林春榮，楊曉英，張志文

（河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

1 引言

隨著制造業(yè)設(shè)備不斷朝著大型化、復(fù)雜化和自動(dòng)化方向發(fā)展，設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)管和維修難度日益增大。傳統(tǒng)的設(shè)備故障事后維修與計(jì)劃維修已經(jīng)不適應(yīng)精益生產(chǎn)需求，采用新一代信息技術(shù)來輔助設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管，進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、故障預(yù)測(cè)和綜合效能評(píng)估，有助于有效開展設(shè)備預(yù)防維修，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免過度維修和維修不及時(shí)，以及給企業(yè)造成不必要的浪費(fèi)現(xiàn)象[1-2]。因此，研究基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)企業(yè)具有重要意義。

近期關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(xiàn)[3]研究了智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，開發(fā)了數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[4]研究了設(shè)備管理系統(tǒng)的狀態(tài)信息與實(shí)際狀態(tài)信息不一致的問題，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)僅實(shí)現(xiàn)了設(shè)備故障狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集和更新，但不具有設(shè)備故障信息隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)上報(bào)和查詢功能。文獻(xiàn)[5]建立了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備在線監(jiān)控系統(tǒng)，解決了故障診斷和維護(hù)困難等監(jiān)控系統(tǒng)問題。文獻(xiàn)[6]在研究設(shè)備狀態(tài)維修管理不足的基礎(chǔ)上，研發(fā)了融合狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)的設(shè)備管理系統(tǒng)?，F(xiàn)有研究成果在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)方面的研究各有側(cè)重，但在移動(dòng)終端實(shí)時(shí)接入設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)方面的研究較少，難于做到設(shè)備信息實(shí)時(shí)采集、上傳和查詢的功能。

針對(duì)制造業(yè)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)管的問題，采用新一代信息技術(shù)，研究具有智能感知、智能識(shí)別與智能終端功能的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，建立基于物聯(lián)網(wǎng)+APP的設(shè)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)+APP的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、挖掘等智能化管理，達(dá)到設(shè)備信息隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)上傳和查詢的目的。

2 物聯(lián)網(wǎng)+APP技術(shù)應(yīng)用

2.1 智能感知技術(shù)應(yīng)用

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

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

信息采集作為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)管理的第一步。智能感知技術(shù)在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)中的應(yīng)用原理，如圖1所示。圖中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是應(yīng)用傳感器和PLC實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；網(wǎng)絡(luò)層是將采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器存儲(chǔ)處理；應(yīng)用層是采用智能終端和PC端完成設(shè)備信息的錄入和監(jiān)控等管理工作。

2.2 智能識(shí)別技術(shù)應(yīng)用

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

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

2.3 智能終端APP技術(shù)應(yīng)用

由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)是遠(yuǎn)離辦公場(chǎng)所，如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障和維修等信息的實(shí)時(shí)上傳和查詢，成為提高企業(yè)設(shè)備管理效率的關(guān)鍵。本項(xiàng)目采用智能終端技術(shù)，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能終端APP對(duì)設(shè)備業(yè)務(wù)的智能化管理，達(dá)到設(shè)備信息隨時(shí)隨地上傳和查詢的目的。

應(yīng)用智能終端APP程序并結(jié)合二維碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的快速管理。移動(dòng)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(wù)操作、掃描二維碼、業(yè)務(wù)處理和系統(tǒng)退出等環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)向設(shè)備管理信息系統(tǒng)發(fā)送操作請(qǐng)求，當(dāng)請(qǐng)求獲得響應(yīng)后進(jìn)入到下個(gè)環(huán)節(jié)操作，直至業(yè)務(wù)結(jié)束為止。

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

3.1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管模型

結(jié)合企業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管現(xiàn)狀，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)+APP的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管模型，如圖2所示。該模型包括技術(shù)層、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)平臺(tái)以及應(yīng)用管理，體現(xiàn)了整個(gè)數(shù)據(jù)的采集、流動(dòng)及應(yīng)用的過程。技術(shù)層包含傳感器、二維碼和智能終端等技術(shù)，主要是支撐數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)管和智能終端APP應(yīng)用。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)平臺(tái)包含數(shù)據(jù)采集、維修管理、資料檔案、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等信息。數(shù)據(jù)采集是反映設(shè)備運(yùn)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(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，包含設(shè)備劣化趨勢(shì)等；維修計(jì)劃由設(shè)備狀態(tài)觸發(fā)，可生成更加科學(xué)的計(jì)劃；資料檔案主要是存儲(chǔ)設(shè)備狀態(tài)等信息；統(tǒng)計(jì)報(bào)表是數(shù)據(jù)挖掘分析，獲得隱藏的設(shè)備信息。應(yīng)用管理層是應(yīng)用PC端和APP完成設(shè)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(shè)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(shù)實(shí)時(shí)感知設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)量，目的是獲取監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，為設(shè)備狀態(tài)預(yù)警、數(shù)據(jù)挖掘提供基礎(chǔ)。例如通過采集溫度、壓力等運(yùn)行參數(shù)，并與相應(yīng)的參數(shù)閾值比較，達(dá)到設(shè)備狀態(tài)預(yù)警的作用；通過采集故障時(shí)間、設(shè)備實(shí)動(dòng)時(shí)間、產(chǎn)品總量、合格品等信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，預(yù)測(cè)設(shè)備未來狀態(tài)信息，用來指導(dǎo)設(shè)備的維修、保養(yǎng)等工作。

3.2.2 數(shù)據(jù)挖掘模型

對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，并以圖表的形式顯示挖掘結(jié)果，例如挖掘設(shè)備故障率、利用率與設(shè)備綜合效能等。設(shè)備故障率是在時(shí)間t內(nèi)故障時(shí)間之和與設(shè)備工作運(yùn)行時(shí)間之和的比值，如式（1）所示；設(shè)備利用率是在時(shí)間t內(nèi)設(shè)備實(shí)動(dòng)時(shí)間之和與制度時(shí)間之和的比值，如式（2）所示。設(shè)備綜合效能（式5）是衡量企業(yè)生產(chǎn)效率的重要指標(biāo)，由設(shè)備利用率、性能開動(dòng)率（式3）和合格率（式4）等指標(biāo)組成，通過對(duì)各指標(biāo)分析，可以找到影響生產(chǎn)效率的瓶頸，從而指導(dǎo)改善工作。

式中：λ（t）—故障率；n—設(shè)備總臺(tái)數(shù)；m—設(shè)備總故障或總實(shí)動(dòng)次數(shù)；Ts（Te）—設(shè)備故障開始時(shí)間（結(jié)束時(shí)間）；Tr（Ta）—設(shè)備實(shí)動(dòng)開始時(shí)間（結(jié)束時(shí)間）；Tstij（Tetij）—在t時(shí)間內(nèi)第i（i=1，2，…，n）臺(tái)設(shè)備的第j（j=1，2，…，m）次故障開始時(shí)間（結(jié)束時(shí)間）；Trtij（Tatij）—在t時(shí)間內(nèi)第i臺(tái)設(shè)備的第j次實(shí)動(dòng)開始時(shí)間（結(jié)束時(shí)間）。

式中：Eu（t）—利用率；Tp—設(shè)備制度時(shí)間，單位為 min；Tpti—在 t時(shí)間內(nèi)第i臺(tái)設(shè)備的制度時(shí)間。

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

4 信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，將系統(tǒng)分成14個(gè)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(shè)備計(jì)劃、設(shè)備故障和設(shè)備統(tǒng)計(jì)報(bào)表等模塊，各模塊信息可通過智能終端APP查詢。

圖3 設(shè)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(shè)備計(jì)劃信息由設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)觸發(fā)，其維修內(nèi)容包括設(shè)備修理、改造、定期檢修和清洗換油等。設(shè)備修理涵蓋計(jì)劃的大修和項(xiàng)修；改造管理是在原設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，使設(shè)備獲得新功能；定期檢修是在一定的周期內(nèi)對(duì)設(shè)備例行檢查；清洗換油是根據(jù)設(shè)備油品狀況，做出換油或?yàn)V油的決策。（2）設(shè)備故障信息是記錄設(shè)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(shí)間等，可通過智能終端實(shí)時(shí)上傳故障信息，為數(shù)據(jù)挖掘和故障維修提供參考。（3）設(shè)備統(tǒng)計(jì)報(bào)表包含統(tǒng)計(jì)設(shè)備利用率、故障率和設(shè)備綜合效能等。挖掘設(shè)備的利用率、故障率和設(shè)備綜合效能，不但能預(yù)測(cè)下次故障的發(fā)生并做好預(yù)防工作，而且能掌握設(shè)備生產(chǎn)狀況，合理安排下階段的設(shè)備生產(chǎn)任務(wù)。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，Eclipse為系統(tǒng)開發(fā)工具，Oracle10g為數(shù)據(jù)庫技術(shù)。系統(tǒng)支持PC瀏覽器、手機(jī)/Pad瀏覽器、手機(jī)/Pad應(yīng)用程序等多種終端的訪問，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息隨時(shí)隨地查詢和上報(bào)功能。

5.1 系統(tǒng)PC端實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)PC端是以企業(yè)局域網(wǎng)為基礎(chǔ)，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(jìn)入到主界面，進(jìn)行相關(guān)的業(yè)務(wù)操作。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，獲得隱藏的設(shè)備信息，為改善設(shè)備管理工作提供參考。統(tǒng)計(jì)設(shè)備故障率與利用率，如圖4所示。通過填寫需統(tǒng)計(jì)的單位和時(shí)間，可查詢出該單位在該段時(shí)間內(nèi)的故障相關(guān)信息，進(jìn)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(shì)，并結(jié)合相關(guān)歷史記錄，可制定出更符合下階段的修理、保養(yǎng)等計(jì)劃，安排更合理的設(shè)備生產(chǎn)任務(wù)，使設(shè)備利用達(dá)到最大化。使用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)后，可以達(dá)到以下應(yīng)用效果：（1）采用智能感知技術(shù)來監(jiān)控設(shè)備，可以及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)設(shè)備預(yù)防維修，減少不必要的故障停機(jī)；（2）挖掘分析設(shè)備綜合效能，可快速了解生產(chǎn)設(shè)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(shí)時(shí)設(shè)備狀態(tài)信息，為制定保養(yǎng)、維修等計(jì)劃提供參考，從而確保設(shè)備完好率。

圖4 設(shè)備統(tǒng)計(jì)報(bào)表Fig.4 Equipment Statistics Report

5.2 智能移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)施智能終端實(shí)時(shí)接入功能，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理的各類人員隨時(shí)隨地對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息實(shí)時(shí)查詢和上報(bào)的效果。在智能終端上安裝APP應(yīng)用程序，點(diǎn)開APP輸入正確的用戶名和密碼后，進(jìn)入到主界面，如圖5（a）所示。界面包含首頁、系統(tǒng)設(shè)置與我的信息，在首頁中選擇需操作的模塊可完成相關(guān)業(yè)務(wù)的查詢和錄入工作，或點(diǎn)擊首頁右上角的符號(hào)，選擇二維碼掃描，掃描的結(jié)果，如圖5（b）所示。系統(tǒng)設(shè)置主要是對(duì)系統(tǒng)基本信息進(jìn)行設(shè)置，如系統(tǒng)退出、數(shù)據(jù)備份等；我的信息包含職工號(hào)、姓名、所屬單位等信息。

圖5 智能移動(dòng)終端界面Fig.5 Interface of Intelligent Mobile Terminal

6 結(jié)語

（1）應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為設(shè)備狀態(tài)管理奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。即采用智能感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸與存儲(chǔ)；采用智能識(shí)別技術(shù)為設(shè)備生成二維碼標(biāo)簽，為智能終端APP管理奠定了基礎(chǔ)。采用智能終端APP技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的可移動(dòng)式管理。（2）構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)+APP的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管模型，體現(xiàn)了整個(gè)設(shè)備狀態(tài)管理數(shù)據(jù)的采集、流動(dòng)及應(yīng)用的過程。（3）相對(duì)于設(shè)備故障率與利用率，挖掘分析設(shè)備綜合效能，更能夠反應(yīng)出設(shè)備的全部生產(chǎn)能力以及準(zhǔn)確的找出影響生產(chǎn)效率的瓶頸，提高設(shè)備綜合效能。（4）實(shí)現(xiàn)了設(shè)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(shè)備維修模式，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備管理創(chuàng)新，達(dá)到了設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)管、信息實(shí)時(shí)上傳和查詢的目的。