測井裝備制造信息化系統(tǒng)開發(fā)與實踐

李安宗,王易敏,譚志力,馬驍,王德隆,武延鋒

(中國石油集團測井有限公司,陜西西安710077)

0 引 言

新一代信息技術與制造業(yè)深度融合,正在引發(fā)影響深遠的產業(yè)變革。智能制造是制造業(yè)的發(fā)展方向,是先進制造技術與新一代信息技術深度融合的產物,是提高制造業(yè)質量、效益和核心競爭力的先進生產方式[1-3]。裝備制造信息化系統(tǒng)是智能制造的中級階段,在數(shù)字化基礎上,通過構建基于網絡的制造系統(tǒng),實現(xiàn)資源共享與集成[4]。中國石油集團測井有限公司集測井技術研發(fā)、裝備制造、技術服務和測井資料應用于一體,是中國規(guī)模最大的測井專業(yè)化技術服務公司,研發(fā)制造的產品主要有成像測井、隨鉆測井、旋轉導向、過鉆具測井、生產測井儀器及測井工藝工具、射孔器材、鉆井儀表等,制造模式屬于離散型制造和流程型制造共存。公司已經建立了企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)(Enterprise Resource Planning,ERP)、A7/A12生產智能系統(tǒng)等信息化管理平臺、產品數(shù)據管理系統(tǒng)(Product Data Management,PDM)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES)。裝備制造業(yè)務實現(xiàn)了部分數(shù)字化,但與智能制造的要求還有很大差距,因此,需要加快裝備制造信息化系統(tǒng)的開發(fā)與應用。

1 裝備制造信息化的必要性

(1)裝備制造信息化是裝備制造行業(yè)的發(fā)展趨勢。隨著“工業(yè)互聯(lián)網”、“工業(yè)4.0”、“中國制造2025”等概念的提出,以及物聯(lián)網、虛擬制造、云計算、大數(shù)據分析等信息技術在裝備制造行業(yè)日益廣泛的應用,裝備制造行業(yè)的生產模式、管理方式呈現(xiàn)出高度靈活、個性化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢,裝備制造信息化、自動化、智能化成為先進制造業(yè)提升管理水平的必要手段[5-6]。

(2)裝備制造信息化是中國石油天然氣集團有限公司(簡稱集團公司)對裝備制造企業(yè)的統(tǒng)一要求。圍繞“經營管理信息化、研發(fā)設計信息化、生產運行信息化、營銷服務信息化和產品設備數(shù)字化”進行信息化建設,持續(xù)推廣三維設計、物聯(lián)網、虛擬制造、云計算等技術在制造企業(yè)的應用。

(3)裝備制造信息化是中國石油集團測井有限公司研發(fā)、制造、服務、應用一體化發(fā)展的需要。測井裝備制造在研發(fā)和服務應用中起到承上啟下的作用,特別是在產能基本飽和、需求不斷增加、制造周期急需縮短、維修及技術支持敏捷快速等環(huán)境下,實現(xiàn)智能制造是最有效的解決途徑。

2 測井裝備制造信息化系統(tǒng)設計

2018年《Engineering》刊登文章《Toward New-generation Intelligent Manufacturing》,周濟、李培根等多位院士以及專家學者參與撰文,闡述了智能制造發(fā)展的3個基本范式。廣義而論,智能制造是先進信息技術與先進制造技術的深度融合,貫穿于產品設計、制造、服務等全生命周期的各個環(huán)節(jié)及相應系統(tǒng)的優(yōu)化集成,旨在不斷提升企業(yè)的產品質量、效益、服務水平,減少資源消耗,推動制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調、開放、共享發(fā)展。數(shù)十年來,智能制造在實踐演化中形成許多不同范式,包括精益生產、柔性制造、并行工程、敏捷制造、數(shù)字化制造、計算機集成制造、網絡制造、云制造、智能化制造等,在指導制造業(yè)智能轉型中發(fā)揮了積極作用。智能制造的3個基本范式是數(shù)字化制造、數(shù)字化網絡化制造、數(shù)字化網絡化智能化制造(即新一代智能制造),這3個基本范式次第展開、迭代升級[7]。

測井裝備制造信息化系統(tǒng)設計的總體思路是按照集團公司“一個整體、兩個層次”推進信息化工作的要求,持續(xù)推進裝備制造信息化工作?？傮w目標是建立裝備制造數(shù)字化研發(fā)與精益生產管理平臺,實現(xiàn)與集團公司統(tǒng)建項目ERP、A7/A12生產智能系統(tǒng)的集成,實現(xiàn)產品設計、工藝、制造、倉儲、銷售、運維服務一體化全生命周期管理。建立過程透明、受控、規(guī)范、信息共享、精細化管理的生產執(zhí)行體系,提高生產效率與設備利用率,縮短產品制造周期,提高生產管理和信息化水平,達到提高質量、降低成本、增加效益的目的。中國石油集團測井有限公司制造業(yè)務信息化建設項目總覽見圖1,裝備制造信息化系統(tǒng)集成架構見圖2。

裝備制造信息化系統(tǒng)以ERP系統(tǒng)為中心,與A7/A12生產智能系統(tǒng)集成。ERP系統(tǒng)主要以供應鏈管理為核心,通過優(yōu)化生產流程,集成物流、資金流、信息流為一體。生產制造模塊實現(xiàn)制造物料清單(Bill of Material,BOM)、工藝路線、工作中心、中長期計劃、物料需求計劃、生產訂單、工時確認、訂單結算、成本核算等制造成本歸集及制造流程管理。

PDM系統(tǒng)主要實現(xiàn)組織管理、權限管理、知識庫管理、版本管理、流程管理、編碼管理、文檔管理、設計BOM管理、變更管理等設計前端管理。該系統(tǒng)建立統(tǒng)一的研發(fā)設計和工藝設計管理平臺,規(guī)范設計流程,統(tǒng)一設計標準,支持設計工藝變更一致性管理,實現(xiàn)異地協(xié)同設計、信息融合共享。構建企業(yè)唯一的產品數(shù)據源,增強數(shù)據安全性,保障數(shù)據完整性,促進數(shù)據共享與重用。該系統(tǒng)建立企業(yè)高效的協(xié)同工作環(huán)境,縮短研制周期,降低研制成本。

MES系統(tǒng)主要實現(xiàn)生產計劃管理、生產執(zhí)行管理、工藝管理、物料管理、質量管理、設備管理、刀具管理、委外管理、生產看板管理、報表及績效分析、生產監(jiān)控管理、追溯管理、安燈管理等生產現(xiàn)場及過程控制管理。實現(xiàn)車間現(xiàn)場各類生產數(shù)據實時采集和共享應用,使制造過程完全透明化,從而輔助生產操作、管控制造流程、優(yōu)化生產過程,最終達到降低運行成本、保證產品質量、促進企業(yè)精細化管理的目的。

圖1 中國石油集團測井有限公司制造業(yè)務信息化建設項目總覽圖

圖2 中國石油集團測井有限公司裝備制造信息化系統(tǒng)集成架構圖

智能倉儲系統(tǒng)(Warehouse Management System,WMS)主要實現(xiàn)實物條碼掃描、自動收發(fā)、倉儲可視化監(jiān)控、安全庫存預警、條碼打印、滯后料管理、需求計劃執(zhí)行及生產訂單配料過程監(jiān)控、供應商交互、物料配送、產品出入庫及產品追溯管理。與ERP系統(tǒng)交互集成,實現(xiàn)物料入庫、庫內管理、出庫、配送、報表及分析、安全庫存預警管理的智能化及數(shù)字化,及時準確掌握采購供貨及庫存流轉狀態(tài),合理控制配送節(jié)奏與采購庫存。建立智能實體庫房,通過自動上架、定位、出庫、盤點等方式,優(yōu)化庫房布局、降低管理成本、提高配送效率。

儀器運維系統(tǒng)(Maintenance,Repair & Operations,MRO)主要實現(xiàn)資產信息管理、刻度跟蹤、儀器運行數(shù)據管理、儀器維修保養(yǎng)信息管理、遠程數(shù)據監(jiān)測、維修記錄查詢、異常監(jiān)測及故障預警、遠程支持等設備的現(xiàn)場使用和維修服務以及質量追溯管理。實現(xiàn)基于儀器出廠檢測、刻度跟蹤、生產運行狀態(tài)檢測、運行數(shù)據管理、維修保養(yǎng)數(shù)據管理的儀器信息數(shù)據統(tǒng)一管理,基于軟件更新、現(xiàn)場維修服務、維修資源管理的維修過程管理,基于遠程監(jiān)控、異常監(jiān)測、失效預測預警的預防性維修管理,不斷提升儀器運維能力,實現(xiàn)維修及備件需求保障規(guī)劃管理及遠程支持服務。

圖3 PDM系統(tǒng)架構

結合建立的生產監(jiān)控指揮大廳,通過看板管理實現(xiàn)對生產制造計劃監(jiān)控、預警管理、數(shù)據分析、指揮調度、現(xiàn)場重點部位監(jiān)控等生產控制管理。通過建立數(shù)字化、網絡化制造,實現(xiàn)產品全生命周期管理,加快產業(yè)模式由以產品為中心向以用戶為中心轉變,加速產業(yè)形態(tài)由生產型制造向服務型制造的轉變。

3 測井裝備制造信息化系統(tǒng)實現(xiàn)

PDM系統(tǒng)的實施重點主要為流程優(yōu)化、數(shù)據整理、知識庫建立、異地協(xié)同設計和數(shù)據安全。數(shù)據整理不是數(shù)據越全越好,超出PDM系統(tǒng)本身業(yè)務的數(shù)據不建議因為管理者需要而收集。數(shù)據安全是PDM系統(tǒng)的難點,要做好數(shù)據的加密方案。不同單位的標準化程度、技術資料基礎、流程制度、電腦等硬件配置及運行速度都不盡相同,流程優(yōu)化要固化到系統(tǒng)中。PDM系統(tǒng)架構見圖3。

4)AR技術研發(fā)門檻低，一些AR平臺開發(fā)公司開放了AR設計平臺，它提供沒有編碼經驗的用戶創(chuàng)建AR技術的體驗。

MES系統(tǒng)因其要與多個信息化系統(tǒng)、自動化設備數(shù)據、設備管理系統(tǒng)集成,其中還貫穿質量控制和追溯環(huán)節(jié),必須保證流程順暢、數(shù)據及時準確,切忌實施過程方案隨意變更,如變更必須經過嚴格評審方可實施。離散型制造與流程型制造實施差異較大,不可完全復制。流程型制造自動化程度較高,數(shù)據采集要與設備控制高度集成,實施中一定要結合精益管理,做好產線布局、設備保全(Total Productive Maintenance,TPM)和異常監(jiān)控,以防因設備故障影響生產線進度。離散型制造要重點關注關鍵和瓶頸設備,數(shù)據采集結合掃碼和半自動信息采集進行工時、設備、物料、質量等信息的采集,受到人為因素的影響較大,要結合考核制度,做好人員管理,確保數(shù)據的準確性和及時性。MES系統(tǒng)架構見圖4。

WMS系統(tǒng)實施重點為實物掃碼管理與ERP數(shù)據映射,實現(xiàn)實物管理自動化,但需繼續(xù)加強ERP數(shù)據同步。要想實現(xiàn)安全庫存預警,需要加強ERP系統(tǒng)庫存分析,包括存貨數(shù)量、供貨周期及需求等情況的分析,找出重點物料的安全庫存,逐步實現(xiàn)全部物料的安全庫存預警?！八奶柖ㄎ弧辈季忠茖W合理,自動貨架采購或原貨架改造要根據單位實際情況進行方案制定。WMS系統(tǒng)架構見圖5。

圖4 MES系統(tǒng)架構

圖5 WMS系統(tǒng)架構

MRO系統(tǒng)是測井裝備制造作用最大、最關鍵的子系統(tǒng),能極大提高儀器運維能力、實現(xiàn)維修及備件需求保障規(guī)劃、遠程支持服務,從而提高測井作業(yè)質量。數(shù)據集成節(jié)點多,涉及錄入的崗位多,要求每個環(huán)節(jié)數(shù)據準確、更新及時。除與PDM、MES、ERP、WMS、A7/A12和車載系統(tǒng)集成外,MRO系統(tǒng)自身要建立維修資源庫包括三級維修分類、維修的技術資料和操作文件(視頻或動畫)、產品升級或改進公告、實物BOM及關鍵部件或物料的跟蹤等,實現(xiàn)維修保養(yǎng)、異常檢測、刻度及失效預警、物料追溯等功能。每個數(shù)據的質量都會影響系統(tǒng)分析判斷,需要新增和修訂細則規(guī)范,如關鍵物料與關鍵部件的規(guī)范、故障描述規(guī)則的制定,產品三級維修相關規(guī)定、技術資料和操作文件的制定,保養(yǎng)及刻度計算公式、異常檢測計算公式、維修資料庫的管理規(guī)定等內容的制定。MRO系統(tǒng)架構見圖6。

圖6 MRO系統(tǒng)架構

服務器部署主要從統(tǒng)一標準、系統(tǒng)集成、數(shù)據集中、運維工作量、投資等方面綜合考慮,采用集中式架構。將PDM、MES、WMS、MRO的應用服務器、數(shù)據庫服務器、文檔服務器集中部署在核心機房,用戶通過內網直接訪問,也可配置備份服務器用于系統(tǒng)備份,有利于數(shù)據集中和信息共享,節(jié)省投資和運維費用。

系統(tǒng)安全部署主要包括數(shù)據安全防護、系統(tǒng)備份以及網絡訪問性能優(yōu)化。數(shù)據安全防護采用技術措施與管理制度相結合的方式。執(zhí)行統(tǒng)一的服務器安全基線配置和桌面終端安全防護要求,并通過對重要數(shù)據(設計圖紙、生產數(shù)據等)進行加密、用戶訪問權限控制、接入終端設備認證、移動存儲介質管理、敏感信息監(jiān)測與隔離等手段,完善安全管理制度,保障系統(tǒng)數(shù)據的安全。在系統(tǒng)備份方面,除了服務器自身的備份機制外,計劃配備異地備份服務器。經過廣域網與局域網改造,結合業(yè)務需求不斷優(yōu)化改進網絡,保障信息數(shù)據傳輸順暢,確保系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行。

4 測井裝備制造信息化系統(tǒng)實施效果

PDM系統(tǒng)解決了各研發(fā)單位協(xié)同設計和變更一致性能力不足、設計數(shù)據查詢效率低、設計標準不統(tǒng)一、設計數(shù)據存檔分散且存在安全隱患等問題。公用基礎數(shù)據的建立,使得各類技術標準、流程制度、基礎歷史產品數(shù)據、研發(fā)過程數(shù)據全部得到梳理及優(yōu)化。

MRO系統(tǒng)解決了測井裝備日常維修保養(yǎng)不可控、設備故障發(fā)現(xiàn)不及時、專家經驗得不到有效積累和傳遞、現(xiàn)場維修效率低、維修保養(yǎng)分級不明確、維修周期和備件供應周期長等問題,保障設備持續(xù)穩(wěn)定運行。

WMS和MES系統(tǒng)解決了諸多問題,包括:物料采購信息不透明造成庫存積壓或缺料、手工錄入數(shù)據出錯或滯后影響生產進度、采購環(huán)節(jié)不易跟蹤督導、原材料入廠及制造過程檢驗數(shù)據存檔凌亂和質量分析統(tǒng)計不準確。

5 結 論

通過測井裝備制造信息化系統(tǒng)的開發(fā)應用,建立了產品設計、制造、采購與倉儲、銷售、運維服務一體化的全生命周期管理的信息化系統(tǒng)。

(1)做好頂層設計規(guī)劃。要確保系統(tǒng)的可靠性、易用性及安全性,必須做好頂層設計及總體規(guī)劃。按照頂層設計、流程優(yōu)化、深化執(zhí)行、量化評價、問題導向、全員參與、持續(xù)改善的要求,將精益管理和產線建設融入到裝備制造信息化中。

(2)做好實現(xiàn)方式和試點選擇。實現(xiàn)方式采取集團公司內部信息化項目建設有經驗的團隊總包方式,與軟、硬件廠商、外部咨詢實施方、制造單位組成項目組,按照項目制管理。采用“先試點,后推廣”的方式,分步分階段實施。從頂層設計到試點到優(yōu)化推廣,再到深化應用,不斷優(yōu)化迭代,持續(xù)完善。

(3)加強企業(yè)領導的重視。企業(yè)信息化的實施過程就是企業(yè)管理層和操作層傳統(tǒng)管理習慣的轉變過程。領導的高度重視和員工的積極參與很關鍵,認識項目實施的必要性和艱巨性,是成功實施信息化系統(tǒng)的基礎。

(4)保障基礎數(shù)據。數(shù)據是信息化系統(tǒng)運行的基礎,是實現(xiàn)信息集成的首要條件,數(shù)據準備質量決定項目質量。要建立完善以數(shù)據標準、技術標準、管理標準、數(shù)據質量標準為主要內容的數(shù)據標準體系,遵循整體數(shù)據架構,確保同一數(shù)據入口唯一,減少重復錄入和管理難度,提高數(shù)據質量,確保數(shù)據交換集成和數(shù)據共享,有利于數(shù)據后期的持續(xù)應用。

(5)加強業(yè)務培訓及交流。全員培訓的目的就是讓員工了解信息化系統(tǒng),轉變傳統(tǒng)管理習慣,規(guī)范員工的業(yè)務行為。對培訓工作采取全過程、全方位、多層次、多方式的策略,將用戶知識培訓分為三級,實踐表明效果明顯。