智能化仪表设计技术

潘 峰 黄海棉

(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司)

智能化仪表设计技术

潘 峰 黄海棉

(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司)

对智能化仪表设计技术进行了说明，描述其实现方法，并介绍该技术的工程应用。

智能化仪表设计技术 多专业协同设计平台 优化设计流程 二次开发

海外大型油田项目通常按照国际标准规范和惯例执行，项目规模大、设计过程复杂，对工程设计的深度和技术水平的要求极高，而且存在设计成果数字化交付的趋势[1]，导致单一设计软件+纸质文件的传统设计模式已经无法适应新形势[2]。

智能化仪表设计技术将工程设计过程与先进的信息技术和管理理念相结合，在智能化的多专业设计平台，通过实施二次开发以适应体系要求和项目需求，管理仪表工程设计的各个环节，重新规划配置资源，优化设计流程，从而实现海外工程仪表设计过程的信息化、模块化、标准化和智能化，实现数字化交付。笔者对智能化仪表设计技术进行了介绍，并与传统的仪表工程设计模式进行了对比，达到优化工程设计模式的目的。

1 智能化仪表设计技术

1.1 多专业协同设计平台的架构

仪表与工艺、配管及设备等多专业之间的协同设计，是建立在多专业协同设计平台(图1)上的。平台通过文件流、数据流和专业间的协作方式，将手动提资变为数据流信息传输，确保数据的可靠性和可追溯性。平台核心软件包括COMOS FEED、Smart Plant Foundation、SP P&ID、SPI、SPEL、EQD、SP3D、SPRD、SPM及DDP等。

图1 多专业协同设计平台

工艺工程师从工艺模拟COMOS FEED导出物料平衡表，使用SP P&ID创建P&ID图并发布到SPF设计平台，然后配管专业接收P&ID图，在SP3D自动创建相应的三维模型。同时，SP P&ID和SP3D之间可以通过二、三维校验及时发现设计变更和建模问题，配管材料、图纸等可以利用定制的模板直接生成。仪表专业通过多专业协同设计平台同步接收P&ID图和工艺参数，进行初步建点，并根据工艺工程师发布的工况信息，协助仪表工程师选型，迅速进行图纸设计。

仪表桥架路径、电缆路径、规格及仪表尺寸等信息可通过SPF设计平台直接发布至配管SP3D模型，用于完善三维模型，从而使三维化设计更加高效准确。如图2所示，仪表专业通过DDP功能模块，在SPI中输入仪表的三维外形尺寸信息，然后数据自动传输至SP3D，在模型创建时自动生成相应的外形。

图2 DDP实现

平台的客户端和公共数据库可搭建在公共局域网内。设计人员、业主及工程监理方等人员可以通过统一的客户端访问、调用数据库资源。所有工程设计参与者可同时在平台上协同工作，而且工作产生的数据可被实时存储。同时，设计平台支持异地协同办公，异地协同设计平台部署示意图如图3所示。

图3 异地协同设计平台部署示意图

仪表设计建立在平台数据库(图4)的基础上，通常选用Oracle或MS SQL关系数据库作为底层的数据中心。基础数据库包括基础数据和二次开发数据两部分。基础数据为设计平台缺省的初期基本数据，如常见的仪表类型、信号类型等。由于各个项目的风格和需求都有所不同，因此在项目开展工作前，需要对软件种子进行深度二次开发，以确保最终图纸的统一，并符合相关规范和标准。二次开发包括关联设置、创建仪表类型库、数据表模板、材料库、安装图库、电缆类型及各类报表模板等。

图4 平台数据库构成

根据信息化的设计流程，平台设计功能分为6个：建点功能、计算功能、数据表功能、电缆接线功能、回路图功能和安装图功能。各个功能之间既分工独立又相互联系，独立是指分工明确，如建点功能主要负责创建回路、仪表，完成仪表类型、I/O类型等信息的录入，数据表功能主要负责创建仪表对应的数据表；联系是指所有功能共用同一数据库，因此录入的信息都是共享的，如建点时录入的仪表信息会自动加载到数据表里，保证了数据的唯一性，减少了错误的出现。

1.2 优化设计流程

智能化设计平台根据工程设计项目不同阶段的设计任务和图纸需求，重新优化设计流程(图5)，将工程设计工作任务分解成8个阶段[2]：

a. 创建项目。由专业负责人或系统管理员在设计平台初始化一个项目，定义Plant-Area-Unit工厂架构，定义位号命名规则，分配用户权限。

b. 创建仪表，选型。根据P&ID等信息，在平台内创建仪表位号，录入仪表类型、用途描述、P&ID号、管线号、设备号及信号类型等信息。生成仪表索引表、I/O表和报警值表。

c. 计算调节阀/流量计。录入仪表工艺参数(如操作温度、操作压力及流量等)，利用计算功能计算调节阀的开度、流量系数和节流孔板的孔径比，生成相应的计算书，为后期的调节阀和节流孔板评标提供依据。

d. 创建数据表，设计仪表属性。完成位号创建、仪表选型和工艺参数录入后，自动创建仪表数据表，填写属性参数，生成图纸。

e. 电缆设计，线缆接线。在平台内创建电缆、接线箱、机柜及卡件等接线设备，完成现场仪表-接线箱-端子柜-系统控制柜的接线，生成电缆表和接线图。

f. 完成机柜内部接线后，可直接自动生成仪表回路图。

g. 安装图设计。在平台内将标准安装图号与仪表位号、材料编码进行关联分配，生成安装图图纸。

h. 数字化智能交付。项目竣工后，若项目需要，可将工程数据库进行备份并交付给业主使用，用于以后的仪表维护和管理。

1.3 二次开发

二次开发的目的是使平台更适合本单位使用、更满足具体项目的特定要求。常规的二次开发需要完成如下工作：

图5 智能化仪表工程设计流程

a. 建立仪表类型并进行关联设置，共305个，包含压力仪表、温度仪表、流量仪表、液位仪表、控制阀、火气仪表、分析仪表、电气信号及盘装元件等。

b. 数据表，约100个，包含压力仪表、温度仪表、流量仪表、液位仪表、控制阀、分析仪表、火气仪表及其他仪表等。

c. 标准安装图，常用的安装图约150种，包含压力仪表、温度仪表、液位仪表、流量仪表、仪表支架、电缆安装、机柜及伴热保温等。

d. 安装材料，约1 500类，包含仪表管线P、管线接头F、仪表阀V、紧固件T和其他。

e. 线缆，约130种，包含阻燃电缆、防火电缆、通信电缆、光缆及线缆附件等。

f. 接线设备、盘柜，约60种；卡件和电子元件，共120种，包含接线箱、接线柜、系统柜、仪表设备、就地盘、端子排、卡件、浪涌保护器、安全栅、继电器及交换机等。

g. 表单文件，约20个，包含仪表索引、系统I/O、监控数据、报警事件、电缆表、接线箱表、设备表、材料表和其他表格。

h. 指导文件,两个，包含平台应用手册(设计人员的使用说明)和平台设计应用导则(平台工程设计的技术总则)。

2 技术特点

在大型油田项目的设计过程中，传统仪表工程设计方式与智能化仪表设计方式在软件工具、设计理念、资料传递及图纸质量等内容的对比见表1。可以看出，智能化仪表设计方式彻底避免了传统方式存在的问题，达到了优化设计流程的目的。

表1 传统仪表工程设计方式与智能化仪表设计方式对比

3 工程应用

目前，智能化仪表设计技术在海外项目已经成功应用，并取得了很好的效果。以中东地区某油田地面工程项目应用为例，该项目油田的年产能规模为四百万吨，油品为高粘重质原油，包括油气混输、原油深度脱水及站场全密闭等工艺。该项目自控仪表规模为：仪表数量约4 700台，自控系统约8 000点。该项目应用智能化仪表设计技术后在实际项目中取得了显著成效。相对于传统的工程设计模式，人力投入节省约30%，人工时减少约40%，设计工期缩短约30%，图纸错误率减少约80%，设计成本减少约30%，实现了数字化交付，满足了项目要求。

4 结束语

越来越多的海外工程项目业主开始建设“数字化油田”，要求在项目初始时就进行数字化设计，所有的数据、文档及工作流等进行电子存档，项目设计成果进行整体数字化交付，便于后期对油田工程进行数字化管理，实现全厂的全生命周期管理。智能化仪表设计技术的标准化、协同化、智能化和数字化特点完全能够满足目前新形势下的需求，不仅优化了项目设计流程，还合理降低了设计、施工建设及管理等成本，成为工程总承包商在海外开拓市场的一项技术利器。

[1] 李兴候.SPI软件在仪表工程设计中的应用[J].自动化与仪表,2014,29(2):48～51.

[2] 李永康.Intools软件及其在工厂生命周期管理中的应用策略[J].石油化工自动化,2009,45(4):50～54.

TechnologiesforIntelligentInstrumentDesign

PAN Feng, HUANG Hai-mian
(BeijingBranchCompany,ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.)

TH702

B

1000-3932(2017)02-0194-05

2016-09-06，

2016-12-13)

(Continued on Page 199)

潘峰(1972-)，高级工程师，从事自控工程咨询、设计和科研工作。

联系人黄海棉(1985-)，工程师，从事自控工程咨询、设计和科研工作，huanghaimian@cpebj.com。