重點設備狀態檢修系統設計與實現

楊菊輝,范玉德，劉 更

(中國工程物理研究院化工材料研究所,四川 綿陽 621900)

化工行業作業活動涉及各種火工品、混合炸藥、爆轟材料、高分子材料等試驗研究及規模化生產，這些生產作業都為危險作業，在科研生產作業活動過程中，各種設備軟、硬件性能的好壞對作業人員生命及公共財產安全起著重要作用。如在炸藥切割過程中，控制系統突然失靈，起降溫作用的水不能及時送達切割面，將存在很大的安全隱患。

隨著科研生產規模的不斷擴大，各種精密設備和價格昂貴的規模化生產設備的引入也越來越多。這些重點設備涉及的知識面越來越廣，技術難度越來越深，不僅包括自動控制、機電一體化、儀器儀表、工控系統、通信技術、軟件技術等各種知識，而且集成化程度越來越高，造成設備維修難度不斷加大。如何探索出一條新的維修思路以適應科研單位的快速發展迫在眉睫。

1 設備系統維修現狀

設備系統維修一般采用事后維修及設備定期保養兩種方式，這兩種方式主要存在三大缺陷：(1)設備維修及定期保養情況采用的是紙介質存儲方式，采用這種方式要想快速查詢出一臺設備的具體維修及保養情況將花費較長時間，而且隨著時間延長，資料累積增多，這種方式將變得越來越不現實。(2)設備維修是知識及經驗不斷累積的過程，對任何人而言都是誰掌握的知識越全面，專業間跨度越大，經驗越豐富，其判斷故障點及現場解決故障的時間就會越短，而采用事后維修及定期保養并不能有效地將各種專業知識及團隊間的維修經驗有機地結合起來。(3)不能快速綜合判斷出設備系統硬件性能整體狀態。以前的這種維修模式已不能滿足技術保障需要，隨著時間推移，引進的高新技術設備不斷增多，維修難度逐步增大，技術保障問題將會變得更加突出。

為了充分保障科研生產作業的正常運行，提高維修效率，降低維修成本，設備維修技術人員能否及時獲取設備的原始技術資料以及設備維修歷史資料對維修效率起著決定性作用。如何提高發現問題和解決問題的能力，達到強化設備性能狀態管理，強化設備維修、保養歷史記錄管理，強化設備改造管理的目的，建立一套完整的設備狀態檢修決策支持系統十分必要。

2 創建必要性

2.1 科學意義和潛在應用前景

維修性是產品質量的重要組成部分，是產品設計所賦予的固有屬性，直接關系到產品開發時間、成本和維護費用，特別是復雜裝備，其功能多、結構復雜、集成度高，隨之而來的是維修作業難度大、費用高，有必要在設計階段就考慮產品的維修性對設備使用和維護等后續階段的影響，把可能在后續階段產生的問題在設計過程中盡可能早地發現和解決，并對產品的維修性進行評估和優化，從維修性的角度改進產品設計，不必等到物理樣機制造出來才進行產品維修性驗證。在研究產品總體布局時，必須根據產品部件的維修要求來確定整個產品的總體布局，這樣既能保證產品的功能，又能保證產品具有較好的維修性，從而提高產品的綜合性能。

2.2 安全方面

化工行業的科研生產作業大多數是危險作業，其中大部分科研生產作業都絕對離不開設備系統。在作業活動過程中，設備系統特別是控制系統性能的優劣對一線工作者的人身安全直接起著第一道屏蔽作用。在作業活動過程中，如果出現設備故障特別是控制系統失靈，造成本身該緩慢下降的物體無法控制而出現快速下降，直接墜落下來；或是溫度加熱過程中，本該到達一定溫度值時自動停止加熱卻沒有停下來而繼續加熱等，這些控制系統失靈都存在嚴重的安全隱患。

創建狀態檢修決策支持系統之后，判斷設備狀態，識別故障早期征兆，對故障部位及其嚴重程度、故障發展趨勢做出判斷，并根據分析診斷結果，在設備性能下降到一定程度或故障將要發生之前主動實施維修將變為可能。在此條件下，將使科研生產作業活動過程中設備故障率降低到最低，可最大程度地保障一線工作者在作業活動中的人身安全。

2.3 效率方面

設備系統的故障具有隨機性和偶然性。為了分析故障性質，提高故障檢測、定位效率，在平時工作中應積極主動將捕捉到的故障信息特別是對那些時隱時現的故障進行跟蹤記錄。這些記錄不僅對現場故障排除有用，對日后總結故障解決經驗更是必不可少的[1]。

隨著科學技術的發展，越來越多的新技術應用到工作中，但最重要的還是工作經驗的積累和創造性的思維方式。針對此情況，作為維修技術人員，不僅要進一步拓寬知識面，也要逐漸改變維修思路，充分利用數據庫管理軟件的優勢開發相應的應用管理軟件，將設備的原始參數、設備故障現象、故障排除方法等管理起來，當下次遇到類似情況就可以直接從數據庫中提取相關的解決辦法。這樣不僅能提高故障診斷[2-3]效率，降低維修費用，更重要的是同事間能夠互相吸取對方的工作經驗和思維方式，更好地為科研單位的設備提供技術支持。創建重點設備狀態檢修決策支持系統不僅能有效地將日常故障快速地記錄下來，更重要的是信息查詢快速簡潔。

3 系統設計目標

通過重點設備狀態檢修決策支持系統能逐步實現下列功能。

3.1 輔助產品設計

在產品設計前期階段，利用該系統能獲取部分零配件的使用壽命，對使用壽命短或故障率高的零配件不再選用，以提高產品的綜合性能。

3.2 硬件性能狀態評估

在辦公室，技術人員只需進入該系統即可全面掌握設備技術資料[4]、歷史維修記錄、歷史保養信息，根據這些信息和零配件出廠使用壽命對設備硬件性能狀態進行整體評估。

3.3 設備改造

設備改造時,能在該系統中獲取部分零配件性能，只針對性能不穩定和易損壞的零配件進行改造，降低改造成本。

3.4 現場維修

協助現場人員維修,利用該系統獲取歷史維修記錄，對相同故障現象、相同故障點利用歷史解決辦法直接解決。節省故障判斷時間和問題解決時間，提高維修效率。

3.5 設備保養

現場保養設備時,利用該系統查詢歷史保養情況，對過去未曾保養的零部件進行重點保養。

3.6 制定計劃

通過該系統作出檢修決策，制定檢修及保養計劃。

3.7 內部信息發布

定期在內部發布設備維修情況、設備保養情況等信息。

4 方案設計

4.1 總體布局

系統設計分為兩部分，分別如下：

(1)搭建硬件系統平臺；

(2)設計軟件系統。

4.2 搭建硬件系統平臺

硬件平臺主要由電子標簽、手持式讀碼器和計算機系統三大部分構成,硬件平臺信息交換原理如圖1所示。

圖1 硬件平臺信息交換原理圖

4.3 軟件系統設計

隨著傳感技術、微電子、數字信號處理和計算機網絡技術在狀態監測中的應用[5]，使狀態檢修成為可能。而信息記錄系統、數據統計分析技術、歷史故障現象的信息化管理使狀態檢修得以實現。

4.3.1 軟件系統總體結構

軟件系統采用模塊化設計，隨著時間的延長軟件功能逐步完善，功能逐漸增強。軟件初步設計總體結構如圖2所示。

4.3.2 軟件系統信息采集結構規劃

針對設備維修現狀，重點設備狀態檢修決策支持系統信息采集結構規劃以金字塔型為主，即下大上小，信息由下到上逐步集中。

(1)新引進設備

系統信息采集以各個科研室為單位分別進行采集，新引進設備重點采集廠家提供的原始信息資料，包括設備編號、設備名稱、安裝地點、技術資料、設備培訓情況、培訓人員、設備技術參數、設備圖紙等資料信息[6]。設備引進時廠家所給資料直接影響到后續的設備維修及維護情況，資料統計得越全面、信息越細，對后續設備維修、維護效率的高低起決定性作用。

(2)過去引進設備

對過去引進的設備重點采集設備維修及保養信息資料，設備維修信息采集主要包括設備編號、設備名稱、安裝地點、故障現象、維修原因、工作內容、解決方法、更換器件、存在問題及建議、檢修人員等相關信息，為將來的再次維修提供信息資料。設備保養信息采集主要包括設備編號、設備名稱、安裝地點、檢測內容及要求、檢修監測結果、保養及檢修結論、檢修人員等相關信息。系統信息采集結構規劃如圖3所示。

4.3.3 軟件系統功能模塊實現

軟件系統功能模塊實現采用逐步完善、逐步增強的方式。

(1)前期重點開發“重點設備現場維護管理系統”

前期實現設備綜合管理模塊、故障診斷模塊和設備保養模塊功能，并將這些模塊組建成一套完整的重點設備現場維護管理系統。該系統能夠實現信息的添加、查詢、統計、報表的打印等功能[7]，它可以單獨作為一套完整的管理軟件使用，協助現場維修，并留下二次軟件開發接口，以便再次開發時直接利用歷史數據[8]。

(2)后期開發狀態檢修決策支持系統軟件

在重點設備現場維護管理系統開發完成并使用一至二年后，再利用前兩年采集的信息，對采集的歷史數據進行理論分析，并利用這些理論分析指導完成狀態檢修決策支持系統軟件開發，初步規劃為檢修決策、編制檢修計劃和網站信息發布三大模塊。當前期開發和后期開發都完成后構建成一套完整的重點設備狀態檢修決策支持系統。

5 技術難點和解決辦法

重點設備狀態檢修決策支持系統其技術難點是如何利用歷史數據實現檢修決策模塊的功能，在此基礎上編制檢修計劃，實現內部信息發布。

解決辦法：系統設計采用逐步完善方式，先開發數據庫信息管理軟件，在信息管理軟件開發成功并使用一至二年后，再對信息管理軟件中采集的歷史信息進行分析處理，并進行二次開發，二次軟件開發完成后實現重點設備狀態檢修決策支持系統全部功能。

圖2 軟件系統總體結構

圖3 系統信息采集結構規劃

[1]信息產業部電子教育中心組編，劉桂松主編.硬件工程師職業教育系列教程主板維修(第一版)[M].成都:電子科技大學出版社，2005.

[2]趙鵬，常天慶，蘇圭峰，等.基于多Agent的坦克火控系統故障診斷方法[J].測控技術，2010,29(4):31-34.

[3]張強，孟超，焦楷哲.某型電源車故障檢測設備的設計與實現[J].電子技術應用，2013,39(7)：65-68.

[4]梁鋼，茅秋吟.云計算IaaS平臺的信息安全和運維服務設計[J].電子技術應用，2013,39(7)：63-64.

[5]郭泉成，劉鈺，劉紅，等.基于WAMP的遠程醫療咨詢系統的設計與實現[J].微型機與應用，2013,32(19):17-18,21.

[6]王水魚，馮曉靖.一種基于虛擬儀器技術的任意波形發生器[J].微型機與應用，2013,32(18):17-19.

[7]楊樂平.自動化測試與虛擬儀器技術[M].長沙:國防科技大學出版社，1998.

[8]TRAVIS J,KRING J.Labview大學實用教程[M].北京:電子工業出版社，2010.