物聯網在螺旋埋弧焊管生產線建設中的應用

劉宇翔， 段素梅， 劉 剛， 王小鋼， 牟志強， 陳立濤

（寶雞石油鋼管有限責任公司， 陜西 寶雞721008）

1 概 述

“十一五” 信息化建設以來， 寶雞石油鋼管有限責任公司已先后實施了 “裝備制造ERP 系統”， “PDM 產品數據管理系統” 和“MES 生產過程執行系統” 等信息化系統的建設。 這些系統的建設極大地提升了企業生產制造和經營管理水平。 但是， 同國內外先進制造企業相比， 還存在較大差距， 一是生產數據的采集與監測水平不高，大量業務系統數據仍然依靠人工采集， 數據采集效率低下、 準確度低、 響應速度慢， 導致企業的信息系統無法充分發揮其應用價值； 二是生產過程中的智能化水平不高， 生產與工藝數據的采集與監測水平、 生產設備的互連互通水平、 物料的識別與定位水平、 能耗自動監測水平、 生產設備狀態監測和故障監測水平、 各業務系統之間的數據共享與數據集成水平等有待提高。

針對存在的問題， 主要通過對生產現場生產物料數據、 工藝質量數據、 能源數據、 生產過程數據的采集與監測進行分析， 全面總結了物聯網系統在螺旋埋弧焊管生產線建設中的應用情況。 通過物聯網系統的建設及應用， 提高了生產管理、 工藝質量管理、 能源管理、 設備管理的信息化水平， 實現了生產的科學管理， 降低了生產成本， 提高了生產效率和產品質量。

2 物聯網系統架構介紹

2.1 系統架構

物聯網系統主要具備實現生產過程數據、 鋼管制造全周期數據集中存儲以及生產過程的監測與分析應用等功能。 物聯網系統架構如圖1 所示。

圖1 物聯網系統架構

2.2 功能架構

物聯網系統業務功能包括： 生產現場的生產過程數據采集和生產過程的監測與應用； 云端物聯網平臺的鋼管全生產制造周期數據管理和數據分析應用 （全生產制造周期數據指鋼管從原料到成品的整個生產過程數據， 包括原料信息、 生產工藝、 質量信息等）。 物聯網業務功能如圖2 所示。

圖2 物聯網業務功能

現場級功能包括生產物流實時跟蹤與監測、工藝質量數據采集與監測、 能源數據自動采集與監測、 原料成品自動識別與跟蹤、 生產過程集中監測以及移動應用。

平臺級功能包括生產過程數據追溯查詢和生產過程數據分析應用。

2.3 生產現場數據采集

生產現場數據采集功能包括： 通過電子標簽 （RFID） 及其讀寫器、 自動測量設備、 焊接設備等實現管號自動識別及工藝、 質量數據的自動采集； 采集的數據按照OPC 協議通過OPC 服務器與MES 系統、 物聯網平臺交互傳遞； 將管號、 工藝、 質量等數據關聯后在現場數據庫進行緩存， 并最終將具備分析價值的數據上傳至物聯網平臺。 現場數據采集技術架構如圖3 所示。

圖3 現場數據采集技術架構

3 焊管生產線物聯網建設主要實施內容

3.1 生產物流實時跟蹤與監測

生產物流實時跟蹤與監測系統通過應用RFID， 將鋼管號寫入電子標簽。 在飛剪崗位在鋼管內壁距管端50 cm 處粘貼RFID， 在飛剪、精焊、 清渣等崗位加裝固定式RFID 識別設備，在預焊、 內檢修磨等崗位采用手持RFID 識別設備， 自動識別各崗位當前加工鋼管的管號后將識讀結果顯示在崗位LED 屏上， 并通過物聯網系統發送相應的MES 崗位界面， 實現各崗位管號的自動識別， 為相應的工藝、 質量參數上傳物聯網系統提供管號信息， 實現車間鋼管生產過程中的生產物流實時跟蹤與監測。 生產線RFID 運行流程如圖4 所示， 自動識讀管號流程如圖5 所示。

使用RFID 的作用： ①明確每根鋼管的身份信息， 實現生產線鋼管的動態跟蹤管理； ②確保各崗位鋼管管號自動識別、 自動上傳MES 系統的功能； ③實現鋼管信息的唯一性， 提高管號識別的準確性； ④提高崗位工作效率， 杜絕崗位操作人員安全隱患。

圖4 焊管生產線RFID 電子標簽運行流程

圖5 焊管生產線自動識讀管號流程

3.2 工藝、 質量數據采集與監測

將自動化項目數據、 生產工藝質量數據實時采集到物聯網系統， 并與RFID 自動識別的管號信息關聯， 生成全流程可追溯的數據源， 實現數據的再利用與統計分析。 焊管工藝數據如圖6 所示， 水壓過程數據如圖7 所示。

焊管工藝數據的采集， 能夠將焊管機組通過成焊離線操作項目采集的數據全部上傳至物聯網平臺。

水壓過程數據的采集， 能夠將鋼管水壓過程壓力值記錄 （包括未打壓成功的記錄） 形成數據庫， 與鋼管管號對應， 可方便查詢。

水壓保壓過程數據可顯像存圖， 并上傳至物聯網系統， 能夠實現工藝數據的儲存， 而且方便查詢。

稱重測長數據的采集， 能夠將鋼管稱重測長信息（包括管號、 保存長度、 實測質量、 理論質量、 質量偏差、 實測長度等） 采集傳輸至MES系統中， 確保能夠快速自動帶入至成品臺崗位記錄界面及外庫噴標崗位。

鋼管質量數據的采集， 能夠將鋼管質量數據從其他系統中導出并匯總， 可通過日期、 生產班別查詢顯示或導出鋼管的質量數據， 為車間質量統計提供有力數據支撐。

圖6 焊管工藝數據界面

圖7 鋼管水壓過程數據界面

3.3 能源數據采集與監測

生產現場安裝帶通訊功能的電表、 風表、 數據通訊設備， 實現能源數據的采集， 并對能源使用情況進行監控、 統計、 分析， 對重點能耗設備進行管理， 對能源使用異常情況進行報警提示。該功能可使管理者對能源使用的趨勢有準確的掌握， 能將能源消耗分解到各個生產班組， 使節能工作責任明確， 實現能源工作的信息化管控。 每日各班能源消耗及單耗情況如圖8 所示， 電能實時消耗分析如圖9 所示。

圖8 焊管生產線每日各班能源消耗及單耗統計界面

能源數據分析包括：

（1） 用風量、 用電量監測與統計。 通過在現場安裝帶通訊功能風表、 電表， 全面采集較大用風點數據及重大設備用電量。 實現能源消耗精確統計到重要崗位、 各個班組， 為車間能源消耗精確考核提供數據支撐。

（2） 能源消耗情況實時監測。 通過大屏界面實時顯示每日各班能源消耗及單耗情況， 顯示本月累計用電量， 還可對峰、 平、 谷用電量進行分別統計， 為節能降耗、 精益生產提供數據支撐。

（3） 崗位能源累計消耗實時監測。 通過對現場帶通訊功能風表、 電表實施數據的采集， 實現重要設備、 各崗位能源累計消耗實時查詢。

（4） 精準計量、 節能降耗。 通過能源消耗網絡化計量， 實現電能、 風能消耗數據的自動采集， 做到精準控制、 精細管理。 實時計量各崗位及重要設備的能源消耗情況。

（5） 能源報表自動生成。 自動生成各班組每日、 每月的能源消耗報表， 按峰、 平、 谷實時統計， 實現能源的精細化管理和考核。

（6） 各班能源消耗分析。 通過日期時間段可查詢統計各班組的累計合同管產量及總能源消耗， 并計算出各班組能源單耗， 方便車間的能源管理及考核。

（7） 規格能耗統計分析。 通過日期時間段可以查詢統計一個時期內所生產的各種規格的鋼管， 并且顯示每個管線生產的合同管累計產量、總能源消耗， 并計算出車間生產該規格鋼管的能源單耗， 積累了車間能源消耗情況的大量數據。

圖9 焊管生產線每日電能實時消耗分析界面

3.4 生產過程集中監測

通過物聯網生產過程集中監測系統能夠實現現場工藝質量參數的集中監測顯示與報警、 能源使用情況的集中監測、 產量完成情況和合同完成情況等生產指標數據的統計與分析。 具體如下：

（1） 鋼管產量統計分析。 實時顯示月度生產任務完成情況， 準確統計各班組實際生產完成量，為車間及時準確統計產量提供保障。

（2） 焊縫一次通過率統計分析。 實時顯示鋼管生產質量情況， 進行鋼管焊縫一次通過率實時統計， 為質量統計提供準確數據。

（3） 鋼管缺陷的統計分析。 實時進行缺陷統計， 顯示每日、 每班的缺陷數量， 質量技術人員通過查詢歷史數據， 實時掌握近期鋼管生產的質量狀況， 為車間的質量管理、 質量控制工作提供幫助。

（4） 鋼管逆流程報警。 對于逆流程鋼管， 在物流監控畫面上用紅色顯示鋼管信息， 以起到報警提示作用。

（5） 焊管機組關鍵工藝數據實時監測。 實時顯示焊管機組成型焊接數據 （如2#梁壓下及點頭量、 后橋擺動位置、 遞送邊位置、 工作寬度、精銑邊機位置及焊接電流電壓）， 為焊管機組及時調整參數提供依據。

（6） 各班組焊劑使用量的統計分析。 通過焊劑統計界面， 選擇日期， 自動生成當日產量， 可通過手動輸入規格、 用量、 定額、 單耗數據， 形成歷史數據庫， 并能夠將每月的單耗以柱狀圖的形式顯示在大屏展示界面上。

4 結束語

通過物聯網系統的建設及大數據分析與應用， 實現了螺旋埋弧焊管生產線生產過程的可視化， 在生產物料跟蹤、 工藝質量管理、 能源管理、 生產數據監測、 設備管理等方面提升了信息化管理水平， 提高了產品工藝質量及生產管理效率， 減少了消耗與浪費， 為實現生產智能化提供了有效支撐。