风电企业数字化基础建设研究

王晓东

上海电气风电集团股份有限公司 上海 200233

1 研究背景

近年来,风电行业发展迅猛,风力发电已成为重要的发电方式。随着电价平价时代的来临,企业不得不将重点放回降低成本,但是物料成本是客观存在的,风力发电机维护工作环境复杂,运维的危险性决定了运维成本无法降低,因此从传统渠道降低成本存在困难。长期来看,风电行业高质量发展将成为业内关注和研究的重点内容,平价上网需要通过技术创新与竞争来推动。只有突破技术瓶颈,才能推动研发出更加先进的风力发电机产品,提高可靠性与发电效率,逐步实现智能化,进而提高全生命周期性价比,从根本上降低风电项目各环节成本。当然,技术的革新是一个缓慢过程,需要通过新的技术手段激发创新活力。就此,笔者对风电企业的数字化基础建设进行研究。

2 数字化应用前景

数字化技术包括产品数据管理系统、基于模型的定义技术、数字双胞胎、管理信息系统、云技术等。波音公司通过基于模型的定义技术的应用,将三维制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维数字化模型中,明显缩短了研发设计周期,提高了设计正确率,使产品加工、装配、测量、检验等实现高度集成,数字化技术的应用产生跨越式发展。我国大飞机项目的设计和制造也正在逐步实施和应用基于模型的定义技术,这一技术给飞机的装配带来实质性变革。

数字双胞胎指以数字化方式复制一个物理对象,模拟对象在现实环境中的行为,对产品、制造过程,乃至整个工厂进行虚拟仿真,从而提高企业产品研发、制造的效率。西门子公司借助数字双胞胎技术,实现了从产品研发、设计、生产到服务的全过程虚拟仿真,从而提高了生产力、可用性和过程可靠性,优化了加工精度和维护、服务模式。

云技术是企业实现数字化转型的关键技术,应用云技术,企业可以在投入较低信息技术成本的同时提高工作效率。上海电气风电集团引入云平台技术后,不需要再采购昂贵的服务器主机,使用笔记本计算机即可接入云平台进行大型零部件、装配体的设计和大量数据的分析、计算。通过云解决方案,还可以实现远程办公和更好的协作,不但节省了信息技术成本,而且大幅提高了工作效率。当前,云计算替代传统信息技术架构系统已经成为一种趋势。企业应用好云技术,能够具有更强的竞争力。

产品数据管理系统能够管理与产品相关的所有数据,包括零部件数据、配置数据、文档数据、计算机辅助设计文件数据、权限信息数据等。产品数据管理系统还可以管理产生以上数据的所有过程,包括过程定义和过程数据,提供带计算机辅助设计和企业资源计划接口的集成平台。在产品数据管理系统中,能够建立并行的产品开发流程,产品开发过程中的各个阶段可以实现数据共享和有机集成,做到设计信息的及时预发布和应用问题的及时反馈。

3 风电企业数字化道路

越来越多的企业开始进行数字化应用,希望通过数字化推广,使企业的研发能力上一个台阶。数字化应用效果的优劣,将决定企业发展是否能够实现可持续性。风电企业的数字化道路没有现成解决方案,需要根据实际情况定制。

风力发电机产品存在开发阶段和批量生产阶段。在开发阶段,要创建文档。在批量生产阶段,使用开发阶段的文档,同时进行部分升级改进,涉及复杂的文档管理和项目管理工作。引入产品数据管理系统,可以对文档和项目进行集成管理,实现产品开发时的快速决策调整和批量生产时的无缝使用样机文档,并且使设计流程和项目管理规范化,用管理来简化、解决技术问题。数字化转型的核心是运用技术手段构建新的业务模式、流程、软件、系统,业务模式和流程的改善能够提高员工的效率与创新能力,为企业带来更高的效率、更大的竞争优势,获取更多的利润。

在传统作业中,运维人员进行维护时需要在风电场耗费大量工时,并且有作业风险。可以对风力发电机整机建立模型,利用数字双胞胎技术,对整机进行力学分析、运动干涉、运行模拟等。中央集控室通过传感器和实况显示屏检查实时运营情况、运营数据、事故点位,并分析事故原因,实现精准维护。这样做,还能够降低作业风险,减少人工作业花费的时间和高昂费用。利用传感器提供风电场作业数据,中央集控室能够持续监控所有位置,确保风力发电机和其它设施在没有生产安全问题的情况下顺利运行。

风力发电机产品有基础、塔架、机舱、轮毂、叶片等多个部套,各部套下还有众多的子零部件。在设计阶段,不可避免会遇到大装配卡顿、分析计算耗时等问题,需要配备高性能计算机。引入云技术,借助共享云计算机的计算能力,可以大幅提高设计的流畅性和分析计算的速度,特别使对于复杂结构和大型装配件的设计,效果尤其明显。效率提高后,产品的开发速度随之提高,工程师能够将大部分时间精力放在产品本身,更便捷地检查大装配结构的配合性,从而提高产品质量,降低错误率。

在传统的产品设计过程中,工程师各自开展工作,没有统一的设计标准和设计库,会出现相同物料反复进行设计的情况,浪费人力物力。标准化设计包括建模标准化、图纸标准化、设计库标准化等,能够使产品设计要素单纯化,加大技术储备的重用性。新产品设计时,可以活用和继承以往的技术储备,通过选择、交换、组合,快速设计出新产品。标准化使思考方式定型化、规律化,使技术工作程序化、模式化,进而将个人自由思考的设计方式转变为集体思考的设计方式,最终达到提高工作效率的目的。

4 数字化基础建设意义

多数企业在应用推广数字化时,往往有长远的规划、宏大的目标,但实施起来却困难重重,进度缓慢。究其原因,大多是企业的数字化基础建设不够扎实,没有给予足够的重视。数字化基础建设是数字化应用的基石,需要长时间积累、完善,虽然耗时耗力,见效慢,但是意义却是长远的。

以标准化举例,标准化的设计环境能够保证研发数据的统一性,为产品数据管理、企业资源计划数据管理奠定坚实的基础。越早建立标准化设计环境,越早能够减少历史冗余数据沉积。当前,越来越多的企业意识到标准化的价值,热别是研发设计标准化,将会对延伸的产业链,包括生产、采购库管、售后等产生直接影响,提高投资回报率。标准化设计环境是建立设计标准化体系中的重要一环,如果没有建立标准化设计环境,那么一旦发生项目变更,将带来不小的麻烦,并且会对后期产品数据管理、企业资源计划数据管理产生不利的影响。

5 数字化基础建设关键技术

5.1 产品数据管理系统

做好三维设计工作,除标准化外,文档管理也非常重要。在产品开发阶段,主要工作是创建文档。产品开发结束时,相关文档会提交给工程数据库管理模块来管理。文档是产品数据管理系统管理的基本对象,产品数据管理系统通过对具体文档进行操作,包括建立、属性定义、浏览、保存、入库、变更,来实现归类管理、流程管理、版本管理、权限管理等。

通过对产品文档的归类管理,实现各部套间的协同设计、实时对接,减少部套件的配合问题。流程管理主要指对文档和物料的提交、审查、批准、发布、归档等过程进行有效管理。

对产品设计过程中的各种文档进行相关任务的确定和版本变更的维护,属于版本管理,可以保证设计过程中任务的完整性和数据的一致性。产品数据管理系统在进行二维设计图纸管理时,只负责文件名称及属性,不涉及文件内容。而三维设计则不同,零件、装配体、工程图之间可以实现自动关联与更新,文件版本改动会造成整个产品改动,因此,在三维设计环境中需要管理设计流程所跟踪的属性。

产品数据管理系统可以同步实现对项目的管理。项目管理主要包括:① 项目创建,包括项目名称、项目代号的映射关系,以及项目的其它属性;② 项目删除;③ 项目属性更改;④ 项目进度监控;⑤ 项目中成员角色定义。产品数据管理系统中的业务项操作与项目的创建密切相关,项目创建除按照规范进行以外,还要及时掌握项目中各种审查、审批角色的定义和分配,包括各部套的设计流程角色分配等。通过对文档和项目的集成管理,可以实现产品开发设计与项目执行的无缝衔接,提高项目的执行效率,减小项目的执行偏差。

5.2 设计环境

设计环境指针对显示样式、绘图标准、设计单位制、尺寸标注样式、绘图线型、属性等所进行的标准定义,需要分别对设计过程中的零件、装配体、工程图进行定义。工程师在统一的设计环境中进行三维设计,能够避免由于单位制不统一、显示样式不同而导致的信息沟通错误和设计效率降低,保障数据源模型的三维标准化。

5.3 标准化

进行数字化基础建设,标准化要先行。应制定零件、装配体模板,包括模型单位制、图层结构、引用集、属性卡等。其中,属性卡采用设计环境自动集成方式,随零件、装配体的设计环境自动调用,用于管理零件的各个属性,包括文档号、文档描述、材质、质量、所属产品编码、所属项目名称等,同时可以添加流程属性字段,如校对、审核、审定等。在设计过程中,搜集用于管理的属性非常关键,能够通过属性卡实现文档有序管理。主模型图纸图框标题栏中,会映射出零件、装配体的大部分设计属性。完善的属性卡能够使零件、装配体的属性自动在工程图标题栏中产生映射,进而提高设计效率,降低错误率。

还应制定工程图模板,定义图纸技术要求、变更栏、零件明细表。图纸中的视图样式包括线型、字高、标注格式等。在以二维计算机辅助设计软件作为设计工具的时代,企业均以二维工程图作为设计数据标准化对象。在三维设计时,可以依据现有的符合企业标准的二维工程图定义图纸、图框、标题栏。图纸的标准化程度会直接决定图纸的质量。

标准化设计和产出是发挥三维设计优势的基础工作,为使后期企业设计库得到完善,需要同步编写一系列标准文件,包括三维建模装配出图标准、企标件入库标准、库维护标准等,为设计库的建立打好基础。标准体系的建立是一项持之以恒的工作,是渐近、不断完善的过程,需要企业针对自身实际情况,在不同时期、不同阶段做出不同的改进和修改,以服务企业自身的研发、设计、制造,推动企业自身发展。

5.4 基础资源库

建设基础资源库,需要结合数据管理平台、数字化设计软件,利用标准化方法与技术,深入分析和挖掘各种数据信息与应用需求,构建统一的资源库管理系统,实现资源共享,避免重复建设。基础资源库主要包括参数化模块库、标准件库、材质库、型材焊接库、技术要求库等,可以随着数字化设计的推进而扩展。其中,参数化模块库是三维建模的基础,工程师在已有模块的基础上建模,不但能够提高建模出图的效率,而且可以提高数据的规范性,建立真正意义上的数字化模型。

基础资源库模型要注重规范化和标准化,以提高重用性。需要编制标准规范,将非几何信息、管理信息、材质信息、技术要求、流程属性规范化,并通过计算机辅助设计软件建立统一的参数化模型结构树,建立标准件库、参数化模块库。以机械结构件举例,梁、板等典型结构件是主要部分,使用频率较高,可以对梁、板等进行分类,借助NX软件中的PTS参数化工具建立若干参数化模块库。在此基础上,将设计规范、标准编入参数表,方便工程师在进行结构设计时按照要求调用不同的模板零件,简化设计过程,规范建模操作,提高工作效率,缩短产品设计周期。

标准件库包含所有可能用到的标准件,分为紧固件标准件库、电气标准件库、工艺标准件库、管道标准件库等。工程师在设计产品时,可以直接在标准件库中选取所需的标准件,减小工作量。统一选用标准件库中的标准件,能够保证同系列产品的一致性,减少物料种类。

材质库包含所需的各种材质数据,并且可以进行定制。材质属性包括弹性模量、泊松比、抗剪模量、质量密度、张力强度、屈服强度、热膨胀系数、热导率、比热等。通过直接引用材质数据库,可以减小工程师自行查找材质属性的工作量。材质信息能够直接用于统计质量、仿真分析等,材质外观可以用于渲染模型及企业营销展示。

型材焊接库定义了焊接件建模时需要调用的焊件截面、材质,如不同规格的圆钢、角钢、工字钢等。建立型材焊接库,能够对焊接材质进行统一管理与维护,使整个企业按照统一的标准进行焊接件设计,便于型材成本统计,提高焊接件设计效率。

技术要求库预设各类典型零件、装配件图纸的技术要求,包括防腐涂装要求、表面粗糙度要求、加工要求等。工程师出图时,可以根据需要直接选择使用,能够为快速设计图纸提供指导,同时保持图纸的统一性,进一步提高图纸质量,降低错误率。

6 结束语

应用数字化能够帮助企业实现自动化和差异化的有效管理,数字化业务流程通过业务重构创造新的数据驱动模式,使企业运营效率大幅提高。通过产品数据管理系统、基于模型的定义技术、数字双胞胎、云技术等数字化技术的实施,企业最终能够实现效率提高、质量提高、成本降低等目标。数字化技术不仅可以使企业业务运营更精细,而且能够为企业战略决策提供更好的信息支持。

在数字化推进过程中,企业要做好顶层设计、统筹规划,从数字化基础建设做起,制定标准设计环境,积累企业资源库,建立数字化基础模型。只有这样,企业才能实现文档精细管理、项目高效管理,迎来新的发展方向,最终提高竞争力。