SPI軟件在儀表工程設計中的應用

李興候

（中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，北京 100085）

隨著海外油氣地面工程項目日趨大型化、復雜化和智能化，為了最大化縮短工程項目設計周期，在自控儀表設計實踐中，采用AutoCAD和Office的主流工具表現(xiàn)出明顯的局限性。因此，為了適應公司國際化戰(zhàn)略需要，引入一種既能保證工程設計質量，又能提高工作效率的專業(yè)設計軟件具有重要意義。美國Intergraph（鷹圖）公司開發(fā)的SPI（smart plant instrumentation）是一款專門針對工廠業(yè)主、運營商和工程設計公司的儀表工程軟件。引進、開發(fā)和應用SPI軟件對于公司國際化進程的推進作用明顯。同時采用SPI軟件也是一種趨勢[1]。

SPI軟件基于專業(yè)的數(shù)據(jù)庫，通過建立共同的合作與交流信息平臺，實現(xiàn)信息的交換與共享，從而提高使用者的工作效率和工程設計文件質量[2]。

目前，國際知名的集團公司和工程公司普遍采用SPI軟件，國內合資、外資企業(yè)也都應用SPI軟件進行工程設計與管理。作為一種工具，SPI軟件是目前國際公認的可供用戶進行設計、采購、施工和維護管理自控儀表系統(tǒng)的出色軟件[1]。

1 SPI軟件功能及優(yōu)點

1.1 功能模塊介紹

SPI軟件主要包含以下幾種功能模塊[3]：

儀表索引模塊該模塊完成儀表專業(yè)設計的基礎性文件。在項目設計初期，得到工藝專業(yè)的成果文件后，就可在此模塊中進行各種儀表位號、I/O信號的錄入同時對各種數(shù)據(jù)信息屬性進行定義工作。通過該工作過程，最終可完成多類專業(yè)成果性文件，如儀表索引清單、I/O清單等。與其他方式獲得的同類文件相比，SPI軟件生成的清單類文件不僅具有更好的信息查詢和修改功能，而且還具備與其他類文件信息鏈接與跟蹤功能。

儀表數(shù)據(jù)表模塊該模塊用于制作儀表數(shù)據(jù)表。軟件集成了常用儀表、閥門的數(shù)據(jù)表模板，如壓力表、溫度表、液位表、壓力變送器、溫度變送器、液位變送器、控制閥、關斷閥、安全閥和各類流量計等。數(shù)據(jù)表模板可在儀表位號輸入后自動生成。

儀表計算模塊該模塊用以完成孔板、控制閥和安全閥等設備的選型計算，計算結果自動顯示在相應的數(shù)據(jù)表中。軟件內置的算法公式可以根據(jù)廠家、設備類型等相關因素進行適當修正。

儀表接線模塊該模塊完成儀表電纜的接線，通過拖拽電纜到接線箱、Marshalling柜等完成儀表電纜的接線。

儀表回路圖模塊該模塊用于制作儀表回路圖。

儀表安裝圖模塊該模塊完成儀表安裝圖和安裝材料清單的統(tǒng)計。軟件庫預先包含有大量的典型安裝圖和安裝材料，根據(jù)安裝方案，定義該模塊下相關屬性，就可以完成儀表安裝圖制作和材料清單統(tǒng)計，極大地減少了人工繪圖和統(tǒng)計料單的工作量。

1.2 軟件優(yōu)點

SPI軟件與傳統(tǒng)的計算機輔助軟件相比具有多項優(yōu)勢[4]：

（1）軟件工作模式為客戶端/服務器模式，項目需要的儀表設計文件采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫進行管理，提高了設計準確性和工作效率；

（2）軟件提供權限管理、版本控制、數(shù)據(jù)瀏覽和修正等功能，提高了設計過程中的質量控制，降低了設計風險；

（3）項目需要的儀表數(shù)據(jù)信息都存儲在一個數(shù)據(jù)庫文件中，業(yè)主或項目的最終用戶如果同樣使用SPI軟件，在文件傳遞時只需要提交一個數(shù)據(jù)庫文件，大大簡化了文件提交的工作量；

（4）軟件是Intergraph（鷹圖）公司數(shù)據(jù)集成框架的一部分，可以與SmartPlant P&ID，PDS等軟件進行數(shù)據(jù)交互，與相關專業(yè)（工藝、配管專業(yè)等）可以信息共享，加強了專業(yè)間的溝通。

2 SPI軟件設計流程

SPI是數(shù)據(jù)庫軟件，在工程項目的具體設計時，需要首先創(chuàng)建基本數(shù)據(jù)項。儀表位號是SPI軟件最基本的也是最重要的數(shù)據(jù)項。因此，創(chuàng)建儀表位號是首要步驟，而儀表數(shù)據(jù)表、盤柜電纜接線、安裝圖等其他工作在基本數(shù)據(jù)項前提下就可以同時展開，各部分工作的進行可以根據(jù)項目進度和要求靈活處理。具體設計流程如圖1所示。

圖1 設計流程框圖Fig.1 Flow diagram of design process

3 SPI軟件針對海外油氣地面工程儀表設計的應用

3.1 前期規(guī)劃

不論何種工程項目，前期的規(guī)劃都是非常重要的。在采用SPI軟件進行工程設計時，如果整體規(guī)劃合宜，將會大大減少工作量，提高工作效率。

3.1.1 標準數(shù)據(jù)庫建立

在工程項目中，對于儀表的一些常用公共數(shù)據(jù)，可以通過建立標準數(shù)據(jù)庫的方式提供使用。該方式省去了許多重復輸入和設置，同時保持了設計輸出文件數(shù)據(jù)和格式的一致性，提高了工作效率。建立儀表標準數(shù)據(jù)庫包括：

（1）多種文件封面、圖框模板等；

（2）基本數(shù)據(jù)，如儀表類型、接線設備、安裝材料等；

（3）儀表索引，I/O清單規(guī)格項及模板等；（4）儀表數(shù)據(jù)表規(guī)格項及模板等；

（5）儀表系統(tǒng)接線圖及電纜清單模板等；

（6）儀表回路圖模板等；

（7）典型安裝圖庫、支架圖庫，及安裝材料與圖庫的鏈接等。

3.1.2 項目結構規(guī)劃

項目結構規(guī)劃至關重要，從始至終影響著整個項目的運行。從整體來看，海外油氣地面工程項目主要由主裝置和公用工程兩大部分組成。而該兩部分根據(jù)工藝流程區(qū)域劃分或者功能不同又可以分為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)等多個區(qū)域。在規(guī)劃SPI軟件結構時，應充分考慮項目的結構規(guī)劃以及各個區(qū)域的相互關系，將主裝置和公用工程分別劃在不同的Plant中，然后再根據(jù)各個Plant工藝流程區(qū)域劃分和功能不同，設置不同的Area，在每個Area里，又可根據(jù)Area的不同設備，設置一系列Unit單元。這樣劃分，既使數(shù)據(jù)庫結構清晰，又使用戶權限分配管理以及后期分層級（分Plant、分區(qū)域和分Unit）用戶報告和數(shù)據(jù)表的生成合理。

3.1.3 命名規(guī)則、權限分配定義

SPI軟件是工程項目的設計出圖工具，根據(jù)實際工程項目預先定義命名規(guī)則可以使數(shù)據(jù)保持統(tǒng)一性，保證數(shù)據(jù)規(guī)范性，同時減少工作量。命名規(guī)則定義包括設置儀表位號、回路號、電纜號、CS標簽等規(guī)則。在定義完命名規(guī)則后，進入SPI軟件主程序的Index模塊，對Instrument Type中的儀表類型按照溫度、壓力、物位、流量、控制閥和安全閥分類分別就是否關聯(lián)數(shù)據(jù)表和安裝圖、默認I/O類型，儀表放置位置、 現(xiàn)場儀表的電纜類型和端子排形式以及CS標簽是否自動生成進行設置。

權限分配可以使整個工程項目人員具有層次性，根據(jù)工程項目任務不同人員不同的特點，定義多個權限不同的用戶組（Group），再將具體的工程項目設計人指定到相應的用戶組中，這樣工程項目設計人就可以在自己的工作范圍內進行相應的數(shù)據(jù)操作，而不相互影響。同時還降低了數(shù)據(jù)庫的風險。

3.2 具體項目應用

A項目由我公司承擔主要設計任務。該項目工期短、任務重。項目儀表設計采用SPI軟件，版本號為 2009（9.0.0）。

3.2.1 創(chuàng)建儀表位號

首先，在前期規(guī)劃的基礎上，進入軟件，根據(jù)工藝提資的工藝儀表流程圖（PID圖）創(chuàng)建儀表位號和錄入相關工藝參數(shù)。創(chuàng)建儀表位號需要建立儀表回路的概念，按照回路和回路儀表組成創(chuàng)建儀表位號。圖2是回路和回路儀表的一個示例。創(chuàng)建儀表位號主要有兩種途徑：（1）使用SPI軟件主程序的Instrument Index模塊；（2）使用SPI軟件主程序的選項工具Domain Explorer。

圖2 回路和回路儀表Fig.2 Loop and instrument of loop

創(chuàng)建儀表位號是整個儀表自控設計的基石，是后續(xù)工作能否展開的先決條件。創(chuàng)建儀表位號雖然簡單，意義卻非常重要。首先，可以節(jié)省大量的人力和時間；其次，由于按照統(tǒng)一的規(guī)則，保證了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。在后續(xù)生成儀表數(shù)據(jù)表中，輸入的工藝參數(shù)在儀表數(shù)據(jù)表自動生成，減少了工作量，同時，保證了數(shù)據(jù)統(tǒng)一性。為A項目設計提供了有利條件。3.2.2 填寫儀表數(shù)據(jù)表

前期規(guī)劃中，包括壓力表、溫度表、壓力變送器、溫度變送器、控制閥、安全閥等常用儀表和閥門類數(shù)據(jù)表模板已經在數(shù)據(jù)庫中建立。同時經過二期開發(fā)，數(shù)據(jù)庫還具備了火氣，毒氣探頭等報警類特殊數(shù)據(jù)表模板。填寫儀表數(shù)據(jù)表在SPI軟件主程序的Specifications模塊里進行。在前期創(chuàng)建儀表位號已經關聯(lián)對應數(shù)據(jù)表的基礎上，根據(jù)工程項目設計填寫相應的數(shù)據(jù)項即可完成數(shù)據(jù)表的制作生成。

3.2.3 儀表電纜接線和生成回路圖

儀表電纜接線在SPI軟件主程序的Wiring模塊里進行。在進行接線之前，考慮各類儀表和控制盤布局情況，可以將A項目接線歸納為6種典型方式：撬外儀表直接接入中控；撬外儀表通過撬外接線箱接入中控；撬內儀表通過撬內接線箱或現(xiàn)場盤直接接入中控；撬內儀表通過撬內接線箱后或現(xiàn)場盤接到撬外接線箱，通過撬外接線箱接入中控；火氣系統(tǒng)探頭接入中控；特殊電纜（RS-485、同軸電纜和以太網(wǎng)）接入中控。儀表電纜接線首先根據(jù)項目設計創(chuàng)建各類儀表相關設備標識，包括接線箱、Marshalling柜、PLC、DCS、ESD 等系統(tǒng)盤柜。 需要說明的是對于電氣點，由于軟件無法像儀表點似的自動生成Device Panel，需要為電氣點手動創(chuàng)建Device Panel和相應電纜，同時注意把相應信號加到Device Panel的對應通道里。系統(tǒng)柜創(chuàng)建好之后按照地址表將儀表CS標簽分配到對應卡件通道。隨后就可以從現(xiàn)場側和系統(tǒng)柜側分別向Marshlling接線。設計人通過直接拖拽電纜到端子排完成電纜接線。電纜有左端和右端之分，設計人應嚴格遵行現(xiàn)場側接到左端，系統(tǒng)柜側接到右端的規(guī)定接線。圖3是儀表電纜接線的一個典型示意圖[5]。

圖3 儀表電纜接線示意圖Fig.3 Instrument cable wiring diagram

為了使儀表接線更規(guī)范，更清晰明朗，對接線柜電纜布置考慮如下：

（1）每個接線柜最多只能布置一根多芯電纜；

（2）進入不同控制系統(tǒng)和不同信號類型的儀表電纜布置不同的接線柜；

（3）本安電纜和非本安電纜布置不同的接線柜；

（4）不同電壓等級的儀表信號布置不同的接線柜。

生成回路圖使用Enhance SmartLoop出圖工具。前期規(guī)劃里，已經創(chuàng)建了回路圖Layout，在這里首先為回路圖指定Layout。這樣同一類儀表，就可以按照統(tǒng)一的格式生成圖紙。生成回路圖在SPI軟件主程序Wiring模塊下的Reports里進行。生成Report有多種方式，根據(jù)項目設計選擇相應的生成回路圖方式。

3.2.4 制作儀表安裝圖

制作儀表安裝圖在SPI軟件的Hook-Ups模塊里進行。前期規(guī)劃中，常用儀表安裝材料和Auto-CAD儀表安裝方案模板已經在軟件庫里建立。所以模塊里執(zhí)行Hook-Up Items就可以為以AutoCAD圖紙為模板的不同類型儀表安裝圖分配安裝材料。通過使用材料報表功能就可以實現(xiàn)儀表安裝材料統(tǒng)計。通過對Hool-Up屬性進行設置，使用宏函數(shù)將儀表安裝材料和AutoCAD模板連接，調用生成安裝圖功能就可以生成儀表安裝圖。圖4是制作儀表安裝圖的示意圖。

圖4 制作儀表安裝圖示意圖Fig.4 Drawing diagram of fabricate Instrument installation

使用SPI軟件的Hook-Ups模塊制作儀表安裝圖，極大地減少了人工繪圖和統(tǒng)計材料單的工作量，提高了設計效率和圖紙質量。

4 結語

SPI軟件在海外油氣地面工程儀表設計中發(fā)揮著重要的作用。可以用來完成儀表的索引表、I/O表、數(shù)據(jù)表、接線圖、回路圖、安裝圖以及大量的計算報告等，同時，SPI軟件在儀表一致性檢查和修正方面非常方便，對于減少錯誤，提高設計質量意義重大。目前SPI軟件的應用正逐步深入，對于國內工程公司開拓國際油田地面工程市場非常有利。

[1] 謝冠鋒.SPI軟件在自控儀表設計中的應用[J].自動化與儀表，2012，27（5）：10-12.

[2] 李永康.Intools軟件及其在工廠生命周期管理中的應用策略[J].石油化工自動化，2009，45（4）：50-53.

[3] 林林，趙玥.Intools軟件在海洋石油儀表設計中的應用與開發(fā)[J].石油化工自動化，2010，46（2）：55-57.

[4] 李紅，李俊，吳朝暉.Intools軟件在生成電纜框圖中的應用[J].石油化工自動化，2010，46（3）：45-47.

[5] 美國Intergraph公司.Smart Plant Instrumentation Tutorial Version 2009 SP2（9.0.2）[Z]，2009. ■