CN111160685A - 一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法 - Google Patents

一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法，包括以下步骤：数据收集；设备层次划分；关键设备获取；关键设备风险等级评估；关键设备状态监测等级评估；关键设备可靠性等级评估；关键设备健康状况；维修决策；设备故障管理。本发明从三个方面，即设备的可靠性等级、风险等级、状态监测等级综合评价设备的健康状况，避免了片面得出一个设备的健康状况而进行过修或失修的情况。结合设备的健康状况给定相应的维修维护策略，最大限度的延长设备寿命，节省维修成本。将故障树与设备的状态监测关系变量相结合，利用关系变量的变化情况自动判断设备的故障类型，以给出合理的维修策略。设备故障、维修记录与设备的运行形成闭环影响，新增加的设备故障记录作为可靠性计算的基础数据，重新优化可靠性模型，以更加准确的反映设备的可靠性状态，及时发现设备的故障。

Description

一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法
技术领域
本发明涉及设备综合健康技术领域，具体的说是一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法。
背景技术
上世纪50年代以来，随着工业机械化程度的不断提高，设备的维修方式也由简单的事后维修过渡到预防性定期维修。然而，由于设备成本占用固定资产的比例及维修费用的急剧增加，促使人们开始寻求最大限度延长设备的寿命。得益于状态监测及故障诊断、FMEA等新技术的运用，产生了状态维修，以选择合适的维修技术，获得最佳的经济效益和最持久的设备使用周期，同时满足设备拥有者、使用者的期望。状态维修中的典型代表为以可靠性为中心的维修(RCM)，要求根据设备的历史故障数据，建立可靠性模型得出设备的可靠性指标，以最少的维修资源消耗，运用逻辑决断分析方法来确定所需的维修内容、维修类型、维修间隔期和维修级别，制订出维修大纲，从而达到优化维修的目的。经过几十年的逐步发展和改进，RCM成为世界上众多军事、工业、石化等领域维修管理的基础，我国很多过程企业都将RCM或优化后的RCM用来制定设备的维修策略。
现阶段，国内的预防性(预知性)维修方法多是照搬国外的先进设备维修管理理念，并未结合自身实际进行优化。设备的可靠性计算与企业的日常缺陷管理水平有关，许多企业在应用RCM时单纯的以设备的可靠性计算为基础以确定设备的维修策略，造成维修策略的不及时或不准确。状态监测能够较为准确的反映设备的健康状况，但也存在报警阈值设置不合理或者设备的重要度不足以做出立即维修的情况。所以，亟需一种准确地综合评定设备健康状况的方法。
预防性维修策略的制定需要预判设备发生的故障模式、故障原因以及故障影响，从而制定出相应的维修维护方法。目前，大多数的预防性维修方法还不能较为准确地做到这一点，致使维修维护策略不能有效地应对设备即将发生的故障。此外，目前大多数的维修方法并没有与故障管理形成闭环，并没有考虑到设备维修完毕之后对于此设备以后的运行有何影响，简单地认为设备维修完毕以后设备的可靠性升高或者降低都是不对的，所以设备故障管理应该作为设备维修决策中必不可少的一环。
发明内容
针对上述现有技术不足，本发明提供一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法。
(1)针对现有维修方法不能准确判断设备健康状况的问题，采取以下方法：基于设备的历史故障数据或国内外可靠性数据库建立设备的可靠性模型，计算设备的可靠性指标等级；结合设备状态监测，通过AI机器学习或专家经验给定设备的运行阈值，得出设备的状态监测等级；根据设备故障可能造成的影响得出设备的风险等级。综合以上三种等级的情况，加权得出设备的缺陷等级评分，从而准确地得到设备的健康状况。
(2)针对现有维修方法不能准确定位设备故障模式的问题，采用根本原因分析和设备关系变量(状态监测值、工艺变量值等)结合，建立故障诊断模型以判断设备的故障模式、故障原因，以给出对应的维修维护策略。
(3)针对维修完毕的设备，及时评价维修效果，并录入设备故障登记，包括设备的故障时间、故障模式、维修时间以及处理措施等。录入设备故障、维修登记之后，更新设备的起始可靠性指标和可靠性建模的基础数据，从而实现故障记录和维修方法的闭环处理。
本发明提供的一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法是通过以下技术方案实现的：
一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法，包括以下步骤：
a.数据收集
收集设备所有的资料数据；
b.设备层次划分
根据收集到的设备台账，确定设备(零部件)所在的层次，例如，将层次划分为公司—车间—装置—设备(零部件)。设备层次划分的目的在于方便设备管理和利用设备之间的关系建立可靠性框图。
c.关键设备获取
由于过程企业设备众多，所以应该预先筛选关键设备。利用FMEA对层次划分的对象进行分析，填写FMEA工作表，列举设备的故障模式、故障原因、故障部位、故障影响(包括安全方面、环境方面、维修成本、生产损失等)、处理措施(包括维修工序、物料编码、零部件等)等，对每种故障模式的故障影响进行评分并加权相乘，最终相加得到设备的重要度指数，以获取关键设备。此外，还可利用企业自有的关键设备评分标准来获取关键设备，如从生产安全性、介质安全环保性、设计成熟性、维修复杂性、功率等方面进行评分加权来获得设备的重要度指数。
d.关键设备风险等级评估
针对FMEA所列出的设备故障所造成的故障影响进行评级打分。
e.关键设备状态监测等级评估
对于具有状态监测(包括状态监测值，如振动、温度，以及工艺变量值，如压力、流量等)的关键设备，根据其状态监测或工艺变量值的变化进行评级打分。报警、预警阈值的获取可通过相关设备专家预先给定或者通过人工智能学习一段时间的设备运行数据来自主得出。
f.关键设备可靠性等级评估
通过收集设备的故障数据、检维修记录建立设备的可靠性模型，查验设备符合何种分布模型，并计算设备以及设备故障模式的可靠性指标。对于没有故障数据的设备，借鉴国内外的可靠性数据库，如OREDA数据库，进行可靠性建模并计算。利用设备的可靠性指标进行评级打分。
g.关键设备健康状况评估
利用设备的风险等级、状态监测等级、可靠性等级进行加权综合得到设备的健康状况，公式如下
Figure BDA0002210641800000031
式中，α为风险等级、状态监测等级、可靠性等级的权重，考虑到状态监测等级能较准确的反应设备的实时状态，而设备的可靠度表示的是设备不发生失效的概率，具有偶然性，所以状态监测等级所占的权重大于可靠性等级所占的权重。m为根据各等级的定义所给定的分数。Iindex为设备的健康状况指数，根据此指数可以评价设备的健康状况。
根据设备健康状况值，可以展示设备的运行状况和进行KPI考核；根据设备的可靠性指标变化情况可以预测设备的运行趋势；根据设备的状态监测等级可以实现对设备的报警、预警功能。
h.确定维修决策
利用故障树分析(FTA)与设备的状态监测变量相关联确定设备的故障模式及原因，以确定具体的维修决策内容，有时，故障模式或原因的判断需要综合多个变量的变化情况。根据设备的健康状况确定设备是否继续运行还是进行维修、维护。
i.设备故障管理
由于设备的可靠性计算模型的数据基础是设备发生过的故障记录，所以设备在故障检修完毕之后需要及时的登记故障记录。此发明可实现自动登记设备故障记录的功能，只需确认相关设备维修完毕，就可以通过设备的状态监测变量的变化情况与故障模式的关系自动推算出设备的故障模式以及故障原因，对于状态监测不能判断的故障模式，利用最低的故障模式可靠性指标推荐一个可能的故障模式。通过录入设备的故障记录，完成了设备维修与健康状况之间的闭环处理。
本发明的有益效果是：
(1)从三个方面，即设备的可靠性等级、风险等级、状态监测等级综合评价设备的健康状况，避免了片面得出一个设备的健康状况而进行过修或失修的情况。结合设备的健康状况给定相应的维修维护策略，最大限度的延长设备寿命，节省维修成本。
(2)将故障树与设备的状态监测关系变量相结合，利用关系变量的变化情况自动判断设备的故障类型，以给出合理的维修策略。
(3)设备故障、维修记录与设备的运行形成闭环影响，即设备的故障记录会作为可靠性计算的基础数据，重新校核可靠性模型，以更加准确的反映设备的可靠性状况，及时发现设备的故障。
附图说明
图1是本发明流程模型图；
图2是风险等级评定表；
图3是状态监测等级评定表；
图4是可靠性等级评定表；
图5是设备健康状况评价表；
图6是通过故障树分析与状态监测变量判断故障模式、原因的模型；
图7是根据设备健康状况确定的维修决策表；
图8是部分压缩机FMEA分析内容表；
图9是往复式压缩机部分历史故障数据；
图10是压缩机整体可靠度运行曲线图；
图11是压缩机故障模式可靠度运行曲线图；
图12是部分压缩机故障模式与状态监测变量的关系表；
图13是压缩机的健康状况评价因素等级及评分表。
具体实施方式
下面将通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中，英文缩写释义如下：
Reliability-centered Maintenance(RCM)：以可靠性为中心的维修；
Failure Mode Effect Analysis(FMEA)：故障模式影响分析；
Artificial Intelligence(AI)：人工智能；
Process and Instrument Diagram(PID)：管道及仪表流程图；
Distribute Control System(DCS)：分布式控制系统；
Hazard and Operability Analysis(HAZOP)：危险与可操作性分析；
Key Performance Indicator(KPI)：关键绩效指标考核；
Fault Tree Analysis(FTA)：故障树分析。
实施例1
如图1所示的一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法，包括以下步骤：
a.数据收集
收集设备所有的资料数据；包括但不限于：设备台账、技术档案、故障(缺陷)记录、检维修登记表、工艺卡片、PID图、DCS图、HAZOP分析报告、历年大小修总结等。
b.设备层次划分
根据收集到的设备台账，确定设备(零部件)所在的层次，例如，将层次划分为公司—车间—装置—设备(零部件)。设备层次划分的目的在于方便设备管理和利用设备之间的关系建立可靠性框图。
c.关键设备获取
由于过程企业设备众多，所以应该预先筛选关键设备。利用FMEA对层次划分的对象进行分析，填写FMEA工作表，列举设备的故障模式、故障原因、故障部位、故障影响(包括安全方面、环境方面、维修成本、生产损失等)、处理措施(包括维修工序、物料编码、零部件等)等，对每种故障模式的故障影响进行评分并加权相乘，最终相加得到设备的重要度指数，以获取关键设备。此外，还可利用企业自有的关键设备评分标准来获取关键设备，如从生产安全性、介质安全环保性、设计成熟性、维修复杂性、功率等方面进行评分加权来获得设备的重要度指数。
d.关键设备风险等级评估
针对FMEA所列出的设备故障所造成的故障影响进行评级打分。风险等级评定标准如图2所示。
e.关键设备状态监测等级评估
对于具有状态监测(包括状态监测值，如振动、温度，以及工艺变量值，如压力、流量等)的关键设备，根据其状态监测或工艺变量值的变化进行评级打分，如图3所示。报警、预警阈值的获取可通过相关设备专家预先给定或者通过人工智能学习一段时间的设备运行数据来自主得出。
f.关键设备可靠性等级评估
通过收集设备的故障数据、检维修记录建立设备的可靠性模型，查验设备符合何种分布模型，并计算设备以及设备故障模式的可靠性指标。对于没有故障数据的设备，借鉴国内外的可靠性数据库，如OREDA数据库，进行可靠性建模并计算。利用设备的可靠性指标进行评级打分，如图4所示。
g.关键设备健康状况评估
利用设备的风险等级、状态监测等级、可靠性等级进行加权综合得到设备的健康状况，公式如下：
Figure BDA0002210641800000071
式中，α为风险等级、状态监测等级、可靠性等级的权重，考虑到状态监测等级能较准确的反应设备的实时状态，而设备的可靠度表示的是设备不发生失效的概率，具有偶然性，所以状态监测等级所占的权重大于可靠性等级所占的权重。m为根据各等级的定义所给定的分数。Iindex为设备的健康状况指数，根据此指数可以评价设备的健康状况，如图5所示为可靠性等级权重0.25，风险等级权重0.3，状态监测等级权重0.45时的设备健康状况评价。
根据设备健康状况值，可以展示设备的运行状况和进行KPI考核；根据设备的可靠性指标变化情况可以预测设备的运行趋势；根据设备的状态监测等级可以实现对设备的报警、预警功能。
h.维修决策
利用故障树分析(FTA)与设备的状态监测变量相关联确定设备的故障模式及原因，以确定具体的维修决策内容，如图6所示，有时，故障模式或原因的判断需要综合多个变量的变化情况。根据设备的健康状况确定设备是否继续运行还是进行维修、维护，不同的设备健康状况对应的维修或维护策略如图7所示。
i.设备故障管理
由于设备的可靠性计算模型的数据基础是设备发生过的故障记录，所以设备在故障检修完毕之后需要及时的登记故障记录。此发明可实现自动登记设备故障记录的功能，只需确认相关设备维修完毕，就可以通过设备的状态监测变量的变化情况与故障模式的关系自动推算出设备的故障模式以及故障原因，对于状态监测不能判断的故障模式，利用最低的故障模式可靠性指标推荐一个可能的故障模式。通过录入设备的故障记录，完成了设备维修与健康状况之间的闭环处理。
实施例2
以一台往复式压缩机为例，说明本发明的应用过程。
首先，对压缩机进行FMEA分析，列举压缩机可能发生的故障模式、故障部位、故障原因、故障后果以及处理措施，部分FMEA分析内容见图8。
其次，收集压缩机的历史故障数据，部分历史故障数据如图9所示。
利用历史故障数据建立威布尔分布模型，计算压缩机的整体可靠度运行曲线与压缩机故障模式的运行曲线如图10、图11所示。
根据FMEA分析所列的故障模式，添加相应的状态监测变量判据，如图12所示，即利用状态监测变量判据来推断压缩机发生的故障模式，确定压缩机的状态监测等级，实现压缩机的状态监测预警、报警功能。
假设某工况下，根据计算结果，压缩机的可靠度为70％，可接受的可靠度界限为80％，距离可靠度界限的天数为10天，吸气阀温度预警阈值为70℃，报警阈值为85℃，吸气阀温度为72℃，可能发生吸气阀内漏的故障模式，则压缩机的健康状况评价因素等级及评分见图13。
给定可靠性等级权重0.25，风险等级权重0.3，状态监测等级权重0.45，则设备健康状况指数为：0.25×5+0.3×30+0.45×5＝12.5，属于缺陷2级，对应的维修策略为预防性检修，故障模式为吸气阀内漏，故障部位为吸气阀，故障原因为吸气阀片与阀座密封不严或阀片有断裂或活塞环磨损，处理措施为更换吸气阀。
应当指出的是：
(1)本发明中所列举的可靠性等级、风险等级、状态监测等级的评级及评分内容均为示例，更改评级评分内容可适应于不同的设备或场合。
(2)设备的健康状况分析可以利用可靠性等级、风险等级以及状态监测等级综合加权获得，但不限于这三项。
(3)设备的状态监测关系变量指的是所有能反应设备运行参数的变量，包括但不限于状态监测值(如振动值、温度等)、工艺参数值(如压力、流量等)，也可包括现场巡检人员所获得的设备监测数据。
以上所述实施例仅表示本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。

Claims (5)

1.一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.数据收集
收集设备所有的资料数据；
b.设备层次划分
根据收集到资料数据中的设备台账，确定设备(零部件)所在的层次；
c.关键设备获取
由于过程企业设备众多，所以应该预先筛选关键设备，利用FMEA对层次划分的对象进行分析，填写FMEA工作表，列举设备的故障模式、故障原因、故障部位、故障影响、处理措施等，对每种故障模式的故障影响进行评分并加权相乘，最终相加得到设备的重要度指数，以获取关键设备；此外，还可利用企业自有的关键设备评分标准来获取关键设备，如从生产安全性、介质安全环保性、设计成熟性、维修复杂性、功率等方面进行评分加权来获得设备的重要度指数；
d.关键设备风险等级评估
针对FMEA所列出的设备故障所造成的故障影响进行评级打分；
e.关键设备状态监测等级评估
对于具有状态监测的关键设备，根据其状态监测或工艺变量值的变化进行评级打分；报警、预警阈值的获取可通过相关设备专家预先给定或者通过人工智能学习一段时间的设备运行数据来自主得出；
f.关键设备可靠性等级评估
通过收集设备的故障数据、检维修记录建立设备的可靠性模型，查验设备符合何种分布模型，并计算设备以及设备故障模式的可靠性指标；对于没有故障数据的设备，借鉴国内外的可靠性数据库，如OREDA数据库，进行可靠性建模并计算，利用设备的可靠性指标进行评级打分；
g.关键设备健康状况评估
利用设备的风险等级、状态监测等级、可靠性等级进行加权综合得到设备的健康状况，公式如下
Figure FDA0002210641790000021
式中，α为风险等级、状态监测等级、可靠性等级的权重，考虑到状态监测等级能较准确的反应设备的实时状态，而设备的可靠度表示的是设备不发生失效的概率，具有偶然性，所以状态监测等级所占的权重大于可靠性等级所占的权重，m为根据各等级的定义所给定的分数；Iindex为设备的健康状况指数，根据此指数可以评价设备的健康状况；
根据设备健康状况值，可以展示设备的运行状况和进行KPI考核；根据设备的可靠性指标变化情况可以预测设备的运行趋势；根据设备的状态监测等级可以实现对设备的报警、预警功能；
h.确定维修决策
利用故障树分析(FTA)与设备的状态监测变量相关联确定设备的故障模式及原因，以确定具体的维修决策内容，有时，故障模式或原因的判断需要综合多个变量的变化情况，据设备的健康状况确定设备是否继续运行还是进行维修、维护；
i.设备故障管理
由于设备的可靠性计算模型的数据基础是设备发生过的故障记录，所以设备在故障检修完毕之后需要及时的登记故障记录；此发明可实现自动登记设备故障记录的功能，只需确认相关设备维修完毕，就可以通过设备的状态监测变量的变化情况与故障模式的关系自动推算出设备的故障模式以及故障原因，对于状态监测不能判断的故障模式，利用最低的故障模式可靠性指标推荐一个可能的故障模式，通过录入设备的故障记录，完成了设备维修与健康状况之间的闭环处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法，其特征在于:所述步骤a中，设备资料数据包括设备台账、技术档案、故障(缺陷)记录、检维修登记表、工艺卡片、PID图、DCS图、HAZOP分析报告、历年大小修总结。
3.根据权利要求1所述的一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法，其特征在于:所述步骤b中，层次划分模式为：公司—车间—装置—设备(零部件)；设备层次划分的目的在于方便设备管理和利用设备之间的关系建立可靠性框图。
4.根据权利要求1所述的一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法，其特征在于:所述步骤c中，故障影响包括安全方面、环境方面、维修成本、生产损失，处理措施包括维修工序、物料编码、零部件。
5.根据权利要求1所述的一种基于设备综合健康状况分析和管理的维修决策方法，其特征在于:所述步骤e中，状态监测值，如振动、温度，以及工艺变量值，如压力、流量。
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