AVEVA智能P&ID系统在工程设计中的标准化实施及应用

李　宁　昌兴文　刘春阳

中国石油工程建设公司华东设计分公司　青岛　266071



AVEVA智能P&ID系统在工程设计中的标准化实施及应用

李宁*昌兴文刘春阳

中国石油工程建设公司华东设计分公司青岛266071

本文从AVEVA智能P&ID设计系统标准化实施及应用着手，介绍该系统在实际项目上的运作流程，相对于传统的设计模式，智能P&ID设计系统建立起标准化的设计流程、数据库、图例和相关规则，使得协同设计效率高、管理可靠、成果移交经济便捷、质量可控。同时总结在实施过程中遇到的问题，主要涉及管理与集成设计平台的融合，并对智能P&ID设计系统深层次的应用提出建议。

AVEVA智能P&ID集成设计标准化PDMS

近年来，数字化集成设计、管理和移交要求增长迅速，以CAD为典型代表的传统的设计模式，设计质量受工程师的主观性影响很大，难以实现效率与质量的统一。为了追求效率更高、质量更好的设计模式，国内外工程公司整合各种平台，汲取工程经验，摸索更高效的工作方式，智能P&ID设计系统应运而生。

目前电力、核电、船厂、化工等设计行业都在积极发展数字化、智能化设计系统[1,2]。主流的智能P&ID系统主要包括两种：Intergraph公司的SmartPlantP&ID，以Foundation作为数据集成管理平台和AVEVA公司的Diagrams，以Engineering作为数据集成管理平台。在炼油设计行业，如中国石化工程建设有限公司(SEI)、中石化洛阳工程有限公司(LPEC)等多年前就开始探索智能P&ID的开发和应用[3]。AVEVA智能P&ID设计系统的引入有利于探索智能化、数字化和标准化设计模式，实现设计理念转型，以期提高设计效率，追求新的增长点，提高竞争力。

1　智能P&ID系统定义

在尚未引入计算机绘图技术时期，P&ID设计采用传统的手工制图，这种绘图方法效率低、质量差。随着计算机技术的发展，工程制图软件取得了长足的进步，其中以AutoCAD的应用最为广泛，借助于绘图工具、绘图命令以及绘图扩展工具的使用，设计思想被快捷地转化成电子文档的形式，极大地提高了绘图质量和绘图效率。但是，P&ID图面涵盖的信息，例如设备位号、管线号和仪表位号，都无法以数据的形式提取出来进行利用，又如管道表、仪表索引表等表格的输出，只能通过手动数据重复录入来实现，未能实现图面数据的智能传递，所绘制的P&ID仅仅作为一种电子格式的图纸用于查阅。随着信息技术的进一步提升，集成平台设计模式得到了业界的肯定[5,6]，智能P&ID则是其中至关重要的基础环节。

智能P&ID设计系统基于对象，将对象的数据同时保存在图面上和数据库中，不仅可在绘图环境中操作这些数据，而且也可通过数据库操作或访问这些信息[4]，还可基于数据库，对数据设置权限。基于项目实施发现，相对传统的设计系统，智能P&ID系统业务优势明显：

(1)完整的工程图纸能够用于检查整个项目过程中数据完整性和一致性，提升质量并减少返工。

(2)流程图中的图形信息能够真正、容易的被三维设计人员使用，通过在三维系统中建立与P&ID二维模型对应的三维模型，建立P&ID对象后，即可在PDMS中轻松创建对应三维对象，并且，如管线操作温度、操作压力，通过数据共享，可传递到三维轴测图，保证二维与三维对象的一致性，减少详细设计阶段的人工时以及后期的设计修改。

(3)工艺与其他专业的设计协同增强，并保证数据在各专业之间的流通性和一致性，如管线与管线上的流量计操作温度是一致的，在Diagrams平台绘制P&ID时，只需输入管线操作温度，在Engineering平台通过数据共享，将操作温度数据传递到AI(AVEVAInstrument)，随后，仪表专业通过设计计算后，将流量计数据传递到三维模型，管道设计专业提取相应数据后，创建流量计的三维对象，其中，操作温度即可在三维对象中体现，这个过程，提升了设计质量，减少了设计的重复工作。

2　实施平台

2.1平台

项目实施采用AVEVA公司的AVEVAPlant组件。

(1)AVEVADiagrams

该模块主要用于根据项目统一规定进行标准化定制，并进行P&ID的绘制和数据的单点录入等工作。

(2)AVEVAEngineering

Engineering作为重要的数据集成管理平台，主要与数据的传递有关，对数据进行检查与更新，并进行相关数据表的定制与输出工作。

(3)Schematic-3D-Integrator

Schematic-3D-Integrator作为PDMS的内嵌模块，主要用于二三维校验工作，基于二维P&ID对象，主要包括设备和管线，校验对应的三维模型。也可用于二维指导三维建模。

2.2内容

实施内容主要包括三个方面：①智能P&ID标准化定制和绘图；②报表模板的定制及成品表格的输出；③管道和设备的二三维校验。

3　实施过程

整个项目实施的流程见图1。

图1　项目实施流程

3.1智能P&ID绘图

3.1.1数据库的创建与配置

数据库是智能P&ID设计系统的核心，一方面，数据库用来存储各类对象的信息，包括定制对象以及绘图对象，还包括图纸、属性、文档等对象；另一方面，通过操作或访问数据库，可实现对象数据的提取与更新。

除此之外，在装置设计过程中，装置分区会带来同专业工程师的权限分配问题；而且在同一区内，涉及到多个专业，存在专业间的权限分配问题。仅对智能P&ID设计而言，参与专业涉及工艺、配管、仪表专业。为了保证数据的唯一性，各专业内部产生的数据，可允许其他专业浏览，但不允许修改。涉及到权限的分配与管理，需通过数据库的配置来实现。

3.1.2Diagrams定制

(1)UDA(用户自定义属性)的定制

UDA(UserDefinedAttributes)是指用户自定义属性，属性用来存储数据。通过收集项目实施所需的过程文件和成品文件，进行数据源的统计分析和归类，包括设备、管线、仪表、阀门、管件等各类对象的属性。Diagrams的常见UDA统计见表1。

表1　不同对象的自定义属性

(2) 命名规则的定制

命名规则的定制主要保证：①P&ID图面显示信息满足客户化的要求；② 对象位号的唯一性；③ 下游专业的数据提取。

通过设置命名规则，将对象命名标准化、统一化。命名规则除采用公司标准或相关规定外，也可根据业主的需求，依照业主提供的统一规定进行定制。表2给出了不同对象的命名规则示例，利用计算机程序语言进行符合逻辑结构的表达。

表2　不同对象的命名规则

(3) 背景图框模板的定制

依据公司标准或相关规定，进行背景图框和角图章的定制，建立统一的标准图框，包括A0、A1、A2等图框，以适应不同项目的需求。

(4) 图例定制

依据国内炼油行业的图例标准，并参照国内外同行的使用习惯，收集需要定制的图例。图例定制主要基于MicrosoftVisio。图例标准化，需要确定统一的几何结构参数，主要包括对象轮廓线宽、形状几何尺寸(长、宽、角度)。图例的定制过程中，将绘制的图例符号与所需的属性数据进行关联，使简单的图例符号转化成带有属性数据的智能对象，以此来实现P&ID图纸与数据库间的数据交互。通过图例的定制，在软件中形成标准化的可复用的图例库，为之后项目中智能P&ID绘制工作节省大量的前期定制时间。

(5)DiagramsOption定制

该定制主要分两个方面：① 系统缺省设置(Default)，主要是针对系统变量、标签、规则以及各对象如阀门、管线、设备、就地仪表、远传仪表、管件、管嘴、子设备、OPC等进行默认设置，主要包括：对象是否自动重命名、不同状态下对象的颜色、软件在不同操作下的反馈、对象关联标签的数目、各对象的字体、字号、颜色、命名规则等；② 属性设置(AttributePresentation)，主要针对各对象如阀门、管线、设备、就地仪表、远传仪表、管件、管嘴、子设备、OPC等所包含的属性进行设置，主要包括是否允许用户修改默认设置、绘图时属性输入提示窗口的属性、属性是否只读、属性是否可传递等。

3.1.3智能 P&ID绘图

基于上述定制过程，建立统一的图例和命名规则，规定统一的绘图方法和原则，利用AVEVADiagrams绘制P&ID图纸。在制图过程中，录入基础工艺数据，为下一步数据共享及使用打基础。

3.1.4P&ID检查与格式刷新

(1)一致性检查规则定制(ConsistencyRules)

对P&ID的检查，传统的工作模式主要依靠校对和审核的思维及经验，主观性较大，漏错率较高，而智能P&ID设计系统则要求工程师提前预计P&ID可能出现的问题，如图面上未定义的形状、管件连接尺寸错误、管道等级不一致、管线设备是否命名等问题，并用计算机语言进行表达，设置相应的检查规则，智能地筛选出错误，并高亮显示，极大地避免了主观性失误，提高绘图质量和检查效率。

(2)批量刷格式规则定制(FormattingRules)

当成品文件以电子文档形式交付时，需将P&ID图面内容设置成所要求的格式，如主工艺管线的颜色、线宽，设备的轮廓线颜色、线宽等。智能P&ID设计系统提供一种批量刷格式的规则设置(FormattingRules)，将图面上所有对象的格式一次性批量刷成规定的格式，效率高，出错率低。

3.2报表提取

3.2.1数据结构定制

根据设计分工，报表中的数据可能来自于多个专业，如设备数据表，涉及到工艺、仪表、设备等专业。通过Engineering数据结构定制，使各专业只对本专业产生的数据拥有修改权，其他专业的数据可读，但没有权限修改，与Diagrams类似，涉及到权限的问题，通过设置数据库内部的逻辑层次，实现权限的分配。

3.2.2自定义属性定制与映射

智能P&ID设计系统内的数据并非全部由Diagrams录入，Diagrams只录入与P&ID相关的基础数据，如位号、温度、压力、管线材质、介质、保温等信息，而其他数据则由Engineering录入或由其他模块传递到Engieering平台。所有数据需以属性作为存储和传递数据的载体，因此对应的数据需要定制相应的属性。

Engineering自定义属性定制的基本步骤是：在实施项目前期，收集项目资料，分析所有相关过程表格文件与成品文件的数据源，进行归类分析，然后定制UDA。对由Diagrams和其他模块或软件平台导入的数据，除需在Engineering中定制UDA之外，还需将Engineering的UDA与Diagrams的UDA进行一一映射，保证数据传递的准确性。以管线操作温度为例，在Diagrams的UDA为SCPLIN_OpTemp，在Engineering的UDA为EngLine_OpTemp，该数据由Diagrams单点录入，在Engineering中，需要将SCPLIN_OpTemp与EngLine_OpTemp建立映射关系，才能完成数据的传递。从前述过程可以看出，智能P&ID系统中的数据仅需单点录入一次，保证了数据的唯一性，并可实现数据同步更新，若某一数据有所调整，其他与之相映射的数据都可实现自动更新。

3.2.3数据传递、录入、检查与更新

图2为Engineering与Diagrams的对象数据检查结果，左侧Engineering中箭头所指管线与右侧Diagrams中虚线显示的管线是一一对应关系。数据结构与UDA定制完成后，需要将Diagrams中的数据传递到Engineering中，对Diagrams传递来的数据进行检查，同时将其他数据源在Engineering中进行单点录入，在Engineering中完成设计、校对、审核和版次管理等工作。

图2　Engineering与Diagrams的对象数据检查

3.2.4表格模板定制与报表提取

报表作为成品文件输出或作为过程文件实现专业间的设计条件互提。其模板定制过程包括表头部分的定制和数据部分的定制，表头的定制类似于Excel单元格操作，操作简便；而数据部分的定制，关键步骤是将属性放置到表格的相应位置上去。表格模板定制完成后，即可实现报表数据的自动获取与成品表格的一键输出。

3.3二三维校验

经Diagrams检查规则对P&ID进行检查、并经Engineering进行数据更新后，成品的P&ID图纸将被发布到三维配管专业，进行二三维校验。

3.3.1创建校验规则

传统的校验方式是人工检查，主要依靠工程师的经验，而智能P&ID设计系统将工程师的经验以及相关标准规范通过设置客观规则，以计算机语言的形式表达出来，用二维P&ID来校验三维模型。

校验规则的创建需确定校验范围、校验对象，并决定校验参数，设置校验条件，设置属性在相应的设计阶段内是否需要校验，并设置校验不匹配后的提示信息等。

随着设计阶段的深入，需要校验的范围也逐步扩大，比如，从基础设计阶段过渡到详细设计阶段时，需要增加对设备管嘴等级的校验。

3.3.2二三维校验

二三维校验流程见图3。

图3　二三维校验流程

二三维校验主要检查二维P&ID与三维模型是否一致，检查二维与三维对象的层次、连接关系、命名、参数等，若出现不匹配，以颜色标记方式或报告列表方式显示出来。

校验结果主要分为匹配与不匹配，对不匹配的对象与参数，分以下几种处理方式：

(1)由于工艺设计和配管设计的细节不同，如放空、排凝等造成的不匹配，可以接受。

(2)由于二维、三维对同一对象的提取方式不同，如二维与三维对管线起止点提取的属性不同造成的不匹配，仔细确认后可以接受。

(3)对工程质量没有任何影响的不匹配，如排凝点位置、安全阀接法、三通变径等，可以接受。

(4)对于其他不匹配，需进行设计变更，主要检查三维模型中的不一致。对于二维中的设计问题，应由配管与工艺专业商讨后进行变更。

二三维校验查出不匹配后，应尽快完成修改，避免影响采购和施工。二三维校验突出了工艺与配管专业的协同设计，显著提高设计效率和设计质量。

4　实施成果

经过Diagrams、Engineering和Schematic-3D-Integrator等相关模块标准化实施及应用后，取得以下成果：

(1)以项目统一规定为基础，进行Diagrams的前期定制，通过定制实现标准化。主要包括：图例标准化、命名规则标准化、元件库标准化、材料等级编号标准化、绘图规则标准化。将设计方式标准化，不仅使P&ID美观，而且更加准确、统一，标准化的实施限制了设计过程中的随意性，提高设计过程及设计成品的质量。

(2)以Engineering作为数据集成管理平台，实现了Diagrams基础数据的传递与检查修改，并能在Engineering中实现版次管理和专业间的协同设计，输出符合要求的成品报表。在整个设计过程中，数据采用单点输入的方式，所有数据只需输入一次。如果数据进行调整，与之相关的上下游数据将进行实时更新，数据源一致性高，协同设计效率高，极大地减少了在数据流的处理和传递上耗费的时间，留给设计者更多时间进行设计本质工作。

(3)执行Schematic-3D-Integrator二三维校验，用二维P&ID校验三维模型，达成二维与三维模型的统一，生成二三维校验报告，大幅降低错误率。

在实施过程中，总结提出的建议：① 智能P&ID设计系统强调设计流程管理，需将全专业整合到Engineering数据集成管理平台，将整个设计流程标准化；② 需明确专业之间的分工，进一步细化专业分工，合理分配专业权限；③ 智能P&ID设计系统对于数据库层次的理解至关重要，对于人力资源，应考虑既懂得软件集成平台又精通设计的复合型人才，统筹考虑，应对智能P&ID设计系统推广过程中碰到的各种问题。

(4)实施过程中，需建立全专业的统一规定，做好顶层设计，加深标准化程度。

5　结　语

对于炼油设计行业而言，智能化、数字化和标准化的集成设计模式是大势所趋。目前AutoCAD仍将是主流的P&ID绘制方式，随着数字化集成设计、管理和移交需求的迅速增长，多个专业、一个平台的集成设计方式必将得到广泛应用，不但强调对设计文件质量的要求，同时强调对设计流程的标准化管理，这对公司的管理模式提出了挑战。一方面，需要对企业自身能力进行评估，包括数据能力、技术、人才以及组织变革等方面；另一方面，需要将工程人员与管理人员不同的思考方式进行统一。因此，要求管理者推动企业理念转型，打破业务部门与IT部门之间的界限，采用开放式思维，建立相互协作的企业文化。只有通过不断地摸索与借鉴，才能实现设计流程的逐步标准化，使数字化集成平台与设计工作的紧密结合，提升设计质量、设计效率和设计水平。

1高麒瀚, 江德正. 智能化工艺系统设计平台技术在核电工程设计的应用探讨[J]. 核科学与工程. 2014, 34(1):125-133.

2贾震江, 刘宇穗. 协同、三维设计技术在数字化电厂建设中的应用[J]. 电力建设. 2011, 32(4): 83-86.

3朱春田. 石油化工多专业协同设计与设计模式变革[J]. 石油化工设计. 2006, 23(2): 3-6.

4张瑞琪, 骆广海. 智能P&ID设计系统在工程设计的应用[J]. 石油化工设计. 2004, 21(4): 16-20.

5郑华东. 集成化设计在工厂设计中的应用及发展[J]. 石油化工设计. 2007, 24(4):21-22.

6王新平. 全生命周期信息集成智能变电站方案研究[J]. 科技情报开发与经济. 2010, 20(33):96-99.

7米景平. 三维设计系统二三维校验对设计质量的控制[J]. 计算机应用. 2008: 68-71.

8胡素萍. 工程设计中二三维校验的探索与实践[J]. 石油炼制与化工. 2009, 40(8): 71-73.

2016-03-01)

*李宁：工程师。2014年毕业于华东理工大学化学工程与技术专业获硕士学位。从事石油与天然气化工方面的设计工作。

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