張志檁 （1945-）

男，河北衡水安平人，教授級高級工程師。畢業(yè)于中國科學技術大學無線電電子學系，一直在石油化工行業(yè)工作。曾任大慶石油化工總廠自動化處車間副主任、自動化研究室主任、信息中心主任，后調中國石化總部，先后任中國石化總公司經(jīng)通信息公司、中國石化總公司信息中心、中國石化集團公司信息中心副主任兼總工程師、中國石化股份有限公司信息系統(tǒng)管理部副主任。被國務院授予享受國家政府津貼的有突出貢獻的國家工程技術專家。

    企業(yè)生產(chǎn)設備（Production Equipment，manufacturing equipment .）是維系生產(chǎn)過程和加工、提供合格產(chǎn)品的物質基礎，是固定資產(chǎn)的重要組成部分，是企業(yè)管理的主要對象。設備維護管理（ maintenance management）是設備管理的重要環(huán)節(jié)，是維系設備正常運行的各種技術活動與管理活動的綜合，是備受管理者重視的企業(yè)管理工作。人們對設備維護保養(yǎng)重要性的認識如圖1、2所示。

    圖1   對資產(chǎn)維修的預期比例

    圖2   對資產(chǎn)維修的重要程度認識比例

1 設備維護管理的沿革

    工業(yè)發(fā)達國家的設備維護管理大致經(jīng)歷5個階段的變遷。

    (1) 事后維修（ＢＭ：breakdown maintenance）階段

    20世紀50年代以前為第一階段，多為事后維修。是一種直到設備發(fā)生故障、損壞和停機時才考慮維修的方式。直到現(xiàn)在，對于因設備故障停運后不會造成太大損失的場合，仍然使用這種維修方式。由于維修作業(yè)突發(fā)，在事前難以制定維修計劃，難以高效地配備人員、材料和維修器具等設施，因此事后維護多用于準備簡捷便當，平均故障間隔時間（MTBF）不固定，平均修復時間（MTTR）短，定期更換部件費用高昂的場合。

    (2) 預防性維修（ＰＭ：prevention maintenance）階段

    20世紀40年代末至50年代初，預防性維修從美國興起并傳入其他發(fā)達國家。它是在設備發(fā)生故障前考慮采用的一種維修方法。其目的是防止設備突然發(fā)生事故并停車，在一個經(jīng)濟的時間間隔內對一些部件或單元進行更換的方式。預防性維修 (1951年提出)通過對設備的物理檢查，預防故障發(fā)生，從而達到延長設備使用壽命的目的。預防性維修的開展包括三方面活動：設備的日常維護如清潔、潤滑和保養(yǎng)；對設備周期性的檢查，及時掌握設備的劣化狀況；對設備劣化采取復原活動。預防式維修的時間間隔根據(jù)設備規(guī)模和壽命而定。進行定期的年、半年、月、周檢修及保養(yǎng)，或者大修、中修、小修及保養(yǎng)。隨著技術的進步，開始是基于時間的預防式維修（a time-based Preventive Maintenance）即定期維修或計劃維修(Planned Maintenance ,PM)。后來又逐漸演變?yōu)槔脿顟B(tài)檢測技術、基于條件的預防式維修（a condition-based Preventive Maintenance）。預防式維修要慎重，防止維修過剩不經(jīng)濟和維修不到位出事故。

    (3) 生產(chǎn)維修階段

    20世紀50年代至60年代為生產(chǎn)維修（PM：productive maintenance）階段。它是一種生產(chǎn)效率最高、經(jīng)濟最優(yōu)的維修模式。對重點要害設備采取預防式維修，而對一般設備則采取事后維修。其中考慮了設備全生命周期成本這一概念（LCC：life cycle cost），它是維持設備正常運轉的一切費用以及設備退化導致的一切損失之和。其工作重點有：一是開展改正性維修（CM：corrective maintenance）。改正性維護 (1957年提出)是從預防故障發(fā)生，擴展到通過對設備的改進和改善,以達到減少故障發(fā)生或對故障容易進行檢查和修復目的的活動。改正性維護需要維修人員和操作人員共同參與，記錄日常檢查結果和故障詳細情況，針對故障和故障發(fā)生源進行有效的改進和改善；二是進行維修預防(Maintenance Prevention)，維修預防 ( 1960年提出)就是把設備運行中出現(xiàn)的故障問題反饋給設備的設計、制造和技術改造部門，通過新一代的設計制造使原來的故障問題得到避免，使設備運行更加可靠。維修生命周期如圖3所示。

    圖3   最佳配備的設備維修系統(tǒng)

    (4) 全公司全員生產(chǎn)維修（ＴＰＭ，total productive maintenance）階段

    該階段是20世紀70年代起于日本，又在世界許多國家推廣，包含全公司生產(chǎn)管理人員、維修人員、生產(chǎn)操作人員等全員參加的覆蓋設備生命周期全過程的生產(chǎn)維修模式。TPM是在生產(chǎn)維修的基礎上發(fā)展起來的一套管理系統(tǒng)，1971年日本一家汽車配件廠(Nippon denso Co., Ltd.)在日本工廠維修協(xié)會（JIPM）的協(xié)助下，讓操作人員共同參與設備維護，首先提出了TPM（Total member-participation Productive Maintenance）理念，即全員共同參與的生產(chǎn)維護，其簡稱為Total Productive Maintenance，即TPM。20世紀80年代開始，TPM作為一套有效的管理系統(tǒng)，得到了人們的廣泛認同，世界上許多公司先后引進了TPM系統(tǒng)。與此同時，TPM系統(tǒng)也在不斷發(fā)展完善，從最初的設備維護管理發(fā)展到安全健康環(huán)保、質量、產(chǎn)品開發(fā)、供應鏈、人事培訓和辦公室管理等各個領域，成為了一套通用的綜合性的企業(yè)管理系統(tǒng)。

    (5) 預測性維修（ＰdＭ：predictive maintenance）階段

    第五階段是20世紀80年代至90年代開始普及的預測維修。預測維修根據(jù)對設備退化狀況和性能狀況的診斷，來確定和進行維修活動。因此，它是要求能夠精確地檢測和掌握設備退化狀態(tài)，而到確實需要維修時再進行維護的概念。也叫基于狀態(tài)的維修（ＣＢＭ：condition-based maintenance) 和以可靠性為中心的維修，即可靠性維修（RCM，reliability centered maintenance）。它是定量掌握設備狀態(tài)的設備診斷技術發(fā)展的產(chǎn)物。基于狀態(tài)的維修（又名條件維修，預知維修）最早出現(xiàn)在20世紀40年代末的里奧格蘭德鐵路公司（Rio Grande Railway Company），用于發(fā)動機維修，取得了杰出的經(jīng)濟成就。 后來在美國陸軍得到了應用。 在50年代、 60年代和70年代初CBM開始流行，并形成了充滿活力的提供技術培訓、產(chǎn)品和服務的CBM產(chǎn)業(yè)，后來被稱為“預測維修（predictive maintenance，PdM）”。可靠性維修始于20世紀50年代的飛機維修業(yè)。當時發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的維修方式不能滿足戰(zhàn)后的現(xiàn)代飛機維修業(yè)務。到60年代，航空工業(yè)可靠性大綱（FAA）出臺，制造業(yè)維修指導小組（FAA/MSG）成立。70年代，MSG-1標準用于波音747，MSG-2用于DC-10、L1011。80年代，美國聯(lián)合航空率先推出RCM，并將MSG-3用于波音757、767。90年代，RCM用于核工業(yè)和其他各個行業(yè)。

    綜上所述，隨著時間的推移，維修過程和系統(tǒng)經(jīng)歷了重大變遷。早期，均是事后維修（BM，Breakdown Maintenance）。現(xiàn)在，有效的維修方式是預先發(fā)現(xiàn)設備的早期退化的預測式維修（predictive maintenance，PdM)和基于狀態(tài)的維修（Condition-based Maintenance，CBM) 的結合。預測性維修（PdM）是根據(jù)對一個設備單元測試結果的趨勢來預知或診斷其問題的方法。這些方法使用非破壞性（non-intrusive testing）技術來測試和計算設備的性能趨勢。基于狀態(tài)的維修(CBM)是一種方法論。它將預防性維修和預測性維修與實時檢測（real-time monitoring）相結合。預測性維修使用CBM系統(tǒng)在故障發(fā)生前發(fā)現(xiàn)故障根源，將維修變?yōu)橹鲃犹幚怼BM精確地檢測設備系統(tǒng)的當前狀態(tài)，并在故障出現(xiàn)前預言可能出現(xiàn)的故障。近幾年，基于時間間隔的定期維修（ＴＢＭ：time-based maintenance）正向基于狀態(tài)檢測的預防維修轉移。設備維修的演變如圖4所示。

    圖4   設備維修的演變

2 設備故障規(guī)律的基本描述

    設備如同其他產(chǎn)品一樣，都有壽命周期。指設備從開始投入使用起，一直到因設備功能完全喪失而最終退出使用的總時間長度。衡量設備最終退出使用的一個重要指標是可靠性。可靠性是指設備在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力。規(guī)定條件是指使用條件與環(huán)境條件，具體條件如負荷、溫度、濕度、壓力、振動、沖擊、噪音、電磁場等，此外還包括使用、操作、維修方式以及維修水平等有關方面。規(guī)定時間是指系統(tǒng)失效的經(jīng)濟壽命期，即在陳舊老化期和經(jīng)濟磨損期的條件下，能正常發(fā)揮功能的總時間。在實際中，規(guī)定的時間可指某一時間段或使用的次數(shù)等。規(guī)定功能是指設備系統(tǒng)的預期功能，即設備所應實現(xiàn)的使用目的。對不同類型的設備要有相應的具體規(guī)定。 

    對于設備故障模式的認識，是隨著設備的日益復雜和多樣性而變化的。大致呈現(xiàn)三個階段。傳統(tǒng)認為，大部分部件首先穩(wěn)定運行一段時間，然后開始出問題。20世紀40年代的簡單設備往往呈現(xiàn)這種情況。到了20世紀60和70年代，設備變得較為復雜。在運行初期，由于部件之間需要磨合，容易發(fā)生故障，隨后進入穩(wěn)定運行階段，在壽期最后又容易發(fā)生故障，這就是典型的“浴盆曲線”。進入上世紀80年代之后，由于電子信息技術的廣泛應用，設備構成更加復雜和多樣性，因此設備的故障/失效曲線呈六種情況分布。據(jù)國外的統(tǒng)計，從上至下六種情況發(fā)生的概率分別為：A:4%，B:2%，C:5%，D:7%，E:14%，F(xiàn):68%。如圖5所示。

    圖5   設備失效浴盆曲線的變遷

    典型的浴盆曲線是指產(chǎn)品從投用到報廢為止的整個壽命周期內，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定規(guī)律。如果以產(chǎn)品失效率作為產(chǎn)品的可靠性特征值，它是以使用時間為橫坐標，以失效率為縱坐標的一條曲線。因該曲線兩頭高，中間低，有些像浴盆，故稱為浴盆曲線(Bathtub curve,失效率曲線)。 如圖6所示。實踐證明大多數(shù)設備的故障率是時間的函數(shù)，具有明顯的階段性，可劃分為三個階段：早期故障期(Infant Mortality)，偶然故障期也稱隨機失效期(Random Failures)，嚴重故障期也叫耗損失效期(Wear out)，主要由磨損、疲勞、老化和耗損等原因造成，這是設備維修關注的重點。

    (1)

    (2)

    圖6   浴盆曲線（1）及維修的作用（2）

    設備故障源于老化，并遵循老化曲線。如圖7所示。老化曲線沿縱軸可分為3個階段： 綠區(qū)(G)——包括浴盆曲線的正常使用階段，即故障率最低的階段，表示設備處于良好狀態(tài)。黃區(qū)(Y)——包括浴盆曲線Ⅲ區(qū)的初始階段，即故障率已經(jīng)出現(xiàn)升高的趨勢，表示設備應處于密切監(jiān)視狀態(tài)。紅區(qū)(R)——包括浴盆曲線Ⅲ區(qū)的故障率已經(jīng)開始大幅度上升的階段，表示設備已經(jīng)處于極嚴重或者危險狀態(tài)，此時應該停機。以上描述是設備故障發(fā)生的一般規(guī)律，對于具體設備，還應該結合其本身特點分析。這對于進行設備預維護，防止某些故障發(fā)生，以及故障發(fā)生后的快速診斷都很有意義。

                                    圖7   設備老化曲線

    P-F 曲線如圖8所示。它描繪設備在接近失效時的行為。該曲線顯示，當失效開始時，設備性能惡化到失效可被檢測到的點 (P)。如果未檢測到失效和緩解，則會繼續(xù)發(fā)展，直到“硬”失效發(fā)生 (F)。P 與 F 之間的時間范圍通常稱為 P-F 區(qū)間，這是一個機會區(qū)間，通過在該段時間內進行檢查，可檢測到即將發(fā)生的失效，并進行相應處理。舉例來說，如果 P-F 區(qū)間為 200 天，并且產(chǎn)品將在 1000 天后失效，則您可在 800 天后檢測到即將發(fā)生的失效。

    圖8   P-F 曲線

    除 P-F 區(qū)間外，還可使用一個“失效檢測閾值”(FDT) 因子，來指示在檢查期間，從何時開始可檢測到即將發(fā)生的失效。FDT 是介于 0 與 1 之間的一個數(shù)，它表示必須在產(chǎn)品壽命到達某一階段（以百分比計）之后，才可檢測到即將發(fā)生的失效。舉例來說，如果 FDT 為 0.9，并且產(chǎn)品將在 1000 天后失效，則必須在產(chǎn)品壽命到達 90%即 900 天 以后，才可檢測到即將發(fā)生的失效。失效過程如圖9所示。監(jiān)測頻率的選擇如圖10所示。

    圖9   設備失效過程

    圖10   監(jiān)測頻率的選擇

3 CBM 的內涵

    隨著時間的推移，維修過程和系統(tǒng)經(jīng)歷了重大變遷。早期均是事后維修（BM，Breakdown Maintenance）。隨著技術的進步，開始實行基于時間的預防式維修（a time-based Preventive Maintenance），后來又逐漸演變?yōu)榛跅l件的預防式維修（a condition-based Preventive Maintenance）。現(xiàn)在，有效的維修方式是預先發(fā)現(xiàn)設備的早期退化的預測式維修（predictive maintenance，PdM)和基于狀態(tài)的維修（Condition-based Maintenance，CBM) 的結合。預測性維修（PdM）是根據(jù)對設備單元測試結果的趨勢來預知或診斷其問題的方法。這些方法使用非破壞性（non-intrusive testing）檢測技術來測試和計算設備的性能趨勢。設備老化預兆診斷系統(tǒng)，根據(jù)對設備狀態(tài)的實時檢測，撲捉形成劣化的狀態(tài)惡化的兆候，確立可以診斷的算法。以真空泵診斷系統(tǒng)（VPMS）為例，該系統(tǒng)已振動診斷為主。振動診斷是根據(jù)檢測的振動信號，抽出其低頻、中頻和高頻頻譜，并檢測頻譜的異常。

    基于狀態(tài)的維修(CBM)是一種方法論。它將預防性維修和預測性維修與實時檢測（real-time monitoring）相結合。預測性維修使用CBM系統(tǒng)在故障發(fā)生前發(fā)現(xiàn)故障根源，將維修變?yōu)橹鲃犹幚怼BM精確地檢測設備系統(tǒng)的當前狀態(tài)，并在故障出現(xiàn)前預言可能出現(xiàn)的故障。

    CRM是一套維修的行為，基于實時或準實時的設備狀態(tài)評估，是由嵌入式傳感器或采用便攜式設備進行外部測試和測量。其目的是只有客觀證明需要才進行維護，同時保證安全、設備可靠性，降低總擁有成本。公司維修戰(zhàn)略驅動的CBM結構以及CBM與CMMS的關系如圖11所示。

    CBM一般分六步執(zhí)行。①分析確定設備運行環(huán)境，如溫度、壓力、流量、液位等有關參數(shù)是否正常。②定義該設備的功能。③評估設備可能的失效。④識別可能的故障模式或根源。⑤決定各失效模式最可能的失效后果。⑥為每個失效模式，提出適當?shù)木S修任務，比較在經(jīng)濟和技術上的可行性。

    圖11   公司維修戰(zhàn)略驅動的CBM結構以及CBM與CMMS的關系

4 CBM的應用效果

    CBM的效益（根據(jù)1988年多個工業(yè)領域實踐數(shù)據(jù)整理，參見《HYDRO REVIEW》，JULY 1992）如表1和圖12所示。

                                表1   CBM的效益來源分類

                            序號      項目             效益（%）

                             1    降低維修成本         50-80

                             2    減少設備故障         50-60

                             3    降低備品備件庫存     20-30

                             4    減少設備停機時間     50-80

                             5    減少維修加班開支     20-50

                             6    提高機器壽命         20-40

                             7    提高生產(chǎn)能力         20-30

                             8    提高效益             25-60

    圖12   CBM的效益明細

5 CBM的發(fā)展

    通過 Aberdeen Group. 2006年12月的調查，預防性維修仍然是主要采用的維修方式，但預測性維修和基于狀態(tài)的維修將越來越被重視，而且成為21世紀初的發(fā)展方向（如圖13所示），并有許多新進展。使用反饋比例如表2所示。

    圖13   設備資產(chǎn)維護的變革趨勢
 
                                 表2   維修方式的使用比例

                             （出處：Aberdeen Group. 12/2006）

                         序號     維修方式                       使用比例%

                           1    預防性維修（PM）                    88

                           2    預測性維修（PdM）                   58

                           3    基于狀態(tài)的維修（CBM）               28

5.1 系統(tǒng)集成與開放的系統(tǒng)架構

    CBM是設備維修管理技術的方向，但是它又是企業(yè)信息化的組成部分之一，必須與其它部分集成，才能發(fā)揮其更大的作用。因此需要一種國際公認的開放體系架構。

    開放的系統(tǒng)架構OSA-CBM（Open Systems Architecture for Condition-Based Maintenance）是一個專門針對CBM傳遞信息的架構標準。OSA-CBM于2001年由OSA-CBM開發(fā)團隊實現(xiàn)。參與者有廣泛的工業(yè)、商業(yè)、軍事應用技術背景，如波音、卡特彼勒公司，羅克韋爾自動化、羅克韋爾科學中心、紐波特紐斯造船、賓西法尼亞大學應用研究實驗室與MIMOSA (Machinery Information Management Open Standards Alliance，機械信息管理開放標準聯(lián)盟)。OSA-CBM功能模塊和MIMOSA集成范例分別如圖13，14所示。

                            Advisory Generations (AG) 預測咨詢生成

                            Prognostics Assessment(PA) 預兆評估

                            Health Assessment(HA) 健康評估

                            State Detection (SD) 狀態(tài)檢測

                            Data Manipulation (DM) 數(shù)據(jù)處理

                            Data Acquisition (DA) 數(shù)據(jù)采集

                                圖13   OSA-CBM功能模塊

                        圖14   OSA-CBM互操作性應用示例（MIMOSA interop server ）

5.2 設備維修的智能化

    智能維修（Intelligent Maintenance）技術如圖15所示。是借助于現(xiàn)代計算機和通信技術，通過網(wǎng)絡與固定在設備上的傳感器連接，在真實的工作環(huán)境下，能夠監(jiān)視其性能。

    圖15   設備維修智能化信息流程

5.3 設備維修的優(yōu)化

    優(yōu)化資產(chǎn)的目標；工廠資產(chǎn)的可用性，滿足生產(chǎn)的需求；工廠資產(chǎn)的表現(xiàn)來滿足操作規(guī)范；延長使用壽命的固定資產(chǎn)；捕捉和使用勞動力的知識；減少維修成本；提供整體解決方案的可靠性，那么可以較低的成本生產(chǎn)更多產(chǎn)品。如圖16所示。

    圖16   維修優(yōu)化流程

5.4 設備維修的實時化

    實時化的本質是采用實時數(shù)據(jù)庫和通用集成平臺技術，集成工廠設備資產(chǎn)運行的實時數(shù)據(jù)，構造實時的CBM（Real-time Condition-based Maintenance)。為何集成實時數(shù)據(jù)？就是要更好地使CBM過程自動化，提供設備資產(chǎn)的真實狀況，鉆取什么是真正的狀態(tài)驅動條件，決定現(xiàn)在或以后何時派人，便于維修過程的調度協(xié)調，更好地維護和利用資產(chǎn)。實時CBM方法論涉及以下步驟。對需要監(jiān)測和分析的所有維修單元進行數(shù)據(jù)的收集，并保證系統(tǒng)和設備聯(lián)網(wǎng)和實時訪問；對實時數(shù)據(jù)進行計算、分析；創(chuàng)建一個門戶網(wǎng)站形象地展示和報告實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)可視化；對問題和行為的發(fā)生進行報警和預警。如圖17、18、19所示。

                                   圖17   傳統(tǒng)工廠的操作與維護

                                       圖18   實時工廠維護

                                   圖19   基于實時數(shù)據(jù)庫PI的實時CBM流程