設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案的介紹

一、前言

當(dāng)今的過程工業(yè)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的可靠性要求越來越高，一般都要求儀表設(shè)備能滿足7/24的連續(xù)可靠工作，突發(fā)的故障停機(jī)會(huì)造成極大的損失。因此，也對(duì)設(shè)備的維護(hù)提出了較高的要求，以最大程度的避免生產(chǎn)的損失和材料的浪費(fèi)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在 1981 年，美國(guó)的工廠花費(fèi)在維護(hù)其關(guān)鍵裝置系統(tǒng)上的成本超過了 6000 億美元。在 1991 年，這種成本已經(jīng)升至 8000 多億美元，而在 2000 年更是破記錄地達(dá)到 12000 億美元。這些數(shù)據(jù)表明，這些成本的三分之一到二分之一由于采用無效的維護(hù)管理方法而被浪費(fèi)掉。雖然在中國(guó)沒有這方面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，但是相信中國(guó)目前在這方面的情況和美國(guó)當(dāng)時(shí)差不多。

選擇錯(cuò)誤和原始的維護(hù)手段和落后的維護(hù)觀念是這種無效使用維護(hù)支出的主要原因。在強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益的今天，也有越來越多的用戶開始意識(shí)到過去那種單純依靠人的直覺和經(jīng)驗(yàn)來執(zhí)行設(shè)備維護(hù)計(jì)劃的方式已經(jīng)不能再滿足過程工業(yè)的生產(chǎn)需求了。

二、設(shè)備維護(hù)的模式

設(shè)備維護(hù)一般有三種模式：事后維護(hù)、預(yù)防性維護(hù)和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

事后維護(hù)，也有人稱之為“補(bǔ)救性維護(hù)”，“故障后維護(hù)”，“運(yùn)轉(zhuǎn)至出現(xiàn)故障管理”，顧名思義，也就是說設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)它進(jìn)行維修。這是種“不出故障就不維修”的維護(hù)方式，也是最初級(jí)最簡(jiǎn)單也是目前在國(guó)內(nèi)被用戶采用最多的維護(hù)運(yùn)行手段。采用運(yùn)轉(zhuǎn)至出現(xiàn)故障管理的工廠在機(jī)器或系統(tǒng)出現(xiàn)故障之前不會(huì)在維護(hù)上花費(fèi)任何資金。運(yùn)轉(zhuǎn)至出現(xiàn)故障是一種反應(yīng)性的管理技術(shù)，它會(huì)在采取任何維護(hù)行動(dòng)之前等待機(jī)器或設(shè)備出現(xiàn)故障。確切地說，這是一種“無維護(hù)”管理方法。它也是最為昂貴的維護(hù)管理方法，分析表明，在反應(yīng)性或事后維護(hù)模式下進(jìn)行維修的成本是有計(jì)劃或預(yù)防性維護(hù)模式下進(jìn)行的相同維護(hù)的成本的 3 倍。對(duì)維修進(jìn)行計(jì)劃安排可使工廠將維修時(shí)間和有關(guān)的勞動(dòng)力成本降到最低。它還提供了一種可減少快速交付和生產(chǎn)下降等負(fù)面影響的方法。

與這種維護(hù)管理相關(guān)的主要費(fèi)用是：

·高備件庫存成本；

·高超時(shí)勞動(dòng)力成本；

·機(jī)器停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)；

·生產(chǎn)能力低。

預(yù)防性維護(hù)(Preventive Maintenance)和預(yù)測(cè)性維護(hù)(Predictive Maintenance)都屬于事先維護(hù)。

一般地講，預(yù)防性維護(hù)可以分為三種類型：

·基于時(shí)間的維護(hù)計(jì)劃

·基于性能的維護(hù)計(jì)劃

·基于條件的維護(hù)計(jì)劃

基于時(shí)間的維護(hù)計(jì)劃：在特定周期中執(zhí)行基于時(shí)間的維護(hù)計(jì)劃的維護(hù)，例如，每隔兩個(gè)月或每隔六個(gè)月。

基于性能的維護(hù)計(jì)劃：可根據(jù)各個(gè)設(shè)備和功能位置的測(cè)量點(diǎn)安裝的計(jì)數(shù)器讀數(shù)來進(jìn)行。某些設(shè)備要根據(jù)許多參數(shù)或狀態(tài)來進(jìn)行操作。這些參數(shù)或狀態(tài)信息可能由測(cè)量點(diǎn)提供。設(shè)備上的計(jì)數(shù)器到達(dá)一定讀數(shù)時(shí)，系統(tǒng)就進(jìn)行維護(hù)，例如，每隔 100 個(gè)小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間，每隔 500個(gè)鑄造周期等。

基于條件的維護(hù)計(jì)劃：部分設(shè)備將通過實(shí)時(shí)狀態(tài)或操作參數(shù)如溫度等進(jìn)行控制。這些參數(shù)為實(shí)時(shí)讀數(shù)，需要實(shí)時(shí)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。

所有這些預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃的共同標(biāo)志是它們都具有計(jì)劃安排指南。所有預(yù)防性維護(hù)管理計(jì)劃都假設(shè)，設(shè)備狀況將在通常適用于該類特定機(jī)器的統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)惡化。例如，某種泵設(shè)備通常運(yùn)轉(zhuǎn)12個(gè)月后就要更換其磨損部件。使用預(yù)防性維護(hù)技術(shù)，在該種泵運(yùn)轉(zhuǎn)11 個(gè)月后就要使其停止運(yùn)轉(zhuǎn)并進(jìn)行改制。這種方法的問題是，運(yùn)轉(zhuǎn)模式以及與系統(tǒng)或裝置相關(guān)的變量會(huì)直接影響機(jī)器的正常工作壽命。對(duì)于用于輸送水用于輸送磨損性泥漿的泵來說，平均無故障時(shí)間 (MTBF) 是不同的（如圖1）。如果該泵在11個(gè)月之后可能就不需要進(jìn)行維護(hù)也能正常工作，那么用戶維修的勞動(dòng)力和材料就被浪費(fèi)掉了。采用預(yù)防性維護(hù)的第二種選擇甚至更為昂貴。同時(shí)，也有大量事實(shí)表明，頻繁拆卸和停車維修，即導(dǎo)致產(chǎn)量降低，維修費(fèi)用增加，而且也大大降低了設(shè)備的實(shí)際使用年限。事實(shí)上專家提出，導(dǎo)致很多工業(yè)設(shè)備故障的最大原因之一就是：不做嚴(yán)謹(jǐn)分析，上去就對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行操作和維修。

預(yù)測(cè)性維護(hù)(PM),也被稱之為預(yù)知性維護(hù)或策略性維護(hù)。預(yù)測(cè)性維護(hù)集設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障(狀態(tài))預(yù)測(cè)、維護(hù)決策支持和維護(hù)活動(dòng)于一體，足近年來新興的一種先進(jìn)維護(hù)方式。

預(yù)測(cè)性維護(hù)實(shí)際上是一種運(yùn)轉(zhuǎn)狀況驅(qū)動(dòng)的預(yù)防性維護(hù)程序。預(yù)測(cè)性維護(hù)不依賴于工業(yè)或工廠內(nèi)平均壽命統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（即平均無故障時(shí)間）來計(jì)劃安排維護(hù)活動(dòng)，而是對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、效率、熱量分布和其他指標(biāo)進(jìn)行直接監(jiān)視，以確定實(shí)際的平均無故障時(shí)間或?qū)⑽：Φ焦S或設(shè)施內(nèi)所有關(guān)鍵系統(tǒng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的效率損失。它和預(yù)防性維護(hù)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

·克服預(yù)防性維護(hù)的盲目性，具有很強(qiáng)的針對(duì)性。根據(jù)狀態(tài)的不同采取不同的處理方法，降低運(yùn)行檢修費(fèi)用。

·減少停運(yùn)(總維護(hù))時(shí)間，提高設(shè)備可靠性和可用系數(shù)，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，更好地貫徹“安全第一．預(yù)防為主”的方針。

·減少維護(hù)工作量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于減員增效，提高經(jīng)濟(jì)效益。

二、預(yù)測(cè)性維護(hù)的現(xiàn)狀

在過去的幾年里，隨著給予微處理器或計(jì)算機(jī)的儀器儀表的迅速發(fā)展，以及維護(hù)管理系統(tǒng)的不斷完善，尤其是先進(jìn)以現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)等通訊技術(shù)的高速發(fā)展和普及，國(guó)內(nèi)外各大廠家推出了各種先進(jìn)的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)。美國(guó)的FitCh博士更是在預(yù)測(cè)性維護(hù)的基本上創(chuàng)立了主動(dòng)性維護(hù)的概念和理論。

總體質(zhì)量管理(TQM)與lSO 9000的實(shí)施也使對(duì)PDM計(jì)劃的需求倍增。TQM與lSO 9000都有維護(hù)計(jì)劃程序的要求，以保證流程及所有組成部分都能連續(xù)發(fā)揮高性能。

預(yù)測(cè)性維護(hù)在概念的內(nèi)涵和外延上有狹義和廣義之分。

狹義的預(yù)測(cè)性維護(hù)立足于“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”，強(qiáng)調(diào)的是“故障診斷”是指不定期或連續(xù)地對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)其結(jié)果．查明裝備有無狀態(tài)異?；蚬收馅厔?shì)，再適時(shí)地安排維護(hù)；廣義的預(yù)測(cè)性維護(hù)將狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè)和維修決策多位合一體，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是基礎(chǔ)，狀態(tài)預(yù)測(cè)是重點(diǎn)，維護(hù)決策得出最終的維護(hù)活動(dòng)要求。是一個(gè)系統(tǒng)的過程。它將維護(hù)管理納入了預(yù)測(cè)性維護(hù)的范疇。通盤考慮整個(gè)維護(hù)過程，直至得出與維護(hù)活動(dòng)相關(guān)的內(nèi)容。

三、西門子儀表實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)

近年來，西門子公司圍繞預(yù)測(cè)性維護(hù)這一理念設(shè)計(jì)和研發(fā)了很多智能化程度較高的儀表產(chǎn)品。

1、Sitrans DA400泵診斷系統(tǒng)

如前例所述，對(duì)于大多數(shù)運(yùn)輸磨損性很強(qiáng)的漿料泵來說，如果進(jìn)行有效的低成本的維護(hù)一直是個(gè)難題。西門子公司推出的基于聲敏診斷和Profibus技術(shù)儀表Sitrans DA400就能有效地實(shí)現(xiàn)針對(duì)泵提供預(yù)測(cè)性維護(hù)的解決方案。

泵的泄漏通常發(fā)生在湍流區(qū)域，尤其在高壓條件下出現(xiàn)氣蝕時(shí)，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲波或超聲波，可以在閥門外安裝傳感器進(jìn)行探測(cè)。聲級(jí)是泄漏的測(cè)量單位。

在線診斷系統(tǒng)Sitrans DA400（如圖2）能完全滿足這些要求。聲波發(fā)射傳感器安裝在閥門的外面，對(duì)泄漏信號(hào)高度敏感，而對(duì)泵的運(yùn)行信號(hào)不敏感。對(duì)信號(hào)的適當(dāng)處理使測(cè)量結(jié)果自動(dòng)適應(yīng)負(fù)荷條件的變化，如壓力或沖程數(shù)。操作工只需要設(shè)定報(bào)警值。

SITRANS DA400聲敏檢測(cè)系統(tǒng)為往復(fù)式隔膜煤漿泵檢測(cè)吸入閥、排放閥的運(yùn)行狀況提供了優(yōu)秀的解決方案。

SITRANS DA400利用探測(cè)到是否存在空穴現(xiàn)象和相應(yīng)的泵的操作噪音的聲音級(jí)別，來診斷閥的開和關(guān)動(dòng)作是完好的。相反的，如果有缺陷的閥門中存在空穴現(xiàn)象，那么能夠通過周期性的聲音級(jí)別增加識(shí)別出來；被檢測(cè)的閥門通過 SITRANS DA400將這種聲音的級(jí)別的增加檢測(cè)出來；這種檢測(cè)能夠在專用的超聲波范圍內(nèi)完成。這能過濾掉那些由泵的操作和閥門的關(guān)閉動(dòng)作產(chǎn)生的噪聲。

Sitrans DA400基于狀況的維護(hù)要求監(jiān)測(cè)裝置或者操作單元的工況，其優(yōu)點(diǎn)是：

·裝置出現(xiàn)故障前發(fā)現(xiàn)損壞，

·可以制定停車維修計(jì)劃，

·成本高昂的損壞出現(xiàn)之前已得到維修，

·延長(zhǎng)零部件的使用壽命，

·裝置或單元的自動(dòng)檢查

圖3：采用泵在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)較少維護(hù)成本

根據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)半年多的實(shí)驗(yàn)觀察，安裝了Sitrans DA400的隔膜泵相對(duì)未安裝的兩組隔膜泵的平均檢修時(shí)間要減少2/3左右，也就是減少了相當(dāng)于2/3的維修成本（如圖3），同時(shí)大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

2、Sipart PS2智能閥門定位器

由于智能型閥門定位器是安裝在氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥上，其工作環(huán)境相對(duì)惡劣，如環(huán)境溫度、管道振動(dòng)等因素都會(huì)對(duì)智能型閥門定位器正常工作帶來不利影響。智能型閥門定位器在設(shè)計(jì)過程中，考慮到這些不利因素，設(shè)計(jì)了一些自身的診斷功能。同時(shí)，氣動(dòng)閥門本身長(zhǎng)期工作在惡劣的環(huán)境中，也會(huì)存在腐蝕、磨損等問題。因此，如果通過智能型閥門定位器的診斷功能實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的預(yù)測(cè)性維護(hù)，也是現(xiàn)在很多用戶所關(guān)注的問題。

智能型閥門定位器對(duì)調(diào)節(jié)閥的故障診斷是通過附加傳感器來完成的。定位器內(nèi)部的微處器通過定時(shí)采集各種傳感器的數(shù)據(jù)，并對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、比較、分析、組態(tài)，將出現(xiàn)異常的信息通過組態(tài)軟件輸出報(bào)警信號(hào)。智能型閥門定位器對(duì)調(diào)節(jié)閥的診斷分為在線診斷、離線診斷。

在線診斷包括：行程累積、行程方向改變次數(shù)、報(bào)警次數(shù)、死區(qū)自調(diào)整、閥門基線位置（比如：閥座的磨損）、最高最低溫度下運(yùn)行的小時(shí)數(shù)、壓電閥的運(yùn)行次數(shù)、閥門定位時(shí)間、執(zhí)行機(jī)構(gòu)泄漏、噪聲診斷等。離線診斷包括：執(zhí)行機(jī)構(gòu)及氣路的密封性、靜特性、階躍過渡及頻率響應(yīng)特性。

另外，智能電氣閥門定位器SIPART PS2 有提供更多的額外監(jiān)測(cè)功能，狀態(tài)顯示源自故障信號(hào)的監(jiān)測(cè)。故障信號(hào)按“交通燈”的方式進(jìn)行分類，用綠色、$和紅色扳手表示（PDM 軟件），如圖4：

·需要維修（綠色扳手）

·急需維修（$扳手）

·臨近故障或故障（紅色扳手）

這使用戶在閥門或執(zhí)行器在產(chǎn)生重大故障前能夠提前檢測(cè)到，可避免系統(tǒng)停車。通過故障信號(hào)的指示，例如執(zhí)行器隔膜的損壞、動(dòng)作滯后等，用戶可利用適當(dāng)?shù)木S護(hù)策略保證系統(tǒng)可靠。

3、Sitrans CLS300電容式物位開關(guān)

在諸如制藥、化肥、有色、石化等行業(yè)，由于很多測(cè)量介質(zhì)本身具有很強(qiáng)的黏附、磨損等原因，因而增加了大量額外的維護(hù)成本。

西門子因此推出了一種帶Profibus總線的電容式物位計(jì)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)探頭的掛料量（零點(diǎn)電容的變化），探頭的磨損（累計(jì)電容的變化）等關(guān)鍵性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸大量診斷信息至上位機(jī)，幫助用戶指定預(yù)測(cè)性維護(hù)計(jì)劃（如圖5），大大節(jié)約用戶的維護(hù)成本，同時(shí)由于減少的更換部件的次數(shù)，也等于延長(zhǎng)了設(shè)備的實(shí)際使用壽命。而這種功能對(duì)于只能輸出開關(guān)信號(hào)的儀表來說，是很難實(shí)現(xiàn)的。

4、Siwarex稱重系統(tǒng)

不同于傳統(tǒng)意義上的稱重系統(tǒng)，Siwarex稱重系統(tǒng)實(shí)際上一套全集成在Simatic系統(tǒng)的數(shù)字化稱重解決方案。相對(duì)于傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)而言，Siwarex系統(tǒng)突破了通訊和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制，在系統(tǒng)測(cè)量精度、控制速度、施工周期、長(zhǎng)期維護(hù)量等方面體現(xiàn)出了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

由于稱重系統(tǒng)相對(duì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維護(hù)量比較大，長(zhǎng)期以來技術(shù)領(lǐng)先的稱重技術(shù)廠家一直在考慮如何設(shè)計(jì)一種既能減少成本，簡(jiǎn)化稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又能提高稱重系統(tǒng)整體性能的解決方案，而西門子這種基于Simatic的稱重解決方案，無疑是一種滿足新要求的一種可行的解決方案。

新型的Siwarex系統(tǒng)提供一種對(duì)于大部分用戶來說，是非常概念化和理想的工具。通過事件記錄功能來實(shí)時(shí)記錄稱重的進(jìn)程和狀態(tài)，并且對(duì)于不正常的事件進(jìn)行分析。同時(shí)診斷緩沖器將會(huì)記錄保存最后的100條診斷信息。通過對(duì)稱重傳感器和電纜的關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)的監(jiān)控，我們可以得以得到關(guān)于稱重系統(tǒng)的預(yù)診斷信息（如圖6），以避免突發(fā)性的昂貴的設(shè)備停車故障，減少了維護(hù)維修成本。 Siwarex所帶的這些功能對(duì)于過程數(shù)據(jù)的*估和診斷來說，無疑是一個(gè)理想的補(bǔ)充。

圖6：Siwarex配套的軟件可以方便的查詢秤的各種運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)

另外，Siwarex能夠?qū)⒐收鲜录斜挥涗浀臄?shù)據(jù)，包括秤的設(shè)置數(shù)據(jù)通過一個(gè)設(shè)定方式的通過英特網(wǎng)發(fā)送給相關(guān)專家，諸如機(jī)械制造商。它可以對(duì)問題進(jìn)行一個(gè)分析，并從時(shí)間和地點(diǎn)上提供獨(dú)立的診斷。專家并不需要趕到設(shè)備所在的位置，只要通過遠(yuǎn)傳的方式就能提供更快更及時(shí)的幫助，從而節(jié)約了時(shí)間和成本。

四、結(jié)束語

任何一種技術(shù)都一定會(huì)有它的局限性，選擇和制定最合適的維護(hù)方案，必須是從現(xiàn)場(chǎng)工況和自身的實(shí)際情況來判斷決定。隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和通訊技術(shù)方面不斷突破，我們相信會(huì)有越來越多的預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案推向市場(chǎng)；我們也相信因?yàn)榻鹑谖C(jī)的影響，會(huì)有越來越多的用戶開始考慮如何節(jié)約維護(hù)成本的問題，而不僅僅是減少投資成本。當(dāng)然，預(yù)測(cè)性維護(hù)本身是個(gè)動(dòng)態(tài)的可持續(xù)的管理過程，不可能僅僅依靠幾個(gè)部門或供應(yīng)商的努力就能實(shí)現(xiàn)，還需要更多人的關(guān)注和參與才能體現(xiàn)它的價(jià)值。

任何一種先進(jìn)的技術(shù)都不能脫離人的因素，無論是哪一種維護(hù)技術(shù)都不能脫離人的參與，無論是預(yù)防性維護(hù)，還是預(yù)測(cè)性維護(hù)，甚至主動(dòng)性維護(hù)，都需要根據(jù)實(shí)際情況來分析，制定最合適的維護(hù)方案，才是達(dá)到最理想的效果?！盪se it and Forget it！”或者說“無為而治”是我們制定維護(hù)計(jì)劃所追求的理想狀態(tài)。