設(shè)備在線維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢

劉本剛，劉 剛，王思廣，孔繁霽，潘高揚(yáng)

(沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司,遼寧 沈陽 110850)

0 引言

針對先進(jìn)加工設(shè)備在維護(hù)方面過度依賴經(jīng)驗、存在維修不足和過度維修的共性關(guān)鍵技術(shù)問題，立足于逐步實現(xiàn)先進(jìn)設(shè)備故障預(yù)測與健康管理網(wǎng)絡(luò)化、信息化、數(shù)字化，以及與飛機(jī)制造技術(shù)的融合，為保證設(shè)備性能和均衡生產(chǎn)提供技術(shù)保障，保障設(shè)備完好率和利用率，間接提升自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)效率，滿足精準(zhǔn)制造與重量控制需求，結(jié)合生產(chǎn)實際，圍繞提質(zhì)增效，開展數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)研發(fā)，通過描述設(shè)備的功能邏輯，開發(fā)適應(yīng)先進(jìn)加工設(shè)備的故障預(yù)測與快速診斷關(guān)鍵算法及模型，實現(xiàn)高效的個性化設(shè)備故障快速診斷和條件在線管理功能，將設(shè)備維護(hù)人員從重復(fù)、繁雜的功能性故障修復(fù)中解放出來，把寶貴的精力更多地放在提升設(shè)備性能、解決精度下降等關(guān)鍵問題上，對保障充分發(fā)揮新引進(jìn)設(shè)備的先進(jìn)功能與性能具有重要的意義。

1 設(shè)備維護(hù)方式及特點(diǎn)

設(shè)備維護(hù)主要有以下四種方式：

(1) 事后維修。早期的工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小，發(fā)生故障的后果一般并不嚴(yán)重，設(shè)備故障的影響僅局限于設(shè)備自身，為了提高設(shè)備的使用率，可以采用事后維修。但隨著設(shè)備復(fù)雜性和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，事后維修已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的維護(hù)需求。

(2) 預(yù)防性維護(hù)。預(yù)防性維護(hù)對設(shè)備故障以預(yù)防為主要目的，當(dāng)設(shè)備的故障征兆被發(fā)現(xiàn)后，對設(shè)備采取不同的維護(hù)決策，使設(shè)備保持在初始的功能狀態(tài)。目前，在國外的企業(yè)生產(chǎn)過程中，其是一種常見的維護(hù)方式。

(3) 狀態(tài)維護(hù)。通過監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行過程，結(jié)合設(shè)備健康預(yù)測技術(shù)，可避免事后維修方式的不足以及預(yù)防性維護(hù)方式的過度維修，相比較而言這是企業(yè)生產(chǎn)中最經(jīng)濟(jì)合理的維護(hù)決策方式，也是智能制造模式下設(shè)備維護(hù)的未來發(fā)展方向。

(4) 可靠性維護(hù)。其是一種預(yù)防設(shè)備故障重復(fù)發(fā)生、降低設(shè)備停機(jī)時間的基于可靠性的維護(hù)方式。

隨著新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與自動化技術(shù)不斷融合發(fā)展，企業(yè)及制造裝備的數(shù)字化及網(wǎng)絡(luò)信息化程度得到了迅猛提升，解決和提升先進(jìn)設(shè)備(成線)維護(hù)的技術(shù)手段[1，2]和信息化水平具有需求迫切性和技術(shù)可行性。

2 面向智能制造的狀態(tài)維護(hù)模式及功能

隨著開放性通信協(xié)議不斷完善和微型智能嵌入式芯片及傳感器技術(shù)蓬勃發(fā)展，通過在車間設(shè)備層及傳感層創(chuàng)建支撐數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理和過程控制的可靠透明的數(shù)據(jù)鏈路，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能算法，開展基于網(wǎng)絡(luò)信息化數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)備在線維護(hù)技術(shù)，實現(xiàn)基于狀態(tài)維護(hù)功能，不但對提高設(shè)備診斷效率和完好率具有重要意義，而且可以基于設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)增值服務(wù)進(jìn)行設(shè)備健康管理和設(shè)備性能、剩余使用壽命預(yù)測及自主維修決策，有利于支撐智能制造。面向智能制造的狀態(tài)維護(hù)系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 有利于提高設(shè)備自主維護(hù)能力和設(shè)備維修信息化水平。針對設(shè)備成線及先進(jìn)制造裝備應(yīng)用趨勢，生產(chǎn)流程對設(shè)備的功能完整性、性能穩(wěn)定性和可靠性及設(shè)備安全性的要求更加嚴(yán)格，這對設(shè)備的可維護(hù)性提出了空前高的要求，基于物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集及故障快速診斷和條件在線管理功能，有利于將設(shè)備維護(hù)人員從重復(fù)、繁雜的功能性故障修復(fù)中解放出來，把寶貴的精力更多地放在提升設(shè)備性能、解決精度下降等關(guān)鍵問題上，助力建設(shè)“設(shè)備自動化、人員高效化和管理信息化”生產(chǎn)線。

(2) 有利于充分挖掘數(shù)據(jù)資本潛力，助力精準(zhǔn)化、自動化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)管理與控制。提高生產(chǎn)效率單靠增加自動化設(shè)備、加強(qiáng)考核對成線的車間而言，整體效果是有限的，這需要系統(tǒng)、全面地挖掘潛力，從各個方面進(jìn)行優(yōu)化，無論是生產(chǎn)流程還是設(shè)備管理(包含設(shè)備維護(hù))上，數(shù)據(jù)化與數(shù)據(jù)資產(chǎn)“變現(xiàn)”是提高設(shè)備完好率、設(shè)備利用率和提升生產(chǎn)效率的重要途徑。以前通過信息化手段實現(xiàn)了運(yùn)營管理數(shù)據(jù)化，而現(xiàn)在需要真正從紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)中獲取更多對生產(chǎn)和設(shè)備維護(hù)有價值的信息，使數(shù)據(jù)變成一種企業(yè)資產(chǎn)，并促進(jìn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)“變現(xiàn)”，助力精準(zhǔn)化、自動化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)管理與控制。

(3) 有利于促進(jìn)物理與信息系統(tǒng)高度融合，助力生產(chǎn)計劃科學(xué)化、生產(chǎn)過程協(xié)同化、資源優(yōu)化?！叭绻麩o法度量它，就無法管理它”，設(shè)備數(shù)據(jù)可為計劃源頭、過程協(xié)同、設(shè)備底層、資源優(yōu)化、質(zhì)量控制、決策支持等六大管理方面提供直接、客觀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)對過程數(shù)據(jù)進(jìn)行及時干預(yù)，使設(shè)備加工過程完全受控，是保證科學(xué)化、精準(zhǔn)化的前提。如果信息化系統(tǒng)與設(shè)備脫節(jié)，就不能充分發(fā)揮自動設(shè)備數(shù)字化通信方面的優(yōu)勢，也就無法及時獲知全面的生產(chǎn)信息，沒有這些準(zhǔn)確、客觀的設(shè)備健康狀態(tài)、性能及剩余壽命等數(shù)據(jù)作支撐[3]，就難以及時做出科學(xué)決策，將會影響生產(chǎn)計劃。

3 設(shè)備狀態(tài)維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

基于狀態(tài)的設(shè)備維護(hù)能夠評估設(shè)備性能并進(jìn)行故障預(yù)測，從而大幅提高設(shè)備可靠性和故障診斷效率，有效解決傳統(tǒng)維護(hù)方式過度依賴經(jīng)驗導(dǎo)致維護(hù)效率低、成本高而且設(shè)備健康狀態(tài)評價模糊的問題，并能夠?qū)崟r監(jiān)控數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程，有助于挖掘和發(fā)揮設(shè)備運(yùn)行過程量數(shù)據(jù)的價值[4]，對提質(zhì)增效和保障設(shè)備完好率具有重要意義。同時，設(shè)備狀態(tài)維護(hù)也是智能生產(chǎn)線建設(shè)的需求，不但為設(shè)備維護(hù)提供數(shù)字化、智能化支撐，而且有助于提升先進(jìn)設(shè)備智能運(yùn)維及管控水平。設(shè)備狀態(tài)維護(hù)主要涉及現(xiàn)場總線技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)及其在具體場景中的應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 現(xiàn)場總線及網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，對車間不同型號、不同種類的設(shè)備和相關(guān)基礎(chǔ)平臺的互聯(lián)互通提出了更高、更迫切的需求，如何高效解決接口繁雜、協(xié)議混亂、數(shù)據(jù)交互低效的接口技術(shù)是實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)維護(hù)的基礎(chǔ)，當(dāng)前有效的途徑是使用OPC UA協(xié)議。

3.2 高實時性數(shù)據(jù)采集技術(shù)

不同于信息化設(shè)備管理，設(shè)備故障快速診斷與狀態(tài)預(yù)測等對數(shù)據(jù)實時性要求非常高，數(shù)據(jù)種類多(可以是任意可以采集到的數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)量大，如實現(xiàn)100 ms、10 ms級數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)高實時性在線采集與保存，以及滿足安全防護(hù)及旋轉(zhuǎn)部件狀態(tài)評估的嵌入式外部傳感器幾kHz到幾十kHz的采樣頻率的實時性數(shù)據(jù)采集。采用基于物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和輕量化的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)可以更好地支撐數(shù)據(jù)采集與傳輸，如MQTT協(xié)議、JSON格式等。

3.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的在線故障診斷與預(yù)測技術(shù)

由于涉及數(shù)控系統(tǒng)接口技術(shù)和人工智能技術(shù)，受制于先驗知識和樣本限制，在線故障診斷與預(yù)測技術(shù)通常需要結(jié)合線下學(xué)習(xí)訓(xùn)練、線上使用的方法來實現(xiàn)。長遠(yuǎn)來看，未來必須實現(xiàn)線上學(xué)習(xí)訓(xùn)練、不斷迭代、持續(xù)自動優(yōu)化模型和參數(shù)，才能提高故障快速診斷和狀態(tài)預(yù)測效率及準(zhǔn)確率，降低誤診斷率和誤報警率，同時提高系統(tǒng)魯棒性。

3.4 基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備健康管理技術(shù)研究與應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實施智能制造的重要手段和途徑，在基于云、邊、端等新一代信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)深度融合發(fā)展的背景下，如何開展面向設(shè)備健康管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無縫接入、存儲、處理和部署等技術(shù)是后續(xù)研究關(guān)注的重點(diǎn)之一。

4 結(jié)論

基于狀態(tài)維護(hù)模式的設(shè)備在線維護(hù)系統(tǒng)開發(fā)需總體規(guī)劃、分步實施。首先，通過在單點(diǎn)設(shè)備上開展數(shù)據(jù)自動采集、故障特征識別、設(shè)備健康診斷與預(yù)測、故障快速診斷、高效交互等技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用驗證，通過設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實時監(jiān)控與分析，評估設(shè)備健康狀態(tài)，并對早期故障特征進(jìn)行識別和快速診斷，開發(fā)基于實時狀態(tài)數(shù)據(jù)分析的故障快速診斷與修復(fù)系統(tǒng)，提升對設(shè)備故障預(yù)診斷和故障快速修復(fù)的能力；其次，再擴(kuò)展到多點(diǎn)、線及車間，以效益驅(qū)動，確保成功率；最終將事后維修為主的被動工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐誀顟B(tài)維護(hù)的主動維護(hù)工作模式，實現(xiàn)設(shè)備的信息化維護(hù)和精細(xì)化管控。