「技术趋势」智能维护——使用基于状态的维护来优化智能制造运营

摘要

实施基于状态的维护有助于减少设备停机时间，改善数据收集，并提高整体设备效率。

在运营管理方面，生产制造公司面临着许多挑战，如生产开工不足、利润率低以及工厂运营活动中缺乏可见度等。实施预测性维护策略，如基于状态的维护 (CBM)，是一种积极的可以防止设备故障、解决上述运营难题的方法。

维护策略对于制造企业的运营管理至关重要。通常，制造商40%的运营开支都用于维修。尽管这数额很大，但传统的维护方法，如走查、随机检查、和年度停机检修计划很耗费时间，而且容易引起人因故障。这种方法产生的数据，往往也无法提供关于设备质量、工厂车间操作、生产缺陷和故障的有用信息。

解决这些问题的紧迫性正在推动整个制造业向数字化转型。数字化使制造商能够改变商业模式，提高运营效率和整体设备效率。智能预测维护解决方案使制造商可以在生产制造过程中采用有效方法，提高设备的正常运行时间。

基于状态的维护可以分3个阶段实施。数字化咨询有助于实现更智能的监控和维护；通过数据采集和智能收集以实现安全的部署；通过传感器进行有效的数据收集可以增强决策能力。图片来源: L&T

智能维护的出现

使用传统的监视和维护方法进行繁重的数据分析，对工人来说很耗时。由于工厂设备变得越来越复杂，过时的监测和维护技术会导致工厂整体生产能力降低5% 到20%。由于关键设备故障，造成整个工厂生产线停机的事件也常见诸报端。意外的设备故障，可能会导致生产成本的增加，从而对资产利用率水平产生不利影响。这类问题，可以通过实施智能维护系统来避免，能够为有意对生产制造进行优化的公司提供帮助。

下一代设备监视和维护战略，将使公司能够通过分析实时数据来预测未来可能的设备停机，从而提高对生产进度的控制，并最大限度地减少运营的不确定性。全球的制造企业已意识到行业内部的转变，并致力于探索如何充分利用基于状态的维护来进行预测性维护。

如何进行基于状态的维护工作

基于状态的维护是基于实时数据优先、优化维修资源的一种高级设备维护方法。基于状态的维护融合了人工智能和物联网等最新技术，使制造商能够及时做出明智决策。从预测维护解决方案中获利的制造商，将从很多方面受益，并可以在实现卓越运营方面取得进展。

基于状态的维护可分3个阶段实施:

1. 数字化咨询: 第一阶段的典型活动包括评估当前的维护方法，确定制造商是否采集到任何数据，以及如何使用这些数据，评估基于状态维护的部署和设备对IT技术的要求。

2. 数据采集和分析: 然后，与供应商一起制定基于状态维护的战略规划，通过使用传感器、振动测量、产品取样和其它方法来捕获数据。分析这些数据，并据此自定义基于状态维护的解决方案。

3. 实施全面计划: 在最后阶段，解决方案的所有模块相互连接，并监视各种关键设备参数。这些数据可以在手持设备上以报告的形式可视化呈现出来，帮助制造商及时做出设备维护决策。

基于状态维护的收益

基于状态的维护解决方案的主要目的是预测设备故障。根据经常使用的"故障和修复"策略以确保机器的可靠性，对于采用最新技术、也更复杂的数字化设备工厂来讲，不是衡量设备健康的最有效方法。基于状态的维护技术具有很大的灵活性，这就是为什么确保进行基于状态的维护的频率需要保持最佳的原因。例如，在对轴承进行振动分析时，基于状态监测任务的频率主要决定因素是平均故障时间、失效时间或潜在功能故障间隔。为了确保在功能故障之前检测到问题，必须在小于平均故障时间间隔的频率下对轴承进行监测。

基于状态的维护也提高了资产的有效性。任何企业都需要盈利，都需要确保投资回报率。同样，对于制造商来说，要实现最大化的资产利用率，降低设备故障至关重要。基于状态的维护允许制造商建立趋势，预测故障，并计算资产的剩余寿命。制造商将获得更多的智能信息，使他们能够为维护计划、备件/库存计划等进行数据驱动的决策。数据也将提供关于资产历史和相关过程历史的有用信息，如热量循环、压力循环、以及高振动、停机时间等信息。根据所收集的数据，可以确定一个组件的平均寿命，并采取适当的行动。

制造商将其运营费用的40%，花费在关键设备的运营上，另外5% 至8% 被指定用于关键设备的维修。任何意外设备故障都可能导致停机，这可能会对工厂的生产造成负面影响，并妨碍公司有效满足市场需求的能力。在这种情况下，基于状态的维护可以以多种方式帮助制造商。

例如，振动分析使制造商能够确定轴承、轴、联轴器、转子等机械零件的故障，并在需要紧急操作时通知相关人员。另一个突破性的创新是，基于状态的维护解决方案能够预测故障的发生，比如，与电流相关因素导致的超载、短路、漏电、扭矩预测、和缺乏润滑等。

半导体制造业的不断发展，以及对创新数字技术的大量采用，大大降低了传感器的成本。IT公司正在部署经济有效的集成软、硬件等各种技术的基于状态的维护解决方案，如振动测量和分析、红外、电流分析等。它能为关键参数 (包括温度、声学、压力和振动) 收集实时数据。这可以预防计划外停机、年度大修停机、最大限度地减少人为错误，并消除用于评估设备条件的人工成本。

基于状态维护的成本分析

基于状态维护所产生的成本受到机器类型、运营性质的影响，需要考虑各种因素，例如，防止在每小时生产价值1万美元产品的机器上发生轴承故障。如果发生了5个小时的停机，就可能会造成5万美元的生产损失。

一般来说，基于状态的维护在第一年就可以帮助降低12%的维修成本，并将机器可用性大幅提高至92%。基于状态的维护还可以减少约25%的意外故障；修理和检修时间降低几乎一半。大量备件的库存也可以减少20%，在第一年将就可以将每年的维护成本降低15%。除了资产性能方面的收益之外，基于状态的维护还带来了诸多收益，包括:

例如，让我们来看看工厂压缩机故障。压缩机的维修和更换费用可能高达20万美元。除此之外，还会导致产量损失和生产时间的减少。这将影响交货日期和服务可用性，还会进一步打乱生产计划。

基于状态的维护解决方案，可以预测故障并提醒工人，在故障发生之前解决问题。维修费用仅为3.5万美元，为制造商节约了16.5万美元。对持续监控方面的投资，可为生产制造商带来高达11倍的投资回报率。

再举一个例子，生产制造过程中会出现传送带马达故障，造成包装生产线计划外停机，导致产量和收入减少。为克服这一问题，制造商决定部署端到端的基于状态的维护解决方案。该解决方案开发了一种工业边缘网关模块，用于在不同负载条件下持续采集数据。

该模块还解决了数据采集和存储问题，导致网络流量的增加和基础设施成本的提高，尤其是面临机器数据的时候。该模块采用集成的机器学习和人工学习算法，收集并分析传送机器电机振动、温度和电流等关键数据，并仅将处理后的数据发送到云服务器。

此外，通过基于云的分析获得的宝贵信息，可以触发预定义事件的警报和通知，以便在潜在设备故障发生之前发送警告。该解决方案还使用企业资源规划 (ERP) 服务器，实现自动化的工作订单，将数据整合到报告中，并在手持设备上实现可视化，从而在故障发生前采取数据驱动的维护操作。基于状态的维护解决方案使制造商能够将设备的正常运行时间增加约 93%，并将维护成本降低约14%。解决方案还确定了平均故障时间、资产健康指数和下次维护时间等方面的信息。

领先的全球制造商们已经开始采取足以改变游戏规则的方法，战略性的将维护解决方案转变为智能服务和资产管理解决方案。随着先进技术不断推动行业发展，那些采取措施实施高级分析维护的制造商，将提高整体性能，减少浪费，并有效解决计划外的销售需求。

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2018年8月刊《技术进展》栏目，原标题为：使用基于状态的维护来优化智能制造运营

OPC UA TSN——不得不关注的智能制造通信全架构

◆◆今天的形势 ◆◆

当我们讨论工业物联网、智能制造的时候，它的基础是基于网络协同而实现的，传统的IT主要对于高带宽的需求，而OT则强调其低延时，尽管物理的介质、互联的接口都已经有了，而在异构网络连接中的“语义互操作”问题却没有统一而一致的标准。

图1反映了这些问题，主要表现在语义互操作的接口标准与规范问题，而IoT的挑战则在于高带宽与低延时在新的工业场景中同时出现，传统的工业现场主要是基于“等时同步”的控制循环需要低延迟的确定性网络，而今天例如视觉、振动等应用需要高带宽和低延时同时具有，而边缘计算则需要大量的数据传输和智能分析，而随着AR/VR、机器视觉的更广泛应用，这些问题将比以往更为突出。

图1

◆◆OPC UA TSN的角色 ◆◆

这也是OPC UA TSN在过去几年里一直变得非常流行的原因，OPC UA和TSN共同用于解决我们所面临的产业互联难题。

图2-OPC UA和TSN的角色定位

OPC UA主要解决“安全的语义互操作”，OPC UA确保异构网络中的数据能够按照统一的标准来定义，这样，它主要聚焦在ISO/OSI模型的应用、会话、表示三个层面，建立连接、用统一的信息模型规范来表达应用场景中的“设备行规”。

TSN则解决“实时”与“非实时”数据的同一网络传输问题，它在ISO/OSI模型的数据链路层，TSN由一系列的标准构成，主要是解决时钟同步、数据调度、网络配置的问题。

◆◆信息模型 ◆◆

事实上，OPC UA比我们想象的更为强大，它要解决的问题包括了连接、安全、信息模型多个层次的问题，图3是整个OPC UA的结构，我们可以看到它支持几个方面的问题：

（1）连接问题： 对于C/S架构的，包括支持TCP,WebSocket/http的传输机制，另外也开发了针对Pub/Sub机制的连接，包括最新的架构中对于MQTT/AMQP方面的支持，这使得通过OPC UA即可方便的与云端应用系统进行连接，而且更低的流量消耗。

（2）信息模型： 是构成OPC UA的核心，它指为了实现协同所需的信息模型，包括了基础元模型（DA,HA,AC,程序），以及伴随信息模型，或称为行业信息模型，如PLCopen,Eruomap,MTConnect,PackML、Automation ML等

（3）安全的传输机制， 在整个C/S或Pub/Sub、信息模型的传输过程中，都包括了安全的连接建立、数据加密机制，这些依赖于信息安全标准的集成。

图3-OPC UA模型

OPC UA对于整个工业4.0的实现都至关重要，除了在设备、产线层的控制任务数据传输，OPC UA还能负责在运营管理层的数据交互，这些在工业4.0的实现中，如图4均有定义，而OPC UA在系统的配置、管理认证、建模等均有应用空间，即，通过OPC UA实现对业务数据的交互—水平方向，以及垂直方向从传感器到云端的连接，也包括端到端的连接，即不同业务单元如供应链的设计、生产制造、运营维护的数据连接。

图4-OPC UA在整个工业4.0实现中的角色

因此，我们可以看到，OPC UA对于实现工业4.0、IIoT的传输至关重要，无所不在的传输才能奠定整个数字化、信息化的基础。

TSN-热度最大的通信技术

TSN并非今天才有，而是最早在音视频领域，包括现在在航空航天、轨道交通、汽车等领域都已经开始了TSN的研发与应用，工业领域是2015年的TSN工作组成立为起点，事实上，TSN是由一系列的IEEE标准构成，图5来自IEEE官方关于TSN标准的构成，它包括了以下几个方面的标准：

（1）时钟同步： 基于IEEE802.1AS和IEEE802.1AS-Rev,采用广义精确时钟同步技术，对网络的延迟进行测量和计算，并确保数据传输的高精度时间基准。

（2）整形器设计： 为不同的应用场景定义了不同的“shaper”（整形器），如为IEEE802.1Qav采用了基于信用的整形器（Credit-Based Shaper），为工业实时场景的IEEE802.1Qbv采用TAS（Time Awareness Shaper），以及抢占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br的组合，其它还包括为异步数据流所定义的ATS（基于IEEE802.1Qcr）。

图5-TSN相关标准（Source:http://www.ieee.org）

（3）可靠性标准： IEEE802.1Q工作组还定义了IEEE802.1CB的帧复制与消除标准，以及IEEE802.1Qci帧检测过滤与报错标准。

（4）资源管理： 包括流预留协议（Stream Reservation Protocol）的IEEE802.1Qat，用于配置用户和网络的增强的流预留协议IEEE802.1Qcc，以及基本YANG模式的802.1Qcp和为Qbv,Qub,Qci所用的YANG标准IEEE802.1PQcw（尚在制定中的标准）。

◆◆走在OPC UA TSN的前沿 ◆◆

全球主要厂商聚焦OPC UA规范

在2018年SPS上OPC UA基金会组织了媒体会议，共同推动OPC UA over TSN的技术推动与实现，由全球核心的OICT厂商ABB、华为、SIEMENS、贝加莱、博世力士乐、施耐德等主要的厂商均加入其中。

图6-2018年SPS全球主要的OICT厂商共同支持OPC UA工业互操作标准

贝加莱作为整形器的主要参与者

TSN的系列标准主要差别在于数据流管理的“整形器”Shpaer方面的制定，这些贝加莱也作为积极的参与者，自2015年成立工作组即积极参与其中，并与TTTech、华为等公司一起开发TSN产品、交换机、测试与验证系统，并积极参与工作组的会议，发挥自身在工业领域丰富的应用与研发经验。

图7-贝加莱积极参与TSN的整形器标准制定工作

2016年在维也纳由TTTech和贝加莱共同组织了TSN整形器工作组启动会议，此次会议定义该工作组旨在“定位于满足在传感器、执行器、控制器以及云端所有工业自动化场景需求的开放、统一、标准的工业物联网通信方案”。

作为最早将TSN产品发布的公司，在2017的SPS上，贝加莱首先展出了OPC UA TSN的产品演示系统，由200个I/O站、5个高清摄像头共同、1个工业PC、2台交换机共同构成的系统，测试其响应达到100μS，成为了2017年SPS的亮点。

图8-贝加莱在2018年SPS展会上的OPC UA TSN系统

图8是2018年贝加莱在德国SPS上展出的OPC UA TSN的融合DEMO。

◆◆场景应用 ◆◆

OPC UA典型应用

看上去OPC UA和TSN仅是一些技术标准与规范，那么，它在实际的应用中如何呈现呢？这里我们仅拿几个简单的例子予以说明—因为OPC UA TSN的应用领域之广泛远非我们想象。

１

mappVIEW

可能你没有想到，对于HMI的设计居然也有OPC UA的事，是的，在贝加莱的mappVIEW中就采用了OPC UA作为“中间服务器”，传统的HMI和控制器之间有紧密的绑定关系，因此，程序的修改会导致HMI画面的修改，而HMI修改也会导致程序的修改，有了OPC UA做中间隔离后，就可以实现程序与HMI的独立（软件工程称为“关注点分离”-Separte of Concern）,这样可以实现模块化的软件设计。

图9-基于OPC UA实现的mappVIEW

由于OPC UA支持“角色”，这使得针对不同的用户（总经理、电气经理、操作人员）有不同的访问数据的权限，而这些仅简单配置即可，而无需以前复杂的编程。

事实上，与传统嵌入式HMI的开发不同，基于OPC UA本身的http,WebService，可以开发基于Web技术的画面，包括自适应能力、多点触摸能力、表格、曲线的绘制都会变得简单。

mappVIEW精彩的HMI设计即基于OPC UA本身的SoA，服务器架构。

2

Euromap

垂直行业信息模型是另一个OPC UA的关键，对于不同行业，其所需要的数据传输、信息模型是不同的，如在塑料行业，模具、机械手、模腔温度、压力等参数是必须的，而在制药行业审计追踪是必要的，在机床行业主轴转速是必要的，这些行业的差异使得对信息的构建也不同。

信息模型会简化行业工程应用所消耗的时间，而无需复杂编程，通过简单的模型调用即可获得相关的参数，图10即显示了塑料行业的信息模型。

图10-Euromap垂直行业信息模型也集成到OPC UA规范中

３

OPC UA TSN开拓了IIoT应用

在今天，我们探讨工业物联网（IIoT）的时代却遇到非常多的困难，因为最直接的困难在于现场有非常丰富的现场总线和各种应用协议，这些导致了IT对现场的访问必须编写非常多的驱动程序和增加额外的设备，而OPC UA TSN解决了这些问题，就像图11所示，在贝加莱的系统中，通过OPC UA TSN，即可以在一个传统的实时网络域中保持原有的应用，并可以通过带有OPC UA TSN接口的网络实现兼容性通信，也可以与第三方网络通过OPC UA TSN实现通信，消除了在横向集成中的网络障碍。

对于云端应用同样如此，由于OPC UA TSN实现了异构网络中的语义互操作，不仅在横向，在纵向、端对端的交互中同样扮演关键角色，而TSN则将延迟更低、带宽更高的视觉、AR/VR等也能够同时传输。

图11-基于OPC UA TSN的架构

因此，OPC UA TSN解决了传统工业现场的传输复杂性问题，而使得IIoT、智能制造推进中的OICT融合得以完美实现。

因此，我们可以知道OPC UA TSN对智能制造、IIoT何其重要。

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