智能化儀表設(shè)計(jì)技術(shù)

潘 峰 黃海棉

(中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司)

智能化儀表設(shè)計(jì)技術(shù)

潘 峰 黃海棉

(中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司)

對(duì)智能化儀表設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了說(shuō)明，描述其實(shí)現(xiàn)方法，并介紹該技術(shù)的工程應(yīng)用。

智能化儀表設(shè)計(jì)技術(shù) 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái) 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程 二次開(kāi)發(fā)

海外大型油田項(xiàng)目通常按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和慣例執(zhí)行，項(xiàng)目規(guī)模大、設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，對(duì)工程設(shè)計(jì)的深度和技術(shù)水平的要求極高，而且存在設(shè)計(jì)成果數(shù)字化交付的趨勢(shì)[1]，導(dǎo)致單一設(shè)計(jì)軟件+紙質(zhì)文件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)新形勢(shì)[2]。

智能化儀表設(shè)計(jì)技術(shù)將工程設(shè)計(jì)過(guò)程與先進(jìn)的信息技術(shù)和管理理念相結(jié)合，在智能化的多專業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)施二次開(kāi)發(fā)以適應(yīng)體系要求和項(xiàng)目需求，管理儀表工程設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，重新規(guī)劃配置資源，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，從而實(shí)現(xiàn)海外工程儀表設(shè)計(jì)過(guò)程的信息化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化交付。筆者對(duì)智能化儀表設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了介紹，并與傳統(tǒng)的儀表工程設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了對(duì)比，達(dá)到優(yōu)化工程設(shè)計(jì)模式的目的。

1 智能化儀表設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的架構(gòu)

儀表與工藝、配管及設(shè)備等多專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)，是建立在多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)(圖1)上的。平臺(tái)通過(guò)文件流、數(shù)據(jù)流和專業(yè)間的協(xié)作方式，將手動(dòng)提資變?yōu)閿?shù)據(jù)流信息傳輸，確保數(shù)據(jù)的可靠性和可追溯性。平臺(tái)核心軟件包括COMOS FEED、Smart Plant Foundation、SP P&ID、SPI、SPEL、EQD、SP3D、SPRD、SPM及DDP等。

圖1 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

工藝工程師從工藝模擬COMOS FEED導(dǎo)出物料平衡表，使用SP P&ID創(chuàng)建P&ID圖并發(fā)布到SPF設(shè)計(jì)平臺(tái)，然后配管專業(yè)接收P&ID圖，在SP3D自動(dòng)創(chuàng)建相應(yīng)的三維模型。同時(shí)，SP P&ID和SP3D之間可以通過(guò)二、三維校驗(yàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)變更和建模問(wèn)題，配管材料、圖紙等可以利用定制的模板直接生成。儀表專業(yè)通過(guò)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)同步接收P&ID圖和工藝參數(shù)，進(jìn)行初步建點(diǎn)，并根據(jù)工藝工程師發(fā)布的工況信息，協(xié)助儀表工程師選型，迅速進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。

儀表橋架路徑、電纜路徑、規(guī)格及儀表尺寸等信息可通過(guò)SPF設(shè)計(jì)平臺(tái)直接發(fā)布至配管SP3D模型，用于完善三維模型，從而使三維化設(shè)計(jì)更加高效準(zhǔn)確。如圖2所示，儀表專業(yè)通過(guò)DDP功能模塊，在SPI中輸入儀表的三維外形尺寸信息，然后數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸至SP3D，在模型創(chuàng)建時(shí)自動(dòng)生成相應(yīng)的外形。

圖2 DDP實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)的客戶端和公共數(shù)據(jù)庫(kù)可搭建在公共局域網(wǎng)內(nèi)。設(shè)計(jì)人員、業(yè)主及工程監(jiān)理方等人員可以通過(guò)統(tǒng)一的客戶端訪問(wèn)、調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)資源。所有工程設(shè)計(jì)參與者可同時(shí)在平臺(tái)上協(xié)同工作，而且工作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可被實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。同時(shí)，設(shè)計(jì)平臺(tái)支持異地協(xié)同辦公，異地協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)部署示意圖如圖3所示。

圖3 異地協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)部署示意圖

儀表設(shè)計(jì)建立在平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)(圖4)的基礎(chǔ)上，通常選用Oracle或MS SQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)作為底層的數(shù)據(jù)中心。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和二次開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)兩部分。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)平臺(tái)缺省的初期基本數(shù)據(jù)，如常見(jiàn)的儀表類型、信號(hào)類型等。由于各個(gè)項(xiàng)目的風(fēng)格和需求都有所不同，因此在項(xiàng)目開(kāi)展工作前，需要對(duì)軟件種子進(jìn)行深度二次開(kāi)發(fā)，以確保最終圖紙的統(tǒng)一，并符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。二次開(kāi)發(fā)包括關(guān)聯(lián)設(shè)置、創(chuàng)建儀表類型庫(kù)、數(shù)據(jù)表模板、材料庫(kù)、安裝圖庫(kù)、電纜類型及各類報(bào)表模板等。

圖4 平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成

根據(jù)信息化的設(shè)計(jì)流程，平臺(tái)設(shè)計(jì)功能分為6個(gè)：建點(diǎn)功能、計(jì)算功能、數(shù)據(jù)表功能、電纜接線功能、回路圖功能和安裝圖功能。各個(gè)功能之間既分工獨(dú)立又相互聯(lián)系，獨(dú)立是指分工明確，如建點(diǎn)功能主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建回路、儀表，完成儀表類型、I/O類型等信息的錄入，數(shù)據(jù)表功能主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建儀表對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表；聯(lián)系是指所有功能共用同一數(shù)據(jù)庫(kù)，因此錄入的信息都是共享的，如建點(diǎn)時(shí)錄入的儀表信息會(huì)自動(dòng)加載到數(shù)據(jù)表里，保證了數(shù)據(jù)的唯一性，減少了錯(cuò)誤的出現(xiàn)。

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

智能化設(shè)計(jì)平臺(tái)根據(jù)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目不同階段的設(shè)計(jì)任務(wù)和圖紙需求，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)流程(圖5)，將工程設(shè)計(jì)工作任務(wù)分解成8個(gè)階段[2]：

a. 創(chuàng)建項(xiàng)目。由專業(yè)負(fù)責(zé)人或系統(tǒng)管理員在設(shè)計(jì)平臺(tái)初始化一個(gè)項(xiàng)目，定義Plant-Area-Unit工廠架構(gòu)，定義位號(hào)命名規(guī)則，分配用戶權(quán)限。

b. 創(chuàng)建儀表，選型。根據(jù)P&ID等信息，在平臺(tái)內(nèi)創(chuàng)建儀表位號(hào)，錄入儀表類型、用途描述、P&ID號(hào)、管線號(hào)、設(shè)備號(hào)及信號(hào)類型等信息。生成儀表索引表、I/O表和報(bào)警值表。

c. 計(jì)算調(diào)節(jié)閥/流量計(jì)。錄入儀表工藝參數(shù)(如操作溫度、操作壓力及流量等)，利用計(jì)算功能計(jì)算調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度、流量系數(shù)和節(jié)流孔板的孔徑比，生成相應(yīng)的計(jì)算書(shū)，為后期的調(diào)節(jié)閥和節(jié)流孔板評(píng)標(biāo)提供依據(jù)。

d. 創(chuàng)建數(shù)據(jù)表，設(shè)計(jì)儀表屬性。完成位號(hào)創(chuàng)建、儀表選型和工藝參數(shù)錄入后，自動(dòng)創(chuàng)建儀表數(shù)據(jù)表，填寫(xiě)屬性參數(shù)，生成圖紙。

e. 電纜設(shè)計(jì)，線纜接線。在平臺(tái)內(nèi)創(chuàng)建電纜、接線箱、機(jī)柜及卡件等接線設(shè)備，完成現(xiàn)場(chǎng)儀表-接線箱-端子柜-系統(tǒng)控制柜的接線，生成電纜表和接線圖。

f. 完成機(jī)柜內(nèi)部接線后，可直接自動(dòng)生成儀表回路圖。

g. 安裝圖設(shè)計(jì)。在平臺(tái)內(nèi)將標(biāo)準(zhǔn)安裝圖號(hào)與儀表位號(hào)、材料編碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)分配，生成安裝圖圖紙。

h. 數(shù)字化智能交付。項(xiàng)目竣工后，若項(xiàng)目需要，可將工程數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行備份并交付給業(yè)主使用，用于以后的儀表維護(hù)和管理。

1.3 二次開(kāi)發(fā)

二次開(kāi)發(fā)的目的是使平臺(tái)更適合本單位使用、更滿足具體項(xiàng)目的特定要求。常規(guī)的二次開(kāi)發(fā)需要完成如下工作：

圖5 智能化儀表工程設(shè)計(jì)流程

a. 建立儀表類型并進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)置，共305個(gè)，包含壓力儀表、溫度儀表、流量?jī)x表、液位儀表、控制閥、火氣儀表、分析儀表、電氣信號(hào)及盤(pán)裝元件等。

b. 數(shù)據(jù)表，約100個(gè)，包含壓力儀表、溫度儀表、流量?jī)x表、液位儀表、控制閥、分析儀表、火氣儀表及其他儀表等。

c. 標(biāo)準(zhǔn)安裝圖，常用的安裝圖約150種，包含壓力儀表、溫度儀表、液位儀表、流量?jī)x表、儀表支架、電纜安裝、機(jī)柜及伴熱保溫等。

d. 安裝材料，約1 500類，包含儀表管線P、管線接頭F、儀表閥V、緊固件T和其他。

e. 線纜，約130種，包含阻燃電纜、防火電纜、通信電纜、光纜及線纜附件等。

f. 接線設(shè)備、盤(pán)柜，約60種；卡件和電子元件，共120種，包含接線箱、接線柜、系統(tǒng)柜、儀表設(shè)備、就地盤(pán)、端子排、卡件、浪涌保護(hù)器、安全柵、繼電器及交換機(jī)等。

g. 表單文件，約20個(gè)，包含儀表索引、系統(tǒng)I/O、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、報(bào)警事件、電纜表、接線箱表、設(shè)備表、材料表和其他表格。

h. 指導(dǎo)文件,兩個(gè)，包含平臺(tái)應(yīng)用手冊(cè)(設(shè)計(jì)人員的使用說(shuō)明)和平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)用導(dǎo)則(平臺(tái)工程設(shè)計(jì)的技術(shù)總則)。

2 技術(shù)特點(diǎn)

在大型油田項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程中，傳統(tǒng)儀表工程設(shè)計(jì)方式與智能化儀表設(shè)計(jì)方式在軟件工具、設(shè)計(jì)理念、資料傳遞及圖紙質(zhì)量等內(nèi)容的對(duì)比見(jiàn)表1。可以看出，智能化儀表設(shè)計(jì)方式徹底避免了傳統(tǒng)方式存在的問(wèn)題，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)流程的目的。

表1 傳統(tǒng)儀表工程設(shè)計(jì)方式與智能化儀表設(shè)計(jì)方式對(duì)比

3 工程應(yīng)用

目前，智能化儀表設(shè)計(jì)技術(shù)在海外項(xiàng)目已經(jīng)成功應(yīng)用，并取得了很好的效果。以中東地區(qū)某油田地面工程項(xiàng)目應(yīng)用為例，該項(xiàng)目油田的年產(chǎn)能規(guī)模為四百萬(wàn)噸，油品為高粘重質(zhì)原油，包括油氣混輸、原油深度脫水及站場(chǎng)全密閉等工藝。該項(xiàng)目自控儀表規(guī)模為：儀表數(shù)量約4 700臺(tái)，自控系統(tǒng)約8 000點(diǎn)。該項(xiàng)目應(yīng)用智能化儀表設(shè)計(jì)技術(shù)后在實(shí)際項(xiàng)目中取得了顯著成效。相對(duì)于傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)模式，人力投入節(jié)省約30%，人工時(shí)減少約40%，設(shè)計(jì)工期縮短約30%，圖紙錯(cuò)誤率減少約80%，設(shè)計(jì)成本減少約30%，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化交付，滿足了項(xiàng)目要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

越來(lái)越多的海外工程項(xiàng)目業(yè)主開(kāi)始建設(shè)“數(shù)字化油田”，要求在項(xiàng)目初始時(shí)就進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，所有的數(shù)據(jù)、文檔及工作流等進(jìn)行電子存檔，項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果進(jìn)行整體數(shù)字化交付，便于后期對(duì)油田工程進(jìn)行數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)全廠的全生命周期管理。智能化儀表設(shè)計(jì)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、協(xié)同化、智能化和數(shù)字化特點(diǎn)完全能夠滿足目前新形勢(shì)下的需求，不僅優(yōu)化了項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程，還合理降低了設(shè)計(jì)、施工建設(shè)及管理等成本，成為工程總承包商在海外開(kāi)拓市場(chǎng)的一項(xiàng)技術(shù)利器。

[1] 李興候.SPI軟件在儀表工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表,2014,29(2):48～51.

[2] 李永康.Intools軟件及其在工廠生命周期管理中的應(yīng)用策略[J].石油化工自動(dòng)化,2009,45(4):50～54.

TechnologiesforIntelligentInstrumentDesign

PAN Feng, HUANG Hai-mian
(BeijingBranchCompany,ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.)

TH702

B

1000-3932(2017)02-0194-05

2016-09-06，

2016-12-13)

(Continued on Page 199)

潘峰(1972-)，高級(jí)工程師，從事自控工程咨詢、設(shè)計(jì)和科研工作。

聯(lián)系人黃海棉(1985-)，工程師，從事自控工程咨詢、設(shè)計(jì)和科研工作，huanghaimian@cpebj.com。