潤滑油生產如何在“工業4.0”環境做到智能制造

溫立國，韓慶華

(1.中國石油濟南潤滑油銷售分公司，山東 青島 266061； 2.中國石油大慶分公司，黑龍江 大慶 163411)

0 引言

2017年3月5日，在《2017年政府工作報告》里，李克強總理指出，要大力改造提升傳統產業，深入實施“中國制造2025”，加快大數據、云計算、物聯網應用，以新技術新業態新模式，推動傳統產業生產、管理和營銷模式變革。把發展智能制造作為主攻方向，以多種方式支持技術改造，促進傳統產業煥發新的蓬勃生機。

“中國制造2025”，吹響了中國“制造”向“智造”升級的進軍號角，發展智能制造已呈如火如荼之勢。潤滑油作為傳統的石油煉制產品，潤滑油企業如何適應“工業4.0”，新模式下如何快速適應市場變化，成為大家思考的主要問題。

解讀“工業4.0”可以了解，符合“工業4.0”模式的生產企業要符合兩點要求：一是“生產智能化”，建立智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現；二是“物流智能化”，主要通過互聯網、物聯網、物流網，整合物流資源，充分發揮現有物流資源供應方的效率。

1 先進的潤滑油生產技術

潤滑油生產工藝流程中，基礎油是潤滑油的主要組分，占總質量的比例大約為85%～95%，添加劑是潤滑油的另一主要組分，占總質量的比例約為5%～15%，兩者通過油泵按照比例加入調合釜中。調合化驗合格后，經過過濾機過濾，用泵打入成品油貯存罐中，以備包裝運輸。

1.1 同步計量調合(SMB)

1.1.1 同步計量調合的工藝過程

同步計量調合的原料組分由各原料罐通過專用管線輸送。調合生產時，設備都由計算機控制，裝置的各個通道同時輸送至流量計計量，利用自動閥門來控制組分的進料量。出料的集合管送至調合罐，在調合釜中實現組分配比，完成均勻混合。全部調合密閉操作，防止了油品氧化，降低了油品損耗。

1.1.2 同步計量調合的工藝特點

同步計量調合工藝用于目前中高檔潤滑油產品的大批量調合生產中，相對于傳統的泵循環式的落后生產工藝能大幅縮短生產周期并降低生產過程能源消耗。 同步計量調合其計量精確、操作簡單、原料切換容易，在潤滑油調合生產中發揮更加快速、高效的功能。

1.2 脈沖氣動調合

1.2.1 脈沖氣動調合工藝流程

近10年來，一種帶有革命性的領先科技正在悄然興起，被科技界稱之為“調合生產方式的一次巨大革命——脈沖氣動調合”自動控制系統。概括地說，“脈沖氣動調合系統”就是把現代的控制理論應用到油品生產中，以先進的控制方式來操縱潤滑油調合的整個生產過程。按事先設定好的脈沖頻率、延時和壓力等參數，通過現場一整套特殊的控制裝置和安裝在調合罐內的集氣盤，產生動力強大的大氣泡。大氣泡產生以后，自下而上，自上而下地攪動油品，使油品中的各種組分在極短的時間內被均勻地混合，從而達到合格的產品質量[1]。

1.2.2 “脈沖氣動調合系統”的特點和優越性

(1)高效：采用“脈沖氣動調合系統”往往可以在傳統生產方式調合一罐油的時間內完成三到四罐的調合批量。這種高效的生產方式，可使工廠在現有調合罐不增加的前提下，使產量提高2～3倍。

(2)穩定：采用“脈沖氣動調合系統”，配合傳統的“機械攪拌”，促使添加劑更加均勻地與基礎油融合，進一步提高了成品潤滑油質量的穩定性。

(3)安全：生產現場使用氣動執行機構來操縱整個調合生產的過程，可有效地防止電器帶來的火災隱患。

(4)免維修：因為在調合罐內唯一循環運動的物體就是被調合的各組分。沒有機械運動部件，不存在機械故障，也沒有可覺察到的磨損，故不需要停產維修。

(5)降低加熱要求：由于“脈沖氣動調合系統”形成的大氣泡具有強勁的能力，能迅速地攪動調合罐內的各種組分，使其不停地上下循環運動，可有效地使上下油品快速運動，降低或減少了對調合罐油品加熱的溫度和時間，這意味著能徹底解決因過度加熱，導致油品氧化變質的可能。

(6)多罐控制：把現代先進的電腦控制技術應用到了“脈沖氣動調合系統”上。通過工業上的“可編程序邏輯控制器(PLC)”操縱多座調合罐，同時或者分別進行調合。現場的“電—氣脈沖信號轉換裝置”(EPI)可以把來自“控制中心”(PPC)的指令由電信號轉換為脈沖氣動信號。指揮現場一系列氣動執行機構，按步就班地進行操作，最終達到理想的調合效果。

1.3 儲罐自動計量系統

1.3.1 基本靜壓法

儲罐自動化計量系統方案采用靜壓法測量原理，靜壓法計量系統英文縮寫為HTG，它是通過壓力或差壓變送器測量油品介質作用在罐底部靜壓的方法來測量油罐內介質的質量，系統計量精度優于2‰。即：每罐安裝一臺壓力變送器，一臺數字溫度變送器，一臺罐前處理器。整套計量系統采用現今世界上廣泛應用的現場總線智能化裝置和標準的數字式通訊鏈路，可進行全數字化、雙向、多站總線式的信息數字通訊，實現相互操作以及數據共享，進而完成點到點、一機到多機的網絡化數字通訊。

1.3.2 儲罐自動計量系統的優點

采用現場總線技術將儲罐現場設備(如壓力變送器、數字溫度變送器、儀表與執行機構)與工業過程控制單元(如現場處理器)互連而成計算機網絡。該網絡具有全數字化、分散、雙向傳輸和多分支的特點，系統完整地實現了控制技術、計算機技術與通訊技術的集成。系統采用的分散的功能模塊，既便于系統維護、管理、擴展，又提高了系統運行的可靠性。網絡數據通訊采用基帶傳輸，數據傳輸速率高，實時性好，抗干擾能力強。

1.4 自動潤滑油灌裝系統

1.4.1 潤滑油灌裝生產線運行流程

全自動潤滑油灌裝生產線是油類灌裝機械的一種，是大型的綜合性油類灌裝設備。它采用自動化技術，集光、電、機、氣為一體，具有高效、智能化、適應性廣、穩定性好等特點，是現代化的整合式灌裝設備。全自動灌裝生產線由上桶機、灌裝機、旋蓋機、鋁箔封口、上蓋機、輸送機、防偽貼標機、噴碼機等單機組成。

上桶機檢測空桶灌裝位置，空桶經過上桶機輸送入灌裝機中。灌裝機兩側雙排灌裝，每側8個灌裝頭，通過壓力傳感器可以設定灌裝量，灌裝量根據包裝規格設定，灌裝后由輸送帶送到壓蓋機。目前有鋁箔封口和壓蓋封口兩種包裝。裝箱規格設定為6桶每箱或者12桶每箱，紙箱通過開箱機，先封底后輸送到裝箱機部分，裝箱機完成桶裝油品裝入工作，并添加合格證。包裝成箱的油品在進入碼垛機前需要粘貼防偽標識，碼垛機根據設定好的程序，每托盤27箱或者每托盤36箱進行碼垛，堆放在托盤上送入倉庫。

1.4.2 潤滑油灌裝生產線的特點：

(1)自動化程度高，操作簡便，運行穩定，提高生產效率，節省企業成本。

(2)各單機能獨立完成其工作，有獨立的操作系統，以及數控顯示等電器元件來控制調整各參數，并顯示設定。能幫助企業實現標準化生產。

(3)各單機聯動、并且調整快速、簡單，保證生產的每個工序協調。

(4)各單機能適應多種規格的包裝，生產線運行平穩，各功能組合方便，維修方便，可根據產品工藝要求進行多種生產組合[2]。

2 智能工廠系統設計

智能工廠，就是利用各種現代化的技術，實現工廠的辦公、管理及生產自動化，達到加強及規范企業管理、減少工作失誤、堵塞各種漏洞、提高工作效率、進行安全生產、提供決策參考、加強外界聯系、拓寬國際市場的目的。智能工廠動態管理系統可以動態地掌握訂單情況、進度情況、在制品情況、包括用工、用料的成本變化，可快速響應客戶需求，幫助企業實現端到端的服務，從消費者到制造者。重點解決企業在制造過程中的不協調、不同步、不一致導致的大量人力、物力、財力的浪費問題，更重要的是解決企業針對多種類、小批量訂單響應客戶速度慢的問題。

在“中國制造2025”及“工業4.0”信息物理融合系統CPS的支持下，傳統制造業需要實現生產設備網絡化、生產數據可視化、生產文檔無紙化、生產過程透明化、生產現場無人化等先進技術應用，做到縱向、橫向和端到端的集成，以實現優質、高效、低耗、清潔、靈活的生產，從而建立基于工業大數據和“互聯網”的智能工廠。

2.1 生產設備網絡化，實現車間物聯網

工業物聯網的提出給“中國制造2025”、“工業4.0”提供了一個新的突破口。物聯網是指通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，其目的是實現物與物、物與人、所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制[3]。傳統的工業生產采用M2M(Machine to Machine)的通信模式，實現了設備與設備間的通信，而物聯網通過Things to Things的通信方式實現人、設備和系統三者之間的智能化、交互式無縫連接。

傳統制造企業車間在生產過程中，將所有的設備及工位統一聯網管理，使設備與設備之間、設備與計算機之間能夠聯網通訊，設備與工位人員緊密關聯。如：工藝技術人員可以在自己的計算機上進行配方設定，將配方上傳至服務器，調合操作可以在生產現場通過生產控制程序下載所需要的配方，待調合任務完成后，再通過網絡將調油數控回傳至服務器中，由管理員或工藝人員進行比較或歸檔，整個生產過程實現網絡化、追溯化管理。

2.2 生產數據可視化，利用大數據分析進行生產決策

“中國制造2025”提出以后，信息化與工業化快速融合，信息技術滲透到了傳統制造企業產業鏈的各個環節，條形碼、二維碼、RFID、工業傳感器、工業自動控制系統、工業物聯網、ERP(管理信息系統)等技術在離散制造企業中得到廣泛應用，尤其是互聯網、移動互聯網、物聯網等新一代信息技術在工業領域的應用，制造企業也進入了互聯網工業的新發展階段，所擁有的數據也日益豐富。制造企業生產線處于高速運轉，由生產設備所產生、采集和處理的數據量遠大于企業中計算機和人工產生的數據，對數據的實時性要求也更高。

在生產現場，每隔幾秒就收集一次數據，利用這些數據可以實現很多形式的分析；在生產工藝改進方面使用這些大數據，就能分析整個生產流程，了解每個環節是如何執行的[4]。一旦有某個流程偏離了標準工藝，就會產生一個報警信號，能更快速地發現錯誤或者瓶頸所在，也就能更容易解決問題。

例如北京潤滑油公司搭建的自動計量實時數據庫集成平臺，實現HTG自動計量系統與生產運營系統的對接，采集、存儲和管控油品液位、油品溫度、油品密度、油品凈重和油品體積；同步油品密度和物料名稱到油罐之星系統；通過搭建生產監控平臺實現罐區實時監控管理、實時過程數據管理、質量管理；依托實時數據庫，根據業務需求開發相關統計報表。

2.3 生產文檔無紙化，實現高效、綠色制造

構建綠色制造體系，建設綠色工廠，實現生產潔凈化、廢物資源化、能源低碳化是“中國制造2025”實現“制造大國”走向“制造強國”的重要戰略之一。目前在傳統制造企業中產生繁多的紙質文件，如工藝過程卡片、生產運行記錄、質量文件、操作程序等等，這些紙質文件大多分散管理，不便于快速查找、集中共享和實時追蹤，而且易產生大量的紙張浪費、丟失等。

生產文檔進行無紙化管理后，工作人員在生產現場即可快速查詢、瀏覽、下載所需要的生產信息。生產過程中產生的資料能夠即時進行歸檔保存，大幅降低基于紙質文檔的人工傳遞及流轉，從而杜絕了文件、數據丟失，進一步提高了生產準備效率和生產作業效率，實現綠色、無紙化生產。

2.4 生產過程透明化，智能工廠的“神經”系統

“中國制造2025”明確提出推進制造過程智能化，通過建設智能工廠，促進制造工藝的數字化控制、狀態信息實時監測和自適應控制，進而實現整個過程的智能管控。在傳統制造行業，企業發展智能制造的核心目的是拓展產品價值空間，側重從單臺設備自動化和產品智能化入手，基于生產效率和產品效能的提升實現價值增長。因此其智能工廠建設模式為推進生產設備(生產線)智能化，通過引進各類符合生產所需的智能裝備，建立基于制造執行系統(MES)的車間級智能生產單元，提高精準制造、敏捷制造、透明制造的能力。

傳統制造企業生產現場，MES在實現生產過程的自動化、智能化、數字化等方面發揮著巨大作用。首先，MES借助信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理，減少企業內部無附加值活動，有效地指導工廠生產運作過程，提高企業及時交貨能力。其次，MES在企業和供應鏈間以雙向交互的形式提供生產活動的基礎信息，使計劃、生產、資源三者密切配合，從而確保決策者和各級管理者可以在最短的時間內掌握生產現場的變化，做出準確的判斷并制定快速的應對措施，保證生產計劃得到合理而快速的修正、生產流程暢通、資源充分有效地得到利用，進而最大限度地發揮生產效率。

2.5 生產現場無人化，真正做到“無人”工廠

“中國制造2025”推動了工業機器人、機械手臂等智能設備的廣泛應用，使工廠無人化制造成為可能。在智能制造企業生產現場，數控加工中心、智能機器人和三坐標測量儀及其他所有柔性化制造單元進行自動化排產調度，工件、物料進行自動化裝卸調度，可以達到無人值守的全自動化生產模式(Lights Out MFG)。在不間斷單元自動化生產的情況下，管理生產任務優先和暫緩，遠程查看管理單元內的生產狀態情況，如果生產中遇到問題，一旦解決，立即恢復自動化生產，整個生產過程無需人工參與，真正實現“無人”智能生產。

傳統制造業智能工廠的五個方向，旨在借助全球先進智能工廠整體解決方案這一生產力引擎，打破組織邊界，將企業整個生產現場都納入到管理網絡中，深刻地改變著制造模式、流程乃至整個制造業的結構，將有力推動整個制造業的轉型升級。

3 潤滑油企業目前存在的問題和解決方案

3.1 傳統企業目前存在的主要問題

對于“工業4.0”并沒有一個指定的路線指示圖，“中國制造2025”如何制造，關鍵是企業如何根據自身情況選擇切入點。在傳統企業中，通常會分為兩個大的部門，一個是生產部門，一個是業務部門。前者通過MES管理，后者通過ERP來管理。目前潤滑油生產廠的很多車間里，各個生產設備之間、生產設備和控制器之間，都已經基本實現了基礎的連通。如上面所述的先進潤滑油技術應用，做的好的公司已經通過MES連通起來，而業務部門全部通過ERP連通起來。

關鍵的問題就是ERP和MES其實并沒有連起來，所以當ERP給MES下達生產計劃指令后，MES在生產過程中發生了與計劃偏差的事項(比如設備壞了，原料不合格等等)，MES會根據車間的實際情況進行調整。但是ERP是不知道的，所以它會繼續按照原本的計劃執行訂單，時間久了，財務系統和工廠的實際情況就會出現非常大的偏差。所以工廠車間通常會定期把MES的調整項做成一個表，交給業務部門，然后由業務部門手動在ERP中調整過來。這樣就沒有體現出先進管理工具的優越性，工作效率低下，人工多，增加了人工錯誤的發生。分析問題出現的兩個原因，首先是ERP和MES的開發公司通常是兩撥人，搞財務的和搞生產的不懂對方的工作，連接不上。另外，最重要的一點是業務部門和生產部門在獨立運行，沒有人員能把分開運營的兩個部分工作融會貫通，缺乏具有“中國制造2025”與“工業4.0”管理模式下的跨時代技術人員。

3.2 傳統制造行業的智能工廠升級之路

通往“工業4.0”的道路上不可放棄的原則是一個清晰的，定義準確的數字化戰略。企業可以從其中的幾個領域出發研究現有系統，比如引入一個簡單的機器數據收集系統。經過軟硬件層面的集成，企業就擁有了全新高質量的數據，這樣也為“工業4.0”其他舉措的實施打下了基礎。然而，要實現飛躍性的發展需要依靠整條價值鏈的重新布局。一家企業不應該在這條變革路徑上尋求固定方案，而是將“工業4.0”看作是一個創新驅動力，它以現有技術標準為基礎為企業開啟新的可能[5]。

3.2.1 以智能工廠為方向的流程制造

建設智能工廠，工廠總體設計、工程設計、工藝流程及布局均應該建立較完善的系統模型，并進行模擬仿真、設計，相關的數據進入企業核心數據庫；配置符合設計要求的數據采集系統和先進控制系統；建立實時數據庫平臺，并與過程控制、生產管理系統實現互通集成，工廠生產實現基于工業互聯網的信息共享及優化管理；建立MES，并與ERP集成，實現生產模型化分析決策、過程的量化管理、成本和質量的動態跟蹤；建立ERP，在供應鏈管理中實現了原材料和生產成品配送的管理與優化。

3.2.2 以數字化車間為方向的離散制造

建設數字化車間，車間總體設計、工藝流程及布局均應建立數字化模型，并進行模擬仿真，實現規劃、生產、運營全流程數字化管理；計算機輔助工藝規劃(CAPP)、設計和工藝路線仿真、產品信息能夠貫穿于設計、制造、質量、物流等環節，實現產品的全生命周期管理(PLM)；建立生產過程數據采集和監視控制系統(SCADA)，能充分采集生產現場信息，并與車間制造執行系統實現數據集成和分析；建立MES，實現全過程閉環管理，并與ERP集成[6]；建立了車間級的工業通信網絡。利用云計算、大數據等新一代信息技術，在保障信息安全的前提下，實現經營、管理和決策的智能優化。

4 結論

事實上，所有行業的制造企業都需要在一個整合的IT系統或者從多個IT系統中合并包含電子數據表的工作下管理業務流程信息。在這些系統當中許多典型的領域需要被特別予以關注，如設備、工具、質量、工藝等等。在許多制造企業中，生產現場只有很有限的IT系統，并且這些系統通常以機械控制與自動化為導向；或者根本是沒有IT系統，從而必須有額外的管理人員，花額外的時間，為了不必要的溝通、聯絡、接洽、電話咨詢，產生了很多文件，時間耽擱，查找，增加了額外的成本。上層、執行層的管理與下層車間環境之間產生了斷層，因此出現了低效率與附加成本，從而降低整個公司的績效。

總之，智能制造的本質是實現貫穿企業設備層、控制層、管理層等不同層面的縱向集成，跨企業價值網絡的橫向集成，以及從產品全生命周期的端到端集成，標準化是確保實現全方位集成的關鍵途徑。結合智能制造技術架構和產業結構，從系統架構、價值鏈和產品生命周期等三個維度構建了智能制造標準化參考模型，有助于認識和理解智能制造標準的對象、邊界、各部分的層級關系和內在聯系。