基于MRO的重型機床閉環PLM模型及關鍵技術研究

摘 要：重型機床裝備具有種類多、生命周期長、設計驗證難度大、針對性強、數據動態性強、運行環境與狀態復雜等特點，現有PLM（Product Lifecycle Management）系統難以滿足重型機床反饋設計、運行和MRO（Maintenance，Repair and Overhaul/ Operation）管理的需求。對此，提出基于MRO的重型機床裝備閉環全生命周期管理系統，建立由維護閉環、運行閉環及基于MRO的設計閉環組成的智能化三重閉環PLM模型；建立閉環PLM系統架構，包括基礎資源層、數據集成層、系統功能層和產品應用層；分析系統實施的基礎技術、智能化運行的專項技術。

關鍵詞：閉環PLM MRO 知識資源 制造服務

中圖分類號：TH17 TP315

0.引言

重型機床是高端裝備的重要組成部分，是振興裝備制造的重點之一，廣泛應用于能源、交通、船舶、工程機械、冶金、航空航天、軍工等重點行業和領域。重型機床種類多、數量多、生命周期長、階段復雜；機床數據包括設計、制造、運行環境、狀態、使用等數據；機床數據在生命周期各階段不斷變化，特別是運行過程和運行環境。重型機床數據數量大、種類多、動態性強，具有大數據特點[1]。近年來，我國重型機床行業在設計制造能力和產品智能化方面都有長足進步，但是在全生命周期管理方面還有很大不足，如重型機床生命周期數據管理、數據利用效率，運行維護管理以及基于數據的反饋設計等。

通過行業分析與典型企業調研，重型機床業在設計、運行、維護維修和大數據管理等方面還存在五個方面的顯著需求：（1）管理生命周期數據，反饋到設計端，驗證原始設計的正確性，并進行優化設計和創新設計；（2）提取制造過程中的關鍵要素，形成加工資源庫，為重型機床加工使用提供參考；（3）建立MRO數據平臺，分析健康度、診斷故障，實現MRO智能化管理；（4）追蹤和回溯自身信息，實現設計、制造、使用維護、服務一體化集成；（5）建立面向重型機床的共性知識服務體系，整合行業創新資源，解決重型機床發展中的共性、關鍵技術問題。

為有效管理重型機床生命周期大數據，用生命周期后期階段數據反饋于生命周期前期階段，指導重型機床設計、加工服務和MRO智能服務，需要研究與構建重型機床閉環產品生命周期管理系統模型及其關鍵技術。

1.智能閉環PLM模型

國內外的專家學者對閉環PLM系統做了一些研究，Kiritsis以通訊技術和智能產品為基礎，提出了相應閉環管理的框架[2]。Matsokis建立了以本體為基礎的支持閉環PLM的產品數據和知識管理語義對象模型[3]。重慶大學的王旭教授對此進行過綜述研究，提出：閉環PLM是一種有效管理產品生命周期活動的信息化戰略，通過獲取全生命周期內與產品相關的數據，并進行數據的集成、轉化和分享實現全生命周期內跨組織間信息流的閉環管理[4]。現階段，針對閉環PLM系統的研究也集中于綜述以及階段性的閉環系統，沒有建立從產品MRO到產品設計的大閉環模型，更沒有相關的技術研究，提出實際的企業應用方案。

結合重型機床裝備的行業需求、PLM發展現狀和趨勢，本文提出一種新型的基于MRO的閉環PLM系統模型（如圖1所示），實現基于知識的產品全生命周期過程精細化、智能化管控。集成機床全生命周期大數據，進行分類管理和使用目標性管理。

圖1 基于MRO的三重閉環PLM模型（1） 重型機床運行智能閉環模型

針對重型機床運行工況復雜、環境對產品性能影響大、產品對環境感知能力差、自適應和自調整能力不足的特點，建立運行智能閉環。通過有效的反饋機制，機床數據反作用于機床運行過程，根據加工環境和加工狀態，進行自調整和自適應，保證設備和人員安全以及加工精度和加工質量，提高重型機床的加工穩定性。

（2） 重型機床維護智能閉環模型

針對重型機床裝配調試難度大、故障損失影響大、使用壽命長、可靠性要求高、故障診斷困難、人工干預能力差、故障預警能力低等特點，建立維護智能閉環。整理融合機床生命周期各階段數據、故障診斷知識和經驗以及機床運行數據，形成基于知識的MRO服務體系，進行健康度分析和故障診斷，提供機床維護維修計劃，提高機床運行可靠性及無故障運行時間，延長使用壽命。

（3） 基于MR的設計閉環模型

重型機床產品設計階段對運行使用、維護維修及故障分析考慮不足，缺少對原始設計的驗證和結構優化改進，難以滿足重型機床單臺套定制化設計、高精度和高可靠性要求；缺少對機床使用階段的工藝設計和指導，缺乏機床操作使用標準和工藝規劃參考。針對這一特點，建立基于MRO數據反饋的設計閉環。機床數據反作用于機床設計，支持機床優化和創新，更好地為機床開發服務。

2.閉環PLM系統實現

為了實現上述基于MRO的重型機床裝備閉環PLM系統，提出了如圖2所示的面向重型機床裝備的閉環PLM系統構架，包括基礎資源層、數據集成層、平臺功能層和產品應用層。

圖2 閉環PLM系統架構基礎資源層。系統構架的最底層，由數據采集設備、網絡設備和集成開發環境組成。采集機床運行狀態數據和環境數據，并進行數據傳輸和數據交換。數據集成層。提供數據和知識支持。運用數據處理技術，實現數據集成，并采用知識獲取、知識識別等技術，提取機床的各階段知識并與專家系統有效地整合在一起，形成覆蓋機床全生命周期的知識體系。平臺功能層。將知識數據功能化，提供各項服務功能，包括機床狀態監控、運行環境監控、機床知識服務、機床設計反饋、遠程故障診斷、維修維護計劃、維修執行監控、機床操作指導和加工工藝制定等。產品應用層。將閉環PLM系統付諸實踐的過程，結合機床共性和不同機床的特性，構建不同機床系列的閉環PLM體系，實現機床全生命周期的數據管理以及數據反饋，提高運行質量和運行穩定性，實現優化設計。

3.關鍵技術分析

3.1系統開發基礎技術

系統開發的基礎技術包括數據接入與感知技術、數據融合與處理技術、產品全生命周期數據管理技術和知識服務技術。獲取重型機床生命周期各階段的復雜、動態以及分散的數據；根據數據特性，分析處理后實現統一管理；結合云計算和云制造的思想，整合機床業分布的知識資源，將整合后的知識資源發布出去，提供知識服務。

3.2系統開發專項技術

1.運行智能閉環關鍵技術

應用傳感器和ECU模塊，感知機床所處環境狀態和運行狀態，通過自檢測技術、自調整與自適應技術，實現運行閉環功能。

重型機床ECU自監測技術。針對實時故障診斷難、安全預警需求強、突發狀況處理及時性要求高等特點，運用嵌入式ECU系統，實時獲取機床加工狀態，鑒別機床當前工作狀態，對非安全狀態提出預警；對處于突發異常狀態的機床采取自處理措施，智能控制機床的啟停狀態，切換機床的工作模式。

重型機床ECU自調整與自適應技術。重型機床的加工性能受到工作環境、工作狀態及加工對象的影響較大，通過分析機床所處環境信息、運行信息、關鍵零部件壽命信息，形成基于設備ECU智能控制系統，根據環境情況調整機床參數。

2.維護智能閉環關鍵技術

基于知識的健康狀態分析與故障診斷技術。提取設備狀態特征，確定狀態評價標準，評價設備當前狀態及健康度，預測其變化和發展趨勢。及時正確地對異常狀態或故障狀態做出預警，診斷出引起狀態變化的本質原因，定位故障位置和失效模型，并提出合理的維修方案。

基于知識的MRO管理體系與技術。將MRO各管理模塊結合起來，形成管理框架，調用診斷知識數據，為MRO決策提供數據支持；同時，決策產生的維修數據也可以反饋到知識庫，使知識不斷豐富。主要包括MRO需求管理模塊、MRO過程管理模塊、過程優化模塊、服務評價模塊和備品備件管理模塊。

3.基于MRO反饋的設計閉環關鍵技術

從產品設計和工程設計兩個方面對重型機床進行優化設計，提高設計可靠性，同時提高重型復雜機床的無故障運行時間，延長使用壽命。

基于故障數據反饋的d-FMEA產品設計技術，通過對故障數據的分析，確定產品故障的類型：由設計缺陷導致的故障、由產品壽命導致的故障、由顧客誤用所導致的故障，根據不同的故障類型，采取相應的措施，進行設計改進，避免故障再次發生。基于運行數據反饋的工程設計技術，針對運行環境和機床加工對象的差異性，進行輔助工藝編制和產品加工，提供關鍵工藝的工程設計服務，保證設備的最佳運行狀態。

4.結束語

隨著重型機床設備業的不斷發展，用戶對于機床的定制化、個性化需求越來越強烈，同時對于機床大數據管理、維護維修要求也越來越高，基于MRO的閉環PLM系統能夠實現產品大數據管理，運行狀態監控，提供維護服務，反饋產品設計，將越來越受企業的青睞。本文在深入分析重型機床的行業大數據管理、智能設計和運行維護需求，行業發展趨勢的基礎上，提出基于MRO的重型機床裝備閉環PLM系統；描述了閉環PLM理論模型和系統架構；然后詳細闡述了實施閉環PLM系統的基礎技術和專項技術。為重型機床生命周期管理提供新的方向，同時也為閉環PLM系統的開發實踐提供了詳細的理論基礎和技術支持。

參考文獻：

[1] 孟小峰，慈祥. 大數據管理： 概念，技術與挑戰[J]. 計算機研究與發展，2013，50（1）： 146-169.

[2] Kiritsis D， Bufardi A， Xirouchakis P. Research issues on product lifecycle management and information tracking using smart embedded systems[J]. Advanced Engineering Informatics， 2003， 17（3）： 189-202.

[3] Matsokis A， Kiritsis D. An ontology-based approach for Product Lifecycle Management[J]. Computers in industry， 2010， 61（8）： 787-797.

[4] 王旭，李文川. 制造業的新理念——閉環產品生命周期管理[J]. 中國機械工程，2010 （14）： 1687-1693.

基金項目：國家自然基金項目（No.：71171145）；國家863計劃項目 （No.：2012AA040910）；國家科技支撐計劃項目（No.：2012BAF12B05）。