制造企業(yè)生產(chǎn)設備運行維護實時管理系統(tǒng)設備管理企業(yè)管理65

制造企業(yè)生產(chǎn)設備運行維護實時管理系統(tǒng)_設備管理_企業(yè)

管理1引言生產(chǎn)設備是制造企業(yè)的重要資源。設備運行維護管理的好壞直接影響車間生產(chǎn)任務的質(zhì)量和進度，是制約生產(chǎn)的重要因素。而現(xiàn)行制造業(yè)中設備的運行維護管理大多數(shù)還處在比較落后的階段，主要體現(xiàn)在：1）以手工方式處理數(shù)據(jù)，維護費時費力；2）設備狀態(tài)、能力、負荷等動態(tài)信息反饋不及時，且現(xiàn)行管理手段無法向管理人員提供相應的運行維護數(shù)據(jù)分析、運行提示和報警信息；3）設備的保養(yǎng)、維修等業(yè)務缺乏規(guī)范化管理。目前，設備管理的功能研究大多集中在比較獨立的業(yè)務處理上（如設備維修、備件、管理等），沒有從整體上對設備管理進行深入研究，并且維護管理與設備日常運行數(shù)據(jù)缺乏關聯(lián)，因此很難通過對生產(chǎn)設備運行效能的實時數(shù)據(jù)采集和關鍵績效指標的計算進行科學決策。筆者結合制造型企業(yè)生產(chǎn)設備的應用特點，通過對設備管理業(yè)務流程的整合、優(yōu)化，提出了一個基于“設備綜合效率（OverallEquipmentEffectiveness，OEE）”和“設備功能區(qū)塊圖”的設備實時監(jiān)控系統(tǒng)四層結構框架，該框架既適用于獨立的設備實時監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，也可以應用于生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（ManufacturingExecutionSystem，MES）中設備管理子系統(tǒng)的設計，不僅可以實現(xiàn)對生產(chǎn)設備狀態(tài)的實時監(jiān)控、提高設備運維管理能力，還可以強化其它MES子系統(tǒng)的功能。2支持實時監(jiān)控的設備運行維護管理框架由于科技的進步，制造設備的功能更為復雜，數(shù)量更加龐大，維護人員往往面對繁瑣的工作以及應對措施的不確定性，提高了錯誤發(fā)生的可能。對于大型制造企業(yè)，運行維護的主要目的是要提高設備可用度，減少設備停機時間（Downtime），使設備盡量處于生產(chǎn)狀態(tài)中二因此維護響應的實時性以及調(diào)度管理的合理性就顯得非常重要。因此，對設備進行實時維護管理所應具備的主要功能包括：1）對設備狀態(tài)的實時反饋；2）對設備制造參數(shù)的有效控制；3）對設備停機模式的有效分析；4）維護和修理工作的標準化；5）對設備停機原因的追蹤與分析；6）對設備運行效能指標的計算；7）對運行維護歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計記錄；8）對維護工單的有效管理；9）對維護任務的有效安排。要實現(xiàn)“設備狀態(tài)的實時反饋”與“設備制造參數(shù)的有效控制”，系統(tǒng)就必須具有實時監(jiān)控功能，而要實現(xiàn)“設備停機模式的有效分析”、“維護和管理工作的標準化”、“設備停機原因的追蹤與分析”、“設備運行效能指標的計算”等功能，本研究認為采用基于“設備綜合效率（OverallEquipmentEffectiveness，OEE）計算”的方法，將可以達到目標。對于“運行維護歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計記錄”、“維護工單的有效管理”這兩個方面，系統(tǒng)應該具備電腦化的數(shù)據(jù)庫維護管理能力。對“維護任務的有效安排”功能，則可以采用基于對維護周期的計算來實現(xiàn).。為了滿足以上要求，筆者提出設備運維實時管理的四層結構框架，包括設備信息采集層（EIC）、實時監(jiān)控管理層（RTM）、效能分析層（ECA）和設備調(diào)度管理層（ESM）,如圖1所示。圖1支持設備運行維護實時管理的四層結構框架3設備信息采集層與實時監(jiān)控管理層對造成設備停機的原因進行自動檢測和準確區(qū)分，是設計一個智能化的設備管理系統(tǒng)的關鍵之一，設備信息采集層的主要作用，是與生產(chǎn)設備的電氣系統(tǒng)或者控制系統(tǒng)相連接，自動檢測設備的運行數(shù)據(jù)，包括設備參數(shù)（如溫度、壓力、時間等），停機紀錄，故障狀態(tài)等信息。對于復雜程度較高的設備，造成停機可能有多種因素。例如對于“機器人故障”這一事件類別，可能有“傳動系統(tǒng)失效”，“控制程序失效”、“外部安全連鎖”等等具體的引起停工的原因，因此需要在基于設備狀態(tài)信息采集的基礎之上，對各種停機原因進行邏輯判斷和代碼定義，對每個事件類別里的所有停機事件進行設置。實時監(jiān)控管理層的主要任務，是在統(tǒng)一的軟件平臺上實時有效地監(jiān)控所有生產(chǎn)設備的動態(tài)信息，并且實現(xiàn)以下功能：1）及時地提供報警信息給維護人員；2）記錄停機設備、停機時間、停機代碼、停機恢復時間等信息，以便將來的進一步分析；3）提供各種管理報表，作為管理決策的依據(jù)。與普通的自動化監(jiān)控SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系統(tǒng)不同，用于設備管理的實時監(jiān)控管理系統(tǒng)不僅要反映現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)，還需要記錄設備的維修時間、維護頻率、維修人員、操作與環(huán)境條件等等。設備的實時化管理與生產(chǎn)活動密切相關，因此實時監(jiān)控管理層還需要具備與生產(chǎn)調(diào)度的信息接口（如計劃排產(chǎn)、物料裝載數(shù)量、周期時間等），以及對設備可用狀態(tài)的各種設置功能（如生產(chǎn)交班、清洗、停產(chǎn)等)。OPC是以OLE/COM機制作為應用程序級的通信標準，適用于工廠設備層的信息交換和共享，OPC標準定義了現(xiàn)場設備與上層計算機間交換自動化實時數(shù)據(jù)的方法。在實際設計的設備信息采集與實時監(jiān)控管理子系統(tǒng)中，可以包含以下幾個功能模塊：底層設備數(shù)據(jù)采集、通信處理，數(shù)據(jù)處理，設備SCADA監(jiān)控等，各模塊的關系如圖2所示。圖2制造設備運行參數(shù)采集與實時監(jiān)控4基于OEE計算的停機與效能分析OEE(OverallEquipmentEffectiveness)，即設備綜合效率，是一種用于分析設備使用效能的計算工具，可以表現(xiàn)實際的生產(chǎn)能力相對于理論產(chǎn)能的比率，一般在OEE計算中采用的基礎時間是計劃內(nèi)的運轉時間作為績效基準。為了更為精確地統(tǒng)計產(chǎn)能利用率，本文引入非設備因素停機的概念，修改了OEE的算法，采用完全有效生產(chǎn)率TEEP(TotalEffectiveEquipmentPerfonnanc)指標，把所有與設備有關和無關的因素都考慮在內(nèi)來全面反映企業(yè)設備效率。OEE的概念和計算一般概念上的OEE指的是設備負荷時間內(nèi)實際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的比值，其計算方式由三個部分組成，分別是：利用率、表現(xiàn)指標和質(zhì)量指標(Availability,PerformanceandQuality)，或者稱為時間開動率、性能開動率和合格品率。在實際的日常管理中，OEE主要依靠對設備的預防性維護周期機制實現(xiàn)生產(chǎn)能力改進，如圖3所示。

將利用率、表現(xiàn)指標和質(zhì)量指標分別表示為AV、PE和QU,則有:其中，公式1：OEE=AVXPEXQU；其中，，Ti為日歷總時間(TotalTime)，Di為設備停機時間(Downtime)；其中，D.=D+D,D為生產(chǎn)停機時間(ScheduledDowntime),D為非生產(chǎn)停機時間(NonscheduledTime)；PE=RXO,R為凈開動率(RateEfficiency),O為速度開動率(OpezationalEfficiency)；其中，,T.為生產(chǎn)總時間(TotalProductiveStateTime),T凡為開動時間(EquipmentOperationalUptime),CT.為理想加工周期(IdellCycleTime),CT為實際加工周期(ActualCycleTime)；,O為加工數(shù)量(TotalOperational),O為廢品與次品數(shù)量(RejectsOperational)o例1假設某個設備的Ti=168小時;生產(chǎn)停機時間(ScheduledDowntime)為28小時；非生產(chǎn)停機時間(NonscheduledTime)為8小時，則按照公式1,可以計算出：利用率例2若該設備可以加工兩種產(chǎn)品，生產(chǎn)過程情況如表1。表1兩種產(chǎn)品的生產(chǎn)過程示例分鐘/件；表現(xiàn)指數(shù)PE=0.829X0.776=64.3%。例3若該設備加工產(chǎn)出情況如下：A產(chǎn)品總產(chǎn)量為573件，其中有返工品47件，廢品2件；B產(chǎn)品總產(chǎn)量為1101件，其中有返工品68件，廢品3件；兩種產(chǎn)品總產(chǎn)量為573+1101=1674件，返工品總計為47+68=115件，廢品總計為2+3=5件。按照公式1,可以計算出：質(zhì)量指標I 最后，計算出OEE為：OEE=0.786(Avail)X0.643(Ped)X0.928(Qual)=46.9%采用TEEP對OEE計算的修正在一般的OEE計算中，企業(yè)的生產(chǎn)時間停機包括交接班停機、換線備料、日常維護等等，非生產(chǎn)時間停機包括節(jié)假日停機、停工、維修等等。這些事件一般都可以歸類為計劃內(nèi)停機，并且容易通過手工記錄的方式計算OEE，然而生產(chǎn)過程中往往會發(fā)生許多突發(fā)事件，即存在設備外部因素停機時間，也是造成設備產(chǎn)能下降的主要原因，能夠?qū)@些突發(fā)事件造成的生產(chǎn)能力損失進行統(tǒng)計和分析，是完善OEE計算和管理的關鍵。若采用本文提出的設備運行維護實時管理四層結構框架設計，并且結合完全有效生產(chǎn)率TEEP的概念對OEE進行修正，則不僅可以計算設備運行效能指標，并且可以實現(xiàn)“設備停機模式的有效分析”、“維護和管理工作的標準化”、“設備停機原因的追蹤與分析”等多種功能。在OEE計算中，設備利用率 I,若引入完全有效生產(chǎn)率TEEP條件，則可以定義重新修訂設備停機時間Dt為：公式2：Dt=Dst+Dnt+Dut其中，D為設備外部因素停機時間(UnscheduledDowntime)o此時在OEE計算中，設備利用率I I,即開動時間和總時間之比.其中開動時間成為完全有效生產(chǎn)時間，T=T-(D+D+D)，其他公式的算法和項目內(nèi)容不變。此時，OEE可以反映完全有效生產(chǎn)率、￡￡節(jié)，并且分別反映出全部類型的生產(chǎn)能力損失，如圖4所示。要做到精確地計算完全有效生產(chǎn)時間T,能夠?qū)υO備外部因素停機時間即異常停機時間進行自動檢測和精確統(tǒng)計是技果上的難點之一。本文引入設備失效模式分析和關鍵性原因分析的概念，并且提出基于“功能區(qū)塊圖”的設計方法，將可以較好地解決這個問題。5設備失效模式分析和關鍵性原因分析在圖4中，工廠中的設備有6種狀態(tài)：加工生產(chǎn)狀態(tài)、設備空閑狀態(tài)、設備調(diào)整或初始化狀態(tài)、生產(chǎn)時間停機、非生產(chǎn)時間停機，以及異常情況停機。一個智能化的設備管理系統(tǒng)，當設備無法正常工作時，首先必須找出并且界定失效模式。對于生產(chǎn)時間停機狀態(tài)和非生產(chǎn)時間停機狀態(tài)，因涉及人工調(diào)度，其失效模式和關鍵原因均比較容易區(qū)分和表達。而對于因為異常情況的發(fā)生所造成的設備停機，其原因可能是相當復雜的，尤其是某些復雜程度較高的設備，出現(xiàn)故障時需要立即確定造成關鍵原因并且給出應對方案，這就為設備管理的能力帶來較大的挑戰(zhàn)，采用功能區(qū)塊圖的設計方法，可以比較方便地對失效模式進行分類和對故障原因進行判斷。功能區(qū)塊劃分對構成設備的各個功能區(qū)塊進行劃分，主要是便于將來對造成設備失效的原因進行細致的邏輯分析，設計出功能區(qū)塊圖。首先依照構成設備的內(nèi)部元件情況，分層次對失效原因進行功能區(qū)劃，然后基于功能區(qū)劃編制出對應的功能區(qū)塊圖。

例如，注塑機的構成主要有三大部分：鎖模機構、射出機構和電控機構。其中電控機構包括：輸入機組板、輸出機組板、位置控制板、溫度控制板、主機板及人機界面等。根據(jù)以上情況，對注塑機的功能區(qū)塊進行劃分，如圖5。功能區(qū)塊圖功能區(qū)塊圖的主要作用，是可以清晰地展現(xiàn)設備故障和觸發(fā)信號之間的邏輯關系，其構成包括三個部分：觸發(fā)信號、邏輯判斷和結論輸出，其中，結論輸出代表了造成故障的關鍵原因，如圖6所示。

圖6功能區(qū)塊圖模型例如，若注塑機的鎖模機構失效模式包括：無法鎖模、無法開模，則可以將失效模式分別定義為：M、-M。其中，造成無法鎖模M的關鍵原因包括：前后安全門未關、電磁閥未動作、2拖模未復歸、輸入機組板故障等，則可以將故障代碼分別定義為：E、E、E和E。前后安全門未關故障的觸發(fā)信號包括：關前后安全門輸出信號、1前后安全門到J位信號，分別定義為：I、I；電磁閥未動作故障的觸發(fā)信號包括：開鎖模電磁閥、開鎖模回油電磁閥、1鎖模電磁閥到位、鎖?；赜碗姶砰y到位，超過動作延遲時間，分別定義為：I3、I4、I5、I6和I7，則有：M=E+E+E+E；E=I-I；E=I?I?I?I,其中：“+”和“?”為布爾邏輯運算符1或”4及1“與”「對于更為登雜的邏輯判斷，可以采用“故障樹”、“模糊邏輯”和“概率邏輯”等方法，因篇幅所限，在此不再贅述。6基于設備失效模式分析和設備效能分析的設備調(diào)度管理子系統(tǒng)效能分析層需要實現(xiàn)的主要功能包括“設備停機模式的有效分析”、“維護和管理工作的標準化”、“設備停機原因的追蹤與分析”、“設備運行效能指標的計算”等需要重點考慮的方面有：①對設備狀態(tài)的有效分析，主要解決生產(chǎn)制造過程和相關停機事件的定義和邏輯建模；②對設備失效模式與關鍵性原因分析，對于復雜設備，可以首先把構成設備的各個部件進行分區(qū)，建立功能區(qū)塊圖，再根據(jù)因失效發(fā)生而造成的功能喪失情況建立失效模式，進而根據(jù)歷史記錄記錄和檢索設備失效的關鍵性原因；③采用OEE計算，統(tǒng)計設備可利用率等效能指標并且對產(chǎn)能損失進行歸類，分析設備產(chǎn)能利用率，為各種生產(chǎn)管理和調(diào)度提供關鍵績效數(shù)據(jù)（KPI）。若要建立一個智能化程度較高的設備效能分析子系統(tǒng)，必須有效利用設備實時監(jiān)控子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能。設備維護調(diào)度管理層的主要功能包括“運行維護歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計記錄”、“維護工單的有效管理”等，具體需要考慮的方面有維護報告、預防性維護、工單管理、設備采購的原始信息、維護人員管理、工具控制管理等等。若需要在制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的平臺上設計設備維護調(diào)度管理子系統(tǒng)，則維修工單的發(fā)放與執(zhí)

行必須與計劃排產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，確定工單的優(yōu)先等級，維護工單除了需要落實例行性維護工作之外，也能夠執(zhí)行預防性維護周期機制所得出的維護進度安排，使設備的利用率與成本費用能夠達到最佳目標。設備效能分析層與設備調(diào)度管理層的功能模型如圖7所示。7系統(tǒng)應用本論文提出的結構框架不僅適用于多機臺的工件車間設備運維管理，也適用于以流水線為主的制造車間生產(chǎn)設備運維管理。筆者應用以上功能模型，為廣東省內(nèi)某知名日化企業(yè)的包裝車間設計了一套功能較為完備的實時設備運維管理系統(tǒng)。該企業(yè)的包裝車間總共有12條全自動化的包裝流水線，均采用PLC作為現(xiàn)場控制設備，并且已經(jīng)建設了一個面向整個車間的SCADA自動監(jiān)控系統(tǒng)。我們研制的設備運維管理系統(tǒng)與已有的SCADA系統(tǒng)緊密結合，通過OPC接口方式獲取PLC所采集的設備運行狀態(tài)和故障觸發(fā)信號，采用功能區(qū)塊圖方法自動確定設備失效模式和分析故障原因，并且采用完全有效生產(chǎn)率指標TEEP自動計算設備的使用效能，所有的數(shù)據(jù)都可以和人員信息以及生產(chǎn)計劃相互關聯(lián)進行管理，取得了令人滿意的應用效果。圖8是該系統(tǒng)的運行界面截圖。8總結本論文提出的設備運維實時管理的四層結構框架，包括設備信息采集層、實時監(jiān)控管理層、效能分析層和設備調(diào)度管理層。實時監(jiān)控層可以使系統(tǒng)及時獲知設備狀態(tài)和有效地控制設備制造參數(shù)；效能分析層可以有效地分析設備失效模式和關鍵原因，并且基于OEE計算自動統(tǒng)計設備的使用效能指標，為維護和管理工作的標準化奠定了基礎；而設備調(diào)度管理層則可以記錄維護管理的相關信息，并且有效管理維護工單，使設備維護活動能夠?qū)崿F(xiàn)科學合理化和落實效益的最大化。本論文提出的模型將有助于大型工廠復雜設備維護系統(tǒng)的設計和開發(fā)，使維護流程和管理運作達到最佳效率，從而進一步提升企業(yè)的競爭力。1引言生產(chǎn)設備是制造企業(yè)的重要資源。設備運行維護管理的好壞直接影響車間生產(chǎn)任務的質(zhì)量和進度，是制約生產(chǎn)的重要因素。而現(xiàn)行制造業(yè)中設備的運行維護管理大多數(shù)還處在比較落后的階段，主要體現(xiàn)在：1）以手工方式處理數(shù)據(jù)，維護費時費力；2）設備狀態(tài)、能力、負荷等動態(tài)信息反饋不及時，且現(xiàn)行管理手段無法向管理人員提供相應的運行維護數(shù)據(jù)分析、運行提示和報警信息；3）設備的保養(yǎng)、維修等業(yè)務缺乏規(guī)范化管理。目前，設備管理的功能研究大多集中在比較獨立的業(yè)務處理上（如設備維修、備件、管理等），沒有從整體上對設備管理進行深入研究，并且維護管理與設備日常運行數(shù)據(jù)缺乏關聯(lián)，因此很難通過對生產(chǎn)設備運行效能的實時數(shù)據(jù)采集和關鍵績效指標的計算進行科學決策。筆者結合制造型企業(yè)生產(chǎn)設備的應用特點，通過對設備管理業(yè)務流程的整合、優(yōu)化，提出了一個基于“設備綜合效率（OverallEquipmentEffectiveness，OEE）”和“設備功能區(qū)塊圖”的設備實時監(jiān)控系統(tǒng)四層結構框架，該框架既適用于獨立的設備實時監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，也可以應用于生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（ManufacturingExecutionSystem，MES）中設備管理子系統(tǒng)的設計，不僅可以實現(xiàn)對生產(chǎn)設備狀態(tài)的實時監(jiān)控、提高設備運維管理能力，還可以強化其它MES子系統(tǒng)的功能。2支持實時監(jiān)控的設備運行維護管理框架由于科技的進步，制造設備的功能更為復雜，數(shù)量更加龐大，維護人員往往面對繁瑣的工作以及應對措施的不確定性，提高了錯誤發(fā)生的可能。對于大型制造企業(yè)，運行維護的主要目的是要提高設備可用度，減少設備停機時間（Downtime），使設備盡量處于生產(chǎn)狀態(tài)中二因此維護響應的實時性以及調(diào)度管理的合理性就顯得非常重要。因此，對設備進行實時維護管理所應具備的主要功能包括：1）對設備狀態(tài)的實時反饋；2）對設備制造參數(shù)的有效控制；3）對設備停機模式的有效分析；4）維護和修理工作的標準化；5）對設備停機原因的追蹤與分析；6）對設備運行效能指標的計算；7）對運行維護歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計記錄；8）對維護工單的有效管理；9）對維護任務的有效安排。要實現(xiàn)“設備狀態(tài)的實時反饋”與“設備制造參數(shù)的有效控制”，系統(tǒng)就必須具有實時監(jiān)控功能，而要實現(xiàn)“設備停機模式的有效分析”、“維護和管理工作的標準化”、“設備停機原因的追蹤與分析”、“設備運行效能指標的計算”等功能，本研究認為采用基于“設備綜合效率（OverallEquipmentEffectiveness，OEE）計算”的方法，將可以達到目標。對于“運行維護歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計記錄”、“維護工單的有效管理”這兩個方面，系統(tǒng)應該具備電腦化的數(shù)據(jù)庫維護管理能力。對“維護任務的有效安排”功能，則可以采用基于對維護周期的計算來實現(xiàn).。為了滿足以上要求，筆者提出設備運維實時管理的四層結構框架，包括設備信息采集層（EIC）、實時監(jiān)控管理層（RTM）、效能分析層（ECA）和設備調(diào)度管理層（