數字化轉型背景下的設備狀態管控系統建設案例研究

王彥昌

（保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071000）

近年來，互聯網、大數據、云計算、人工智能、區塊鏈等技術加速創新，日益融入經濟、社會發展的各個領域，世界主要國家和地區紛紛加快數字化轉型戰略布局。推動數字化轉型已成為一道決定企業未來生存發展的必答題[1]。裝備制造企業要落實國家政策，打造數字化工廠，就必須加強對設備的管理，提升生產現場的綜合管控力，通過生產設備與信息系統的集成，確保生產設備能夠按預定計劃穩定輸出，及時解決設備的異常狀況，提高產品的交付能力，進而提升企業的運營管理能力。

1 數字化背景下設備管控的發展趨勢

1.1 設備管控與企業運營管理深度融合

目前，企業設備狀態管控已由原來的低水平、局部的狀態監控階段，進入由計算機管理的具有監測、警告等功能的高級階段，逐步實現了對設備狀態的全面實時掌控。設備狀態管控體系已發展成為一個包含信息化平臺、設備狀態信息收集、分析、判斷、維修計劃制定、維修行為以及維修后驗收、考核、評價、激勵等內容的完整體系[2]。利用先進的技術手段，企業能夠及早發現或預測設備的功能失效和故障，適時地采取維修或更換等對策，在保證設備處于良好狀態的基礎上，穩步提升企業的運行效率。

1.2 設備自動化監控手段不斷豐富

通過對設備加裝傳感器、數據采集器等方式，已經能夠實現設備狀態數據信息的自動采集，很大程度上解決了通過巡檢人員對設備進行監控的缺點。利用先進的物聯網、云計算等信息技術通過ETL 工具能夠自動抽取分散在各業務系統中的設備數據信息，并將其保存在本地數據庫。可以結合行業設備的特點，針對不同的采集要素（例如設備的震動、磨損、泄露、異音、松弛、龜裂、油脂、壓力、溫度、流量等），選取不同的方式進行數據收集和存儲；可以利用傳感設備定期測試設備動靜態性能或比較實際的生產節拍與理想（工藝）工作節拍之間的差異來積累數據；還可以存儲對設備發送頻率進行處理分析后的數據，進而掌握設備運行狀態[3]。

1.3 設備維修管理模式不斷創新完善

隨著對設備管理顆粒度的持續細化，設備維修模式也在不斷創新。目前設備維修模式已經在事后維修、預防維修的基礎上發展出預知維修和主動維修等新的設備維修管理模式。以前，只有在設備發生故障后才進行的非計劃維修，或是根據經驗結合設備的磨損情況，事先確定設備檢修的周期和具體內容，進而定期對設備進行停機維護。預知維修則是以設備狀態監測為基礎，在對設備日常運行數據進行統計分析的基礎上，按設備實際狀態來決定維修時間與內容；主動維修就是以故障根源分析為基礎，基于設備運行的各項歷史數據，結合設備的實際運行情況，通過設備診斷發現問題，結合檢修過程實施的檢修，對設備的局部結構或零件的設計加以改進。

2 實施設備狀態管控的目的和意義

2.1 有效控制由設備引發的各類損失

一般來說，設備在使用過程中會發生各式各樣的損失，例如因設備發生故障而導致的損失；設備空轉或停止運行導致的損失；設備調試、換型導致的損失；設備因性能衰減導致的損失；以及設備生產的不合格品導致的損失[4]。歸其原因大致可以分為以下三類：一是由于設備性能下降；二是設備使用時間減少；三是產品合格品率的降低。因此要了解設備在實際使用過程中的狀態，以及各類損失的分布情況，分析研究導致損失的原因，進而確定消除損失的方法策略，企業就必須對設備的運行狀態進行實時監控，設定相應的控制點，以確保能夠及時發現設備的異常狀態。

2.2 通過狀態監控及時發現并解決設備的問題和故障

獲取的設備運行狀態數據越精確，越及時，對設備的評價就越準確，解決設備異常狀態的時間就越短。一般來說，設備從性能衰減到功能失效都會存在一定的周期。如果在衰減的初期能夠發現設備潛在的失效，就可以提前對設備采取相應的措施，避免可能產生的安全、環境和運營的損失。設備狀態管控系統能夠根據不同設備發送數據的情況，進行定時任務配置，通過定時任務輪詢設備運行狀態信息，根據信息反饋情況提前發現設備的異常狀況，如果發現異常，系統會自動通知到相關責任人，以確保能夠及時對異常設備進行故障排查。

3 設備管控系統建設所需的基礎硬件條件

裝備制造企業要開展設備狀態管控系統開發實施建設，就必須具備相應的基礎硬件條件。物聯網和5G通訊技術是最為關鍵的基礎硬件，物聯網是設備實現互聯的基礎，而5G 通訊技術能夠保障數據的傳輸速度。此外，還要結合企業設備的具體情況，對其進行改造，確保設備能夠順利接入物聯網云平臺。

3.1 基礎硬件設施的主體架構

要確保設備管控系統能夠實時收集、獲取設備的運行狀態數據，首先要對車間設備進行聯網改造，利用5G 專網+MEC 邊緣計算技術，在現場設備上加裝功率傳感器、振動傳感器等，并通過內置的5G 模組或部署5G 網關等方式接入5G 網絡，實現數據大帶寬、低延時設備數據采集，并將數據上傳到企業的工業物聯網平臺。基于物聯網平臺實現設備數據的快速處理，借助物聯網平臺，實現對生產設備的狀態（開機、運行、關機、故障、報警等）、OEE 的實時監控，進而代替人工監控；及時掌控生產現場，對存在隱患的設備進行預警，以便不斷優化改善生產工藝、精準控制加工程序，自動優化生產方案，提升設備維護管理[5]。在此基礎上開展故障診斷、預測性維護、智能調度等業務，重點分析設備利用率與和實際效率，發現瓶頸環節，以效率分析為抓手，促進管理提升。

3.2 物聯網平臺建設

物聯網作為“新基建”的重要組成部分，屬于企業數字化工廠的地基。建立標準化、數據共享、統一接入、快速運維的物聯網平臺，是各業務系統全方位互聯互通的基礎。物聯網平臺可以快速連接生產設備、檢測設備、安環設備、能源設備和企業安全環保監控系統、能源管理系統等各子系統。向下接入分散的物聯網傳感器，匯集傳感數據；向上面向應用層服務提供應用開發的基礎性平臺和面向底層設備的統一數據接口。平臺具備引擎規則、物網管理等功能，具有高可靠性、高安全性、高并發、高開放性、低時延、強大的數據處理功能和可維護性強、易用性強等優點。可以說將物聯網平臺（DMP）與物聯網連接管理平臺（CMP）打通，實現物網協同管理，是設備管控系統建設的先決條件。

3.3 企業5G 專網建設

要實時獲取設備運行狀態的相關數據，這增加了網絡傳輸的實時性要求，通過建立5G 企業專網，利用5G 專網大帶寬和低時延的特點，可實現基于5G 網絡技術的各類設備遠程采集、遠程控制、高清視頻回傳等應用。5G 企業專網可根據應用場景及業務特點，提供端到端精細規劃、設計、建設、維護及優化服務，實現覆蓋、速率、容量、上下行配比的靈活配置，企業可以自主管理，擁有自主配置、告警提醒等能力權限，具有網絡監控、業務管理、用戶策略配置等靈活自服務能力。利用5G 專網可以全面覆蓋設備使用區域，滿足無線規劃，可以結合車間設備的具體排布情況，靈活規劃部署宏站，實現區域內高質量覆蓋。而且5G 專網在基礎連接能力之上，可基于MEC 平臺為客戶提供集群調度、AR遠程協作、5G專網語音、安全網關等服務。

4 設備狀態管控系統基本功能

4.1 信息獲取功能

數據采集和設備監控是設備狀態管控系統最基本的功能，為了全面掌握設備狀態，要實時獲取設備的運行數據，并基于采集到的數據進行相應的設備狀態分析；如果設備運行狀況出現異常則會及時報警通知。設備狀態管控系統能夠根據設備在車間實際位置進行初始設置，通過系統可查看每臺設備的實時狀態。設備狀態根據實時采集數據、MES 系統任務信息、設備異常反饋情況綜合分析進行判定，分為開機、關機、故障、運行；故障又可細分為故障待接收、設備維修中等不同狀態。系統還能夠提供設備實時狀態監控看板功能，同樣可在中控室（服務器端）進行部署配置。系統用戶還可以通過設備狀態管控系統的移動APP 對設備狀態數據進行查看。

4.2 消息提醒功能

設備狀態管控系統支持消息提醒功能，并且能夠支持對消息提醒進一步細分管理。在應用程序中用戶可以隨意選擇需要發送消息的內容或對象，與用戶相關的設備狀態信息（報檢申請、異常狀況、接收信息、處理完工、評價信息等）均可以根據管理員的設置情況，通過消息提醒任務發送到指定用戶。

例如：當用戶登錄系統后，可以發起報檢任務呼叫，呼叫時系統根據產品類別自動指定到檢驗組，呼叫時可查看該檢驗組所有成員是否在班、是否有其他任務“報檢中”；當任務發出10 分鐘后認未接收確認，則系統可再次發送提醒消息至檢驗員的工作界面；如果任務長時間未接受確認，系統還可以自動將其升級處理，擴大接收人員范圍，向檢驗組組長或相應領導發送信息。系統還可由管理員發布企業文化、重要通知等各類信息，向移動終端APP 進行推送。

4.3 分析統計功能

設備狀態管控系統具備強大的統計分析功能，能夠靈活運用多數據集、網格式、分組式、交叉式數據集；支持簡單報表、圖形報表、填報報表、多區域報表和參數性報表等；支持柱狀圖、餅狀圖、折線圖、儀表盤等常用圖形。可視化模塊開發主要包括設備實時狀態監控、效率圖報表分析、歷史數據查詢等功能，能夠以設備為關鍵字進行查詢分析。效率圖報表分析能夠查詢設備在一段時間內各項運行指標的數據值，主要包括設備運行效率、運行時間、開機時間、故障時間、關機時間等詳細數據；歷史數據查詢功能可以選擇多個關鍵字，從不同的維度對設備相關的歷史數據進行分析。

4.4 系統集成功能

要打造數字化車間，就是要實現各應用系統的有效集成，充分實現數據高效傳輸和信息的充分共享。設備狀態管控系統與公司的ERP 系統和MES 系統充分集成，通過程序接口接收來自ERP 系統和MES 系統的設備基礎數據，不僅可以便捷地獲取設備的基礎信息、人員及組織等相關信息，還可以靈活設置需要納入本系統管理的設備的范圍；其次，設備狀態管控系統能夠從MES 系統提取任務開工、報工等信息；最后，系統的異常管理模塊能夠接收來自MES 系統安燈模塊發起的異常，并且可以通過移動終端APP 將設備異常信息發送至ERP 系統和MES 系統。

4.5 其他主要功能

設備狀態管控系統除了業務應用服務等基本功能外，還提供身份驗證、權限設置、安全管理等其他功能服務，基于國際標準 OAuth2 進行身份驗證和授權的管理，進而有效提升API 的安全性。設備狀態管控系統可通過域控模塊實現單點登錄。用戶管理方面，系統支持人員的新增、禁用、權限修改等功能，系統用戶可以獨立進行個人信息維護，例如對個人基本信息包括姓名、登錄密碼、聯系電話等內容進行修改；系統基于RBAC 理論有效降低了權限管理的成本，可基于人員、部門、角色、崗位進行靈活授權；系統支持多系統管理員方式，管理員可以對全員權限進行設置，部門管理員支持對本部門的人員權限進行設置。

5 結語

設備狀態管控系統建設是大型裝備制造企業實現數字化轉型必不可少的重要環節。系統項目建設要在充分利用物聯網、5G 通訊技術、云計算等信息技術的基礎上，改造部分現有設備，實現設備聯網；開發與企業運營模式和生產方式相匹配的軟件系統。設備狀態管控系統通過對瓶頸工序的關鍵設備進行數據采集與狀態分析，自動計算設備開動率，設備利用率，人員勞動效率等指標，為運營管理提供基礎數據，為車間績效分配提供基礎依據，能為打造數字化工廠提供堅實的基礎，推動企業核心競爭力的穩步提升。