润滑油生产如何在“工业4.0”环境做到智能制造

温立国，韩庆华

(1.中国石油济南润滑油销售分公司，山东 青岛 266061； 2.中国石油大庆分公司，黑龙江 大庆 163411)

0 引言

2017年3月5日，在《2017年政府工作报告》里，李克强总理指出，要大力改造提升传统产业，深入实施“中国制造2025”，加快大数据、云计算、物联网应用，以新技术新业态新模式，推动传统产业生产、管理和营销模式变革。把发展智能制造作为主攻方向，以多种方式支持技术改造，促进传统产业焕发新的蓬勃生机。

“中国制造2025”，吹响了中国“制造”向“智造”升级的进军号角，发展智能制造已呈如火如荼之势。润滑油作为传统的石油炼制产品，润滑油企业如何适应“工业4.0”，新模式下如何快速适应市场变化，成为大家思考的主要问题。

解读“工业4.0”可以了解，符合“工业4.0”模式的生产企业要符合两点要求：一是“生产智能化”，建立智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是“物流智能化”，主要通过互联网、物联网、物流网，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率。

1 先进的润滑油生产技术

润滑油生产工艺流程中，基础油是润滑油的主要组分，占总质量的比例大约为85%～95%，添加剂是润滑油的另一主要组分，占总质量的比例约为5%～15%，两者通过油泵按照比例加入调合釜中。调合化验合格后，经过过滤机过滤，用泵打入成品油贮存罐中，以备包装运输。

1.1 同步计量调合(SMB)

1.1.1 同步计量调合的工艺过程

同步计量调合的原料组分由各原料罐通过专用管线输送。调合生产时，设备都由计算机控制，装置的各个通道同时输送至流量计计量，利用自动阀门来控制组分的进料量。出料的集合管送至调合罐，在调合釜中实现组分配比，完成均匀混合。全部调合密闭操作，防止了油品氧化，降低了油品损耗。

1.1.2 同步计量调合的工艺特点

同步计量调合工艺用于目前中高档润滑油产品的大批量调合生产中，相对于传统的泵循环式的落后生产工艺能大幅缩短生产周期并降低生产过程能源消耗。 同步计量调合其计量精确、操作简单、原料切换容易，在润滑油调合生产中发挥更加快速、高效的功能。

1.2 脉冲气动调合

1.2.1 脉冲气动调合工艺流程

近10年来，一种带有革命性的领先科技正在悄然兴起，被科技界称之为“调合生产方式的一次巨大革命——脉冲气动调合”自动控制系统。概括地说，“脉冲气动调合系统”就是把现代的控制理论应用到油品生产中，以先进的控制方式来操纵润滑油调合的整个生产过程。按事先设定好的脉冲频率、延时和压力等参数，通过现场一整套特殊的控制装置和安装在调合罐内的集气盘，产生动力强大的大气泡。大气泡产生以后，自下而上，自上而下地搅动油品，使油品中的各种组分在极短的时间内被均匀地混合，从而达到合格的产品质量[1]。

1.2.2 “脉冲气动调合系统”的特点和优越性

(1)高效：采用“脉冲气动调合系统”往往可以在传统生产方式调合一罐油的时间内完成三到四罐的调合批量。这种高效的生产方式，可使工厂在现有调合罐不增加的前提下，使产量提高2～3倍。

(2)稳定：采用“脉冲气动调合系统”，配合传统的“机械搅拌”，促使添加剂更加均匀地与基础油融合，进一步提高了成品润滑油质量的稳定性。

(3)安全：生产现场使用气动执行机构来操纵整个调合生产的过程，可有效地防止电器带来的火灾隐患。

(4)免维修：因为在调合罐内唯一循环运动的物体就是被调合的各组分。没有机械运动部件，不存在机械故障，也没有可觉察到的磨损，故不需要停产维修。

(5)降低加热要求：由于“脉冲气动调合系统”形成的大气泡具有强劲的能力，能迅速地搅动调合罐内的各种组分，使其不停地上下循环运动，可有效地使上下油品快速运动，降低或减少了对调合罐油品加热的温度和时间，这意味着能彻底解决因过度加热，导致油品氧化变质的可能。

(6)多罐控制：把现代先进的电脑控制技术应用到了“脉冲气动调合系统”上。通过工业上的“可编程序逻辑控制器(PLC)”操纵多座调合罐，同时或者分别进行调合。现场的“电—气脉冲信号转换装置”(EPI)可以把来自“控制中心”(PPC)的指令由电信号转换为脉冲气动信号。指挥现场一系列气动执行机构，按步就班地进行操作，最终达到理想的调合效果。

1.3 储罐自动计量系统

1.3.1 基本静压法

储罐自动化计量系统方案采用静压法测量原理，静压法计量系统英文缩写为HTG，它是通过压力或差压变送器测量油品介质作用在罐底部静压的方法来测量油罐内介质的质量，系统计量精度优于2‰。即：每罐安装一台压力变送器，一台数字温度变送器，一台罐前处理器。整套计量系统采用现今世界上广泛应用的现场总线智能化装置和标准的数字式通讯链路，可进行全数字化、双向、多站总线式的信息数字通讯，实现相互操作以及数据共享，进而完成点到点、一机到多机的网络化数字通讯。

1.3.2 储罐自动计量系统的优点

采用现场总线技术将储罐现场设备(如压力变送器、数字温度变送器、仪表与执行机构)与工业过程控制单元(如现场处理器)互连而成计算机网络。该网络具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，系统完整地实现了控制技术、计算机技术与通讯技术的集成。系统采用的分散的功能模块，既便于系统维护、管理、扩展，又提高了系统运行的可靠性。网络数据通讯采用基带传输，数据传输速率高，实时性好，抗干扰能力强。

1.4 自动润滑油灌装系统

1.4.1 润滑油灌装生产线运行流程

全自动润滑油灌装生产线是油类灌装机械的一种，是大型的综合性油类灌装设备。它采用自动化技术，集光、电、机、气为一体，具有高效、智能化、适应性广、稳定性好等特点，是现代化的整合式灌装设备。全自动灌装生产线由上桶机、灌装机、旋盖机、铝箔封口、上盖机、输送机、防伪贴标机、喷码机等单机组成。

上桶机检测空桶灌装位置，空桶经过上桶机输送入灌装机中。灌装机两侧双排灌装，每侧8个灌装头，通过压力传感器可以设定灌装量，灌装量根据包装规格设定，灌装后由输送带送到压盖机。目前有铝箔封口和压盖封口两种包装。装箱规格设定为6桶每箱或者12桶每箱，纸箱通过开箱机，先封底后输送到装箱机部分，装箱机完成桶装油品装入工作，并添加合格证。包装成箱的油品在进入码垛机前需要粘贴防伪标识，码垛机根据设定好的程序，每托盘27箱或者每托盘36箱进行码垛，堆放在托盘上送入仓库。

1.4.2 润滑油灌装生产线的特点：

(1)自动化程度高，操作简便，运行稳定，提高生产效率，节省企业成本。

(2)各单机能独立完成其工作，有独立的操作系统，以及数控显示等电器元件来控制调整各参数，并显示设定。能帮助企业实现标准化生产。

(3)各单机联动、并且调整快速、简单，保证生产的每个工序协调。

(4)各单机能适应多种规格的包装，生产线运行平稳，各功能组合方便，维修方便，可根据产品工艺要求进行多种生产组合[2]。

2 智能工厂系统设计

智能工厂，就是利用各种现代化的技术，实现工厂的办公、管理及生产自动化，达到加强及规范企业管理、减少工作失误、堵塞各种漏洞、提高工作效率、进行安全生产、提供决策参考、加强外界联系、拓宽国际市场的目的。智能工厂动态管理系统可以动态地掌握订单情况、进度情况、在制品情况、包括用工、用料的成本变化，可快速响应客户需求，帮助企业实现端到端的服务，从消费者到制造者。重点解决企业在制造过程中的不协调、不同步、不一致导致的大量人力、物力、财力的浪费问题，更重要的是解决企业针对多种类、小批量订单响应客户速度慢的问题。

在“中国制造2025”及“工业4.0”信息物理融合系统CPS的支持下，传统制造业需要实现生产设备网络化、生产数据可视化、生产文档无纸化、生产过程透明化、生产现场无人化等先进技术应用，做到纵向、横向和端到端的集成，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，从而建立基于工业大数据和“互联网”的智能工厂。

2.1 生产设备网络化，实现车间物联网

工业物联网的提出给“中国制造2025”、“工业4.0”提供了一个新的突破口。物联网是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，其目的是实现物与物、物与人、所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制[3]。传统的工业生产采用M2M(Machine to Machine)的通信模式，实现了设备与设备间的通信，而物联网通过Things to Things的通信方式实现人、设备和系统三者之间的智能化、交互式无缝连接。

传统制造企业车间在生产过程中，将所有的设备及工位统一联网管理，使设备与设备之间、设备与计算机之间能够联网通讯，设备与工位人员紧密关联。如：工艺技术人员可以在自己的计算机上进行配方设定，将配方上传至服务器，调合操作可以在生产现场通过生产控制程序下载所需要的配方，待调合任务完成后，再通过网络将调油数控回传至服务器中，由管理员或工艺人员进行比较或归档，整个生产过程实现网络化、追溯化管理。

2.2 生产数据可视化，利用大数据分析进行生产决策

“中国制造2025”提出以后，信息化与工业化快速融合，信息技术渗透到了传统制造企业产业链的各个环节，条形码、二维码、RFID、工业传感器、工业自动控制系统、工业物联网、ERP(管理信息系统)等技术在离散制造企业中得到广泛应用，尤其是互联网、移动互联网、物联网等新一代信息技术在工业领域的应用，制造企业也进入了互联网工业的新发展阶段，所拥有的数据也日益丰富。制造企业生产线处于高速运转，由生产设备所产生、采集和处理的数据量远大于企业中计算机和人工产生的数据，对数据的实时性要求也更高。

在生产现场，每隔几秒就收集一次数据，利用这些数据可以实现很多形式的分析；在生产工艺改进方面使用这些大数据，就能分析整个生产流程，了解每个环节是如何执行的[4]。一旦有某个流程偏离了标准工艺，就会产生一个报警信号，能更快速地发现错误或者瓶颈所在，也就能更容易解决问题。

例如北京润滑油公司搭建的自动计量实时数据库集成平台，实现HTG自动计量系统与生产运营系统的对接，采集、存储和管控油品液位、油品温度、油品密度、油品净重和油品体积；同步油品密度和物料名称到油罐之星系统；通过搭建生产监控平台实现罐区实时监控管理、实时过程数据管理、质量管理；依托实时数据库，根据业务需求开发相关统计报表。

2.3 生产文档无纸化，实现高效、绿色制造

构建绿色制造体系，建设绿色工厂，实现生产洁净化、废物资源化、能源低碳化是“中国制造2025”实现“制造大国”走向“制造强国”的重要战略之一。目前在传统制造企业中产生繁多的纸质文件，如工艺过程卡片、生产运行记录、质量文件、操作程序等等，这些纸质文件大多分散管理，不便于快速查找、集中共享和实时追踪，而且易产生大量的纸张浪费、丢失等。

生产文档进行无纸化管理后，工作人员在生产现场即可快速查询、浏览、下载所需要的生产信息。生产过程中产生的资料能够即时进行归档保存，大幅降低基于纸质文档的人工传递及流转，从而杜绝了文件、数据丢失，进一步提高了生产准备效率和生产作业效率，实现绿色、无纸化生产。

2.4 生产过程透明化，智能工厂的“神经”系统

“中国制造2025”明确提出推进制造过程智能化，通过建设智能工厂，促进制造工艺的数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制，进而实现整个过程的智能管控。在传统制造行业，企业发展智能制造的核心目的是拓展产品价值空间，侧重从单台设备自动化和产品智能化入手，基于生产效率和产品效能的提升实现价值增长。因此其智能工厂建设模式为推进生产设备(生产线)智能化，通过引进各类符合生产所需的智能装备，建立基于制造执行系统(MES)的车间级智能生产单元，提高精准制造、敏捷制造、透明制造的能力。

传统制造企业生产现场，MES在实现生产过程的自动化、智能化、数字化等方面发挥着巨大作用。首先，MES借助信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理，减少企业内部无附加值活动，有效地指导工厂生产运作过程，提高企业及时交货能力。其次，MES在企业和供应链间以双向交互的形式提供生产活动的基础信息，使计划、生产、资源三者密切配合，从而确保决策者和各级管理者可以在最短的时间内掌握生产现场的变化，做出准确的判断并制定快速的应对措施，保证生产计划得到合理而快速的修正、生产流程畅通、资源充分有效地得到利用，进而最大限度地发挥生产效率。

2.5 生产现场无人化，真正做到“无人”工厂

“中国制造2025”推动了工业机器人、机械手臂等智能设备的广泛应用，使工厂无人化制造成为可能。在智能制造企业生产现场，数控加工中心、智能机器人和三坐标测量仪及其他所有柔性化制造单元进行自动化排产调度，工件、物料进行自动化装卸调度，可以达到无人值守的全自动化生产模式(Lights Out MFG)。在不间断单元自动化生产的情况下，管理生产任务优先和暂缓，远程查看管理单元内的生产状态情况，如果生产中遇到问题，一旦解决，立即恢复自动化生产，整个生产过程无需人工参与，真正实现“无人”智能生产。

传统制造业智能工厂的五个方向，旨在借助全球先进智能工厂整体解决方案这一生产力引擎，打破组织边界，将企业整个生产现场都纳入到管理网络中，深刻地改变着制造模式、流程乃至整个制造业的结构，将有力推动整个制造业的转型升级。

3 润滑油企业目前存在的问题和解决方案

3.1 传统企业目前存在的主要问题

对于“工业4.0”并没有一个指定的路线指示图，“中国制造2025”如何制造，关键是企业如何根据自身情况选择切入点。在传统企业中，通常会分为两个大的部门，一个是生产部门，一个是业务部门。前者通过MES管理，后者通过ERP来管理。目前润滑油生产厂的很多车间里，各个生产设备之间、生产设备和控制器之间，都已经基本实现了基础的连通。如上面所述的先进润滑油技术应用，做的好的公司已经通过MES连通起来，而业务部门全部通过ERP连通起来。

关键的问题就是ERP和MES其实并没有连起来，所以当ERP给MES下达生产计划指令后，MES在生产过程中发生了与计划偏差的事项(比如设备坏了，原料不合格等等)，MES会根据车间的实际情况进行调整。但是ERP是不知道的，所以它会继续按照原本的计划执行订单，时间久了，财务系统和工厂的实际情况就会出现非常大的偏差。所以工厂车间通常会定期把MES的调整项做成一个表，交给业务部门，然后由业务部门手动在ERP中调整过来。这样就没有体现出先进管理工具的优越性，工作效率低下，人工多，增加了人工错误的发生。分析问题出现的两个原因，首先是ERP和MES的开发公司通常是两拨人，搞财务的和搞生产的不懂对方的工作，连接不上。另外，最重要的一点是业务部门和生产部门在独立运行，没有人员能把分开运营的两个部分工作融会贯通，缺乏具有“中国制造2025”与“工业4.0”管理模式下的跨时代技术人员。

3.2 传统制造行业的智能工厂升级之路

通往“工业4.0”的道路上不可放弃的原则是一个清晰的，定义准确的数字化战略。企业可以从其中的几个领域出发研究现有系统，比如引入一个简单的机器数据收集系统。经过软硬件层面的集成，企业就拥有了全新高质量的数据，这样也为“工业4.0”其他举措的实施打下了基础。然而，要实现飞跃性的发展需要依靠整条价值链的重新布局。一家企业不应该在这条变革路径上寻求固定方案，而是将“工业4.0”看作是一个创新驱动力，它以现有技术标准为基础为企业开启新的可能[5]。

3.2.1 以智能工厂为方向的流程制造

建设智能工厂，工厂总体设计、工程设计、工艺流程及布局均应该建立较完善的系统模型，并进行模拟仿真、设计，相关的数据进入企业核心数据库；配置符合设计要求的数据采集系统和先进控制系统；建立实时数据库平台，并与过程控制、生产管理系统实现互通集成，工厂生产实现基于工业互联网的信息共享及优化管理；建立MES，并与ERP集成，实现生产模型化分析决策、过程的量化管理、成本和质量的动态跟踪；建立ERP，在供应链管理中实现了原材料和生产成品配送的管理与优化。

3.2.2 以数字化车间为方向的离散制造

建设数字化车间，车间总体设计、工艺流程及布局均应建立数字化模型，并进行模拟仿真，实现规划、生产、运营全流程数字化管理；计算机辅助工艺规划(CAPP)、设计和工艺路线仿真、产品信息能够贯穿于设计、制造、质量、物流等环节，实现产品的全生命周期管理(PLM)；建立生产过程数据采集和监视控制系统(SCADA)，能充分采集生产现场信息，并与车间制造执行系统实现数据集成和分析；建立MES，实现全过程闭环管理，并与ERP集成[6]；建立了车间级的工业通信网络。利用云计算、大数据等新一代信息技术，在保障信息安全的前提下，实现经营、管理和决策的智能优化。

4 结论

事实上，所有行业的制造企业都需要在一个整合的IT系统或者从多个IT系统中合并包含电子数据表的工作下管理业务流程信息。在这些系统当中许多典型的领域需要被特别予以关注，如设备、工具、质量、工艺等等。在许多制造企业中，生产现场只有很有限的IT系统，并且这些系统通常以机械控制与自动化为导向；或者根本是没有IT系统，从而必须有额外的管理人员，花额外的时间，为了不必要的沟通、联络、接洽、电话咨询，产生了很多文件，时间耽搁，查找，增加了额外的成本。上层、执行层的管理与下层车间环境之间产生了断层，因此出现了低效率与附加成本，从而降低整个公司的绩效。

总之，智能制造的本质是实现贯穿企业设备层、控制层、管理层等不同层面的纵向集成，跨企业价值网络的横向集成，以及从产品全生命周期的端到端集成，标准化是确保实现全方位集成的关键途径。结合智能制造技术架构和产业结构，从系统架构、价值链和产品生命周期等三个维度构建了智能制造标准化参考模型，有助于认识和理解智能制造标准的对象、边界、各部分的层级关系和内在联系。