提高復雜成套設備可用度的維修策略研究

虞文進黎 勇徐培富王 軍

（1.浙江中煙工業有限責任公司寧波卷煙廠 浙江寧波 2.北京航空航天大學經濟管理學院 北京）

一、復雜成套設備特征分析及對維護策略的要求

復雜成套設備朝著智能化、網絡化、集成化、超微精密化的技術方向發展，廣泛采用軟件代替傳統的硬件，導致機械結構趨于簡化。同時設備因故障造成的停產損失，遠大于清理故障和維修設備的直接損失且企業對很多引進設備的大修能力明顯不足。

復雜成套設備特征決定了其故障表現。設備故障一般由3類故障的迭加而成，特征表現見圖1（香蕉曲線，區別于傳統設備的浴盆曲線）。一類是電氣系統故障，分為強電路故障和數控系統故障，其中數控系統故障具有復雜、不確定性的特點；二類是機械系統故障，這類故障與傳統機械故障較為相似，具有機械系統磨損的特征；三類是氣（液）壓系統故障，這類故障形成原因復雜，與環境因素、氣（液）品質、操作因素、保養水平以及零件老化等高度相關。

圖1 復雜成套設備故障率曲線

由于復雜成套設備對企業生產乃至企業的競爭力有重大影響，其維修策略應當具備滿足可靠、快速、選擇、經濟和先進性的要求。

卷煙企業傳統上仍然按照基于浴盆曲線，采用以時間基軸的計劃預修制，制定了設備大修、中修、項修、輪保和故障維修等一系列工作安排。雖然計劃預修制與單純事后維修相比是一大進步，它可以把部分故障消滅在萌芽狀態，以避免大量嚴重的故障或事故的發生，但這一體制也存在明顯的不足。一方面，該策略較適用于以磨損為主的簡單機械設備，而非復雜成套設備。另一方面，由于計劃的不準確，形成維修過剩或維修不足兩大問題。前者浪費了維修資源，后者易留下故障隱患。總之二者都會導致設備可用度降低。

圖2 定期維修與狀態維修相結合策略

圖3 定期維修的策略的工作流程

表1 按故障階段維修策略的選擇

二、提高可用度的復雜成套設備維護策略

復雜成套設備從安裝開始到設備老化報廢的生命周期可分為早期磨合階段、中期穩定運行階段和晚期故障多發3個階段。穩定運行階段與其他兩個階段相比，持續時間相當長且是設備充分發揮作用的階段，提高設備可用度的主要舉措是降低設備非計劃停機和減少維修時間。

為提高設備可用度，在設備不同的使用期，采用不同的維修策略：①在穩定運行階段，采用可變周期的定期維修策略和狀態維修的組合維修策略，在其他兩個階段，主要采用改善的維修策略；②用先進的信息系統，支持穩定運行期的設備維護。維修策略的分析與選擇見表1。

在重點關注的設備穩定運行階段，故障率維持在一個均衡水平，平均故障間隔較長，并呈偶發態勢。采用狀態維修和定期維修相結合的維修方式，最大程度減少故障停機，提升設備的可用度，如圖2所示。一是可以有效降低維修停機時間，二是有效改善非規律性原因引起的非計劃停機。復雜成套設備的電氣系統一般都具備計算機系統的接口，這為采集設備狀態提供了便利。

圖4 狀態監測的維修工作流程

1.定期維修策略的應用

定期維修的關鍵是確定維修周期。根據復雜成套設備的特點建立以下維修模型：

式中ED（T）——預防維修間隔期為T，單位時間內總的停機時間期望值

df——故障平均停機時間

ENt（T）——在間隔期Tmw發生故障次數的期望值

dp——在維修活動停機檢查時間的平均值。

上述模型的建立及求解，可以根據以往的維修數據記錄統計分析并計算得出。定期維修策略的工作流程如圖3。一是運用統計方法來制定維修間隔時間，克服以往憑經驗確定維修間隔時間，造成維修計劃不準確的弊端。二是采用流動計劃法制定維修計劃。即按近細遠粗的原則，在一個計劃期終了時，根據統計方法確定出維修間隔期，綜合考慮本期計劃執行結果和生產情況等條件的變化，對原計劃周期進行修改和調整，并應用到下一期維修中。

2.基于狀態的維修策略的應用

設備狀態監測通常是通過測定設備的一個或幾個特征參數（如振動、溫度等），檢查其狀態是否正常，若參數值或由參數的組合特征將要達到某個限定的值時，就應判定安排停機檢修。為了達到這個目的，在對設備進行定期或連續監測時，必須及時掌握并記錄故障發展趨勢，對使用壽命進行預測、預報，實現狀態監測的要求，做好故障趨勢分析。狀態監測的維修工作流程如圖4所示。

三、典型應用案例分析

卷煙企業生產組織呈現明顯的計劃特性，在產品計劃量和銷售價格確定的情況下，企業的經濟效益著重體現在生產成本的控制中。包裝工序為整個生產的瓶頸工序，其可用度對產能、生產工時的影響很大。以寧波卷煙廠的GD-03#包裝機組的停機、故障及維修進行研究，以驗證維修策略的有效性。該設備是從意大利引進，電控系統已采用西門子S7-400 PLC控制進行改造，并在改造后穩定運行兩年以上，處于偶發故障期。之前，該設備采用周期性“輪保”制和故障維修策略。通過對該設備2010年1～2月內的停機原因、停機次數、停機時間分析，得出該設備的關鍵停機及故障維修所占時間，見圖5。周期內可用時間1200 h，周期內總停機時間196.3 h，設備可用度83.6%。

采用前文給出的維修策略，一是優化定期點檢的時間跨度，以降低故障停機的概率及停機時間。根據對該設備故障歷史數據的分析可知，當前設備平均停機時間為3.9 h/天，停機檢查的平均時間為0.6 h/次。結合維修模型，利用計算機仿真技術確定定期預檢周期為5天（仿真過程略）。二是以企業生產執行系統平臺為基礎，建立一套狀態監測及預警系統，并與設備運維體系對接，以減少其他非計劃停機。由于設備本身具備數據采集，從設備電控系統中提取各種現場數據，在不外加任何傳感器的前提下，實現了設備主要產耗數據、設備狀態數據、故障原因、煙包剔除等多種現場數據的實時采集，采集數據齊全，具有較強的實時性。

圖5 采用新策略前GD-03#包裝機組停機及故障維修時間

圖6 采用新策略后GD-03#包裝機組停機及故障維修時間

圖7 采用新策略前后維修次數及時間對比

采用新策略并在信息系統的支持下，仍對該設備2011年1～2月內同比數據進行分析，得出該設備的關鍵停機及故障維修所占時間，見圖6。周期內可用時間1176 h，周期內總停機時間153 h，設備可用度87.0%。

同期對比分析發現，采用新策略后可以有效提升可用度3.4%，即月增加可用時間24.4 h。其中最為顯著的變化是減少了故障維修的次數（圖7）。

四、結束語

傳統的基于機械設備的維修策略已不能完全適合于復雜成套設備。通過信息系統和計算機仿真技術的支撐，采用了優化點檢周期的定期維修和基于狀態的維修相結合的組合維修方式，在卷包設備穩定運行階段的維修實踐中取得明顯的效果，是企業提升設備管理水平有益嘗試。由于卷煙企業普遍建立了卷接包數據采集和生產執行系統，因此本文提出的維修策略有很好的數據基礎和推廣前景。