數(shù)字化工廠與數(shù)字化交付的技術探討

文｜中冶京誠工程技術有限公司 張鶴 曹建寧 王永濤 韋彬

0引言

數(shù)字化工廠（DF）是實現(xiàn)智能工廠的關鍵技術，而數(shù)字化交付是構建數(shù)字化工廠的一個重要環(huán)節(jié)。數(shù)字化工廠與數(shù)字化交付已成為現(xiàn)代工程設計領域之中的熱門話題，眾多的工程企業(yè)尤其是設計院，正在謀求以數(shù)字化工廠與數(shù)字化交付為突破，從而實現(xiàn)新時代下企業(yè)的數(shù)字化轉型。

2018年9月11日住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布的《石油化工工程數(shù)字化交付標準》對數(shù)字化工廠（digital plant）定義如下：“由工程建設階段產(chǎn)生的數(shù)字化靜態(tài)信息、運營維護階段產(chǎn)生的數(shù)字化動態(tài)信息、基于工廠對象的關聯(lián)關系及信息管理平臺構成的綜合體”。具體來講，數(shù)字化工廠是匯集工程設計、采購、施工、建造、安裝全生命期的信息，形成企業(yè)靜態(tài)數(shù)字化資產(chǎn)，在此基礎上整合產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)線運維數(shù)據(jù)，集成生產(chǎn)控制的自動化系統(tǒng)、制造執(zhí)行的MES系統(tǒng)、生產(chǎn)管理的ERP系統(tǒng)、設備狀態(tài)監(jiān)測工具，在計算機虛擬環(huán)境中，搭建可同步運轉的數(shù)字虛擬工廠，實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的回溯、實時數(shù)據(jù)的管理和未來趨勢的預測。數(shù)字化工廠是實現(xiàn)智能工廠的必經(jīng)之路，應用數(shù)字化設計，構建全廠的數(shù)字化模型，整合工程建設各階段數(shù)據(jù)，接入實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，構建與實際工廠一致的數(shù)字孿生工廠。

1數(shù)字化設計

設計是工程信息的源頭，對三維數(shù)字化設計來講更是如此，三維數(shù)字化設計階段產(chǎn)生的模型與信息是數(shù)字化交付的基礎。對設計院來講，尤其是大型綜合設計院，其業(yè)務類型較多，或兼具工程設計與非標設備設計的能力，因此其在數(shù)字化設計實施當中，往往會采用不同的協(xié)同設計平臺與設計軟件，也就會產(chǎn)生不同格式的模型與數(shù)據(jù)。

目前市場上主流數(shù)字化設計軟件有Bentley系列軟件，其軟件有Open building designer、Openplant modeler、Prostructures

等；Autodesk系列軟件，其軟件有Revit、Inventor等；另外還包括AVEVA PDMS、Tekla structures專業(yè)設計軟件。在數(shù)字化交付的背景下，如何保證各平臺及軟件中產(chǎn)生的模型與數(shù)據(jù)的一致性與準確性，成了問題的關鍵。編碼平臺是將工程設計中用到的材料、設備等物料的屬性進行了統(tǒng)一梳理，確定其屬性及編碼規(guī)則，并定制于編碼平臺內，平臺內的物料編碼的原則是一物一碼，即一類物料具有其唯一的物料編碼。例如煉鐵設備中，熱風爐系統(tǒng)設備的補償器，其屬性包括了：補償器名稱、補償器形式、通徑、軸向位移、橫向位移、波紋管材質、介質溫度、波紋管長度，其屬性被定制于編碼平臺當中，如圖2所示。

圖1 數(shù)字化工廠實施路線

圖2 編碼平臺

數(shù)字化元件庫將企業(yè)的數(shù)字化元件集中存儲與管理，設計人員從庫內調取元件完成設計內容。數(shù)字化元件入庫時需滿足企業(yè)相關的BIM模型標準，如此保證了元件模型的準確性。數(shù)字化元件的模型幾何精度應根據(jù)使用需求進行規(guī)定，幾何精度指的是模型外觀與實際的近似程度，比如一臺電機，是否需要把散熱結構按照實際完全建模，還是以近似圓柱體進行代替，或者一臺自動扶梯的每個梯級是否需要按照實際進行建模，理論上來講，建模的細致程度是無窮盡的，三維軟件中可以參照對象進行完全建模，但這需要耗費大量的時間，并且過于細致的模型對瀏覽速度造成極大影響，降低工作效率。

數(shù)字化元件庫內的條目和編碼平臺內的條目應是對應的，即數(shù)字化設計應用的構件都具有其唯一的屬性與編碼。數(shù)字化元件庫與編碼平臺結合，為數(shù)字化設計提供模型與屬性，可以說編碼平臺和數(shù)字化元件庫是三維數(shù)字化設計的主數(shù)據(jù)，在構件級別對幾何模型精度與屬性信息進行了統(tǒng)一規(guī)定，是數(shù)字化設計的基礎，是數(shù)字化交付模型與數(shù)據(jù)來源的有效保證。

2數(shù)字化交付

區(qū)別于傳統(tǒng)工程以“卷冊”為核心的交付體系，數(shù)字化交付是指以“工廠對象”為核心，將工程設計、采購、施工、制造、安裝等階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，進行結構化處理，建立以“工廠對象”為核心的網(wǎng)狀關系數(shù)據(jù)庫，存儲于工程數(shù)據(jù)中心，并基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口完成數(shù)據(jù)交付，為業(yè)主提供可靠的工程基礎數(shù)據(jù)，形成構建數(shù)字化工廠的企業(yè)靜態(tài)數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

數(shù)字化交付的實現(xiàn)途徑如圖3所示：

工廠對象是指構成工廠的設備、管道、儀表、電氣和建（構）筑物等具有編號可獨立識別的工程實體，位號即工廠對象的識別編號，每個工廠對象具有唯一的位號。例如某化工廠內設備位號T1218表示第12車間（或工段）的第18號塔。設備位號在整個系統(tǒng)內不得重復，唯一存在，所有工藝圖上設備位號均需一致。目前化工行業(yè)基于數(shù)字化設計開展的工程設計項目，設計過程中的二維和三維設計數(shù)據(jù)已實現(xiàn)基于位號的結構性數(shù)據(jù)集成及多專業(yè)協(xié)同，同時采用與數(shù)字化交付配套的文檔系統(tǒng)實現(xiàn)了基于位號的非結構性設計文檔、供應商文檔關聯(lián)，在交付時向業(yè)主整體移交數(shù)據(jù)庫。

數(shù)字化交付的核心包括三維模型、數(shù)據(jù)、文檔及其關聯(lián)關系，因此，企業(yè)應建立交付標準應對三維模型、數(shù)據(jù)、文檔及其關聯(lián)關系做出規(guī)定。設計階段產(chǎn)生的模型、數(shù)據(jù)、設計圖紙、計算書，采購階段的裝箱清單、使用說明書、質量證明文件，施工階段的各種施工記錄、試驗報告、驗收報告等，均屬于交付的范疇。在數(shù)字化交付的條件下，不僅僅是將這些文檔轉成PDF存儲起來，為便于文檔內容的索引，還應需要處理文檔和工廠對象的關聯(lián)關系。數(shù)字化交付條件下需要完整的文檔編碼系統(tǒng)，來適應文檔分類管理與查詢的要求。

3數(shù)字化工廠

圖3 數(shù)字化交付原理

圖4 數(shù)字化工廠實施途徑

建立數(shù)字化工廠平臺，以三維模型為載體，將數(shù)字化交付的各階段數(shù)據(jù)整合并可視化地展示出來，從而構建出與現(xiàn)實工廠完全一致的數(shù)字化模型。在數(shù)字化模型的基礎上，整合基礎自動化模型、過程控制模型、工藝參數(shù)模型，構建與實際生產(chǎn)流程、設備和工藝一致的數(shù)字孿生模型。進一步，以數(shù)字化平臺為基礎，通過信息交換獲取企業(yè)的生產(chǎn)管理（MES），能源管理（EMS），設備管理，物流管理等信息化系統(tǒng)的信息，采用不同的圖層和場景展現(xiàn)不同業(yè)務數(shù)據(jù)，更直觀的協(xié)助公司各級調度管理人員及時掌控企業(yè)生產(chǎn)運營信息，滿足公司各級管理人員需要。

數(shù)字化工廠平臺的實現(xiàn)途徑如圖4：

在三維數(shù)字化工廠平臺中，工廠的各個車間、設備、部件、管道、儀表、閥門等的運行參數(shù)與BIM模型進行關聯(lián)和綁定，可以實時查詢其設計參數(shù)和運行參數(shù)。可以以圖層的形式管理不同類型的數(shù)據(jù)和BIM模型的顯示狀態(tài)，如專門顯示儀表信息的儀表層，同時還有人員層、設備層、巡檢層、報警層、監(jiān)控層、建筑層、管線層、物流層等。在不同的數(shù)據(jù)層的基礎上，定制工廠的數(shù)字化運維需求，如：工廠綜合展示、資產(chǎn)的透明化管理、智能設備運維信息集成、全場物流調度管理、智能管網(wǎng)安全監(jiān)控管理、浸入式培訓操作考核、應急演練仿真、三維生產(chǎn)工藝監(jiān)控和模擬等。

圖5 數(shù)字化工廠信息展示

4 結語

工程設計、采購、施工、建造、安裝等階段產(chǎn)生的各種工程數(shù)據(jù)是數(shù)字化工廠的原始基礎，是實體工廠的真實反映，通過數(shù)字化交付工作，構建與現(xiàn)實工廠完全一致的數(shù)字化工廠，在完整的數(shù)字孿生應用場景中，構建具備自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等能力的新型生活和生產(chǎn)方式，實現(xiàn)數(shù)字化向智能化邁進。