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打造数字孪生工厂 实现三维可视化全过程管理

2021-08-27中冶京诚工程技术有限公司张鹤陈馨朱志斌

中国勘察设计 2021年8期
关键词:文档工厂编码

■ 中冶京诚工程技术有限公司 张鹤 陈馨 朱志斌

2018年住房和城乡建设部发布的《石油化工工程数字化交付标准》将数字化工厂(digital plant)定义为:“由工程建设阶段产生的数字化静态信息、运营维护阶段产生的数字化动态信息、基于工厂对象的关联关系及信息管理平台构成的综合体。”具体来讲,数字化工厂是汇集工程设计、采购、施工、建造、安装全生命周期的信息,形成企业静态数字化资产,在此基础上整合产品生产、产线运维数据,集成生产控制的自动化系统、制造执行的MES系统、生产管理的ERP系统、设备状态监测工具,在计算机虚拟环境中搭建可同步运转的数字虚拟工厂,实现对历史数据的回溯、实时数据的管理和未来趋势的预测。

数字化设计

在数字化设计实施过程中,往往会采用不同的协同设计平台与设计软件,产生不同格式的模型与数据。目前,市场上主流数字化设计软件有Bentley系列软件OpenBuildings Designer、OpenPlant Modeler、ProStructures等,Autodesk系列软件Revit、Inventor等,还有AVEVA PDMS、Tekla structures专业设计软件。在数字化交付的背景下,如何保证各平台及软件中产生的模型与数据的一致性与准确性,成为了解决问题的关键。

可搭建编码平台将工程设计中运用到的材料、设备等物料的属性进行统一梳理,确定其属性及编码规则,并定制于编码平台内,平台内的物料编码的原则是一物一码,即一类物料具有其唯一的物料编码。物料属性被定制于编码平台当中,编码平台向各个设计平台和软件提供唯一编码。建立数字化元件库,将企业的数字化元件集中存储与管理,设计人员从库内调取元件完成设计内容。数字化元件库与编码平台结合,为数字化设计提供模型与属性,可以说编码平台和数字化元件库是三维数字化设计的主数据,在构件级别对几何模型精度与属性信息进行了统一规定,是数字化设计的基础,也是数字化交付模型与数据来源的有效保证。

数字化交付

区别于传统工程以“卷册”为核心的交付体系,数字化交付是指以“工厂对象”为核心,将工程设计、采购、施工、制造、安装等阶段产生的数据进行结构化处理,建立以“工厂对象”为核心的网状关系数据库,存储于工程数据中心,并基于统一的数据接口完成数据交付,为业主提供可靠的工程基础数据,形成构建数字化工厂的企业静态数据资产。

数字化交付的核心包括三维模型、数据、文档及其关联关系,因此,企业应建立交付标准应对三维模型、数据、文档及其关联关系。设计阶段产生的模型、数据、设计图纸、计算书,采购阶段的装箱清单、使用说明书、质量证明文件,施工阶段的各种施工记录、试验报告、验收报告等,均属于交付的范畴。在数字化交付的条件下,不仅仅是将这些文档转成PDF存储起来,便于文档内容的索引,还需要处理文档和工厂对象的关联关系。数字化交付条件下,需要完整的文档编码系统来适应文档分类管理与查询的要求。

数字化交付的实施需要依托于系统或平台来实现,将需要交付的模型、数据、文档等以标识码作为工厂对象的唯一标识,在平台中建立起模型、数据和文档之间的网状关联关系,才能将各阶段的模型、数据等转换成可被直接应用的数据资产。此外,平台应提供基础的静态数据服务。Bentley AssetWise是一款优异的交付平台,可以将ProjectWise上的模型与数据无缝传递到平台上,并且可以承载大体量的模型与数据,可以胜任厂级项目的交付与静态数据应用。

数字化工厂

建立数字化工厂平台,以三维模型为载体,将数字化交付的各阶段数据整合并可视化地展示出来,从而构建出与现实工厂完全一致的数字化模型。在数字化模型的基础上,整合基础自动化模型、过程控制模型、工艺参数模型,构建与实际生产流程、设备和工艺一致的数字孪生模型。进一步,以数字化平台为基础,通过信息交换获取企业的生产管理(MES)、能源管理(EMS)、设备管理、物流管理等信息化系统的信息,采用不同的图层和场景展现不同业务数据,更直观地协助公司各级调度管理人员及时掌控企业生产运营信息,满足公司各级管理人员需要。

数字化交付原理

数字化工厂实施途径

在三维数字化工厂平台中,工厂的各个车间、设备、部件、管道、仪表、阀门等运行参数与BIM模型进行关联和绑定,可以实时查询其设计参数和运行参数。可以以图层的形式管理不同类型的数据和BIM模型的显示状态,如专门显示仪表信息的仪表层,以及人员层、设备层、巡检层、报警层、监控层、建筑层、管线层、物流层等。在不同数据层的基础上,定制工厂的数字化运维需求,如工厂综合展示、资产透明化管理、智能设备运维信息集成、全场物流调度管理、智能管网安全监控管理、浸入式培训操作考核、应急演练仿真、三维生产工艺监控和模拟等。

案例分析

本文以中冶京诚工程技术有限公司EPC总承包的济源高速线材生产线项目为例,就其BIM数字化交付与数字化工厂技术应用展开探讨。

数字化工厂信息展示

项目概况

多年前,中冶京诚工程技术有限公司(以下简称“中冶京诚”)EPC总承包济源高速线材生产线项目为业主交付了实体工厂。在全球信息化环境的影响下,业主对生产线运营又提出了新的需求。为此,中冶京诚基于BIM技术构建虚拟的数字孪生工厂,整合生产过程、设备状态、物流、能源等信息,将数字工厂与现实工厂相结合,实现三维可视化全过程管理。

项目任务

在役工厂数字孪生构建技术路线

web端工程数据中心

厂房模型

数字工厂应用

数字化模型是数字化工厂的基础,建立数字孪生工厂,首先需要重构数字化模型。虽然济源高线由中冶京诚设计施工,但由于时间久远、资料缺失,且工厂多次改造,加大了重构数字化模型的难度,如何复现已有工厂,成为亟待解决的首要任务。此外,由于高线生产线流程复杂、信息多元、数据众多,如何将构建的数字化模型与数据有效结合;有了全新的交付模式和交付内容,如何能更好地将交付物为业主所用,提升企业综合运营效率,提高企业的管理和运维水平,也是项目团队需要完成的重要任务。

在役工厂三维数字化重构

为真实还原现实工厂,中冶京诚应用在役工厂三维数字化重构技术,将实景建模与二维图纸建模相结合,利用无人机拍摄照片分组导入实景建模工具,从而生成三维数字实景模型。同时,利用已有二维图纸将其转化为三维数字化模型,在建模过程中还应用了中冶京诚自主研发的CERI数字化设计工具软件集,极大地提高了建模效率,高效地将现实世界以数字化的方式表达,构建了满足数字化工厂需求的数字化模型。

数字化工厂与数据资产的再交付

中冶京诚依托Bentley AssetWise平台进行开发与定制,建立适合于冶金工程的工程数据中心InfoWiseTM,搭建起济源高线项目的数据仓库,有效收集和整合项目的相关数据,构建以“对象”为核心的网状数据模型,并通过统一接口生成数字化资产进行统一交付。

构建数字孪生工厂,提升运维能力

中冶京诚基于Bentley iTwin平台打造数字孪生工厂平台,集成工厂现有制造执行系统、能源调度系统等各系统信息,突破原有IT数据架构,解决信息孤岛问题,挖掘利用结构与非结构数据,整合车间内各种系统,完成高线车间全流程质量控制与运维管理。例如,将数字孪生工厂应用于车间生产调度管控、工艺仿真监控、设备运维管理、管网安全监控、故障报警与处置、人员模拟培训等。

基于iTwin平台的开放性、可信性、安全性和强适应性,打造标准化的数字孪生平台,并根据不同的业务需求,个性化定制数字孪生钢铁工厂、数字孪生水厂、数字孪生建筑等产品,从而满足不同客户的个性化功能需求。

总的来说,工程设计、采购、施工、建造、安装等阶段产生的各种工程数据,是数字化工厂的原始基础,是实体工厂的真实反映。通过数字化交付工作,构建与现实工厂完全一致的数字化工厂,在完整的数字孪生应用场景中,构建具备自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等能力的新型生活和生产方式,将有助于实现数字化向智能化迈进。

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