数字化工厂移交后的新模式探讨

罗 辑 中国成达工程有限公司 成都 610041

随着智能制造、数字化转型的推广及发展，越来越多的化工企业开始意识到搭建数字化工厂的重要性。2018年3月，《石油化工工程数字化交付标准》GB/T 51296—2018正式颁布实施，对数字化交付从形式和内容上进行了规范。数字化交付是指：以工厂对象为核心，对工程项目建设阶段产生的静态信息进行数字化创建,直至移交的工作过程。涵盖信息交付策略制定、信息交付基础制定、信息交付方案制定、信息整合与校验、信息移交和信息验收。目前大型工程公司在项目设计阶段，普遍引入了数字化工具，比如Intergraph公司旗下Smart Plant PID、Smart Plant 3D、Smart Plant Instrumentation以及这些软件的运行平台Smart Plant Foundation。利用这些工具，可以在设计阶段即构建出由数据库驱动的数字化工厂模型。近十多年来，数字化工厂在设计阶段的应用得到了飞速发展，大大提高了设计的效率和精度。数字化设计已经取得了公认的效果，使项目的设计周期缩短，材料采购的准确度得到提高，三维模型的建立也让业主在设计阶段就能够对将要建设的工厂提前有了最直观的认识，并将已有的经验融合到新项目的设计中去。

设计完成后，数字化工厂就需要按照合同的约定交付业主，由运营者继续完成对数字化工厂全生命周期的管理。但是后面这一步的工作，国内大多数工厂近几年才开始进行。

1 现阶段数字化工厂的应用情况

国内某知名石化厂一期工程，2002年开始由国内外顶级石油化工设计公司组成联合团队进行现场设计，采用Intergraph公司的SPPID进行工艺系统PID的绘制，PDS进行管道模型构建，In-tools进行仪表专业设计。设计完成后，设计文件及后台数据库均整体就地移交给业主进行管理，迄今已运行维护十余年。

在项目建设阶段，全厂所有设备的厂商资料，试验记录等相关施工资料均分门别类通过文档控制系统归类整理至全厂数据系统。在整个工厂的运营期内，数字化交付后的设计文件和厂商资料由业主和设计团队进行维护：① 所有厂里进行的改造，均及时地在原有设计文件上进行相关修改，反映在设计文件上，指导现场施工；② 设备改造后的相关厂商资料也及时更新至全厂文控系统，方便相关人员查找。因此，数字化移交后的设计文件、厂商资料对全厂的技改、大修扩建起到了重要的参考指导作用，是全厂工程师的重要工具。

但是，该厂几年前进行的二期项目采用传统总承包模式，设计文件在竣工验收后全部以PDF格式交付业主，工艺专业提供的PID无法进行编辑，只能将PDF插入至CAD中进行修改，版次控制困难，图纸清晰度不高，图面修改困难。而管道专业因为不能使用PDS模型，也没有最新的Smart Plant Review，每一次改造都必须到现场进行实测，然后用CAD画出空视图，进行材料统计，工作效率和精度大大降低。而最严重的后果是，随着改造项目年复一年的增加，在相同或相近位置进行的改造会越来越多，现场可用的管位会越来越少，而全厂却没有一个可供查询的系统，每一次改造，每一次施工，都必须根据当时现场的情况开展工作。这对改造设计，尤其是大修时进行的改造设计，埋下了巨大的材料短缺和进度拖延的隐患。而仪表专业在进行改造设计时，由于没有In-tools的帮助，每个点位都要到现场机柜间去逐一排查。这样使得仪表的改造设计工作精度和效率大大降低。而二期项目厂商订货资料与施工文件也没有与具体设备位号进行关联，使得同样由业主和承包商组成的设计团队在执行过程中困难重重。

2 数字化移交后的新模式探讨

2.1 现状分析

从上述企业一二期项目的情况对比可以看到，数字化工厂移交后，对工厂的持续维护、运营带来了巨大的便利，也为全厂的安全生产、大修技改提供了有力的支持，为工厂的全生命周期提供了技术保障，达到了预期的效果，这样的模式值得推广。不过，这种模式投入的人力成本、资金成本、软件费用都是不小的。根据现场改造的特点，设计部门配置了工艺、管道、仪表、电气和土建五个专业约20人左右的日常团队，大修准备期间还要增派现场人手。这样一个团队，对于年产值上百亿的大厂来说，是可以负担的。但是对于一些总投资在20亿人民币以下的工厂来说，采用这样的模式性价比就很低了，哪怕是各专业只设置一名工程师，从成本的角度考虑也是无法接受的。再加上软件租赁费、员工培训费，这样的模式都不能给企业带来实在的效益。

对于目前大型设计院来说，绝大多数项目均已采用上述三种软件进行设计，特别是PDS或Smart Plant 3D的普及率非常高。但是随着项目建设的结束，这些项目的管道、设备模型就沉睡在服务器中，不再更新，业主得到的往往是基于施工版的Smart Plant Review。建设期间，管道会根据实际情况进行调整，到货的设备与设计时收到的厂商资料也会存在差异，此时模型与现场情况已经有了不小的差异。随着将来生产中技改和大修的进行，模型与实际情况的差异越来越大，模型对于工厂的价值越来越小，直至废弃。如果将来大面积的扩建和改造，原来的模型也无法直接使用，必须根据现场实际情况全面更新后，才能开展后续的设计工作，这个工作量是非常巨大的。这样的数字化交付大大贬值了，并没有发挥出其应有的功效。

2.2 一种新模式

中小企业的业主对于数字化交付之后的维护是有需求的，管道模型，PID和仪表数据库的实时更新非常重要，不仅有利于全厂的管理，对安全生产也有着积极的作用。但受限于软件、人员、技术，大多数工厂无法实现自己对管道、设备模型的持续更新与维护。SPPID和PDS的后台维护更为复杂，大型设计院有专门的后台支持人员，而对于中小企业业主来说，往往不具备这样的技术实力。即使目前实现了包含设计文件及数据库的全数字化交付，业主的维护难度也相当大。并且出于对数据库的保护，设计院也不会轻易将全套数据库复制给业主。如何既能实现对数字化工厂的全生命周期维护，享受数字化设计的红利，同时降低运营的成本，一种新的模式值得尝试，即：设计院可以在项目竣工后为业主持续提供数字化工厂的更新服务，远程参与工厂的技改、大修改造。

2.2.1 新模式介绍

项目竣工后，设计院可以根据实际施工进行的修改，在SPPID上绘制竣工版PID，提交PDF版本供业主使用；更新后的PDS，生成竣工版Smart Plant Review供业主参考。当现场需要进行修改时，业主在纸质PID上进行标注，并对修改原因、内容进行说明，辅以现场照片，如有振动等动态情况，可附现场视频。设计院在了解修改意图后，双方可通过视频会议的形式，在相同版本的PID和SPR模型上对方案进行讨论，确定具体方案。设计在进行到相应阶段时，再次召开视频会议，双方共同进行PID审查、HAZOP审查以及模型审查。设计完成后，由设计院按正常程序发表施工版图纸供现场施工。待施工完成后，业主将现场实际施工情况返回设计院，完成竣工版更新，并发PDF版PID和Smart Plant Review模型供业主使用。对于仪表专业改造设计，设计院可以在原Smart Plant Instrumentation设计文件上继续完成从现场仪表到机柜间到控制室的全部设计。业主可以通过远程访问的形式，访问设立于设计院的数据库。设计院则通过设置访问权限，提供需要业主查询的内容。

当然，业主也可以根据其自身情况选择服务的方式。对于一些技术实力较为雄厚的业主来说，可以要求设计院每年或每半年根据业主提供的改造施工图纸更新SPPID图纸，Smart Plant 3D模型和Smart Plant Instrumentation数据库，然后提交PDF版PID和Smart Plant Review模型供业主使用及Smart Plant Instrumentation文件权限供业主查阅。而对于技术实力相对薄弱的业主，可以委托设计院按上述方式参与改造项目的设计工作。这样不光可以满足业主对数字化交付后持续更新的需求，同时也为双方搭建了后续合作的桥梁。

由于模型和数据库的相对实时更新，数字化工厂就是实际工厂的电子版，当工厂需要较大规模改扩建的时候，就可以将最新版的模型及数据库提供给中标的设计方，继续后续的设计，使老厂和新厂融为一体。

2.2.2 新模式优点

(1)这种模式对业主的好处在于：① 保持数字化工厂的持续更新，为工厂的生产管理提供一项强有力的工具；② 节约对数字化工厂维护的人工费，软件费；不用自己培养专门的设计人员，也免去了每年软件更新的费用及时间；③ 利用设计院的技术优势，保证全厂采用最新的规范进行设计；④ 利用设计院丰富的设计经验和技术能力完成技改的设计工作，避免出现设计失误；⑤ 可以通过设计院的枢纽作用，借鉴其他工厂改造的经验。

(2)这种模式对于设计院也有好处：① 增加项目的后续收入，让已完成的设计文件继续为公司增值；② 业主在实际生产中一些技改的思路能够丰富设计思路，也让生产部门能够掌握最前线的生产情况；③ 增加与业主沟通的机会，了解生产实际值与设计值的差异，分析差异造成的原因，提升设计水平。

通过上述方式，业主在运营期间，可以充分利用设计院在人才、技术、软件等方面的优势。将数字化工厂的日常维护工作主要交由设计院来完成，既节约了人力物力，也为工厂的安全高效运行提供了技术保障，尤其对于规模较小的工厂来说，是一个性价比很高的解决方案。

2.3 共享数据平台的运用及设想

对于一些技术实力较为雄厚的业主来说，则希望拥有一套自己可以随时查询、即时更新的数字化工厂，比如前面提到的大型石化厂。要达到这样的目标，除了Smart Plant Foundation平台及平台上运行的设计软件外，还需要一套数据库平台，将设计、采购、施工、试车中产生的数据文件分专业分版次进行登记记录。目前已经有一些公司开发出了数字化工厂数据整合系统，如AVEVA NET， 将设计、施工和采购过程中产生的资料信息及数据全部归档采集，并且可以将SPPID和PDS整合进系统，可以在系统内通过输入设备位号、仪表位号或者管线号查找相关信息，可将查询对象所在的PID和管道模型直接展示出来。同时该平台可以与工厂DCS的专家系统相结合，随时将生产中的实际运行参数与设计值进行比较，并且调用与之相关的设备、仪表厂商资料，及时对生产操作进行修正。基于现在的网络建设，业主可以与设计院共享这个数据平台，使设计院的工程师和业主现场工程师在同一个平台上进行探讨交流。甚至可以聘请设计单位组成一个专业服务团队，定期或实时与业主通过视频或电话会议解决实际生产中遇到的问题。当讨论的方案基本成型后，业主可根据情况自行进行修改或委托设计服务团队进行设计并提供图纸供现场施工。待现场施工完成后，将修改内容更新到数字化工厂中。这样的模式，使理论设计与实际生产结合更加紧密。既可以使设计师近距离地参与到工厂的运营维护，避免一些不符实际的设计，也能为业主提供规范科学的改造方案，甚至节约一部分人力资源。

当上述以工程设计为主导的数字化工厂平台打造完善后，全方位的数字一体化综合平台才有了底层基础。在此基础上，对接工厂的生产管控平台和市场营销平台，完成数字化工厂全生命周期的搭建。设计平台在建设期内保存的设计资料及厂商资料为后期设备维护、升级和更新换代提供原始数据，保证了信息的准确性。对于全厂的技改、大修维护也可以设计平台为基础，提前进行设计，并指导采购、施工。

目前兴起的互联网高新技术，同样可以应用到这个平台上。比如利用生产过程中产生的数据，通过大数据分析，为生产、控制分析出最优化、最安全的运行参数及产品配方。利用虚拟现实(VR)技术，结合Smart Plant 3D技术，培训操作人员，在工程尚未建成投产前，就能够熟悉工厂环境，快速适应工作岗位。利用5G网络的高速万物互联技术，以设计平台数据库为基础，开发一款可用于移动终端的APP程序，可以让装置工程师随时随地了解工厂的运行情况，及时作出判断发出指令，避免事故的发生，同时实现远程办公和远程诊断的功能。

3 结语

对于一些大型工厂利用自身规模与技术实力，打造出自己的技术团队，持续对模型及数据库进行更新维护，可以为企业带来效益和便利。对于中小型工厂，模型和数据库由设计院通过远程更新服务进行维护，则是数字化交付所创造出来的新型服务，是利用现有资源为项目增值的一条新路。而通过数据集成平台和DCS的结合可以让设计与生产进一步紧密结合，实现优势互补。建立从设计到建设再到运营的全生命周期的数字化工厂，并在此基础上利用高新技术和互联网+，实现石油化工产业的智能管理。要达到这样的目标，离不开设计院与业主的通力合作。设计一体化平台的搭建在项目可行性研究时，就需要进行规划。在初步设计时，进行框架搭建；在详细设计时，不仅要完成所有规则的创建和数据平台的搭设，更要将设计，采购信息准确全面地录入数据库；在项目进入建设和运营期后，数字化工厂的维护工作则主要交到业主手中，日常的数据维护，模型更新则需要业主从制度上去保证。数字化工厂只有在各方的共同协作下，才能逐步迭代完善，最终成为项目建设运营的重要工具。