【摘要】：本文針對(duì)設(shè)備管理過(guò)程中對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的需求和實(shí)施難點(diǎn)，分析大數(shù)據(jù)采集，分析和處理在設(shè)備監(jiān)控的可行性，最終建立實(shí)時(shí)有效的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】：工業(yè)大數(shù)據(jù)，設(shè)備監(jiān)控，設(shè)備損失，智能制造

一、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的目的

設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)存在各種各樣的損失，這些損失可被匯總為：1、設(shè)備故障的損失，2、設(shè)備空轉(zhuǎn)和暫停的損失，3、設(shè)備換型的損失，4、設(shè)備調(diào)試的損失，5、設(shè)備啟動(dòng)的損失，6、設(shè)備性能衰減的損失和7、產(chǎn)出廢品的損失，簡(jiǎn)稱設(shè)備七種損失。這些損失最終將表現(xiàn)為設(shè)備性能的下降，設(shè)備使用時(shí)間的減少，以及產(chǎn)品合格品率的降低，對(duì)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)會(huì)帶來(lái)巨大的影響。

因此要了解設(shè)備在實(shí)際使用過(guò)程中的狀態(tài)，以及這些損失在使用過(guò)程中的分布情況，企業(yè)就必須需要對(duì)設(shè)備設(shè)定相應(yīng)控制點(diǎn)，并進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控以實(shí)現(xiàn)以下目的：

1. 1.       了解階段時(shí)間中設(shè)備損失的構(gòu)成

目前企業(yè)對(duì)于這七種損失在設(shè)備監(jiān)控過(guò)程中主要采用三種方式進(jìn)行收集，損失1-4主要表現(xiàn)為這些損失的停機(jī)時(shí)間；損失5、6通過(guò)定期測(cè)試設(shè)備動(dòng)靜態(tài)性能或者比較實(shí)際的生產(chǎn)節(jié)拍與理想（工藝）工作節(jié)拍之間的差異來(lái)判斷；損失7是通過(guò)產(chǎn)品做出后的質(zhì)量結(jié)果判斷得出。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的獲得，并以一定方式的計(jì)算就可以得到設(shè)備的損失構(gòu)成，從而知曉消除損失的方向。

1. 2.       得到準(zhǔn)確的設(shè)備KPI源數(shù)據(jù)

七種損失的數(shù)據(jù)均可轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的單位（比如時(shí)間），用來(lái)計(jì)算MTBF，MTTR，OEE等設(shè)備管理指標(biāo)，最終評(píng)判階段性設(shè)備管理水準(zhǔn)。而這些數(shù)據(jù)越精確，越實(shí)時(shí)，則會(huì)對(duì)設(shè)備的評(píng)價(jià)越準(zhǔn)確。

1. 3.       通過(guò)狀態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備的問(wèn)題和故障

設(shè)備性能從衰減到真正功能失效，一般都存在一定的周期。如果在衰減的初期能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的失效，就可以提前對(duì)設(shè)備采取相應(yīng)的措施，避免可能產(chǎn)生的安全，環(huán)境和運(yùn)營(yíng)的損失。目前傳統(tǒng)的監(jiān)控方式是使用一定的儀表，定期對(duì)設(shè)備的某些控制點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量，例如，熱成像儀通過(guò)電纜熱度的變化來(lái)判斷電纜的老化程度；利用振動(dòng)儀顯示的頻次來(lái)測(cè)量軸承的好壞等等。因此設(shè)備監(jiān)控可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀況，從而預(yù)先采取措施避免或者減少設(shè)備產(chǎn)生的損失。

二、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的難點(diǎn)

因?yàn)樵O(shè)備狀態(tài)監(jiān)控對(duì)企業(yè)管理的益處，設(shè)備監(jiān)控越來(lái)越受到設(shè)備管理的重視。但目前企業(yè)設(shè)備監(jiān)控中一般會(huì)存在若干難點(diǎn)，主要表現(xiàn)如下：

1. 1.       監(jiān)控采樣密度不夠

設(shè)備狀態(tài)是連續(xù)變化的，所以希望采樣的密度能夠足夠大，以盡量收集足夠多和加精確的數(shù)據(jù)，覆蓋足夠多的過(guò)程，以保證分析的可靠性。

傳統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控過(guò)程中，由于人員、設(shè)備和成本的因素，除了涉及到重大事項(xiàng)的控制點(diǎn)會(huì)投入巨大成本進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控外，一般不會(huì)對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行大密度，全天候的監(jiān)控。而采用定時(shí)離散的監(jiān)控計(jì)劃的缺點(diǎn)是設(shè)備的失效或者潛在失效可能在監(jiān)控的間隔之中就產(chǎn)生。

1. 2.       設(shè)備非顯性損失和人工采集方式致使數(shù)據(jù)精度不高

設(shè)備的七種損失并非都是顯性的。像設(shè)備故障的損失和產(chǎn)出廢品的損失可以相對(duì)顯性地表現(xiàn)出來(lái)，而其他五種損失如果不能明確的測(cè)量和收集甚至沒(méi)有具體的定義，很可能就會(huì)統(tǒng)計(jì)不出和遺漏，造成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的缺失和統(tǒng)計(jì)精度無(wú)法保證。

同時(shí)，企業(yè)如果采用純手工或者半手工的輸入數(shù)據(jù)方式，一方面會(huì)造成數(shù)據(jù)滯后，同時(shí)還會(huì)造成數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤或者缺失，這也可能會(huì)造成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的誤差。

1. 3.       老設(shè)備的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣難度大

因?yàn)橛行┰O(shè)備在前期規(guī)劃階段沒(méi)有考慮到數(shù)據(jù)采集，所以老設(shè)備會(huì)體現(xiàn)出兩個(gè)方面的采樣難度：一方面是設(shè)備不具備數(shù)據(jù)收集和傳輸能力；另一方面設(shè)備供應(yīng)商不愿意開放這些數(shù)據(jù)給用戶。這兩個(gè)難題均會(huì)帶來(lái)具體實(shí)施過(guò)程中巨大的成本和時(shí)間花費(fèi)，甚至?xí)鹪O(shè)備的大幅改造。

三、工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控帶來(lái)的機(jī)會(huì)

工業(yè)大數(shù)據(jù)是指在工業(yè)領(lǐng)域中，圍繞典型智能制造模式，整個(gè)產(chǎn)品全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)及相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用的總稱。工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)是使工業(yè)大數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的價(jià)值得以挖掘和展現(xiàn)的一系列技術(shù)與方法，包括數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、存儲(chǔ)、分析挖掘、可視化和智能控制等。其本質(zhì)目標(biāo)就是從復(fù)雜的數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)新的模式與知識(shí)掘得到有價(jià)值的新信息，從而促進(jìn)工業(yè)企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新、提升經(jīng)營(yíng)水平和生產(chǎn)運(yùn)作效率。

工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展得益于高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，傳感器技術(shù)，成本不斷下降的存儲(chǔ)技術(shù)，以及不斷創(chuàng)新和優(yōu)化的軟件算法。

現(xiàn)今的大數(shù)據(jù)技術(shù)為解決上述設(shè)備監(jiān)控的要求和難點(diǎn)帶來(lái)了低成本和高效率的方案。

四、大數(shù)據(jù)設(shè)備監(jiān)控模型架構(gòu)

采用設(shè)備大數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控的架構(gòu)是通過(guò)傳感技術(shù)先實(shí)時(shí)采集設(shè)備上的共有特性（例如用電量，功率，電流，電壓等），再通過(guò)軟件對(duì)連續(xù)數(shù)據(jù)的分析和處理，得到系列結(jié)果，完成對(duì)設(shè)備運(yùn)營(yíng)中損失的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，發(fā)送出相應(yīng)的解決方案和指令，之后對(duì)于數(shù)據(jù)顯著和關(guān)鍵的差異再通過(guò)專業(yè)儀器近一步的專項(xiàng)測(cè)試，從而確診故障點(diǎn)和實(shí)施故障解決。所以通過(guò)大數(shù)據(jù)的使用，首先可以擺脫原先設(shè)備上的瓶頸，不局限于設(shè)備供應(yīng)商的支持和設(shè)備傳輸端口的有無(wú)；只要設(shè)備上的用電數(shù)據(jù)就可以通過(guò)串并聯(lián)相關(guān)傳感單元容易地被采集出來(lái)；采集的成本也會(huì)相對(duì)較低；只要將采樣周期設(shè)定得足夠短（達(dá)到秒級(jí)采樣周期），就可以得到更加精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

大數(shù)據(jù)設(shè)備監(jiān)控模型的框架是由基礎(chǔ)采樣單元，無(wú)線（有線）網(wǎng)絡(luò)路由器，大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，大數(shù)據(jù)處理軟件，人機(jī)交互界面（移動(dòng)端APP，終端電腦）等組成（見圖7）。

大數(shù)據(jù)設(shè)備監(jiān)控模型的基礎(chǔ)采樣單元是通過(guò)一定的方式（傳感器，設(shè)備自身數(shù)據(jù)等）得到設(shè)備上的特性變量，例如：采集設(shè)備的功率，將數(shù)字功率表連接在設(shè)備的主電路當(dāng)中，功率表按照要求的采樣周期對(duì)設(shè)備進(jìn)行采樣。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行在不同損失下，功率表的數(shù)據(jù)將顯示不同的特性曲線。

下圖是設(shè)備功率采集過(guò)程中的一些特性曲線圖形（采樣周期為1秒）。

根據(jù)時(shí)間-用電功率的數(shù)據(jù)，結(jié)合時(shí)間和企業(yè)MES的關(guān)聯(lián)，比對(duì)與實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃安排的差異來(lái)確定6種損失的分布；如果沒(méi)有在線檢查的數(shù)據(jù)，產(chǎn)品質(zhì)量損失需要增加外部檢測(cè)后人工確定損失。

一般情況下，每套設(shè)備只需要安裝一套采樣單元即可，如果考慮成本，也可以對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行安裝。如若需要其他參數(shù)的數(shù)據(jù)，一方面可以基于現(xiàn)有采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行換算（例如已知功率，就可以計(jì)算電流，用電量等等），采樣單元上也有相關(guān)參數(shù)供選擇；另外可以采用類似原理建立其他傳感單元來(lái)得出數(shù)據(jù)（例如壓力，速度等等）。但本文建議一般采用以時(shí)間為單位的電量數(shù)據(jù)的采樣模型，因?yàn)檫@種方式比較普遍，實(shí)施過(guò)程中的成本和通用性也較強(qiáng)；當(dāng)數(shù)據(jù)比對(duì)和分析后發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，再采用其他儀器去再次驗(yàn)證，這樣對(duì)人力和成本都會(huì)大幅節(jié)省。

基于這些基礎(chǔ)采樣單元，海量數(shù)據(jù)將通過(guò)有線或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，例如Modbus,OPC, BACnet/IP, Ethernet/IP, PROFINET等多種協(xié)議，傳輸?shù)?/span>基于內(nèi)存的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)集群中，這些數(shù)據(jù)庫(kù)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析更快，大數(shù)據(jù)容量和彈性大的特點(diǎn)，可以在普通服務(wù)器上存儲(chǔ)PB級(jí)數(shù)據(jù)，具有高可用性及高并發(fā)讀寫功能。

這些數(shù)據(jù)之后通過(guò)計(jì)算機(jī)平臺(tái)中的軟件進(jìn)行處理。目前例如CUDA這樣的并行計(jì)算平臺(tái)，使用圖形處理器（GPU）可以顯著提高對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算性能，適用于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的GPU加速功能，可加快數(shù)據(jù)采集、清理、匯總、分析和建模的速度，與傳統(tǒng)計(jì)算相比，GPU可將數(shù)據(jù)處理和分析的速度提高10 到100 倍。

處理好的數(shù)據(jù)最后將提供相應(yīng)有用的技術(shù)和管理報(bào)表；例如階段性設(shè)備的能耗狀態(tài)，設(shè)備的損失分布，KPI報(bào)表等等，并且對(duì)于實(shí)時(shí)的一些異常狀態(tài)，可以立即通過(guò)郵件，微信或者短信的方式給響應(yīng)人員發(fā)出通知和報(bào)警；系統(tǒng)當(dāng)數(shù)據(jù)積累到一定程度，還會(huì)提供給用戶相應(yīng)設(shè)備的維護(hù)計(jì)劃，檢測(cè)安排甚至實(shí)施方案。

此外，模型通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)API，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)還可以開放數(shù)據(jù)給其它企業(yè)系統(tǒng)，例如企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、供應(yīng)鏈管理（SCM）、產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、客戶關(guān)系管理（CRM）、過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）、高級(jí)生產(chǎn)排程系統(tǒng)（APS）、和設(shè)施管理系統(tǒng)（FMS）等等。

在整個(gè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控模型的實(shí)施過(guò)程中，軟件和參考點(diǎn)（圖形）是模型成功的核心。對(duì)于軟件來(lái)說(shuō)不僅包括數(shù)據(jù)處理的算法，程序運(yùn)算的效率，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，還包括人機(jī)交互界面的友好性，做到這些要求涉及到軟件的編制水準(zhǔn)以及對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)的了解。

參考點(diǎn)（圖形）是決定軟件數(shù)據(jù)比較和判斷的重要基準(zhǔn)。以功率為例，軟件中設(shè)定的一些參考數(shù)據(jù)將決定數(shù)據(jù)計(jì)算后的歸屬，設(shè)備瞬間運(yùn)行功率為0kw將被判斷為停機(jī)狀態(tài)；設(shè)定P_st就是待機(jī)功率時(shí)，運(yùn)行功率=P_st為待機(jī)狀態(tài)，，但這個(gè)功率對(duì)于每臺(tái)設(shè)備來(lái)說(shuō)都是不同的，所以在前期設(shè)定過(guò)程中就需要了解設(shè)備的初始待機(jī)功率值；每臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)產(chǎn)品節(jié)拍時(shí)間中的基本特性曲線需要有既定的路程進(jìn)行確定和修訂，將目前的設(shè)備曲線通過(guò)程序自動(dòng)和特性圖形進(jìn)行比對(duì)（可以設(shè)定相應(yīng)的波動(dòng)范圍），確定目前加工的過(guò)程是否存在異常，異常狀態(tài)就意味著損失的可能。

五、案例分享

下面是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控模型在某整車廠動(dòng)力總成車間實(shí)施的案例。該監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)設(shè)備的用電量的方式進(jìn)行采集，再通過(guò)MODBUS總線的方式收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行匯總和分析，最終得出系列結(jié)論和方案幫助企業(yè)進(jìn)行精細(xì)化管理的過(guò)程。

對(duì)標(biāo)管理是企業(yè)能源管理的重點(diǎn)，能源消耗限額控制也是智能制造的重要維度之一。該模型基于把設(shè)備管理思想與能源管理思想相結(jié)合的前提，對(duì)每臺(tái)設(shè)備用電量進(jìn)行采集分析，按照財(cái)務(wù)維度將制造工廠用能單位劃分為工廠、車間（以及輔助生產(chǎn)系統(tǒng)和附屬生產(chǎn)系統(tǒng)）、生產(chǎn)線、設(shè)備4個(gè)層級(jí)，逐級(jí)分析，每一層級(jí)制定相關(guān)的指標(biāo)和參數(shù)。設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確及時(shí)地反映整個(gè)能源管理過(guò)程中可能存在的問(wèn)題，將能源管理的事后控制轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)程控制，使管理層能及時(shí)采取相關(guān)措施對(duì)暴露問(wèn)題進(jìn)行解決，從而有效地降低單位產(chǎn)品能耗，提高利潤(rùn)率，實(shí)現(xiàn)能源管理上的精細(xì)化；同時(shí)通過(guò)構(gòu)建統(tǒng)一的能效大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)能效數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的集成，使用大數(shù)據(jù)分析手段全面支持業(yè)務(wù)運(yùn)作、成本管控和決策分析，實(shí)現(xiàn)崗位能效自我改善，幫助決策層更準(zhǔn)確地評(píng)估企業(yè)能耗狀況，以大大提高企業(yè)決策的成功率。

 設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)非生產(chǎn)日能源消耗全面可視化分析，生產(chǎn)負(fù)責(zé)人可以及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和設(shè)備檢修計(jì)劃，優(yōu)化能源利用。而系統(tǒng)中智能解決方案包括各種測(cè)定系統(tǒng)、高級(jí)建模、調(diào)度工具及自動(dòng)化控制系統(tǒng)等能助力企業(yè)合理預(yù)測(cè)能源的使用狀況，盡量避開高峰時(shí)段，并減少設(shè)備閑置所造成的巨大能源浪費(fèi)。一條汽車裝配激光焊接生產(chǎn)線，通過(guò)系統(tǒng)性地關(guān)閉閑置設(shè)備，其生產(chǎn)間隙的能耗可降低90%，總能耗降低12%。圖8中報(bào)表中紅色顯示出非生產(chǎn)日能源消耗異常。

設(shè)備狀態(tài)分析數(shù)據(jù)包括設(shè)備異常類型（正常、總能耗異常、空運(yùn)轉(zhuǎn)能耗比例異常、待機(jī)能耗比例異常、非生產(chǎn)能耗比例異常）、總能耗值、加工運(yùn)行時(shí)間、加工運(yùn)行能耗、空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、空運(yùn)轉(zhuǎn)能耗、空運(yùn)轉(zhuǎn)能耗比例值、待機(jī)時(shí)間、待機(jī)能耗、待機(jī)能耗比例值、非生產(chǎn)時(shí)間、非生產(chǎn)能耗、非生產(chǎn)能耗比例值等等（見圖9）。如果按照功率-時(shí)間的方式采集數(shù)據(jù)將會(huì)有更細(xì)化的報(bào)表生成。

在分析和采集大量設(shè)備狀態(tài)能耗數(shù)據(jù)后，對(duì)不同種類和運(yùn)行工況進(jìn)行聚類分析，通過(guò)集群建模方法對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)比較每臺(tái)設(shè)備與集群的差異性來(lái)判斷其異常程度。在對(duì)設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行定量化分析之后，可以從車間級(jí)、生產(chǎn)線級(jí)、單機(jī)級(jí)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行垂直立體化的管理，根據(jù)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃的調(diào)度。

模型還可以為應(yīng)對(duì)能源消耗預(yù)警和消費(fèi)模式的轉(zhuǎn)變，需要敏捷的生產(chǎn)流程，借助假設(shè)分析，提前預(yù)測(cè)能源使用，通過(guò)設(shè)備關(guān)停和生產(chǎn)流程的動(dòng)態(tài)重組，盡量避免高峰時(shí)段的使用。

 根據(jù)電能供應(yīng)情況及各類用戶的不同用電規(guī)律，合理地有計(jì)劃地安排和組織各類用戶的用電時(shí)間，以降低負(fù)荷高峰、填補(bǔ)負(fù)荷低谷，從而可提高變壓器的負(fù)荷率和功率因數(shù)，提高供電能力，節(jié)約電能。

在工廠生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和建造階段雖然已經(jīng)確定基本能耗范圍，但通過(guò)對(duì)能耗進(jìn)行監(jiān)控，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)建立多維數(shù)據(jù)分析模型，通過(guò)關(guān)聯(lián)更多的維度和數(shù)據(jù)項(xiàng)，例如班組、人員等信息，揭示人因與能效控制目標(biāo)的偏差程度，對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和能耗歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)能耗偏離計(jì)劃目標(biāo)的情況，整合相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘能耗異常的根本原因，指導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、節(jié)能管理措施實(shí)施等，不斷改進(jìn)能耗表現(xiàn)。

這套設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)只囊括了監(jiān)控的一小部分，更加豐富的內(nèi)容隨著數(shù)據(jù)量的增加和軟件功能的加強(qiáng)會(huì)越來(lái)越體現(xiàn)其價(jià)值?？傊O(shè)備產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)是一筆巨大的財(cái)富，原先由于各種資源的約束，無(wú)法很好地進(jìn)行開發(fā)，但隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，開發(fā)的成本將越來(lái)越低，隨之?dāng)?shù)據(jù)處理后的結(jié)果將為企業(yè)管理和決策帶來(lái)強(qiáng)大的參考和支撐。