t y o f p l a n t t h ec a m mo fd e x i nc o p p e rm i n ei sc o m p o s e do fs i x n o d e l t h e s t a t i s t i c sa n d a n a l y z e o fd a t aa n d r e p o r t f o m a s m a n a g e m e n t 、 m a i n t e n a n c ep l a ne s t a b l i s h m e u ta n d c o n t r o l 、p l a n ts t a t u sa n d c o n t r o l 、 a c c e s s o r ya n dd e p o tm a n a g e m e n t 、s y n t h e s i ss t a t i s t i c sa n di n q u i r ea n d s y s t e m m a i n t e n a n c e ，i tw a s d e v e l o p e dt h o u g h d a r t l em o d i f i c a t i o n w i t h t h em e t h o do fs t r u c t u r a ls y s t e m a n a l y z e i t h a sb e e n h i g h l ya p p r a i s e db y e x ，e r t s f r o mc h i n an a t i o n a ln o n f e r r o u sm e t a i si n d u s t r yc o m p a n y ( c n n c la n da w a r d e dt h es e c o n d c l a s s s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a l p r o g r e s sp r i z eh e l db v c n n c a u t h o rh a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dt w op a r t so ft h i sc a m m p l a n ts t a t u ea n d c o n t r o la n ds t a t i s t i c sa n d a n a l y z e ，g i v i n go u tp r o b l e m s a n a l y s i s a n dp r e d i c t m o d e l ，r e a l i z i n go p e r a t i n gp l a n t s m a i n t e n a n c e m e s s a g et r a c e ，t h es t a t i s t i c sa n da n a l y z em o d e lc a ni m m e d i a t e l ya n d a c c u r a t e l yp r o v i d e 廿1 em e s s a g eo fa l lp l a n t s a n de q u i p m e n tf o rt h e l e a d e r s t b er e s e a r c ho ft h ec a m m s y s t e mi si n i t i a t i v ei nc n n c a n di n t h e1 e a ds t a n d a r di nc h i n a i tw a sv e r i f i e db yp r a c t i c e ：t h es y s t e mh a s t h ec h a r a c t e r so fm o v i n gc r e d i b i l i t y , f u n c t i o n c o m p l e t e ，e a s i n g t o p o p u l a r i z e t h er e s e a r c hc a ne n h a n c et h e p l a n t a n d e q u i p m e n t m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n tl e v e l b r i n ge c o n o m i cb e n e f i t st ot l l e e n t e r p r i s e s ；i ti sa l s oab e n e f i c i a lt e s t i n gt ot h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e r a i d e dp l a n tm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n ti ne n t e r p r i s e sa n da c h i e v i n g p l a n ta n de q u i p m e n tm a n a g e m e n t m o d e m i z a t i o n k e y w o r d s ： c o m p u t e r , p l a n t m a i n t e n a n c ea n d 英文摘要 m a n a g e m e n t ，c o m p u t e ra i d e dp l a n t m a i n t e n a n c ea n d m a n a g e m e n t 第一章绪论 第一章绪论 第一节设备状态监洲技术产生和发展背景 设备状态监测是在设备运转或不拆卸、不解体的情况下，利 用人工或专用的仪器、工具，按照规定的监测点进行间断或连续 的监测，掌握设备异常的征兆和劣化程度，找出异常和故障的部 位、原因，并对未来的影响进行预测。它是检测直接妨碍设备运 行的缺陷和异常征兆的技术及其有关的判断技术。 设备状态监测技术6 0 年代后半期首先在美国出现，最初的目 的是用于对航天、核能、军事装备进行早期异常检测。航空、航 天、核工业等部门对于现代化设备的安全性要求很高，机器设备 的故障必须在事先发觉，并采取相应的预防措施，否则一旦发生 事故，将会导致重大的人员伤亡和严重的环境污染。有很多例子 可以说明产生灾难性事故的严重后果。美国三里岛核电站1 97 9 年 3 月2 9 日由于系统误判断和误操作，使得核反应堆堆芯严重损坏， 放射性物质外溢，造成几十亿美元的经济损失，而且引起当地居 民的巨大恐慌和强烈抗议。印度博帕尔农药厂1 9 8 4 年1 2 月异氰 酸甲脂毒气泄漏，造成2 0 0 0 多人死亡和2 0 多万人受害的空前大 工业事故。1 98 6 年4 月原苏联在乌克兰境内的切尔诺贝利核电站 发生事故，放射性物质选出，造成了严重的人员伤亡和环境污染。 这些骇人听闻的数据都足以说明，设备的故障先兆强须早期预报， 以防范于未然，否则将产生严重的后果。 随着计算机和电子技术的迅速发展，促进了工业生产技术的 现代化，生产设备不断向着大型化、高速化、连续化和自动化方 向发展，生产设备性能更好、精度更高、越来越昂贵。大规模生 产的流程化作业也越来越普遍，一旦发生突发事故，不仅会造成 流程生产环节的中断和重大的经济损失，而且还有可能引起人员 伤害和环境污染以及各种社会问题。另一方面，这些技术先进、 结构复杂、精度很高的现代化大型设备的很多故障已很难再依据 传统的办法单凭工作人员的器官和经验检查出来。对于复杂大型 的精密设备，又不允许随便解体检查，有人比喻说，对现代化的 设备进行检查时，动不动就把它拆开来看，这是不可思议的，就 好象医生给病人看病时，动不动打开病人的肚子来检查一样荒唐 可笑。因此，必须采用先进的仪器和科学的方法来监测和诊断。 同时，由于设备故障造成的停产损失越来越大，设备的维修费用 也大幅度的增加，维修成本占总生产成本的比重越来越大。据日 第一章绪论 本统计，7 0 年代以来，日本钢铁工业设备维修成本占总生产成本 的12 9 ，维修费用占设备投资的8 。 美国著名经济学家弗雷斯特帕德、肯帕蒂、朗摩尔等 经过近三十年的研究，在工业管理的未来中指出，工业管理 正经历一场维修部门从集中管理到高水平的业务职能管理的转 变，维修费用在生产成本中的比例也从原来的4 飞速增长到1 4 ，往往大于企业的利润( 参见图1 - 1 ) 。 7 食品其它 图1 - 1 维修费用与生产成本比例图 设备的现代化对设备的维修体制提出了变革的要求，传统设 备管理的大量工作都集中在设备的维修阶段，不仅过剩维修现象 非常严重，而且仅限于使用和维修过程的管理。为了提高设备运行 的可靠性，减少不必要的过剩维修，减少维修成本，必须根据设 备设备状态来确定设备维修工作的内容和时间，合理制定维修方 案，实现从预防维修向状态维修的转变。 美国最先进的制造公司从70 年代末就逐步调整了设备维修 策略，放弃了被动的事后维修，转而追求尽量消除故障，控制维 修费用，降低对生产的影响。前几年，美国还专门聘请了瑞典的 许多管理和维修专家到国内进行咨询指导工作，主要是对美国企 业的设备管理和维修进行诊断，提供指导性服务。 设备状态监测技术涉及各方面知识领域，以及对设备故障机 理的研究。它是根据设备在使用过程中的故障机理、劣化过程及 机理，通过采用对各种状态参数的检测和分析，劣化程度的检测 和分析，性能强度的检测和分析等各种方法，分析和判断设备的 运行状态，确定设备故障部位和劣化程度，预测设备的可靠性和 寿命，制定最合理的检修方案和检修周期。设备状态监测技术的 第一章绪论 功能如图i 一2 所示。 设备 喘 掣m ( dl t圈非 应力检测分析 应力榆删 应力分析 劣化故障检测分析 劣化故障的位置与种类 劣化故障的程度与原因 性能强度检测分析 性能强度的检测 性能强度的评价 肆常与缺陷的原因程度 襞馨嚣犍黩与时 图l2 设备状态监测技术的功能 第二节陶内外设备赦态监洲研究概况 美国是开展设备状态监测和故障诊断技术研究最早的国家。 二次世界大战时，美国军用设备频繁出现故障，暴露出定期预防 维修方式的弱点，为了解决这个问题，美国开始大力开展设备可 靠性工程的研究。利用可靠性和故障率的概率形式把设备状态定 量的描述出来，并把研究成果引入到军事装备的管理维修中，取 得了良好的效果。 由于技术进步和工业的发展，特别是象阿波罗计划种类尖端 技术的提出，在保证设备的安全性和可靠性方面面临巨大的压力， 机械设备的故障问题日益尖锐；另一方面，在军事部门中已经开 发了一批监测、诊断技术，同时，设备可靠性工程等方面研究的 进展，为设备状态监测和故障诊断的开展奠定了基础。于是在美 国宇航局( n a s a ) 的倡导下，在美国海军研究室( o n r ) 主持下， 1 9 6 7 年4 月成立了美国机械故障预防小组( m f p g ) 。 英国设备状态监测和故障诊断技术的研究工作始于6 0 年代末 期。英国的机器保健中心( u k m e c h a n i c a l h e a l t hm o n i t o r c e n t e r ) 首先开展状态监测和故障诊断技术的研究和倡导。另外， 欧洲其他国家的设备状态监测和诊断技术的研究和开发都有自己 的专长和技术特色。例如丹麦b & k 公司的声学乖振动的检测和监 测技术，具有丰富的经验，开发了很多性能优良、功能强大的诊 断仪器，为世界所公认。瑞典a g e m a 公司对红外线测温技术富有 第一章绪论 经验，s p m 公司对于轴承故障监测颇有特长。挪威的船舶研究所在 船舶的状态监测和故障诊断领域中，具有丰富的经验和特色。 亚洲的日本是开展设备状态监测和故障诊断最好的国家。e l 本钢铁、化工、交通、电力等部门在设备状态监测和故障诊断技 术的开发和应用方面发展很快，他们积极引进最新技术，开发和 研制诊断仪器，提高自己的状态监测和故障诊断技术。现在，日 本一些大型和自动化设备制造厂家，如三菱重工、川崎重工、日 立制作所、东芝电器、新日铁等企业的设备管理和维修中已经普 遍采用状态监测和故障诊断技术。 国内设备状态监测和故障诊断技术的研究是从7 0 年代末期开 始的。8 0 年代初期国内的一些重点大学如西安交通大学、原东北 z - 学院等相继成立了状态监测和故障诊断研究室；清华大学、浙 江大学、北京科技大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等相继 开展了这项技术的基础研究和应用技术的研究开发，取得了一批 研究成果。原冶金部设备研究所、机械部机械科学研究院等研究 单位结合产业部门的生产实际状况，在生产作业线上用i 受1 l 振和频 谱技术、红外线成象技术、声发射技术等对运行设备进行了各种 状态监测和故障诊断，解决了生产中的很多实际问题。冶金系统 的宝钢、鞍钢、本钢、武铜、太钢等企业都相继成立了设备现代 化管理状态监测和故障诊断技术开发的专门单位。电力部在各发 电厂大力推广以透平机组安全监测为目的旋转机械状态监测系 统，目前国内很多2 0 0 m w 以上的汽轮发电机组，几乎全部装有这 种监测系统，在很大程度上，提高了机纽运行可靠性，降低了设 备故障率和事故率。在石化系统的燕山石化公司、金山石化公司、 辽阳石化公司等企业使用声发射技术、无损探伤技术来诊断高压 容器的裂纹以及管路和容器的腐蚀情况，用测振和频谱分析仪诊 断离心压缩机、高压泵、燃气轮发电机组的振动，用红外线成象 技术诊断炉膛耐火材料损伤、列管式热交换器内泄漏等问题，均 取得了很好的效果和经济效益。 1 9 8 7 年5 月中国振动工程学会故障诊断学会成立，与此同时， 中国机械工程学会成立了失效分析工作委员会，建立了全国性的 专家库和失效分析网，协调国内的失效分析和故障预防工作。 设备状态监测和故障诊断技术在生产实际中的应用，改变了 传统的维修方式，由于了解和掌握了设备运行的技术状态，减少 了突发性的事故停产损失，减少了过剩维修，降低了维修费用， 提高了设备的作业率，因此能够取得显著的综合经济效益。具体 表现在以下几个方面： 第一章绪论 1 、根据状态状态监测和故障诊断，可以了解、掌握设备的 技术状态，能合理制定维修计划而不用停止生产： 2 、可以预先知道维修的必需品并有计划地进行安排，减少 紧急抢修的工作量，从劳动力、零件和维修工具的观点而言，维 修_ t - 作变得更有计划，更有效率了： 3 、可以消除不必要的预防维修，避免由于突发的灾难性故 障造成的大量维修工作，提高生产的安全性。由于维修活动可以 预知并有计划安排，且能在一个不紧急的时候去执行，可减少危 险情况的发生： 4 、最重要的是能够大大地节省能源。在杜邦公司cape fea r 分厂，仅对蒸气脱水器的失效进行状态维修，1990 年就节约了200 万美元。 现在国外设备状态监测和故障诊断技术的研究可以大致分为 以下几个方向：6 1 ( 1 ) 设备状态监测、诊断系统与计算机辅助设备维修与管 理系统的集成 由于设备状态监测与诊断系统同ca m m 系统的结合，维修 模式也由按时间维修转化为按状态维修。 ( 2 ) 人工智能的应用 目前专家系统的一个重要应用就是进行机械设备的诊断和监 测，西欧的发达国家，如美国、加拿大等国已有许多专家系统在 设备维修管理中得到应用。设备状态监测、故障诊断技术和人工 智能技术作为设备维修支持系统来说，今后将起到越来越重要的 作用，因此，世界各国都在积极推广这些技术，并设法使之与维 修计划系统相联接。 第三节奉论文研兜的背景与意义 德兴铜矿筹建于我国第一个五年计划，是亚洲最大，世界第 六大的特大型露天铜矿。设备先进，基础条件好。为充分发挥现 代设备的使用效率，提高设备维修、备件和材料管理的计划性与 有效性，降低设备故障，节约维修费用，提高经济效益；同时， 开发建立德兴铜矿计算机辅助管理与维修系统，对改善我国有色 工业矿山设备的管理现状，全面推进计算机辅助设备管理，提高 设备管理的现代化水平，具有十分现实的意义。 原中国有色金属工业总公司看到计算机辅助设备管理与维修 第一章绪论 系统能给企业带来巨大的经济效益，促进设备管理现代化，决定 立足国内把计算机辅助设备管理与维修系统列入总公司八五科技 攻关项目，委托中南工业大学进行计算机辅助设备维修管理系统 的开发与研制工作。 根据原中国有色金属工业总公司的要求，德兴铜矿决定与中 南工业大学设备工程及管理研究所合作进行“大型矿山主要生产 设备计算机辅助维修与管理系统”的研制，双方于90 年签订了 德兴铜矿计算机辅助设备维修与管理信息系统的研制合同。 该系统已于96 年通过了原有色金属工业总公司鉴定，并荣获9 6 年有色金属工业总公司科技进步二等奖。 我主要进行了“设备状态管理与控制”子系统和“综合统计 查询”子系统的开发与研制工作，本论文就是在完成该课题的基 础上进行的。 论文对德兴铜矿主要生产设备一电动轮汽车，以及电动轮汽 车的主要总成件一发动机的常发故障部位进行了归纳、总结，找 出了几十个常发故障的故障点，借助可靠性工程的原理，在建立 故障统计模型的基础上，对常发故障规律进行了可靠性分析，掌 握了这些主要生产设备的故障发生规律、原因以及采取的相应措 施；论文建立了电动轮汽车维修模型、总成件跟踪模型、故障预 测预报模型，并且利用设备状态转移的马尔柯夫性对电动轮汽车 检修决策进行优化控制； 尝试将油样分析技术和专家系统引入计算机辅助设备维修与 管理，初步形成了一个油样分析专家知识库，为有色企业实现由 计划预防维修向状态维修的转变进行了有益的尝试。 论文给出了德兴铜矿设备管理系统的模型，对动态计算机辅 助设备维修与管理进行了初步探索。 i g - - 章系统设计概要及主要功能 第二章系统设计概要及主要功能 第一节组织机构调查 一、德兴铜矿采场设备维修与管理现状 1 、设备及管理组织机构 德兴铜矿目前的设备维修及管理实行多级管理，即：矿部一一 部、场、厂一一工段一一班组。全矿设设备副矿长一人，负责全 矿的设备管理与维修工作。下辖机动部、车管部、机修厂、动力 厂、设备大修厂等。i x 机动部、车管部是德兴铜矿设备管理的两个职能部门。机动 部负责全矿的设备、工矿备件备品、订货计划的编制、设备及备 件采购、出入库管理以及全矿固定资产管理、能源用电计划的编 制、申报和能源统计管理等项工作。下设设备组、运行组、备件 组、固定资产组等。车管部则主要负责全矿车辆运输设备的有关 运行、备件、维修计划等工作。 采场作为德兴铜矿的一个生产部门，是一个独立的生产、经 济实体，现有南山、北山两个采矿场，拥有较为齐全的机构部门。 采场设设备副场长一人，主管全场设备维修及管理工作，同时， 在业务工作中，又受设备副矿长的领导。 综上所述，德兴铜矿采场设备维修管理组织机构如图2 1 所 示。 2 、现行系统维修资源的组织模式 德兴铜矿设备维修资源的组织模式属于集中与分散相结合的 混合模式，以分散为主。其特点是矿山内部设有机修厂、大修厂 等专业化的修理部门，负责矿山设备的大修和机加工等；同时各 工段也配备了由专业维修人员组成的维修班组。 3 、现行维修管理制度 德兴铜矿实行计划预修制( 保养制) ，并辅以j 当时紧急抢修。 日常保养及定期保养分别在工段进行。以汽一工段为例，电动轮 保养分为机械保养、电器保养两种，机械保养分为日常保养、1 00 小时、500 小时、1000 小时保养；电器保养分为日常 保养、200 小时、10 00 小时保养。故障维修由各维修班组 处理，大修在大修厂进行 第二章系统设计概要及主要功能 + 领导关秉 + 业各关系 c ：= 物_ 备流动关系 图2 1 德兴铜矿采矿场设备维修组织机构图 8 第二章系统设计概要及主要功能 第二节设备截障、事截及状态监洲调查 一、故障管理 德兴铜矿各工段现在每班的生产中都配备了值班工长、 机、电维修、等技术人员，以应付突发故障的发生。突发故障的 处理过程如图2 2 所示。 图2 - 2 设备突发故障处理流程图 二、事故管理 事故与故障一样，也同样客观存在于设备的运行过程中，出 现了事故就要进行调查、分析、处理，目前，德兴铜矿对事故分 为三类，即特大事故、重大事故和一般事故。 事故管理包括事故的调查、登记、统计、分析和上报等管理 内容，整理和保管事故档案，定期进行事故分析，研究事故的规 律和防止事故发生的对策，采取相应的措施。 采场事故处理的业务流程如下： 葬故报告，每故分析卜填写事故报告单，下发紧急工作命令粤 - 实施紧急维修卜维修信息反馈+ 事故存档 从以上的业务流程图，可以画出设备事故管理的数据流程如 图2 3 所示； 第二章系统设计概要及主要功能 图2 3 设备事故管理数据流程图 三、状态监测 状态监测即是对设备的整体或局部在运行过程中物理现象的 变化进行定期检测( 包括点检和检查) ，其目的就是随时监视设备 的运行状况，防止发生突发故障，掌握设备的劣化规律，合理安 排维修计划，确保设备正常运行。 德兴铜矿采场电动轮汽车的状态监测包括：班捡、日检、1 00 、200 、500 、1000 小时保养检查，同时对电动轮 汽车各部位的润滑油进行监测。 四、存在的问题 通过对现场设备状态及控制管理工作的调查，可以发现现在 的管理工作中，存在着以下问题： 1 、过剩维修定期预防维修是通过拆检、调整、换新、修 复和试车等手段，使机器经常保持完好状态，达到在两次维修的 间隔期内把灾难性故障降低到最低限度或不发生灾难性故障的目 的。实际上，有些设备在规定的维修时问作拆卸检查，并未发现 问题而造成所谓“过剩维修”。同时，拆卸过程人为地破坏了一些 处于良好润滑条件的摩擦副的状态，重新装配后，一时难以恢复 到原有的技术状况，反而增加了设备故障的可能性。 2 、数据、信息处理手段落后原机动部、采场及各工段一 1 0 第二章系统设计概要及主要功能 级的有关数据处理工作均由人工进行，效率低，可靠性差，统计 的数据比较混乱，个别数据甚至相互矛盾，统计数据与设备的实际 值也有差别。同时，由于简单的事物性处理工作量大，工作人员 往往被繁重的统计计算工作压得喘不过气来，无法抽出时间提高 业务素质，从事创造性的分析工作。 3 、数据丢失严重由于采场是移动性作业，工作条件比较 简陋，环境比较恶劣，因此，设备维修管理工作中的数据记录 难以妥善保存，许多记录、数据不完整，由此统计出来的结果欠 准确，给设备维修管理工作带来许多困难。 4 、维修缺乏针对性由于作业环境、承担任务和维护人员 素质等因素的影响，有的设备可能较旱进入磨耗期，有的设备可 能仍处于正常磨损范围，因此，对于技术状况不一的设备的维修 工作仍基于运转台时来实施维修显然缺乏针对性。 5 、维修成本高由于材料性能和制造工艺的改进，加之“无 维修思想”的运用，机械零部件的寿命有了延长，整机的结构和 布置亦更趋合理，固有可靠度有了大幅度提高。因此，仍然按照 设备使用时数定期地拆卸机械，以更换总成件来保证设备处于完 好状态，显然不合理。这种维修方式不仅增加了零件的消耗，造 成材料和零件的浪费，而且增加了维修强度，遣成人力的浪费； 加之由于施行维修，设备中止运行，势硌造成很大的经济效益和 社会效益的损失。 第三节系统详细设计 一、系统开发的方法 在系统研制开发过程中，为了保证整个系统按照预定的计划 目标有计划、分步骤地实施，又能满足用户不断变化的需求，必 须考虑软件的生命周期。为此，我们依据系统开发的基本原则， 将整个设计过程划分为需求分析，系统设计( 包括概要设计和详 细设计) 编码和测试，运行维护几个阶段。 在需求分析的基础上建立系统的初步原型，把原型向用户演 示并让用户使用，用户对原型中的慕些功能加以肯定，否定某些 不必要的功能，同时提出一些新的要求，然后根据用户对初步原 型提出的意见不断改进和完善，最终建立符合设计目标，满足用 户要求，具有良好性能的计算机辅助设备维修管理信息系统。系 统原型的建立是一个逐步完善、精益求精的过程，具体操作如图2 4 所示： 第二章系统设计概要及主要功能 | 用户和软件研制人员共同进行需求分析 软件研制人员快速开发原型 j l 软件研制人员向用户演示原犁 j 用户操作使用原型 是否符合实际满足要求 il l 用户提出修改意见和新要求 形成最终目标系统 i ， l 修改模型i 图2 4 系统原型开发过程图 这样不仅缩短了开发周期，降低开发费用；而且用户始终参 与系统开发，信息反馈及时、准确，增加了系统的可靠性：用户 在较短的时间内就可以看到系统原型，初步了解计算机工作的效 率，提高了参与开发的积极性，同时，参与过程也就是培训使用 系统的过程，有利于以后系统的使用与维护；可以保证系统有周 期的开发实施计划，保证用户与设计人员共同一致的设计目标。 本着以上的思想，在进行系统设计的过程中，我们一直遵循 着以下的原则； 1 ) 矿场领导亲自参与，系统开发与加强管理同步进行。因 为计算机辅助管理不是原手工系统的简单反映，它最基本的要求 是原始数据必须标准、规范、完整、准确，这些必须领导参与， 组织协调各部门的工作，建立适应计算机信息处理水平的现代化 管理模式。 2 ) 从实际出发，面向用户的原则。在系统设计的过程中， 我们与用户单位反复磋商，尽量考虑到环境和条件变化时系统的 可靠性和维护性，力求使系统具有一定的适应性和灵活性。 第二章系统设计概要及主要功能 3 ) 自丁贞向下，逐步细化的结构化系统设计原则。设计过程 中采用结构化的系统分析和设计方法，为了使系统易于修改，按 照功能把整个系统划分为几个小模决，各模决之间相对独立，每 个模决执行一定的功能，层层分解，减少各个部分之间的控制、 调用、交换信息等关系，使各模块内聚性好，接口尽量简单，模 块间尽量减少数据偶联，这样就可以对每一个模块进行独立编程、 调试、修改等而不影响其他模块和整个系统。按照这些原则，我 们将设备状态控制子系统划分为五个功能模块，如图2 - 5 所示： 图2 5 设备状态及控制模块结构图 参数控制子系统的详细功能如图2 6 所示： 其中检修参数小模块下的每个子模块都能实现参数的输入、修 改、删除、查询、打印、统计磨损规律和绘制趋势变化曲线的功 能，油样分析小模块则主要完成一些基本数据输入和基本报表的 输出，并对一些常见的磨损故障做出定性判断。 汽车当前配置子系统主要完成三个功能：1 ) 按车号；2 ) 第二章系统设计概要及主要功能 按全部车辆；3 ) 按其他总成件分别查询汽车的配置情况，其模 块结构如图2 7 所示。 图2 7 汽车当前配置子模块结构图 检修信息子系统和故障分析预报两个子系统的模块结构分另1 3 如图2 8 和2 9 所示。 图2 8 检修信息子模块结构图 函詈直 第二章系统设计概要及主要功能 图2 9 故障分析预报子模块结构图 事故管理子系统主要是完成一些故障的登录、查询、统计、 打印等基本功能，其模块结构图从略。 为了满足用户的需求，达到系统的可使用性、可靠性和可维 护性，采用如下的研制技术： 1 ) 全汉化菜单驱动方式。系统功能均以全汉化的菜单形式 提供用户选择，步步提示，层层引导，流行的彩色亮条纹和下拉 菜单交互使用，各层菜单赋予不同的色彩，层次分明，美观新颖， 与用户的接口十分友好，操作方便，用户不必专门培训即可使用； 2 ) 结构化程序设计。采用fo xpro2 5 的结构化程 序设计语言编程，按照功能把系统划分成相对独立的模块，把实 现同一功能的模块集成于一个过程文件中，采用含义明确的变量 名，程序中插入大量的注释，并将文档的编制贯穿于系统开发的 全过程，每一阶段产生的文档都严格审查验收后才开始编码，提 高了系统的可靠性、可测试性和可维护性； 3 ) 数据库安全设计。数据库中数据的安全是致关重要的， 一旦数据库中的数据遭到破坏，其损失是无法弥补的。我们采用 了以下的方法来保证数据库中的数据安全：设置口令系统，而且 用户输入口令时，屏幕不回显，增加了系统的安全性。 4 ) 设置录入数据缓冲区。设置录入缓冲区( 建临时库) ，先 让数据进入缓冲区，经较验确认数据无误后，再一次成批的输入 数据库。 第二章系统设计概要及主要功能 5 ) 采用信息编码，建立多种数据字典。由于处理的数据多， 信息量大，如不能提高录入检索速度，就体现不出计算机管理的 效率。 6 ) 由于采用了信息编码技术，用户录入时，很多项目均提 供数字代码或键入汉字相应的拼音字头，机器自动进行相应编码 及显示汉字，大大减轻了输入劳动量，保证了编码的准确 生。 7 ) 充分利用f0xp ro2 5 的优越性，使程序尽量简 洁、明了，性能优化。 第四节系统功能与目标 根据上述调查、分析，针对德兴铜矿采场设备及其控制中存 在的问题和双方协议要求，新研制开发的德兴铜矿采场主要生产 设备状态及其控制子系统应有以下功能： 登记、查询设备检修有关信息； 分析、打印主要设备的故障和故障原因； 统计设备的故障发生周期，预知故障可靠性； 引入油样分析，监测设备状态； 跟踪，打印主要设备总成； 查询、打印主要生产设备终身检修档案； 查询、打印设备历史事故； 跟踪设备当前状态。 根据功能要求，采场主要生产设备状态及控制予系统的设计 目标是加速和完善设备状态信息的流通、处理和综合利用，尽量 减少突发故障，减少故障停机率，帮助设备管理人员掌握设备故 障规律，提高工作人员的积极性和工作效率，最终达到降低成本， 提高经济效益，提高设备管理水平的目的。未来德兴铜矿c a m m 系 统的宏观模型如图2 1 0 所示。 第一节乎统设计概要曩主要功能 剥掣饔长墨蒜谣羔=o长摹蒜嚣1h匝 第三章设备状态管理控制理论及方法研究 第三章设备状态管理控制理论及方法研究 目前，对设备状态的管理主要有两种方法，一是利用统计学 原理，对设备的运行可靠性和技术性能进行可靠性分析乖预测： 另一种方法就是利用人工或专用的仪器、工具，按照规定的监测 部位进行间断或连续的监测，掌握设备异常的征兆和劣化程度， 对设备技术状态进行预测、预报，也就是通常所说的状态监测， 本论文的第五章对这种方法进行了简单地叙述。 第一节设备可靠性理论 一、可靠性特征量 设备可靠性的主要特征量有：可靠度、失效率、故障率、平均 无故障工作时间、有效度等。 1 ) 可靠度r ( t ) 和不可靠度f ( t ) 可靠度r ( t ) 是指设备在规定条件下和规定时间t 内完成规定 功能的概率。相应的，设备在规定时间t 内发生的概率称为设备不 可靠度，或累积故障率f ( t ) 。 2 ) 平均无故障工作时间m t b f 平均无故障工作时间m t b f 又称为平均故障间隔期、平均寿命 ( 0 ) ，是指相邻两故障间正常工作时间的平均值。设备的m t b f 愈长，设备愈可靠。 3 ) 失效率( 故障率) ( t ) 失效率是指工作到某时刻尚未发生故障的设备在该时刻以后 单位时间内发生故障的概率。 二、常用的故障分布函数 因为表示设备可靠性的各种特征量都与该设备的故障分布有 关，如果已知设备的故障分布函数，就可以求出设备的可靠度、 故障率等特征量。即使不知道设备具体的故障分布函数，而只知 道故障的分布类型，也可以通过对分布的估算求得某些可靠性的 估计数值。 根据可靠度的定义，它是设备使用到某时刻时无故障的概率， 因此可靠度可以用以时间t 为变量的分布函数r ( t ) 表示，即 r ) = 1 一f o ) = i f ( t ) d t t 式中f ( t ) 一故障分布函数( 累积故障率函数) ； 第三章设备状态管理控制理论及方法研究 f ( t ) 一故障分布密度函数( 累积故障率密度函数) ： r ( t ) 一可靠度函数。 他们之间的相互关系见图3 1 所示。 图3 一l 故障分布函数、故障分布高度函数与可靠度函数关系 故障率函数为 z = 需= 赢+ 警 平均无故障工作时问( 平均寿命) i d t b f m t b f = r ( t ) a t = f f ，( f ) d 00 根据这些特征量就可以对设备的技术状态进行可靠性预测。 图3 2 表示了他们之间的关系。 图3 2 可靠度函数 三、设备检修周期的控制 下面我仅仅针对几种典型的故障分布类型进行讨论 第三章设备状态管理控制理论及方法研究 1 ) 正态分布 设备的故障属于正态分布时，其故障密度的可靠度函数 r o ) = 1 一f 8 ) = 1 一f 秽，玎2 ) d r 0 此函数的曲线如图3 3 ( a ) 所示： ( a )( b ) 图3 3 正态分布曲线和正态分布型可靠度函数 t a ) 币态分布曲线：( b ) 正态分布型可靠度函数 母体平均值的估计值口和母体方差的估计值盯2 分别为 ；：毛+ r ：+ ”= 圭r a = 2 = 击2 = 石1 ( r ? 卅2 ) 显然，如果某一类设备的故障发生服从正态分布，当设备运 行时间t 等于平均寿命时，其相应的可靠度为5 0 ，见图3 3 ( b ) 。 也就是说，如果把平均寿命定为这种设备的检修周期，则大约有 一半设备在达到检修周期以前可以正常运行。 2 ) 指数分布 指数分布是设备故障分布中最广泛的一种。属于指数分布类 型的设备的可靠度函数为 月( f ) = 1 一f ( f ) = p “式中 为故障率。 第三章设备状态管理控制理论及方法研究 指数分布的故障分布密度函数f ( t ) 、故障率函数z ( t ) 和平均 寿命e 分别服从下列各式 f ( t 、= 2 e 一“ z ( t ) = 五( 常数) 口：一1 a 图3 4 所示为故障服从指数分布的图形 r f 十1 图3 4 指数分布可靠度函数 当时问t 等于平均寿命。时，可靠度为 r ( f ) = r ( 曰) = p 0 3 6 8 因此，在编制维修计划时，就可以参考在可靠度下降到0 3 6 8 之前进行检修，也就是说，如果把平均寿命确定为设备的检修周 期，则大约尚有6 3 的设备在达到修理周期之前不会发生故障。 四、设备维修决策的马尔柯夫优化理论 应用可靠性理论，通过对设备故障的统计分析，掌握设备的 技术状态，必须具备设备故障的详细而完整的记录，并且，对故 障的分析本身就是一件很麻烦的工作，它要求分析研究者对设备 有较深入的了解。另一方面，它忽略了维修措施对设备技术状态 的影响。实际情况是，设备大、中修不仅影响当时的维修效果， 对紧随其后的中修效果也有很大的影响，而且，随着使用时问的 增加，维修效果是不同的。换句话说，在设备不同役龄上，采取 相同的维修措施( 维修费用、维修间隔期等) ，并不能保证设备具 有相同的状态。因此，在现场实际管理工作中，我们采用单位时 第三章设备状态管理控制理论及方法研究 间工作量来表示设备的状态( 详细证明过程请参阅参考资料【4 0 】、 4 1 、 42 ) ，对统计学原理的可靠性指标进行修正，优化设备维 修模型。 马尔柯夫模型是依据设备的磨损和故障情况，将设备分为若 干状态，设备内部的磨损或技术状态的降低由状态转移来反映。 ( 一) 设备在自然条件下的磨损和状态转移 假定设备的磨损程度分为f + 1 个状态，i 表示状态编号( i = 0 ，1 ，2 ，f ) 。i = 0 表示新设备或设备处于最小磨损状态，i = f 表 示设备处于最大磨损或不能继续工作状态。 令x ，为某t 周期设备的状态变量，序列帆；t = 0 ，1 ) 是设备 在t = 0 ，1 各周期的设备状态的随机序列。由无后效性假设：t 周期设备状态若已知，t + 1 ( 下一个) 周期设备的状态仅与t 周 期之状态有关，与t 周期以前的历史状态无关。在自然条件下， 满足无后效性假设的设备状态随机序列h ；t = 0 ，1 ) 称为自然条 件下设备状态马氏链。记p ( x i y ) 为事件y 发生条件下事件x 发生 的条件概率，无后效性的数学表达式为 f ，= p i x f “= ，iz o = i o , x 1 = i i ，x = i j = p ( x = j i x ，= i k f ，j = o , 1 2 ，f 式中只一t 周期设备状态为i ，t + l ( 下一) 周期转入状态j 的条件概率，它与周期的具体时间无关，称为自然条件转移概率。 写成矩阵为 到达状态01 j f 出发状态 p z = 心埠|以|勰坼|如 |焉|； 可iiiiiuiiiiujl 第三章设备状态管理控制理论及方法研究 由概率性质有 弓= l ，且弓o ，i ，= o ，1 ，f 3 = 0 ( 二) 、采取维修措施时设备状态的转移 假定有r 个可行的维修措施，用d = e ，e 2 ，e 。) 表示这些 维修措施的全体。e 1 为自然条件；e r 是最高级别的检修：e 2 ，e 3 ， e r 一1 是各级修理( 如中修、大修等) 。 令d ，表示设备状态为i 时采取的维修措施变量，f + 1 个状态 的d ，构成措施向量d = d o d d ，) ，称其为一组策略。d ，的值可取 为措施集d 中的某个措施，即e 1 ，b 2 ，e r 中的任一个，而且 与周期t 无关，只与设备的状态i 有关。现在的问题就是寻求一 组措施d + = d ；，d j ， 使得设备的目标函数最优，d 则就是最 优策略。 设备经过维修，状态必然向好的方向转移。设备经过维修后 由状态i 转移到小于i 的状态j ，令p = i j 为状态改进步数， p = o ，1 ，f 。维修措施b 1 的改善效果用措施改进概率表示， 万b 满足石舶= l ，0 万抽1 p - 0 p 2 0 , 1 ，”一，f 一，21 , 2 一，只 r 个措施的改进概率向量组成矩阵万 石舢疗硎石r f 万矩阵为r f 阶，它表示：设备采取各种维修措施 ( e ，e 2 ，e 。) 时，设备状态改进0 f 步的概