林春榮，楊曉英，張志文

（河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003）

1 引言

隨著制造業(yè)設備不斷朝著大型化、復雜化和自動化方向發(fā)展，設備的狀態(tài)監(jiān)管和維修難度日益增大。傳統(tǒng)的設備故障事后維修與計劃維修已經(jīng)不適應精益生產(chǎn)需求，采用新一代信息技術來輔助設備狀態(tài)監(jiān)管，進行設備狀態(tài)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、故障預測和綜合效能評估，有助于有效開展設備預防維修，保證設備正常運轉(zhuǎn)，避免過度維修和維修不及時，以及給企業(yè)造成不必要的浪費現(xiàn)象[1-2]。因此，研究基于物聯(lián)網(wǎng)的設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)對生產(chǎn)企業(yè)具有重要意義。

近期關于物聯(lián)網(wǎng)設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)的研究成果較少，類似的研究具有代表性的如文獻[3]研究了智能狀態(tài)監(jiān)測技術，開發(fā)了數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，提高了設備運行穩(wěn)定性。文獻[4]研究了設備管理系統(tǒng)的狀態(tài)信息與實際狀態(tài)信息不一致的問題，應用物聯(lián)網(wǎng)技術僅實現(xiàn)了設備故障狀態(tài)信息的實時采集和更新，但不具有設備故障信息隨時隨地實時上報和查詢功能。文獻[5]建立了基于無線傳感器網(wǎng)絡的電氣設備在線監(jiān)控系統(tǒng)，解決了故障診斷和維護困難等監(jiān)控系統(tǒng)問題。文獻[6]在研究設備狀態(tài)維修管理不足的基礎上，研發(fā)了融合狀態(tài)監(jiān)測診斷技術的設備管理系統(tǒng)?，F(xiàn)有研究成果在設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)方面的研究各有側(cè)重，但在移動終端實時接入設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)方面的研究較少，難于做到設備信息實時采集、上傳和查詢的功能。

針對制造業(yè)設備狀態(tài)實時監(jiān)管的問題，采用新一代信息技術，研究具有智能感知、智能識別與智能終端功能的設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，建立基于物聯(lián)網(wǎng)+APP的設備狀態(tài)監(jiān)管模型和數(shù)據(jù)挖掘模型，利用數(shù)據(jù)庫和計算機網(wǎng)絡等技術研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)+APP的設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)設備狀態(tài)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、挖掘等智能化管理，達到設備信息隨時隨地實時上傳和查詢的目的。

2 物聯(lián)網(wǎng)+APP技術應用

2.1 智能感知技術應用

傳感器作為智能感知技術的重要感知設備，是實現(xiàn)對外界環(huán)境、人、物等的數(shù)據(jù)感知[7-8]。在企業(yè)設備管理過程中，通過傳感器和數(shù)控設備的 PLC（Programmable logic Controller，PLC）等智能模塊采集設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，為設備預防維修、數(shù)據(jù)挖掘與APP管理提供數(shù)據(jù)基礎，同時數(shù)據(jù)挖掘的結果可反饋出設備的劣化趨勢以及為制定下階段的設備維修、保養(yǎng)等計劃提供參考。

圖1 智能感知技術在設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)中的應用原理Fig.1 Principle Diagram of Intelligent Perception Technology in Equipment Condition Monitoring System

信息采集作為設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)設備狀態(tài)管理的第一步。智能感知技術在設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)中的應用原理，如圖1所示。圖中現(xiàn)場設備層是應用傳感器和PLC實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的實時采集；網(wǎng)絡層是將采集的運行數(shù)據(jù)上傳至服務器存儲處理；應用層是采用智能終端和PC端完成設備信息的錄入和監(jiān)控等管理工作。

2.2 智能識別技術應用

二維碼作為智能識別的重要技術，具有信息儲量大、修正能力強、成本低和易讀取的特征[9]，可實現(xiàn)所有“物”數(shù)字化過程[10]。目前，制造業(yè)在智能終端應用方面還未普及，采用二維碼作為智能終端APP的設備管理標簽，不僅能使員工隨時掌握設備最新動態(tài)，更能減少人工錄入，提高設備管理水平。

在設備入系統(tǒng)形成固定資產(chǎn)后，設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)為該臺設備生成唯一的二維碼標簽。在設備管理工作時，通過智能終端APP為現(xiàn)場員工向設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)錄入或讀取相關數(shù)據(jù)提供接口。每臺設備的二維碼標簽包含設備唯一id、設備編號、設備名稱與設備型號等信息，其中唯一id用于設備的全程跟蹤。

2.3 智能終端APP技術應用

由于生產(chǎn)現(xiàn)場是遠離辦公場所，如何實現(xiàn)設備故障和維修等信息的實時上傳和查詢，成為提高企業(yè)設備管理效率的關鍵。本項目采用智能終端技術，結合設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)智能終端APP對設備業(yè)務的智能化管理，達到設備信息隨時隨地上傳和查詢的目的。

應用智能終端APP程序并結合二維碼技術實現(xiàn)設備信息的快速管理。移動終端管理過程經(jīng)過系統(tǒng)登錄、選擇操作模塊、選擇業(yè)務操作、掃描二維碼、業(yè)務處理和系統(tǒng)退出等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)向設備管理信息系統(tǒng)發(fā)送操作請求，當請求獲得響應后進入到下個環(huán)節(jié)操作，直至業(yè)務結束為止。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)+APP的設備狀態(tài)監(jiān)管模型

3.1 設備狀態(tài)監(jiān)管模型

結合企業(yè)設備狀態(tài)監(jiān)管現(xiàn)狀，構建基于物聯(lián)網(wǎng)+APP的設備狀態(tài)監(jiān)管模型，如圖2所示。該模型包括技術層、設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)平臺以及應用管理，體現(xiàn)了整個數(shù)據(jù)的采集、流動及應用的過程。技術層包含傳感器、二維碼和智能終端等技術，主要是支撐數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)管和智能終端APP應用。設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)平臺包含數(shù)據(jù)采集、維修管理、資料檔案、統(tǒng)計報表等信息。數(shù)據(jù)采集是反映設備運行狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)；采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理，形成設備的運行狀態(tài)信息，包含設備劣化趨勢等；維修計劃由設備狀態(tài)觸發(fā)，可生成更加科學的計劃；資料檔案主要是存儲設備狀態(tài)等信息；統(tǒng)計報表是數(shù)據(jù)挖掘分析，獲得隱藏的設備信息。應用管理層是應用PC端和APP完成設備狀態(tài)信息的錄入和查詢等工作。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)+APP的設備狀態(tài)監(jiān)管模型Fig.2 Equipment Condition Monitoring Model Based on Internet+APP

3.2 數(shù)據(jù)挖掘模型

3.2.1 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容

數(shù)據(jù)采集是通過物聯(lián)網(wǎng)技術實時感知設備的運行狀態(tài)量，目的是獲取監(jiān)測設備的運行狀態(tài)信息，為設備狀態(tài)預警、數(shù)據(jù)挖掘提供基礎。例如通過采集溫度、壓力等運行參數(shù)，并與相應的參數(shù)閾值比較，達到設備狀態(tài)預警的作用；通過采集故障時間、設備實動時間、產(chǎn)品總量、合格品等信息，進行數(shù)據(jù)挖掘分析，預測設備未來狀態(tài)信息，用來指導設備的維修、保養(yǎng)等工作。

3.2.2 數(shù)據(jù)挖掘模型

對設備狀態(tài)信息進行數(shù)據(jù)挖掘，并以圖表的形式顯示挖掘結果，例如挖掘設備故障率、利用率與設備綜合效能等。設備故障率是在時間t內(nèi)故障時間之和與設備工作運行時間之和的比值，如式（1）所示；設備利用率是在時間t內(nèi)設備實動時間之和與制度時間之和的比值，如式（2）所示。設備綜合效能（式5）是衡量企業(yè)生產(chǎn)效率的重要指標，由設備利用率、性能開動率（式3）和合格率（式4）等指標組成，通過對各指標分析，可以找到影響生產(chǎn)效率的瓶頸，從而指導改善工作。

式中：λ（t）—故障率；n—設備總臺數(shù)；m—設備總故障或總實動次數(shù)；Ts（Te）—設備故障開始時間（結束時間）；Tr（Ta）—設備實動開始時間（結束時間）；Tstij（Tetij）—在t時間內(nèi)第i（i=1，2，…，n）臺設備的第j（j=1，2，…，m）次故障開始時間（結束時間）；Trtij（Tatij）—在t時間內(nèi)第i臺設備的第j次實動開始時間（結束時間）。

式中：Eu（t）—利用率；Tp—設備制度時間，單位為 min；Tpti—在 t時間內(nèi)第i臺設備的制度時間。

式中：Ep（t）—性能開動率；Eq（t）—產(chǎn)品合格率；OEE—設備綜合效率；v—理論生產(chǎn)速率，單位為件/min；TQt（Tqt）—時間t內(nèi)設備生產(chǎn)產(chǎn)品的總產(chǎn)量（合格數(shù)量）。

4 信息系統(tǒng)設計

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，將系統(tǒng)分成14個模塊，具體功能，如圖3所示。由于系統(tǒng)功能模塊多，只描述設備計劃、設備故障和設備統(tǒng)計報表等模塊，各模塊信息可通過智能終端APP查詢。

圖3 設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)功能模塊Fig.3 Functional Module of Equipment Condition Monitoring System

（1）設備計劃信息由設備運行狀態(tài)觸發(fā)，其維修內(nèi)容包括設備修理、改造、定期檢修和清洗換油等。設備修理涵蓋計劃的大修和項修；改造管理是在原設備基礎上進行改造，使設備獲得新功能；定期檢修是在一定的周期內(nèi)對設備例行檢查；清洗換油是根據(jù)設備油品狀況，做出換油或濾油的決策。（2）設備故障信息是記錄設備的異常信息，并將異常信息存在故障數(shù)據(jù)庫中，作為故障診斷的依據(jù)。故障信息包含故障原因和時間等，可通過智能終端實時上傳故障信息，為數(shù)據(jù)挖掘和故障維修提供參考。（3）設備統(tǒng)計報表包含統(tǒng)計設備利用率、故障率和設備綜合效能等。挖掘設備的利用率、故障率和設備綜合效能，不但能預測下次故障的發(fā)生并做好預防工作，而且能掌握設備生產(chǎn)狀況，合理安排下階段的設備生產(chǎn)任務。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用B/S架構，Eclipse為系統(tǒng)開發(fā)工具，Oracle10g為數(shù)據(jù)庫技術。系統(tǒng)支持PC瀏覽器、手機/Pad瀏覽器、手機/Pad應用程序等多種終端的訪問，可實現(xiàn)設備信息隨時隨地查詢和上報功能。

5.1 系統(tǒng)PC端實現(xiàn)

系統(tǒng)PC端是以企業(yè)局域網(wǎng)為基礎，在瀏覽器中輸入指定的網(wǎng)址，在登錄界面中輸入正確的系統(tǒng)用戶名和密碼后即可登錄系統(tǒng)，進入到主界面，進行相關的業(yè)務操作。對采集的數(shù)據(jù)進行挖掘分析，獲得隱藏的設備信息，為改善設備管理工作提供參考。統(tǒng)計設備故障率與利用率，如圖4所示。通過填寫需統(tǒng)計的單位和時間，可查詢出該單位在該段時間內(nèi)的故障相關信息，進而生成故障率圖與利用率圖，通過分析故障率與利用率的發(fā)展趨勢，并結合相關歷史記錄，可制定出更符合下階段的修理、保養(yǎng)等計劃，安排更合理的設備生產(chǎn)任務，使設備利用達到最大化。使用設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)后，可以達到以下應用效果：（1）采用智能感知技術來監(jiān)控設備，可以及時準確地對設備預防維修，減少不必要的故障停機；（2）挖掘分析設備綜合效能，可快速了解生產(chǎn)設備瓶頸，更快的調(diào)整生產(chǎn)節(jié)奏；（3）根據(jù)系統(tǒng)提供的實時設備狀態(tài)信息，為制定保養(yǎng)、維修等計劃提供參考，從而確保設備完好率。

圖4 設備統(tǒng)計報表Fig.4 Equipment Statistics Report

5.2 智能移動終端實現(xiàn)

設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)實施智能終端實時接入功能，可實現(xiàn)設備管理的各類人員隨時隨地對設備狀態(tài)信息實時查詢和上報的效果。在智能終端上安裝APP應用程序，點開APP輸入正確的用戶名和密碼后，進入到主界面，如圖5（a）所示。界面包含首頁、系統(tǒng)設置與我的信息，在首頁中選擇需操作的模塊可完成相關業(yè)務的查詢和錄入工作，或點擊首頁右上角的符號，選擇二維碼掃描，掃描的結果，如圖5（b）所示。系統(tǒng)設置主要是對系統(tǒng)基本信息進行設置，如系統(tǒng)退出、數(shù)據(jù)備份等；我的信息包含職工號、姓名、所屬單位等信息。

圖5 智能移動終端界面Fig.5 Interface of Intelligent Mobile Terminal

6 結語

（1）應用物聯(lián)網(wǎng)技術，為設備狀態(tài)管理奠定了技術基礎。即采用智能感知技術，實現(xiàn)了設備狀態(tài)信息的實時采集、傳輸與存儲；采用智能識別技術為設備生成二維碼標簽，為智能終端APP管理奠定了基礎。采用智能終端APP技術實現(xiàn)設備狀態(tài)的可移動式管理。（2）構建基于物聯(lián)網(wǎng)+APP的設備狀態(tài)監(jiān)管模型，體現(xiàn)了整個設備狀態(tài)管理數(shù)據(jù)的采集、流動及應用的過程。（3）相對于設備故障率與利用率，挖掘分析設備綜合效能，更能夠反應出設備的全部生產(chǎn)能力以及準確的找出影響生產(chǎn)效率的瓶頸，提高設備綜合效能。（4）實現(xiàn)了設備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)與智能終端APP協(xié)同管理功能，改變了企業(yè)多年來傳統(tǒng)的設備維修模式，實現(xiàn)了設備管理創(chuàng)新，達到了設備狀態(tài)實時監(jiān)管、信息實時上傳和查詢的目的。