摘要：預(yù)測性維護(hù)是近幾年發(fā)展比較快的一種設(shè)備維護(hù)模式。本文從討論設(shè)備維護(hù)的三種模式比較以及預(yù)測性維護(hù)的現(xiàn)狀開始，對基于西門子儀表所實(shí)現(xiàn)的幾種預(yù)測性維護(hù)解決方案作了介紹。
關(guān)鍵詞：預(yù)測性維護(hù) 預(yù)防性維護(hù) 診斷
一、前言
當(dāng)今的過程工業(yè)，對現(xiàn)場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)會造成極大的損失。因此，也對設(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。雖然在中國沒有這方面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，但是相信中國目前在這方面的情況和美國當(dāng)時差不多。
選擇錯誤和原始的維護(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)故障時對它進(jìn)行維修。這是種“不出故障就不維修”的維護(hù)方式，也是最初級最簡單也是目前在國內(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)，它會在采取任何維護(hù)行動之前等待機(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。對維修進(jìn)行計(jì)劃安排可使工廠將維修時間和有關(guān)的勞動力成本降到最低。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；
?高超時勞動力成本；
?機(jī)器停機(jī)時間長；
?生產(chǎn)能力低。
預(yù)防性維護(hù)(Preventive Maintenance)和預(yù)測性維護(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
圖1：平均無故障時間(MTBF)曲線
基于時間的維護(hù)計(jì)劃：在特定周期中執(zhí)行基于時間的維護(hù)計(jì)劃的維護(hù)，例如，每隔兩個月或每隔六個月。
基于性能的維護(hù)計(jì)劃：可根據(jù)各個設(shè)備和功能位置的測量點(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)信息可能由測量點(diǎn)提供。設(shè)備上的計(jì)數(shù)器到達(dá)一定讀數(shù)時，系統(tǒng)就進(jìn)行維護(hù)，例如，每隔 100 個小時的運(yùn)行時間，每隔 500個鑄造周期等。
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)時讀數(shù)，需要實(shí)時對其進(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)時間范圍內(nèi)惡化。例如，某種泵設(shè)備通常運(yùn)轉(zhuǎn)12個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)的變量會直接影響機(jī)器的正常工作壽命。對于用于輸送水用于輸送磨損性泥漿的泵來說，平均無故障時間 (MTBF) 是不同的（如圖1）。如果該泵在11個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，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，上去就對工業(yè)設(shè)備進(jìn)行操作和維修。
預(yù)測性維護(hù)(PM),也被稱之為預(yù)知性維護(hù)或策略性維護(hù)。預(yù)測性維護(hù)集設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障(狀態(tài))預(yù)測、維護(hù)決策支持和維護(hù)活動于一體，足近年來新興的一種先進(jìn)維護(hù)方式。
預(yù)測性維護(hù)實(shí)際上是一種運(yùn)轉(zhuǎn)狀況驅(qū)動的預(yù)防性維護(hù)程序。預(yù)測性維護(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)（即平均無故障時間）來計(jì)劃安排維護(hù)活動，而是對運(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：
?克服預(yù)防性維護(hù)的盲目性，具有很強(qiáng)的針對性。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))時間，提高設(shè)備可靠性和可用系數(shù)，延長設(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，降低勞動強(qiáng)度，有利于減員增效，提高經(jīng)濟(jì)效益。
二、預(yù)測性維護(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，國內(nèi)外各大廠家推出了各種先進(jìn)的預(yù)測性維護(hù)技術(shù)。美國的FitCh博士更是在預(yù)測性維護(hù)的基本上創(chuàng)立了主動性維護(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)測性維護(hù)立足于“狀態(tài)監(jiān)測”，強(qiáng)調(diào)的是“故障診斷”是指不定期或連續(xù)地對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，根據(jù)其結(jié)果．查明裝備有無狀態(tài)異?；蚬收馅厔?，再適時地安排維護(hù)；廣義的預(yù)測性維護(hù)將狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、狀態(tài)預(yù)測和維修決策多位合一體，狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是基礎(chǔ)，狀態(tài)預(yù)測是重點(diǎn)，維護(hù)決策得出最終的維護(hù)活動要求。是一個系統(tǒng)的過程。它將維護(hù)管理納入了預(yù)測性維護(hù)的范疇。通盤考慮整個維護(hù)過程，直至得出與維護(hù)活動相關(guān)的內(nèi)容。
三、西門子儀表實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)
近年來，西門子公司圍繞預(yù)測性維護(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)針對泵提供預(yù)測性維護(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，這時會產(chǎn)生聲波或超聲波，可以在閥門外安裝傳感器進(jìn)行探測。聲級是泄漏的測量單位。
圖2：Sitrans DA400及傳感器
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，對泄漏信號高度敏感，而對泵的運(yùn)行信號不敏感。對信號的適當(dāng)處理使測量結(jié)果自動適應(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聲敏檢測系統(tǒng)為往復(fù)式隔膜煤漿泵檢測吸入閥、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別，來診斷閥的開和關(guān)動作是完好的。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別增加識別出來；被檢測的閥門通過 SITRANS DA400將這種聲音的級別的增加檢測出來；這種檢測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)閉動作產(chǎn)生的噪聲。
Sitrans DA400基于狀況的維護(hù)要求監(jiān)測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，
? 延長零部件的使用壽命，
?裝置或單元的自動檢查
圖3：采用泵在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)較少維護(hù)成本
根據(jù)通過現(xiàn)場半年多的實(shí)驗(yàn)觀察，安裝了Sitrans DA400的隔膜泵相對未安裝的兩組隔膜泵的平均檢修時間要減少2/3左右，也就是減少了相當(dāng)于2/3的維修成本（如圖3），同時大大延長了設(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調(diào)節(jié)閥上，其工作環(huán)境相對惡劣，如環(huán)境溫度、管道振動等因素都會對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，氣動閥門本身長期工作在惡劣的環(huán)境中，也會存在腐蝕、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)對閥門的預(yù)測性維護(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采集各種傳感器的數(shù)據(jù)，并對各種數(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。智能型閥門定位器對調(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)行的小時數(shù)、壓電閥的運(yùn)行次數(shù)、閥門定位時間、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)測功能，狀態(tài)顯示源自故障信號的監(jiān)測。故障信號按“交通燈”的方式進(jìn)行分類，用綠色、黃色和紅色扳手表示（PDM 軟件），如圖4：
?需要維修（綠色扳手）
?急需維修（黃色扳手）
?臨近故障或故障（紅色扳手）
圖4：SIPART PS2的擴(kuò)展診斷功能及故障分類
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到，可避免系統(tǒng)停車。通過故障信號的指示，例如執(zhí)行器隔膜的損壞、動作滯后等，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)，對現(xiàn)場探頭的掛料量（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)場總線傳輸大量診斷信息至上位機(jī)，幫助用戶指定預(yù)測性維護(hù)計(jì)劃（如圖5），大大節(jié)約用戶的維護(hù)成本，同時由于減少的更換部件的次數(shù)，也等于延長了設(shè)備的實(shí)際使用壽命。而這種功能對于只能輸出開關(guān)信號的儀表來說，是很難實(shí)現(xiàn)的。
圖5：通過對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的監(jiān)測幫助用戶制定預(yù)測性維護(hù)計(jì)劃
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)測量精度、控制速度、施工周期、長期維護(hù)量等方面體現(xiàn)出了巨大的技術(shù)優(yōu)勢。
由于稱重系統(tǒng)相對結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維護(hù)量比較大，長期以來技術(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)時記錄稱重的進(jìn)程和狀態(tài)，并且對于不正常的事件進(jìn)行分析。同時診斷緩沖器將會記錄保存最后的100條診斷信息。通過對稱重傳感器和電纜的關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行長期的連續(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所帶的這些功能對于過程數(shù)據(jù)的評估和診斷來說，無疑是一個理想的補(bǔ)充。
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。它可以對問題進(jìn)行一個分析，并從時間和地點(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的幫助，從而節(jié)約了時間和成本。
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)
四、結(jié)束語
任何一種技術(shù)都一定會有它的局限性，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，我們相信會有越來越多的預(yù)測性維護(hù)解決方案推向市場；我們也相信因?yàn)榻鹑谖C(jī)的影響，會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)測性維護(hù)本身是個動態(tài)的可持續(xù)的管理過程，不可能僅僅依靠幾個部門或供應(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)測性維護(hù)，甚至主動性維護(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)。
作者：丁振杰 西門子（中國）有限公司
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（轉(zhuǎn)載）
