三维模型电缆自动敷设在煤化工项目中的应用

■ 东华工程科技股份有限公司 姚怡君 黄辰 汪世杰

随着中国煤化工项目规模的不断扩大及工程数字化交付的实行，越来越多石油化工行业的工程公司、设计院和业主方对电缆规格的统一性、电缆长度的准确度、电缆敷设路径的可视化、电缆变更管理等提出了更高的要求。电缆自动敷设软件的使用，对节约人力成本、减少繁杂的电缆测量工作、提高设计质量和工作效率，都具有积极的意义。

1. 产品概况

海克斯康提供测试版电缆自动敷设软件（目前只适用于Smart 3D V2016 SQL版本），其实施过程为：首先，定制电缆敷设相关数据库和配置系统文件，完成建模和信号类型添加。其次，加载电缆输入表，用软件扫描和校验Smart 3D中已建立的电仪模型。最后，完成桥架/设备自动拓扑，软件将自动寻找从起点设备至终点设备的较优路径，完成电缆敷设和生成各类电缆表格。

2. 应用范围和定制内容

东华工程科技股份有限公司（以下简称“东华工程”）与海克斯康开展了战略合作，此次应用范围为CO变换单元及其电缆对应的现场机柜间，进行电缆自动敷设的模型种类有分析柜、分析小屋、压力/差压变送器、流量仪表、可燃/有毒气体检测器、阀门、就地盘和控制机柜等。

期间，东华工程定制了电仪设备模型库、信号类型库和电缆类型库，改写了Smart 3D的部分配置文件，对电仪模型进行信号添加，实现了CO变换单元现场的电缆自动从模型Cable Port口，按就近原则敷设进入同信号类型的桥架，再通过外管廊上的主桥架汇入现场机柜间的控制机柜。

3. 电缆自动敷设前期工作

3.1 管理员工作

管理员工作包括应用项目的前期软件环境测试、电缆自动敷设软件的安装和人员使用授权、各类库文件的定制和加载、电缆输入表加载等。

3.2 库文件定制

3.2.1 电仪设备模型库

电仪设备模型库按Smart 3D常规方式进行定制，在Smart 3D正常建模即可。因敷设过程中需要选择模型设备的Cable Port口进行信号添加，建议所有电仪模型均应带有Cable Nozzle。虽Cable Nozzle也可后期手动添加，但工作效率较低，此方式不推荐。

3.2.2 信号类型库

在“Append Cableway Codelist.xls”中，有信号类型库。

3.2.3 电缆类型库

在“Cabling.xls”中，填入电缆的型号、规格、描述、重量、电缆外径、信号类型、电压等级、使用材料等。

3.3 三维模型信号类型添加

参与电缆自动敷设的模型分为独立的电仪模型和管道上的仪表模型，两者信号类型添加方式不同。

3.3.1 独立的电仪模型

独立的电仪模型,即分析柜、分析小屋、分体式压力/差压变送器、分体式流量仪表、可燃/有毒气体检测器、就地盘、控制机柜、桥架、电气三箱和灯具等，由自控/电气/电信专业设计人员在Smart 3D中完成建模。

此类模型的信号类型需要在Properties-Category-Cable Fill-Property-Signal Type中的下拉框进行选填。

3.3.2 管道上的仪表模型

管道上的仪表模型,即一体式流量仪表、阀门等，是由布置管道专业设计人员在Smart 3D中完成建模。此类模型的信号类型在Properties-Category-Standard-Property-节点信号类型中输入。

3.4 电缆输入表填写及加载

电缆输入表,即“Cable Template.xls”文件,设计人员应按要求填写待敷设电缆的信息，包括电缆名称、信号类型、电缆规格、起/终点设备位号等。然后，再由设计人员在软件的Validate Cable Schedule-Validate File中校验已完成的电缆输入表。软件将自动扫描Smart 3D中的模型，并与电缆输入表中的信息进行关联。电缆输入表校验功能是电缆有效自动敷设的保障。

校验无误后，设计人员将表格提交管理员，由管理员将“Cable Template.xls”加载进电缆敷设数据库。

4. 电缆自动敷设应用过程

4.1 桥架模型自动拓扑

桥架自动拓扑，即连通桥架路径。桥架建模连续的情况下，软件将自动在桥架中心线生成连接红线，表示桥架“通电”，并在每块Cableway Feature的两端、中点和交接处自动放置电缆节点Marker。

该软件默认若桥架模型Port口未正确连接，则桥架自动拓扑必不成功，需进行修改。建议使用规范的桥架接头，或在安装空间受限时使用虚拟连接。

4.2 设备自动拓扑

设备自动拓扑是以设备为中心点，自动寻找其设定范围Range内同信号类型桥架上最近的电缆节点Marker，将设备与该电缆节点进行连通。设备拓扑成功，则设备中心至最近的电缆节点之间会生成连接绿线。

在设定范围Range内，若能寻找到同信号类型的桥架但无电缆节点，软件将自动放置新的电缆节点在与设备最近的桥架上。

设定范围Range长度可以随意设置，因工艺单元和现场机柜间的范围Range相差较大，建议设置Filter，分工段进行设备自动拓扑。

设备至最近电缆节点的敷设路径和长度统计有Delta和Linear两种方式。Delta为两点之间X+Y+Z的长度，Linear为两点之间的斜直线距离。

4.3 电缆自动敷设

在软件中载入设备拓扑的信息，点击Route按钮，电缆将沿起点设备、起点设备附近桥架上最近的电缆节点，桥架内部通道、终点设备附近桥架上最近的电缆节点、终点设备的路径，进行自动敷设。

以某分析小屋561-AH-4001为例，其附近有一趟信号电缆桥架A（400mm宽×200mm高、标高+4.0m）和另一趟电源电缆桥架B（200mm宽×100mm高、标高+4.5m）。

图1和图3为电缆561-AH-4001-SC（4～20mA非本安AI信号）的敷设效果截图，电缆就近进入信号电缆桥架A，再沿主桥架敷设进控制机柜。

图1 某分析小屋信号电缆自动敷设局部截图

图3 某分析小屋信号电缆自动敷设截图

图2为电缆561-AH-4001-P（220VAC电源）的敷设效果截图，电缆就近进入电源电缆桥架B。

图2 某分析小屋电源电缆自动敷设局部截图

个别电缆路径不通时，软件界面会显示Disconnected，可用Check Topos进行检查，并做手动拓扑。

三维模型上默认电缆起点为模型中心点，小尺寸设备或仪表可直接使用。若是分析小屋、机泵、撬装设备等较大成套设备，可手动添加Cable Port到其指定位置，电缆将从指定的Cable Port处开始敷设。

该软件的电缆自动敷设速度尚可，实测自动敷设120根电缆时，用时35秒。

4.4 导出电缆报表

电缆自动敷设完毕，该软件能通过过滤器筛选，选择全部、某装置或某部分的电缆，导出多种电缆报表。石油化工行业能直接使用的几种报表如下。

4.4.1 电缆明细表

电缆明细表是按照电缆输入表中的电缆排序，自动导出后续列信息，如表1所示。表1中包含电缆输入表的信息列，此处不再列出。

表1 电缆明细表（部分）

前/后端预留长度分别指设备起点端和机柜终点端的备用电缆长度，供现场施工安装使用，可在设备自动拓扑时进行规定。

4.4.2 电缆规格汇总表

电缆规格汇总表中统计了每种电缆的总长度和重量，如表2所示。

表2 电缆规格汇总表（部分）

4.4.3 电缆节点容量表

电缆节点容量表等同于电缆桥架平面布置图中的电缆剖面图，如表3所示。

表3 电缆节点容量表（部分）

4.4.4 设备电缆信息表

设备电缆信息表是以每台仪表/设备为个体，列出其所有电缆的信息，如表4所示。

表4 设备电缆信息表（部分）

5. 应用情况总结

5.1 应用实现的先决条件

东华工程经过此次项目应用，确认了要在实际工程项目中应用海克斯康测试版电缆自动敷设软件并真正做到提质增效，至少应满足如下先决条件：

5.1.1 Smart 3D的使用速度要求

电缆自动敷设软件是集成在Smart 3D软件内，操作工具栏在其菜单栏上，可视作Smart 3D的一个插件。

若应用项目使用Smart 3D的速度慢或卡顿，电缆自动敷设软件也会使用受限。建议用户公司对局域网网速、Smart 3D服务器和设计人员电脑等做好配置。另外，项目单元的层级、特大工段建模的分区设置等应做好前期规划，实测若某个项目或单元模型数量过多时，会影响Smart 3D使用速度。

5.1.2 应用项目的设计周期要求

使用电缆自动敷设软件的项目，应有充足的项目设计周期。从前文可以看出，电缆自动敷设软件对桥架/设备模型的名称、信号类型、桥架/设备拓扑连接等都有严格要求。任一条件不满足，电缆均无法敷设成功，故应给设计人员足够的时间建全所有模型并检查核对。

5.1.3 人员的配备要求

软件管理员和项目技术人员配备应合理。

管理员配备。因电缆敷设专业性较强，建议工程公司或设计院在电控室内至少增加一名电缆敷设专职管理员，对接自控、电气、电信三个专业的技术人员，完成上文所述的相关工作，做好软件应用支持和软件培训。

项目技术人员配备。自控、电气、电信三个专业应根据项目规模，分别配备足够的设计、校核人员。设计人员应能熟练地使用Smart 3D进行建模和抽表格，校核/审核人员应能熟练地使用Smart 3D进行浏览。

5.2 与人工统计电缆的工作量比较

5.2.1 增加的工作量

要求设计人员在使用Smart 3D建模时更细化、精准。与电缆敷设相关的所有设备、桥架的模型都应规范建立。

电缆输入表应填写正确、规范，桥架模型、设备模型、电缆输入表三者的信号类型必须一一对应。

因部分仪表安装在工艺管道上或成套设备上，故与其他专业的设计交界面、沟通成本也会增加。

5.2.2 减少的工作量

使用该电缆自动敷设软件，技术人员不需要在CAD图纸上手动测量电缆和电缆保护管的长度，也不需要绘制电缆桥架剖面图，软件自动生成的电缆节点容量表包含了该部分信息。

电缆敷设成功后，若设备模型位置发生变化，软件会自动提示电缆长度过期，提醒设计人员进行检查。设计人员点击“Check Model”即可更新电缆长度，无需查看和记录修改的模型、重新手动测量或修改电缆。

5.3 提高设计质量的方法

使用该电缆自动敷设软件，设备的电缆预留长度（Spare Length）可以完全统一，避免因设计人员习惯不同而造成的电缆余量不一致的情况。

在Smart 3D中进行三维电缆敷设，每根电缆的敷设路径和周围情况清晰可见，能快速查看电缆敷设路径是否合适，对造价较高的电力电缆敷设用处较大。

电缆自动敷设可以分工段、分部分完成，设计人员可以将电缆分批次锁定、提交，有利于电缆分批采购和管理。

5.4 对设计流程的影响

在石油化工工程设计中，电缆敷设工作属于项目后期，通常在工艺单元60%深度，甚至90%深度模型审查后才能开展。如梁、柱、墙面、窗户、单元基础框架、设备平台、检修/吊装区、集水坑等模型的位置，设备/管道上的仪表和阀门等模型的位置和位号，这些外专业建模内容是否规范、精准，会直接影响到电仪模型的布置，从而影响到电缆的长度。

建议进行公司级设计流程梳理，对设备、布置管道、结构等专业的建模进度、深度、准确性作正式规定，确保电仪建模和电缆自动敷设工作顺利开展。

5.5 对设计分工的要求

使用电缆自动敷设软件，对工程公司、设计院的设计分工要求更细，设计接口更多，并增加了权限分配的要求。

5.5.1 专业内部分工

建议明确软件管理员和设计人员的分工。设计人员主要完成建模、电缆设计、电缆输入表校验等工作。要加载进Smart 3D数据库或电缆敷设数据库的文件，应由设计人员正式提交文件至管理员，管理员完成加载并记录文件版次。

5.5.2 与外专业分工

Smart 3D中授权原则通常是谁建模谁有模型修改权限。

因电缆自动敷设需要在设备上添加信号类型，而信号类型相关知识较专业，可将成套设备、机泵、设备上仪表、管道上一体化仪表和阀门等模型的修改权限，授权给电控人员。电控人员仅检查或输入信号类型，不得删除或修改模型其他信息。

5.6 对软件的优化建议

结合石油化工工程设计经验，东华工程提出如下建议，希望软件能进一步优化，使其更符合石油化工行业的使用习惯：

一是电缆路径算法优化。对电力电缆等弯曲半径要求大的电缆，采用“手/自动结合”的方式，能在设备起/终点段手动指定敷设路径或区域。

二是增加自动导出电缆保护管或汇线槽材料功能。在电缆类型库中，根据电缆规格添加电缆保护管或汇线槽材料信息。在软件操作界面增设加电缆保护管或汇线槽选项，设计人员可灵活选择是否导出电缆保护管或汇线槽材料。

三是增加电缆变更管理。能在设计人员每次提交电缆时进行自动本分，并对不同版次的电缆表做对比分析和变更标注。

四是增加电缆估算功能。通过指定主要桥架路径、起点/终点设备的工段内最远坐标、电缆的规格、根数和信号类型等，自动导出初步电缆材料表，供项目报价参考。

五是开发电缆分盘功能。可结合电缆设计经验、电缆制造特点、项目现场发料和施工管理需求进行开发。

6. 结语

通过此次项目应用，东华工程认为，海克斯康提供的测试版电缆自动敷设软件的设计思路和使用方法基本可行。

三维电缆自动敷设软件在中国石油化工行业具有巨大的市场。东华工程希望海克斯康能提供更完善的软件商品，更好地为石油化工工程服务，实现业主方、工程公司、软件公司多方共赢。