鉆桿摩擦焊接在線遠程監控系統

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械廠，河北滄州 062658）

0 引言

鉆桿摩擦焊接生產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，以及后續熱處理、質量檢驗工序，是一種典型的流程工業生產過程，具有生產線緊湊、工序多、設備復雜的特點。生產過程伴隨著大量設備、質量數據產生，是設備運行狀態監控、產品質量判定及追溯的關鍵信息。目前，國內生產線質量信息大多通過記錄儀、打印機等方式采集，數據離散、不利于統計分析。設備情況、工藝參數設定等主要依靠人工巡檢，人為影響因素大，無法實時掌握設備運行狀態、工藝執行情況、質量變化情況等。

渤海能克鉆桿公司（以下簡稱公司）鉆桿壓接二線于2010年投產使用，其生產線自動化程度在國內處于領先地位，經過近年逐步提升，已經實現全線自動化運行，網絡通信覆蓋全線。為項目研究開展提供了必要的硬件支撐。

1 整體架構設計

系統研究初期充分考慮應用需求，采用B/S 架構，客戶端統一采用瀏覽器技術（圖1）。系統功能實現的核心部分集中到服務器上，簡化系統開發、維護和使用，有利于系統應用范圍在未來的逐步擴展。

圖1 B/S 構架

根據鉆桿生產線設備緊湊、集中，加工連續節拍快，數據信息繁多的情況。優先建立集中監控室，在完成設備、質量遠程監控系統的同時，配套完成關鍵工序監控和MES 系統應用，實現加工過程、設備參數、工藝曲線、生產統計全面監控（圖2）。

在線監控主要由數據采集模塊、生產監控服務器和生產監控系統等3 部分構成。數據采集模塊完成PLC、上位機、數控機床等底層設備的信息采集并發送至生產監控服務器，生產監控服務器對數據進行收集、整理、分析、匯總，最終通過瀏覽器的方式進行展示（圖3）。

圖2 集中監控整體結構

2 監控系統整體實施

2.1 數據采集模塊建立

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

2.1.1 PLC 數據采集

圖3 數據采集構成

鉆桿摩擦焊接生產線屬于流程工業生產的一種，大量加工數據、質量信息已經在產線運轉過程中被各自的PLC 采集。例如，焊接過程中的主軸轉速、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 數據采集是監控系統的重要組成。同時完成執行機構狀態、物料檢測信號、變頻器信息、伺服放大器數據等生產流程信息的采集，為后期質量跟蹤、產線模擬打下基礎。

生產線在用PLC 15 套，其中三菱Q 系列PLC 14 套，為降低大量網絡通信連接造成后期開發、運維的工作難度。利用三菱H 網絡技術，建立PLC 間的內部通信。三菱H 網具有同級網絡PLC 與PLC 間的數據共享功能，通過一臺PLC 的連接即可實現各PLC 數據的采集。根據生產線PLC 分布情況，將位置集中的11 臺PLC 進行改造，接入H 網，實現數據共享。最終生產線通過5 條網線就完成了15 套PLC 設備的通信連接，完成全部PLC數據的采集。

2.1.2 數控機床采集

公司產線配套4 臺日本大隈數控加工機床，通過改造，增加以太網通信功能，開放機床API（Application Programming Interface，應用程序接口）。定制開發應用程序進行機床數據采集，將軸負載、軸坐標、加工補償等重要數據采集到數據庫中。同時綜合考慮API 接口本身存在的網絡安全隱患問題，增加隔離防火墻，確保機床設備本身的運行安全性。

2.1.3 上位機采集

鉆桿摩擦焊接生產線配套有磁粉探傷、超聲波探傷，均為生產線關鍵質量檢測裝置，國內鉆桿生產線大多依靠人工完成，導致大量質量信息丟失。在本次遠程監控系統的開發前期，首先對現有超聲波探傷和磁粉探傷設備進行升級改造。

超聲波探傷引入數字式探傷儀器，實現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行查看，為提高監控系統在不同設備上的適應性，最后在本次研究中將圖形以圖片形式進行存儲上傳到數據庫。

磁粉探傷設備同樣進行了數字化提升，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。同時配套高清工業攝像頭，全面采集探傷過程圖像并形成圖片記錄，最終上傳到數據庫。

2.2 監控平臺開發

2.2.1 展示界面

平臺設計開發基于WinCC 軟件，具有良好的兼容性和開放性。通過采集模塊，大量信息被寫入數據庫。其中有設備運行參數信息，也包含大量的實時數據，需要進行全面分類。

加工參數、工藝設定類數據在進行同規格批量加工生產過程中基本穩定不變，因此這類信息在發生變化時才進行數據存儲。存儲的同時也將生產批號一并存入，作為后期質量追溯的參考數據。包括摩擦焊接轉速設定、壓力設定、流量設定等，以及中頻加熱的PID 參數、淬火液流量參數等。

實時參數是數據采集的重點，因為其高頻次的變化會增加采集難度。鉆桿加工存在周期性，因此實時參數也同樣需要周期性存儲。根據PLC 采集到設備運轉的啟停信號，作為實時數據采集的標志，將一個循環內的實時數據存儲至數據庫的一個單獨表中。形成針對每一個加工過程的歷史記錄信息。

2.2.2 建立生產線仿真及鉆桿焊接數據包

在鉆桿生產加工過程中，工具接頭存在唯一標示的特性。在本次系統研究過程中，充分利用這一特點，利用PLC 中采集到的過程控制信號，使用工具接頭號作為標識，實現鉆桿生產流程仿真。當鉆桿流轉到任一加工工序時，系統將設備、質量、加工結果信息一并存入仿真流程，并實現與接頭號數據的匹配，成為后續加工進行與否的判定依據。加工參數、工藝設定、實時參數等數據與接頭號存儲到數據庫，超聲波、磁粉探傷圖像匹配對應的接頭號后也一并傳輸到數據庫。實現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據包，如圖4 所示。

圖4 流程仿真

2.2.3 其他功能實現

（1）設備OEE（綜合效率）功能。設備OEE 表現設備實際生產能力相對于理論產能的比率，對于生產線管理有著重要輔助功能。

（2）設備綜合監控功能。通過PLC 數據采集，各設備報警信息、設備狀態信息同時采集到數據庫。利用這些信息，建立全線設備綜合監控功能，通過單一界面有效監控產線全部設備的運轉狀態。設備報警信息也同樣實現集中展示，提高生產線運行、反饋效率。

（3）設備、質量工程師站。通過采集底層設備、工藝質量參數，設備運行狀態、生產工藝執行得到更加有效保證。公司設備、質量工程師可以在線對相關參數進行調整和檢查，提高生產管理的深度和廣度，有效保證產品質量的可靠性和穩定性。

3 結束語

鉆桿摩擦焊接遠程監控系統實現了鉆桿焊接生產全流程設備、工藝、質量信息的采集和跟蹤，打破了傳統生產線數據離散、依賴人工的模式。實現了對設備運行狀態、生產工藝信息、產品質量信息的實時掌握，提升設備故障、產品異常的預判能力，有效降低設備故障率、廢品率，保障生產線正常穩定運行。下一步公司將在條碼技術的應用方面進行攻關，實現高精度的產品跟蹤，進一步擴大鉆桿跟蹤范圍，將生產監控覆蓋至生產加工全流程。同時加大云服務技術的研究，逐步向移動端、便攜式數據監控的方面發展。