靜設(shè)備在煉廠數(shù)字化集成設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)方法研究

魏郁達(dá)，石 桐，劉國(guó)榮

(1.中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

近兩年來(lái)，石油化工企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為一個(gè)熱門話題，越來(lái)越多的企業(yè)在籌備建設(shè)數(shù)字化“孿生工廠”。數(shù)字化交付是數(shù)字化工廠的建設(shè)基礎(chǔ)，也是煉廠數(shù)字化建設(shè)的迫切需要。通過(guò)建立數(shù)字化工廠工程數(shù)據(jù)集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)、各部門的信息的集成管理。運(yùn)維和管理人員能夠快速獲取來(lái)自不同系統(tǒng)和信息源的工程和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，節(jié)省大量人工時(shí)，利于企業(yè)效益提升。同時(shí)，工程級(jí)的三維建模技術(shù)和開放的數(shù)據(jù)集成技術(shù)也可為煉廠建設(shè)、生產(chǎn)、設(shè)備、安全、培訓(xùn)等業(yè)務(wù)提供準(zhǔn)確、高效的數(shù)據(jù)支撐。

數(shù)字化集成設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過(guò)程的數(shù)據(jù)集成，將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中分散的、獨(dú)立的各專業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)一的平臺(tái)集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。各專業(yè)、各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在平臺(tái)上傳遞，可以從根本上保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和唯一性。目前國(guó)內(nèi)煉廠設(shè)計(jì)流程中，管道設(shè)計(jì)是數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用最深入的，工藝、儀表、電氣等專業(yè)也有成熟的商業(yè)化軟件可以在集成平臺(tái)中應(yīng)用。但靜設(shè)備設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)獨(dú)立，設(shè)計(jì)工具專業(yè)性強(qiáng)，缺乏深度參與數(shù)字化集成設(shè)計(jì)的解決方案。因此，如何實(shí)現(xiàn)將靜設(shè)備設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)工作流程接入數(shù)字化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作流，將靜設(shè)備設(shè)計(jì)成果接入到數(shù)字化設(shè)計(jì)的交付成果中，是需要專業(yè)室和數(shù)字化技術(shù)人員共同解決的問(wèn)題。

1 數(shù)字化集成設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的需求

項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備通常根據(jù)類別和難易程度打散后交給不同的設(shè)計(jì)人。設(shè)備設(shè)計(jì)人面對(duì)的是單臺(tái)設(shè)備，而不是整個(gè)裝置或工廠。大部分設(shè)備相互之間不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)格的關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此，以單臺(tái)設(shè)備為對(duì)象，以位號(hào)為標(biāo)識(shí)是設(shè)備數(shù)據(jù)管理的最佳方案。

單臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中與上下游專業(yè)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳遞主要有：從工藝、配管、自控等專業(yè)接收設(shè)計(jì)條件；向結(jié)構(gòu)專業(yè)提出基礎(chǔ)設(shè)計(jì)條件；向配管專業(yè)提供設(shè)備三維模型。

1.1 接收和提出設(shè)計(jì)條件

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)條件分為文表和圖紙兩種類型，以帶簽署的紙版委托的形式提出。上游專業(yè)即使在設(shè)計(jì)過(guò)程中在軟件中已經(jīng)將數(shù)據(jù)組織了起來(lái)，但由于上下游間缺乏數(shù)據(jù)傳遞的條件，不得不將這些數(shù)據(jù)降級(jí)成表格或圖形，形成只能人工讀取的紙版條件向下游專業(yè)傳遞。下游設(shè)計(jì)人員接收到條件后，人工讀取和分析紙質(zhì)文件上的信息，擇取其中部分信息手工錄入到計(jì)算、設(shè)計(jì)、繪圖、匯料等分散的軟件中，在此基礎(chǔ)上完成設(shè)備設(shè)計(jì)。這個(gè)工作流程中，上游軟件中的數(shù)據(jù)傳遞到下游軟件中，經(jīng)歷了多次人工處理，消耗大量人工時(shí)，增加了傳遞的時(shí)間，并且不可避免的引入了人為誤差。集成設(shè)計(jì)平臺(tái)提供了數(shù)據(jù)傳遞的基礎(chǔ)，可以顯著的提高傳遞效率，減少人為誤差，簡(jiǎn)化工作流程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

這些接收和提出的條件中，文表類的較容易實(shí)現(xiàn)在集成平臺(tái)上的數(shù)據(jù)傳遞，圖紙類的受到現(xiàn)有技術(shù)手段制約大多維持紙版?zhèn)鬟f的現(xiàn)狀。但要注意的是，數(shù)據(jù)傳遞不是傳統(tǒng)條件的簡(jiǎn)單電子化，要根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)重新規(guī)劃條件模板。

1.2 提供數(shù)據(jù)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有部分上游專業(yè)的文件需要設(shè)備設(shè)計(jì)人提供數(shù)據(jù)，增補(bǔ)文件內(nèi)容，例如工藝設(shè)備表中的設(shè)備重量信息、設(shè)備數(shù)據(jù)表中的設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)等。在數(shù)字化集成設(shè)計(jì)平臺(tái)上，由于這部分?jǐn)?shù)據(jù)所在的文件已經(jīng)集成在平臺(tái)中的，設(shè)備設(shè)計(jì)人可以填寫數(shù)據(jù)，發(fā)布后數(shù)據(jù)自動(dòng)匯總到上游專業(yè)文件中的對(duì)應(yīng)項(xiàng)，以比較理想的數(shù)據(jù)集成方式實(shí)現(xiàn)這部分需求。

1.3 設(shè)備模型

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，三維設(shè)計(jì)的設(shè)備模型是以碰撞檢查為目的的，只大致表達(dá)設(shè)備外形和所占用空間，通常由配管設(shè)計(jì)人完成。數(shù)字“孿生工廠”對(duì)設(shè)備模型有更高的要求，所以數(shù)字化集成設(shè)計(jì)中設(shè)備需要進(jìn)行高精度的建模。配管設(shè)計(jì)人對(duì)設(shè)備信息的掌握有限，因此由設(shè)備設(shè)計(jì)人進(jìn)行設(shè)備建模是較好的方案。

煉廠項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)備設(shè)計(jì)與裝置三維設(shè)計(jì)是同步進(jìn)行的。為滿足三維設(shè)計(jì)的進(jìn)度需求，設(shè)備模型需要至少創(chuàng)建兩次。

第一次進(jìn)行占位建模，在設(shè)備設(shè)計(jì)條件確定后，三維設(shè)計(jì)啟動(dòng)前完成。設(shè)計(jì)人根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)條件中的設(shè)計(jì)參數(shù)，估算設(shè)備大致外形數(shù)據(jù)，創(chuàng)建粗略表達(dá)設(shè)備外形的占位模型。占位模型的目的是滿足設(shè)備布置需要，不體現(xiàn)設(shè)備細(xì)節(jié)。設(shè)備數(shù)據(jù)前期缺失較大的外購(gòu)設(shè)備，可以根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)，用極簡(jiǎn)單的形狀示意占位，例如單臺(tái)回轉(zhuǎn)體設(shè)備用圓柱體，撬裝設(shè)備用立方體。

圖1 設(shè)備占位模型

第二次進(jìn)行詳細(xì)建模，在設(shè)備施工圖完成或供應(yīng)商資料返回時(shí)創(chuàng)建。二次模型應(yīng)在占位模型的位置進(jìn)行原位替換。二次模型應(yīng)較詳細(xì)的體現(xiàn)設(shè)備外形，主體結(jié)構(gòu)外形尺寸應(yīng)準(zhǔn)確，細(xì)部結(jié)構(gòu)可適當(dāng)省略，但設(shè)備總體外形應(yīng)易于辨認(rèn)。設(shè)備管嘴的定位必須與實(shí)際設(shè)備一致，避免定位誤差影響管道布置。

圖2 設(shè)備詳細(xì)模型

2 數(shù)字化交付對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)成果的需求

目前煉廠設(shè)計(jì)的數(shù)字化交付還不能完全替代傳統(tǒng)交付，傳統(tǒng)交付和數(shù)字化交付是并行的。數(shù)字化交付除了圖紙、文檔等出版物外，還需要交付設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于設(shè)備設(shè)計(jì)而言，需要額外提供設(shè)備屬性、設(shè)備模型、電子版圖紙、文檔和關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2.1 模型

設(shè)備模型可分為工廠三維設(shè)計(jì)模型中的設(shè)備模型和設(shè)備拆解模型。前者已包含在工廠三維設(shè)計(jì)成果中。后者通常指與現(xiàn)實(shí)高度一致、體現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型，滿足拆解圖、操作模擬等應(yīng)用的需求。這種模型創(chuàng)建成本高，需根據(jù)業(yè)主具體需求確定模型的詳細(xì)程度。

2.2 屬性

屬性是數(shù)字化設(shè)計(jì)成果的重要組成部分。數(shù)字化的深度決定了屬性數(shù)量。屬性越多，數(shù)字化工廠能應(yīng)用的數(shù)據(jù)越豐富。但屬性不能無(wú)限增多。工廠對(duì)象數(shù)量龐大，過(guò)度增加屬性會(huì)使數(shù)字化交付成本急劇上升，過(guò)多的信息還會(huì)增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，給使用和維護(hù)帶來(lái)問(wèn)題。

不同類型設(shè)備的屬性應(yīng)有不同。實(shí)踐中可將設(shè)備屬性可分為三類：

第一類，工廠對(duì)象通用屬性。即數(shù)字化工廠中所有對(duì)象都具備的屬性：位號(hào)、用途、名稱、數(shù)量、安裝位置、類型、型號(hào)、供應(yīng)商和制造商等。

第二類，設(shè)備通用屬性。即各類靜設(shè)備都應(yīng)具有的屬性：介質(zhì)名稱、介質(zhì)相態(tài)、介質(zhì)操作密度、介質(zhì)毒性、介質(zhì)爆炸危險(xiǎn)性、介質(zhì)火災(zāi)危險(xiǎn)性、工作溫度、工作壓力、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、內(nèi)徑、筒體長(zhǎng)度、殼體材質(zhì)、腐蝕裕量、全容積、容器類別等。

第三類，設(shè)備類型屬性。即不同種類設(shè)備特有的屬性。例如板式塔為例的類型屬性有：塔頂工作溫度、塔底工作溫度、塔頂工作壓力、塔底工作壓力、塔盤類型、塔盤材質(zhì)、塔盤數(shù)量和設(shè)計(jì)負(fù)荷等。

第四類，設(shè)備管理屬性。即用于工廠設(shè)備管理的屬性。例如：資產(chǎn)編碼、設(shè)備編碼、出廠編號(hào)、注冊(cè)編號(hào)、安裝日期、出廠日期、啟用日期、維護(hù)單位、監(jiān)檢單位等。此類屬性需根據(jù)工廠管理實(shí)際情況定制。

2.3 圖紙和文檔

數(shù)字化交付的設(shè)備圖紙、文檔與傳統(tǒng)交付物的范圍基本一致。但需要按一定規(guī)則上傳到集成平臺(tái)，并與設(shè)備建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3 專業(yè)間數(shù)字化協(xié)同方案

數(shù)字化集成設(shè)計(jì)中的專業(yè)協(xié)同與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有許多不同。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一方修改了數(shù)據(jù)，用紙版委托條件信息傳遞給接收方，接收方根據(jù)自己的工作安排決定修改時(shí)間。信息傳遞過(guò)程中的滯后性為雙方提供了一定緩沖的空間。在集成設(shè)計(jì)中，由于數(shù)據(jù)的唯一性，一方發(fā)布了修改數(shù)據(jù)，另一方相關(guān)內(nèi)容會(huì)一起修改。因此集成設(shè)計(jì)中專業(yè)工作交叉的次數(shù)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)增多，管理更復(fù)雜。

3.1 設(shè)備模型協(xié)同設(shè)計(jì)

三維工程模型中的設(shè)備模型，是設(shè)備在數(shù)字化集成設(shè)計(jì)中協(xié)同流程最復(fù)雜的對(duì)象。從設(shè)備創(chuàng)建到施工圖完成或供應(yīng)商資料確認(rèn)階段，設(shè)備設(shè)計(jì)人會(huì)因?yàn)樯嫌卧O(shè)計(jì)條件變動(dòng)、估算數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果的差異、計(jì)算方法調(diào)整、設(shè)計(jì)方案變動(dòng)、占位模型細(xì)化到詳細(xì)模型等原因修改模型。配管設(shè)計(jì)人會(huì)因?yàn)樵O(shè)備的定位、標(biāo)高、方位等數(shù)據(jù)的變動(dòng)修改模型。在此階段設(shè)備和配管設(shè)計(jì)人必須同時(shí)對(duì)設(shè)備模型有編輯權(quán)限，因此有必要規(guī)定協(xié)同設(shè)計(jì)的原則，明確雙方的責(zé)任分界面：

1)設(shè)備模型創(chuàng)建和命名由設(shè)備設(shè)計(jì)人完成；

2)各專業(yè)應(yīng)遵循統(tǒng)一的設(shè)備模型基準(zhǔn)點(diǎn)原則；

3)設(shè)備模型創(chuàng)建前，配管專業(yè)宜提供設(shè)備模型的坐標(biāo)。設(shè)備設(shè)計(jì)人在指定坐標(biāo)完成建模。

4)設(shè)備主體模型由設(shè)備設(shè)計(jì)人完成，配管人員不得修改；

5)設(shè)備管嘴模型由設(shè)備設(shè)計(jì)人創(chuàng)建，設(shè)備和配管設(shè)計(jì)人均可對(duì)按需對(duì)管口模型進(jìn)行修改，修改時(shí)都需告知對(duì)方；

6)設(shè)備保溫層和設(shè)備自身操作空間建模由設(shè)備設(shè)計(jì)人完成；

7)設(shè)備施工圖會(huì)簽或供應(yīng)商資料確認(rèn)前，設(shè)備設(shè)計(jì)人應(yīng)保證設(shè)備模型與施工圖或確認(rèn)資料一致；

8)施工圖會(huì)簽或供應(yīng)商資料確認(rèn)時(shí)，雙方應(yīng)在模型確認(rèn)無(wú)異議后，去掉設(shè)備專業(yè)對(duì)模型的編輯權(quán)限，由配管專業(yè)完全后續(xù)維護(hù)，直至項(xiàng)目完成。

3.2 設(shè)備屬性協(xié)同錄入

集成平臺(tái)中數(shù)據(jù)協(xié)同錄入功能一般是較完善的。有權(quán)限的專業(yè)可接收、修改和發(fā)布屬性數(shù)據(jù)，交互過(guò)程由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行版本控制，并可回溯所有修改記錄。

4 下一步集成工作方向的構(gòu)想

由于設(shè)備設(shè)計(jì)工具整體數(shù)字化水平偏低，與數(shù)字化設(shè)計(jì)集成平臺(tái)直接進(jìn)行軟件級(jí)的數(shù)據(jù)集成是較困難的。目前有三個(gè)方向是技術(shù)路線較明確的，后續(xù)工作中可嘗試開發(fā)：

1)集成平臺(tái)向設(shè)備計(jì)算軟件傳遞設(shè)備工藝數(shù)據(jù)。

2)集成平臺(tái)向設(shè)備制圖工具進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，用于輔助繪圖。

3)設(shè)備計(jì)算軟件向集成平臺(tái)傳遞設(shè)備屬性。

5 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)有軟硬件條件下，設(shè)備集成過(guò)程還依賴中間文件，雖然能有效提高效率，但和真正的數(shù)據(jù)集成還有很大差距。隨著設(shè)備設(shè)計(jì)的發(fā)展，未來(lái)會(huì)出現(xiàn)一些數(shù)字化程度較高的專業(yè)設(shè)計(jì)工具，實(shí)現(xiàn)軟件級(jí)的數(shù)據(jù)集成，減少重復(fù)人工勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。