自動化及智能化技術在石油裝備制造行業的應用與發展研究

張春華，宋聞宇，于桐，李顯義，沈克

（1.中國石油集團工程技術研究院北石公司，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的應用

數字化轉型能夠把現有生產關系和生產要素按照最優原則重新排列組合，發揮最大化合理利用，讓現有生產關系和生產要素能夠產生更高效的生產力價值。數字化轉型大體分3 個階段，信息化、自動化和智能化，下面以北石公司數字化轉型成功案例來介紹。

1.1 廠房柔性生產線的設計與建設

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）的工藝流程及布局數字化建模技術，結合生產流程與生產節拍進行合理化布置，通過三維建模、三維布置，建造了聯合廠房柔性生產線，從而保證了生產線柔性制造空間和物流的流轉順暢，提高了各類產品的生產效率。

1.2 產品實現數字化轉型

1.2.1液控產品

近些年，公司對液控產品進行了信息化、數字化升級，開發了遠程監測平臺，通過物聯網技術實現在井控指揮中心即可對特定區片設備運行狀態進行在線監測管理，并提供設備全生命周期的預防性維護指導，保證井控設備的健康穩定運行，有效推動了井控由現場班組井控向遠程專家井控轉變。

1.2.2頂驅產品

公司搭建了頂驅遠程故障診斷與技術支持平臺，實現資源合理分配與調度，采取遠程、本地技術支持相結合的方式，創新形成了頂驅控制軟件遠程推送更新技術，為運行在國內外鉆井作業現場的頂驅提供了及時而完善的技術解決方案，顯著提高了排查及處理現場復雜問題的效率，有效節約了鉆井成本。

1.3 自動刀具倉儲系統設計與應用

1.3.1系統組成

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

1.3.2系統用途

自動刀具倉儲系統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管理人員，管理人員在電腦中輸入刀具編號后，倉儲系統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系統特點

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

（2）系統入口處設有紅外光柵，靈敏度高，控制精確，提高了操作者人身安全。

（3）系統具有結構緊湊、空間利用率高、節省占地面積的特點。

該系統的上線使用較好的促進了庫存壓縮，庫存刀具種類涵蓋上千種，實物數量可達上萬件，整體存儲面積近300m2，實際占地面積18m2，節約了成本。

（4）系統可以提供電子數據，通過這些數據可以精確地考核員工的技術水平、加工進度和使用工具的數量，從而對員工進行精確地評價和考核。

1.4 倉儲自動化立體倉庫設計與應用

1.4.1系統的組成

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系統的用途

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

1.4.3系統的特點

（1）該系統通過看板顯示領用物資數量、庫存數量，實現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）節省了管理人員，提高了工作效率。4 個人員可以實現對4000 余種庫存物資進行出、入庫等管理工作。

2 自動化、智能化技術應用的效果分析

在生產方式上，以生產設備、加工、裝配、物流等的自動化、智能化為導向，落地一批自動化設備和生產線建設，包括自動化上下料生產加工單元、全可溶橋塞裝配生產線、AGV（Automated Guided Vehicle，AGV）轉運小車、鋁板自動裝配項目、軸類自動化檢測系統等，通過這些數字化車間的建設，公司正在逐步實現生產自動化、智能化管理，降低了生產成本，提高了生產效率，全面提高了企業盈利能力。

2.1 數字化轉型縮短了產品設計周期

通過以PDM（Product Data Management,PDM）產品數據管理、ANSYS 有限元分析軟件為核心的研發設計平臺的搭建，PLM（Product Lifecycle Management,PLM）產品生命周期管理系統和三維軟件及有限元分析軟件的應用，使得研發設計人員協同工作，在設計過程中進行模擬組裝，性能分析，真正實現信息化、智能化設計，縮短了產品研發設計周期。

2.2 數字化轉型實現了產品轉型升級

一個企業數字化轉型是否成功，很大程度上取決于該企業產品是否轉型，是否滿足客戶日益增長的技術需求，北石公司正致力于鉆采裝備的提升和數字化轉型。

2.3 數字化轉型實現了產品生產過程透明化

通過以MES(Manufacturing Execution System,MES)生產制造執行系統和DNC（Distributed Numerical Control,DNC）數控設備聯網管理系統為核心的智能化生產制造平臺搭建，和已經上線的ERP（Enterprise Resource Planning,ERP）企業資源計劃系統、DNC 系統、安燈系統、AGV 小車等，實現生產計劃、物料管理等數據的實時傳送。使得整個生產環節可靠、靈活、高效、柔性。后續還將在自動化設備方面相繼投入，節約人力，進一步提高生產效率。

2.4 數字化轉型實現了物料信息化、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”伴隨原材料進入生產線，在每一個流程中，都會被相應的設備進行采集和跟蹤，并最終存儲在統一的數據管理平臺中，從而實現對物料智能化管理。

2.5 數字化轉型實現了倉儲管理更加精準

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

3 自動化、智能化技術應用前景與展望

3.1 設計和應用生產制造執行系統

3.1.1生產制造執行系統（MES）構架設計

MES 是生產制造企業車間執行層的生產信息化、智能化管理系統，為企業提供一個全面、可靠、可行的制造管理協同平臺。涵蓋計劃排產管理、生產調度管理、質量管理、庫存管理、看板管理、生產跟蹤管理、設備管理、理化實驗管理、工具工裝管理以及形成制造板塊相關數據管理等。MES 系統規劃的功能構架見圖1。

圖1 MES 系統規劃的功能構架圖

3.1.2生產制造執行系統（MES）功能實現

（1）MES 系統與ERP 系統互聯互通，在MES 系統能夠自動導入各類產品訂單的生產計劃，外接顯示終端實現類似列車時刻表的訂單大表的動態實時顯示，具備查詢，圖表生成，分類匯總等功能。

（2）根據訂單交付日期實現自動排產，各分車間在MES 系統就本車間負責訂單任務可以進行車間自動詳細排產；可用于手動排產，對MES 導入的全廠生產計劃進行分解，企業人員根據現場設備現狀、操作者、交貨期等進行手動排產和派工。

（3）生產進度跟蹤可實時了解車間生產的各訂單的實際進度及生產瓶頸。

（4）MES 系統與圖文檔、ERP、DNC、OA(Office Automation,OA)辦公自動化等系統互聯互通，實現產品訂單評審、訂單下單、訂單生產、訂單入庫、訂單發貨、售后服務的一體化閉環管理。

（5）設備臺賬管理，智能巡檢信息化管理，維修維護管理，設備備件管理，設備配件請購，與設備聯網系統實現設備運行實時監控，設備故障報警，設備運行統計分析。

（6）在車間關鍵工位、關鍵件加工區、裝配區設置相應安全庫存對比看板，工單領料及庫存相關情況對比看板，請購物資采購進度看板，進貨檢驗看板等，把相應人員需要的數據展示出來，以便高效開展工作。

（7）自動形成各種生產報表。MES 系統可根據數據源生成相關報表：設備故障統計表，設備運行統計表，支持自由選取時間跨度、對象進行統計。以及生成銷售訂單自動補錄到生成生產計劃報表、各產品訂單生產完成及未完成統計報表等，并實現手機終端的查詢。

3.2 物料自動運輸系統設計與應用效果

3.2.1系統的功能

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

3.2.2系統的效果

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

（2）實現運輸管理智能化。裝配人員自己可以根據裝配進度調度AGV 機器人，實現只在需要的時候運送必要物料。

（3）實現區域運輸無人化。既減少了操作人員，又提升轉運效率，轉運效率可以提升25%以上。

3.3 展望

通過自動化、智能化技術應用，逐步實現“訂單、技術、生產、設備管理、質量控制、檢驗、物流”等各系統、各要素的管控一體化，有效縮短產品的產出周期，提高產品按期完成率和產品服務質量，從而提高公司整體生產運營效率，提高顧客對產品的滿意度，使產品更具有市場競爭力。智能制造整體架構設計見圖2 智能制造整體架構設計框圖。

圖2 智能制造整體架構設計框圖

以智能化、準時化為主線，結合精益生產思想，融合信息化，運用高檔數控機床、工業機器人、柔性制造、視覺檢測等關鍵技術裝備，著眼于自動化、標準化、少人化，打造智能制造+物聯網+綠色制造的新型智能制造企業。

4 結語

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”國家戰略，加快制造業轉型升級。公司積極推動以PDM、ANSYS 為核心的研發設計平臺的搭建，以MES 和DNC 為核心的智能化生產制造平臺，強化設備互聯、數據鏈接、智能檢測，系統規劃建設智能工廠、綠色工廠，實現黑燈工廠，減少用工總量，提高勞動生產效率，加快向數字化、科技型企業轉型升級。