面向汽车行业的设备维护管理系统设计

周鹏飞，薛春雷，魏 磊，孟 宇，马 健

（中汽研汽车工业工程（天津）有限公司，天津 300300）

0 引言

随着信息网络技术的发展，越来越多的制造型企业希望能够对设备状态进行实时监控、智能化运维、故障诊断等。为实现设备管理信息化与自动化，利用信息化技术对设备进行全面管理成为了迫切需求[1]。以汽车生产制造场景为蓝本，研究总结面向汽车行业的设备维护管理系统设计方案，从总体功能需求、设备维护保养策略、系统软硬件架构设计、系统功能特点、关键功能的开发与实现等环节予以阐释，罗列汽车生产制造过程中需监控的关键典型设备，为相关行业的设备管理系统开发与设计提供技术参考。

1 系统概述

以某整车制造企业为例，通过详细的需求调研总结，明确系统的主要功能需求：①建立完善的设备维护、故障、售后的数据分析和报告体系，为管理考核提供依据；②根据不同的设备类型和特性，建立面向设备对象的故障和技术分析体系，建立基于设备类型的维护数据知识库，辅助提高设备维护效率；③实现各个部门和相关员工对于设备相关信息的及时跟踪、处理和分析等，提高工作效率。

2 设备维护保养策略

2.1 设备故障分类

一般来讲，设备故障按技术性原因可分为四大类，即磨损性故障、腐蚀性故障、断裂性故障及老化性故障[2]：磨损性故障是指设计时已预料到的、不可避免的正常磨损造成的故障；腐蚀性故障按腐蚀机理不同可分化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀3 类；断裂性故障可分脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂、塑性断裂4 类；上述3类故障的综合作用，使设备性能老化引起的故障，称为老化性故障。

在正常设备使用过程中，磨损故障是设备故障的主要表现形式。磨损性故障是由正常磨损而引起的故障，对这类故障形式，一般要进行寿命预测，更换零件或部件，对磨损造成的间隙进行补偿[3]。磨损型设备故障趋势如图1 所示，设备管理可分为反应性、预防性、主动性3 个阶段，在反应性阶段，机械故障会造成巨大损失，而在预防性及主动性阶段，所有工序故障/机械故障所造成的损失概率则会大大降低。清楚地认识引起各种设备故障的主要成因，确定引发的主要故障类型，是评价设备维护保养重要度、制定维护保养规程的重要基础。

图1 磨损型设备故障趋势

2.2 设备维护保养重要度评价

设备维护保养主要考虑四大因素：机械设备的平均修理时间、设备的影响程度、机械发生故障的概率、故障造成产线停线的危险程度。影响程度应细分为考虑以下各项因素：机械计划运行时间、机械故障产生的产品报废情况、质量缺陷导致的平均成本、能量损耗、机械可用度方面的生产影响、安全方面的生产影响、环境方面的生产影响。设备保养重要度评价见表1，对不同影响因素赋值权重，可得出各设备的保养重要度评价。

表1 设备保养重要度评价

2.3 设备维护保养流程

经梳理总结，设备维护保养流程如图2 所示，分为保养循环和维修循环，并通过监控平台进行数据统计、分析、处理、预警和诊断预测，实现如下效果：①运行状态实时监控。实时收集各设备的运行数据，通过驾驶舱展示实时运行状态；②故障及时维修。发现信号异常超出设定阈值，向报警装置或移动APP 端传递报警指令，提醒维修保养班组长组织维修下达维修指令，及时组织维修活动；③定期保养记录。记录设备定期点检、巡检保养情况；④决策支持看板。实现保养报表、现场故障、处理状态、设备保养情况、库存控制等的全方位展示；建立维护知识库，结合大数据分析、机器学习等技术，实现设备故障预测性分析。

图2 设备维护保养流程

3 系统设计

3.1 软件架构

系统构建的整体软件架构如图3 所示，主要由设备层、服务层、业务层、展示层和数据库五部分组成。设备层主要面向汽车制造车间的主要生产设备和传感器设备。服务层用于支撑系统软件服务的正常运行，主要包括事件通知服务、异常处理服务、安全控制服务、SQL Service、系统监控服务等。业务层涉及系统的核心功能，分为数据管理、设备保养、设备维修、故障分析四部分，其中：数据管理包括设备清单管理、设备信息数据配置、设备文件上传，设备保养包括设备保养计划维护、设备保养情况查询、设备保养提醒，设备维修包括设备维修计划维护、设备维修情况查询、设备维修情况上报，故障分析包括设备故障上报维护、设备故障采集、设备故障分析。展示层涵盖AVI 车辆路由显示、生产状态监控、设备运行报表、设备状态看板。数据库包括系统数据库、设备运行状态数据库。

图3 软件架构

3.2 设备连接拓扑结构

设备连接拓扑图如图4 所示，各车间生产设备及传感器主要通过以太网和系统服务器进行通信，核心设备PLC 可以直接与服务器通信。为保证系统运行稳定，系统分别部署了应用服务器、数据库服务器、接口服务器。CCR 中控屏用于综合显示设备运行状态。

图4 设备连接拓扑结构

4 系统设计

设备管理系统面向工厂生产现场，需充分考虑现场生产的重要性，做到高可靠性、高可用性、高扩展性和灵活性。搭建思路以集群控制模式、冗余热备模式、分散均衡控制模式为主，以保证系统的安全性、稳定性、效率性为根本目的。

4.1 系统特点

（1）数据分析能力。实现设备运维KPI 全局可视化，能够显示不同维度的数据分析及展示；支持项目、任务、设备资产、设备系统等不同层级的故障、任务等执行状况分析以及成本分析、任务分析、人员绩效分析、OEE（设备稼动率）、MTBF（平均无故障工作时间）、MTTR（平均修复时间）、备件库存分析等。

（2）物联网数据平台（IOT）。能够实现设备物联接入、远程实时监控及运维；可替代传统人工点巡检，自动预警设备异常；自主兼容多种通信协议，具备采集和监控PLC、SCADA、数采边缘盒、智能计量表等能力；可配置IOT 预警指标，根据指标自动生成和推送维护工单；通过关键资产监控看板，可实现对IOT数据的实时监控和快速配置。

（3）运维管理流程。具备全生命周期设备数据管理能力，支持二维码或RFID 设备卡管理；支持自修、临修、委外修、预防性维修、点巡检、维修工程等方式；可方便地制定维修、保养、点检等计划，可以基于设备状态和维修记录自动生成保养计划；支持排班管理以及基于专业、时间、维修策略等的自动化任务处理流程；内置工作流引擎，可以快速配置审批流程；完善的备品备件、部件管理功能，备件数据与维修过程无缝链接。

4.2 需监控设备清单

以汽车生产为例，因生产制造的核心在于冲压、焊接、涂装、总装四大工艺车间，罗列各工艺车间的关键典型生产制造类设备清单（表2），方便进行参考。这里不讨论工厂生产辅助性设备、能源供给设施及厂区级监测仪表等。

表2 汽车生产车间典型设备

4.3 关键业务功能设计

系统关键业务功能设计包括四部分，设备清单管理、设备定期保养提醒、设备维修结果录入、设备停机管理等。

（1）设备清单管理（图5）。系统提供设备清单录入界面，供相关人员维护设备、工具、器具等类别的设备信息。字段包括：需要保养的设备编号、保养周期、提前通知的周期、需通知的人员名称和邮件号等。

图5 设备清单管理

（2）设备定期保养提醒（图6）。需要操作人员维护设备的保养周期、保养提前通知的周期，系统定时运行：当（当前时间-上次保养完成时间）>（保养周期-提前通知的周期）时，系统推送邮件给相关人员。由于MES 不能上外网，邮件方式通知，需要有内网邮件服务器才能实现，否则无法实现。

图6 设备定期保养

（3）设备维修结果录入（图7）。需要操作人员录入设备维修的结果记录，信息包括：维修设备编号、维修人、时间、设备故障的原因、故障解决的方法和更换的零件清单等。

图7 设备维修管理

（4）设备停机管理（图8）。系统自动采集设备停线记录和设备状态（含设备运行、报警、故障等信息）。维护设备停机故障码和中文描述对照表。对故障类型等进行统计形成分析曲线。提供设备分析OEE 报表。具体设备清单，需要根据现场联网情况制定。

图8 设备停机管理

5 结语

对整车实际生产过程中的设备管理需求进行分析，从设备故障类型、设备故障重要度评估、设备维护保养流程等方面阐述设备维护保养策略；采用模块化分层架构模式，对系统功能框架和软硬件架构进行详细设计，对关键功能模块进行开发与实现。在企业实现设备管理系统的国产化开发及部署实施，建立完善的设备维护、故障、售后的数据分析和报告体系，建立面向设备对象的故障和技术分析体系，实现各个部门和相关员工对于设备相关信息的及时跟踪、处理和分析。