跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計在電廠設(shè)計制造行業(yè)的應(yīng)用與研究

黃永軍，陳 燕

(1.西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)(2.東方電氣股份有限公司，四川 成都 610036)

隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)電廠正在實現(xiàn)設(shè)計、施工和運行管理的數(shù)字化,特別是數(shù)字化電廠概念的提出對數(shù)字化的設(shè)計、移交和管理提出了更高的要求，為此國內(nèi)各電力設(shè)計院紛紛采用了數(shù)字化設(shè)計和管理手段。與此同時，各主機設(shè)備廠和輔機設(shè)備廠也在各自領(lǐng)域開展了三維數(shù)字化設(shè)計。但不同單位之間由于設(shè)計的側(cè)重點不同，采用的三維軟件也有差異，造成彼此之間的數(shù)據(jù)隔離，形成了信息孤島，因此為了打破壁壘、實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)共享和數(shù)字化模型整合，開展跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計就顯得非常必要。作者通過參與神華萬州電廠和越南升龍電廠兩個項目的實踐，深刻體會到跨單位協(xié)同設(shè)計不但具有可行性，而且能取得非常好的效果，可大幅提高各單位的工作效率和質(zhì)量。

1 背景介紹

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計是指由兩個或兩個以上設(shè)計主體，通過一定的信息交換和相互協(xié)同，分別以不同的設(shè)計任務(wù)共同完成同一設(shè)計目標(biāo)[1]。

這一機制在國外一些大型國際工程公司里獲得了成功的應(yīng)用，特別是在海洋石油、船舶制造等行業(yè)，不僅部門內(nèi)部開展了高效的協(xié)同設(shè)計，跨部門、跨單位、跨區(qū)域的全球協(xié)同設(shè)計也已成為常態(tài)，不同的公司通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同機制開展同一設(shè)計或進(jìn)行交流配合，有效地提高了資源的利用率。

目前，國內(nèi)的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計主要是在涉及專業(yè)多、內(nèi)容復(fù)雜的電力設(shè)計院內(nèi)部開展，而在整個行業(yè)中的跨單位協(xié)同設(shè)計還沒有有效地開展，如何更高效地整合多方的資源仍處于摸索階段。

國內(nèi)電力行業(yè)主要的主、輔機設(shè)備廠都或多或少地開展三維數(shù)字化設(shè)計，其中汽輪機廠和發(fā)電機廠主要采用UG、Pro/E進(jìn)行設(shè)備外形和零部件的設(shè)計；鍋爐廠則主要采用PDMS軟件進(jìn)行本體布置，采用Tekla進(jìn)行鋼構(gòu)架的三維設(shè)計出圖；一些重要的輔機廠，例如磨煤機廠、風(fēng)機廠等，則采用UG、Pro/E、SolidWorks、Inventor等進(jìn)行設(shè)備外形設(shè)計。具體的設(shè)備廠家三維數(shù)字化應(yīng)用情況見表1。設(shè)計與制造企業(yè)在三維數(shù)字化設(shè)計方面的大力投入，為跨單位三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)。

表1 設(shè)備廠家三維設(shè)計軟件應(yīng)用情況

2 跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計方案

2.1 跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計發(fā)展模式

在整個行業(yè)中實現(xiàn)跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計涉及到眾多廠家，如何有效協(xié)調(diào)不同單位間的數(shù)據(jù)交流，既要做到資源共享，又要保證各單位的核心技術(shù)不泄露，需要有一個逐步探索、溝通和交流的過程。基于現(xiàn)有條件可以分兩步走：在初級協(xié)同階段，各設(shè)備制造廠和設(shè)計院通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的中間模型文件，實現(xiàn)離線的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計；在高級協(xié)同階段，各設(shè)備制造廠與設(shè)計院將在同一工程文件中通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交互和數(shù)字化協(xié)同設(shè)計。初級協(xié)同與高級協(xié)同的協(xié)同效果對比見表2。

表2 初級協(xié)同與高級協(xié)同模式對比

在跨單位數(shù)字化協(xié)同初級階段，離線數(shù)據(jù)共享的協(xié)同模式是可行的，只共享外形信息就可以在不泄露本單位核心數(shù)據(jù)的前提下，實現(xiàn)有效的協(xié)同設(shè)計，并可提高各自的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率，減少提資配合中出現(xiàn)的失誤。高級協(xié)同是跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的終極模式，最終要打破不同部門和單位之間的數(shù)據(jù)壁壘，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和設(shè)計的高效實時協(xié)同。但現(xiàn)階段各單位之間的技術(shù)壁壘重重，技術(shù)成果還無法實現(xiàn)完全共享，需要在跨單位數(shù)字化協(xié)同過程中，各單位之間進(jìn)行戰(zhàn)略合作和談判，逐步突破技術(shù)壁壘，消除單位間的信息孤島。

2.2 跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的數(shù)據(jù)共享方式

目前國內(nèi)的電力生產(chǎn)和設(shè)計單位采用的三維設(shè)計軟件主要有4大類：第一類是PDMS等管道布置類三維數(shù)字化設(shè)計軟件，主要是設(shè)計院和鍋爐廠等單位在使用；第二類是Revit等土建三維數(shù)字化設(shè)計軟件，主要是設(shè)計院等設(shè)計單位在使用；第三類是UG、Pro/E、SolidWorks、Inventor等機械設(shè)計類三維數(shù)字化設(shè)計軟件，主要是汽輪機、風(fēng)機等設(shè)備生產(chǎn)廠家采用；第四類則是Tekla等結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計軟件，主要是鍋爐廠等單位用于鋼構(gòu)架等的詳圖設(shè)計。

如何實現(xiàn)眾多廠家及不同類型設(shè)計軟件之間的數(shù)字化協(xié)同，數(shù)據(jù)的共享是關(guān)鍵，只有打通各類軟件間的數(shù)據(jù)交互通道，實現(xiàn)各類軟件的資源共享，才能最終實現(xiàn)跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計。

UG、Pro/E、SolidWorks、Inventor都是應(yīng)用比較廣泛的通用機械類三維設(shè)計軟件，這些軟件通常都會支持1個甚至是幾個不同類型的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。DWG、DGN和STEP這幾種常見的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)都可以應(yīng)用于文中所提到的各類三維機械設(shè)計軟件的模型數(shù)據(jù)交互，SDNF數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)可以實現(xiàn)Tekla等結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計軟件與PDMS等布置設(shè)計軟件之間的模型數(shù)據(jù)交互，DGN數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)則可以實現(xiàn)Revit與PDMS等布置設(shè)計軟件之間的模型數(shù)據(jù)交互。如圖1所示，通過不同軟件間的數(shù)據(jù)互通，可以串聯(lián)起整個電力設(shè)計、制造企業(yè)的數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)跨單位數(shù)據(jù)共享與協(xié)同設(shè)計。

圖1 不同軟件間的模型數(shù)據(jù)交互

3 初級階段跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計應(yīng)用

設(shè)計院在電廠設(shè)計工作中涉及到的專業(yè)多、內(nèi)容雜，是電力設(shè)計行業(yè)較早開展數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的單位。目前國內(nèi)主要的設(shè)計院都基本具備了數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的能力，因此在電廠的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計中設(shè)計院應(yīng)該發(fā)揮引領(lǐng)、協(xié)調(diào)、集成與管控的作用，通過自身數(shù)字化協(xié)同技術(shù)的不斷提高，帶動整個行業(yè)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的發(fā)展。

在初級協(xié)同階段，西南電力設(shè)計院有限公司通過參與重慶神華萬州電廠、越南升龍電廠等項目的設(shè)計，逐步摸索出了一條切實可行的跨單位協(xié)作之路，在國內(nèi)電力設(shè)計行業(yè)率先邁出了跨單位協(xié)同設(shè)計的第一步。西南電力設(shè)計院有限公司將鍋爐廠、汽輪電機廠、發(fā)電機制造廠及各個輔機廠家的所有模型通過離線模型文件導(dǎo)入的方式集成到設(shè)計院的PDMS等管道布置設(shè)計平臺中，通過設(shè)計院的整合及優(yōu)化布置，最終形成一個完整的數(shù)字化電廠方案。電廠建設(shè)完成后通過數(shù)據(jù)級的數(shù)字化移交，將整個電廠的數(shù)字化模型和屬性信息等數(shù)據(jù)移交給業(yè)主，從而打造出真正的數(shù)字化電廠[2]。

3.1 設(shè)備制造廠模型與設(shè)計院模型的整合

為實現(xiàn)跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，在工程初期西南電力設(shè)計院有限公司便配合業(yè)主與各個設(shè)備制造廠簽訂了設(shè)備模型移交合同，規(guī)定了設(shè)備制造廠應(yīng)提供的設(shè)備模型的范圍、深度及相關(guān)要求；在工程設(shè)計中積極與各廠家溝通，充分利用設(shè)備廠家三維模型的精確度與可靠性，打造出逼真的三維數(shù)字化電廠。

設(shè)計過程中鍋爐廠將鍋爐構(gòu)架、本體、煙風(fēng)道及汽水系統(tǒng)管道模型通過DGN和SDNF中間格式傳給設(shè)計院,供設(shè)計院設(shè)計時使用，鍋爐廠模型如圖2所示，同時設(shè)計院也將其設(shè)計范圍內(nèi)的煙風(fēng)道、送粉管道、汽水管道的三維模型以DGN中間格式文件導(dǎo)出供鍋爐廠設(shè)計時參考，并進(jìn)行模型的碰撞檢查。

汽輪機、發(fā)電機、輔機制造廠主要從事機械設(shè)備的加工制造，涉及到的管道、構(gòu)架等布置設(shè)計較少，因此在目前的初級協(xié)同設(shè)計階段主要是扮演模型資源提供者的角色。設(shè)備生產(chǎn)廠家對設(shè)備內(nèi)部的部件更加清楚，通過機械三維設(shè)計軟件可以設(shè)計出高精度的設(shè)備模型，實現(xiàn)零部件級的加工設(shè)計，有效解決PDMS等管道布置設(shè)計軟件中設(shè)備模型建模精度不高、建模深度不夠的問題。如圖3所示，精細(xì)到部件級的三維模型為運維期的數(shù)字化管理提供了堅實的基礎(chǔ)[3]，可以輕松實現(xiàn)可視化設(shè)備管理和設(shè)備檢修三維模擬等數(shù)字化技術(shù)的延伸應(yīng)用。

3.2 跨單位數(shù)字化模型整合的應(yīng)用

3.2.1推動精細(xì)化設(shè)計的深入開展

將設(shè)備制造廠家的精確的三維設(shè)備模型整合到設(shè)計院的軟件平臺，給工程精確設(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)。以往的工程設(shè)計中，由于汽輪機腹部空間狹小、管道密集，因此是工程管道布置設(shè)計最困難的地方?？鐔挝粎f(xié)同設(shè)計后，導(dǎo)入更精確的汽輪機高中壓缸、主汽門、再熱汽門三維模型，可以更加精確地進(jìn)行管道布置設(shè)計，避免管道與缸體和閥門的碰撞。鍋爐本體及其附屬管道、風(fēng)道也是數(shù)字化設(shè)計的盲點，設(shè)計院沒有詳細(xì)的鍋爐設(shè)備管道模型，鍋爐廠也沒有設(shè)計院的管道布置模型，現(xiàn)場施工中經(jīng)常出現(xiàn)二者之間的碰撞問題。在越南升龍電廠建設(shè)工程中,西南電力設(shè)計院有限公司與武漢鍋爐廠密切配合，實現(xiàn)了鍋爐構(gòu)架、本體及其附屬管道煙風(fēng)道的完全協(xié)同設(shè)計，如圖4所示，有效減少了設(shè)計院和鍋爐廠由于設(shè)計配合度不夠而造成的碰撞。

3.2.2數(shù)字化移交

數(shù)字化移交是打造數(shù)字化、可視化電廠的基礎(chǔ)[4]，模型則是數(shù)字化移交的主體。西南電力設(shè)計院有限公司在萬州電廠設(shè)計過程中，采用了跨單位數(shù)字化模型整合技術(shù)，為數(shù)字化移交提供了更加精細(xì)、全面的數(shù)字化模型, 打造出優(yōu)秀逼真的數(shù)字化電廠，實現(xiàn)了主要設(shè)備的數(shù)字化模擬檢修等。萬州電廠汽輪機檢修模型如圖5所示。

圖5 數(shù)字化移交的萬州電廠汽輪機檢修模型

3.2.3跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計應(yīng)用效率提高

實踐證明，跨單位協(xié)同設(shè)計可以大大減少設(shè)計院設(shè)備和鍋爐構(gòu)架建模的工作量，在節(jié)省人力的同時還可以提高設(shè)備和鍋爐構(gòu)架模型的精度，是提高質(zhì)量和效率、節(jié)約成本的可靠措施。常規(guī)建模與協(xié)同設(shè)計工作量對比見表3。

表3 常規(guī)建模和協(xié)同設(shè)計工作量對比表

4 高級階段數(shù)字化協(xié)同設(shè)計模式探究

在高級協(xié)同階段，設(shè)計院不僅僅是簡單的集成者，更重要的是還要擔(dān)當(dāng)協(xié)調(diào)者與管控者的角色。在設(shè)計之初，設(shè)計院就要搭建統(tǒng)一的數(shù)字化工程設(shè)計集成平臺，為不同的設(shè)備廠家、監(jiān)理單位和業(yè)主進(jìn)行區(qū)域分割、權(quán)限配置和人員管理[5]，組織相關(guān)單位有序開展數(shù)字化的設(shè)計與協(xié)同工作。各相關(guān)單位可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問設(shè)計院的服務(wù)器，從而實現(xiàn)覆蓋整個電廠設(shè)計制造企業(yè)的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，只要進(jìn)入該電廠的集成設(shè)計平臺就可以實時瀏覽其他單位的設(shè)計成果，并可進(jìn)行統(tǒng)一的碰撞檢查。由于電廠建設(shè)涉及到的單位眾多，有效地協(xié)調(diào)和管理好各單位的數(shù)據(jù)和權(quán)限就非常必要，這就要求設(shè)計院做好組織協(xié)調(diào)工作，并建立一套完善的管理機制，只有這樣才能保證跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的安全性和可靠性。

鍋爐廠和設(shè)計院都是采用PDMS等布置設(shè)計軟件進(jìn)行總體整合和布置設(shè)計，可以基于同一布置軟件的工程文件開展同庫同平臺的實時協(xié)同，無需單獨進(jìn)行模型的導(dǎo)出和導(dǎo)入，其中一方的模型另一方都可以實時在線查看，這樣就可以實現(xiàn)鍋爐廠和設(shè)計院之間的無縫銜接，大幅提高設(shè)計效率，基本可以杜絕因配合問題造成的錯誤。

汽輪機、發(fā)電機、輔機制造廠等機械設(shè)備加工廠家也可以進(jìn)入設(shè)計院的整個協(xié)同設(shè)計體系，與設(shè)計院共同開展設(shè)備布置、配套系統(tǒng)布置設(shè)計等工作，例如汽輪機廠的軸封、潤滑油、啟動系統(tǒng)、抗燃油系統(tǒng)以及發(fā)電機廠的氫冷系統(tǒng)、定子冷卻水系統(tǒng)或者磨煤機廠的油系統(tǒng)等等，傳統(tǒng)模式下都是先由設(shè)備廠家提供系統(tǒng)然后由設(shè)計院進(jìn)行設(shè)計，而在跨單位數(shù)字化實時協(xié)同設(shè)計模式下，設(shè)備廠家可以進(jìn)入設(shè)計院的設(shè)計平臺，查看全部工程的設(shè)計模型，并在限定的范圍和權(quán)限內(nèi)完成各自的設(shè)備位置擺放以及配管系統(tǒng)的管道布置設(shè)計，由于其對設(shè)備系統(tǒng)更為熟悉和了解，可以設(shè)計出更為優(yōu)化的布置方案，從而提高電廠設(shè)備運行的可靠性。參與協(xié)作的各單位就像設(shè)計院的一個專業(yè)一樣開展既獨立又協(xié)同合作的設(shè)計，完全打破現(xiàn)有的設(shè)計范圍劃分，充分發(fā)揮不同單位的優(yōu)勢資源，更好地開展配套系統(tǒng)的布置設(shè)計。

5 結(jié)束語

隨著國內(nèi)數(shù)字化設(shè)計水平的不斷提升，以及數(shù)字化電站對數(shù)字化設(shè)計要求的不斷提高，整合整個設(shè)計制造行業(yè)的數(shù)字化設(shè)計資源已是當(dāng)務(wù)之急。實現(xiàn)跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計被證明是可行的、高效的，也必將成為發(fā)展的趨勢。現(xiàn)階段電力設(shè)計行業(yè)應(yīng)該著力推廣以離線文件交互為基礎(chǔ)的初級階段的跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，并逐步實現(xiàn)單位間的數(shù)據(jù)共享，消除信息孤島，最終實現(xiàn)整個電力設(shè)計制造行業(yè)數(shù)字化資源的一體化。

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