基于MBD的設(shè)備全生命周期管理研究

張熾基

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川蒼溪，628400)

1 研究背景及目的

水電廠運維面臨以下挑戰(zhàn)：①人才培養(yǎng)：有經(jīng)驗的技術(shù)人員相對短缺，且經(jīng)驗具有難以標(biāo)準(zhǔn)化提取及缺乏普適性等特點；②發(fā)展模式：檢修工藝及生產(chǎn)組織基本都靠經(jīng)驗及實踐摸索，各專業(yè)對有經(jīng)驗人員依賴性強，難以實現(xiàn)一專多能，水輪發(fā)電機組對安裝、運維質(zhì)量及工期控制要求較高，科學(xué)統(tǒng)籌是必然選擇；③信息化：目前信息化建設(shè)集中在辦公自動化及各專業(yè)流程管理方面，設(shè)備本身及管理運營信息化(數(shù)字化)并沒有實質(zhì)發(fā)展，企業(yè)潛能未被激發(fā)。大力發(fā)展設(shè)備信息化(數(shù)字化)，最終實現(xiàn)兩化融合(信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的融合)是智能化電廠的必經(jīng)之路，也是將來企業(yè)紅利之所在。

本文研究基于MBD(基于模型的產(chǎn)品定義，Model-BasedDefinition)，利用目前西門子公司較為先進的一體化技術(shù)出版解決方案(Teamcenter+Cortona3D)，把三維模型、PMI(三維標(biāo)注)、二維圖紙等所有資料集成，通過集成開發(fā)及應(yīng)用擴展，最終實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的全生命周期管理。并且可以出版為HTML(網(wǎng)頁)、PDF、XML等多種格式，滿足不同專業(yè)人員通過多終端(PC、手機等多種終端)，多場合(在線、離線)使用的需求。實現(xiàn)與信息管理平臺深度集成，打通技術(shù)、生產(chǎn)、管理之間的壁壘。在典型示范設(shè)備完成后可以擴展到所有機電設(shè)備，為實現(xiàn)電廠全面數(shù)字化打下堅實基礎(chǔ)，為設(shè)備的全生命周期管理提供寶貴實踐經(jīng)驗。

2 研究內(nèi)容

以設(shè)備MBD三維模型為信息源，利用西門子一體化技術(shù)出版解決方案(Teamcenter+Cortona3d)，結(jié)合電廠的信息化建設(shè)，參照先進行業(yè)的數(shù)字化實踐經(jīng)驗，實現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理，推進電廠生產(chǎn)運維的數(shù)字化建設(shè)，培養(yǎng)專業(yè)運維人才。具體研究內(nèi)容如下。

2.1 信息提取

在目前設(shè)備運行情況下，選取典型示范設(shè)備(以活動導(dǎo)葉為例)，從Teamcenter提取源數(shù)據(jù)(設(shè)備參數(shù)、模型、圖紙等)到Cortona3D軟件里，利用仿真技術(shù)模擬機組不同水頭、過機流速下的應(yīng)力分布，用以監(jiān)控設(shè)備生命周期，為設(shè)備的運維周期分析及判斷提供理論數(shù)據(jù)支撐。

2.2 方案策劃

對已完成類似數(shù)字化改造電站進行考察學(xué)習(xí)，組織學(xué)習(xí)成熟的改造方案，并邀請相關(guān)專家進行評審，深挖細(xì)節(jié)，吸收類似技術(shù)改造的經(jīng)驗教訓(xùn)。主要包括設(shè)備的可生產(chǎn)性驗證及人機工程仿真。

2.2.1 設(shè)備的可生產(chǎn)性驗證

通過設(shè)備數(shù)據(jù)庫，將零部件、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)資源完美貫通，縱觀全局地考慮生產(chǎn)，即：將修什么(設(shè)備)，怎么修(工藝)，用什么修(資源)，在哪修(廠房)的具象化數(shù)據(jù)整合在一起。統(tǒng)籌規(guī)劃物資、工具、場地、人員等是否滿足生產(chǎn)需要，交叉及并行作業(yè)是否符合安全規(guī)定、設(shè)備規(guī)程要求，避免窩工，停工。通過可生產(chǎn)性驗證，合理配置人員、設(shè)備、材料、工期等，提高現(xiàn)有資源利用率，在虛擬環(huán)境中驗證執(zhí)行方案，提前發(fā)現(xiàn)問題并提出解決方案，保證整個檢修維護工作合理且有效。

2.2.2 進行可生產(chǎn)性評估

在虛擬環(huán)境驗證可生產(chǎn)性，實現(xiàn)生產(chǎn)各要素的精準(zhǔn)匹配。通過三維設(shè)計，為電廠數(shù)字化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，設(shè)備信息實現(xiàn)“源到端”直連，從根本上確保設(shè)備信息準(zhǔn)確。通過PMI(三維標(biāo)注)將設(shè)備幾何形狀表達與技術(shù)信息表達合為一體，提高工作人員的信息獲取效率。以工程BOM(物料清單)為基礎(chǔ)，創(chuàng)建檢修維護BOM，讓檢修工作更加簡潔清晰。在實施過程中，對一些復(fù)雜、難以確定的問題優(yōu)先采取先進的數(shù)字仿真技術(shù)，進行虛擬驗證，最終提煉出最優(yōu)技術(shù)解決方案。

2.3 內(nèi)容制作

根據(jù)方案策劃，用Cortona3D發(fā)零部件圖冊、作業(yè)/操作指導(dǎo)書、培訓(xùn)資料、檢修手冊(說明書)等，并加入工作人員需要的材料說明、備品備件情況等信息，在智能化倉庫的基礎(chǔ)上，聯(lián)系工作實際情況，不斷完善數(shù)據(jù)庫內(nèi)容。

2.4 資料輸出

將設(shè)備圖冊(包含零部件目錄)、作業(yè)/操作指導(dǎo)書、培訓(xùn)資料、檢修手冊(說明書)等輸出為HTML(網(wǎng)頁)、PDF、XML等多種格式，針對不同情況下的使用者需要，選取適合工作情景的資料進行查閱和使用。

2.5 集成開發(fā)

以往的設(shè)備檢修/操作過程基于經(jīng)驗，對人員經(jīng)驗依賴性強，無法精細(xì)優(yōu)化作業(yè)過程并形成標(biāo)準(zhǔn)化工序。將輸出內(nèi)容與電廠信息管理系統(tǒng)集成開發(fā)，實現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理，通過進行可視化的、精準(zhǔn)的可行性驗證，依據(jù)相關(guān)設(shè)備規(guī)程規(guī)定，優(yōu)化設(shè)備的試驗、試裝、試運環(huán)節(jié)，提高設(shè)備維護、檢修及裝配效率。在科學(xué)化、具象化、標(biāo)準(zhǔn)工序化的前提下，提高設(shè)備運維質(zhì)量。

圖1 水輪機頂蓋吊裝工藝仿真

3 目標(biāo)及成果形式

針對水電廠基于MBD的設(shè)備管理研究和開發(fā)相關(guān)問題開展研究，進行可行性論證。

3.1 預(yù)期目標(biāo)

3.1.1 技術(shù)文件一體化集成

實現(xiàn)設(shè)備圖冊(包括零部件目錄)、工藝/操作指導(dǎo)書、檢修維護手冊的三維可視、人機交互，實現(xiàn)設(shè)備信息、工藝/操作、廠房設(shè)施、生產(chǎn)資源，四個施工要素的信息集成。

3.1.2 數(shù)據(jù)同步

通過數(shù)據(jù)更新讓虛擬設(shè)備(設(shè)備圖冊/零部件目錄、工藝/操作指導(dǎo)書、培訓(xùn)材料、檢修維護手冊)與現(xiàn)場實際設(shè)備保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，及時更新技改設(shè)備信息，保持虛擬與現(xiàn)實的一致性。

3.1.3 設(shè)備全生命周期管理

用人機交互式的虛擬設(shè)備模型替代二維圖紙，提高信息讀取速度，避免信息誤讀。實現(xiàn)三維工藝設(shè)計及仿真驗證，提高檢修維護工藝的科學(xué)性及可行性，降低對人員經(jīng)驗的依賴，為保證檢修維護質(zhì)量打下堅實基礎(chǔ)。通過設(shè)備管理庫實現(xiàn)設(shè)備和資源的精準(zhǔn)匹配，提高檢修計劃的合理性和科學(xué)性。通過數(shù)字化、人機交互式設(shè)備管理庫與電廠信息管理系統(tǒng)的集成實現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理。

3.1.4 數(shù)字化交互式三維仿真培訓(xùn)

對所有機電設(shè)備及廠房三維可視化集成，人機交互式的三維仿真培訓(xùn)使人員培訓(xùn)學(xué)習(xí)更加方便，設(shè)備圖形以人機交互方式打開，比傳統(tǒng)的設(shè)備圖紙講解更加方便易懂，人員獲取知識的效率大大提高，并能在實際培訓(xùn)中減少對設(shè)備狀態(tài)、運行工況、培訓(xùn)時間和場地的限制，培訓(xùn)運維人員的時間大量減少，為智能化電廠的人才培養(yǎng)計劃打下堅實基礎(chǔ)。

3.2 形成成果

3.2.1 高質(zhì)量的設(shè)備圖冊(包括零部件目錄)

數(shù)字化交互式設(shè)備管理庫，以三維爆炸圖形象展示設(shè)備結(jié)構(gòu)中各零部件之間關(guān)系，以剖切、透視的方式展示設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可切換到高質(zhì)量三維視圖對應(yīng)的二維圖紙。

3.2.2 工藝/操作指導(dǎo)書、交互式電子手冊(說明書)

以三維動畫形式清晰展示機組裝配結(jié)構(gòu)和拆裝過程，可以實現(xiàn)交互式操作。

3.2.3 數(shù)字化、交互式的三維動畫仿真培訓(xùn)課件

制作數(shù)字化、交互式的三維動畫仿真培訓(xùn)，具有培訓(xùn)場景向?qū)?、設(shè)備運行工況設(shè)置、識別設(shè)備零部件、設(shè)備典型缺陷分析、演示操作過程、多項選擇題演示、輔導(dǎo)自學(xué)和測驗打分等功能。

3.2.4 擴展開發(fā)

在完成上述成果的同時，優(yōu)先實現(xiàn)設(shè)備管理與電廠信息管理系統(tǒng)的融合，預(yù)留冗余功能，為后續(xù)新應(yīng)用的開發(fā)做好準(zhǔn)備。

4 結(jié)語

在符合集團公司相關(guān)制度、標(biāo)準(zhǔn)的情況下，利用現(xiàn)有資源，建立智能化框架，逐步完善設(shè)備信息提取及數(shù)據(jù)庫建立、可生產(chǎn)性論證、人機工程仿真等工作，為全面實現(xiàn)基于MBD的智能化電廠打下堅實的基礎(chǔ)。