基于云平台的设备智能管理系统的研究

2021-03-01刘志宇王德权杨佳杭

组合机床与自动化加工技术 2021年2期

刘志宇，王德权，杨佳杭，宋野

(大连工业大学机械工程与自动化学院，辽宁大连 116034)

0 引言

随着“工业4.0”进程的快速发展，我国也相继提出“中国制造2025”的发展纲要，并为制造业企业指明了新的方向。随着客户企业对产品功能和特性的需求不断提高，定制化的生产逐渐成为新的发展趋势，然而传统制造系统的生产设备、分析方法、生产效率已远远不能满足市场需求；同时出现生产过程资源浪费严重的现象，在生产制造设备管理维护方面更是存在严重不足。另外当前的设备管理系统大多针对单一的生产设备，缺乏系统科学的管控和保养，导致设备故障率、停机率较高，从而导致生产效率低下，并且对生产设备的柔性度把握不够，设备再利用率较低，延长了新产品的开发周期。从企业角度出发，生产设备直接关系到公司的整体利润情况，想要在复杂的市场竞争中获得长期生存和长远发展的能力，需要具有先进的生产设备以及良好的管理水平，这是影响公司生产力的基本要素，也是生产高质量产品的重要条件之一。为了解决传统的制造系统存在的诸多问题，企业急需一套具有通用性强、可扩展和灵活的设备智能管理系统[1]。本文正是在这种环境和背景下，深入离散式制造企业底层挖掘企业生产设备管理过程中的痛点和难点问题，针对离散式制造企业所共有的设备报修维修，设备预防性维护和日常保养，设备状态监控管理，设备数据分析方面展开讨论和研究，和传统数据处理模式相比，该设备管理系统采用了设备数据上云平台的方式，提高了设备管理效率，科学准确的统计和分析设备产生的数据，从而大大提升自身企业的管理水平[2]。

表1 设备管理传统模式与云平台模式比较

1 设备智能管理系统的含义

设备管理系统得益于TPM的管理思想。TPM(Total Productive Maintenance)，意为“全员生产维护”[3]，是以提高设备综合效率为目标，以系统性的预防维护为全过程，以全体参与人员为基础的设备终身维护体系，以建立完善健全的生产效率化企业设备管理体系为目标，从生产系统的整体性出发，构建避免损耗发生的设备管理机制，涉及生产、研发、设计、销售等在内的所有部门，通过公司从顶层到一线员工的全面参与的TPM活动，最终实现员工素质、设备效率、企业体质的共同提升[4]。

设备的智能管理就是在TPM的管理理念的指导下，设计包扩状态监控，设备管理，报警管理，客户管理，数据报表，远程服务等多方面管理于一身的设备综合管理系统，是增加企业效益，提升企业综合管理能力，提升生产效率和核心竞争力的重要手段和方法[5]。设备智能管理系统如图1所示。

图1 设备智能管理系统

2 系统架构设计

为了给大量用户同时提供在线服务，本系统采用多租户的SAAS平台、微服务架构，对庞大系统进行模块化拆分，各服务职责单一，互相协作，降低系统整体耦合度。在技术选型上，采用开源的社区活跃度高的Spring cloud的相关组件，配合MySQL和时序数据库、消息中间件等构建的解决方案，实现各服务可配置、可扩展、高可用的灵活性目标，同时采用很多第三方组件实现对整个系统性能，活跃度等指标的监控，比如ELK，Grafana等来实现预警、报警提示、错误日志分析等功能[6]。系统的架构图如图2所示。

图2 系统架构图

从数据库设计的必要性和安全性的角度出发，将短时间内的生产过程中的生产数据、设备运行数据等存储在实时数据库中，并且为了保证实时数据库快速、稳定地运行，设计了备份数据库，需要定期将数据导出，用于承接实时数据库导出的数据。备份数据库的创建是以实时数据库中需要进行生产过程数据存储的数据表以及相关视图、存储过程等为依据进行的。备份数据库通过链接数据库的方式与主数据库连接，通过在备份数据库中建立自动调度即可实现从实时数据库中转移数据的目的。为了满足与外部系统进行数据库层面的数据交互的需要，并且不对数据库的安全性构成威胁，系统还设计了用于和外部系统进行中间数据交互的中间数据库。相对于直接为外部系统开放权限，允许其操作本系统的数据库，设立中间数据的方式更为安全[7]。

3 系统功能设计与实现

设备智能管理系统在设计上共包含了设备档案管理、设备报修管理、设备维修管理、设备保养管理、设备状态管理管理、设备数据信息维护管理，如图3所示。下面针对于各个模块的设计和实现展开详细介绍。

图3 设备智能管理系统

3.1 设备档案

设备档案是设备管理模块的核心基础功能之一，为每一个设备建立完整详细的档案，便于生产实际的设备信息统计及使用。操作者可通过登录系统进入到设备档案信息维护界面对设备的详细信息，设备履历，设备生产手册，设备二维码等信息进行维护和完善[8]。

3.2 设备报修

当设备发生故障时，现场操作人员可通过系统中设备维修申请界面创建设备的维修申请。操作者创建维修申请并确认无误后，将维修申请状态更改为进行中并下发给设备维修人员。维修人员可在设备报修页面可查看所有报修工单及维修进度。在报修触发后，系统会自动将维修工单派工给维修人员，维修人员收到工单后，可选择接单进行维修或对工单进行再次指派，系统不限制指派次数[9]。报修流程如图4所示。

图4 设备报修流程

3.3 设备维修

指派后的维修工单，系统会自动发送消息推送到对应的维修人员，当维修人员登录系统后，会在个人工单信息页面查看到所有待接单的工单任务。在对设备开始维修后，系统会记录下设备的接单时间、开始维修时间、维修技术时间、维修时长。在维修结束后，由维修人员录入维修内容、更换零部件等信息，相关人员可在系统内实时查看到过程进度。当维修完成后，需生产班长确认设备是否恢复运行，复线后该设备在系统中恢复正常运行状态，如复线异常，则录入异常原因。

史载妇好大概在其三十多岁时不幸去世，武丁非常痛心，将她下葬在自己处理军政大事的宫室旁边。即使如此，武丁仍然觉得自己守护的力量不够，于是，他率领子孙们为妇好举行了一次又一次大规模的祭祀，并且为妇好举行了三次冥婚，将她的幽魂先后许配给了三位先商王：武丁的六世祖祖乙、十一世祖大甲、十三世祖成汤。将妇好许配给成汤之后，武丁终于放下了心，大概认为有多达三位伟大的先人共同照看，妇好在阴世里能够得到安全和关怀了。由此可以看出，妇好在武丁心中的地位绝非一般。

3.4 设备保养

机修人员可按周、天、月、季度、年等周期策略，针对某台设备或某一类型设备或针对某一区域设备制定保养计划。系统会自动根据保养周期、保养对象、保养确认方式生成保养任务。在设备保养触发后，系统会自动将保养工单派工给保养人员，保养人员收到工单后，可选择接单进行保养或对工单进行再次指派，为设备建立故障点数据库，分析设备运行情况，预判设备的维护周期，降低设备停机率；针对于生产设备的完整体系建立，实现设备全生命周期管理[10]。

3.5 设备状态管理

通过对工厂现场设备的通讯参数及需要采集的变量信息进行定义或定制，从工厂现场自动化设备中采集实时运行状态、运行参数和加工信息，并传输到监控终端。系统针对不同的状态进行汇总，统计，形成反映不同数据指标的统计图，其中最为重要的是实时状态分布和当班状态统计及时间线统计[11]。

实时状态统计是对当前企业内所有生产设备状态的实际运行状态进行汇总并形成扇形图，一目了然的查看真正处于加工状态中的设备数量。当班状态统计为在当前的班制时间内，从班制开始时间到现在为止，过去的时间里所有生产设备一共出于各个生产状态下的时间占比，清晰明了的了解所有设备处于加工中的状态时间，从而反映出生产效率如何[12]。

图5 设备状态总览

时间线即是对生产状态的进一步描述和补充，共分为两条时间线。第一条时间线由数据采集系统采集到的设备实际的运行情况数据统计而成，第二条时间线则由客户企业自行维护，可进行自定义操作，是针对设备的实际运行状态进行业务层面的定义，真正做到设备停机有因可查，有果可寻，及时准确的发现影响设备运行效率的因素，并可针对该部分原因进行不断地优化提高进而达到提高生产力水平的目的。