制造企业生产设备运行维护实时管理系统

　2008年 4 月 系统工程理论与实践 第 4 期 　 文章编号 :100026788(2008) 0420065208 制造企业生产设备运行维护实时管理系统 陈 　宇1,2 ,陈 　新1 ,陈新度1 ,张 　平1 (11 广东工业大学 机电工程学院 ,广州 510090;21 广东省科学院 自动化工程研制中心 ,广州 510070) 摘要 : 　根据制造企业生产设备实时化运行维护所应具备的主要功能要求 , 提出了一个基于改进型设 备综合效率 (OEE)计算和设备功能区块图的设备实时监控系统四层结构框架 ,该框架包括设备信息采集 层、实时监控管理层、效能分析层和设备调度管理层 ,可以应用于生产制造执行系统 (MES)中设备管理子 系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ,并且使大型复杂设备维护系统的设计条理化和模块化 ,使企业的设备维护流程和管理运作 达到最佳效率. 关键词 : 　设备维护实时管理 ;设备综合效率 ;功能区块图 ;设备维护系统 ;生产制造执行系统 中图分类号 : 　TP391　　　　　　　　文献 标志 禁止坐卧标志下载饮用水保护区标志下载桥隧标志图下载上坡路安全标志下载地理标志专用标志下载 码 : 　A 　　　 Researchonreal 2timeproductionequipmentmaintenancemanagement systemformanufacturingenterprise CHENYu 1,2 ,CHENXin 1 ,CHENXin 2du1 ,ZHANGPing 1 (11SchoolofElectro2MechanicalEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510090,China;2 1AutomationEngineering Center,GuangdongAcademyofSciences,Guangzhou510070,China ) Abstract: 　Accordingthemainfunctionrequirementofthereal 2timeproductionequipmentmaintenanceof manufacturingenterprise,aframeworksupportingreal 2timeproductionequipmentmaintenancemanagementsystemwas proposedbasedonOverallEquipmentEffectiveness (OEE) calculationandFunctionBlockDiagram.Thisframework includedEquipmentInformationCollectionlevel,RealTimeMonitoringlevel,EquipmentCapabilityAnalyseslevel, andEquipmentSchedulingManagementlevel.Itsstructurecanbeexpectedtoapplyinequipmentmanagement subsystemdesignofManufacturingExecutionSystem (MES) ,withtheadvantageofconsecutionandmodularizationfor complexequipmentmaintenancemanagementsystem,andprovideguidanceforthemaintenanceoperationflow developmentofanefficientfactory. Keywords : 　realtimeequipmentmaintenance;OEE;functionblockdiagram;equipmentmaintenancesystem;MES 收稿日期 :2006212205 资助项目 :国家自然科学基金 (50475047,50375030) ;广东省自然科学基金 (05200197) 　　作者简介 :陈宇 (1972- ) ,男 (汉) ,江西赣州人 ,广东省科学院自动化中心副研究员 ,广东工业大学机械与电子工程学院 博士研究生 ,研究方向为先进制造、控制理论与应用等 ;陈新 (1960- ) ,男 (汉) ,湖南澧县人 ,广东工业大学教授 ,博士生导 师 ,研究方向为先进制造 ,微电子制造 ,并行工程等 ;陈新度 (1967- ) ,男 (汉) ,湖南望城人 ,广东工业大学副教授 ,研究方向 为 CADΠCAM,网络化制造等 ;张平 (1965- ) ,男 (汉) ,湖北襄樊人 ,广东工业大学副教授 ,研究方向为 CADΠCAM,敏捷制造 ,并 行工程等. 1 　引言 生产设备是制造企业的重要资源. 设备运行维护管理的好坏直接影响车间生产任务的质量和进度 ,是 制约生产的重要因素. 而现行制造业中设备的运行维护管理大多数还处在比较落后的阶段 ,主要体现在 : 1)以手工方式处理数据 ,维护费时费力 ;2)设备状态、能力、负荷等动态信息反馈不及时 ,且现行管理手段 无法向管理人员提供相应的运行维护数据分析、运行提示和报警信息 ;3) 设备的保养、维修等业务缺乏规 范化管理[1] . 目前 ,设备管理的功能研究大多集中在比较独立的业务处理上 (如设备维修、备件、管理等) , 没有从整体上对设备管理进行深入研究 ,并且维护管理与设备日常运行数据缺乏关联 ,因此很难通过对生 产设备运行效能的实时数据采集和关键绩效指标的计算进行科学决策. 笔者结合制造型企业生产设备的应用特点 ,通过对设备管理业务流程的整合、优化 ,提出了一个基于 “设备综合效率 (OverallEquipmentEffectiveness,OEE )”和“设备功能区块图”的设备实时监控系统四层结构 框架 ,该框架既适用于独立的设备实时监控系统的开发 ,也可以应用于生产制造执行系统 (Manufacturing ExecutionSystem,MES) [2] 中设备管理子系统的设计 ,不仅可以实现对生产设备状态的实时监控、提高设备 运维管理能力 ,还可以强化其它 MES子系统的功能. 2 　支持实时监控的设备运行维护管理框架 由于科技的进步 ,制造设备的功能更为复杂 ,数量更加庞大 ,维护人员往往面对繁琐的工作以及应对 措施的不确定性 ,提高了错误发生的可能[3] . 对于大型制造企业 ,运行维护的主要目的是要提高设备可用 度 ,减少设备停机时间 (Downtime) ,使设备尽量处于生产状态中. 因此维护响应的实时性以及调度管理的 合理性就显得非常重要. 因此 ,对设备进行实时维护管理所应具备的主要功能包括 :1) 对设备状态的实时 反馈 ;2)对设备制造参数的有效控制 ;3)对设备停机模式的有效分析 ;4)维护和修理工作的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化 ;5) 对设 备停机原因的追踪与分析 ;6)对设备运行效能指标的计算 ;7) 对运行维护历史数据的统计记录 ;8) 对维护 工单的有效管理 ;9)对维护任务的有效安排. 要实现“设备状态的实时反馈”与“设备制造参数的有效控制”,系统就必须具有实时监控功能. 而要实 现“设备停机模式的有效分析”、“维护和管理工作的标准化”、“设备停机原因的追踪与分析”、“设备运行效 能指标的计算”等功能 ,本研究认为采用基于“设备综合效率 (OverallEquipmentEffectiveness,OEE ) 计算”的 方法 ,将可以达到目标. 对于“运行维护历史数据的统计记录”、“维护工单的有效管理”这两个方面 ,系统应 该具备电脑化的数据库维护管理能力. 对“维护任务的有效安排”功能 ,则可以采用基于对维护周期的计算 来实现. 为了满足以上要求 ,笔者提出设备运维实时管理的四层结构框架 ,包括设备信息采集层 ( EIC) 、实 时监控管理层 (RTM) 、效能分析层 ( ECA)和设备调度管理层 ( ESM) ,如图 1 所示. 图 1 　支持设备运行维护实时管理的四层结构框架 3 　设备信息采集层与实时监控管理层 对造成设备停机的原因进行自动检测和准确区分 ,是设计一个智能化的设备管理系统的关键之一. 设 备信息采集层的主要作用 ,是与生产设备的电气系统或者控制系统相连接 ,自动检测设备的运行数据 ,包 括设备参数 (如温度、压力、时间等) ,停机纪录 ,故障状态等信息. 对于复杂程度较高的设备 ,造成停机可能 有多种因素. 例如对于“机器人故障”这一事件类别 ,可能有“传动系统失效”,“控制程序失效”、“外部安全 连锁”等等具体的引起停工的原因. 因此需要在基于设备状态信息采集的基础之上 ,对各种停机原因进行 66 系统工程理论与实践 2008年 4 月 逻辑判断和代码定义 ,对每个事件类别里的所有停机事件进行设置. 实时监控管理层的主要任务 ,是在统一的软件平台上实时有效地监控所有生产设备的动态信息 ,并且 实现以下功能 :1)及时地提供报警信息给维护人员 ;2) 记录停机设备、停机时间、停机代码、停机恢复时间 等信息 ,以便将来的进一步分析 ;3 ) 提供各种管理报表 ,作为管理决策的依据. 与普通的自动化监控 SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition )系统不同 ,用于设备管理的实时监控管理系统不仅要反映现 场设备的运行状态 ,还需要记录设备的维修时间、维护频率、维修人员、操作与环境条件等等. 设备的实时 化管理与生产活动密切相关 ,因此实时监控管理层还需要具备与生产调度的信息接口 (如 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 排产、物料 装载数量、周期时间等) ,以及对设备可用状态的各种设置功能 (如生产交班、清洗、停产等) . OPC是以 OLEΠCOM机制作为应用程序级的通信标准 ,适用于工厂设备层的信息交换和共享.OPC 标 准定义了现场设备与上层计算机间交换自动化实时数据的方法. 在实际设计的设备信息采集与实时监控 管理子系统中 ,可以包含以下几个功能模块 :底层设备数据采集、通信处理 ,数据处理 ,设备 SCADA监控 等 ,各模块的关系如图 2 所示. 图 2 　制造设备运行参数采集与实时监控 4 　基于 OEE 计算的停机与效能分析 OEE(OverallEquipmentEffectiveness) , 即设备综合效率 ,是一种用于分析设备使用效能的计算工具 ,可 以表现实际的生产能力相对于理论产能的比率. 一般在 OEE 计算中采用的基础时间是计划内的运转时间 作为绩效基准. 为了更为精确地统计产能利用率 ,本文引入非设备因素停机的概念 ,修改了 OEE 的算法 , 采用完全有效生产率 TEEP(TotalEffectiveEquipmentPerformanc)指标[6] ,把所有与设备有关和无关的因素都 考虑在内来全面反映企业设备效率. 411 　OEE的概念和计算 一般概念上的 OEE 指的是设备负荷时间内实际产量与理论产量的比值 ,其计算方式由三个部分组 成 ,分别是 :利用率、表现指标和质量指标 (Availability,PerformanceandQuality ) ,或者称为时间开动率、性能 开动率和合格品率. 在实际的日常管理中 ,OEE 主要依靠对设备的预防性维护周期机制实现生产能力改 进 ,如图 3 所示. 将利用率、表现指标和质量指标分别表示为 AV、PE 和 QU ,则有 : 公式 1 : OEE = AV ×PE ×QU ; 其中 ,AV = Tt - DtTt , Tt 为日历总时间 (TotalTime) , Dt 为设备停机时间 (Downtime) ; 76第 4 期 制造企业生产设备运行维护实时管理系统 图 3 　OEE对生产能力的改进机制 其中 , Dt = Dst + Dnt , Dst 为生产停机时间 ( Scheduled Downtime) , Dnt为非生产停机时间 (NonscheduledTime) ; PE = Re ×Oe , Re 为净开动率 (RateEfficiency) , Oe 为速度 开动率 (OperationalEfficiency) ; 其中 , Re = Tpt Top , Oe = CTi CTa , TPt 为生产总时间 ( Total ProductiveStateTime ) , Top 为开动时间 ( EquipmentOperational Uptime) , CTi 为理想加工周期 ( IdealCycleTime ) , CTa 为实际 加工周期 (ActualCycleTime ) ; QU = Op - OrOp , Op 为 加 工 数 量 ( TotalProcessed Operational) , Or 为废品与次品数量 (RejectsOperational) . 例 1 　假设某个设备的 Tt = 168 小时 ;生产停机时间 (ScheduledDowntime)为 28 小时 ;非生产停机时间 (NonscheduledTime)为 8 小时. 则按照公式 1 ,可以计算出 : 利用率 AV = 168- (28+8 )168 =78 16 %. 例 2 　若该设备可以加工两种产品 ,生产过程情况如表 1. 表 1 　两种产品的生产过程示例 过程 A(理想加工周期为 215 分钟Π件) 过程 B (理想加工周期为 313 分钟Π件) 加工方式 生产时间 产量 加工方式 生产时间 产量 正常工序 20.4 hr 427 正常工序 68.7 hr 1033 非正常工序 4.7 hr 99 非正常工序 0hr 0 返工 3.0 hr 47 返工 5.6 hr 68 合计 28.1 hr 573 合计 74.3 hr 1101 总时间 = 168.0 hr ;调校状态 =5 .0 hr ;空闲状态 =24 .6 hr ;生产时间 =102 .4 hr(28.1 hr+74.3hr ) 按照公式 1 ,可以计算出 : CTi = 215 分钟Π件 +3 13 分钟Π件 2 =2 19 分钟Π件 ; CTa = (2811 ×60)Π573+ (7413 ×60)Π11012 =3 15 分钟Π 件 ; Oe = 219 分钟Π件315 分钟Π件 =0 1829 ; Re = 10214hr10214hr+5 10hr+24 16hr =0 1776 ; 表现指标 PE = 0.829 ×0.776=64 .3 %. 例 3 　若该设备加工产出情况如下 :A 产品总产量为 573 件 ,其中有返工品 47 件 ,废品 2 件 ;B 产品总 产量为 1101 件 ,其中有返工品 68 件 ,废品 3 件 ;两种产品总产量为 573+1101=1674 件 ,返工品总计为 47 +68=115 件 ,废品总计为 2+3=5 件. 按照公式 1 ,可以计算出 : 质量指标 QU = 1674- (115+5 )1674 =92 18 % 最后 ,计算出 OEE 为 : OEE=0 1786(Avail) ×01643(Perf) ×01928(Qual) =46 19% 412 　采用 TEEP对 OEE计算的修正 在一般的 OEE 计算中 ,企业的生产时间停机包括交接班停机、换线备料、日常维护等等 ,非生产时间 停机包括节假日停机、停工、维修等等. 这些事件一般都可以归类为计划内停机 ,并且容易通过手工记录的 方式计算 OEE. 然而生产过程中往往会发生许多突发事件 ,即存在设备外部因素停机时间 ,也是造成设备 产能下降的主要原因. 能够对这些突发事件造成的生产能力损失进行统计和分析 ,是完善 OEE 计算和管 86 系统工程理论与实践 2008年 4 月 理的关键. 若采用本文提出的设备运行维护实时管理四层结构框架设计 ,并且结合完全有效生产率 TEEP 的概念对 OEE 进行修正 ,则不仅可以计算设备运行效能指标 ,并且可以实现“设备停机模式的有效分析”、 “维护和管理工作的标准化”、“设备停机原因的追踪与分析”等多种功能. 在 OEE 计算中 ,设备利用率 AV = Tt - DtTt . 若引入完全有效生产率 TEEP条件 ,则可以定义重新修订设 备停机时间 Dt 为 : 公式 2: Dt = Dst + Dnt + Dut 其中 , Dut为设备外部因素停机时间 (UnscheduledDowntime) . 此时在 OEE 计算中 ,设备利用率 AV = TopTt ,即开动时间和总时间之比. 其中开动时间成为完全有效生 产时间 , Top = Tt - ( Dst + Dnt + Dut ) ,其他公式的算法和项目内容不变. 此时 ,OEE 可以反映完全有效生产 率 TEEP,并且分别反映出全部类型的生产能力损失 ,如图 4 所示. 图 4 　完全有效生产率及产能损失状况分类 　 要做到精确地计算完全有效生产时间 Top ,能够对设备外部因素停机时间即异常停机时间进行自动检 测和精确统计是技术上的难点之一. 本文引入设备失效模式分析和关键性原因分析的概念 ,并且提出基于 “功能区块图”的设计方法 ,将可以较好地解决这个问题. 5 　设备失效模式分析和关键性原因分析 在图 4 中 ,工厂中的设备有 6 种状态 :加工生产状态、设备空闲状态、设备调整或初始化状态、生产时 间停机、非生产时间停机 ,以及异常情况停机. 一个智能化的设备管理系统 ,当设备无法正常工作时 ,首先 必须找出并且界定失效模式. 对于生产时间停机状态和非生产时间停机状态 ,因涉及人工调度 ,其失效模 式和关键原因均比较容易区分和表达. 而对于因为异常情况的发生所造成的设备停机 ,其原因可能是相当 复杂的. 尤其是某些复杂程度较高的设备 ,出现故障时需要立即确定造成关键原因并且给出应对方案 ,这 就为设备管理的能力带来较大的挑战. 采用功能区块图的设计方法 ,可以比较方便地对失效模式进行分类 和对故障原因进行判断. 511 　功能区块划分 对构成设备的各个功能区块进行划分 ,主要是便于将来对造成设备失效的原因进行细致的逻辑分析 , 设计出功能区块图. 首先依照构成设备的内部元件情况 ,分层次对失效原因进行功能区划 ,然后基于功能 区划编制出对应的功能区块图. 例如 ,注塑机的构成主要有三大部分 :锁模机构、射出机构和电控机构. 其中电控机构包括 :输入机组 96第 4 期 制造企业生产设备运行维护实时管理系统 图 5 　对注塑机失效模式的功能区块划分 板、输出机组板、位置控制板、温度控制板、主机板 及人机界面等. 根据以上情况 ,对注塑机的功能区 块进行划分 ,如图 5. 512 　功能区块图 功能区块图的主要作用 ,是可以清晰地展现 设备故障和触发信号之间的逻辑关系. 其构成包 括三个部分 :触发信号、逻辑判断和结论输出 ,其 中 ,结论输出代表了造成故障的关键原因 ,如图 6 所示. 例如 ,若注塑机的锁模机构失效模式包括 :无 法锁模、无法开模 ,则可以将失效模式分别定义 为 :M1 、M2 . 其中 ,造成无法锁模 M1 的关键原因包 括 :前后安全门未关、电磁阀未动作、拖模未复归、 输入机组板故障等 ,则可以将故障代码分别定义 为 :E1 、E2 、E3 和 E4 . 前后安全门未关故障的触发 信号包括 :关前后安全门输出信号、前后安全门到 位信号 ,分别定义为 :I 1 、I2 ;电磁阀未动作故障的 触发信号包括 :开锁模电磁阀、开锁模回油电磁 阀、锁模电磁阀到位、锁模回油电磁阀到位 ,超过 动作延迟时间 ,分别定义为 :I 3 、I4 、I5 、I6 和 I7 ,则 有 :M1 =E 1 +E 2 +E 3 +E 4 ;E1 =I 1·I2 ;E2 =I 3·I4·I5· 图 6 　功能区块图模型 　 I6 . 其中 ,“+ ”和“·”为布尔逻辑运算符“或”及“与”,对于更为复杂的逻辑判断 ,可以采用“故障树”、“模糊 逻辑”和“概率逻辑”等方法 ,因篇幅所限 ,在此不再赘述. 6 　基于设备失效模式分析和设备效能分析的设备调度管理子系统 效能分析层需要实现的主要功能包括“设备停机模式的有效分析”、“维护和管理工作的标准化”、“设 备停机原因的追踪与分析”、“设备运行效能指标的计算”等. 需要重点考虑的方面有 : ①对设备状态的有效 分析 ,主要解决生产制造过程和相关停机事件的定义和逻辑建模 ; ②对设备失效模式与关键性原因分析. 对于复杂设备 ,可以首先把构成设备的各个部件进行分区 ,建立功能区块图 ,再根据因失效发生而造成的 功能丧失情况建立失效模式 ,进而根据历史记录记录和检索设备失效的关键性原因 ; ③采用 OEE 计算 ,统 计设备可利用率等效能指标并且对产能损失进行归类 ,分析设备产能利用率 ,为各种生产管理和调度提供 07 系统工程理论与实践 2008年 4 月 关键绩效数据 ( KPI) . 若要建立一个智能化程度较高的设备效能分析子系统 ,必须有效利用设备实时监控 子系统的数据处理功能. 设备维护调度管理层的主要功能包括“运行维护历史数据的统计记录”、“维护工单的有效管理”等. 具 体需要考虑的方面有维护报告、预防性维护、工单管理、设备采购的原始信息、维护人员管理、工具控制管 理等等[5] . 若需要在制造执行系统 MES的平台上设计设备维护调度管理子系统 ,则维修工单的发放与执 行必须与计划排产系统协调配合 ,确定工单的优先等级. 维护工单除了需要落实例行性维护工作之外 ,也 能够执行预防性维护周期机制所得出的维护进度安排 ,使设备的利用率与成本费用能够达到最佳目标. 设 备效能分析层与设备调度管理层的功能模型如图 7 所示. 图 7 　设备效能分析层与设备调度管理层的功能模型 7 　系统应用 本论文提出的结构框架不仅适用于多机台的工件车间设备运维管理 ,也适用于以流水线为主的制造 车间生产设备运维管理. 笔者应用以上功能模型 ,为广东省内某知名日化企业的包装车间设计了一套功能 较为完备的实时设备运维管理系统. 该企业的包装车间总共有 12 条全自动化的包装流水线 ,均采用 PLC 作为现场控制设备 ,并且已经建设了一个面向整个车间的 SCADA自动监控系统. 我们研制的设备运维管 理系统与已有的 SCADA系统紧密结合 ,通过 OPC接口方式获取 PLC所采集的设备运行状态和故障触发 信号 ,采用功能区块图方法自动确定设备失效模式和分析故障原因 ,并且采用完全有效生产率指标 TEEP 自动计算设备的使用效能 ,所有的数据都可以和人员信息以及生产计划相互关联进行管理 ,取得了令人满 意的应用效果. 图 8 是该系统的运行界面截图. 8 　总结 本论文提出的设备运维实时管理的四层结构框架 ,包括设备信息采集层、实时监控管理层、效能分析 层和设备调度管理层. 实时监控层可以使系统及时获知设备状态和有效地控制设备制造参数 ;效能分析层 可以有效地分析设备失效模式和关键原因 ,并且基于 OEE 计算自动统计设备的使用效能指标 ,为维护和 管理工作的标准化奠定了基础 ;而设备调度管理层则可以记录维护管理的相关信息 ,并且有效管理维护工 单 ,使设备维护活动能够实现科学合理化和落实效益的最大化. 本论文提出的模型将有助于大型工厂复杂 设备维护系统的设计和开发 ,使维护流程和管理运作达到最佳效率 ,从而进一步提升企业的竞争力. 17第 4 期 制造企业生产设备运行维护实时管理系统 图 8 　生产设备运行维护实时管理系统的应用界面 参考文献 : [1 ] 　王军强 ,孙树栋 ,等. 基于组件的设备管理信息系统的研究与实现 [J]. 计算机集成制造系统 ,2004,10 (9) :1095- 1099. 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