鉆桿摩擦焊接在線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

李志昊，岳 鵬，劉一芳，楊勇平，侯培勇

（1.中國石油渤海裝備鉆井裝備公司，河北滄州 062658；2.中國石油渤海裝備第一機(jī)械廠，河北滄州 062658）

0 引言

鉆桿摩擦焊接生產(chǎn)線是鉆桿加工的重要組成部分，其主要完成鉆桿工具接頭與管體的焊接，以及后續(xù)熱處理、質(zhì)量檢驗(yàn)工序，是一種典型的流程工業(yè)生產(chǎn)過程，具有生產(chǎn)線緊湊、工序多、設(shè)備復(fù)雜的特點(diǎn)。生產(chǎn)過程伴隨著大量設(shè)備、質(zhì)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生，是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量判定及追溯的關(guān)鍵信息。目前，國內(nèi)生產(chǎn)線質(zhì)量信息大多通過記錄儀、打印機(jī)等方式采集，數(shù)據(jù)離散、不利于統(tǒng)計(jì)分析。設(shè)備情況、工藝參數(shù)設(shè)定等主要依靠人工巡檢，人為影響因素大，無法實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工藝執(zhí)行情況、質(zhì)量變化情況等。

渤海能克鉆桿公司（以下簡稱公司）鉆桿壓接二線于2010年投產(chǎn)使用，其生產(chǎn)線自動化程度在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，經(jīng)過近年逐步提升，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全線自動化運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋全線。為項(xiàng)目研究開展提供了必要的硬件支撐。

1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)研究初期充分考慮應(yīng)用需求，采用B/S 架構(gòu)，客戶端統(tǒng)一采用瀏覽器技術(shù)（圖1）。系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡化系統(tǒng)開發(fā)、維護(hù)和使用，有利于系統(tǒng)應(yīng)用范圍在未來的逐步擴(kuò)展。

圖1 B/S 構(gòu)架

根據(jù)鉆桿生產(chǎn)線設(shè)備緊湊、集中，加工連續(xù)節(jié)拍快，數(shù)據(jù)信息繁多的情況。優(yōu)先建立集中監(jiān)控室，在完成設(shè)備、質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的同時(shí)，配套完成關(guān)鍵工序監(jiān)控和MES 系統(tǒng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)加工過程、設(shè)備參數(shù)、工藝曲線、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)全面監(jiān)控（圖2）。

在線監(jiān)控主要由數(shù)據(jù)采集模塊、生產(chǎn)監(jiān)控服務(wù)器和生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等3 部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊完成PLC、上位機(jī)、數(shù)控機(jī)床等底層設(shè)備的信息采集并發(fā)送至生產(chǎn)監(jiān)控服務(wù)器，生產(chǎn)監(jiān)控服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理、分析、匯總，最終通過瀏覽器的方式進(jìn)行展示（圖3）。

圖2 集中監(jiān)控整體結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)控系統(tǒng)整體實(shí)施

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊建立

一套完整的鉆桿焊接生產(chǎn)線配套設(shè)備種類繁多，包含焊接設(shè)備、搬送設(shè)備、數(shù)控設(shè)備、檢測設(shè)備等，不同類型的設(shè)備采集方法也大不相同。本次研究中，對各種設(shè)備的特點(diǎn)、采集信息的類型差別進(jìn)行了重點(diǎn)分析，形成了3 種針對性的采集方法，以保證相關(guān)設(shè)備、工藝、質(zhì)量信息采集的全面性和完整性。

2.1.1 PLC 數(shù)據(jù)采集

圖3 數(shù)據(jù)采集構(gòu)成

鉆桿摩擦焊接生產(chǎn)線屬于流程工業(yè)生產(chǎn)的一種，大量加工數(shù)據(jù)、質(zhì)量信息已經(jīng)在產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)過程中被各自的PLC 采集。例如，焊接過程中的主軸轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、焊接流量，中頻加熱過程中的溫度檢測、電流、電壓檢測等。因此PLC 數(shù)據(jù)采集是監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成。同時(shí)完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)、物料檢測信號、變頻器信息、伺服放大器數(shù)據(jù)等生產(chǎn)流程信息的采集，為后期質(zhì)量跟蹤、產(chǎn)線模擬打下基礎(chǔ)。

生產(chǎn)線在用PLC 15 套，其中三菱Q 系列PLC 14 套，為降低大量網(wǎng)絡(luò)通信連接造成后期開發(fā)、運(yùn)維的工作難度。利用三菱H 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立PLC 間的內(nèi)部通信。三菱H 網(wǎng)具有同級網(wǎng)絡(luò)PLC 與PLC 間的數(shù)據(jù)共享功能，通過一臺PLC 的連接即可實(shí)現(xiàn)各PLC 數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)生產(chǎn)線PLC 分布情況，將位置集中的11 臺PLC 進(jìn)行改造，接入H 網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。最終生產(chǎn)線通過5 條網(wǎng)線就完成了15 套PLC 設(shè)備的通信連接，完成全部PLC數(shù)據(jù)的采集。

2.1.2 數(shù)控機(jī)床采集

公司產(chǎn)線配套4 臺日本大隈數(shù)控加工機(jī)床，通過改造，增加以太網(wǎng)通信功能，開放機(jī)床API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序接口）。定制開發(fā)應(yīng)用程序進(jìn)行機(jī)床數(shù)據(jù)采集，將軸負(fù)載、軸坐標(biāo)、加工補(bǔ)償?shù)戎匾獢?shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)綜合考慮API 接口本身存在的網(wǎng)絡(luò)安全隱患問題，增加隔離防火墻，確保機(jī)床設(shè)備本身的運(yùn)行安全性。

2.1.3 上位機(jī)采集

鉆桿摩擦焊接生產(chǎn)線配套有磁粉探傷、超聲波探傷，均為生產(chǎn)線關(guān)鍵質(zhì)量檢測裝置，國內(nèi)鉆桿生產(chǎn)線大多依靠人工完成，導(dǎo)致大量質(zhì)量信息丟失。在本次遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)前期，首先對現(xiàn)有超聲波探傷和磁粉探傷設(shè)備進(jìn)行升級改造。

超聲波探傷引入數(shù)字式探傷儀器，實(shí)現(xiàn)探傷過程圖形化記錄。由于該探傷圖形需要在專有軟件上才可以進(jìn)行查看，為提高監(jiān)控系統(tǒng)在不同設(shè)備上的適應(yīng)性，最后在本次研究中將圖形以圖片形式進(jìn)行存儲上傳到數(shù)據(jù)庫。

磁粉探傷設(shè)備同樣進(jìn)行了數(shù)字化提升，將原有手持式磁軛用一種異形線圈替代，探傷過程由人工方式改為自動探傷。同時(shí)配套高清工業(yè)攝像頭，全面采集探傷過程圖像并形成圖片記錄，最終上傳到數(shù)據(jù)庫。

2.2 監(jiān)控平臺開發(fā)

2.2.1 展示界面

平臺設(shè)計(jì)開發(fā)基于WinCC 軟件，具有良好的兼容性和開放性。通過采集模塊，大量信息被寫入數(shù)據(jù)庫。其中有設(shè)備運(yùn)行參數(shù)信息，也包含大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行全面分類。

加工參數(shù)、工藝設(shè)定類數(shù)據(jù)在進(jìn)行同規(guī)格批量加工生產(chǎn)過程中基本穩(wěn)定不變，因此這類信息在發(fā)生變化時(shí)才進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。存儲的同時(shí)也將生產(chǎn)批號一并存入，作為后期質(zhì)量追溯的參考數(shù)據(jù)。包括摩擦焊接轉(zhuǎn)速設(shè)定、壓力設(shè)定、流量設(shè)定等，以及中頻加熱的PID 參數(shù)、淬火液流量參數(shù)等。

實(shí)時(shí)參數(shù)是數(shù)據(jù)采集的重點(diǎn)，因?yàn)槠涓哳l次的變化會增加采集難度。鉆桿加工存在周期性，因此實(shí)時(shí)參數(shù)也同樣需要周期性存儲。根據(jù)PLC 采集到設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的啟停信號，作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的標(biāo)志，將一個(gè)循環(huán)內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫的一個(gè)單獨(dú)表中。形成針對每一個(gè)加工過程的歷史記錄信息。

2.2.2 建立生產(chǎn)線仿真及鉆桿焊接數(shù)據(jù)包

在鉆桿生產(chǎn)加工過程中，工具接頭存在唯一標(biāo)示的特性。在本次系統(tǒng)研究過程中，充分利用這一特點(diǎn)，利用PLC 中采集到的過程控制信號，使用工具接頭號作為標(biāo)識，實(shí)現(xiàn)鉆桿生產(chǎn)流程仿真。當(dāng)鉆桿流轉(zhuǎn)到任一加工工序時(shí)，系統(tǒng)將設(shè)備、質(zhì)量、加工結(jié)果信息一并存入仿真流程，并實(shí)現(xiàn)與接頭號數(shù)據(jù)的匹配，成為后續(xù)加工進(jìn)行與否的判定依據(jù)。加工參數(shù)、工藝設(shè)定、實(shí)時(shí)參數(shù)等數(shù)據(jù)與接頭號存儲到數(shù)據(jù)庫，超聲波、磁粉探傷圖像匹配對應(yīng)的接頭號后也一并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫。實(shí)現(xiàn)鉆桿接頭與焊接過程全信息的匹配，最終形成完整的鉆桿焊接數(shù)據(jù)包，如圖4 所示。

圖4 流程仿真

2.2.3 其他功能實(shí)現(xiàn)

（1）設(shè)備OEE（綜合效率）功能。設(shè)備OEE 表現(xiàn)設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)能力相對于理論產(chǎn)能的比率，對于生產(chǎn)線管理有著重要輔助功能。

（2）設(shè)備綜合監(jiān)控功能。通過PLC 數(shù)據(jù)采集，各設(shè)備報(bào)警信息、設(shè)備狀態(tài)信息同時(shí)采集到數(shù)據(jù)庫。利用這些信息，建立全線設(shè)備綜合監(jiān)控功能，通過單一界面有效監(jiān)控產(chǎn)線全部設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。設(shè)備報(bào)警信息也同樣實(shí)現(xiàn)集中展示，提高生產(chǎn)線運(yùn)行、反饋效率。

（3）設(shè)備、質(zhì)量工程師站。通過采集底層設(shè)備、工藝質(zhì)量參數(shù)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)工藝執(zhí)行得到更加有效保證。公司設(shè)備、質(zhì)量工程師可以在線對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和檢查，提高生產(chǎn)管理的深度和廣度，有效保證產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

鉆桿摩擦焊接遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鉆桿焊接生產(chǎn)全流程設(shè)備、工藝、質(zhì)量信息的采集和跟蹤，打破了傳統(tǒng)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)離散、依賴人工的模式。實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)工藝信息、產(chǎn)品質(zhì)量信息的實(shí)時(shí)掌握，提升設(shè)備故障、產(chǎn)品異常的預(yù)判能力，有效降低設(shè)備故障率、廢品率，保障生產(chǎn)線正常穩(wěn)定運(yùn)行。下一步公司將在條碼技術(shù)的應(yīng)用方面進(jìn)行攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)高精度的產(chǎn)品跟蹤，進(jìn)一步擴(kuò)大鉆桿跟蹤范圍，將生產(chǎn)監(jiān)控覆蓋至生產(chǎn)加工全流程。同時(shí)加大云服務(wù)技術(shù)的研究，逐步向移動端、便攜式數(shù)據(jù)監(jiān)控的方面發(fā)展。