张冰焰等
摘要提出了“广义预知维修”的概念，探讨了设备预知维修工程的基本内容、体系结构、实施策略和实施中的有关技术要点，并给出了一个较为全面的系统实施的宏观控制模型。
结合我国企业生产特点、生产规模、设备状况和维修管理现状，加大力量进行以设备预知维修工程实施为目标的策略和方法性研究，对推动我国的设备故障诊断技术的应用和发展十分重要。
一、设备维修管理体制
设备维修管理体制在经历了“事后维修”、“定期维修”之后，正在向“预知维修”方向转变，并成为设备维修管理的发展方向。“事后维修”是一种消极和不得已的维修策略，在工业生产发展高度现代化和复杂化的今天，只能适用于一些简单、经济型设备或一些小规模或作坊式生产企业。“定期维修”是一种“预防性”或“计划性”的维修体制，虽然对企业的设备维修保养和专业化大生产曾起过不可忽视的积极作用，但随着生产规模的逐年扩大以及对降低生产成本和提高企业经济效益要求的提高，特别是对于企业全面推行“精益生产”方式和实现“敏捷制造”系统的要求，计划维修体制急需改进和革新，其出路就是采用基于设备监测与故障诊断技术的预知维修体制（PredictiveMaintenanceSys-tern，PMS）。
笔者依据“状态维修”是否与管理具有紧密联系而将预知维修分为“狭义预知维修”和“广义预知维修”两个层次。
1．狭义预知维修
状态维修是对机器设备进行状态监测，并在对监测结果进行分析处理的基础上决定设备是否需要维修的一种方式。它不规定检修周期，但需定期或连续地对设备进行状态监测和故障诊断，并根据其结果，查明设备有无状态异常或故障趋势，再适时地安排检修。这种维修体制广泛适用于流程工业和大规模生产方式。
传统意义上的“状态维修”强调的是“故障诊断”的“技术实现”，而与企业整体性设备管理工作缺乏深层次的内在联系，本文将纯粹“状态维修”划归“狭义预知维修”的范畴。
2．广义预知维修
“广义预知维修”是指将“状态维修”的“技术实现”与企业整体性设备管理工作紧密联系在一起，从而实现“在管理指导下的状态维修”和“在故障监测诊断技术支持下的设备管理”。因此广义预知维修强调的是“管理技术”与“诊断技术”的融合，是从企业设备工作整体角度出发去通盘考虑基于故障监测与诊断技术的设备维修管理策略及其技术实施。显而易见，这种方式更符合现代企业所追求的“向管理要效益”的目标。
本文重点讨论在此意义下的“预知维修”。
二、PMS工程的体系结构
如图1所示，PMS系统由组织体系、技术及资源体系和诊断对象集三部分构成，其中组织体系是PMS行为实施的主体；诊断对象集是PMS行为实施的客体；而技术及资源体系则是PMS工程实施的技术基础和必要手段。
1．组织体系
PMS的组织体系由高层决策者、中层规划者和基层执行者构成，他们一般来自于企业设备的主管领导、设备动力科（机动科）或维修车间的技术管理人员和维修工人，是企业实施PMS的行为主体。其组成人员的管理素质、技术素质的优劣和整体工作配合的好坏制约着PMS工程实施的成败，其主要工作和职责如图2所示。这是针对大、中型国有生产企业制定的，对小型生产企业要根据具体情况酌情加以修改或层次简化。
2．诊断技术及资源体系
PMS工程是一项较为复杂的系统工程，其技术基础是设备状态监测和故障诊断技术。20世纪80年代以来随着相关领域理论、方法研究的不断深人和发展，“现代设备技术诊断学”已取得了丰硕的成果，特别是传感器技术、信号处理技术、计算机软硬件技术的飞速发展使“现代设备诊断技术”在某些企业得以实施。图3为PMS工程的诊断技术及资源体系。
应该指出的是，PMS工程并不是单纯的故障诊断，而是设备维修管理和诊断技术的有机结合。因此，在以PMS工程实施为目标的软件系统中，不仅要实现多种诊断技术、方法的集成，还应实现诊断资源管理和诊断技术的集成。只有这样才能使诊断技术更好地服务于企业，才能使PMS工程在企业设备维修管理工作中充分发挥效用。
三、PMS工程实施的技术要点、流程和宏观控制策略
1.PMS工程实施的原则和技术要点
在管理方面，PMS工程强调的是在对企业生产形态、设备形态及规模进行综合分析的基础上对设备监测、诊断与维修工作做出合理的组织和规划。在诊断技术方面它强调的是监测与诊断并重、单一诊断技术与综合诊断技术的结合。在具体实施过程中还要注重以下方面。
(1)由点及面、由部分到全体分阶段实施
由于PMS工程是一项多学科相互交织的复杂技术，首先要求设备维修管理人员要尽可能多地掌握相关学科的基本理论和实用技术，成为掌握现代检测诊断技术的高级技术和管理型人才。这需要通过必要的理论和技术培训，更需要实践和经验的积累，是一个长期的过程。另一方面，PMS工程本身尚无定制，无论是实施方法还是实用技术都要经过实践、总结、摸索和提高。因此，在工作开展初期面不宜铺的太大，可选某一规模适宜的单位或选择若干有代表性的设备展开工作，以人才培养、方法摸索、经验总结为要点。在取得一定成绩和经验的基础上再逐步推广扩大到整个企业。
(2)按设备的重要程度划分监测诊断级别，做好长期实施规划
在进行PMS工程实施的规划过程中，要根据企业生产特点、设备重要程度和监测代价对监测对象确定恰当的监测方式（在线或巡检）、监测部位、监测物理参量以及合理的监测周期。
特别是对那些设备类型、数量众多且以巡检方式为主的大型生产企业，在PMS实施的初始阶段就应按设备在生产过程中的重要程度划分监测诊断级别，做好长期实施的规划。下面以长春一汽变速箱厂为例加以说明。
变速箱厂有各类数控机床、高精度机床、组合机床、专用机床及大小辅助设备700余台。对如此众多的设备，如果没有很好的规划和组织，PMS工程很难取得预期效果。根据该企业设备的特点，将设备监测诊断级别分为三类：“一般”、“重要”和“至关重要”。划分时考虑的主要因素有：①设备价格；②精度等级；③设备台数；④机床负荷率或日平均开动时间；⑤设备维修难易程度；⑥粗、半精、精加工类型；⑦控制方式；⑧备件是否充足等。其中各项因素可加权评分，然后累计总分，按分数分段划分设备监测诊断级别。
(3)加快“设备振动监测诊断参考标准”的收集、制定与完善设备诊断规范、标准的收集和制定是设备预知维修工程最重要的基础工作之一。整个监测和诊断工作都是围绕标准、针对标准展开的。标准阂值定得偏高，设备运行状态已经劣化还以为一切正常而造成设备带病运行；闭值定得偏低，设备稍有异常就频繁报警停机。因此，如何加快“设备振动监测诊断参考标准”的收集、制定与完善对PMS工程的实施具有十分重要的意义。
①填补空白领域，尤其是金属切削机床的振动监测诊断参考标准。在过去的20多年里，国际标准协会组织（ISO）和一些工业发达国家陆续发布了一些有关振动监测的标准，其中最具代表性的是ISO23712372振动烈度标准和加拿大CDA/MS/NVSH107轴承振动标准。我国也在积极制定包括振动监测在内的许多国家标准、专业标准，如大型旋转机械的振动标准。然而，有关金属切削机床的振动监测、诊断标准研究方面尚属空白领域，而已有的这些标准并不适合以金属切削机床为主要生产设备的企业。首先，这些标准主要是针对汽轮机、柴油机、发电机、空压机、风机等动力设备及电机、泵和减速器等一般设备制定的。其次，这些标准的数值是根据机器功率制定的，并未考虑精度等级因素，而这一点对于工作母机性质的机床恰恰至关重要。对于金属切削机床振动监测与诊断参考标准的制定，不仅要考虑机床的功率、转速等因素，更要考虑机床类型、加工方法、精度等因素。因此，从实际使用意义的角度出发，机床振动监测、诊断参考标准的制定，应以判断机床加工精度下降或丧失（其中最普遍的是各类机床主轴的动态旋转精度）的标准为目标而不仅仅是一般意义上的“故障诊断”标准。
②改进标准制定流程，使设备制造单位、使用单位和研究部门三方共同参与标准的收集和制定工作。为了更好地实施PMS工程，生产企业迫切要求建立各种设备的振动监测、诊断参考标准，尤其是设备出厂时的“原始振动参考标准”。只有在此基础上，才能快速、高效、合理地建立各类设备的振动监测、诊断参考标准。
根据我们在大连机车车辆厂和长春一汽变速箱厂等企业开展设备监测诊断工作及实施PMS工程的实际工作体会和我国工业企业设备的不同状况，提出制定设备振动参考标准的如下措施。
第一，由制造厂提供设备原始振动参考标准。对于有一定制造规模和技术条件的设备生产厂家，可根据其产品的类型、规格及最终用户开展PMS工程的要求，在有关科研部门的技术指导和协作下，通过振动测试，向用户提供有关设备的统计振动参振动参考标准和本机实测振动数据，其过程如图4所示。
显然，由设备生产制造厂家提供设备原始振动参考标准较之用户自行建立设备原始振动参考标准具有十分明显的好处。首先，设备制造厂对设备从零件、部件到整机的设计、制造、装配、检验过程及使用规范十分明了，易于制定合理的振动检测条件。其次，设备生产厂家生产的设备种类有限，不仅易于组织计划实施单机检测，而且有利于建立较为合理可靠的统计标准此外，对设备单机的检测和大批设备检测数据的统计整理有利于设备或系统动态设计的改进和提高，无疑这对于提高产品的动态特性和产品质量十分有益。值得指出的是，目前国内外绝大多数设备生产厂家都没有开展这项工作，因此，将设备出厂抚动参考标准与现有设备出厂静态检测标准同时提供给用户已不仅仅属于PMS工程实施的范畴，它已涉及到设备生产厂家乃至全行业的产品质量检验的标准化问题。
第二，由设备使用部门建立设备原始振动参考标准。在有关科研部门的协作、指导下，由设备使用部门根据企业设备生产状况和设备实际状况制定设备检测条件，完成设备原始振动参考标准的制定，这也是目前国内外企业所普遍采用的办法。去实施过程看和前者基本相同，但结果有很大的差异。前者是建立设备出厂的原始振动参考标准，是设备原始状态的“完好标准”和“绝对标准”。后者是设备当前状态的参考标准和“相对标准”。且由于设备服役期长短不同、载荷工况条件的差异，其数据离散性较大。
第三，由设备使用部门建立设备振动监测与诊断参考标准在完成设备原始振动参考标准的制定之后，在科研部门的协作指导下，由设备使用部门根据设备实际状况并参考同类设备的统计参考标准和本机原始振动参考标准制定设备的振动监测与诊断参考标准。
在所提供的统计振动参考标准和本机实测振动标准文档中，应包含以下内容。
试验测试条件：转速（r/min）或每分钟行程数、空载或负荷数量、测点部位图示、传感器类型（速度、位移或加速度）、工程单位、灵敏度、采样频率、数据长度等。
试验测试数据：规定长度且完成工程单位转化的实测速度、位移或加速度的时域、频域信号。对于有一定变速范围的设备，至少应分低俗、中速、高速三档测量。对于规模生产的同型规格的同型号规格设备还应提供多台测试数据的频域统计参考标准（功率谱或整体能量）的均值和基带。
(4)加强设备档案及诊断信息的收集、总结与计算机管理
在PMS工程实施过程中，一切有关的分析与决策活动都是以被测设备的监测信息为中心并结合相应的诊断参考标准进行的。因此如何作好各类被测设备档案及监测诊断信息的收集、总结与计算机管理对PMS工程的有效实施十分重要。一般而言，与PMS工程实施相关的信息有以下方面。
①设备自然信息：包括设备类型、名称、规格、产地、价格、出厂日期、转速范围、功率、精度等级、控制方式及随机附件等。
②设备使用信息：包括设备使用单位、操作者、用途或加工精度（精加工、半精加工和粗加工）、设备负荷率、工作状况（稳定、不稳定或极不稳定、在用、封存）、重要程度等。
③设备维修备件信息：包括备件名称、备件来源（自制、外购）、备件数量、价格等。
④振动监测诊断标准和工况参数标准：包括各类设备的原始振动参考标准和相对参考标准、重要工况参数（如压力、温度、功率、流量、电压、电流等）标准。
⑤设备监测诊断数据库：包括在各种工况条件下测量的振动信号（时域信号）及重要工况参数（同上），还包括各类设备振动信号的频谱、各类振动能量的趋势分析数据及各类诊断分析报表。
⑥设备故障征兆集（故障集信息索引表）：包括设备可能发生的各种故障名称、与各种故障相对应的故障征兆集及其征兆显著性水平。
⑦维修统计报表：包括维修类型（大修、项修、润滑、调整）维修部位、备件名称、停机时间、维修费用、诊断准确性及维修效果评估（很好、好、一般、差、很差）。
PMS工程总体统计评估报表：包括PMS投资总额、维框设备台数、维修总停机时间、停机生产损失、维修总体费用及雀件费用、利用率等。
2.PMS工程实施流程和宏观控制策略
一般而言，PMS工程的实施过程可分为技术准备与规划、当测与技术诊断、维修与评价三个主要阶段。
如前所述，在PMS工程的组织规划方面，它涉及企业的生产形态、生产规模、设备形态、设备规模、原有设备维修管理水平等因素；在PMS工程的技术实施方面，它涉及到各类机电设备的原理与结构、各类测试技术、信号处理技术、监测诊断技术、信息的组织管理技术和计算机软硬件等多学科的综合技术。因而PMS工程是一个多因素、多变量、多目标（指标）且随时间不断变化的复杂的动态系统。对于这样一种复杂的动态系统，如何根据各种信息作出决策，进行总体协调或综合平衡，实现以“规划组织→实施→控制→反馈”为主的系统管理模式，保证系统运转的灵活性、各阶段工作的协调性、输出的有效性及最佳经济效益，这都是PMS工程实施过程中利用系统工程原理需要研究和解决的问题。笔者根据系统工程的反馈控制原理和设备维修二作的内容，提出一种如图5所示的用于PMS工程实施的系统宏观控制模型。
由图5可以看出，根据图示的信息反馈路线，从宏观上对PMS工程的实施进行系统的管理和控制，能够实现以设备监涣诊断（故障）信息为中心的三种互联的主要控制功能，即基于议备监测诊断技术的状态控制、PMS维修作业控制和PMS维修费用控制。
在设备监测诊断技术的状态控制方面，根据设备监测诊断的效果，尤其是诊断准确性和故障率统计，把工作重点集中在监测、诊断技术的策略、方法和实用技术的评估方面，适时提出改进意见，向有关科研部门提出新的研究课题和技术协作要求。
在维修作业控制方面，除抓好维修技术问题、维修作业的后勤组织保障和维修现场作业控制外，还要组织实施设备的使用与维修的质量控制，摸清故障发生发展的规律，研究故障性质，反馈诊断结论的准确程度，进一步为监测诊断技术的改进和提高提供必要的信息。
在PMS维修费用控制方面，根据故障率统计、维修效果和各种维修费用统计，对PMS维修费用进行经济性分析、评价和综合平衡，通过主要故障、高频故障和高费用领域的统计分析找出影响维修费用的主要方面，向PMS工程决策部门和设备设计制造部门反馈技术经济信息。
四、结论
“狭义预知维修”和“广义预知维修”的概念，有效地界定了预知维修工程的深刻内涵。即现代意义上的预知维修工程不应当仅局限于设备故障诊断的技术范畴，而应从技术与管理有机结合相互支持的角度出发，从整体上去研究预知维修工程的实施策略及其实施技术，从而真正体现出1十1>2的系统论观点。
设备预知维修工程是一项具有战略意义的复杂的系统工程。对于不同的企业，由于设备规模的差异、设备状况的差异生产形态的差异以及维修管理人员素质的差异等，在设备预知维修工程的实施策略、方法及实用技术等方面会有种种不同，重要的是“不断摸索、勇于实践、勤于总结、贵在坚持”。
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