基于PLM的起重機狀態監控系統應用研究

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

隨著世界工業全球化和一體化的深入發展，傳統制造業正向定制化、高端化、智能化方向轉型，機械制造產品升級，市場潛力巨大。起重機械行業作為制造業的重要組成部分，其技術性貿易壁壘，已從早期的功能性、標準性延伸到安全性、持續性等領域。起重機設備全生命周期的安全、可控、精準、高效成為技術發展的突破方向，也是提高企業核心競爭力的關鍵。

狀態監控系統是通過長期主動對設備各項指標進行全面檢測，并依據監測結果預判發展趨勢、故障征兆等信息，提前做出預防性保養維護等決策，以保障設備正常運行的系統。起重機具有結構復雜、零部件多、工作環境惡劣等特點，維修難度大，且對技術人員檢修水平要求高。狀態監控系統能夠著重解決起重機設備運行的問題預測、故障排除、安全維護等問題，提高設備生產能力，降低運維成本。故在起重機設備生命周期各個環節中應用狀態監控系統，建立運維、研判規則數據庫，進而為設備監控、維護和管理提供支撐平臺、取得收益，具有十分重要的意義。

1 起重機狀態監控系統構建

1.1 技術和標準

起重機械狀態總則可參照國家標準GB/T 25196.1—2010《起重機 狀態監控 第1部分：總則》，該標準以綜述的方式規定了較為完善的監控范圍，由于起重機械種類繁多，各類起重機械可根據該標準參照執行數據采集和監控。結合調研和工程實踐，可采用基于狀態維護的成熟體系實現起重機械監控方案。

基于狀態的維護 (condition-based maintenance簡稱CBM)是一種新的設備維護模式,其核心理念是在有證據表明故障將要發生時才對設備進行維護。這種方式可有效地降低設備維護費用、減少設備發生重大故障的幾率、提高設備的總體可用性。典型的狀態維護系統如圖1所示，起重機械結合自身特點在初期需要將數據采集和處理結合并對健康評估和預測層（HA&PA）做適當的簡化。

圖1 狀態維護系統總體的體系結構圖

CBM的目標是準確地檢測和判斷運行中的設備及其所處環境的當前狀態,利用這些信息對設備預期的可使用壽命(remaining useful life簡稱RUL)做出預測,有針對性地制定設備維護計劃。

OSA-CBM標準以組件形式，為分布式CBM系統制定了一個開放的標準化體系結構，定義了CBM系統組成及數據交互標準，實現了來自不同廠商CBM組件間的互換性和互操作性。不同的研究機構和公司可以發揮在各自領域的專業技術優勢，充分實現技術整合，共同推進CBM技術的發展。

1.2 數據平臺建立

借鑒OSA-CBM體系的原理結合起重機械自身特點，數據平臺運用已經成熟的技術，充分吸納面向服務構架(Service-Oriented Architecture簡稱SOA)的理念，采用具有高擴展性、可靠性技術路線，保證系統的可靠性、可擴展性與可管理性，能對起重機械的電氣控制系統進行遠程連接和收集確定的XML報文。對這些數據進行處理和反饋采用大型關系型數據庫Microsoft SQL Server存儲數據，實現對起重機械進行狀態和故障信息進行分布式采集和數據處理。根據起重機械的特點建立如圖2所示的系統，系統同時具有較強的容錯性，保障了多臺起重機械的同步數據處理。

圖2 用于起重機械的狀態監控物理層體系結構示例

1.3 系統特點

系統首先采集設備關鍵零部件的實時數據，將采集到的數據進行處理后存入數據庫中，把數據處理、狀態監測、健康評估、分析與預測等程序進行封裝。開發設備的機載監控系統，從而及時了解設備運行狀態、故障情況以及剩余的工作時間。同時對設備的維修提供建議生成模塊，將企業內、甚至行業內的專家資源整合起來，對故障問題的解決提供專家級的經驗和指導，并提供專家級的故障解決方案與維修建議。

設計以機載監控系統為客戶端，遠程監控中心為服務器端，建立設備的遠程維護系統。遠程監控中心通過通信網絡在線收集現場設備的狀態數據；根據遠程維護系統內嵌的專家系統對收到的數據實現設備遠程維護管理，包括進行整合分析、判斷、統計以及變化趨勢分析，并為施工中的設備提供遠程報警、故障診斷、故障定位、故障解決方案查詢等功能。

2 狀態監控系統下的設備分析

2.1 產品生命周期管理（PLM）

產品生命周期管理（PLM）主要是指對產品研發、投入、使用、維護、淘汰等全過程進行規劃和管理，它的實現依托于各個應用系統協同生產和支持，各相關部門聯動并參與其中，以產品生命周期中每一階段的信息數據等為基礎，在產品投入市場后，仍可以通過分析對產品進行管理，使產品提高性能，滿足用戶需求，直至失去價值。

2.2 起重機設備生命周期

起重機設備從項目管理角度出發，可分為規劃設計、設備制造、產品運行維護、產品售后服務，設備報廢退出或升級改造等5個階段。整個生命周期涉及到產品的研發進度、生產進度、資源配置，人員調配等過程。

2.2.1 起重機生命周期各階段特點及關系

設計、制造階段是依據客戶需求對起重機產品進行規劃設計和生產的重要階段，需要綜合考量產品的設計、制造、運營、維護、回收等全周期的各項成本，設備后期使用過程中的維護記錄，指導產品的制造工藝、生產裝配、原材料采購以及零部件選用等。

應用維護及售后服務階段涉及起重機產品的運輸、使用、維護以及維修，為了使產品在使用階段實現效益最大化，需要掌握實時的狀態監控、故障診斷、遠程維護等技術，以降低停機風險，保障起重機設備的正常工作運轉。

退出或升級改造階段是起重機產品的壽命終末期，在這個階段，設備整體或部分進入到報廢程序，未報廢部分或升級改造的產品重新進入新的生命周期。對起重機進行價值評估，通過數據分析可以指導判斷設備退出或升級，以實現生命周期閉環連接。起重機生命周期各階段數據相互作用關系如圖3所示。

圖3 各階段相互作用關系圖

2.3 起重機狀態監控系統的應用優勢

2.3.1 資源配置方面

狀態監控系統能夠提供相關數據支持，按照既往數據分析結果，合理配置零部件使用及備用情況，讓設計更加優化合理，制造更加規范標準，減少返工情況。實時掌握起重機設備的運行動態，可以縮短故障排查時間，提高掌握設備狀態的效率，及時發現問題、解決問題，使零部件的效用最大化。從整體上看，可使時間管理精細化，更好地制定計劃，合理規劃協調人力和物力資源。

2.3.2 成本控制方面

依托設備狀態監控和數據分析，能實時掌握起重機預警信息，故障排除和診斷，準確預估剩余壽命等重要參數信息和量化依據，提高掌握設備狀態的效率，合理安排設備的最佳維修時間和維護保養，有效控制起重機的精度、功能和可靠性，規劃預防性維護，減少備品備件庫存量及消耗量，減少人員成本，最大限度降低維修費用。

2.3.3 管理提升方面

狀態監控系統能集成市場需求、產品設計、設備制造、售后服務等信息，使數據可追溯，做到及時調整維護，為設備的穩定運行和質量提升提供保障。同時，系統立足動態管理技術，管理人員能夠依據設備運行情況，有針對性地進行產品性能精進改良，降低安全事故率，強化安全生產管理，細化管理責任，提升管理水平。

2.3.4 基于PLM的狀態監控系統應用效益

根據上述系統應用優勢總結可得基于PLM的狀態監控系統應用效益如表1所示。

表1 基于PLM的狀態監控系統應用效益

3 起重機狀態監控系統的應用建議

3.1 完善配套信息系統

做好狀態監控系統配套的軟、硬件設備配置及兼容工作，適應系統運行，同時圍繞狀態監控系統進生命周期各階段的管理系統集成，發揮合力，制定切實可行的管理方案，使企業可隨時了解整個業務流程的運行情況，并以此做出決策或調整。

3.2 做好數據收集整理

建立數據庫，將系統監測的故障數據收集整理并存儲，通過大數據分析，形成設備常見故障診斷數據庫。同時做好各相關產品之間的數據關聯，構建通暢快捷的數據網絡，為信息流動提供支撐，便于依據各產品數據之間的邏輯關系進行查詢、調取和比對、參照，為后續項目管理提供依據。

3.3 實施動態項目管理

對項目實施動態項目，依據各階段反饋數據相應調整設計方案、制造進度、維保策略、升級改造計劃等，使其最大限度適應市場需求。并能實時地持續改進，從整體性、系統性角度出發，深層次地解決項目問題，規范管理流程，量化管理指標，糾正管理偏差，提升管理水平。

3.4 加強相關人員培訓

加強相關人員的理念培訓和專業技能培訓，使監控人員熟練掌握狀態監控系統的操作規程，提高設備故障診斷的能力，使設計人員熟悉系統語言，方便適應系統運行模式下的信息獲取與交流，使售后人員提高設備檢修和問題處理能力等。不僅如此，還應該注重構建人才梯隊，使狀態監控系統得以充分應用和不斷完善。

4 結語

在新技術、新手段的智能化推動下，起重機行業從設計、制造、使用、維保到升級改造的全生命周期都需要整合資源和優化提升，雖然狀態監控系統在設備管理中起到很大的積極作用，但在應用細分與人工智能相結合等方面還有深入探索的空間，希望后續研究能夠針對不同部門，配備不同的監測設備，開發具有針對性的更專業的分析工具，對監測數據進行更加深入的分析，使狀態監控系統在起重機領域的應用更加全面和完善。