基于PLM的起重机状态监控系统应用研究

北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

0 引言

随着世界工业全球化和一体化的深入发展，传统制造业正向定制化、高端化、智能化方向转型，机械制造产品升级，市场潜力巨大。起重机械行业作为制造业的重要组成部分，其技术性贸易壁垒，已从早期的功能性、标准性延伸到安全性、持续性等领域。起重机设备全生命周期的安全、可控、精准、高效成为技术发展的突破方向，也是提高企业核心竞争力的关键。

状态监控系统是通过长期主动对设备各项指标进行全面检测，并依据监测结果预判发展趋势、故障征兆等信息，提前做出预防性保养维护等决策，以保障设备正常运行的系统。起重机具有结构复杂、零部件多、工作环境恶劣等特点，维修难度大，且对技术人员检修水平要求高。状态监控系统能够着重解决起重机设备运行的问题预测、故障排除、安全维护等问题，提高设备生产能力，降低运维成本。故在起重机设备生命周期各个环节中应用状态监控系统，建立运维、研判规则数据库，进而为设备监控、维护和管理提供支撑平台、取得收益，具有十分重要的意义。

1 起重机状态监控系统构建

1.1 技术和标准

起重机械状态总则可参照国家标准GB/T 25196.1—2010《起重机 状态监控 第1部分：总则》，该标准以综述的方式规定了较为完善的监控范围，由于起重机械种类繁多，各类起重机械可根据该标准参照执行数据采集和监控。结合调研和工程实践，可采用基于状态维护的成熟体系实现起重机械监控方案。

基于状态的维护 (condition-based maintenance简称CBM)是一种新的设备维护模式,其核心理念是在有证据表明故障将要发生时才对设备进行维护。这种方式可有效地降低设备维护费用、减少设备发生重大故障的几率、提高设备的总体可用性。典型的状态维护系统如图1所示，起重机械结合自身特点在初期需要将数据采集和处理结合并对健康评估和预测层（HA&PA）做适当的简化。

图1 状态维护系统总体的体系结构图

CBM的目标是准确地检测和判断运行中的设备及其所处环境的当前状态,利用这些信息对设备预期的可使用寿命(remaining useful life简称RUL)做出预测,有针对性地制定设备维护计划。

OSA-CBM标准以组件形式，为分布式CBM系统制定了一个开放的标准化体系结构，定义了CBM系统组成及数据交互标准，实现了来自不同厂商CBM组件间的互换性和互操作性。不同的研究机构和公司可以发挥在各自领域的专业技术优势，充分实现技术整合，共同推进CBM技术的发展。

1.2 数据平台建立

借鉴OSA-CBM体系的原理结合起重机械自身特点，数据平台运用已经成熟的技术，充分吸纳面向服务构架(Service-Oriented Architecture简称SOA)的理念，采用具有高扩展性、可靠性技术路线，保证系统的可靠性、可扩展性与可管理性，能对起重机械的电气控制系统进行远程连接和收集确定的XML报文。对这些数据进行处理和反馈采用大型关系型数据库Microsoft SQL Server存储数据，实现对起重机械进行状态和故障信息进行分布式采集和数据处理。根据起重机械的特点建立如图2所示的系统，系统同时具有较强的容错性，保障了多台起重机械的同步数据处理。

图2 用于起重机械的状态监控物理层体系结构示例

1.3 系统特点

系统首先采集设备关键零部件的实时数据，将采集到的数据进行处理后存入数据库中，把数据处理、状态监测、健康评估、分析与预测等程序进行封装。开发设备的机载监控系统，从而及时了解设备运行状态、故障情况以及剩余的工作时间。同时对设备的维修提供建议生成模块，将企业内、甚至行业内的专家资源整合起来，对故障问题的解决提供专家级的经验和指导，并提供专家级的故障解决方案与维修建议。

设计以机载监控系统为客户端，远程监控中心为服务器端，建立设备的远程维护系统。远程监控中心通过通信网络在线收集现场设备的状态数据；根据远程维护系统内嵌的专家系统对收到的数据实现设备远程维护管理，包括进行整合分析、判断、统计以及变化趋势分析，并为施工中的设备提供远程报警、故障诊断、故障定位、故障解决方案查询等功能。

2 状态监控系统下的设备分析

2.1 产品生命周期管理（PLM）

产品生命周期管理（PLM）主要是指对产品研发、投入、使用、维护、淘汰等全过程进行规划和管理，它的实现依托于各个应用系统协同生产和支持，各相关部门联动并参与其中，以产品生命周期中每一阶段的信息数据等为基础，在产品投入市场后，仍可以通过分析对产品进行管理，使产品提高性能，满足用户需求，直至失去价值。

2.2 起重机设备生命周期

起重机设备从项目管理角度出发，可分为规划设计、设备制造、产品运行维护、产品售后服务，设备报废退出或升级改造等5个阶段。整个生命周期涉及到产品的研发进度、生产进度、资源配置，人员调配等过程。

2.2.1 起重机生命周期各阶段特点及关系

设计、制造阶段是依据客户需求对起重机产品进行规划设计和生产的重要阶段，需要综合考量产品的设计、制造、运营、维护、回收等全周期的各项成本，设备后期使用过程中的维护记录，指导产品的制造工艺、生产装配、原材料采购以及零部件选用等。

应用维护及售后服务阶段涉及起重机产品的运输、使用、维护以及维修，为了使产品在使用阶段实现效益最大化，需要掌握实时的状态监控、故障诊断、远程维护等技术，以降低停机风险，保障起重机设备的正常工作运转。

退出或升级改造阶段是起重机产品的寿命终末期，在这个阶段，设备整体或部分进入到报废程序，未报废部分或升级改造的产品重新进入新的生命周期。对起重机进行价值评估，通过数据分析可以指导判断设备退出或升级，以实现生命周期闭环连接。起重机生命周期各阶段数据相互作用关系如图3所示。

图3 各阶段相互作用关系图

2.3 起重机状态监控系统的应用优势

2.3.1 资源配置方面

状态监控系统能够提供相关数据支持，按照既往数据分析结果，合理配置零部件使用及备用情况，让设计更加优化合理，制造更加规范标准，减少返工情况。实时掌握起重机设备的运行动态，可以缩短故障排查时间，提高掌握设备状态的效率，及时发现问题、解决问题，使零部件的效用最大化。从整体上看，可使时间管理精细化，更好地制定计划，合理规划协调人力和物力资源。

2.3.2 成本控制方面

依托设备状态监控和数据分析，能实时掌握起重机预警信息，故障排除和诊断，准确预估剩余寿命等重要参数信息和量化依据，提高掌握设备状态的效率，合理安排设备的最佳维修时间和维护保养，有效控制起重机的精度、功能和可靠性，规划预防性维护，减少备品备件库存量及消耗量，减少人员成本，最大限度降低维修费用。

2.3.3 管理提升方面

状态监控系统能集成市场需求、产品设计、设备制造、售后服务等信息，使数据可追溯，做到及时调整维护，为设备的稳定运行和质量提升提供保障。同时，系统立足动态管理技术，管理人员能够依据设备运行情况，有针对性地进行产品性能精进改良，降低安全事故率，强化安全生产管理，细化管理责任，提升管理水平。

2.3.4 基于PLM的状态监控系统应用效益

根据上述系统应用优势总结可得基于PLM的状态监控系统应用效益如表1所示。

表1 基于PLM的状态监控系统应用效益

3 起重机状态监控系统的应用建议

3.1 完善配套信息系统

做好状态监控系统配套的软、硬件设备配置及兼容工作，适应系统运行，同时围绕状态监控系统进生命周期各阶段的管理系统集成，发挥合力，制定切实可行的管理方案，使企业可随时了解整个业务流程的运行情况，并以此做出决策或调整。

3.2 做好数据收集整理

建立数据库，将系统监测的故障数据收集整理并存储，通过大数据分析，形成设备常见故障诊断数据库。同时做好各相关产品之间的数据关联，构建通畅快捷的数据网络，为信息流动提供支撑，便于依据各产品数据之间的逻辑关系进行查询、调取和比对、参照，为后续项目管理提供依据。

3.3 实施动态项目管理

对项目实施动态项目，依据各阶段反馈数据相应调整设计方案、制造进度、维保策略、升级改造计划等，使其最大限度适应市场需求。并能实时地持续改进，从整体性、系统性角度出发，深层次地解决项目问题，规范管理流程，量化管理指标，纠正管理偏差，提升管理水平。

3.4 加强相关人员培训

加强相关人员的理念培训和专业技能培训，使监控人员熟练掌握状态监控系统的操作规程，提高设备故障诊断的能力，使设计人员熟悉系统语言，方便适应系统运行模式下的信息获取与交流，使售后人员提高设备检修和问题处理能力等。不仅如此，还应该注重构建人才梯队，使状态监控系统得以充分应用和不断完善。

4 结语

在新技术、新手段的智能化推动下，起重机行业从设计、制造、使用、维保到升级改造的全生命周期都需要整合资源和优化提升，虽然状态监控系统在设备管理中起到很大的积极作用，但在应用细分与人工智能相结合等方面还有深入探索的空间，希望后续研究能够针对不同部门，配备不同的监测设备，开发具有针对性的更专业的分析工具，对监测数据进行更加深入的分析，使状态监控系统在起重机领域的应用更加全面和完善。