數字化工廠與數字化交付的技術探討

文｜中冶京誠工程技術有限公司 張鶴 曹建寧 王永濤 韋彬

0引言

數字化工廠（DF）是實現智能工廠的關鍵技術，而數字化交付是構建數字化工廠的一個重要環節。數字化工廠與數字化交付已成為現代工程設計領域之中的熱門話題，眾多的工程企業尤其是設計院，正在謀求以數字化工廠與數字化交付為突破，從而實現新時代下企業的數字化轉型。

2018年9月11日住房和城鄉建設部發布的《石油化工工程數字化交付標準》對數字化工廠（digital plant）定義如下：“由工程建設階段產生的數字化靜態信息、運營維護階段產生的數字化動態信息、基于工廠對象的關聯關系及信息管理平臺構成的綜合體”。具體來講，數字化工廠是匯集工程設計、采購、施工、建造、安裝全生命期的信息，形成企業靜態數字化資產，在此基礎上整合產品生產、產線運維數據，集成生產控制的自動化系統、制造執行的MES系統、生產管理的ERP系統、設備狀態監測工具，在計算機虛擬環境中，搭建可同步運轉的數字虛擬工廠，實現對歷史數據的回溯、實時數據的管理和未來趨勢的預測。數字化工廠是實現智能工廠的必經之路，應用數字化設計，構建全廠的數字化模型，整合工程建設各階段數據，接入實際生產數據，構建與實際工廠一致的數字孿生工廠。

1數字化設計

設計是工程信息的源頭，對三維數字化設計來講更是如此，三維數字化設計階段產生的模型與信息是數字化交付的基礎。對設計院來講，尤其是大型綜合設計院，其業務類型較多，或兼具工程設計與非標設備設計的能力，因此其在數字化設計實施當中，往往會采用不同的協同設計平臺與設計軟件，也就會產生不同格式的模型與數據。

目前市場上主流數字化設計軟件有Bentley系列軟件，其軟件有Open building designer、Openplant modeler、Prostructures

等；Autodesk系列軟件，其軟件有Revit、Inventor等；另外還包括AVEVA PDMS、Tekla structures專業設計軟件。在數字化交付的背景下，如何保證各平臺及軟件中產生的模型與數據的一致性與準確性，成了問題的關鍵。編碼平臺是將工程設計中用到的材料、設備等物料的屬性進行了統一梳理，確定其屬性及編碼規則，并定制于編碼平臺內，平臺內的物料編碼的原則是一物一碼，即一類物料具有其唯一的物料編碼。例如煉鐵設備中，熱風爐系統設備的補償器，其屬性包括了：補償器名稱、補償器形式、通徑、軸向位移、橫向位移、波紋管材質、介質溫度、波紋管長度，其屬性被定制于編碼平臺當中，如圖2所示。

圖1 數字化工廠實施路線

圖2 編碼平臺

數字化元件庫將企業的數字化元件集中存儲與管理，設計人員從庫內調取元件完成設計內容。數字化元件入庫時需滿足企業相關的BIM模型標準，如此保證了元件模型的準確性。數字化元件的模型幾何精度應根據使用需求進行規定，幾何精度指的是模型外觀與實際的近似程度，比如一臺電機，是否需要把散熱結構按照實際完全建模，還是以近似圓柱體進行代替，或者一臺自動扶梯的每個梯級是否需要按照實際進行建模，理論上來講，建模的細致程度是無窮盡的，三維軟件中可以參照對象進行完全建模，但這需要耗費大量的時間，并且過于細致的模型對瀏覽速度造成極大影響，降低工作效率。

數字化元件庫內的條目和編碼平臺內的條目應是對應的，即數字化設計應用的構件都具有其唯一的屬性與編碼。數字化元件庫與編碼平臺結合，為數字化設計提供模型與屬性，可以說編碼平臺和數字化元件庫是三維數字化設計的主數據，在構件級別對幾何模型精度與屬性信息進行了統一規定，是數字化設計的基礎，是數字化交付模型與數據來源的有效保證。

2數字化交付

區別于傳統工程以“卷冊”為核心的交付體系，數字化交付是指以“工廠對象”為核心，將工程設計、采購、施工、制造、安裝等階段產生的數據，進行結構化處理，建立以“工廠對象”為核心的網狀關系數據庫，存儲于工程數據中心，并基于統一的數據接口完成數據交付，為業主提供可靠的工程基礎數據，形成構建數字化工廠的企業靜態數據資產。

數字化交付的實現途徑如圖3所示：

工廠對象是指構成工廠的設備、管道、儀表、電氣和建（構）筑物等具有編號可獨立識別的工程實體，位號即工廠對象的識別編號，每個工廠對象具有唯一的位號。例如某化工廠內設備位號T1218表示第12車間（或工段）的第18號塔。設備位號在整個系統內不得重復，唯一存在，所有工藝圖上設備位號均需一致。目前化工行業基于數字化設計開展的工程設計項目，設計過程中的二維和三維設計數據已實現基于位號的結構性數據集成及多專業協同，同時采用與數字化交付配套的文檔系統實現了基于位號的非結構性設計文檔、供應商文檔關聯，在交付時向業主整體移交數據庫。

數字化交付的核心包括三維模型、數據、文檔及其關聯關系，因此，企業應建立交付標準應對三維模型、數據、文檔及其關聯關系做出規定。設計階段產生的模型、數據、設計圖紙、計算書，采購階段的裝箱清單、使用說明書、質量證明文件，施工階段的各種施工記錄、試驗報告、驗收報告等，均屬于交付的范疇。在數字化交付的條件下，不僅僅是將這些文檔轉成PDF存儲起來，為便于文檔內容的索引，還應需要處理文檔和工廠對象的關聯關系。數字化交付條件下需要完整的文檔編碼系統，來適應文檔分類管理與查詢的要求。

3數字化工廠

圖3 數字化交付原理

圖4 數字化工廠實施途徑

建立數字化工廠平臺，以三維模型為載體，將數字化交付的各階段數據整合并可視化地展示出來，從而構建出與現實工廠完全一致的數字化模型。在數字化模型的基礎上，整合基礎自動化模型、過程控制模型、工藝參數模型，構建與實際生產流程、設備和工藝一致的數字孿生模型。進一步，以數字化平臺為基礎，通過信息交換獲取企業的生產管理（MES），能源管理（EMS），設備管理，物流管理等信息化系統的信息，采用不同的圖層和場景展現不同業務數據，更直觀的協助公司各級調度管理人員及時掌控企業生產運營信息，滿足公司各級管理人員需要。

數字化工廠平臺的實現途徑如圖4：

在三維數字化工廠平臺中，工廠的各個車間、設備、部件、管道、儀表、閥門等的運行參數與BIM模型進行關聯和綁定，可以實時查詢其設計參數和運行參數。可以以圖層的形式管理不同類型的數據和BIM模型的顯示狀態，如專門顯示儀表信息的儀表層，同時還有人員層、設備層、巡檢層、報警層、監控層、建筑層、管線層、物流層等。在不同的數據層的基礎上，定制工廠的數字化運維需求，如：工廠綜合展示、資產的透明化管理、智能設備運維信息集成、全場物流調度管理、智能管網安全監控管理、浸入式培訓操作考核、應急演練仿真、三維生產工藝監控和模擬等。

圖5 數字化工廠信息展示

4 結語

工程設計、采購、施工、建造、安裝等階段產生的各種工程數據是數字化工廠的原始基礎，是實體工廠的真實反映，通過數字化交付工作，構建與現實工廠完全一致的數字化工廠，在完整的數字孿生應用場景中，構建具備自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等能力的新型生活和生產方式，實現數字化向智能化邁進。