焊管生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究

魏耀華，黃繼慶，李 立，閔祥玲，何志偉，何俊鵬，孫 磊，張占國(guó)

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司研究院，河北滄州 062658；2.中國(guó)石油集團(tuán)中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100028）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，利用現(xiàn)代通信技術(shù)，把待識(shí)別物體與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。這種技術(shù)被認(rèn)為是全球信息化產(chǎn)業(yè)的新一次科技革命，倍受各界人士、學(xué)者、企業(yè)和政府重視，很多發(fā)達(dá)國(guó)家甚至將其納入信息化戰(zhàn)略目標(biāo)。

“裝備制造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”是中國(guó)石油集團(tuán)“十三五信息化總體規(guī)劃”中的一個(gè)重要項(xiàng)目。契合了信息化與工業(yè)化“兩化融合”“促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)”的理念，符合穩(wěn)增長(zhǎng)、調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式的工作方向，可提升裝備制造企業(yè)的智能制造與智能服務(wù)水平。下面以中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司的焊管生產(chǎn)線為例，對(duì)連續(xù)型生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需求及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究。

1 焊管生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)情況

1.1 焊管生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的必要性

焊管生產(chǎn)線屬于連續(xù)型生產(chǎn)線，工序種類繁多，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要記錄大量的過(guò)程生產(chǎn)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中，受裝備自動(dòng)化水平及產(chǎn)線信息化程度不高等因素的限制，產(chǎn)品加工過(guò)程數(shù)據(jù)多為人工測(cè)量，采用手寫記錄或手動(dòng)錄入管理系統(tǒng)，這樣就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和記錄的可靠性帶來(lái)不確定性，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程異常數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測(cè)和預(yù)警，給生產(chǎn)線產(chǎn)品的質(zhì)量控制和質(zhì)量追溯帶來(lái)一定隱患。所以，進(jìn)行焊管生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是很有必要的。

1.2 焊管生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)的作用和需求

建設(shè)焊管生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)，可以對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的過(guò)程管控、提高生產(chǎn)效率、減少一線用工數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)提質(zhì)增效的目標(biāo)。通過(guò)自動(dòng)化與信息化融合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)，為大數(shù)據(jù)應(yīng)用做好準(zhǔn)備。焊管生產(chǎn)線的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需求見表1。

表1 焊管生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需求表

1.3 實(shí)施方法

（2）通過(guò)焊管生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，對(duì)底層設(shè)備接口進(jìn)行改造，并在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)增加感知設(shè)備，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)，傳到云端計(jì)算優(yōu)化工藝參數(shù)后與現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)集成，提高企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與應(yīng)用的水平，最終實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)、提高企業(yè)的綜合生產(chǎn)效率。

（3）通過(guò)與ERP、MES、CRM（Customer Relationship Management，客戶關(guān)系管理）等信息系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，可提高管理生產(chǎn)管理效率和質(zhì)量管理水平。

1.4 實(shí)施意義

（1）提高企業(yè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)的協(xié)同化。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，例如RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別）技術(shù)等將企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)業(yè)務(wù)和企業(yè)物流管理將企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)業(yè)務(wù)和物流管理的高度協(xié)同化，提升企業(yè)的生產(chǎn)效率，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

（2）實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的智能化。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，時(shí)刻對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備狀態(tài)、材料使用狀況和成品質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督，通過(guò)對(duì)其三者之間的關(guān)系不斷監(jiān)督、控制、優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的智能化。

（3）普及企業(yè)產(chǎn)品服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化。在產(chǎn)品和設(shè)備中加入RFID 或傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備之間的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，不僅能夠使企業(yè)生產(chǎn)成本的降低，還可以令企業(yè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)的全程化服務(wù)，有效提高企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量，使企業(yè)由生產(chǎn)型企業(yè)向服務(wù)型企業(yè)轉(zhuǎn)變。

（4）促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)管理安全化。由于在各種設(shè)備之中嵌入了各種電子標(biāo)簽，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)存在危險(xiǎn)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控感知，在危險(xiǎn)發(fā)生之前發(fā)出安全警報(bào)，提高企業(yè)生產(chǎn)安全水平。

2 焊管生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)情況

焊管生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分為3 個(gè)層次，自下而上依次為采集層、傳輸層、應(yīng)用層（圖1）。焊管生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)主要實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集、工藝數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、在線物流跟蹤、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、綜合利用等。

圖1 焊管生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

2.1 焊管生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集

通過(guò)OPC（OLE for Process Control，用于過(guò)程控制的對(duì)象連接與嵌入）服務(wù)器和OPC Client 均部署在控制網(wǎng)：從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集和向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)按照OPC 協(xié)議通過(guò)OPC服務(wù)器進(jìn)行交互；用于追溯和分析的“管號(hào)、工藝、質(zhì)量數(shù)據(jù)”傳送至生產(chǎn)網(wǎng)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)后存儲(chǔ)進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)（圖2）。

一個(gè)成功的企業(yè)應(yīng)該以人為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn),通過(guò)激發(fā)和調(diào)動(dòng)人的主動(dòng)性、積極性、創(chuàng)造性來(lái)實(shí)現(xiàn)人與企業(yè)發(fā)展的共同目標(biāo)。

圖2 采集數(shù)據(jù)流向

生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用，包括生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)與應(yīng)用、成品信息自動(dòng)識(shí)別與處理等功能。支持現(xiàn)場(chǎng)多種數(shù)據(jù)采集協(xié)議，并與現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行整合（圖3）。

圖3 焊管生產(chǎn)線二維碼噴涂及識(shí)別系統(tǒng)

應(yīng)用實(shí)例：

（1）鋼管焊接工藝數(shù)據(jù)采集。通過(guò)OPC Server 采集了預(yù)焊，內(nèi)焊、外焊等5 臺(tái)焊接設(shè)備上生產(chǎn)工藝實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、焊接速度、送絲扭矩、偏移量等多個(gè)采集點(diǎn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳入SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），綁定相應(yīng)鋼管號(hào)匯聚物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與查詢。

（2）鋼管外形幾何數(shù)據(jù)采集。采集擴(kuò)徑后測(cè)量設(shè)備、終檢測(cè)量設(shè)備鋼管的鋼管直徑、橢圓度、周長(zhǎng)、壁厚、鈍邊、坡口、不圓度等多項(xiàng)關(guān)鍵質(zhì)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳入SCADA，再通過(guò)鋼管在線掃描將管號(hào)和采集數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)綁定，然后上傳物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)查詢。

（3）鋼管理化性能數(shù)據(jù)采集。理化性能采集數(shù)據(jù)主要包括樣品號(hào)、設(shè)備編號(hào)、設(shè)備型號(hào)、設(shè)備名稱、樣品號(hào)、樣品長(zhǎng)度、寬度、溫度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、沖擊功等，實(shí)現(xiàn)了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)，全部數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)存入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，完成監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)查詢。

2.2 焊管生產(chǎn)線數(shù)據(jù)傳輸

基于多種網(wǎng)絡(luò)方式，提供標(biāo)準(zhǔn)的消息傳輸協(xié)議：①數(shù)據(jù)傳輸，需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行配置、控制，以及對(duì)數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；②數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，按照數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)傳輸綜合考慮投資成本、部署周期、擴(kuò)展能力、實(shí)施難度、現(xiàn)有資源利用率以及所選無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、安全性、穩(wěn)定性，采用有線+無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式。結(jié)合企業(yè)已有網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)有線傳輸、無(wú)線傳輸、生產(chǎn)網(wǎng)、辦公網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)有機(jī)融合，在生產(chǎn)網(wǎng)與辦公網(wǎng)之間部署單向網(wǎng)閘，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的有效隔離，保證信息安全。

2.3 焊管生產(chǎn)線數(shù)據(jù)應(yīng)用

通過(guò)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)部署物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，對(duì)全流程的生產(chǎn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析、篩選利用，為生產(chǎn)工藝、質(zhì)量的集中監(jiān)控、追溯查詢、分析優(yōu)化提供數(shù)據(jù)。

應(yīng)用實(shí)例：

圖4 鋼管加工工藝監(jiān)測(cè)與分析

圖5 焊接質(zhì)量預(yù)警

圖6 鋼管庫(kù)存及發(fā)運(yùn)

（1）鋼管加工工藝監(jiān)測(cè)與分析：①通過(guò)自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工工藝數(shù)據(jù)和質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)（如管端測(cè)量和鋼管擴(kuò)徑工序）；②將具有相關(guān)性的加工工藝數(shù)據(jù)、在線質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)放在一起做關(guān)聯(lián)曲線分析（如焊接的電流、電壓對(duì)橢圓度變化用于分析焊接電流對(duì)于橢圓度大小的影響）。

（2）成品、鋼管庫(kù)存及發(fā)運(yùn)。堆場(chǎng)和庫(kù)房管理人員使用手持操作終端，以經(jīng)授權(quán)的賬號(hào)登錄后，通過(guò)手持設(shè)備掃描成品鋼管上的條碼或RFID，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別成品信息和在庫(kù)區(qū)垛位上的位置信息。該信息可與ERP、MES 系統(tǒng)集成，自動(dòng)完成成品入庫(kù)、出庫(kù)、移庫(kù)、上料、發(fā)貨等操作。該業(yè)務(wù)操作均支持離線功能。

3 物聯(lián)網(wǎng)安全

為保障焊管生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)信息安全，主要采取以下措施：

（1）通過(guò)在生產(chǎn)網(wǎng)和辦公網(wǎng)之間部署防火墻，保障生產(chǎn)網(wǎng)邊界安全，防止來(lái)自辦公網(wǎng)的病毒入侵和網(wǎng)絡(luò)攻擊。

（2）通過(guò)無(wú)線網(wǎng)自帶的加密算法在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中進(jìn)行加密，同時(shí)無(wú)線網(wǎng)采用與用無(wú)線傳輸頻段，在一定程度上保證了信道安全。

（3）通過(guò)屏蔽信號(hào)干擾，抵御外網(wǎng)用戶通過(guò)無(wú)線鏈路對(duì)生產(chǎn)網(wǎng)的惡意入侵和數(shù)據(jù)竊取。

通過(guò)以上措施，可以確保物聯(lián)網(wǎng)信息的機(jī)密性、完整性、可用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

焊管生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)初見成效，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

（1）初步實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)與設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)了鋼管在線物流跟蹤。

（2）通過(guò)對(duì)已有的ERP、MES、PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）等信息系統(tǒng)資源進(jìn)行有效的集成與整合，使生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到了充分的分析與利用，為生產(chǎn)、質(zhì)量、技術(shù)、工藝、管理等人員提供了及時(shí)便捷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

（3）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的成功應(yīng)用減少了員工的工作量，并且有效提高了數(shù)據(jù)的可靠性與真實(shí)性。

（4）信息化建設(shè)工作始終在路上，未來(lái)還需繼續(xù)提高完善。