淺談西門(mén)子儀表的預(yù)測(cè)性維護(hù)

1、淺談西門(mén)子儀表的預(yù)測(cè)性維護(hù)作者：丁振杰 西門(mén)子（中國(guó)）有限公司摘要：預(yù)測(cè)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(cè)性維護(hù)的現(xiàn)狀開(kāi)始，對(duì)基于西門(mén)子儀表所實(shí)現(xiàn)的幾種預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案作了介紹。關(guān)鍵詞：預(yù)測(cè)性維護(hù) 預(yù)防性維護(hù) 診斷concerning the predictive maintenance solution based on siemens process instrumentabstract：predictive maintenance concept developed very fast in recent years. this pap

2、er compared three types of device maintenance model and presented the current of predictive maintenance technology, and introduced some kinds of predictive maintenance solution based on siemens process instrument technology.keywords: predictive maintenance, preventive maintenance, diagnosis一、前言當(dāng)今的過(guò)程

3、工業(yè)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的可靠性要求越來(lái)越高，一般都要求儀表設(shè)備能滿(mǎn)足7/24的連續(xù)可靠工作，突發(fā)的故障停機(jī)會(huì)造成極大的損失。因此，也對(duì)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(guó)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(guò)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(wú)效的維護(hù)管理方法而被浪費(fèi)掉。雖然在中國(guó)沒(méi)有這方面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，但是相信中國(guó)目前在這方面的情況和美國(guó)當(dāng)時(shí)差不多。 選擇錯(cuò)誤和原始的維護(hù)手段和落后的維護(hù)觀

4、念是這種無(wú)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(lái)越多的用戶(hù)開(kāi)始意識(shí)到過(guò)去那種單純依靠人的直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)執(zhí)行設(shè)備維護(hù)計(jì)劃的方式已經(jīng)不能再滿(mǎn)足過(guò)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(cè)性維護(hù)。 事后維護(hù)，也有人稱(chēng)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(shuō)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)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(jí)最簡(jiǎn)單也是目前在國(guó)內(nèi)被用戶(hù)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(huì)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(huì)在采

5、取任何維護(hù)行動(dòng)之前等待機(jī)器或設(shè)備出現(xiàn)故障。確切地說(shuō)，這是一種“無(wú)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(duì)維修進(jìn)行計(jì)劃安排可使工廠將維修時(shí)間和有關(guān)的勞動(dòng)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(kù)存成本； 高超時(shí)勞動(dòng)力成本； 機(jī)器停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)； 生產(chǎn)能力低。預(yù)防性維護(hù)(preventive maintenance)和預(yù)測(cè)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

6、為三種類(lèi)型： 基于時(shí)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(wú)故障時(shí)間(mtbf)曲線(xiàn)基于時(shí)間的維護(hù)計(jì)劃：在特定周期中執(zhí)行基于時(shí)間的維護(hù)計(jì)劃的維護(hù)，例如，每隔兩個(gè)月或每隔六個(gè)月。 基于性能的維護(hù)計(jì)劃：可根據(jù)各個(gè)設(shè)備和功能位置的測(cè)量點(diǎn)安裝的計(jì)數(shù)器讀數(shù)來(lái)進(jìn)行。某些設(shè)備要根據(jù)許多參數(shù)或狀態(tài)來(lái)進(jìn)行操作。這些參數(shù)或狀態(tài)信息可能由測(cè)量點(diǎn)提供。設(shè)備上的計(jì)數(shù)器到達(dá)一定讀數(shù)時(shí)，系統(tǒng)就進(jìn)行維護(hù)，例如，每隔 100 個(gè)小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間，每隔 500個(gè)鑄造周期等。 基于條件的維護(hù)計(jì)劃：部分設(shè)備將通過(guò)實(shí)時(shí)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(shí)讀數(shù)，需要實(shí)時(shí)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。 所有這些預(yù)防性維護(hù)計(jì)

7、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(lèi)特定機(jī)器的統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)惡化。例如，某種泵設(shè)備通常運(yùn)轉(zhuǎn)12個(gè)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(gè)月后就要使其停止運(yùn)轉(zhuǎn)并進(jìn)行改制。這種方法的問(wèn)題是，運(yùn)轉(zhuǎn)模式以及與系統(tǒng)或裝置相關(guān)的變量會(huì)直接影響機(jī)器的正常工作壽命。對(duì)于用于輸送水用于輸送磨損性泥漿的泵來(lái)說(shuō)，平均無(wú)故障時(shí)間 (mtbf) 是不同的（如圖1）。如果該泵在11個(gè)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(hù)維修的勞動(dòng)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(shí)，也有大量事實(shí)表明，頻繁拆卸和停車(chē)維

8、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(zhuān)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(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行操作和維修。預(yù)測(cè)性維護(hù)(pm),也被稱(chēng)之為預(yù)知性維護(hù)或策略性維護(hù)。預(yù)測(cè)性維護(hù)集設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障(狀態(tài))預(yù)測(cè)、維護(hù)決策支持和維護(hù)活動(dòng)于一體，足近年來(lái)新興的一種先進(jìn)維護(hù)方式。預(yù)測(cè)性維護(hù)實(shí)際上是一種運(yùn)轉(zhuǎn)狀況驅(qū)動(dòng)的預(yù)防性維護(hù)程序。預(yù)測(cè)性維護(hù)不依賴(lài)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(wú)故障時(shí)間）來(lái)計(jì)劃安排維護(hù)活動(dòng)，而是對(duì)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(wú)故障時(shí)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)

9、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(shì)： 克服預(yù)防性維護(hù)的盲目性，具有很強(qiáng)的針對(duì)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(shí)間，提高設(shè)備可靠性和可用系數(shù)，延長(zhǎng)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(dòng)強(qiáng)度，有利于減員增效，提高經(jīng)濟(jì)效益。 二、預(yù)測(cè)性維護(hù)的現(xiàn)狀 在過(guò)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(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)等通訊技術(shù)的高速發(fā)展和普及，國(guó)內(nèi)外各大廠家推出了各種先進(jìn)的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)。美國(guó)的fitch博士更是在預(yù)測(cè)性維護(hù)的基本上創(chuàng)立了主動(dòng)性維護(hù)的概

10、念和理論。總體質(zhì)量管理(tqm)與lso 9000的實(shí)施也使對(duì)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(cè)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(cè)性維護(hù)立足于“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”，強(qiáng)調(diào)的是“故障診斷”是指不定期或連續(xù)地對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)其結(jié)果查明裝備有無(wú)狀態(tài)異?；蚬收馅厔?shì)，再適時(shí)地安排維護(hù)；廣義的預(yù)測(cè)性維護(hù)將狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè)和維修決策多位合一體，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是基礎(chǔ)，狀態(tài)預(yù)測(cè)是重點(diǎn)，維護(hù)決策得出最終的維護(hù)活動(dòng)要求。是一個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程。它將維護(hù)管理納入了預(yù)測(cè)性維護(hù)的范疇。通盤(pán)考慮整個(gè)維護(hù)過(guò)程，直

11、至得出與維護(hù)活動(dòng)相關(guān)的內(nèi)容。三、西門(mén)子儀表實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)近年來(lái)，西門(mén)子公司圍繞預(yù)測(cè)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(duì)于大多數(shù)運(yùn)輸磨損性很強(qiáng)的漿料泵來(lái)說(shuō)，如果進(jìn)行有效的低成本的維護(hù)一直是個(gè)難題。西門(mén)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(duì)泵提供預(yù)測(cè)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(shí)，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲波或超聲波，可以在閥門(mén)外安裝傳感器進(jìn)行探測(cè)。聲級(jí)是泄漏的測(cè)量單位。圖2：sitrans da400及傳感器在線(xiàn)診斷系統(tǒng)sitrans da

12、400（如圖2）能完全滿(mǎn)足這些要求。聲波發(fā)射傳感器安裝在閥門(mén)的外面，對(duì)泄漏信號(hào)高度敏感，而對(duì)泵的運(yùn)行信號(hào)不敏感。對(duì)信號(hào)的適當(dāng)處理使測(cè)量結(jié)果自動(dòng)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(cè)系統(tǒng)為往復(fù)式隔膜煤漿泵檢測(cè)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(cè)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(jí)別，來(lái)診斷閥的開(kāi)和關(guān)動(dòng)作是完好的。相反的，如果有缺陷的閥門(mén)中存在空穴現(xiàn)象，那么能夠通過(guò)周期性的聲音級(jí)別增加識(shí)別出來(lái)；被檢測(cè)的閥門(mén)通過(guò) sitrans da400將這種聲音的級(jí)別的增加檢測(cè)出來(lái)；這種檢測(cè)能夠在專(zhuān)用的

13、超聲波范圍內(nèi)完成。這能過(guò)濾掉那些由泵的操作和閥門(mén)的關(guān)閉動(dòng)作產(chǎn)生的噪聲。 sitrans da400基于狀況的維護(hù)要求監(jiān)測(cè)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(chē)維修計(jì)劃， 成本高昂的損壞出現(xiàn)之前已得到維修， 延長(zhǎng)零部件的使用壽命， 裝置或單元的自動(dòng)檢查 圖3：采用泵在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)較少維護(hù)成本 根據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)半年多的實(shí)驗(yàn)觀察，安裝了sitrans da400的隔膜泵相對(duì)未安裝的兩組隔膜泵的平均檢修時(shí)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(shí)大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。2、sipart ps2智能閥門(mén)定位器由于智能型閥門(mén)定位器是安裝

14、在氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥上，其工作環(huán)境相對(duì)惡劣，如環(huán)境溫度、管道振動(dòng)等因素都會(huì)對(duì)智能型閥門(mén)定位器正常工作帶來(lái)不利影響。智能型閥門(mén)定位器在設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)，氣動(dòng)閥門(mén)本身長(zhǎng)期工作在惡劣的環(huán)境中，也會(huì)存在腐蝕、磨損等問(wèn)題。因此，如果通過(guò)智能型閥門(mén)定位器的診斷功能實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的預(yù)測(cè)性維護(hù)，也是現(xiàn)在很多用戶(hù)所關(guān)注的問(wèn)題。智能型閥門(mén)定位器對(duì)調(diào)節(jié)閥的故障診斷是通過(guò)附加傳感器來(lái)完成的。定位器內(nèi)部的微處器通過(guò)定時(shí)采集各種傳感器的數(shù)據(jù)，并對(duì)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(guò)組態(tài)軟件輸出報(bào)警信號(hào)。智能型閥門(mén)定位器對(duì)調(diào)節(jié)閥的診斷分為在線(xiàn)診斷、離線(xiàn)診斷。在線(xiàn)診斷包括

15、：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(mén)基線(xiàn)位置（比如：閥座的磨損）、最高最低溫度下運(yùn)行的小時(shí)數(shù)、壓電閥的運(yùn)行次數(shù)、閥門(mén)定位時(shí)間、執(zhí)行機(jī)構(gòu)泄漏、噪聲診斷等。離線(xiàn)診斷包括：執(zhí)行機(jī)構(gòu)及氣路的密封性、靜特性、階躍過(guò)渡及頻率響應(yīng)特性。另外，智能電氣閥門(mén)定位器sipart ps2 有提供更多的額外監(jiān)測(cè)功能，狀態(tài)顯示源自故障信號(hào)的監(jiān)測(cè)。故障信號(hào)按“交通燈”的方式進(jìn)行分類(lèi)，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(lèi) 這使用戶(hù)在閥門(mén)或執(zhí)行器在產(chǎn)生重大故障前能夠提前

16、檢測(cè)到，可避免系統(tǒng)停車(chē)。通過(guò)故障信號(hào)的指示，例如執(zhí)行器隔膜的損壞、動(dòng)作滯后等，用戶(hù)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(kāi)關(guān) 在諸如制藥、化肥、有色、石化等行業(yè)，由于很多測(cè)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(mén)子因此推出了一種帶profibus總線(xiàn)的電容式物位計(jì)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸大量診斷信息至上位機(jī)，幫助用戶(hù)指定預(yù)測(cè)性維護(hù)計(jì)劃（如圖5），大大節(jié)約用戶(hù)的維護(hù)成本，同時(shí)由于減少的更換部件的次數(shù)，也等于延長(zhǎng)了設(shè)備的實(shí)際使用壽命。而這種功能對(duì)

17、于只能輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)的儀表來(lái)說(shuō)，是很難實(shí)現(xiàn)的。圖5：通過(guò)對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)幫助用戶(hù)制定預(yù)測(cè)性維護(hù)計(jì)劃4、siwarex稱(chēng)重系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)意義上的稱(chēng)重系統(tǒng)，siwarex稱(chēng)重系統(tǒng)實(shí)際上一套全集成在simatic系統(tǒng)的數(shù)字化稱(chēng)重解決方案。相對(duì)于傳統(tǒng)的稱(chēng)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(cè)量精度、控制速度、施工周期、長(zhǎng)期維護(hù)量等方面體現(xiàn)出了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由于稱(chēng)重系統(tǒng)相對(duì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維護(hù)量比較大，長(zhǎng)期以來(lái)技術(shù)領(lǐng)先的稱(chēng)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(jiǎn)化稱(chēng)重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又能提高稱(chēng)重系統(tǒng)整體性能的解決方案，而西門(mén)子這種基于simatic的稱(chēng)重解決方案，無(wú)疑是一種滿(mǎn)

18、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(duì)于大部分用戶(hù)來(lái)說(shuō)，是非常概念化和理想的工具。通過(guò)事件記錄功能來(lái)實(shí)時(shí)記錄稱(chēng)重的進(jìn)程和狀態(tài)，并且對(duì)于不正常的事件進(jìn)行分析。同時(shí)診斷緩沖器將會(huì)記錄保存最后的100條診斷信息。通過(guò)對(duì)稱(chēng)重傳感器和電纜的關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)的監(jiān)控，我們可以得以得到關(guān)于稱(chēng)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(chē)故障，減少了維護(hù)維修成本。 siwarex所帶的這些功能對(duì)于過(guò)程數(shù)據(jù)的評(píng)估和診斷來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一個(gè)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(guò)一個(gè)設(shè)定方式的通過(guò)英特網(wǎng)發(fā)送給相關(guān)專(zhuān)家，諸如機(jī)械制造商。它可以對(duì)問(wèn)題進(jìn)行一個(gè)分析，并從時(shí)間和地點(diǎn)上提供獨(dú)立的診斷。專(zhuān)家并不需要趕到設(shè)備所在的位置，只要通過(guò)遠(yuǎn)傳的方式就能提供更快更及時(shí)的幫助，從而節(jié)約了時(shí)間和成本。圖6：siwarex配套的軟件可以方便的查詢(xún)秤的各種運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)四、結(jié)束語(yǔ)任何一種技術(shù)都一定會(huì)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(chǎng)工況和自身的實(shí)際情況來(lái)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