自動化及智能化技術(shù)在石油裝備制造行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展研究

張春華，宋聞宇，于桐，李顯義，沈克

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院北石公司，北京 102200；2.中國石油物資有限公司，北京 100029）

1 自動化、智能化在石油裝備制造行業(yè)的應(yīng)用

數(shù)字化轉(zhuǎn)型能夠把現(xiàn)有生產(chǎn)關(guān)系和生產(chǎn)要素按照最優(yōu)原則重新排列組合，發(fā)揮最大化合理利用，讓現(xiàn)有生產(chǎn)關(guān)系和生產(chǎn)要素能夠產(chǎn)生更高效的生產(chǎn)力價值。數(shù)字化轉(zhuǎn)型大體分3 個階段，信息化、自動化和智能化，下面以北石公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型成功案例來介紹。

1.1 廠房柔性生產(chǎn)線的設(shè)計與建設(shè)

基于建筑信息建模BIM（Building information modeling,BIM) 和 流 程 信 息 建 模PIM(Process information modeling ,PIM）的工藝流程及布局?jǐn)?shù)字化建模技術(shù)，結(jié)合生產(chǎn)流程與生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行合理化布置，通過三維建模、三維布置，建造了聯(lián)合廠房柔性生產(chǎn)線，從而保證了生產(chǎn)線柔性制造空間和物流的流轉(zhuǎn)順暢，提高了各類產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

1.2 產(chǎn)品實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型

1.2.1液控產(chǎn)品

近些年，公司對液控產(chǎn)品進(jìn)行了信息化、數(shù)字化升級，開發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)在井控指揮中心即可對特定區(qū)片設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測管理，并提供設(shè)備全生命周期的預(yù)防性維護(hù)指導(dǎo)，保證井控設(shè)備的健康穩(wěn)定運行，有效推動了井控由現(xiàn)場班組井控向遠(yuǎn)程專家井控轉(zhuǎn)變。

1.2.2頂驅(qū)產(chǎn)品

公司搭建了頂驅(qū)遠(yuǎn)程故障診斷與技術(shù)支持平臺，實現(xiàn)資源合理分配與調(diào)度，采取遠(yuǎn)程、本地技術(shù)支持相結(jié)合的方式，創(chuàng)新形成了頂驅(qū)控制軟件遠(yuǎn)程推送更新技術(shù)，為運行在國內(nèi)外鉆井作業(yè)現(xiàn)場的頂驅(qū)提供了及時而完善的技術(shù)解決方案，顯著提高了排查及處理現(xiàn)場復(fù)雜問題的效率，有效節(jié)約了鉆井成本。

1.3 自動刀具倉儲系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

1.3.1系統(tǒng)組成

整個倉儲系統(tǒng)分為2 個立體貨柜，單個貨柜內(nèi)部60層，單層承重500kg。每層橫向12 個貨位，縱向8 個貨位。

1.3.2系統(tǒng)用途

自動刀具倉儲系統(tǒng)用于管理公司所有機加工刀具。使用時，機床操作者只需把刀具的編號告知該系統(tǒng)管理人員，管理人員在電腦中輸入刀具編號后，倉儲系統(tǒng)自動將刀具所在層推到管理人員面前，所需刀具位置處會有紅燈指示。

1.3.3系統(tǒng)特點

（1）系統(tǒng)通過看板顯示領(lǐng)取刀具數(shù)量、庫存數(shù)量，實現(xiàn)對刀具的自動化和智能化管理。采購人員可以根據(jù)庫存數(shù)量及時補充刀具。這樣，避免了由于信息不通，致使庫存過大或不足，既節(jié)約了資金，又能滿足生產(chǎn)需要。

（2）系統(tǒng)入口處設(shè)有紅外光柵，靈敏度高，控制精確，提高了操作者人身安全。

（3）系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、空間利用率高、節(jié)省占地面積的特點。

該系統(tǒng)的上線使用較好的促進(jìn)了庫存壓縮，庫存刀具種類涵蓋上千種，實物數(shù)量可達(dá)上萬件，整體存儲面積近300m2，實際占地面積18m2，節(jié)約了成本。

（4）系統(tǒng)可以提供電子數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以精確地考核員工的技術(shù)水平、加工進(jìn)度和使用工具的數(shù)量，從而對員工進(jìn)行精確地評價和考核。

1.4 倉儲自動化立體倉庫設(shè)計與應(yīng)用

1.4.1系統(tǒng)的組成

倉庫貨架共有6 排，12 層和24 列，總體貨位3456 個，單個貨位承重480kg，單層承重40800kg。

1.4.2系統(tǒng)的用途

用于倉儲各種軸承、密封等標(biāo)準(zhǔn)件及輕型采購、自制物資。新入庫物資由庫管員對物資進(jìn)行電腦編號，然后把貼好編號的物資碼放到對應(yīng)的儲物筐中，系統(tǒng)機械手自動將儲物筐放置到對應(yīng)的位置；車間需要領(lǐng)用物資時，庫管員輸入領(lǐng)用物資編號，系統(tǒng)機械手自動尋找物資并把物資運送到出庫平臺。

1.4.3系統(tǒng)的特點

（1）該系統(tǒng)通過看板顯示領(lǐng)用物資數(shù)量、庫存數(shù)量，實現(xiàn)物料管理自動化和智能化。

（2）電子看板可以反映每天入庫和出庫數(shù)量，便于庫管人員和后臺管理人員實時掌握庫存增減情況。

（3）節(jié)省了管理人員，提高了工作效率。4 個人員可以實現(xiàn)對4000 余種庫存物資進(jìn)行出、入庫等管理工作。

2 自動化、智能化技術(shù)應(yīng)用的效果分析

在生產(chǎn)方式上，以生產(chǎn)設(shè)備、加工、裝配、物流等的自動化、智能化為導(dǎo)向，落地一批自動化設(shè)備和生產(chǎn)線建設(shè)，包括自動化上下料生產(chǎn)加工單元、全可溶橋塞裝配生產(chǎn)線、AGV（Automated Guided Vehicle，AGV）轉(zhuǎn)運小車、鋁板自動裝配項目、軸類自動化檢測系統(tǒng)等，通過這些數(shù)字化車間的建設(shè)，公司正在逐步實現(xiàn)生產(chǎn)自動化、智能化管理，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，全面提高了企業(yè)盈利能力。

2.1 數(shù)字化轉(zhuǎn)型縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期

通過以PDM（Product Data Management,PDM）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、ANSYS 有限元分析軟件為核心的研發(fā)設(shè)計平臺的搭建，PLM（Product Lifecycle Management,PLM）產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)和三維軟件及有限元分析軟件的應(yīng)用，使得研發(fā)設(shè)計人員協(xié)同工作，在設(shè)計過程中進(jìn)行模擬組裝，性能分析，真正實現(xiàn)信息化、智能化設(shè)計，縮短了產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計周期。

2.2 數(shù)字化轉(zhuǎn)型實現(xiàn)了產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級

一個企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是否成功，很大程度上取決于該企業(yè)產(chǎn)品是否轉(zhuǎn)型，是否滿足客戶日益增長的技術(shù)需求，北石公司正致力于鉆采裝備的提升和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2.3 數(shù)字化轉(zhuǎn)型實現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)過程透明化

通過以MES(Manufacturing Execution System,MES)生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)和DNC（Distributed Numerical Control,DNC）數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)為核心的智能化生產(chǎn)制造平臺搭建，和已經(jīng)上線的ERP（Enterprise Resource Planning,ERP）企業(yè)資源計劃系統(tǒng)、DNC 系統(tǒng)、安燈系統(tǒng)、AGV 小車等，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃、物料管理等數(shù)據(jù)的實時傳送。使得整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)可靠、靈活、高效、柔性。后續(xù)還將在自動化設(shè)備方面相繼投入，節(jié)約人力，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

2.4 數(shù)字化轉(zhuǎn)型實現(xiàn)了物料信息化、智能化管理

原材料入廠后就有專屬的“身份證”品號，這個“身份證”伴隨原材料進(jìn)入生產(chǎn)線，在每一個流程中，都會被相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行采集和跟蹤，并最終存儲在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺中，從而實現(xiàn)對物料智能化管理。

2.5 數(shù)字化轉(zhuǎn)型實現(xiàn)了倉儲管理更加精準(zhǔn)

自動化立體庫WMS 系統(tǒng)針對3456 個貨位的4000 余種庫存進(jìn)行管理，通過電子看板實時反映每日入庫和出庫數(shù)量，提高了物資管理效益，降低了物資管理難度。

3 自動化、智能化技術(shù)應(yīng)用前景與展望

3.1 設(shè)計和應(yīng)用生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)

3.1.1生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）構(gòu)架設(shè)計

MES 是生產(chǎn)制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化、智能化管理系統(tǒng)，為企業(yè)提供一個全面、可靠、可行的制造管理協(xié)同平臺。涵蓋計劃排產(chǎn)管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、質(zhì)量管理、庫存管理、看板管理、生產(chǎn)跟蹤管理、設(shè)備管理、理化實驗管理、工具工裝管理以及形成制造板塊相關(guān)數(shù)據(jù)管理等。MES 系統(tǒng)規(guī)劃的功能構(gòu)架見圖1。

圖1 MES 系統(tǒng)規(guī)劃的功能構(gòu)架圖

3.1.2生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）功能實現(xiàn)

（1）MES 系統(tǒng)與ERP 系統(tǒng)互聯(lián)互通，在MES 系統(tǒng)能夠自動導(dǎo)入各類產(chǎn)品訂單的生產(chǎn)計劃，外接顯示終端實現(xiàn)類似列車時刻表的訂單大表的動態(tài)實時顯示，具備查詢，圖表生成，分類匯總等功能。

（2）根據(jù)訂單交付日期實現(xiàn)自動排產(chǎn)，各分車間在MES 系統(tǒng)就本車間負(fù)責(zé)訂單任務(wù)可以進(jìn)行車間自動詳細(xì)排產(chǎn)；可用于手動排產(chǎn)，對MES 導(dǎo)入的全廠生產(chǎn)計劃進(jìn)行分解，企業(yè)人員根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)狀、操作者、交貨期等進(jìn)行手動排產(chǎn)和派工。

（3）生產(chǎn)進(jìn)度跟蹤可實時了解車間生產(chǎn)的各訂單的實際進(jìn)度及生產(chǎn)瓶頸。

（4）MES 系統(tǒng)與圖文檔、ERP、DNC、OA(Office Automation,OA)辦公自動化等系統(tǒng)互聯(lián)互通，實現(xiàn)產(chǎn)品訂單評審、訂單下單、訂單生產(chǎn)、訂單入庫、訂單發(fā)貨、售后服務(wù)的一體化閉環(huán)管理。

（5）設(shè)備臺賬管理，智能巡檢信息化管理，維修維護(hù)管理，設(shè)備備件管理，設(shè)備配件請購，與設(shè)備聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備運行實時監(jiān)控，設(shè)備故障報警，設(shè)備運行統(tǒng)計分析。

（6）在車間關(guān)鍵工位、關(guān)鍵件加工區(qū)、裝配區(qū)設(shè)置相應(yīng)安全庫存對比看板，工單領(lǐng)料及庫存相關(guān)情況對比看板，請購物資采購進(jìn)度看板，進(jìn)貨檢驗看板等，把相應(yīng)人員需要的數(shù)據(jù)展示出來，以便高效開展工作。

（7）自動形成各種生產(chǎn)報表。MES 系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)源生成相關(guān)報表：設(shè)備故障統(tǒng)計表，設(shè)備運行統(tǒng)計表，支持自由選取時間跨度、對象進(jìn)行統(tǒng)計。以及生成銷售訂單自動補錄到生成生產(chǎn)計劃報表、各產(chǎn)品訂單生產(chǎn)完成及未完成統(tǒng)計報表等，并實現(xiàn)手機終端的查詢。

3.2 物料自動運輸系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用效果

3.2.1系統(tǒng)的功能

物料自動運輸系統(tǒng)是一種小型無人駕駛卡車AGV，采用最先進(jìn)工業(yè)潛伏式轉(zhuǎn)運車。它可以在各生產(chǎn)工序間移動，由中心計算機控制，可在較光滑的無障礙物的工廠通道內(nèi)自由行駛。

3.2.2系統(tǒng)的效果

（1）AGV 首先可以解決關(guān)鍵工序中，運輸量大、頻繁的工序，解決由于運送跟不上而中斷的生產(chǎn)問題。

（2）實現(xiàn)運輸管理智能化。裝配人員自己可以根據(jù)裝配進(jìn)度調(diào)度AGV 機器人，實現(xiàn)只在需要的時候運送必要物料。

（3）實現(xiàn)區(qū)域運輸無人化。既減少了操作人員，又提升轉(zhuǎn)運效率，轉(zhuǎn)運效率可以提升25%以上。

3.3 展望

通過自動化、智能化技術(shù)應(yīng)用，逐步實現(xiàn)“訂單、技術(shù)、生產(chǎn)、設(shè)備管理、質(zhì)量控制、檢驗、物流”等各系統(tǒng)、各要素的管控一體化，有效縮短產(chǎn)品的產(chǎn)出周期，提高產(chǎn)品按期完成率和產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量，從而提高公司整體生產(chǎn)運營效率，提高顧客對產(chǎn)品的滿意度，使產(chǎn)品更具有市場競爭力。智能制造整體架構(gòu)設(shè)計見圖2 智能制造整體架構(gòu)設(shè)計框圖。

圖2 智能制造整體架構(gòu)設(shè)計框圖

以智能化、準(zhǔn)時化為主線，結(jié)合精益生產(chǎn)思想，融合信息化，運用高檔數(shù)控機床、工業(yè)機器人、柔性制造、視覺檢測等關(guān)鍵技術(shù)裝備，著眼于自動化、標(biāo)準(zhǔn)化、少人化，打造智能制造+物聯(lián)網(wǎng)+綠色制造的新型智能制造企業(yè)。

4 結(jié)語

北石公司是國資委2020 年首批“科改”示范單位，積極實施“中國制造2025”國家戰(zhàn)略，加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。公司積極推動以PDM、ANSYS 為核心的研發(fā)設(shè)計平臺的搭建，以MES 和DNC 為核心的智能化生產(chǎn)制造平臺，強化設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)鏈接、智能檢測，系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)智能工廠、綠色工廠，實現(xiàn)黑燈工廠，減少用工總量，提高勞動生產(chǎn)效率，加快向數(shù)字化、科技型企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。