提高复杂成套设备可用度的维修策略研究

虞文进黎 勇徐培富王 军

（1.浙江中烟工业有限责任公司宁波卷烟厂 浙江宁波 2.北京航空航天大学经济管理学院 北京）

一、复杂成套设备特征分析及对维护策略的要求

复杂成套设备朝着智能化、网络化、集成化、超微精密化的技术方向发展，广泛采用软件代替传统的硬件，导致机械结构趋于简化。同时设备因故障造成的停产损失，远大于清理故障和维修设备的直接损失且企业对很多引进设备的大修能力明显不足。

复杂成套设备特征决定了其故障表现。设备故障一般由3类故障的迭加而成，特征表现见图1（香蕉曲线，区别于传统设备的浴盆曲线）。一类是电气系统故障，分为强电路故障和数控系统故障，其中数控系统故障具有复杂、不确定性的特点；二类是机械系统故障，这类故障与传统机械故障较为相似，具有机械系统磨损的特征；三类是气（液）压系统故障，这类故障形成原因复杂，与环境因素、气（液）品质、操作因素、保养水平以及零件老化等高度相关。

图1 复杂成套设备故障率曲线

由于复杂成套设备对企业生产乃至企业的竞争力有重大影响，其维修策略应当具备满足可靠、快速、选择、经济和先进性的要求。

卷烟企业传统上仍然按照基于浴盆曲线，采用以时间基轴的计划预修制，制定了设备大修、中修、项修、轮保和故障维修等一系列工作安排。虽然计划预修制与单纯事后维修相比是一大进步，它可以把部分故障消灭在萌芽状态，以避免大量严重的故障或事故的发生，但这一体制也存在明显的不足。一方面，该策略较适用于以磨损为主的简单机械设备，而非复杂成套设备。另一方面，由于计划的不准确，形成维修过剩或维修不足两大问题。前者浪费了维修资源，后者易留下故障隐患。总之二者都会导致设备可用度降低。

图2 定期维修与状态维修相结合策略

图3 定期维修的策略的工作流程

表1 按故障阶段维修策略的选择

二、提高可用度的复杂成套设备维护策略

复杂成套设备从安装开始到设备老化报废的生命周期可分为早期磨合阶段、中期稳定运行阶段和晚期故障多发3个阶段。稳定运行阶段与其他两个阶段相比，持续时间相当长且是设备充分发挥作用的阶段，提高设备可用度的主要举措是降低设备非计划停机和减少维修时间。

为提高设备可用度，在设备不同的使用期，采用不同的维修策略：①在稳定运行阶段，采用可变周期的定期维修策略和状态维修的组合维修策略，在其他两个阶段，主要采用改善的维修策略；②用先进的信息系统，支持稳定运行期的设备维护。维修策略的分析与选择见表1。

在重点关注的设备稳定运行阶段，故障率维持在一个均衡水平，平均故障间隔较长，并呈偶发态势。采用状态维修和定期维修相结合的维修方式，最大程度减少故障停机，提升设备的可用度，如图2所示。一是可以有效降低维修停机时间，二是有效改善非规律性原因引起的非计划停机。复杂成套设备的电气系统一般都具备计算机系统的接口，这为采集设备状态提供了便利。

图4 状态监测的维修工作流程

1.定期维修策略的应用

定期维修的关键是确定维修周期。根据复杂成套设备的特点建立以下维修模型：

式中ED（T）——预防维修间隔期为T，单位时间内总的停机时间期望值

df——故障平均停机时间

ENt（T）——在间隔期Tmw发生故障次数的期望值

dp——在维修活动停机检查时间的平均值。

上述模型的建立及求解，可以根据以往的维修数据记录统计分析并计算得出。定期维修策略的工作流程如图3。一是运用统计方法来制定维修间隔时间，克服以往凭经验确定维修间隔时间，造成维修计划不准确的弊端。二是采用流动计划法制定维修计划。即按近细远粗的原则，在一个计划期终了时，根据统计方法确定出维修间隔期，综合考虑本期计划执行结果和生产情况等条件的变化，对原计划周期进行修改和调整，并应用到下一期维修中。

2.基于状态的维修策略的应用

设备状态监测通常是通过测定设备的一个或几个特征参数（如振动、温度等），检查其状态是否正常，若参数值或由参数的组合特征将要达到某个限定的值时，就应判定安排停机检修。为了达到这个目的，在对设备进行定期或连续监测时，必须及时掌握并记录故障发展趋势，对使用寿命进行预测、预报，实现状态监测的要求，做好故障趋势分析。状态监测的维修工作流程如图4所示。

三、典型应用案例分析

卷烟企业生产组织呈现明显的计划特性，在产品计划量和销售价格确定的情况下，企业的经济效益着重体现在生产成本的控制中。包装工序为整个生产的瓶颈工序，其可用度对产能、生产工时的影响很大。以宁波卷烟厂的GD-03#包装机组的停机、故障及维修进行研究，以验证维修策略的有效性。该设备是从意大利引进，电控系统已采用西门子S7-400 PLC控制进行改造，并在改造后稳定运行两年以上，处于偶发故障期。之前，该设备采用周期性“轮保”制和故障维修策略。通过对该设备2010年1～2月内的停机原因、停机次数、停机时间分析，得出该设备的关键停机及故障维修所占时间，见图5。周期内可用时间1200 h，周期内总停机时间196.3 h，设备可用度83.6%。

采用前文给出的维修策略，一是优化定期点检的时间跨度，以降低故障停机的概率及停机时间。根据对该设备故障历史数据的分析可知，当前设备平均停机时间为3.9 h/天，停机检查的平均时间为0.6 h/次。结合维修模型，利用计算机仿真技术确定定期预检周期为5天（仿真过程略）。二是以企业生产执行系统平台为基础，建立一套状态监测及预警系统，并与设备运维体系对接，以减少其他非计划停机。由于设备本身具备数据采集，从设备电控系统中提取各种现场数据，在不外加任何传感器的前提下，实现了设备主要产耗数据、设备状态数据、故障原因、烟包剔除等多种现场数据的实时采集，采集数据齐全，具有较强的实时性。

图5 采用新策略前GD-03#包装机组停机及故障维修时间

图6 采用新策略后GD-03#包装机组停机及故障维修时间

图7 采用新策略前后维修次数及时间对比

采用新策略并在信息系统的支持下，仍对该设备2011年1～2月内同比数据进行分析，得出该设备的关键停机及故障维修所占时间，见图6。周期内可用时间1176 h，周期内总停机时间153 h，设备可用度87.0%。

同期对比分析发现，采用新策略后可以有效提升可用度3.4%，即月增加可用时间24.4 h。其中最为显著的变化是减少了故障维修的次数（图7）。

四、结束语

传统的基于机械设备的维修策略已不能完全适合于复杂成套设备。通过信息系统和计算机仿真技术的支撑，采用了优化点检周期的定期维修和基于状态的维修相结合的组合维修方式，在卷包设备稳定运行阶段的维修实践中取得明显的效果，是企业提升设备管理水平有益尝试。由于卷烟企业普遍建立了卷接包数据采集和生产执行系统，因此本文提出的维修策略有很好的数据基础和推广前景。