AVEVA智能P&ID系統在工程設計中的標準化實施及應用

李　寧　昌興文　劉春陽

中國石油工程建設公司華東設計分公司　青島　266071

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AVEVA智能P&ID系統在工程設計中的標準化實施及應用

李寧*昌興文劉春陽

中國石油工程建設公司華東設計分公司青島266071

本文從AVEVA智能P&ID設計系統標準化實施及應用著手，介紹該系統在實際項目上的運作流程，相對于傳統的設計模式，智能P&ID設計系統建立起標準化的設計流程、數據庫、圖例和相關規則，使得協同設計效率高、管理可靠、成果移交經濟便捷、質量可控。同時總結在實施過程中遇到的問題，主要涉及管理與集成設計平臺的融合，并對智能P&ID設計系統深層次的應用提出建議。

AVEVA智能P&ID集成設計標準化PDMS

近年來，數字化集成設計、管理和移交要求增長迅速，以CAD為典型代表的傳統的設計模式，設計質量受工程師的主觀性影響很大，難以實現效率與質量的統一。為了追求效率更高、質量更好的設計模式，國內外工程公司整合各種平臺，汲取工程經驗，摸索更高效的工作方式，智能P&ID設計系統應運而生。

目前電力、核電、船廠、化工等設計行業都在積極發展數字化、智能化設計系統[1,2]。主流的智能P&ID系統主要包括兩種：Intergraph公司的SmartPlantP&ID，以Foundation作為數據集成管理平臺和AVEVA公司的Diagrams，以Engineering作為數據集成管理平臺。在煉油設計行業，如中國石化工程建設有限公司(SEI)、中石化洛陽工程有限公司(LPEC)等多年前就開始探索智能P&ID的開發和應用[3]。AVEVA智能P&ID設計系統的引入有利于探索智能化、數字化和標準化設計模式，實現設計理念轉型，以期提高設計效率，追求新的增長點，提高競爭力。

1　智能P&ID系統定義

在尚未引入計算機繪圖技術時期，P&ID設計采用傳統的手工制圖，這種繪圖方法效率低、質量差。隨著計算機技術的發展，工程制圖軟件取得了長足的進步，其中以AutoCAD的應用最為廣泛，借助于繪圖工具、繪圖命令以及繪圖擴展工具的使用，設計思想被快捷地轉化成電子文檔的形式，極大地提高了繪圖質量和繪圖效率。但是，P&ID圖面涵蓋的信息，例如設備位號、管線號和儀表位號，都無法以數據的形式提取出來進行利用，又如管道表、儀表索引表等表格的輸出，只能通過手動數據重復錄入來實現，未能實現圖面數據的智能傳遞，所繪制的P&ID僅僅作為一種電子格式的圖紙用于查閱。隨著信息技術的進一步提升，集成平臺設計模式得到了業界的肯定[5,6]，智能P&ID則是其中至關重要的基礎環節。

智能P&ID設計系統基于對象，將對象的數據同時保存在圖面上和數據庫中，不僅可在繪圖環境中操作這些數據，而且也可通過數據庫操作或訪問這些信息[4]，還可基于數據庫，對數據設置權限。基于項目實施發現，相對傳統的設計系統，智能P&ID系統業務優勢明顯：

(1)完整的工程圖紙能夠用于檢查整個項目過程中數據完整性和一致性，提升質量并減少返工。

(2)流程圖中的圖形信息能夠真正、容易的被三維設計人員使用，通過在三維系統中建立與P&ID二維模型對應的三維模型，建立P&ID對象后，即可在PDMS中輕松創建對應三維對象，并且，如管線操作溫度、操作壓力，通過數據共享，可傳遞到三維軸測圖，保證二維與三維對象的一致性，減少詳細設計階段的人工時以及后期的設計修改。

(3)工藝與其他專業的設計協同增強，并保證數據在各專業之間的流通性和一致性，如管線與管線上的流量計操作溫度是一致的，在Diagrams平臺繪制P&ID時，只需輸入管線操作溫度，在Engineering平臺通過數據共享，將操作溫度數據傳遞到AI(AVEVAInstrument)，隨后，儀表專業通過設計計算后，將流量計數據傳遞到三維模型，管道設計專業提取相應數據后，創建流量計的三維對象，其中，操作溫度即可在三維對象中體現，這個過程，提升了設計質量，減少了設計的重復工作。

2　實施平臺

2.1平臺

項目實施采用AVEVA公司的AVEVAPlant組件。

(1)AVEVADiagrams

該模塊主要用于根據項目統一規定進行標準化定制，并進行P&ID的繪制和數據的單點錄入等工作。

(2)AVEVAEngineering

Engineering作為重要的數據集成管理平臺，主要與數據的傳遞有關，對數據進行檢查與更新，并進行相關數據表的定制與輸出工作。

(3)Schematic-3D-Integrator

Schematic-3D-Integrator作為PDMS的內嵌模塊，主要用于二三維校驗工作，基于二維P&ID對象，主要包括設備和管線，校驗對應的三維模型。也可用于二維指導三維建模。

2.2內容

實施內容主要包括三個方面：①智能P&ID標準化定制和繪圖；②報表模板的定制及成品表格的輸出；③管道和設備的二三維校驗。

3　實施過程

整個項目實施的流程見圖1。

圖1　項目實施流程

3.1智能P&ID繪圖

3.1.1數據庫的創建與配置

數據庫是智能P&ID設計系統的核心，一方面，數據庫用來存儲各類對象的信息，包括定制對象以及繪圖對象，還包括圖紙、屬性、文檔等對象；另一方面，通過操作或訪問數據庫，可實現對象數據的提取與更新。

除此之外，在裝置設計過程中，裝置分區會帶來同專業工程師的權限分配問題；而且在同一區內，涉及到多個專業，存在專業間的權限分配問題。僅對智能P&ID設計而言，參與專業涉及工藝、配管、儀表專業。為了保證數據的唯一性，各專業內部產生的數據，可允許其他專業瀏覽，但不允許修改。涉及到權限的分配與管理，需通過數據庫的配置來實現。

3.1.2Diagrams定制

(1)UDA(用戶自定義屬性)的定制

UDA(UserDefinedAttributes)是指用戶自定義屬性，屬性用來存儲數據。通過收集項目實施所需的過程文件和成品文件，進行數據源的統計分析和歸類，包括設備、管線、儀表、閥門、管件等各類對象的屬性。Diagrams的常見UDA統計見表1。

表1　不同對象的自定義屬性

(2) 命名規則的定制

命名規則的定制主要保證：①P&ID圖面顯示信息滿足客戶化的要求；② 對象位號的唯一性；③ 下游專業的數據提取。

通過設置命名規則，將對象命名標準化、統一化。命名規則除采用公司標準或相關規定外，也可根據業主的需求，依照業主提供的統一規定進行定制。表2給出了不同對象的命名規則示例，利用計算機程序語言進行符合邏輯結構的表達。

表2　不同對象的命名規則

(3) 背景圖框模板的定制

依據公司標準或相關規定，進行背景圖框和角圖章的定制，建立統一的標準圖框，包括A0、A1、A2等圖框，以適應不同項目的需求。

(4) 圖例定制

依據國內煉油行業的圖例標準，并參照國內外同行的使用習慣，收集需要定制的圖例。圖例定制主要基于MicrosoftVisio。圖例標準化，需要確定統一的幾何結構參數，主要包括對象輪廓線寬、形狀幾何尺寸(長、寬、角度)。圖例的定制過程中，將繪制的圖例符號與所需的屬性數據進行關聯，使簡單的圖例符號轉化成帶有屬性數據的智能對象，以此來實現P&ID圖紙與數據庫間的數據交互。通過圖例的定制，在軟件中形成標準化的可復用的圖例庫，為之后項目中智能P&ID繪制工作節省大量的前期定制時間。

(5)DiagramsOption定制

該定制主要分兩個方面：① 系統缺省設置(Default)，主要是針對系統變量、標簽、規則以及各對象如閥門、管線、設備、就地儀表、遠傳儀表、管件、管嘴、子設備、OPC等進行默認設置，主要包括：對象是否自動重命名、不同狀態下對象的顏色、軟件在不同操作下的反饋、對象關聯標簽的數目、各對象的字體、字號、顏色、命名規則等；② 屬性設置(AttributePresentation)，主要針對各對象如閥門、管線、設備、就地儀表、遠傳儀表、管件、管嘴、子設備、OPC等所包含的屬性進行設置，主要包括是否允許用戶修改默認設置、繪圖時屬性輸入提示窗口的屬性、屬性是否只讀、屬性是否可傳遞等。

3.1.3智能 P&ID繪圖

基于上述定制過程，建立統一的圖例和命名規則，規定統一的繪圖方法和原則，利用AVEVADiagrams繪制P&ID圖紙。在制圖過程中，錄入基礎工藝數據，為下一步數據共享及使用打基礎。

3.1.4P&ID檢查與格式刷新

(1)一致性檢查規則定制(ConsistencyRules)

對P&ID的檢查，傳統的工作模式主要依靠校對和審核的思維及經驗，主觀性較大，漏錯率較高，而智能P&ID設計系統則要求工程師提前預計P&ID可能出現的問題，如圖面上未定義的形狀、管件連接尺寸錯誤、管道等級不一致、管線設備是否命名等問題，并用計算機語言進行表達，設置相應的檢查規則，智能地篩選出錯誤，并高亮顯示，極大地避免了主觀性失誤，提高繪圖質量和檢查效率。

(2)批量刷格式規則定制(FormattingRules)

當成品文件以電子文檔形式交付時，需將P&ID圖面內容設置成所要求的格式，如主工藝管線的顏色、線寬，設備的輪廓線顏色、線寬等。智能P&ID設計系統提供一種批量刷格式的規則設置(FormattingRules)，將圖面上所有對象的格式一次性批量刷成規定的格式，效率高，出錯率低。

3.2報表提取

3.2.1數據結構定制

根據設計分工，報表中的數據可能來自于多個專業，如設備數據表，涉及到工藝、儀表、設備等專業。通過Engineering數據結構定制，使各專業只對本專業產生的數據擁有修改權，其他專業的數據可讀，但沒有權限修改，與Diagrams類似，涉及到權限的問題，通過設置數據庫內部的邏輯層次，實現權限的分配。

3.2.2自定義屬性定制與映射

智能P&ID設計系統內的數據并非全部由Diagrams錄入，Diagrams只錄入與P&ID相關的基礎數據，如位號、溫度、壓力、管線材質、介質、保溫等信息，而其他數據則由Engineering錄入或由其他模塊傳遞到Engieering平臺。所有數據需以屬性作為存儲和傳遞數據的載體，因此對應的數據需要定制相應的屬性。

Engineering自定義屬性定制的基本步驟是：在實施項目前期，收集項目資料，分析所有相關過程表格文件與成品文件的數據源，進行歸類分析，然后定制UDA。對由Diagrams和其他模塊或軟件平臺導入的數據，除需在Engineering中定制UDA之外，還需將Engineering的UDA與Diagrams的UDA進行一一映射，保證數據傳遞的準確性。以管線操作溫度為例，在Diagrams的UDA為SCPLIN_OpTemp，在Engineering的UDA為EngLine_OpTemp，該數據由Diagrams單點錄入，在Engineering中，需要將SCPLIN_OpTemp與EngLine_OpTemp建立映射關系，才能完成數據的傳遞。從前述過程可以看出，智能P&ID系統中的數據僅需單點錄入一次，保證了數據的唯一性，并可實現數據同步更新，若某一數據有所調整，其他與之相映射的數據都可實現自動更新。

3.2.3數據傳遞、錄入、檢查與更新

圖2為Engineering與Diagrams的對象數據檢查結果，左側Engineering中箭頭所指管線與右側Diagrams中虛線顯示的管線是一一對應關系。數據結構與UDA定制完成后，需要將Diagrams中的數據傳遞到Engineering中，對Diagrams傳遞來的數據進行檢查，同時將其他數據源在Engineering中進行單點錄入，在Engineering中完成設計、校對、審核和版次管理等工作。

圖2　Engineering與Diagrams的對象數據檢查

3.2.4表格模板定制與報表提取

報表作為成品文件輸出或作為過程文件實現專業間的設計條件互提。其模板定制過程包括表頭部分的定制和數據部分的定制，表頭的定制類似于Excel單元格操作，操作簡便；而數據部分的定制，關鍵步驟是將屬性放置到表格的相應位置上去。表格模板定制完成后，即可實現報表數據的自動獲取與成品表格的一鍵輸出。

3.3二三維校驗

經Diagrams檢查規則對P&ID進行檢查、并經Engineering進行數據更新后，成品的P&ID圖紙將被發布到三維配管專業，進行二三維校驗。

3.3.1創建校驗規則

傳統的校驗方式是人工檢查，主要依靠工程師的經驗，而智能P&ID設計系統將工程師的經驗以及相關標準規范通過設置客觀規則，以計算機語言的形式表達出來，用二維P&ID來校驗三維模型。

校驗規則的創建需確定校驗范圍、校驗對象，并決定校驗參數，設置校驗條件，設置屬性在相應的設計階段內是否需要校驗，并設置校驗不匹配后的提示信息等。

隨著設計階段的深入，需要校驗的范圍也逐步擴大，比如，從基礎設計階段過渡到詳細設計階段時，需要增加對設備管嘴等級的校驗。

3.3.2二三維校驗

二三維校驗流程見圖3。

圖3　二三維校驗流程

二三維校驗主要檢查二維P&ID與三維模型是否一致，檢查二維與三維對象的層次、連接關系、命名、參數等，若出現不匹配，以顏色標記方式或報告列表方式顯示出來。

校驗結果主要分為匹配與不匹配，對不匹配的對象與參數，分以下幾種處理方式：

(1)由于工藝設計和配管設計的細節不同，如放空、排凝等造成的不匹配，可以接受。

(2)由于二維、三維對同一對象的提取方式不同，如二維與三維對管線起止點提取的屬性不同造成的不匹配，仔細確認后可以接受。

(3)對工程質量沒有任何影響的不匹配，如排凝點位置、安全閥接法、三通變徑等，可以接受。

(4)對于其他不匹配，需進行設計變更，主要檢查三維模型中的不一致。對于二維中的設計問題，應由配管與工藝專業商討后進行變更。

二三維校驗查出不匹配后，應盡快完成修改，避免影響采購和施工。二三維校驗突出了工藝與配管專業的協同設計，顯著提高設計效率和設計質量。

4　實施成果

經過Diagrams、Engineering和Schematic-3D-Integrator等相關模塊標準化實施及應用后，取得以下成果：

(1)以項目統一規定為基礎，進行Diagrams的前期定制，通過定制實現標準化。主要包括：圖例標準化、命名規則標準化、元件庫標準化、材料等級編號標準化、繪圖規則標準化。將設計方式標準化，不僅使P&ID美觀，而且更加準確、統一，標準化的實施限制了設計過程中的隨意性，提高設計過程及設計成品的質量。

(2)以Engineering作為數據集成管理平臺，實現了Diagrams基礎數據的傳遞與檢查修改，并能在Engineering中實現版次管理和專業間的協同設計，輸出符合要求的成品報表。在整個設計過程中，數據采用單點輸入的方式，所有數據只需輸入一次。如果數據進行調整，與之相關的上下游數據將進行實時更新，數據源一致性高，協同設計效率高，極大地減少了在數據流的處理和傳遞上耗費的時間，留給設計者更多時間進行設計本質工作。

(3)執行Schematic-3D-Integrator二三維校驗，用二維P&ID校驗三維模型，達成二維與三維模型的統一，生成二三維校驗報告，大幅降低錯誤率。

在實施過程中，總結提出的建議：① 智能P&ID設計系統強調設計流程管理，需將全專業整合到Engineering數據集成管理平臺，將整個設計流程標準化；② 需明確專業之間的分工，進一步細化專業分工，合理分配專業權限；③ 智能P&ID設計系統對于數據庫層次的理解至關重要，對于人力資源，應考慮既懂得軟件集成平臺又精通設計的復合型人才，統籌考慮，應對智能P&ID設計系統推廣過程中碰到的各種問題。

(4)實施過程中，需建立全專業的統一規定，做好頂層設計，加深標準化程度。

5　結　語

對于煉油設計行業而言，智能化、數字化和標準化的集成設計模式是大勢所趨。目前AutoCAD仍將是主流的P&ID繪制方式，隨著數字化集成設計、管理和移交需求的迅速增長，多個專業、一個平臺的集成設計方式必將得到廣泛應用，不但強調對設計文件質量的要求，同時強調對設計流程的標準化管理，這對公司的管理模式提出了挑戰。一方面，需要對企業自身能力進行評估，包括數據能力、技術、人才以及組織變革等方面；另一方面，需要將工程人員與管理人員不同的思考方式進行統一。因此，要求管理者推動企業理念轉型，打破業務部門與IT部門之間的界限，采用開放式思維，建立相互協作的企業文化。只有通過不斷地摸索與借鑒，才能實現設計流程的逐步標準化，使數字化集成平臺與設計工作的緊密結合，提升設計質量、設計效率和設計水平。

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2016-03-01)

*李寧：工程師。2014年畢業于華東理工大學化學工程與技術專業獲碩士學位。從事石油與天然氣化工方面的設計工作。

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