自动化及智能化技术在石油装备制造行业的应用与发展研究

张春华，宋闻宇，于桐，李显义，沈克

（1.中国石油集团工程技术研究院北石公司，北京 102200；2.中国石油物资有限公司，北京 100029）

1 自动化、智能化在石油装备制造行业的应用

数字化转型能够把现有生产关系和生产要素按照最优原则重新排列组合，发挥最大化合理利用，让现有生产关系和生产要素能够产生更高效的生产力价值。数字化转型大体分3 个阶段，信息化、自动化和智能化，下面以北石公司数字化转型成功案例来介绍。

1.1 厂房柔性生产线的设计与建设

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）的工艺流程及布局数字化建模技术，结合生产流程与生产节拍进行合理化布置，通过三维建模、三维布置，建造了联合厂房柔性生产线，从而保证了生产线柔性制造空间和物流的流转顺畅，提高了各类产品的生产效率。

1.2 产品实现数字化转型

1.2.1液控产品

近些年，公司对液控产品进行了信息化、数字化升级，开发了远程监测平台，通过物联网技术实现在井控指挥中心即可对特定区片设备运行状态进行在线监测管理，并提供设备全生命周期的预防性维护指导，保证井控设备的健康稳定运行，有效推动了井控由现场班组井控向远程专家井控转变。

1.2.2顶驱产品

公司搭建了顶驱远程故障诊断与技术支持平台，实现资源合理分配与调度，采取远程、本地技术支持相结合的方式，创新形成了顶驱控制软件远程推送更新技术，为运行在国内外钻井作业现场的顶驱提供了及时而完善的技术解决方案，显著提高了排查及处理现场复杂问题的效率，有效节约了钻井成本。

1.3 自动刀具仓储系统设计与应用

1.3.1系统组成

整个仓储系统分为2 个立体货柜，单个货柜内部60层，单层承重500kg。每层横向12 个货位，纵向8 个货位。

1.3.2系统用途

自动刀具仓储系统用于管理公司所有机加工刀具。使用时，机床操作者只需把刀具的编号告知该系统管理人员，管理人员在电脑中输入刀具编号后，仓储系统自动将刀具所在层推到管理人员面前，所需刀具位置处会有红灯指示。

1.3.3系统特点

（1）系统通过看板显示领取刀具数量、库存数量，实现对刀具的自动化和智能化管理。采购人员可以根据库存数量及时补充刀具。这样，避免了由于信息不通，致使库存过大或不足，既节约了资金，又能满足生产需要。

（2）系统入口处设有红外光栅，灵敏度高，控制精确，提高了操作者人身安全。

（3）系统具有结构紧凑、空间利用率高、节省占地面积的特点。

该系统的上线使用较好的促进了库存压缩，库存刀具种类涵盖上千种，实物数量可达上万件，整体存储面积近300m2，实际占地面积18m2，节约了成本。

（4）系统可以提供电子数据，通过这些数据可以精确地考核员工的技术水平、加工进度和使用工具的数量，从而对员工进行精确地评价和考核。

1.4 仓储自动化立体仓库设计与应用

1.4.1系统的组成

仓库货架共有6 排，12 层和24 列，总体货位3456 个，单个货位承重480kg，单层承重40800kg。

1.4.2系统的用途

用于仓储各种轴承、密封等标准件及轻型采购、自制物资。新入库物资由库管员对物资进行电脑编号，然后把贴好编号的物资码放到对应的储物筐中，系统机械手自动将储物筐放置到对应的位置；车间需要领用物资时，库管员输入领用物资编号，系统机械手自动寻找物资并把物资运送到出库平台。

1.4.3系统的特点

（1）该系统通过看板显示领用物资数量、库存数量，实现物料管理自动化和智能化。

（2）电子看板可以反映每天入库和出库数量，便于库管人员和后台管理人员实时掌握库存增减情况。

（3）节省了管理人员，提高了工作效率。4 个人员可以实现对4000 余种库存物资进行出、入库等管理工作。

2 自动化、智能化技术应用的效果分析

在生产方式上，以生产设备、加工、装配、物流等的自动化、智能化为导向，落地一批自动化设备和生产线建设，包括自动化上下料生产加工单元、全可溶桥塞装配生产线、AGV（Automated Guided Vehicle，AGV）转运小车、铝板自动装配项目、轴类自动化检测系统等，通过这些数字化车间的建设，公司正在逐步实现生产自动化、智能化管理，降低了生产成本，提高了生产效率，全面提高了企业盈利能力。

2.1 数字化转型缩短了产品设计周期

通过以PDM（Product Data Management,PDM）产品数据管理、ANSYS 有限元分析软件为核心的研发设计平台的搭建，PLM（Product Lifecycle Management,PLM）产品生命周期管理系统和三维软件及有限元分析软件的应用，使得研发设计人员协同工作，在设计过程中进行模拟组装，性能分析，真正实现信息化、智能化设计，缩短了产品研发设计周期。

2.2 数字化转型实现了产品转型升级

一个企业数字化转型是否成功，很大程度上取决于该企业产品是否转型，是否满足客户日益增长的技术需求，北石公司正致力于钻采装备的提升和数字化转型。

2.3 数字化转型实现了产品生产过程透明化

通过以MES(Manufacturing Execution System,MES)生产制造执行系统和DNC（Distributed Numerical Control,DNC）数控设备联网管理系统为核心的智能化生产制造平台搭建，和已经上线的ERP（Enterprise Resource Planning,ERP）企业资源计划系统、DNC 系统、安灯系统、AGV 小车等，实现生产计划、物料管理等数据的实时传送。使得整个生产环节可靠、灵活、高效、柔性。后续还将在自动化设备方面相继投入，节约人力，进一步提高生产效率。

2.4 数字化转型实现了物料信息化、智能化管理

原材料入厂后就有专属的“身份证”品号，这个“身份证”伴随原材料进入生产线，在每一个流程中，都会被相应的设备进行采集和跟踪，并最终存储在统一的数据管理平台中，从而实现对物料智能化管理。

2.5 数字化转型实现了仓储管理更加精准

自动化立体库WMS 系统针对3456 个货位的4000 余种库存进行管理，通过电子看板实时反映每日入库和出库数量，提高了物资管理效益，降低了物资管理难度。

3 自动化、智能化技术应用前景与展望

3.1 设计和应用生产制造执行系统

3.1.1生产制造执行系统（MES）构架设计

MES 是生产制造企业车间执行层的生产信息化、智能化管理系统，为企业提供一个全面、可靠、可行的制造管理协同平台。涵盖计划排产管理、生产调度管理、质量管理、库存管理、看板管理、生产跟踪管理、设备管理、理化实验管理、工具工装管理以及形成制造板块相关数据管理等。MES 系统规划的功能构架见图1。

图1 MES 系统规划的功能构架图

3.1.2生产制造执行系统（MES）功能实现

（1）MES 系统与ERP 系统互联互通，在MES 系统能够自动导入各类产品订单的生产计划，外接显示终端实现类似列车时刻表的订单大表的动态实时显示，具备查询，图表生成，分类汇总等功能。

（2）根据订单交付日期实现自动排产，各分车间在MES 系统就本车间负责订单任务可以进行车间自动详细排产；可用于手动排产，对MES 导入的全厂生产计划进行分解，企业人员根据现场设备现状、操作者、交货期等进行手动排产和派工。

（3）生产进度跟踪可实时了解车间生产的各订单的实际进度及生产瓶颈。

（4）MES 系统与图文档、ERP、DNC、OA(Office Automation,OA)办公自动化等系统互联互通，实现产品订单评审、订单下单、订单生产、订单入库、订单发货、售后服务的一体化闭环管理。

（5）设备台账管理，智能巡检信息化管理，维修维护管理，设备备件管理，设备配件请购，与设备联网系统实现设备运行实时监控，设备故障报警，设备运行统计分析。

（6）在车间关键工位、关键件加工区、装配区设置相应安全库存对比看板，工单领料及库存相关情况对比看板，请购物资采购进度看板，进货检验看板等，把相应人员需要的数据展示出来，以便高效开展工作。

（7）自动形成各种生产报表。MES 系统可根据数据源生成相关报表：设备故障统计表，设备运行统计表，支持自由选取时间跨度、对象进行统计。以及生成销售订单自动补录到生成生产计划报表、各产品订单生产完成及未完成统计报表等，并实现手机终端的查询。

3.2 物料自动运输系统设计与应用效果

3.2.1系统的功能

物料自动运输系统是一种小型无人驾驶卡车AGV，采用最先进工业潜伏式转运车。它可以在各生产工序间移动，由中心计算机控制，可在较光滑的无障碍物的工厂通道内自由行驶。

3.2.2系统的效果

（1）AGV 首先可以解决关键工序中，运输量大、频繁的工序，解决由于运送跟不上而中断的生产问题。

（2）实现运输管理智能化。装配人员自己可以根据装配进度调度AGV 机器人，实现只在需要的时候运送必要物料。

（3）实现区域运输无人化。既减少了操作人员，又提升转运效率，转运效率可以提升25%以上。

3.3 展望

通过自动化、智能化技术应用，逐步实现“订单、技术、生产、设备管理、质量控制、检验、物流”等各系统、各要素的管控一体化，有效缩短产品的产出周期，提高产品按期完成率和产品服务质量，从而提高公司整体生产运营效率，提高顾客对产品的满意度，使产品更具有市场竞争力。智能制造整体架构设计见图2 智能制造整体架构设计框图。

图2 智能制造整体架构设计框图

以智能化、准时化为主线，结合精益生产思想，融合信息化，运用高档数控机床、工业机器人、柔性制造、视觉检测等关键技术装备，着眼于自动化、标准化、少人化，打造智能制造+物联网+绿色制造的新型智能制造企业。

4 结语

北石公司是国资委2020 年首批“科改”示范单位，积极实施“中国制造2025”国家战略，加快制造业转型升级。公司积极推动以PDM、ANSYS 为核心的研发设计平台的搭建，以MES 和DNC 为核心的智能化生产制造平台，强化设备互联、数据链接、智能检测，系统规划建设智能工厂、绿色工厂，实现黑灯工厂，减少用工总量，提高劳动生产效率，加快向数字化、科技型企业转型升级。