徐文　謝海歡　沈克　郭彪　王昆鵬

摘要：伴隨物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的不斷推廣和發(fā)展，信息化與工業(yè)化融合方案在越來越多的工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，對石油石化裝備制造企業(yè)在節(jié)能減排、安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率和管理水平方面提出了新的要求。該文創(chuàng)新性地提出了將服務(wù)與管理、研發(fā)、制造相結(jié)合，推進(jìn)兩化融合向縱深發(fā)展的全新理念，并結(jié)合北京石油機(jī)械廠頂部驅(qū)動鉆井裝置的成功案例，闡明了基于這一理念的信息化技術(shù)在大型復(fù)雜裝備全生命周期的實現(xiàn)方法以及應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：兩化融合；物聯(lián)網(wǎng)；頂驅(qū)；機(jī)電一體化

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）19-4595-07

伴隨著“兩化融合”的推進(jìn)，以及物聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，信息化與工業(yè)化融合方案在越來越多的工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。尤其是石油化工產(chǎn)業(yè)，兩化融合發(fā)展已成為石油石化企業(yè)節(jié)能減排、安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率和管理水平的重要推動力，以ERP企業(yè)資源計劃、OA辦公自動化為代表的管理信息化系統(tǒng)已經(jīng)成為石油石化企業(yè)經(jīng)營管理的重要組成部分，兩化融合的腳步已經(jīng)從初期摸索變?yōu)榧铀偻七M(jìn)。在新的發(fā)展階段，提高信息化與工業(yè)化的深度融合成為企業(yè)應(yīng)用以及科研關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文創(chuàng)新性地提出了將管理、研發(fā)、制造、服務(wù)等在具體工業(yè)產(chǎn)品上有機(jī)結(jié)合，推進(jìn)兩化融合向縱深發(fā)展的全新理念，并結(jié)合北京石油機(jī)械廠頂部驅(qū)動鉆井裝置的成功案例，闡明了基于這一理念的信息化技術(shù)在大型復(fù)雜裝備全生命周期的實現(xiàn)方法以及應(yīng)用效果。

1 頂驅(qū)裝置全生命周期A&I技術(shù)框架

頂部驅(qū)動鉆井裝置（以下簡稱頂驅(qū)或頂驅(qū)裝置）是集機(jī)電液于一體的新型石油鉆井裝備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自動化集成度高，能夠有效提升鉆井效率。除了產(chǎn)品設(shè)計復(fù)雜度高以外，頂驅(qū)裝置同樣具有運(yùn)行周期長、涉及人員廣泛等大型復(fù)雜裝備的固有特點(diǎn)。設(shè)備的良好運(yùn)行至關(guān)重要，一旦停機(jī)將有可能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因而對運(yùn)行可靠性具有更高的要求。隨著自動化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)以及信息技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，頂驅(qū)這類復(fù)雜裝備在企業(yè)內(nèi)部運(yùn)營范圍內(nèi)的管理、研發(fā)、制造信息化集成成為可能，數(shù)字化設(shè)計制造平臺、自動化辦公平臺、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。因此，在石油石化裝備制造企業(yè)突破設(shè)計制造的局限性逐漸向制造服務(wù)轉(zhuǎn)型的內(nèi)在發(fā)展要求下，該文提出將面向產(chǎn)品用戶的服務(wù)信息化與企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)管理信息化相結(jié)合的全新理念，設(shè)計并實現(xiàn)了基于自動化、物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的頂驅(qū)裝置全生命周期現(xiàn)代控制與信息技術(shù)框架（Automation and Imformation，A&I），如圖1所示。

圖1 頂驅(qū)全生命周期A&I技術(shù)框架

在上述A&I技術(shù)框架中，頂驅(qū)運(yùn)行服務(wù)動態(tài)系統(tǒng)和企業(yè)資源計劃系統(tǒng)跨越了企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)管理和產(chǎn)品服務(wù)兩個部分，是實現(xiàn)生產(chǎn)與服務(wù)資源調(diào)度的核心，也是聯(lián)系企業(yè)和用戶資源共享的紐帶。頂驅(qū)運(yùn)行服務(wù)動態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自企業(yè)內(nèi)部ERP系統(tǒng)，是經(jīng)過ERP與OA集成應(yīng)用審批后的有效數(shù)據(jù)。頂驅(qū)運(yùn)維、檢修維修等技術(shù)支持類服務(wù)則以頂驅(qū)運(yùn)行服務(wù)動態(tài)系統(tǒng)為平臺，以遠(yuǎn)處監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)為依據(jù)，進(jìn)行工程師、備件等服務(wù)資源的合理分配及調(diào)度。

對于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，不論是企業(yè)內(nèi)部用戶、設(shè)備的管理者，還是設(shè)備的最終使用者，通過網(wǎng)絡(luò)客戶端都能夠?qū)崟r查看遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所發(fā)布的頂驅(qū)實時信息，了解自有頂驅(qū)的基本運(yùn)行狀態(tài)。在故障處理等技術(shù)支持服務(wù)方面，這些信息能夠作為工程師排查和分析故障的有效依據(jù)。尤其是對于由操作不適當(dāng)或不規(guī)范而造成的停機(jī)，工程師通過遠(yuǎn)程技術(shù)支持即可快速診斷和說明這些非設(shè)備原因的外在故障原因，并指導(dǎo)現(xiàn)場復(fù)位故障恢復(fù)正常運(yùn)行。

2 面向服務(wù)的頂驅(qū)A&I技術(shù)應(yīng)用實例

為了能夠更好地適應(yīng)野外復(fù)雜鉆井工況需求，頂驅(qū)裝置不僅能夠為鉆具提供旋轉(zhuǎn)動力，還同時具備抱鉆桿、上卸扣等輔助功能。這些功能最終由頂驅(qū)本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)完成，而其中一些機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電氣系統(tǒng)直接控制，另一些則通過電氣系統(tǒng)控制液壓傳動間接控制。在自動化控制的基礎(chǔ)上，與物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)融合，將頂驅(qū)裝置的控制、運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)發(fā)布到WEB客戶端，通過計算機(jī)、手機(jī)等移動數(shù)字設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)不同級別用戶對頂驅(qū)資源的跨地域?qū)崟r共享，為各類用戶提供有效的交互平臺。這就是本文所提出的頂驅(qū)全生命周期A&I技術(shù)框架中面向服務(wù)部分的核心概念，其技術(shù)框架如圖2所示。該框架中的頂驅(qū)呼叫平臺、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以及備件訂購平臺已經(jīng)投入使用，在頂驅(qū)運(yùn)行、預(yù)防性維護(hù)、技術(shù)支持、備件訂購等設(shè)備服務(wù)工作中取得了良好的實際應(yīng)用效果。

圖2 面向服務(wù)的頂驅(qū)A&I技術(shù)框架

2.1 頂驅(qū)運(yùn)行服務(wù)動態(tài)系統(tǒng)

頂驅(qū)運(yùn)行服務(wù)動態(tài)系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)的頂驅(qū)產(chǎn)品技術(shù)支持服務(wù)系統(tǒng)，它的應(yīng)用跨越企業(yè)內(nèi)部和客戶服務(wù)兩部分，從頂驅(qū)生命周期中的“裝配”階段開始應(yīng)用，直到整個生命周期結(jié)束，既涵蓋每臺頂驅(qū)的裝配信息、試驗記錄、系統(tǒng)備份、物流信息等企業(yè)內(nèi)部資源，又歸檔了安裝調(diào)試記錄、現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)、維修記錄、返廠檢修等可供使用級和管理級用戶共享的公共資源。用戶登錄后能夠根據(jù)賬戶權(quán)限查看相應(yīng)信息。

頂驅(qū)運(yùn)行服務(wù)動態(tài)系統(tǒng)為用戶提供以下功能：

1） 用戶登錄：

采用用戶權(quán)限管理方式，不同用戶分配不同操作權(quán)限。除系統(tǒng)管理員外，設(shè)置設(shè)備使用級、設(shè)備管理級、企業(yè)制造級等三類用戶。

圖3 用戶登錄

2） 信息總覽：

瀏覽頂驅(qū)編號、型號、系統(tǒng)類型、作業(yè)地點(diǎn)等頂驅(qū)基本情況，在新增頂驅(qū)記錄時由系統(tǒng)管理員錄入。對于其它用戶，提供按頂驅(qū)型號、頂驅(qū)編號、作業(yè)地點(diǎn)、工程師等排序查看功能。

圖4 頂驅(qū)信息總覽

3） 信息查詢：

可通過頂驅(qū)編號、型號、安裝工程師、作業(yè)地點(diǎn)等信息進(jìn)行單一查詢或組合查詢頂驅(qū)基本信息，或根據(jù)故障類型、故障日期等查詢頂驅(qū)跟蹤信息。

圖5 查詢頂驅(qū)基本信息

圖6 查詢頂驅(qū)跟蹤信息

4） 信息瀏覽和更新：

點(diǎn)擊頂驅(qū)編號可進(jìn)入對應(yīng)編號下頂驅(qū)從裝配、試驗階段到現(xiàn)場運(yùn)維階段的基本信息和記錄。同時提供有系統(tǒng)備份的下載，以便用于返修調(diào)試或系統(tǒng)還原。對于設(shè)備使用級和企業(yè)制造級用戶，根據(jù)管理權(quán)限的不同，還可對這些基本信息進(jìn)行錄入和更新操作。

圖7 頂驅(qū)基本情況歸檔

對于工作在全球范圍內(nèi)石油鉆井現(xiàn)場的頂驅(qū)裝置而言，頂驅(qū)運(yùn)行服務(wù)動態(tài)系統(tǒng)基于WEB架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)客戶端應(yīng)用模式以及權(quán)限管理策略，既實現(xiàn)了公共信息的跨地域?qū)崟r共享，又能夠滿足私有信息的安全性控制要求，結(jié)合按照區(qū)塊劃分的服務(wù)站、維修站等服務(wù)設(shè)施，為頂驅(qū)裝置的安全運(yùn)行和定期檢修提供了極大的便利，為頂驅(qū)信息資源的共享提供了一個公共平臺，良好的技術(shù)服務(wù)支持也同時為企業(yè)樹立了嚴(yán)謹(jǐn)而友好的企業(yè)形象。

2.2 備件訂購平臺

頂驅(qū)備件訂購平臺是面向市場服務(wù)的WEB應(yīng)用系統(tǒng)，能夠為登錄客戶提供頂驅(qū)包括機(jī)械液壓部件、電氣元件在內(nèi)的備件查詢和訂購功能，并且在線生成電子請購單，通過OA工作流流轉(zhuǎn)到頂驅(qū)本部工作人員，審批通過后，自動轉(zhuǎn)入ERP系統(tǒng)進(jìn)行出庫等操作，再流轉(zhuǎn)回到OA工作流進(jìn)行物流包裝發(fā)運(yùn)，用戶確認(rèn)收貨后，整個備件訂購流程閉環(huán)結(jié)束，如圖8所示。

圖8 頂驅(qū)備件訂購平臺技術(shù)框架

考慮到市場需求的多變性，除了傳統(tǒng)的PC版應(yīng)用，備件訂購平臺同樣支持基于手機(jī)等移動數(shù)字設(shè)備的用戶訪問，如圖9所示。

圖9 北石頂驅(qū)備件訂購平臺

此外，備件訂購平臺還提供最新版本的離線備件清單以及頂驅(qū)手冊下載功能，幫助用戶掌握頂驅(qū)的最新技術(shù)信息和發(fā)展動態(tài)。自2010年投用以來，頂驅(qū)備件訂購平臺受到了客戶的廣泛好評，為用戶采購頂驅(qū)相關(guān)備件提供了有效便利的新途徑。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

頂驅(qū)裝置集成了機(jī)械、電氣和液壓技術(shù)，在為現(xiàn)代鉆井施工提供便利的同時，也提高了裝備的復(fù)雜度，對于掌握產(chǎn)品核心技術(shù)的頂驅(qū)制造商而言，往往能夠更加快速地定位和解決復(fù)雜的現(xiàn)場問題，為用戶贏得更多有效生產(chǎn)時間，基于頂驅(qū)A&I技術(shù)架構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)很好地解決了這一實際需求。

頂驅(qū)本體和司鉆操作臺上配置有遠(yuǎn)程子站，能夠和頂驅(qū)的主控PLC之間實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場級通訊。在對各功能單元進(jìn)行邏輯控制的同時，PLC將司鉆操作記錄、故障報警代碼、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳送到上位監(jiān)控系統(tǒng)，在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔和人機(jī)交互操作，并利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將這些信息發(fā)布到遠(yuǎn)程客戶端，基于不同管理權(quán)限的用戶可以隨時登錄客戶端查看對應(yīng)頂驅(qū)的實時運(yùn)轉(zhuǎn)情況。對于位于井場的最終用戶而言，通過反饋到監(jiān)控系統(tǒng)、服務(wù)站、維修站的實際數(shù)據(jù)，能夠幫助服務(wù)工程師快速掌握現(xiàn)場情況，有效克服地域因素這一頂驅(qū)運(yùn)維技術(shù)支持工作難點(diǎn)；對于鉆井、裝備管理等遠(yuǎn)程用戶，這些信息則為頂驅(qū)運(yùn)行維護(hù)管理工作的實施和監(jiān)管提供了有效依據(jù)，有利于及時發(fā)現(xiàn)并杜絕違規(guī)操作、不規(guī)范操作、維護(hù)不到位、保養(yǎng)不及時等影響頂驅(qū)使用壽命的不良現(xiàn)象；對于頂驅(qū)制造商而言，現(xiàn)場數(shù)據(jù)反映了頂驅(qū)的實際使用情況，不僅能夠作為技術(shù)改進(jìn)的分析依據(jù)，還可以幫助設(shè)計者從側(cè)面了解現(xiàn)場需求，有利于設(shè)備在實用性和適用性方面的與時俱進(jìn)。

頂驅(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由設(shè)備端、服務(wù)器端和遠(yuǎn)程客戶端組成，在服務(wù)器端還設(shè)有監(jiān)控調(diào)度中心，由頂驅(qū)制造商直接管控，能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)服務(wù)資源的最優(yōu)調(diào)配。其框架結(jié)構(gòu)如圖10所示。圖11所示為其在冀東鉆井現(xiàn)場的實際應(yīng)用情況。

圖10 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

圖11 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用實例

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了頂驅(qū)最終用戶、裝備管理機(jī)構(gòu)以及頂驅(qū)產(chǎn)品設(shè)計制造商的異地在線互動、協(xié)同工作，節(jié)省了不必要的路途時間，實時變量監(jiān)控更能為服務(wù)工程師非現(xiàn)場解決問題提供了更加可靠的有用信息。此外，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、報警信息、維護(hù)保養(yǎng)狀態(tài)等現(xiàn)場信息的歸檔存儲，同時為企業(yè)在設(shè)計制造方面的技術(shù)創(chuàng)新提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源。

2.4 維護(hù)保養(yǎng)提醒功能

維護(hù)保養(yǎng)提醒功能集成于頂驅(qū)上位監(jiān)控系統(tǒng)中，框架結(jié)構(gòu)清晰，操作界面友好，用戶通過幾個簡單步驟，即可實現(xiàn)更新維護(hù)保養(yǎng)設(shè)置、標(biāo)記維護(hù)保養(yǎng)情況、導(dǎo)出維護(hù)記錄跟蹤報告等工作。本功能的框架結(jié)構(gòu)如圖12所示。

保養(yǎng)設(shè)置知識庫是維護(hù)保養(yǎng)提醒功能的數(shù)據(jù)中心，采用基于SQL Server的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，并設(shè)置有權(quán)限管理機(jī)制，分配專家和非專家兩類用戶。專家用戶熟悉頂驅(qū)設(shè)計制造規(guī)范，在此基礎(chǔ)上提出通用性的維護(hù)保養(yǎng)內(nèi)容，作為本功能中的預(yù)設(shè)維護(hù)保養(yǎng)項目，幫助用戶掌握頂驅(qū)基本保養(yǎng)點(diǎn)和維修保養(yǎng)需求，并按照保養(yǎng)周期定期提醒用戶。非專家用戶則是系統(tǒng)提供的自定義維護(hù)保養(yǎng)項目接口，便于用戶根據(jù)現(xiàn)場實際需求，增加其它保養(yǎng)項目。通過用戶權(quán)限的劃分，不僅避免了非專家用戶對保養(yǎng)設(shè)置知識庫的不當(dāng)更新，又給予了實際使用者以自由度，二者相結(jié)合，有效提升了主功能的靈活性和適用性。

維護(hù)保養(yǎng)提醒功能的主畫面如圖13所示。除了增、刪、改、查和導(dǎo)出報表等基本數(shù)據(jù)庫操作外，本功能還設(shè)置了定期自動彈窗提醒，并提供日、周、月、季、半年、年等多個周期單位，根據(jù)保養(yǎng)點(diǎn)的不同保養(yǎng)要求選擇適當(dāng)?shù)谋ｐB(yǎng)間隔。

圖13 維護(hù)保養(yǎng)功能主畫面

提醒功能以時間作為事件觸發(fā)點(diǎn)，并設(shè)置標(biāo)志位。通過主控PLC獲取的系統(tǒng)運(yùn)行時間反映了頂驅(qū)的實際有效工作時間，相比自然時間增加精確可靠。當(dāng)?shù)竭_(dá)保養(yǎng)周期時，系統(tǒng)自動彈出提醒窗口，包括等待保養(yǎng)的項目、檢查內(nèi)容等信息。用戶則需要勾選確認(rèn)各保養(yǎng)內(nèi)容的完成進(jìn)度。如圖14所示，為日保養(yǎng)項目彈出提示窗。

圖14 日保養(yǎng)項目彈出提示窗

對于頂驅(qū)用戶而言，維護(hù)保養(yǎng)提醒功能能夠給予必要的專業(yè)維護(hù)保養(yǎng)規(guī)范，對投用頂驅(qū)在現(xiàn)場的定期維護(hù)保養(yǎng)工作起到指導(dǎo)和督促作用。對于頂驅(qū)制造商而言，維護(hù)保養(yǎng)提醒功能的保養(yǎng)知識庫則為與其與用戶構(gòu)建了一個實用平臺，產(chǎn)品設(shè)計者根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)預(yù)設(shè)保養(yǎng)項目、檢查內(nèi)容和保養(yǎng)周期，能夠有效地將頂驅(qū)裝置維護(hù)保養(yǎng)規(guī)范傳遞給實際使用者，幫助用戶減少由于人為因素而對設(shè)備造成的不必要損耗。

2.5 操作培訓(xùn)

作為頂驅(qū)使用者，其操作往往涉及機(jī)械、電氣、液壓等多個方面。因此，為現(xiàn)場提供直觀清晰的作業(yè)指導(dǎo)和幫助文件，是作為裝備設(shè)計制造向服務(wù)延伸的一項有效措施。頂驅(qū)A&I技術(shù)為這些操作指導(dǎo)文檔提供了良好平臺，如圖15所示。頂驅(qū)系統(tǒng)幫助手冊集成在現(xiàn)場的上位監(jiān)控系統(tǒng)中，按照機(jī)械、電氣、液壓、安裝調(diào)試、電控房使用、維護(hù)保養(yǎng)、數(shù)據(jù)恢復(fù)等分類鏈接，便于用戶按照自身需求選擇查閱。同時，對于司鉆等操作人員，系統(tǒng)中設(shè)有專門的操作手冊以備熟悉和掌握各工況的操作要求和方法。

圖15 頂驅(qū)系統(tǒng)幫助平臺

3 結(jié)論與展望

作為具有劃時代意義的新一代石油裝備，頂驅(qū)裝置集機(jī)械、電氣液壓和信息技術(shù)于一體，實現(xiàn)了自動化與信息化的成功應(yīng)用，大大加快了鉆井速度，在現(xiàn)場作業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)、信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，信息化與工業(yè)化有機(jī)融合成為頂驅(qū)等大型復(fù)雜裝備制造企業(yè)尋求自身革新、提高企業(yè)生命力的必然選擇。該文所提出的將服務(wù)信息化與管理、研發(fā)、制造信息化相結(jié)合的全新融合方式，以及基于物聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)的大型復(fù)雜裝備全生命周期A&I技術(shù)框架的實現(xiàn)方法，強(qiáng)化了企業(yè)信息化與工業(yè)化的深度融合由單純的制造業(yè)向制造服務(wù)業(yè)轉(zhuǎn)變的深化應(yīng)用?；谶@一框架下的北京石油機(jī)械廠頂部驅(qū)動鉆井裝置的成功案例表明，將企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)管理信息化與面向客戶的服務(wù)信息化有機(jī)結(jié)合，能夠有效加快大型復(fù)雜裝備制造企業(yè)從設(shè)計制造向制造服務(wù)的轉(zhuǎn)型，推動裝備制造業(yè)向低碳、高效、智能的升級。這一面向全生命周期的A&I技術(shù)框架為兩化深度融合開拓了服務(wù)信息化的全新視角，實現(xiàn)了工業(yè)產(chǎn)品全生命周期的信息化。

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