風電企業數字化基礎建設研究

王曉東

上海電氣風電集團股份有限公司 上海 200233

1 研究背景

近年來,風電行業發展迅猛,風力發電已成為重要的發電方式。隨著電價平價時代的來臨,企業不得不將重點放回降低成本,但是物料成本是客觀存在的,風力發電機維護工作環境復雜,運維的危險性決定了運維成本無法降低,因此從傳統渠道降低成本存在困難。長期來看,風電行業高質量發展將成為業內關注和研究的重點內容,平價上網需要通過技術創新與競爭來推動。只有突破技術瓶頸,才能推動研發出更加先進的風力發電機產品,提高可靠性與發電效率,逐步實現智能化,進而提高全生命周期性價比,從根本上降低風電項目各環節成本。當然,技術的革新是一個緩慢過程,需要通過新的技術手段激發創新活力。就此,筆者對風電企業的數字化基礎建設進行研究。

2 數字化應用前景

數字化技術包括產品數據管理系統、基于模型的定義技術、數字雙胞胎、管理信息系統、云技術等。波音公司通過基于模型的定義技術的應用,將三維制造信息與三維設計信息共同定義到產品的三維數字化模型中,明顯縮短了研發設計周期,提高了設計正確率,使產品加工、裝配、測量、檢驗等實現高度集成,數字化技術的應用產生跨越式發展。我國大飛機項目的設計和制造也正在逐步實施和應用基于模型的定義技術,這一技術給飛機的裝配帶來實質性變革。

數字雙胞胎指以數字化方式復制一個物理對象,模擬對象在現實環境中的行為,對產品、制造過程,乃至整個工廠進行虛擬仿真,從而提高企業產品研發、制造的效率。西門子公司借助數字雙胞胎技術,實現了從產品研發、設計、生產到服務的全過程虛擬仿真,從而提高了生產力、可用性和過程可靠性,優化了加工精度和維護、服務模式。

云技術是企業實現數字化轉型的關鍵技術,應用云技術,企業可以在投入較低信息技術成本的同時提高工作效率。上海電氣風電集團引入云平臺技術后,不需要再采購昂貴的服務器主機,使用筆記本計算機即可接入云平臺進行大型零部件、裝配體的設計和大量數據的分析、計算。通過云解決方案,還可以實現遠程辦公和更好的協作,不但節省了信息技術成本,而且大幅提高了工作效率。當前,云計算替代傳統信息技術架構系統已經成為一種趨勢。企業應用好云技術,能夠具有更強的競爭力。

產品數據管理系統能夠管理與產品相關的所有數據,包括零部件數據、配置數據、文檔數據、計算機輔助設計文件數據、權限信息數據等。產品數據管理系統還可以管理產生以上數據的所有過程,包括過程定義和過程數據,提供帶計算機輔助設計和企業資源計劃接口的集成平臺。在產品數據管理系統中,能夠建立并行的產品開發流程,產品開發過程中的各個階段可以實現數據共享和有機集成,做到設計信息的及時預發布和應用問題的及時反饋。

3 風電企業數字化道路

越來越多的企業開始進行數字化應用,希望通過數字化推廣,使企業的研發能力上一個臺階。數字化應用效果的優劣,將決定企業發展是否能夠實現可持續性。風電企業的數字化道路沒有現成解決方案,需要根據實際情況定制。

風力發電機產品存在開發階段和批量生產階段。在開發階段,要創建文檔。在批量生產階段,使用開發階段的文檔,同時進行部分升級改進,涉及復雜的文檔管理和項目管理工作。引入產品數據管理系統,可以對文檔和項目進行集成管理,實現產品開發時的快速決策調整和批量生產時的無縫使用樣機文檔,并且使設計流程和項目管理規范化,用管理來簡化、解決技術問題。數字化轉型的核心是運用技術手段構建新的業務模式、流程、軟件、系統,業務模式和流程的改善能夠提高員工的效率與創新能力,為企業帶來更高的效率、更大的競爭優勢,獲取更多的利潤。

在傳統作業中,運維人員進行維護時需要在風電場耗費大量工時,并且有作業風險。可以對風力發電機整機建立模型,利用數字雙胞胎技術,對整機進行力學分析、運動干涉、運行模擬等。中央集控室通過傳感器和實況顯示屏檢查實時運營情況、運營數據、事故點位,并分析事故原因,實現精準維護。這樣做,還能夠降低作業風險,減少人工作業花費的時間和高昂費用。利用傳感器提供風電場作業數據,中央集控室能夠持續監控所有位置,確保風力發電機和其它設施在沒有生產安全問題的情況下順利運行。

風力發電機產品有基礎、塔架、機艙、輪轂、葉片等多個部套,各部套下還有眾多的子零部件。在設計階段,不可避免會遇到大裝配卡頓、分析計算耗時等問題,需要配備高性能計算機。引入云技術,借助共享云計算機的計算能力,可以大幅提高設計的流暢性和分析計算的速度,特別使對于復雜結構和大型裝配件的設計,效果尤其明顯。效率提高后,產品的開發速度隨之提高,工程師能夠將大部分時間精力放在產品本身,更便捷地檢查大裝配結構的配合性,從而提高產品質量,降低錯誤率。

在傳統的產品設計過程中,工程師各自開展工作,沒有統一的設計標準和設計庫,會出現相同物料反復進行設計的情況,浪費人力物力。標準化設計包括建模標準化、圖紙標準化、設計庫標準化等,能夠使產品設計要素單純化,加大技術儲備的重用性。新產品設計時,可以活用和繼承以往的技術儲備,通過選擇、交換、組合,快速設計出新產品。標準化使思考方式定型化、規律化,使技術工作程序化、模式化,進而將個人自由思考的設計方式轉變為集體思考的設計方式,最終達到提高工作效率的目的。

4 數字化基礎建設意義

多數企業在應用推廣數字化時,往往有長遠的規劃、宏大的目標,但實施起來卻困難重重,進度緩慢。究其原因,大多是企業的數字化基礎建設不夠扎實,沒有給予足夠的重視。數字化基礎建設是數字化應用的基石,需要長時間積累、完善,雖然耗時耗力,見效慢,但是意義卻是長遠的。

以標準化舉例,標準化的設計環境能夠保證研發數據的統一性,為產品數據管理、企業資源計劃數據管理奠定堅實的基礎。越早建立標準化設計環境,越早能夠減少歷史冗余數據沉積。當前,越來越多的企業意識到標準化的價值,熱別是研發設計標準化,將會對延伸的產業鏈,包括生產、采購庫管、售后等產生直接影響,提高投資回報率。標準化設計環境是建立設計標準化體系中的重要一環,如果沒有建立標準化設計環境,那么一旦發生項目變更,將帶來不小的麻煩,并且會對后期產品數據管理、企業資源計劃數據管理產生不利的影響。

5 數字化基礎建設關鍵技術

5.1 產品數據管理系統

做好三維設計工作,除標準化外,文檔管理也非常重要。在產品開發階段,主要工作是創建文檔。產品開發結束時,相關文檔會提交給工程數據庫管理模塊來管理。文檔是產品數據管理系統管理的基本對象,產品數據管理系統通過對具體文檔進行操作,包括建立、屬性定義、瀏覽、保存、入庫、變更,來實現歸類管理、流程管理、版本管理、權限管理等。

通過對產品文檔的歸類管理,實現各部套間的協同設計、實時對接,減少部套件的配合問題。流程管理主要指對文檔和物料的提交、審查、批準、發布、歸檔等過程進行有效管理。

對產品設計過程中的各種文檔進行相關任務的確定和版本變更的維護,屬于版本管理,可以保證設計過程中任務的完整性和數據的一致性。產品數據管理系統在進行二維設計圖紙管理時,只負責文件名稱及屬性,不涉及文件內容。而三維設計則不同,零件、裝配體、工程圖之間可以實現自動關聯與更新,文件版本改動會造成整個產品改動,因此,在三維設計環境中需要管理設計流程所跟蹤的屬性。

產品數據管理系統可以同步實現對項目的管理。項目管理主要包括:① 項目創建,包括項目名稱、項目代號的映射關系,以及項目的其它屬性;② 項目刪除;③ 項目屬性更改;④ 項目進度監控;⑤ 項目中成員角色定義。產品數據管理系統中的業務項操作與項目的創建密切相關,項目創建除按照規范進行以外,還要及時掌握項目中各種審查、審批角色的定義和分配,包括各部套的設計流程角色分配等。通過對文檔和項目的集成管理,可以實現產品開發設計與項目執行的無縫銜接,提高項目的執行效率,減小項目的執行偏差。

5.2 設計環境

設計環境指針對顯示樣式、繪圖標準、設計單位制、尺寸標注樣式、繪圖線型、屬性等所進行的標準定義,需要分別對設計過程中的零件、裝配體、工程圖進行定義。工程師在統一的設計環境中進行三維設計,能夠避免由于單位制不統一、顯示樣式不同而導致的信息溝通錯誤和設計效率降低,保障數據源模型的三維標準化。

5.3 標準化

進行數字化基礎建設,標準化要先行。應制定零件、裝配體模板,包括模型單位制、圖層結構、引用集、屬性卡等。其中,屬性卡采用設計環境自動集成方式,隨零件、裝配體的設計環境自動調用,用于管理零件的各個屬性,包括文檔號、文檔描述、材質、質量、所屬產品編碼、所屬項目名稱等,同時可以添加流程屬性字段,如校對、審核、審定等。在設計過程中,搜集用于管理的屬性非常關鍵,能夠通過屬性卡實現文檔有序管理。主模型圖紙圖框標題欄中,會映射出零件、裝配體的大部分設計屬性。完善的屬性卡能夠使零件、裝配體的屬性自動在工程圖標題欄中產生映射,進而提高設計效率,降低錯誤率。

還應制定工程圖模板,定義圖紙技術要求、變更欄、零件明細表。圖紙中的視圖樣式包括線型、字高、標注格式等。在以二維計算機輔助設計軟件作為設計工具的時代,企業均以二維工程圖作為設計數據標準化對象。在三維設計時,可以依據現有的符合企業標準的二維工程圖定義圖紙、圖框、標題欄。圖紙的標準化程度會直接決定圖紙的質量。

標準化設計和產出是發揮三維設計優勢的基礎工作,為使后期企業設計庫得到完善,需要同步編寫一系列標準文件,包括三維建模裝配出圖標準、企標件入庫標準、庫維護標準等,為設計庫的建立打好基礎。標準體系的建立是一項持之以恒的工作,是漸近、不斷完善的過程,需要企業針對自身實際情況,在不同時期、不同階段做出不同的改進和修改,以服務企業自身的研發、設計、制造,推動企業自身發展。

5.4 基礎資源庫

建設基礎資源庫,需要結合數據管理平臺、數字化設計軟件,利用標準化方法與技術,深入分析和挖掘各種數據信息與應用需求,構建統一的資源庫管理系統,實現資源共享,避免重復建設。基礎資源庫主要包括參數化模塊庫、標準件庫、材質庫、型材焊接庫、技術要求庫等,可以隨著數字化設計的推進而擴展。其中,參數化模塊庫是三維建模的基礎,工程師在已有模塊的基礎上建模,不但能夠提高建模出圖的效率,而且可以提高數據的規范性,建立真正意義上的數字化模型。

基礎資源庫模型要注重規范化和標準化,以提高重用性。需要編制標準規范,將非幾何信息、管理信息、材質信息、技術要求、流程屬性規范化,并通過計算機輔助設計軟件建立統一的參數化模型結構樹,建立標準件庫、參數化模塊庫。以機械結構件舉例,梁、板等典型結構件是主要部分,使用頻率較高,可以對梁、板等進行分類,借助NX軟件中的PTS參數化工具建立若干參數化模塊庫。在此基礎上,將設計規范、標準編入參數表,方便工程師在進行結構設計時按照要求調用不同的模板零件,簡化設計過程,規范建模操作,提高工作效率,縮短產品設計周期。

標準件庫包含所有可能用到的標準件,分為緊固件標準件庫、電氣標準件庫、工藝標準件庫、管道標準件庫等。工程師在設計產品時,可以直接在標準件庫中選取所需的標準件,減小工作量。統一選用標準件庫中的標準件,能夠保證同系列產品的一致性,減少物料種類。

材質庫包含所需的各種材質數據,并且可以進行定制。材質屬性包括彈性模量、泊松比、抗剪模量、質量密度、張力強度、屈服強度、熱膨脹系數、熱導率、比熱等。通過直接引用材質數據庫,可以減小工程師自行查找材質屬性的工作量。材質信息能夠直接用于統計質量、仿真分析等,材質外觀可以用于渲染模型及企業營銷展示。

型材焊接庫定義了焊接件建模時需要調用的焊件截面、材質,如不同規格的圓鋼、角鋼、工字鋼等。建立型材焊接庫,能夠對焊接材質進行統一管理與維護,使整個企業按照統一的標準進行焊接件設計,便于型材成本統計,提高焊接件設計效率。

技術要求庫預設各類典型零件、裝配件圖紙的技術要求,包括防腐涂裝要求、表面粗糙度要求、加工要求等。工程師出圖時,可以根據需要直接選擇使用,能夠為快速設計圖紙提供指導,同時保持圖紙的統一性,進一步提高圖紙質量,降低錯誤率。

6 結束語

應用數字化能夠幫助企業實現自動化和差異化的有效管理,數字化業務流程通過業務重構創造新的數據驅動模式,使企業運營效率大幅提高。通過產品數據管理系統、基于模型的定義技術、數字雙胞胎、云技術等數字化技術的實施,企業最終能夠實現效率提高、質量提高、成本降低等目標。數字化技術不僅可以使企業業務運營更精細,而且能夠為企業戰略決策提供更好的信息支持。

在數字化推進過程中,企業要做好頂層設計、統籌規劃,從數字化基礎建設做起,制定標準設計環境,積累企業資源庫,建立數字化基礎模型。只有這樣,企業才能實現文檔精細管理、項目高效管理,迎來新的發展方向,最終提高競爭力。