测井装备制造信息化系统开发与实践

李安宗,王易敏,谭志力,马骁,王德隆,武延锋

(中国石油集团测井有限公司,陕西西安710077)

0 引 言

新一代信息技术与制造业深度融合,正在引发影响深远的产业变革。智能制造是制造业的发展方向,是先进制造技术与新一代信息技术深度融合的产物,是提高制造业质量、效益和核心竞争力的先进生产方式[1-3]。装备制造信息化系统是智能制造的中级阶段,在数字化基础上,通过构建基于网络的制造系统,实现资源共享与集成[4]。中国石油集团测井有限公司集测井技术研发、装备制造、技术服务和测井资料应用于一体,是中国规模最大的测井专业化技术服务公司,研发制造的产品主要有成像测井、随钻测井、旋转导向、过钻具测井、生产测井仪器及测井工艺工具、射孔器材、钻井仪表等,制造模式属于离散型制造和流程型制造共存。公司已经建立了企业资源规划系统(Enterprise Resource Planning,ERP)、A7/A12生产智能系统等信息化管理平台、产品数据管理系统(Product Data Management,PDM)、制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)。装备制造业务实现了部分数字化,但与智能制造的要求还有很大差距,因此,需要加快装备制造信息化系统的开发与应用。

1 装备制造信息化的必要性

(1)装备制造信息化是装备制造行业的发展趋势。随着“工业互联网”、“工业4.0”、“中国制造2025”等概念的提出,以及物联网、虚拟制造、云计算、大数据分析等信息技术在装备制造行业日益广泛的应用,装备制造行业的生产模式、管理方式呈现出高度灵活、个性化、数字化的发展趋势,装备制造信息化、自动化、智能化成为先进制造业提升管理水平的必要手段[5-6]。

(2)装备制造信息化是中国石油天然气集团有限公司(简称集团公司)对装备制造企业的统一要求。围绕“经营管理信息化、研发设计信息化、生产运行信息化、营销服务信息化和产品设备数字化”进行信息化建设,持续推广三维设计、物联网、虚拟制造、云计算等技术在制造企业的应用。

(3)装备制造信息化是中国石油集团测井有限公司研发、制造、服务、应用一体化发展的需要。测井装备制造在研发和服务应用中起到承上启下的作用,特别是在产能基本饱和、需求不断增加、制造周期急需缩短、维修及技术支持敏捷快速等环境下,实现智能制造是最有效的解决途径。

2 测井装备制造信息化系统设计

2018年《Engineering》刊登文章《Toward New-generation Intelligent Manufacturing》,周济、李培根等多位院士以及专家学者参与撰文,阐述了智能制造发展的3个基本范式。广义而论,智能制造是先进信息技术与先进制造技术的深度融合,贯穿于产品设计、制造、服务等全生命周期的各个环节及相应系统的优化集成,旨在不断提升企业的产品质量、效益、服务水平,减少资源消耗,推动制造业创新、绿色、协调、开放、共享发展。数十年来,智能制造在实践演化中形成许多不同范式,包括精益生产、柔性制造、并行工程、敏捷制造、数字化制造、计算机集成制造、网络制造、云制造、智能化制造等,在指导制造业智能转型中发挥了积极作用。智能制造的3个基本范式是数字化制造、数字化网络化制造、数字化网络化智能化制造(即新一代智能制造),这3个基本范式次第展开、迭代升级[7]。

测井装备制造信息化系统设计的总体思路是按照集团公司“一个整体、两个层次”推进信息化工作的要求,持续推进装备制造信息化工作。总体目标是建立装备制造数字化研发与精益生产管理平台,实现与集团公司统建项目ERP、A7/A12生产智能系统的集成,实现产品设计、工艺、制造、仓储、销售、运维服务一体化全生命周期管理。建立过程透明、受控、规范、信息共享、精细化管理的生产执行体系,提高生产效率与设备利用率,缩短产品制造周期,提高生产管理和信息化水平,达到提高质量、降低成本、增加效益的目的。中国石油集团测井有限公司制造业务信息化建设项目总览见图1,装备制造信息化系统集成架构见图2。

装备制造信息化系统以ERP系统为中心,与A7/A12生产智能系统集成。ERP系统主要以供应链管理为核心,通过优化生产流程,集成物流、资金流、信息流为一体。生产制造模块实现制造物料清单(Bill of Material,BOM)、工艺路线、工作中心、中长期计划、物料需求计划、生产订单、工时确认、订单结算、成本核算等制造成本归集及制造流程管理。

PDM系统主要实现组织管理、权限管理、知识库管理、版本管理、流程管理、编码管理、文档管理、设计BOM管理、变更管理等设计前端管理。该系统建立统一的研发设计和工艺设计管理平台,规范设计流程,统一设计标准,支持设计工艺变更一致性管理,实现异地协同设计、信息融合共享。构建企业唯一的产品数据源,增强数据安全性,保障数据完整性,促进数据共享与重用。该系统建立企业高效的协同工作环境,缩短研制周期,降低研制成本。

MES系统主要实现生产计划管理、生产执行管理、工艺管理、物料管理、质量管理、设备管理、刀具管理、委外管理、生产看板管理、报表及绩效分析、生产监控管理、追溯管理、安灯管理等生产现场及过程控制管理。实现车间现场各类生产数据实时采集和共享应用,使制造过程完全透明化,从而辅助生产操作、管控制造流程、优化生产过程,最终达到降低运行成本、保证产品质量、促进企业精细化管理的目的。

图1 中国石油集团测井有限公司制造业务信息化建设项目总览图

图2 中国石油集团测井有限公司装备制造信息化系统集成架构图

智能仓储系统(Warehouse Management System,WMS)主要实现实物条码扫描、自动收发、仓储可视化监控、安全库存预警、条码打印、滞后料管理、需求计划执行及生产订单配料过程监控、供应商交互、物料配送、产品出入库及产品追溯管理。与ERP系统交互集成,实现物料入库、库内管理、出库、配送、报表及分析、安全库存预警管理的智能化及数字化,及时准确掌握采购供货及库存流转状态,合理控制配送节奏与采购库存。建立智能实体库房,通过自动上架、定位、出库、盘点等方式,优化库房布局、降低管理成本、提高配送效率。

仪器运维系统(Maintenance,Repair & Operations,MRO)主要实现资产信息管理、刻度跟踪、仪器运行数据管理、仪器维修保养信息管理、远程数据监测、维修记录查询、异常监测及故障预警、远程支持等设备的现场使用和维修服务以及质量追溯管理。实现基于仪器出厂检测、刻度跟踪、生产运行状态检测、运行数据管理、维修保养数据管理的仪器信息数据统一管理,基于软件更新、现场维修服务、维修资源管理的维修过程管理,基于远程监控、异常监测、失效预测预警的预防性维修管理,不断提升仪器运维能力,实现维修及备件需求保障规划管理及远程支持服务。

图3 PDM系统架构

结合建立的生产监控指挥大厅,通过看板管理实现对生产制造计划监控、预警管理、数据分析、指挥调度、现场重点部位监控等生产控制管理。通过建立数字化、网络化制造,实现产品全生命周期管理,加快产业模式由以产品为中心向以用户为中心转变,加速产业形态由生产型制造向服务型制造的转变。

3 测井装备制造信息化系统实现

PDM系统的实施重点主要为流程优化、数据整理、知识库建立、异地协同设计和数据安全。数据整理不是数据越全越好,超出PDM系统本身业务的数据不建议因为管理者需要而收集。数据安全是PDM系统的难点,要做好数据的加密方案。不同单位的标准化程度、技术资料基础、流程制度、电脑等硬件配置及运行速度都不尽相同,流程优化要固化到系统中。PDM系统架构见图3。

4)AR技术研发门槛低，一些AR平台开发公司开放了AR设计平台，它提供没有编码经验的用户创建AR技术的体验。

MES系统因其要与多个信息化系统、自动化设备数据、设备管理系统集成,其中还贯穿质量控制和追溯环节,必须保证流程顺畅、数据及时准确,切忌实施过程方案随意变更,如变更必须经过严格评审方可实施。离散型制造与流程型制造实施差异较大,不可完全复制。流程型制造自动化程度较高,数据采集要与设备控制高度集成,实施中一定要结合精益管理,做好产线布局、设备保全(Total Productive Maintenance,TPM)和异常监控,以防因设备故障影响生产线进度。离散型制造要重点关注关键和瓶颈设备,数据采集结合扫码和半自动信息采集进行工时、设备、物料、质量等信息的采集,受到人为因素的影响较大,要结合考核制度,做好人员管理,确保数据的准确性和及时性。MES系统架构见图4。

WMS系统实施重点为实物扫码管理与ERP数据映射,实现实物管理自动化,但需继续加强ERP数据同步。要想实现安全库存预警,需要加强ERP系统库存分析,包括存货数量、供货周期及需求等情况的分析,找出重点物料的安全库存,逐步实现全部物料的安全库存预警。“四号定位”布局要科学合理,自动货架采购或原货架改造要根据单位实际情况进行方案制定。WMS系统架构见图5。

图4 MES系统架构

图5 WMS系统架构

MRO系统是测井装备制造作用最大、最关键的子系统,能极大提高仪器运维能力、实现维修及备件需求保障规划、远程支持服务,从而提高测井作业质量。数据集成节点多,涉及录入的岗位多,要求每个环节数据准确、更新及时。除与PDM、MES、ERP、WMS、A7/A12和车载系统集成外,MRO系统自身要建立维修资源库包括三级维修分类、维修的技术资料和操作文件(视频或动画)、产品升级或改进公告、实物BOM及关键部件或物料的跟踪等,实现维修保养、异常检测、刻度及失效预警、物料追溯等功能。每个数据的质量都会影响系统分析判断,需要新增和修订细则规范,如关键物料与关键部件的规范、故障描述规则的制定,产品三级维修相关规定、技术资料和操作文件的制定,保养及刻度计算公式、异常检测计算公式、维修资料库的管理规定等内容的制定。MRO系统架构见图6。

图6 MRO系统架构

服务器部署主要从统一标准、系统集成、数据集中、运维工作量、投资等方面综合考虑,采用集中式架构。将PDM、MES、WMS、MRO的应用服务器、数据库服务器、文档服务器集中部署在核心机房,用户通过内网直接访问,也可配置备份服务器用于系统备份,有利于数据集中和信息共享,节省投资和运维费用。

系统安全部署主要包括数据安全防护、系统备份以及网络访问性能优化。数据安全防护采用技术措施与管理制度相结合的方式。执行统一的服务器安全基线配置和桌面终端安全防护要求,并通过对重要数据(设计图纸、生产数据等)进行加密、用户访问权限控制、接入终端设备认证、移动存储介质管理、敏感信息监测与隔离等手段,完善安全管理制度,保障系统数据的安全。在系统备份方面,除了服务器自身的备份机制外,计划配备异地备份服务器。经过广域网与局域网改造,结合业务需求不断优化改进网络,保障信息数据传输顺畅,确保系统安全平稳运行。

4 测井装备制造信息化系统实施效果

PDM系统解决了各研发单位协同设计和变更一致性能力不足、设计数据查询效率低、设计标准不统一、设计数据存档分散且存在安全隐患等问题。公用基础数据的建立,使得各类技术标准、流程制度、基础历史产品数据、研发过程数据全部得到梳理及优化。

MRO系统解决了测井装备日常维修保养不可控、设备故障发现不及时、专家经验得不到有效积累和传递、现场维修效率低、维修保养分级不明确、维修周期和备件供应周期长等问题,保障设备持续稳定运行。

WMS和MES系统解决了诸多问题,包括:物料采购信息不透明造成库存积压或缺料、手工录入数据出错或滞后影响生产进度、采购环节不易跟踪督导、原材料入厂及制造过程检验数据存档凌乱和质量分析统计不准确。

5 结 论

通过测井装备制造信息化系统的开发应用,建立了产品设计、制造、采购与仓储、销售、运维服务一体化的全生命周期管理的信息化系统。

(1)做好顶层设计规划。要确保系统的可靠性、易用性及安全性,必须做好顶层设计及总体规划。按照顶层设计、流程优化、深化执行、量化评价、问题导向、全员参与、持续改善的要求,将精益管理和产线建设融入到装备制造信息化中。

(2)做好实现方式和试点选择。实现方式采取集团公司内部信息化项目建设有经验的团队总包方式,与软、硬件厂商、外部咨询实施方、制造单位组成项目组,按照项目制管理。采用“先试点,后推广”的方式,分步分阶段实施。从顶层设计到试点到优化推广,再到深化应用,不断优化迭代,持续完善。

(3)加强企业领导的重视。企业信息化的实施过程就是企业管理层和操作层传统管理习惯的转变过程。领导的高度重视和员工的积极参与很关键,认识项目实施的必要性和艰巨性,是成功实施信息化系统的基础。

(4)保障基础数据。数据是信息化系统运行的基础,是实现信息集成的首要条件,数据准备质量决定项目质量。要建立完善以数据标准、技术标准、管理标准、数据质量标准为主要内容的数据标准体系,遵循整体数据架构,确保同一数据入口唯一,减少重复录入和管理难度,提高数据质量,确保数据交换集成和数据共享,有利于数据后期的持续应用。

(5)加强业务培训及交流。全员培训的目的就是让员工了解信息化系统,转变传统管理习惯,规范员工的业务行为。对培训工作采取全过程、全方位、多层次、多方式的策略,将用户知识培训分为三级,实践表明效果明显。