基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備健康管理系統(tǒng)研究

曲宗福，劉舒妍，徐馳

（格創(chuàng)東智（深圳）科技有限公司，廣東 深圳 518052）

1 前言

當前疫情的常態(tài)化和全球經(jīng)濟的不確定，促使企業(yè)更加關(guān)注對設(shè)備、人員、供應(yīng)鏈的優(yōu)化。隨著我國智能制造的推進，工業(yè)企業(yè)也普遍意識覺醒，開始積極主動轉(zhuǎn)型，工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的自動化、數(shù)字化、智能化水平大大提高。很多企業(yè)引入了工業(yè)4.0的設(shè)備，但依舊延續(xù)著2.0的管理方式。構(gòu)建現(xiàn)代企業(yè)的數(shù)字化新型設(shè)備管理體系和能力，是企業(yè)迫切的需求。這當中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為我國推進智能制造的核心抓手，從 2017年起，就被提升到國家戰(zhàn)略的高度并被列為“十四五”規(guī)劃。各行業(yè)的工業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)越來越重視生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和聯(lián)網(wǎng)，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備健康管理系統(tǒng)（Equipment Health Management,EHM），也成為企業(yè)最期待突破的應(yīng)用方向。國內(nèi)外工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方向統(tǒng)計圖如圖1。

圖1 國內(nèi)外工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方向統(tǒng)計（數(shù)據(jù)來源：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟）

從供給側(cè)角度看，目前市面上的設(shè)備管理軟件，企業(yè)應(yīng)用效果卻不盡如人意，主要存在問題如下：

（1）片面追求系統(tǒng)的大而全，缺乏深度功能：企業(yè)從國外引進的各類企業(yè)資產(chǎn)管理（Enterprise Asset Management,EAM）、企業(yè)資源計劃（Enterprise Resource Planning–Project Management,ERP）、全員生產(chǎn)維護（Total Productive Maintenance,TPM）等系統(tǒng)，但他們的管理模式和我國實際國情出入較大，又流程環(huán)環(huán)相扣扣，缺乏柔性，系統(tǒng)操作復雜，水土不服導致現(xiàn)場實施推行困難。而許多定制化的設(shè)備管理軟件，大多出自沒有現(xiàn)場工程經(jīng)驗的互聯(lián)網(wǎng)或IT企業(yè)，更側(cè)重從財務(wù)、信息技術(shù)（Information Technology,IT）、流程視角的資產(chǎn)管理，功能上片面追求大而全，重管控、輕體驗、重數(shù)量、輕質(zhì)量，低水平重復建設(shè)，產(chǎn)品化程度不夠，看似涉及范圍廣泛，實則深度不足，缺乏專業(yè)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、輔助維修等模塊。而缺失的這些模塊，往往是企業(yè)制定和優(yōu)化設(shè)備維護管理策略的重要依據(jù)和支撐。

（2）各類設(shè)備相關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)分散，存在數(shù)據(jù)孤島：很多企業(yè)在上馬數(shù)字化的項目中，現(xiàn)場以制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System,MES） 等 為 主， 設(shè)備管理相關(guān)功能被拆散，設(shè)備數(shù)據(jù)和相關(guān)功能被廣泛分布在ERP、EAM、MES、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA）和各類第三方的設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)中。而各個系統(tǒng)的設(shè)備管理的側(cè)重點、設(shè)計思想不盡同，系統(tǒng)之間接口適配困難，整體缺乏設(shè)備工程視角的統(tǒng)一架構(gòu)規(guī)劃，數(shù)據(jù)集成差。現(xiàn)場工程師往往不得不在各個系統(tǒng)間反復跳轉(zhuǎn)，工作效率低下。

（3）系統(tǒng)模型積累有限，導致設(shè)備工況精準報警、故障智能診斷能力不足：由于目前商業(yè)模式仍然是系統(tǒng)的本地化授權(quán)為主，數(shù)據(jù)不出廠，系統(tǒng)開發(fā)商很難取得設(shè)備運行數(shù)據(jù)，并將故障的歷史數(shù)據(jù)特征進行挖掘和模型訓練，這導致了目前大部分系統(tǒng)仍然是簡單的模型和人為規(guī)定的上下閾值報警。而這類系統(tǒng)在實際運行環(huán)境中，往往在變化工況、設(shè)備啟停等常規(guī)操作下就會產(chǎn)生誤報，不能有效檢測出設(shè)備真正因長時間運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的微小破損或劣化，從而失去了報警的意義。同時數(shù)據(jù)和模型的缺失也導致備受關(guān)注的設(shè)備預(yù)測性維護，落地效果不及預(yù)期。

針對以上問題，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研制一套快速感知、實時監(jiān)測、超前預(yù)警、聯(lián)動處置、智能維護和診斷的設(shè)備一體化EHM平臺，是現(xiàn)代設(shè)備管理發(fā)展的必然趨勢。同時，從以往的單純財務(wù)視角下的EAM和ERP，聚焦到設(shè)備本體健康的EHM，不僅僅是因果因素的轉(zhuǎn)換，也是新形勢下企業(yè)對設(shè)備工況、工藝過程智能化、精細化管理和控制，極致增效降本，使系統(tǒng)更加實用化、價值化和一體化的必然路徑。

2 EHM 系統(tǒng)與其它設(shè)備管理系統(tǒng)的聯(lián)系與區(qū)別

在長期的企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備健康管理應(yīng)用實踐中，我們認識到，想要使得設(shè)備在全生命周期內(nèi)可以穩(wěn)定、高效、安全運行，就必須在設(shè)備采購安裝、運行使用、維護維修、診斷工程和改造報廢的方方面面實施一套相互聯(lián)動“從生到死“的系統(tǒng)性管理方案。其中任一環(huán)節(jié)的丟失，都將影響設(shè)備的在全生命周期內(nèi)的可靠性、維修性、測試性、保障性和安全性。因此，我們認為EHM系統(tǒng)應(yīng)是以保障和提高設(shè)備穩(wěn)定和安全性從而降低企業(yè)運行成本的科學管理手段；其主要過程應(yīng)對工業(yè)設(shè)備全生命周期各階段的完整管理和維護；其主要方法包括運行監(jiān)測、故障診斷、健康評估和維護、保養(yǎng)記錄、備件追溯等。

在功能上，EHM系統(tǒng)與EAM、ERP、MES和故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)（Prognostic and Health Management，PHM）有密切聯(lián)系，具體來說：EAM系統(tǒng)往往是企業(yè)部署ERP后，為資產(chǎn)密集型企業(yè)在資產(chǎn)建設(shè)、維護中減少維護成本，提高資產(chǎn)運營效率，通過現(xiàn)代信息技術(shù)減少停機時間，增加產(chǎn)量的一套企業(yè)資源計劃系統(tǒng)，其管理對象側(cè)重于設(shè)備硬件本體，對設(shè)備軟件、數(shù)據(jù)、模型幾乎沒有管理，對設(shè)備診斷工程涉及不深。MES系統(tǒng)通常也會帶有設(shè)備管理的模塊，一般包含了設(shè)備臺賬、異常報警報修、工單處理等，但是MES的核心目標是為了保障設(shè)備生產(chǎn)導致的異常會被快速響應(yīng)和處理，而對設(shè)備本身的故障處理、設(shè)備維護過程的人機界面并不友好，所以通常設(shè)備部門很難將自己的工作嫁接在MES上。PHM通常側(cè)重于通過數(shù)據(jù)處理和大數(shù)據(jù)分析，做復雜設(shè)備故障狀態(tài)的監(jiān)測、預(yù)測。目前大部分是一些技術(shù)公司在局部設(shè)備、局部點的應(yīng)用，并沒有整合到跟整個設(shè)備管理場景、設(shè)備機理模型、設(shè)備日常運維數(shù)據(jù)上。

EHM系統(tǒng)首先是管理對象從原來的單純設(shè)備物理本體，疊加上了設(shè)備上的軟件、過程數(shù)據(jù)、設(shè)備和機理模型。根據(jù)工信部相關(guān)數(shù)據(jù)最新統(tǒng)計，目前我國企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字化率平均為47%，關(guān)鍵工藝的數(shù)控化率51%，關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)網(wǎng)率41%。嵌入式軟件、人機界面、數(shù)據(jù)監(jiān)測模型等都是新型設(shè)備的重要組成部分，都應(yīng)是新型設(shè)備管理的范疇。

其次，EHM是聚焦在設(shè)備運行態(tài)的數(shù)字化運維管理、和故障診斷乃至工藝監(jiān)控。健康的評價指標不局限于設(shè)備的本體健康（工況故障），因為設(shè)備數(shù)據(jù)的全面性，也可以監(jiān)控和預(yù)計設(shè)備的亞健康狀態(tài)（工藝異常）。突破了無故障就是完好的傳統(tǒng)概念。根據(jù)調(diào)研顯示，目前在用的工業(yè)設(shè)備，健康狀態(tài)的約占20%，亞健康狀態(tài)的占60%，故障狀態(tài)的約占20%。根據(jù)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)、故障分析數(shù)據(jù)等，綜合形成設(shè)備的健康指數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)大量處于“亞健康”狀態(tài)的設(shè)備，并作出相應(yīng)的維護策略優(yōu)化建議。各個系統(tǒng)設(shè)備管理的范疇和側(cè)重點如圖2。

圖2 各個系統(tǒng)設(shè)備管理的范疇和側(cè)重點

3 EHM 在整體數(shù)字化架構(gòu)中的位置

EHM作為新一代設(shè)備管理的核心系統(tǒng)，可以將底層各個控制和診斷系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things,IoT）等相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲和建模管理（如圖3），頂層跟ERP、MES、EAM等設(shè)備主數(shù)據(jù)互通。如果企業(yè)沒有EAM，ERP或MES里的設(shè)備管理模塊，EHM 作為企業(yè)設(shè)備管理的主系統(tǒng)，可替代 EAM、MES等系統(tǒng)的設(shè)備管理。

圖3 EHM在企業(yè)數(shù)字化架構(gòu)中的位置

4 EHM的總體架構(gòu)和主要功能

4.1 EHM的總體框架

EHM的系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，由感知層、平臺層、應(yīng)用層構(gòu)成。在應(yīng)用層中由于EHM的強大集成性能可以和生產(chǎn)系統(tǒng)、能源管理等設(shè)備關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)互聯(lián)互通，并能從工程師、車間管理者和財務(wù)管理者等視角，給出不同層次的設(shè)備管理決策和策略優(yōu)化建議。在感知層能以設(shè)備為中心實現(xiàn)在線、離線等各種異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合建模。

圖4 EHM總體架構(gòu)

4.2 EHM的主要功能

（1）設(shè)備多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集功能。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)是設(shè)備在復雜工況下，故障報警、分析和診斷，保障高可靠的基礎(chǔ)。EHM系統(tǒng)通過統(tǒng)一的邊緣網(wǎng)關(guān)，結(jié)合平臺協(xié)議庫，實現(xiàn)采集過程的標準化，同時以插件化形式提供不同通訊協(xié)議或者總線協(xié)議，得以滿足不同設(shè)備、不同信號數(shù)據(jù)的采集需求。采集周期、采集協(xié)議、采集標準均可自由定義和配置。對于已經(jīng)在SCADA 或者集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System,DCS）、MES或者第三方狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中采集和存儲的數(shù)據(jù)，可以以應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface, API）的形式，由平臺的軟網(wǎng)關(guān)API集線器（API Huber）直接匯總到EHM中。一些額外新加的傳感器數(shù)據(jù)，比如高頻振動，可以通過專有的東智GVS系列高頻數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，上傳到EHM平臺。此外借助EHM系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的邊緣計算能力，可對采集數(shù)據(jù)進行必要的清洗過濾，例如傳感器故障導致的死點、壞點等，或設(shè)備啟動或變工況時造成的沖擊、突變的異常數(shù)據(jù)處理，高頻數(shù)據(jù)的有效值轉(zhuǎn)化等等，從而有效地減輕后臺數(shù)據(jù)分析與處理的壓力。

（2）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺搭建功能。EHM系統(tǒng)支持搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。EHM可以將時序數(shù)據(jù)的壓縮存儲、高速處理和算法模型環(huán)境、功能應(yīng)用的分布式部署環(huán)境、微服務(wù)開發(fā)框架、IoT工具、流程引擎配置等面向IT、運營技術(shù)（Operational Technology,OT）、數(shù)據(jù)技術(shù)（Data Technology,DT）的人員封裝和平臺化，對于有二次開發(fā)需要和能力的企業(yè)，也可以支持差異化業(yè)務(wù)模式的功能二次開發(fā)、設(shè)備模型的構(gòu)建、故障診斷模型的訓練等。

（3）設(shè)備檔案的數(shù)字化和全生命周期可視化管理功能。EHM系統(tǒng)可以構(gòu)建設(shè)備360度數(shù)字化檔案，包括了按設(shè)備類型定義的設(shè)備型號、結(jié)構(gòu)樹和測點定義等靜態(tài)屬性和歷史報修、工單、維護記錄、狀態(tài)趨勢等相關(guān)動態(tài)屬性數(shù)據(jù)。從數(shù)字化檔案中，也可以歸集出設(shè)備從安裝、運行、變動、維修、保養(yǎng)、潤滑、報廢等全程管理數(shù)據(jù)記錄，形成靜態(tài)、動態(tài)數(shù)據(jù)完整的設(shè)備履歷檔案。

（4）維護維修過程管理功能。EHM支持周期修（Time-Based Maintenance,TBM)，狀態(tài)修（Condition-Based Maintenance,CBD），點檢修(Inspection Repair,IR)，事后修(Breakdown Maintenance,BM)，委外修（Outsourcing Repair,OR)等，并在過程中提供移動化APP作業(yè)端、故障知識樹等快速輔助診斷工具。由于不同企業(yè)的流程定義不同，系統(tǒng)提供流程引擎，支持企業(yè)對工單流程的自定義，并且和企業(yè)的辦公自動化系統(tǒng)（Office Automation,OA）等對接，保障審批流和待辦的企業(yè)級統(tǒng)一入口。

（5）備品備件及儀器儀表，輔助工具管理功能。跟一般ERP或者倉庫管理系統(tǒng)（Warehouse Management System, WMS）中僅僅側(cè)重于進銷存管理不同，EHM對備件管理可以按工單和設(shè)備進行更精細的備件耗用管理，對重點備件可以記錄使用周期或者消耗情況，從而實現(xiàn)備件的全生命周期管理。如果企業(yè)管理流程執(zhí)行情況良好，EHM系統(tǒng)也可以根據(jù)未來的維保計劃，推測備件耗用計劃，和安全庫存比對，自動生成采購申請，可以跟ERP中的采購申請（Purchase Requisitions,PR）等流程對接等。此外，本功能模塊也延申出工裝、模具、儀器儀表等輔助工具管理功能。

（6）狀態(tài)監(jiān)測功能。隨著IoT技術(shù)的成熟和設(shè)備接口開放度的提高，越來越多的重要設(shè)備的過程工藝量、外置傳感器、儀器儀表，通過采集網(wǎng)關(guān)，可以在線接入。對于輔助設(shè)備、低價值設(shè)備可以采用手持終端點檢的方式讀取狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)并上傳到平臺。所有設(shè)備參數(shù)都在設(shè)備結(jié)構(gòu)樹里定義為測點，和不同的數(shù)據(jù)源做綁定。EHM系統(tǒng)既可以對單一參數(shù)進行多樣化的信號處理方法（如時頻分析、相關(guān)性分析、階次分析、模態(tài)分析等），也可以通過EHM系統(tǒng)內(nèi)置的多因子分析工具，根據(jù)故障樣本數(shù)據(jù)，通過不同分類和回歸的機器學習算法，對多維數(shù)據(jù)進行去冗余和降維處理，從而計算出設(shè)備健康置信度（CV）的有效值（OA），對OA指標可進行的時間趨勢、非平穩(wěn)性、陡峭度、突變量等不同特征模式下的告警。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測部署架構(gòu)如圖5。

圖5 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測部署架構(gòu)

（7）專家系統(tǒng)功能。狀態(tài)檢測是做到設(shè)備異常狀態(tài)的報警，可以實現(xiàn)根據(jù)既定的故障報警碼或者故障知識樹、或者是根據(jù)參數(shù)推理出的故障原因，做簡單的故障報警。對于更為復雜的機組設(shè)備，EHM的狀態(tài)監(jiān)測功能會將結(jié)果導入專家系統(tǒng)，通過部署在專家系統(tǒng)內(nèi)的深度學習算法模型，EHM將根據(jù)傳入結(jié)果匹配系統(tǒng)內(nèi)置的設(shè)備機理庫、模型庫，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，推理出故障發(fā)生的部位、故障原因的概率。系統(tǒng)也可以定期自動生成設(shè)備健康診斷報告，作為設(shè)備維護策略的依據(jù)。設(shè)備診斷報告示意圖如圖6。

圖6 設(shè)備診斷報告示意圖

（8）可視化功能。通過EHM的可視化功能，集團高層、工廠車間中層、工程師等不同角色所關(guān)心的核心信息、待辦任務(wù)、重要提醒等，將實現(xiàn)差異化的展示和監(jiān)控。設(shè)備管理的各類關(guān)鍵績效指標，比如設(shè)備綜合效能、平均無故障運行時間、平均維修時間、預(yù)防性維護工作完成率、設(shè)備維保成本、設(shè)備維保工時、故障原因等在EHM的可視化功能中也可按時間、組織、設(shè)備、人員等多維度實現(xiàn)綜合比對和分析。對于重要的設(shè)備機組，EHM的可視化功能模塊也支持實現(xiàn)組態(tài)概貌圖的實時監(jiān)控。

5 結(jié)語

設(shè)備管理數(shù)字化系統(tǒng)的本質(zhì)是，幫助企業(yè)找到設(shè)備維護的最佳平衡點（如圖7所示）。EHM能根據(jù)設(shè)備價值和風險矩陣，依靠全面的設(shè)備維護過程數(shù)據(jù)，驅(qū)動維護決策優(yōu)化，幫助找到具體設(shè)備在不同工況下的最佳維護策略，既不過度維護，也不維護不足。

圖7 最佳維護平衡點

EHM能夠?qū)⒎现袊鴩榈脑O(shè)備管理體系，融合IT、OT、DT的知識和經(jīng)驗，利用工業(yè)IOT、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)AI等新技術(shù)，集成了設(shè)備自動點檢、檢維修、在線狀態(tài)監(jiān)測、報警模型構(gòu)建、故障智能診斷等功能，可以對設(shè)備本體、數(shù)據(jù)、模型進行全維度和全周期的動態(tài)管理，滿足企業(yè)設(shè)備管理一體化的需求和場景。