淺析AVEVA Instrumentation在儀表設計中的應用

齊桂卿，李海壽，劉鴻雁，崔 勝

（海洋石油工程股份有限公司設計院，天津 300451）

0 引言

AVEVA是國際著名的工廠工程信息技術企業(yè)，其開發(fā)的AVEVA系列應用軟件廣泛應用于石油化工工程中，對于設計行業(yè)的信息化建設尤為重要[1]。目前國內已有部分設計院引進這種軟件，并應用到項目上，但大多是根據各專業(yè)的設計需求選擇性地應用軟件的某一模塊，真正利用一體化集成平臺實現各專業(yè)協(xié)同設計的很少[2]。隨著企業(yè)的數字化轉型需求日趨迫切，設計軟件的全面應用及二次開發(fā)迫在眉睫。

AVEVA系 列 軟 件 包 括AVEVA Diagrams、AVEVA E3D、AVEVA Instrumentation、AVEVA Electrical、AVEVA Engineering等專業(yè)設計軟件，是一套完整地針對工藝、管道、儀表、電氣等各專業(yè)設計需求而開發(fā)的集成設計平臺（Integrated Engineering and Design）。其基于數據庫平臺的數據傳遞與共享，提高了設計效率與質量[3]。海洋石油工程股份有限公司在數字化轉型過程中，開發(fā)了一套集項目管理和數據傳遞于一體的協(xié)同設計平臺，由于參與協(xié)同設計專業(yè)的不同特點和對協(xié)同設計的不同需求，還需對參與協(xié)同設計的軟件做進一步地二次開發(fā)和定制[4]。本文著眼于儀表設計的工作流程及數據流向，重點介紹基于SQL數據庫的AVEVA INSTRUMENTATION（AI）軟件。

1 儀控系統(tǒng)設計流程

在設計過程中，儀表專業(yè)同工藝、管道、電氣、安全等專業(yè)交互眾多[5]。其中，工藝PID的發(fā)布及儀表工藝參數是儀表系統(tǒng)設計的先決條件，儀控系統(tǒng)設計流程如圖1。

圖1 儀控系統(tǒng)設計流程Fig.1 I&C System design process

AI軟件包括Engineer、Designer、Wiring Manager、Security Manager及Process Engineer，5個模塊共享數據庫。從設計流程圖可以看出，同儀控系統(tǒng)設計成果密切相關的功能集中在前3個模塊，本文將逐一介紹。

2 AI Engineer模塊

AI Engineer模塊以現場儀表和控制回路為核心對象，在整個AI系列軟件中起到承上啟下的作用，既是整個儀控專業(yè)對外交互的窗口，也是儀控專業(yè)啟動本專業(yè)工作的“開門之匙”。該模塊通過儀表（回路）屬性的創(chuàng)建及賦值，完成儀表相關的表單類文件，如儀表清單、IO清單及儀表數據表等。

儀表清單、IO清單中儀表的創(chuàng)建及屬性賦值，包括手動錄入、外部EXCEL表格導入及經AVEVA Engineering直接從上游專業(yè)產生的結構化數據獲取3種方式。

AI Engineer中儀表數據表的編制是基于標準模板，通過在標準模板中關聯(lián)對應屬性字段，實現對已賦值屬性的自動引用。對于需要上游專業(yè)賦值并傳遞至本專業(yè)的屬性，需創(chuàng)建同AVEVA Engineering中所定義屬性的映射關系。

3 AI Designer模塊

AI Designer模塊以設計過程中的圖紙類文件（如儀表典型安裝圖、回路圖等）為核心，處理圖紙文件所承載的設計對象及其屬性。該模塊的設計基于可模板化的CAD圖紙，基于AI軟件的Datalink機制，通過在CAD模板圖紙中設置宏函數與AI數據庫的數據創(chuàng)建映射關系。

該模塊的功能歸納如下：

1）基于模板自動生成Hook-up圖。

2）基于模板自動生成回路圖。

3）基于種子文件自動生成電纜框圖和端子圖。

其中，儀表典型安裝圖和回路圖所承載的設計對象比較單一，符合一個模板對應一類設計對象的邏輯，因此基于“CAD模板+Datalink”的處理機制生成圖紙文件，在技術上較為成熟，在實際工程設計中也獲得了廣泛使用。而基于種子文件的電纜框圖和端子圖，由于其承載對象的多樣性（包括電纜、設備、接線端子等），往往需要大量的二次開發(fā)工作，且一旦種子文件鎖定，靈活性較差，在實際工程設計中較少使用。

4 AI Wiring Manager模塊

AI Wiring Manager模塊以電纜及所連接的設備為其核心設計對象，在電纜目錄庫、設備庫、接線規(guī)則等基礎上開展設計工作，該模塊包括以下功能：

1）電纜管理，包括電纜庫的維護和項目電纜的創(chuàng)建。

2）設備管理，包括設備如中控盤柜、接線箱及現場控制盤等的定義以及設備內端子排、端子號的創(chuàng)建。

3）關聯(lián)儀表位號及中控盤柜卡件。

4）完成電纜接線。

5）生成電纜清冊、電纜料單及其他按需定制的報表。

6）生成電纜滾筒清冊。

7）生成填料函料單。

8）支持CAD版本或EXCEL版本的端子圖自動生成。

9）支持快速查看電纜連接關系。

在該模塊中，儀表設計工作包括兩個階段。

4.1 電纜框圖的設計

按照傳統(tǒng)設計流程，電纜框圖的設計以IO清單為主要輸入，結合接線箱及托架布置，在CAD中完成電纜同起始端設備的連接關系。在AI Wiring Manager模塊中，起始端設備可手動逐個創(chuàng)建，也可以EXCEL的方式批量導入。在創(chuàng)建電纜時，設計人員僅需完成電纜的連接關系，成果文件的排版可通過REPORT功能以表格的形式生成。

相對于傳統(tǒng)的設計方法，在AI環(huán)境中開展電纜框圖的設計工作在效率上并無明顯提升，但在AI中完成設計后，后續(xù)的電纜清冊設計可一鍵完成，無需重新人工錄入；同時，在AI中創(chuàng)建的電纜連接關系可以映射到E3D軟件中，用于完成自動布線工作。因此，當放眼整個設計流程時，效率提升非常顯著。

4.2 端子圖設計

端子圖的設計是在電纜框圖基礎上，結合廠家資料進一步深化設計，包括為起始端設備創(chuàng)建端子（排）及完成電纜接線。在AI Wiring Manager模塊中，端子排的創(chuàng)建包括手動創(chuàng)建、預設接線規(guī)則創(chuàng)建和批量導入創(chuàng)建等方式，針對不同的設計對象，通常采用不同的方法進行端子的創(chuàng)建及連接。

① 接線規(guī)則創(chuàng)建：適用于典型儀表設備如火焰探頭、壓力變送器等。

② 批量導入創(chuàng)建：適用于中控系統(tǒng)盤柜、電氣盤柜等端子相對集中的設備。

③ 手動創(chuàng)建：適用于接線箱、現場控制盤等個體差異性較大的設備。

5 AI軟件中庫的開發(fā)

標準數據庫的建立是AI軟件開發(fā)工作的重點內容，也是標準化建立的深化過程[1]。各工程設計單位應基于自身的設計流程、設計習慣、采辦需求、標準化成果等完善AI軟件中的標準數據庫。如圖1所示，標準數據庫包括規(guī)則庫、屬性庫和材料目錄庫。

5.1 位號（回路號）命名規(guī)則

儀表位號及回路號命名規(guī)則（Tag Format）位號（或回路號）的命名規(guī)則的定義包括位號（或回路號）格式的定義和儀表設備代碼（回路功能編碼）的定義兩部分，在海洋石油平臺設計過程中，儀表設備格式如圖2。

圖2 典型儀表位號命名格式Fig.2 Naming format of typical instrument tag numbers

在AI軟件中，用AREA對應單體，SUBAREA對應系統(tǒng)代號如圖3。單體設備代碼的定義需要在AI軟件的儀表類型庫中定義。

圖3 AI軟件位號命名規(guī)則定義界面Fig.3 AI Software tag naming rule definition interface

位號（或回路號）命名規(guī)則的定義必須同上游軟件AVEVA Diagrams，AVEVA Engineering中定義的格式保持一致，否則無法完成專業(yè)軟件之間的數據傳遞。

5.2 儀表屬性庫

AI軟件支持設計人員為儀表設備（或回路）自定義屬性庫，從設計的角度看，承載儀表屬性的設計文件主要包括儀表索引表、IO清單和數據表等文件，與之對應，AI軟件分別創(chuàng)建了InstrumentList、ProcessData和instrumentData 3個庫表文件。

其中，InstrumentList用于定義儀表索引表中定義的通用屬性，后兩者分別對應數據表中的工藝屬性（如設計壓力）和儀表屬性（如材質）。

工藝與儀控專業(yè)數據傳遞的準確性是由屬性的唯一性保證的，為使AI軟件數據與Engineering數據庫中的屬性數據保持一致，工藝屬性的建立需與Engineering數據庫中工藝屬性的創(chuàng)建遵循統(tǒng)一原則，典型如數據類型、字符串長度限制等。

圖4 儀表屬性的定義Fig.4 Definition of instrument attributes

屬性定義完成后，可借助AI軟件的PickList功能實現下拉菜單，既可以保證屬性賦值的規(guī)范性，同時也可以提升設計效率。

需要注意的是，對部分重要屬性（如位號），AI軟件已進行定義，設計人員應避免使用自定義屬性代替之，以避免對數據的有效傳遞造成影響。

5.3 接線規(guī)則

電纜接線規(guī)則用于為常用典型儀表預設接線信息，通過電纜接線規(guī)則，可實現：

① 端子信息：端子編號、標識及順序。

② 電纜信息：電纜編號、電纜規(guī)格等。

③ 連接關系：端子同電纜線芯的對應關系。

接線規(guī)則創(chuàng)建后，可以在儀表設備代碼庫中同Function Code進行關聯(lián)。這種情況下，現場儀表一旦創(chuàng)建即有默認的接線規(guī)則，可提高設計效率；當默認接線規(guī)則不適用時，也可根據需要在項目級數據庫進行調整，這種調整不會影響其它采用了同一種子庫其它項目。

5.4 材料目錄庫

針對儀控設計中涉及的大宗散料，在AI軟件中可創(chuàng)建電纜目錄庫、填料函目錄庫、安裝材料目錄庫，3個材料目錄庫均支持Excel批量導入。

其中，電纜庫和填料函庫在Wiring Manager中創(chuàng)建，電纜庫批量導入如圖5，它是開展電纜框圖繪制工作的必要條件。

圖5 電纜目錄庫批量導入Fig.5 Batch import of cable catalog library

儀表安裝材料庫在designer中創(chuàng)建如圖6，材料庫結合HOOK-UP圖紙模板庫，即可實現儀表典型圖位號自動賦值、安裝材料的快速統(tǒng)計功能。

圖6 儀表安裝材料庫批量導入Fig.6 Batch import of instrument installation material library

6 清單類文件的編制

在AI Engineer可實現基于特定對象（如儀表、回路等）的Report定制，Report定制是通過Report Designer工具進行屬性項的選取并預設其輸出格式，如圖7。與此同時，在開發(fā)中實現了文件封皮及IO統(tǒng)計信息的定制，實現了成果文件的一鍵生成，無需設計人員進行任何二次加工。

圖7 清單文件模板定制Fig.7 Template customization of the manifest file

需要注意的是，定制的Report是只讀的，無法在Report中對儀表屬性進行編輯，也無法代替基于成果文件創(chuàng)建的Gridview使用，建議設計人員統(tǒng)一Gridview和對應Report過濾條件，借助前者開展屬性的錄入工作，后者則僅用于實現輸出成果文件的“所見即所得”。

7 儀表數據表的定制

設計流程上，儀表索引表先于數據表，待儀表索引表完成后，方可進行儀表數據表的設計工作。儀表數據表生成流程如圖8：左側為開發(fā)定制過程，右側為設計人員使用過程。限于篇幅，本文僅展開定制過程，使用過程可參見操作手冊。

圖8 儀表數據表定制及生成流程Fig.8 Customization and generation process of instrument data sheet

7.1 創(chuàng)建數據表模板

創(chuàng)建模板實際上就是創(chuàng)建一個Excel版的儀表數據表，包括封皮、匯總頁及儀表數據表單等，并存放在制定的模板存儲路徑下，該路徑可以在項目初始階段設置。

在Home->Select->Datasheet Forms中新建一個datasheet，選擇所創(chuàng)建的模板，如圖9。其中，Spreadsheet Layout用于定義模板中的行列范圍。

圖9 創(chuàng)建數據表模板Fig.9 Create data table template

7.2 基于模板進行屬性鏈接

儀表數據表的屬性鏈接通過為模板中的單元格創(chuàng)建datalink實現，如圖10。通過該機制，不管是在儀表索引表中已經賦值的屬性，還是通過數據交互從其它軟件賦值的屬性，均可以直接賦值到所Link的單元格，避免設計人員重復錄入，實現數據賦值的“以一貫之”。

圖10 對模板進行數據鏈接配置Fig.10 Data link configuration of template

為了提高屬性值的規(guī)范性、一致性，可通過預設屬性值的PickList功能實現，模板中的單元格關聯(lián)屬性后，還可以選取預定義的PickList，設計人員開展工作時以下拉菜單形式直接選取，有效規(guī)避手動錄入時的筆誤。

8 結束語

AVEVA系列軟件涵蓋了從工藝專業(yè)到儀表專業(yè)、從二維設計到三維設計的設計需求，而AI軟件基本實現了整個儀控系統(tǒng)設計流程中的大部分成果文件的定制及出圖，充分開發(fā)利用好AI軟件的各功能模塊，對實現數字化轉型具有重大意義。