基于Enovia VPM的水利水電行業(yè)機電協(xié)同設(shè)計研究

羅 通, 練章華, 許定江, 李小帥

(1.西南石油大學 工程學院，四川 南充 637001；2.西南石油大學 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

目前，國內(nèi)外學者對水利水電行業(yè)的機電設(shè)計已開展相應(yīng)的研究工作，探索了在CATIA預定義的機電環(huán)境中構(gòu)建機電零件[1]和實施電氣設(shè)計[2]的方法，也討論了不同類型的設(shè)計準則、軟件介質(zhì)在水電站機電設(shè)備中的應(yīng)用狀況[3]。但水電站的工程環(huán)境一般復雜多樣，并涉及多個專業(yè)且各專業(yè)的設(shè)計周期不一致，若各專業(yè)設(shè)計人員沒有實施協(xié)同設(shè)計、并行設(shè)計，就不能及早地發(fā)現(xiàn)和規(guī)避設(shè)計過程的“碰、缺、余、錯”等問題，同時由于專業(yè)間的信息渠道不暢，如果某個專業(yè)設(shè)計出現(xiàn)變更，其他專業(yè)不能自動獲取變更信息，延遲了反饋時間，從而導致整個水電項目開發(fā)設(shè)計周期較長，影響了工程進度和產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。因此，水利水電行業(yè)人員提出了協(xié)同設(shè)計的概念和設(shè)想，探索了水利水電三維協(xié)同設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)[4-7]，完成了水利水電工程項目的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計[8-14]，極大地提高了項目設(shè)計質(zhì)量與效率，也討論了三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)在水利水電設(shè)計單位的應(yīng)用現(xiàn)狀[15-16]，提升了設(shè)計單位的市場競爭潛力。但他們都沒有重點關(guān)注機電專業(yè)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，沒有針對機電協(xié)同設(shè)計開展具體相應(yīng)的研究與探索，而機電專業(yè)設(shè)計是水利水電項目設(shè)計不可或缺的有機組成部分，其協(xié)同是否良好對整個水電站項目是非常重要的。因此，本文基于Enovia VPM協(xié)同設(shè)計平臺，以水利水電行業(yè)機電協(xié)同并行設(shè)計為研究對象，著力解決水利水電行業(yè)機電協(xié)同并行設(shè)計相關(guān)問題，從而實現(xiàn)機電設(shè)計資料與信息的共建共享和異地多專業(yè)間的分工與協(xié)作，有利于縮短工期和設(shè)計方案變更與優(yōu)化。

2 機電協(xié)同設(shè)計平臺與角色分配

2.1 機電協(xié)同設(shè)計平臺

Enovia VPM平臺(如圖1所示)可以用來完成水電站設(shè)計開發(fā)中各專業(yè)間的協(xié)同與并行設(shè)計和數(shù)據(jù)維護與管理。在Enovia VPM協(xié)同技術(shù)支持下，所有設(shè)計人員均基于統(tǒng)一的設(shè)計環(huán)境和同一的數(shù)據(jù)源，并行、協(xié)同地開展各自的設(shè)計工作。因此，Enovia VPM平臺能夠提供機電與廠房之間、機電各專業(yè)之間的協(xié)同工作環(huán)境。在這樣的環(huán)境下，與設(shè)計者有關(guān)的設(shè)計數(shù)據(jù)和模型都能被實時地查看[17]和共享，從而盡可能早地規(guī)避設(shè)計盲點，控制設(shè)計質(zhì)量，極大提高項目團隊設(shè)計能力和效率，也有利于企業(yè)設(shè)計經(jīng)驗的傳承與保護。

圖1 Enovia VPM 協(xié)同平臺

2.2 機電協(xié)同設(shè)計角色分配

Enovia VPM能夠提供多專業(yè)協(xié)同、多產(chǎn)品線集成的機電解決方案。在完成機電專業(yè)設(shè)計任務(wù)過程中，不僅要參考借用廠房建筑設(shè)計結(jié)果作為背景[18]，還包括設(shè)備建模與布置、管路規(guī)劃與敷設(shè)、鋼結(jié)構(gòu)建模、風管規(guī)劃與敷設(shè)、電纜托架規(guī)劃與敷設(shè)、工廠總布置、二維布置施工圖、管路與儀器系統(tǒng)圖等的協(xié)同并行設(shè)計。因此，按照Enovia VPM角色設(shè)計思路將機電協(xié)同設(shè)計人員分為3級：項目資源管理員、專業(yè)負責人、專業(yè)設(shè)計人員。機電協(xié)同設(shè)計人員任務(wù)分配與設(shè)計流程如圖2所示，具體如下：

圖2 機電協(xié)同設(shè)計人員任務(wù)分配與設(shè)計流程

(1)項目資源管理員主要負責定制企業(yè)機電客戶化環(huán)境、創(chuàng)建項目資源管理文件、模型字典文件的編輯與管理，以及模型、標準、規(guī)格、規(guī)則等Catalog的維護與管理，并將完成的機電模型庫文件存入Enovia VPM平臺。

(2)專業(yè)負責人需在Enovia VPM中設(shè)計專業(yè)模型結(jié)構(gòu)樹，如圖3所示。結(jié)構(gòu)樹上包含兩種工程節(jié)點：結(jié)構(gòu)炸開工程節(jié)點——Explode和工作包工程節(jié)點——Work Package[13]。前者用呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)方式進行保存，在VPM 導航結(jié)構(gòu)樹下可見到內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)，也可與外部其他元素相關(guān)聯(lián)；若其被激活，則管路設(shè)計、設(shè)備布置等部分機電專業(yè)模塊將不能被操作與使用。后者用呈現(xiàn)發(fā)布方式進行保存，在VPM 導航結(jié)構(gòu)樹下不可見到內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)，也不可與外部其他元素相關(guān)聯(lián)；若其被激活，則機電專業(yè)各模塊均能被操作與使用。同時，還需搭建能夠控制各專業(yè)的關(guān)鍵點、線、面的專業(yè)骨架模型，這些骨架模型需要參數(shù)化和關(guān)聯(lián)發(fā)布，以便提高各專業(yè)間的協(xié)同效率；并按照水機、電氣、通風、給排水、金結(jié)等專業(yè)對設(shè)計任務(wù)進行分解，分別指定專業(yè)設(shè)計人員以分配相應(yīng)的修改、查看、復制、粘貼等權(quán)限；完成與上下游專業(yè)主要是廠房專業(yè)的協(xié)調(diào)、修正工作。機電項目完成后由專業(yè)負責人完成三維模型校審，空間碰撞與干涉檢驗和生成總布置圖。

圖3 機電協(xié)同設(shè)計模型結(jié)構(gòu)樹

(3)專業(yè)設(shè)計人員主要完成機電設(shè)備與零件參數(shù)化模型的創(chuàng)建和入庫，完成2D功能系統(tǒng)圖設(shè)計和系統(tǒng)功能流向性、連接性檢查，參考引用水工建筑模型進行機電三維設(shè)計與布置、設(shè)備與零件的精確安放和連接管線的規(guī)劃與敷設(shè)，最后完成本專業(yè)內(nèi)的三維模型校審、空間碰撞與干涉分析和生成2D設(shè)計圖與零件用量報表。

3 機電專業(yè)的協(xié)同設(shè)計

3.1 定制機電客戶化環(huán)境

雖然CATIA(computer aided three-dimensional interactive application)提供了一個預定義的機電標準件庫，但其初衷是為機械與飛機制造行業(yè)服務(wù)，不符合我國水利水電行業(yè)相關(guān)標準《鋼制對焊管件 類型與參數(shù)》(GB/T 12459-2017)、《對焊鋼制管法蘭》(GB/T 9115-2010)等，因此立足水利水電行業(yè)定制機電客戶化環(huán)境并構(gòu)建一套符合我國水利水電行業(yè)工程實際需要的機電設(shè)備及零件標準件庫就顯得非常重要。同時，在定制的CATIA機電客戶化環(huán)境中還要能夠?qū)嵤┒鄬I(yè)產(chǎn)品線的集成設(shè)計，完成涉及多專業(yè)的邏輯概念設(shè)計與詳細三維設(shè)計，如圖4所示)。

圖4 機電集成的多專業(yè)產(chǎn)品線的邏輯概念設(shè)計與詳細三維設(shè)計示意圖

將機電庫資源按專業(yè)可劃分為水機專業(yè)資源、通風專業(yè)資源和電氣專業(yè)資源等。水機專業(yè)資源和通風專業(yè)資源又可分為管道零件庫和設(shè)備庫等；電氣專業(yè)資源可分為電氣一次專業(yè)資源和電氣二次專業(yè)資源，包括電氣設(shè)備庫和電纜線束庫等。機電庫資源通過項目資源管理文件進行管理與維護，其定義了各專業(yè)資源(如各種Catalog文件，數(shù)據(jù)字典文件等)的應(yīng)用及路徑。

為方便推廣和實施統(tǒng)一的標準件庫和標準規(guī)范，需將定制的機電客戶化環(huán)境“Project”與CATIA安裝目錄進行統(tǒng)一管理并集成在CATIA的“設(shè)備與系統(tǒng)”模塊中。在CATIA安裝目錄下建立目錄Project，并在此目錄下再建立兩個子目錄Project _SITE及Project_SITE.DB。Project_SITE主要包含多個專業(yè)如水機專業(yè)、通風專業(yè)和其他專業(yè)的設(shè)計資源、設(shè)計標準等設(shè)計環(huán)境。Project_SITE.DB包含環(huán)境系統(tǒng)的選項設(shè)置、是否考慮VPM環(huán)境下運行、管線應(yīng)用(Piping Lines、Instrument Lines、Raceway Lines、HVACLines)等基礎(chǔ)運行環(huán)境和Catalog目錄管理文件，以及用于啟動該機電環(huán)境的批處理文件。

在目錄Project_SITE下包含Components、Equipment and Systems等目錄，具體用途如下：

(1)Components主要包含結(jié)構(gòu)預設(shè)計的規(guī)則集、預留空間的相關(guān)設(shè)置、穿透性結(jié)構(gòu)的 Catalog文件等；

(2)Equipment and Systems是機電客戶化環(huán)境的重要組成部分，它與CATIA軟件中設(shè)備與系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)一致。這是由于機電客戶化環(huán)境運行原理主要是：運行代碼是本機的CATIA代碼，涉及到需要機電資源時，再調(diào)用客戶化的機電資源，從而實現(xiàn)所定制的機電客戶化環(huán)境與CATIA的無縫集成。Equipment and Systems下面包含了多個專業(yè)(如設(shè)備、管路、橋架、電纜、風管、支架等)的數(shù)據(jù)字典文件、設(shè)計規(guī)則、設(shè)計標準、規(guī)格系列、模板數(shù)據(jù)、二維原理圖繪制規(guī)則和資源、基于知識工程的設(shè)備及管路參數(shù)化的資源庫等。

在目錄Project_SITE.DB下根據(jù)實際要求，可分別設(shè)定多個客戶化的運行環(huán)境(如：Customize01、Customize02等)。在某特定客戶化的運行環(huán)境目錄下(如Customize01)包含CATENV、Dassault Systemes、Design Data、Project Settings等目錄，具體用途如下：

(1)CATENV包含所定制的客戶化CATIA運行環(huán)境，注意與系統(tǒng)默認的運行環(huán)境區(qū)分；

(2)Dassault Systemes包含所定制的客戶化Options選項設(shè)置，運行報告等；

(3)Design Data包含所定制的客戶化設(shè)備管線號、二維出圖模板的應(yīng)用文件；

(4)Project Settings包含本地環(huán)境下或Enoviav5環(huán)境下諸多設(shè)計資源的目錄位置，通過此文件，CATIA可調(diào)用到相關(guān)的設(shè)計資源。

以管線Piping Lines客戶化為例，在目錄Design DataApplication DataLinesPiping Lines定義CNGB國家標準的管線號，將管線號的Line ID表示為 Piping Line-公稱直徑-規(guī)格號-CNGB，例如：Piping Line-DN100-CS150R-CNGB，并使管線號的Line ID File Name與Line ID一致即可。按照國家標準定義出DN6～DN1500的管線號，如圖5所示。

圖5 定制的機電庫管線Catalog

3.2 建立機電模型庫

將機電模型庫中的機電模型劃分為兩類：一類是標準模型，調(diào)用的標準模型均為機電庫中模型的實例，模型被調(diào)用后不能對實例進行修改，若機電庫中的模型修改后，則實例同步更新；另一類是非標準模型，模型被調(diào)用后會產(chǎn)生新的文件，可以對模型進行修改。

由機電專業(yè)項目資源管理員在數(shù)據(jù)字典文件中添加零件類型，并為每種零件類型添加類型屬性、命名規(guī)則、顏色等。

專業(yè)負責人根據(jù)項目資源管理員所列的設(shè)備及管路零件清單，向各專業(yè)設(shè)計人員進行機電庫建庫和入庫任務(wù)分解。專業(yè)設(shè)計人員按照如圖6所示的機電零件及設(shè)備的設(shè)計思路流程完成機電庫的建庫和入庫工作。下面以油罐設(shè)備為例說明機電設(shè)備的入庫。

圖6 機電零件及設(shè)備設(shè)計思路流程

(1)創(chuàng)建參數(shù)化的幾何模型。創(chuàng)建模型有兩種方法：一種是先建立帶參模型，然后引入到設(shè)備創(chuàng)建工作環(huán)境中；另一種是先定義設(shè)備類型，然后再創(chuàng)建帶參模型。通過CATIA零件設(shè)計模塊，建立模型和接頭，添加必要的尺寸參數(shù)和編輯參數(shù)化公式，并將尺寸參數(shù)關(guān)聯(lián)到幾何模型上，如圖7所示。若是放置在地面上或者安裝在其他設(shè)備表面上的設(shè)備：XY面是地面或放置設(shè)備的平面位置，正方向豎直向上；YZ面、ZX面是模型對稱中心平面位置。若是安置在管路上的設(shè)備：XY面是管線所在平面，正方向豎直向上；YZ面、ZX面是模型對稱面位置，或平行于接頭方向并通過接頭。

圖7 創(chuàng)建參數(shù)化的幾何模型 圖8 設(shè)置機電設(shè)備模型屬性

(2)定義類型及關(guān)聯(lián)參數(shù)表格。進入設(shè)備工作臺，點擊“設(shè)備對象類型”功能，并在類瀏覽器中先選擇“Vessel”設(shè)備類型，再選擇“Oil Tank”，然后鏈接到先前已創(chuàng)建的設(shè)備模型，并在結(jié)構(gòu)樹上激活Tank CATPart節(jié)點，激活“Create Part”窗口，如圖8所示。在“Create Part”窗口中設(shè)置設(shè)備零件屬性，若屬性值不為空，將不允許模型使用者再次修改；若屬性值為空，模型使用者可以添加或修改屬性值。對于一些由參數(shù)表控制的屬性不需要設(shè)置，在對模型定義類型后，系統(tǒng)將會自動對模型添加各種屬性參數(shù)，點擊“公式”按鈕為屬性參數(shù)添加公式。點擊“設(shè)計表”按鈕進入“創(chuàng)建”表窗口，可以選擇“使用當前的參數(shù)值創(chuàng)建設(shè)計表”或“從預先存在的文件中創(chuàng)建設(shè)計表”。若選擇使用當前的參數(shù)值創(chuàng)建設(shè)計表，則在窗口左邊的參數(shù)列表中選擇需要添加的參數(shù)插入到參數(shù)列表，建議將此設(shè)計表保存為txt格式，以便提高模型調(diào)用性能；再編輯設(shè)計表，去掉參數(shù)前的零件名稱，添加零件其他型號參數(shù)值，修改參數(shù)名稱后，需要重新一一關(guān)聯(lián)修改后的參數(shù)。覆蓋參數(shù)功能允許用戶設(shè)置覆蓋參數(shù)，用戶調(diào)出包含覆蓋參數(shù)的模型之后會產(chǎn)生新的文件，用戶可以修改覆蓋參數(shù)，從而調(diào)整模型尺寸大小。在覆蓋參數(shù)窗口中，選擇左邊列表框中的參數(shù)，點擊向右箭頭，即可將選中的參數(shù)設(shè)置為覆蓋參數(shù)。

(3)定義接頭并指派接頭屬性。定義接頭有兩種方法：一種是通過在創(chuàng)建幾何圖形的同時定義接頭，主要用于沒有幾何圖形的情況；另一種是使用現(xiàn)有的幾何圖形定義接頭。如前所述已經(jīng)創(chuàng)建了油罐模型，故應(yīng)選擇后者來定義接頭，首先選擇接頭端面確定面連接器的幾何圖形；其次選擇接頭軸線定義對齊連接器的幾何圖形；然后選擇XY平面定義方向連接器幾何圖形；最后為各接頭賦予相應(yīng)屬性，將各接頭與其屬性建立一一關(guān)聯(lián)關(guān)系，并完成其他顯示方式定制。

(4)設(shè)備入庫。在機電客戶化環(huán)境文件中，打開 “Piping Equipment and Nozzle”的管路設(shè)備模型的庫文件，在特征樹上找到子節(jié)點“Vessel(Equipment)”。將設(shè)備零件與庫文件建立鏈接關(guān)系，如果設(shè)備零件不帶參數(shù)時，可以直接把設(shè)備零件增加到庫文件中；如果設(shè)備零件帶參數(shù)時，則需通過解析設(shè)備模型的方法把設(shè)備零件和設(shè)計表格增加到庫文件中，完成設(shè)備模型的解析入庫，如圖9所示。

圖9 機電設(shè)備模型的解析入庫

(5)調(diào)用與驗證機電設(shè)備。打開一個工廠模型，通過放置該機電設(shè)備模型，來驗證機電設(shè)備模型入庫狀況及接頭狀態(tài)是否良好，如圖10所示。

圖10 調(diào)用與驗證機電設(shè)備 圖11 本地機電設(shè)備模型解析

3.3 機電模型庫存入Enovia VPM

將新建或已有的本地機電模型庫一一存入Enovia VPM平臺是機電協(xié)同并行設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)的必備前提之一。

(1)為了方便區(qū)分與存放本地資源和解析資源，需要在磁盤根目錄下分別建立Local_Model和Resolved_Model兩個文件夾，將參數(shù)化表格和模型存放在Local_Model文件夾內(nèi)；

(2)運行客戶化機電環(huán)境中的解析模型批處理命令，客戶化機電環(huán)境會自動將Local_Model的模型進行解析處理并存放在Resolved_Model文件內(nèi)，如圖11所示。

(3)在Enovia VPM 中搜索需要導入模型數(shù)據(jù)的Sub-catalog文件，并降低其等級，使該文件由“成熟度”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“工作中”狀態(tài)，從而可以操作Sub-catalog文件。

(4)打開需要導入模型數(shù)據(jù)的Sub-catalog文件，并啟用Catalog編輯器，激活存入節(jié)點，再導入剛解析的模型數(shù)據(jù)列表文件。

(5)設(shè)置與解析模型有關(guān)的Catalog、Part、Shape等文件的PDM屬性并保存到Enovia VPM中，如圖12所示。

圖12 設(shè)置機電設(shè)備的PDM屬性

(6)搜索前面導入的數(shù)據(jù)，并將其提升到“發(fā)布”狀態(tài)，以便實現(xiàn)共建共享。

3.4 實施機電協(xié)同設(shè)計

在Enovia VPM中各專業(yè)設(shè)計人員在專業(yè)負責人授權(quán)下參考電站廠房模型[18]開展建模與布置、管路規(guī)劃與敷設(shè)、鋼結(jié)構(gòu)建模、風管規(guī)劃與敷設(shè)、電纜托架規(guī)劃與敷設(shè)、工廠總布置、二維布置施工圖、管路與儀器系統(tǒng)圖等的協(xié)同并行設(shè)計，如圖13所示。其主要協(xié)同實現(xiàn)過程如下：

圖13 機電多專業(yè)協(xié)同示意圖

(1)引用已搭建的各專業(yè)骨架模型，機電各專業(yè)設(shè)計人員把其設(shè)計坐標設(shè)置成參考借用廠房的坐標[18]，這既能夠保證機電各專業(yè)能夠協(xié)同并行設(shè)計而不至于發(fā)生專業(yè)間干涉，又能夠保證項目廠房坐標更新的同時驅(qū)動機電設(shè)備安裝位置隨之更新，從而使項目設(shè)計易于變更成為可能，以便找到最優(yōu)設(shè)計方案。

(2)機電各專業(yè)可同時精確地完成設(shè)備安放、管線規(guī)劃、管路敷設(shè)、管路零件的安裝(如圖14所示)，并完成三維設(shè)計的校審、空間碰撞檢測，提出廠房開孔需要。

圖14 機電各專業(yè)三維布置 圖15 機電專業(yè)間干涉檢查與設(shè)計合理性驗證

(3)機電各專業(yè)設(shè)計人員將三維設(shè)計的校審、空間碰撞檢測結(jié)果提交給專業(yè)負責人。專業(yè)負責人及時評估決策并檢查專業(yè)間干涉與設(shè)計合理性驗證(如圖15 所示)，并將廠房開孔需求發(fā)布給廠房設(shè)計人員，如完成水輪機安裝后需要將基坑開挖設(shè)計需求發(fā)布給廠房設(shè)計人員，他們再根據(jù)開挖輪廓完成基坑設(shè)計。

(4)機電各專業(yè)設(shè)計人員完成材料報表、工程圖交付，如圖16所示。

圖16 機電專業(yè)材料報表

(5)機電負責人根據(jù)機電各專業(yè)設(shè)計人員提交的設(shè)計成果，按照各專業(yè)既定工程節(jié)點位置把這些設(shè)計成果組裝起來，從而完成機電專業(yè)總體設(shè)計并繪制設(shè)計總圖。

4 結(jié) 論

(1)定制的機電客戶化環(huán)境使水利水電行業(yè)機電設(shè)計人員便于進行機電設(shè)計。

(2)機電模型庫的建立與管理，并將機電模型庫導入Enovia VPM中，解決了在水利水電行業(yè)完成機電設(shè)計和協(xié)同并行設(shè)計的問題。

(3)基于Enovia VPM平臺和合理分配協(xié)同設(shè)計人員角色，通過引用專業(yè)骨架和參考借用廠房坐標和模型，能夠很好地實現(xiàn)機電各專業(yè)之間的實時協(xié)同設(shè)計、異地協(xié)同設(shè)計。

(4)研究成果與方法已被水利水電行業(yè)勘測設(shè)計研究院運用于多個實際工程項目，工程實踐表明，本文提出的機電協(xié)同設(shè)計方法能夠縮短工期，便于設(shè)計方案變更和優(yōu)化，也有利于水利水電行業(yè)設(shè)計經(jīng)驗更好地傳承和保護。