余建業(yè)，馬 勇，燕偉波，王 杰

（陜西有色天宏瑞科硅材料有限責(zé)任公司，陜西榆林 719000）

1 研究背景

目前國(guó)內(nèi)外許多多晶硅生產(chǎn)企業(yè)采用關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的生產(chǎn)系統(tǒng)，但是設(shè)備設(shè)施的維修、維護(hù)和管理水平?jīng)]有隨之提升，大多還保留著較為落后的設(shè)備管理體系，給多晶硅生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)較大的成本壓力。隨著全球光伏行業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)的要求越來(lái)越高，提高多晶硅質(zhì)量、降低多晶硅工藝制造成本勢(shì)在必行，國(guó)內(nèi)某多晶硅生產(chǎn)公司（下文簡(jiǎn)稱為公司）也由此著力推行低成本戰(zhàn)略。經(jīng)成本測(cè)算，公司的維修成本在運(yùn)營(yíng)成本中占比較高，而維修成本高的主要原因在于設(shè)備故障率高，因此公司決定通過(guò)引進(jìn)基于故障分析系統(tǒng)的TPM（Total Productive Maintenance，全員生產(chǎn)維護(hù)）管理來(lái)優(yōu)化設(shè)備管理模式來(lái)降低設(shè)備故障率，從而實(shí)現(xiàn)公司的低成本戰(zhàn)略。

2 研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的維修模式為故障停機(jī)維修模式，在設(shè)備出現(xiàn)故障之前不對(duì)設(shè)備進(jìn)行干預(yù)，待設(shè)備故障后進(jìn)行設(shè)備的“事后故障維修”。該模式能夠?qū)崿F(xiàn)備品備件的最小化庫(kù)存以及對(duì)備品備件的充分使用，但對(duì)于設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜、上下游生產(chǎn)環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的工藝系統(tǒng)，反而增加了工藝生產(chǎn)的時(shí)間成本和管理成本[1]。

隨著生產(chǎn)工藝產(chǎn)線系統(tǒng)關(guān)聯(lián)系越來(lái)越強(qiáng)，傳統(tǒng)事后維修模式弊端愈發(fā)凸顯。為規(guī)避這一弊端，美國(guó)學(xué)者提出預(yù)防性維修的理念，該理念主要是基于設(shè)備運(yùn)行的盆浴曲線。盆浴曲線反映了機(jī)械設(shè)備故障率隨著機(jī)器設(shè)備的工作時(shí)期的變動(dòng)而改變的3 個(gè)階段：早期調(diào)試與工作階段、故障偶發(fā)階段和故障率迅速增加的故障損耗階段[2]。通過(guò)實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，隨著設(shè)備制造水平和性能可靠性的提升，設(shè)備使用過(guò)程中故障情況趨向于左半邊的曲線，因此在實(shí)際工作中主張取消定期大型維護(hù)和解體維修，用小修理組合取代定期的大修[3]。但是，由于預(yù)防性維修的檢查周期較為固定，嚴(yán)格按預(yù)防性維修開(kāi)展維修工作會(huì)導(dǎo)致設(shè)備頻繁拆卸的過(guò)度檢修狀況，過(guò)度檢修不僅會(huì)造成大量的人力資源和備品備件花費(fèi)，還會(huì)因頻繁拆解裝配給設(shè)備的正常使用帶來(lái)隱患。

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，在預(yù)防性維修的基礎(chǔ)上不斷衍生出基于大數(shù)據(jù)的可靠性分析維修模式。基于可靠性理論的設(shè)備維修是一種先進(jìn)維修方式，該方式能根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)制定維修計(jì)劃、采購(gòu)維修備件、實(shí)施維修作業(yè)，能根據(jù)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)提前預(yù)知設(shè)備的故障，可以減少不必要的維修工作，使維修工作更加準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)[4]。

與此同時(shí)，由日本管理團(tuán)隊(duì)率先提出了一種全員維護(hù)保全的維修管理模式（TPM）。該管理模式重點(diǎn)闡述設(shè)備管理是一個(gè)系統(tǒng)工程事件，要以系統(tǒng)的思維對(duì)設(shè)備的管理和維修進(jìn)行全面的把控，并根據(jù)設(shè)備所處的生命周期進(jìn)行不同側(cè)重面的維護(hù)管理，且不同角色的設(shè)備相關(guān)人員均需進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)保全。

之后，國(guó)內(nèi)學(xué)者馮磊在TPM 的基礎(chǔ)上，引入基于LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)，長(zhǎng)短期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由Hochreiter 和Schmidhuber 提出的基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)而來(lái)的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式（圖1），該模式使用記憶模塊代替了循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的“隱單元”，從而實(shí)現(xiàn)故障模型的學(xué)習(xí)、記憶和高精度的設(shè)備狀態(tài)診斷分析[5]。

圖1 長(zhǎng)短期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造

通過(guò)故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)和人員開(kāi)展設(shè)備維護(hù)維修活動(dòng)的監(jiān)控，提出“拉動(dòng)式”TPM管理模式，使TPM 推行更加系統(tǒng)、科學(xué)、有力。

TPM 法是以提升設(shè)備綜合效率為目標(biāo)，設(shè)備相關(guān)方共同參與的設(shè)備維護(hù)、維修體制[6]。良好的TPM 管理模式的推行重點(diǎn)在于如何采用系統(tǒng)、科學(xué)的方法來(lái)敦促所有設(shè)備相關(guān)方合理且完備地開(kāi)展設(shè)備的維護(hù)活動(dòng)，在大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法廣泛應(yīng)用的時(shí)代，基于大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的設(shè)備故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)被逐步引入到TPM 管理當(dāng)中，對(duì)規(guī)避人為風(fēng)險(xiǎn)、客觀系統(tǒng)地實(shí)施好TPM 起到了非常重要的作用，實(shí)施效果良好。

3 基于故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)的TPM 管理

故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)是基于LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與信息分析系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)使用LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備的履歷和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練分析，將訓(xùn)練后的數(shù)據(jù)上傳到MRO云數(shù)據(jù)系統(tǒng)，通過(guò)云系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)事實(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分析，從而給出設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)、檢修管理和點(diǎn)巡檢信息指令，指導(dǎo)設(shè)備使用過(guò)程中的管理行為，該系統(tǒng)運(yùn)行模式如圖2所示。

圖2 故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)模型

為實(shí)現(xiàn)公司維修成本的有效控制，通過(guò)故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)輔助進(jìn)行硅烷生產(chǎn)區(qū)某離心壓縮機(jī)的TPM 管理?；诠收项A(yù)測(cè)分析系統(tǒng)TPM 管理的實(shí)施，在狀態(tài)監(jiān)測(cè)、維護(hù)保養(yǎng)、檢修管理、點(diǎn)巡檢4 個(gè)方面對(duì)該離心壓縮機(jī)的TPM 管理進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)傳感器收集設(shè)備的溫度、壓力、電流、振動(dòng)等參數(shù)，生成如圖3 所示的設(shè)備圖形信息，并使用LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)并記憶的圖形數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息匹對(duì)，最后分析出設(shè)備狀態(tài)，并給出設(shè)備管理人員關(guān)于設(shè)備使用、維護(hù)、維修和備件準(zhǔn)備的信息。

圖3 故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)展示界面

基于LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于傳統(tǒng)RNN 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化了其難以訓(xùn)練和梯度消失的問(wèn)題，通過(guò)空缺值填充、異常值處理及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

空缺值填充采用的LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型來(lái)規(guī)避通信技術(shù)偶發(fā)性故障，常用于對(duì)溫度曲線、壓力曲線的數(shù)據(jù)采集，采用公式（1）：

其中，Yt是空缺值數(shù)據(jù)，Y（t-ξ）是數(shù)據(jù)缺失前某規(guī)定時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，Y（t+ξ）是數(shù)據(jù)缺失后相同時(shí)間間隔點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

對(duì)于機(jī)械振動(dòng)信息采集，故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)采用的是頻譜分析法。該方法是使用工業(yè)傳感器將設(shè)備某一方向上的振動(dòng)位移、速度、加速度進(jìn)行采集，形成固有頻率的波，從而通過(guò)波形對(duì)設(shè)備各轉(zhuǎn)動(dòng)部件的完好情況進(jìn)行判斷。

對(duì)于該高轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子位移，故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)采用的是軸心軌跡分析法。該方法是使用渦流傳感器向轉(zhuǎn)子發(fā)射電渦流，通過(guò)電渦流反射轉(zhuǎn)子徑向位移的信息，反射到相位圖上，從而分析轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)部件處的完好程度。

相對(duì)于傳統(tǒng)DCS 系統(tǒng)對(duì)該離心機(jī)的連鎖保護(hù)，故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)過(guò)濾突變雜波，生成設(shè)備的頻譜圖、相位圖、波德圖、軸心軌跡圖等圖譜，信息采集更為全面，狀態(tài)監(jiān)測(cè)更為嚴(yán)謹(jǐn)。

3.2 維護(hù)保養(yǎng)

故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)在系統(tǒng)搭建時(shí)錄入該離心壓縮機(jī)的設(shè)備參數(shù)和技術(shù)檔案，基于此，該系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)出的溫度曲線、壓力曲線、電流曲線、頻譜圖、相位圖、波德圖、軸心軌跡圖等數(shù)據(jù)給出推薦的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃。故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)給出的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃與人為制定的維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃的區(qū)別主要在于維護(hù)項(xiàng)目的準(zhǔn)確性與維護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)性上。

維護(hù)項(xiàng)目的準(zhǔn)確性主要是指故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行曲線給出具體需要維護(hù)保養(yǎng)的項(xiàng)目，而不是像應(yīng)用DCS 系統(tǒng)的TPM 管理時(shí)為確保設(shè)備的機(jī)械性能而將設(shè)備所有相關(guān)的零部件依據(jù)經(jīng)驗(yàn)周期進(jìn)行統(tǒng)一的維護(hù)。故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)在某次設(shè)備維護(hù)到期檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備該設(shè)備主機(jī)一倍頻振動(dòng)波峰很小，二倍頻振動(dòng)波峰較小，高倍頻振動(dòng)波峰較大，電機(jī)軸心軌跡呈橢圓形。由此故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)給出維護(hù)建議，在本次維護(hù)保養(yǎng)中不需要進(jìn)行聯(lián)軸器對(duì)中、主機(jī)葉輪平衡、壓縮機(jī)后軸承和電機(jī)軸瓦更換項(xiàng)目的維護(hù)，組件松動(dòng)項(xiàng)目的維護(hù)可于一級(jí)維護(hù)進(jìn)行處理，本次維護(hù)只需進(jìn)行該壓縮機(jī)主機(jī)的前軸承進(jìn)行配套更換即可。

維護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)性主要針對(duì)于該離心壓縮機(jī)的二級(jí)保養(yǎng)和三級(jí)保養(yǎng)，區(qū)別于應(yīng)用DCS 系統(tǒng)的TPM 管理時(shí)為確保設(shè)備的機(jī)械性能而按廠家推薦的維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃對(duì)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的維護(hù)保養(yǎng)，故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行曲線給出是否延后進(jìn)行二級(jí)保養(yǎng)和三級(jí)保養(yǎng)的建議，從而減少設(shè)備維護(hù)的頻次，應(yīng)用故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)前后該離心壓縮機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)周期見(jiàn)表1，可以看出引進(jìn)故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)后該離心壓縮機(jī)的二級(jí)保養(yǎng)和三級(jí)保養(yǎng)周期均有所延長(zhǎng)，維護(hù)頻次下降。

表1 故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)應(yīng)用前后離心壓縮機(jī)維護(hù)周期 h

3.3 檢修管理

故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)在檢修管理的應(yīng)用上主要體現(xiàn)在檢修技術(shù)支持和預(yù)測(cè)備品備件需求數(shù)據(jù)。其在檢修技術(shù)服務(wù)方面能夠輔助設(shè)備維修人員進(jìn)行設(shè)備故障的判斷，對(duì)癥下藥，提高維修效率。并在預(yù)測(cè)備品備件需求數(shù)據(jù)方面，主要是根據(jù)系統(tǒng)建立時(shí)預(yù)設(shè)的備品備件供貨周期及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析判斷，在設(shè)備運(yùn)行于亞健康狀態(tài)時(shí)給出備件儲(chǔ)備建議，維修管理人員在收到備品備件儲(chǔ)備建議后將核對(duì)備品備件庫(kù)存，若備件庫(kù)存低于安全庫(kù)存，則開(kāi)展備品備件的采購(gòu)活動(dòng)，從而減少備品備件的過(guò)量申報(bào)和庫(kù)存積壓。

3.4 點(diǎn)檢、巡檢

故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)在點(diǎn)巡檢上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在使用移動(dòng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)敦促維護(hù)保養(yǎng)操作人員按需求計(jì)劃進(jìn)行設(shè)備的點(diǎn)巡檢及維護(hù)保養(yǎng)工作。故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)分為主系統(tǒng)和子系統(tǒng)，主系統(tǒng)安裝于中心控制室，主要由設(shè)備工程師進(jìn)行管理，對(duì)重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)地狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障分析，并根據(jù)系統(tǒng)的分析結(jié)果反饋設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)需求和備品備件的需求預(yù)估；子系統(tǒng)安裝于各維修技術(shù)員、設(shè)備管理員和設(shè)備巡檢維保人員的手機(jī)上。通過(guò)便攜的子系統(tǒng)敦促巡檢維保人員按原定設(shè)備巡檢及維保計(jì)劃進(jìn)行設(shè)備的巡檢和維護(hù)保養(yǎng)，作業(yè)完成后上傳作業(yè)結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)的“智能監(jiān)工”，規(guī)避人為失誤，確保設(shè)備能夠被很好的進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。

通過(guò)基于故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)的TPM 管理在硅烷生產(chǎn)區(qū)某離心壓縮機(jī)上的應(yīng)用分析，發(fā)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)能夠?qū)驹谟迷O(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)和備品備件需求進(jìn)行很好的預(yù)估，從而在提高設(shè)備完好率、減少備品備件消耗、降低備件庫(kù)存方面起到較強(qiáng)的輔助作用，助力實(shí)現(xiàn)該公司設(shè)備維修成本控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

4.1 實(shí)施效果

通過(guò)開(kāi)展基于故障檢測(cè)分析系統(tǒng)的TPM 管理，公司設(shè)備管理水平持續(xù)提高，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)持續(xù)見(jiàn)好，2021 年上半年關(guān)鍵設(shè)備完好率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，主要設(shè)備完好率由2020 年的93.79%提升至2021 年上半年的95.94%，儀表計(jì)量器具完好率及儀表泄漏量也有了較為明顯的改善。

表2 公司2021 年上半年關(guān)鍵設(shè)備完好率統(tǒng)計(jì) %

4.2 現(xiàn)實(shí)意義

通過(guò)在國(guó)內(nèi)某多晶硅生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行基于故障分析系統(tǒng)的TPM 管理實(shí)踐，成功降低了設(shè)備的故障率，公司設(shè)備維修工作量和備品備件的申報(bào)備用減少，最終使得該多晶硅生產(chǎn)公司企業(yè)成本得到有效的降低，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)同類型企業(yè)開(kāi)展維修成本控制和企業(yè)推行低成本戰(zhàn)略有著較高的借鑒和參考意義。

設(shè)備的TPM 管理是現(xiàn)階段的熱點(diǎn)問(wèn)題，但目前對(duì)設(shè)備TPM管理的研究陷入了瓶頸，在人工智能高速發(fā)展、5G 技術(shù)不斷應(yīng)用的今天，可以著眼于大數(shù)據(jù)、人工智能和5G 技術(shù)研究出新的TPM 模式和理念。