基于实时信息的生产设备运行维护管理系统研究_设备管理_企业管理_645

1、基于实时信息的生产设备运行维护管理系统研究_设备管理_企业管理0 引 言 对于制造型企业而言，生产设备是企业赖以生存的关键，对设备资产进行有效的管理和维护，使设备的效能得到充分的利用，是企业管理的重要内容。强化设备维护管理、确保设备完好率、最大限度降低设备故障率、减少设备维护成本、规范作业流程、整理和规范管理基础数据资料、建立起适应今后发展的设备维护管理模式，在企业的经营管理中占有不可替代的重要地位。 目前，大多数的生产设备运行维护管理系统只能提供信息集成和基本业务处理功能，并且大多集中在比较独立的业务处理上（如设备维修、备件、管理等），维护管理与设备日常运行数据缺乏关联，因此很难通过对生产设

2、备运行效能的实时数据采集和关键绩效指标的计算进行科学决策，其不足之处主要体现在：（1）以手工方式处理数据，维护费时费力；（2）设备状态、能力、负荷等动态信息反馈不及时，且现行管理手段无法向管理人员提供相应的运行维护数据分析、运行提示和报警信息；（3）设备的保养、维修等业务缺乏规范化管理。 笔者根据制造型企业生产设备的应用特点，结合“设备综合效率（Overall Equipment Effectiveness，OEE）”分析和“设备功能区块图”技术，提出一种基于设备实时工况信息的设备运行维护管理系统设计方案。该方案既适用于独立的设备实时监控系统的开发，也可以应用于生产制造执行系统（Manufac

3、turing Execution System，MES）中设备管理子系统的设计，不仅可以实现对生产设备状态的实时监控、提高设备运维管理能力，还可以强化其它MES子系统的功能。1 支持实时监控的设备运行维护管理框架 由于科技的进步，制造设备的功能更为复杂，数量更加庞大，维护人员往往面对繁琐的工作以及应对措施的不确定性，发生错误的可能性增大。对于大型制造企业，运行维护的主要目的是要提高设备可用度，减少设备停机时间（Downtime），使设备尽量处于生产状态中。因此维护响应的实时性以及调度管理的合理性就显得非常重要。对设备进行实时维护管理所应具备的主要功能包括：（1）对设备状态的实时反馈；（2）对设

4、备制造参数的有效控制；（3）对设备停机模式的有效分析；（4）维护和修理工作的标准化；（5）对设备停机原因的追踪与分析；（6）对设备运行效能指标的计算；（7）对运行维护历史数据的统计记录；（8）对维护工单的有效管理；（9）对维护任务的有效安排。 要实现“设备状态的实时反馈”与“设备制造参数的有效控制”，系统就必须具有实时监控功能。而要实现“设备停机模式的有效分析”、“维护和管理工作的标准化”、“设备停机原因的追踪与分析”、“设备运行效能指标的计算”等功能，笔者认为采用基于“设备综合效率（Overall Equipment Effectiveness，OEE）计算”的方法，将可以达到目标。对于“运

5、行维护历史数据的统计记录”、“维护工单的有效管理”这2个方面，系统应该具备智能化的数据库维护管理能力。对“维护任务的有效安排”功能，则可以采用基于对维护周期的计算来实现。为了满足以上要求，笔者提出设备运维实时管理的四层结构框架，包括设备信息采集层（EIC）、实时监控管理层（RTM）、效能分析层（ECA）和设备调度管理层（ESM），如图1所示。图1 支持设备运行维护实时管理的四层结构框架2 设备信息采集层与实时监控管理层 对造成设备停机的原因进行自动检测和准确区分，是设计一个智能化的设备管理系统的关键之一。设备信息采集层的主要作用与生产设备的电气系统或者控制系统相连接，自动检测设备的运行数据包括

6、设备参数（如温度、压力、时间等）、停机纪录、故障状态等信息。对于复杂程度较高的设备，造成停机可能有多种因素。例如对于“机器人故障”这一事件类别，可能有“传动系统失效”、“控制程序失效”、“外部安全连锁”等等具体的引起停工的原因。因此需要在基于设备状态信息采集的基础之上，对各种停机原因进行逻辑判断和代码定义，对每个事件类别里的所有停机事件进行设置。 实时监控管理层的主要任务，是在统一的软件平台上实时有效地监控所有生产设备的动态信息，并且实现以下功能：（1）及时地提供报警信息给维护人员；（2）记录停机设备、停机时间、停机代码、停机恢复时间等信息，以便将来的进一步分析； （3）提供各种管理报表，作为

7、管理决策的依据。与普通的自动化监控SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统不同，用于设备管理的实时监控管理系统不仅要反映现场设备的运行状态，还需要记录设备的维修时间、维护频率、维修人员、操作与环境条件等等。设备的实时化管理与生产活动密切相关，因此实时监控管理层还需要具备与生产调度的信息接口（如计划排产、物料装载数量、周期时间等），以及对设备可用状态的各种设置功能（如生产交班、清洗、停产等）。 对于设备工况信息的采集，则可以根据设备的种类采用不同的信号采集方案： （1）具备数据通信接口的制造设备 在一个企业中，特别是在自动化程度比较高的大

8、中型制造企业中，存在着多种不同层次的生产设备，以及为这些设备配套的电气与控制系统，如PLC、DNC、计算机终端等。在本方案中可以把生产设备及其电控系统作为一个整体统一称为制造设备。对于配置有数字化电控系统的制造设备，一般都有可供远程通信的硬件接口，其中既有采用以太网络支持OPC、DDE等标准协议的设备，也有使用RS232485、现场总线等方式采用设备厂家提供通讯协议的设备，这为设备监控数据获取带来了难度。 （2）不具备数据通信接口的制造设备 制造企业还存在不同种类的基于传统电气线路的制造设备，如马达电控箱、不带数控装置的操作屏、电信号仪表盘等等。这些设备的共同特点是没有数字化的信息处理单元，而

9、是采用硬接线IO接口传递信号，如离散量信号采用1224VDC、220380VAC；模拟量信号采用15VDC、010VDC、420mA等。对于传统电气电路中状态点与模拟量参数的采集，如何选用合适的信号采集装置，并且将信号通过标准协议送人设备管理系统，是系统设计时必须着重考虑的方面。 由于大型工厂的数据采集对象分布广泛且数量众多，在设计中需要采用一个统一的数据通信标准，以便融合多种设备数据采集技术，实现低成本的实时数据采集。OPC（OLE for Process Control）即用于过程控制的OLE，是得到广泛应用的标准之一，可以使设备工况信息的采集与信息化管理系统在统一的网络平台上方便地实现标

10、准化的数据交换。 在实际设计的设备信息采集子系统时，可以把设备对象分为支持OPC协议的设备和不支持OPC协议的设备。对带OPC接口的设备，直接通过OPC标准进行数据采集与传输；对于其它接口如PIE、DNC、触摸屏等，可以使用数据采集与通信模块，通过以太网、现场总线、IO接口卡等多种集成方式传输到OPC协议转换模块。采用OPC实现设备数据采集的过程如图2所示。图2 基于OPC机制的制造设备数据采集3 基于OEE计算的停机与效能分析 OEE（Ovemll Equipment Effectiveness），即设备综合效率，是一种用于分析设备使用效能的计算工具，可以表现实际的生产能力相对于理论产能的比

11、率。一般在OEE计算中采用的基础时间是以计划内的运转时间作为绩效基准。为了更为精确地统计产能利用率，笔者引入非设备因素停机的概念，修改了OEE的算法，采用完全有效生产率TEEP（Total Effeetive Equapment Performane）指标，把所有与设备有关和无关的因素都考虑在内来全面反映企业设备效率。 3.1 OEE的概念和计算 一般概念上的OEE指的是设备负荷时间内实际产量与理论产量的比值，其计算方式由3个部分组成，分别是利用率、表现指标和质量指标（Availabilny，Performance and Quality），或者分别称为时间开动率、性能开动率和合格品率。在实际

12、的日常管理中，OEE主要依靠对设备的预防性维护周期机制实现生产能力改进，如图3所示。图3 OEE对生产能力的改进机制 将利用率、表现指标和质量指标分别表示为AV、PE和QU，则有： OEEAVPEQU （1） 其中：，T1为日历总时间（Total Time）；D1为设备停机时间（Downtime），D1DatDnt，Dat为生产停机时间（Scheduled Downtime），Dnt为非生产停机时间（Nonscheduled Time）。 PEReOe，Re为净开动率（Rate Effieiency），Tpt为生产总时间（Total Productive State Time），Top为开动时

13、间（Equipment Operational Uptime）；Oe为速度开动率（Operational Efficiency），等，CTi为理想加工周期（Ideal Cycle Time），CTa为实际加工周期（Actual Cycle Time）。 ，Op为加工数量（Total Processed Operational），Or为废品与次品数量（Rejects Operational）。 例1：假设某个设备的Tt168h；生产停机时间（Scheduled Downtime）为28h；非生产停机时间（Nonscheduled Time）为8h。则按照公式（1）可以计算出利用率： 例2：若该设

14、备可以加工两种产品，生产过程情况如表1所示。表1 两种产品的生产过程示例 按照表1可以计算出： 表现指标AV0.8290.77664.3% 例3：若该设备加工产出情况如下：A产品总产量为573件，其中有返工品47件，废品2件；B产品总产量为1101件，其中有返工品68件，废品3件；两种产品总产量为57311011674件，返工品总计为4768115件，废品总计为235件。 按照公式（1）可以计算出： 最后计算出OEE为： OEE0.786（Avail）0.643（Perf）0.928（Qual）46.9% 3.2 采用TEEP对OEE计算的修正 在一般的OEE计算中，企业的生产时间停机包括交接

15、班停机、换线备料、日常维护等等，非生产时间停机包括节假日停机、停工、维修等等。这些事件一般都可以归类为计划内停机，并且容易通过手工记录的方式计算OEE。然而生产过程中往往会发生许多突发事件，即存在设备外部因素停机时间，也是造成设备产能下降的主要原因。能够对这些突发事件造成的生产能力损失进行统计和分析，是完善OEE计算和管理的关键。若采用笔者提出的设备运行维护实时管理四层结构框架设计，并且结合完全有效生产率TEEP的概念对OEE进行修正，则不仅可以计算设备运行效能指标，并且可以实现“设备停机模式的有效分析”、“维护和管理工作的标准化”、“设备停机原因的追踪与分析”等多种功能。 在OEE计算中，设

16、备利用率。若引入完全有效生产率TEEP条件，则可以定义重新修订设备停机时间Dt为： DtDatDntDut （2） 其中：Dut为设备外部因素停机时间（Unscheduled Downtime）。 此时在OEE计算中，设备利用率，即开动时间和总时间之比。其中开动时间成为完全有效生产时间，TopTt（DatDntDut），其它公式的算法和项目内容不变。此时，OEE可以反映完全有效生产率TEEP，并且分别反映出全部类型的生产能力损失，如图4所示。图4 完全有效生产率及产能损失状况分类 要做到精确地计算完全有效生产时间Top，能够对设备外部因素停机时间即异常停机时间进行自动检测和精确统计是技术上的难

17、点之一。笔者引入设备失效模式分析和关键性原因分析的概念，并且提出基于“功能区块图”的设计方法，将可以较好地解决这个问题。4 设备失效模式分析和关键性原因分析 在图4中，工厂中的设备有六种状态：加工生产状态、设备空闲状态、设备调整或初始化状态、生产时间停机、非生产时间停机以及异常情况停机。一个智能化的设备管理系统，当设备无法正常工作时，首先必须找出并且界定失效模式。对于生产时间停机状态和非生产时间停机状态，因涉及人工调度，其失效模式和关键原因均比较容易区分和表达。而对于因为异常情况的发生所造成的设备停机，其原因可能是相当复杂的。尤其是某些复杂程度较高的设备，出现故障时需要立即确定造成关键原因并且

18、给出应对方案，这就为设备管理的能力带来较大的挑战。采用功能区块图的设计方法，可以比较方便地对失效模式进行分类和对故障原因进行判断。 4.1 功能区块划分 对构成设备的各个功能区块进行划分。主要是便于将来对造成设备失效的原因进行细致的逻辑分析，设计出功能区块图。首先依照构成设备的内部元件情况，分层次对失效原因进行功能区划，然后基于功能区划编制出对应的功能区块图。 例如，注塑机的构成主要有三大部分：锁模机构、射出机构和电控机构。其中电控机构包括输入机组板、输出机组板、位置控制板、温度控制板、主机板及人机界面等。根据以上情况，对注塑机的功能区块进行划分，如图5所示。图5 对注塑机失效模式的功能区块划

19、分 4.2 功能区块图 功能区块图的主要作用是可以清晰地展现设备故障和触发信号之间的逻辑关系。其构成包括3个部分：触发信号、逻辑判断和结论输出，其中，结论输出代表了造成故障的关键原因，如图6所示。图6 功能区块图模型 例如，若注塑机的锁模机构失效模式包括无法锁模、无法开模，则可以将失效模式分别定义为M1、M2。其中，造成无法锁模M1的关键原因包括前后安全门未关、电磁阀未动作、拖模未复归、输入机组板故障等，则可以将故障代码分别定义为E1、E2、E3和E4。前后安全门未关故障的触发信号包括关前后安全门输出信号、前后安全门到位信号，分别定义为I1、I2；电磁阀未动作故障的触发信号包括开锁模电磁阀、开

20、锁模回油电磁阀、锁模电磁阀到位、锁模回油电磁阀到位、超过动作延迟时间，分别定义为I3、I4、I5、I6和I7，则有：M1E1E2E3E4；E1I1I2；E2I3I4I5I6。其中，“”和“”为布尔逻辑运算符“或”及“与”，对于更为复杂的逻辑判断，可以采用“故障树”、“模糊逻辑”和“概率逻辑”等方法，因篇幅所限，在此不再赘述。5 基于设备失效模式分析和设备效能分析的设备调度管理子系统 效能分析层需要实现的主要功能包括“设备停机模式的有效分析”、“维护和管理工作的标准化”、“设备停机原因的追踪与分析”、“设备运行效能指标的计算”等。需要重点考虑的方面有：对设备状态的有效分析，主要解决生产制造过程和

21、相关停机事件的定义和逻辑建模。对设备失效模式与关键性原因分析。对于复杂设备，可以首先把构成设备的各个部件进行分区，建立功能区块图，再根据因失效发生而造成的功能丧失情况建立失效模式，进而根据历史记录记录和检索设备失效的关键性原因。采用OEE计算，统计设备可利用率等效能指标并且对产能损失进行归类，分析设备产能利用率，为各种生产管理和调度提供关键绩效数据（KPI）。若要建立一个智能化程度较高的设备效能分析子系统，必须有效利用设备实时监控子系统的数据处理功能。 设备维护调度管理层的主要功能包括“运行维护历史数据的统计记录”、“维护工单的有效管理”等。具体需要考虑的方面有维护报告、预防性维护、工单管理、

22、设备采购的原始信息、维护人员管理、工具控制管理等等。若需要在制造执行系统MES的平台上设计设备维护调度管理子系统，则维修工单的发放与执行必须与计划排产系统协调配合，确定工单的优先等级。维护工单除了需要落实例行性维护工作之外，也能够执行预防性维护周期机制所得出的维护进度安排，使设备的利用率与成本费用能够达到最佳目标。设备效能分析层与设备调度管理层的功能模型如图7所示。图7 设备效能分析层与设备调度管理层的功能模型6 系统应用 笔者提出的结构框架不仅适用于多机台的工件车间设备运维管理，也适用于以流水线为主的制造车间生产设备运维管理。笔者应用以上功能模型，为广东省内某知名日化企业的包装车间设计了一套

23、功能较为完备的实时设备运维管理系统。该企业的包装车间总共有12条全自动化的包装流水线，均采用PLC作为现场控制设备，并且已经建设了一个面向整个车间的SCADA自动监控系统。笔者研制的设备运维管理系统与已有的SCADA系统紧密结合，通过OPC接口方式获取PLC所采集的设备运行状态和故障触发信号，采用功能区块图方法自动确定设备失效模式和分析故障原因，并且采用完全有效生产率指标TEEP自动计算设备的使用效能，所有的数据都可以和人员信息以及生产计划相互关联进行管理，取得了令人满意的应用效果。图8是该系统的运行界面截图。图8 生产设备运行维护实时管理系统的应用界面7 总 结 笔者提出的设备运维实时管理的

24、四层结构框架，包括设备信息采集层、实时监控管理层、效能分析层和设备调度管理层。实时监控层可以使系统及时获知设备状态和有效地控制设备制造参数；效能分析层可以有效地分析设备失效模式和关键原因，并且基于OEE计算自动统计设备的使用效能指标，为维护和管理工作的标准化奠定了基础；而设备调度管理层则可以记录维护管理的相关信息，并且有效管理维护工单，使设备维护活动能够实现科学合理化和落实效益的最大化。笔者提出的模型将有助于大型工厂复杂设备维护系统的设计和开发，使维护流程和管理运作达到最佳效率，从而进一步提升企业的竞争力。0 引 言 对于制造型企业而言，生产设备是企业赖以生存的关键，对设备资产进行有效的管理和

25、维护，使设备的效能得到充分的利用，是企业管理的重要内容。强化设备维护管理、确保设备完好率、最大限度降低设备故障率、减少设备维护成本、规范作业流程、整理和规范管理基础数据资料、建立起适应今后发展的设备维护管理模式，在企业的经营管理中占有不可替代的重要地位。 目前，大多数的生产设备运行维护管理系统只能提供信息集成和基本业务处理功能，并且大多集中在比较独立的业务处理上（如设备维修、备件、管理等），维护管理与设备日常运行数据缺乏关联，因此很难通过对生产设备运行效能的实时数据采集和关键绩效指标的计算进行科学决策，其不足之处主要体现在：（1）以手工方式处理数据，维护费时费力；（2）设备状态、能力、负荷等动

26、态信息反馈不及时，且现行管理手段无法向管理人员提供相应的运行维护数据分析、运行提示和报警信息；（3）设备的保养、维修等业务缺乏规范化管理。 笔者根据制造型企业生产设备的应用特点，结合“设备综合效率（Overall Equipment Effectiveness，OEE）”分析和“设备功能区块图”技术，提出一种基于设备实时工况信息的设备运行维护管理系统设计方案。该方案既适用于独立的设备实时监控系统的开发，也可以应用于生产制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）中设备管理子系统的设计，不仅可以实现对生产设备状态的实时监控、提高设备运维管理能力，还可以强化

27、其它MES子系统的功能。1 支持实时监控的设备运行维护管理框架 由于科技的进步，制造设备的功能更为复杂，数量更加庞大，维护人员往往面对繁琐的工作以及应对措施的不确定性，发生错误的可能性增大。对于大型制造企业，运行维护的主要目的是要提高设备可用度，减少设备停机时间（Downtime），使设备尽量处于生产状态中。因此维护响应的实时性以及调度管理的合理性就显得非常重要。对设备进行实时维护管理所应具备的主要功能包括：（1）对设备状态的实时反馈；（2）对设备制造参数的有效控制；（3）对设备停机模式的有效分析；（4）维护和修理工作的标准化；（5）对设备停机原因的追踪与分析；（6）对设备运行效能指标的计算；

28、（7）对运行维护历史数据的统计记录；（8）对维护工单的有效管理；（9）对维护任务的有效安排。 要实现“设备状态的实时反馈”与“设备制造参数的有效控制”，系统就必须具有实时监控功能。而要实现“设备停机模式的有效分析”、“维护和管理工作的标准化”、“设备停机原因的追踪与分析”、“设备运行效能指标的计算”等功能，笔者认为采用基于“设备综合效率（Overall Equipment Effectiveness，OEE）计算”的方法，将可以达到目标。对于“运行维护历史数据的统计记录”、“维护工单的有效管理”这2个方面，系统应该具备智能化的数据库维护管理能力。对“维护任务的有效安排”功能，则可以采用基于对维

29、护周期的计算来实现。为了满足以上要求，笔者提出设备运维实时管理的四层结构框架，包括设备信息采集层（EIC）、实时监控管理层（RTM）、效能分析层（ECA）和设备调度管理层（ESM），如图1所示。图1 支持设备运行维护实时管理的四层结构框架2 设备信息采集层与实时监控管理层 对造成设备停机的原因进行自动检测和准确区分，是设计一个智能化的设备管理系统的关键之一。设备信息采集层的主要作用与生产设备的电气系统或者控制系统相连接，自动检测设备的运行数据包括设备参数（如温度、压力、时间等）、停机纪录、故障状态等信息。对于复杂程度较高的设备，造成停机可能有多种因素。例如对于“机器人故障”这一事件类别，可能有

30、“传动系统失效”、“控制程序失效”、“外部安全连锁”等等具体的引起停工的原因。因此需要在基于设备状态信息采集的基础之上，对各种停机原因进行逻辑判断和代码定义，对每个事件类别里的所有停机事件进行设置。 实时监控管理层的主要任务，是在统一的软件平台上实时有效地监控所有生产设备的动态信息，并且实现以下功能：（1）及时地提供报警信息给维护人员；（2）记录停机设备、停机时间、停机代码、停机恢复时间等信息，以便将来的进一步分析； （3）提供各种管理报表，作为管理决策的依据。与普通的自动化监控SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统不同，用于设备管理的实时监控管理系统不仅要反映现场设备的运行状