大型煤化工項目實施數(shù)字化交付設(shè)計與應(yīng)用

趙志建，曹小利，楊鈞生，雷寧，元藍天，周曉雯

(陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719000)

隨著工業(yè)化與信息化的深度融合，傳統(tǒng)的化工企業(yè)開始向數(shù)字化、智能化工廠轉(zhuǎn)型發(fā)展，構(gòu)建智能工廠的前提是需要完整的工廠設(shè)計數(shù)據(jù)和運行維護數(shù)據(jù)。因此，新建工廠在建設(shè)階段采用數(shù)字化交付的形式將靜態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的形式進行移交。數(shù)字化交付作為一個先進的交付模式，以工廠對象為核心，將3D模型、智能P&ID圖紙、儀表數(shù)據(jù)及文檔建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。交付范圍覆蓋設(shè)計、采購、施工階段的工廠數(shù)據(jù)，在交付過程中通過數(shù)據(jù)校驗、模型精細化、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和發(fā)布等最終形成完整的工廠數(shù)據(jù)，利用數(shù)字化交付平臺實現(xiàn)了以工廠對象為驅(qū)動的設(shè)計數(shù)據(jù)集成，同時使數(shù)字工廠與物理工廠同步建設(shè)，為建設(shè)智能工廠提供了全方位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 數(shù)字化設(shè)計與交付標準

GB/T 51296—2018《石油化工工程數(shù)字化交付標準》中對石油化工數(shù)字化交付從交付策略、交付方案、信息整合和校驗以及最終驗收做了明確定義。中石化根據(jù)工廠運維需要，在上述標準的基礎(chǔ)上編制了《石油化工工程數(shù)字化交付執(zhí)行細則》(試行)，于2020年1月開始試行，國內(nèi)化工企業(yè)對工程項目的文件交付已從傳統(tǒng)紙質(zhì)文件交付轉(zhuǎn)向數(shù)字化交付。

某煤化工公司1.8 Mt/a乙二醇項目數(shù)字化交付過程中，采用了某公司的數(shù)字化設(shè)計系列軟件，主要有Smart Plant P&ID(SPP&ID)工藝流程圖繪制軟件、Smart 3D(S3D)模型軟件、Smart Plant Instrumentation(SPI)儀表設(shè)計軟件、Intergraph Smart Reference Data材料編碼系統(tǒng)及Smart Plant Foundation(SPF)數(shù)據(jù)集成平臺等內(nèi)容，實現(xiàn)了各專業(yè)間數(shù)據(jù)自動傳遞，確保了數(shù)據(jù)的一致性，提升數(shù)據(jù)復(fù)用性及標準化程度，從而提高設(shè)計質(zhì)量，加快設(shè)計進度，降低設(shè)計投入。數(shù)字化交付實施過程中根據(jù)項目的特點和運維需求建立了一套適用于煤化工工廠建設(shè)與運維需求的數(shù)字化交付規(guī)定。

1.1 數(shù)字化交付范圍

數(shù)字化交付范圍涵蓋項目設(shè)計、采購、施工階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如工廠模型文件、P&ID圖紙、儀表規(guī)格書、工廠對象屬性信息、以及工廠對象與資料文檔的關(guān)聯(lián)關(guān)系等信息數(shù)據(jù)，同時包含了紙質(zhì)版設(shè)計資料，如圖1所示。最終形成的數(shù)字化交付信息應(yīng)與建成的實體工廠和竣工資料完全一致，實現(xiàn)數(shù)字工廠與物理工廠同步建設(shè)[1]。

圖1 數(shù)字化交付范圍數(shù)據(jù)傳輸示意

1.2 智能工藝流程圖

SPP&ID是一個以數(shù)據(jù)為中心的智能工藝儀表流程圖設(shè)計軟件。根據(jù)項目運維需求編制了智能圖紙交付統(tǒng)一規(guī)定，首先對圖面格式、管道線型及文本注釋等制定統(tǒng)一規(guī)則，對圖中的設(shè)備及設(shè)備標簽、管道和閥門的標簽進行約定，其次在設(shè)計過程中，在SPP&ID軟件上填寫設(shè)備屬性、管道屬性和儀表屬性等信息，同時進行數(shù)據(jù)檢驗，然后發(fā)布至交付平臺，供設(shè)計人員根據(jù)圖紙進行建模工作，實現(xiàn)協(xié)同辦公，數(shù)據(jù)復(fù)用，保證數(shù)據(jù)的一致性，降低成本，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，同時對版本進行控制，實現(xiàn)對原數(shù)據(jù)的可追溯性[2]。在該項目交付過程中，累計交付P&ID圖紙1 362張，圖紙內(nèi)涵蓋設(shè)計階段設(shè)備、管道及儀表閥門等設(shè)計屬性。在整個工廠生命周期內(nèi)，SPP&ID軟件不僅繪制、共享、修改和管理P&ID圖紙，它還對工廠維護及改造起著至關(guān)重要的作用。

1.3 智能模型

S3D是三維模型設(shè)計軟件，打破了傳統(tǒng)的無屬性建模設(shè)計，它涵蓋了配管、設(shè)備、結(jié)構(gòu)和儀表等專業(yè)，實現(xiàn)了各專業(yè)協(xié)同設(shè)計工作。在建模工作過程通過SRD建立的管道等級庫可以實現(xiàn)獨立建模工作，同時可以接收P&ID圖紙，建立二三維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，避免二次填寫設(shè)備及管道等屬性信息工作，提高設(shè)計效率[3-4]。三維模型是設(shè)計階段數(shù)字化交付的重點，在項目實施過程中，主要涵蓋了設(shè)備模型、管道模型、結(jié)構(gòu)模型、電纜橋架以及儀表模型，它不僅與工藝流程圖進行位號關(guān)聯(lián)，同時錄入了工藝數(shù)據(jù)、儀表信息、設(shè)備屬性等數(shù)據(jù)，3D模型示意如圖2所示。工程設(shè)計公司建模使用項目的統(tǒng)一原點和坐標系，標高采用絕對標高，與實體工廠保持一致，確保在交付過程中實現(xiàn)所有工程設(shè)計公司交付的模型數(shù)據(jù)能夠進行整合，以防坐標不準確發(fā)生模型重疊、數(shù)據(jù)丟失等問題。設(shè)計審查過程中可以依據(jù)該模型進行30%，60%，90%模型進度審查工作，如設(shè)備布置、管道碰撞檢查和數(shù)據(jù)一致性檢查等自動化手段，可以優(yōu)化設(shè)計方案，最大限度地保證設(shè)計質(zhì)量縮短項目周期[5-6]。

圖2 3D模型示意

1.4 智能儀表

設(shè)計人員采用SPI智能儀表設(shè)計軟件進行儀表設(shè)計與出圖工作，主要進行儀表數(shù)據(jù)的管理，建立儀表索引(位號、回路、工程數(shù)據(jù))、儀表規(guī)格書、I/O表和接線箱、端子柜接線圖以及監(jiān)控數(shù)據(jù)表等[7]。該軟件不但提高儀表專業(yè)的設(shè)計效率，同時保證圖紙的一致性，避免產(chǎn)生設(shè)計錯誤。截止目前，SPI軟件在該項目交付儀表規(guī)格書和儀表索引表共計26 256份。在后期實施階段，利用SPI軟件創(chuàng)建接線方案、回路圖和安裝圖，實現(xiàn)設(shè)計與出圖工作同步進行。

1.5 非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)加載

數(shù)字化交付過程中除了設(shè)計工具軟件創(chuàng)建的數(shù)字化文件外，采購和施工階段還存在大量紙質(zhì)文件，如采購技術(shù)文件、設(shè)備材料監(jiān)督檢查報告和隨機資料，施工過程的質(zhì)量檢驗報告等，這些文件也是工廠數(shù)據(jù)的一部分，在交付過程中統(tǒng)稱為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[8-9]。為了使工廠交付數(shù)據(jù)的完整性，將紙質(zhì)文件通過掃描建立電子文檔，根據(jù)文件所屬項目和裝置主項號及專業(yè)分類進行分類整理，同時填寫索引表，索引表含“專業(yè)”、“類目”、“圖號”、“圖名”、“版次”、“狀態(tài)”等相關(guān)信息，上傳至數(shù)字化交付平臺。在基礎(chǔ)設(shè)計階段累計交付電子版文件6 800份，供技術(shù)人員通過文件標題或關(guān)鍵字以及文件編號等方式檢索文件。

1.6 材料編碼系統(tǒng)

SRD是管道等級維護的管理平臺，根據(jù)管道材料如直管段、法蘭、盲板、閘閥、過濾器和管道特殊件等劃分為20個大類，同時每個大類包含一個或多個材料小類組成，定制了適用于該項目的管道材料編碼規(guī)則，保證項目管道編碼的唯一性，設(shè)計人員通過編碼規(guī)則完成各裝置管道等級創(chuàng)建工作，為工廠3D建模提供基礎(chǔ)。

1.7 工廠對象分類及屬性

工廠對象分類及屬性表是根據(jù)項目需要對工廠對象進行分類，同時約束填寫交付對象中的必要屬性，主要應(yīng)用于SPP&ID，SPI和S3D等設(shè)計軟件集成的設(shè)計應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)配置，在設(shè)計過程中產(chǎn)生的工廠對象會根據(jù)對象分類進行劃分，也可通過分類統(tǒng)計工廠具體設(shè)備對象清單。同時還可根據(jù)設(shè)備屬性檢索同規(guī)格設(shè)備，同時該分類對運維階段設(shè)備管理及備品備件管理提供了基礎(chǔ)，提高數(shù)字化交付在工廠運維階段的應(yīng)用。

1.8 種子庫定制

基于以上交付內(nèi)容和要求以及項目數(shù)字化交付的實施范圍，確定數(shù)字化交付種子庫的種類和數(shù)據(jù)規(guī)則，該項目采用全系列數(shù)字化交付軟件進行交付工作，主要有SPI種子庫、S3D種子庫、SPP&ID種子庫、SPF種子庫和SRD實施細則等技術(shù)文件，工程公司通過搭建統(tǒng)一的設(shè)計環(huán)境，編制設(shè)計文件，實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)在工具軟件中的自動傳輸，確保數(shù)據(jù)的準確性，最終完成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的信息集成。

2 數(shù)字化交付移交

2.1 數(shù)字化信息校驗

在竣工文件交付進度為60%，90%等質(zhì)量審核節(jié)點，根據(jù)數(shù)字化交付統(tǒng)一規(guī)定的要求審查各類交付信息，質(zhì)量審核的范圍主要有交付物是否按照工廠分解結(jié)構(gòu)要求進行分區(qū)域定制，工廠對象編號、文檔命名與編號是否符合規(guī)定，數(shù)據(jù)、文檔和三維模型是否符合交付深度要求。在交付平臺上根據(jù)數(shù)據(jù)交付規(guī)則編制質(zhì)量審查報告，審查報告中包括不符合編號規(guī)則的工廠對象編號、文檔編號的統(tǒng)計報表；對不滿足標準定義的工廠對象屬性，對同一工廠對象同一屬性不一致的值或計量單位，生成屬性合規(guī)性分析報表；對缺失的文檔、缺少關(guān)聯(lián)關(guān)系的文檔，生成的文檔完整性分析報表；以及不同設(shè)計軟件提供的設(shè)計數(shù)據(jù)生成不一致性分析報告；對三維模型中各類工廠對象與交付清單中工廠對象不一致的，生成模型完整性分析報表等[10]。

2.2 信息移交

在工廠建設(shè)階段，工程公司、供應(yīng)商和施工單位提供的數(shù)字化交付文件，通過設(shè)計軟件備份的方式移交至建設(shè)單位，交付文件移交流程如圖3所示。建設(shè)單位本地部署數(shù)字化交付服務(wù)器并恢復(fù)交付文件，協(xié)調(diào)各個專業(yè)技術(shù)人員二次審查數(shù)字化交付文件，保證高質(zhì)量完成數(shù)字化交付工作，為工廠運維提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖3 數(shù)字化審查和移交流程示意

3 數(shù)字化交付平臺

交付平臺主要有鷹圖的SPF、劍維的AVEVANET(.NET)及中國達美盛的PIMCenter和中科輔龍的PDSOFT工廠協(xié)同設(shè)計平臺，SPF是數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺也是數(shù)字化交付信息管理平臺，涵蓋設(shè)計及移交兩部分內(nèi)容[11-12]。

3.1 信息集成平臺

SPF是一個開放性的集成平臺，是應(yīng)用集成和數(shù)據(jù)集成常用的平臺。應(yīng)用集成指設(shè)計工具軟件發(fā)布的數(shù)據(jù)集成，該項目使用的SPI、SPP&ID和S3D軟件集成設(shè)計，設(shè)計軟件可以與交付平臺共享數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)的雙向流轉(zhuǎn)，提高數(shù)據(jù)的復(fù)用率，避免二次輸入帶來的誤差，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動更新和數(shù)據(jù)比對功能[13]。如SPI將每個單元的儀表數(shù)據(jù)在相應(yīng)的單元下進行創(chuàng)建，SPP&ID根據(jù)工藝包文件創(chuàng)建工藝流程圖，完成后可發(fā)布至SPF交付平臺上，S3D可接收線上圖紙，進行搭建模型工作，在建模的過程中實現(xiàn)了二、三維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，為圖紙和模型在平臺實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)提供基礎(chǔ)。

3.2 信息管理平臺

SPF不但能夠進行數(shù)據(jù)集成，還可以作為信息管理平臺分類管理設(shè)計數(shù)據(jù)，基于項目主項表定制工廠層級結(jié)構(gòu)(PBS)，如項目級、區(qū)域級、單元級和工段級，其他設(shè)計軟件不需要再單獨創(chuàng)建工廠層級結(jié)構(gòu)，可保證整個工廠的PBS統(tǒng)一性[14-15]。根據(jù)工廠對象分類不同劃分為10大類，主要有工藝設(shè)備、管道、電氣、電信、儀控等。同時根據(jù)交付階段的不同，劃分為工程設(shè)計文檔、工程采購文檔和工程施工文檔三類，每類文檔中根據(jù)不同專業(yè)進行具體劃分，如設(shè)計圖紙、儀表規(guī)格書、設(shè)備隨機資料等共計300多項。文檔與數(shù)據(jù)共存于一個數(shù)據(jù)庫中，建立文件間關(guān)聯(lián)關(guān)系，便于數(shù)據(jù)的管理，為專業(yè)人員查閱文件提供便利。

1)信息查詢?yōu)g覽。交付平臺中信息檢索的主要方式有5種： 依據(jù)工廠對象分類原則創(chuàng)建項目級導航目錄樹，在目錄結(jié)構(gòu)中直接查找；根據(jù)文件編碼或設(shè)備位號實現(xiàn)快速檢索；根據(jù)高級查詢表編寫設(shè)備特有屬性進行檢索；對于掃描上載的設(shè)計文件可以利用全文字段檢索；利用交付平臺數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性進行不同類型文件檢索，可以實現(xiàn)多個對象之間的跳躍檢索。如點擊模型上的對象既可以查看該對象的全部屬性數(shù)據(jù)，也可以跳轉(zhuǎn)至該對象的二維圖形，以及與之關(guān)聯(lián)的文檔，方便用戶查詢和生成報告，提高現(xiàn)有系統(tǒng)的集成度和應(yīng)用深度。

2)用戶權(quán)限管理。交付平臺基于員工的角色管理訪問權(quán)限，針對該項目將每個裝置的人員劃分為工藝人員、設(shè)備人員、電氣人員、儀表人員等，用戶只能對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行查閱編輯等操作。

3)報表信息管理。數(shù)字化交付平臺在項目建設(shè)期產(chǎn)生大量的工程數(shù)據(jù)和文檔，這些信息數(shù)據(jù)具有種類繁多、數(shù)據(jù)類型不統(tǒng)一的特點，為了方便技術(shù)人員對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，交付平臺提供了強大的智能報表引擎，用戶能夠靈活、合理地定義所需的報表內(nèi)容，結(jié)合不同形式的模板來生成報表，如設(shè)備管理報表、工藝管線報表、儀表報表以及管道附件報表等。

4)輕量化網(wǎng)頁端。SPF開發(fā)了輕量化信息管理網(wǎng)站，項目人員可在瀏覽器中查看數(shù)字化交付平臺中的3D模型、二維圖紙及設(shè)計文件，依賴于客戶端建立的文件關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)技術(shù)人員在不同數(shù)據(jù)源之間進行文件跳轉(zhuǎn)查詢。網(wǎng)頁端對三維模型進行了輕量化，優(yōu)化了模型顯示效果，確保用戶在PC端訪問流暢。以項目的工廠對象分類為基礎(chǔ)定制了導航目錄樹，方便查詢相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)文件，根據(jù)運維階段數(shù)據(jù)需求，對不同設(shè)備的屬性顯示內(nèi)容做了優(yōu)化，大幅降低了交付平臺的使用門檻，提高交付平臺在建設(shè)期和運維的應(yīng)用。

4 數(shù)字化交付應(yīng)用

目前，國內(nèi)化工企業(yè)對數(shù)字化交付標準有自己的理解，根據(jù)運維階段需求自定義數(shù)字化交付規(guī)定，這樣造成數(shù)字化交付在工廠的應(yīng)用參差不齊。有基于模型實現(xiàn)了工廠可視化展示，交付平臺實現(xiàn)模型文件與設(shè)計文件一體化管理，在工廠生產(chǎn)階段基于SPP&ID及S3D進行技改技措，還可基于交付文件查詢設(shè)備采購和施工等信息[16-18]。筆者基于上述數(shù)字化交付應(yīng)用結(jié)合該項目交付文件進行了數(shù)字化的應(yīng)用探索。

4.1 隱蔽工程管理

在建設(shè)階段，基于數(shù)字化交付模型可直觀查看地下管線、電纜的分布等信息，通過隱藏地面設(shè)備或設(shè)置高透明度，可以很清楚地了解管線、電纜的走向，不需要再通過查看復(fù)雜的地下管網(wǎng)分布圖紙。動土作業(yè)審批過程中可以增加模型預(yù)演流程，根據(jù)土質(zhì)以及作業(yè)工具，為動土作業(yè)安全提供輔助評估，提高動土作業(yè)安全。

4.2 員工培訓管理

生產(chǎn)試車階段，對數(shù)字化交付靜態(tài)數(shù)據(jù)做了應(yīng)用測試，基于數(shù)字化交付3D模型文件，工藝人員利用“阿凡達”功能實現(xiàn)員工廠區(qū)可視化漫游，進行生產(chǎn)工藝流程三維場景動畫模擬，通過模擬氣、液流動效果，半透、虛化、隱藏地面的形式，展示地面地下管線流程，同時根據(jù)設(shè)備表面色要求，對全廠設(shè)備和管線進行著色，用于員工的工藝流程培訓學習。同時將三維模型文件與生產(chǎn)試車聯(lián)運方案結(jié)合，制作聯(lián)動試車和應(yīng)急演練方案動畫，實現(xiàn)了外部操作的線上模擬，提高了操作人員對現(xiàn)場應(yīng)急事項的處理能力。

5 結(jié)束語

從該項目采用數(shù)字化交付設(shè)計的實施情況來看，利用數(shù)字化交付軟件進行設(shè)計和移交，保證了設(shè)計文件的準確性和一致性，并基于交付平臺進行設(shè)計數(shù)據(jù)進行整合，實現(xiàn)物理工廠與數(shù)字工廠同步建設(shè)，形成數(shù)字孿生。同時交付數(shù)據(jù)是工廠建設(shè)期與運維期的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是企業(yè)核心競爭力的表現(xiàn)，在建設(shè)階段基于交付成果進行隱蔽工程管理、管道施工管理及工廠施工進度展示等，在運維階段充分利用數(shù)字化工廠，快速地建立起可視化運維管理、設(shè)備管理和安全管理，對未來數(shù)字化移交成果在智能工廠建設(shè)方面具有重要探索意義。