陳小紅，孟穎超

(河南省電力勘測設(shè)計院， 鄭州 450007)

三維數(shù)字化電廠在運(yùn)維期的作用

陳小紅，孟穎超

(河南省電力勘測設(shè)計院， 鄭州 450007)

數(shù)字化電廠以數(shù)字化設(shè)計移交的圖紙與數(shù)據(jù)成果為基礎(chǔ)，采用KKS編碼體系和可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方式，通過與電廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通，全面實現(xiàn)信息共享和高度集成。通過對所積累數(shù)據(jù)的深度挖掘、分析，加強(qiáng)對信息的有效利用，提升電廠的數(shù)字化優(yōu)化運(yùn)行能力、數(shù)字化管理水平和決策支持能力。通過對運(yùn)行檢修的三維可視化管理，提升各環(huán)節(jié)的協(xié)同運(yùn)作水平，提高電廠整體運(yùn)行的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)電廠一步步向節(jié)能、減排、綠色、環(huán)保方向發(fā)展。

三維數(shù)字化電廠；KKS編碼；互聯(lián)互通；運(yùn)維期；信息共享

0 引言

建設(shè)數(shù)字化電廠的關(guān)鍵是實現(xiàn)全壽期機(jī)組設(shè)備數(shù)據(jù)的共享，通過信息融合等技術(shù)措施，實現(xiàn)全壽期機(jī)組數(shù)據(jù)的共享，進(jìn)而達(dá)到機(jī)組在全壽期的安全、高效與清潔運(yùn)行。目前在電廠數(shù)字化建設(shè)階段，業(yè)主、設(shè)計院、施工單位和設(shè)備供應(yīng)商之間存在信息孤島。電廠與設(shè)計院之間的信息孤島問題表現(xiàn)為設(shè)計院設(shè)計的數(shù)字化電站服務(wù)器并未移交電廠，導(dǎo)致電廠能夠使用的數(shù)據(jù)很少，無法對運(yùn)行和維修起到指導(dǎo)作用。電廠與設(shè)備/零件廠商之間的信息孤島問題為制造廠的設(shè)計圖難以與電廠的施工圖進(jìn)行無縫對接，一般需要電廠根據(jù)設(shè)計圖繪制施工圖，在加大了工作量的同時會因人為因素而使得設(shè)計與施工之間產(chǎn)生偏差。數(shù)字化電廠解決全生命周期信息孤島問題，深度數(shù)據(jù)挖掘分析功能，為電廠運(yùn)行維護(hù)和整改創(chuàng)造了良好的技術(shù)支持。

1 數(shù)字化電廠

1.1 數(shù)字化電廠內(nèi)涵

數(shù)字化電廠是通過對電廠物理和工作對象的全生命周期量化、分析、控制和決策，提高電廠價值的理論和方法。因此，數(shù)字化電廠既不是一個項目，也不是一個軟件或系統(tǒng)，而是一種理論和方法。這一理論和方法研究的對象是電廠的物理對象和工作對象，其方法是從整個生命周期出發(fā)研究如何對其進(jìn)行量化、分析、控制和決策[1]。

數(shù)字化電廠將所有信號數(shù)字化、所有管理的內(nèi)容數(shù)字化，然后利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)可靠而準(zhǔn)確的數(shù)字化信息交換、跨平臺的資源實時共享，進(jìn)而利用智能專家系統(tǒng)提供各種優(yōu)化決策建設(shè)，為機(jī)組的操作提供科學(xué)指導(dǎo)[2]。其作用是降低發(fā)電成本、提高上網(wǎng)電量、減少設(shè)備故障，最終實現(xiàn)電廠的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和節(jié)能增效。

1.2 數(shù)字化電廠以各階段的信息集成為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

三維數(shù)字化電廠為全廠建立了一個基于三維數(shù)字化模型的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫包含了數(shù)字化設(shè)計階段完整、準(zhǔn)確的信息。同時將完整基建階段的信息集成，三維數(shù)字化電廠信息管理平臺與電廠現(xiàn)有系統(tǒng)的互通，實現(xiàn)了電廠設(shè)計期、基建期與運(yùn)維期數(shù)據(jù)信息的共享融合[3]。結(jié)構(gòu)開放、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫設(shè)計形式，為新增屬性信息的存儲提供接口，為電廠全生命周期的運(yùn)行維護(hù)和整改創(chuàng)造了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

1.3 數(shù)字化電廠以全信息三維工程模型為對象

三維數(shù)字化電廠的模型包含了邏輯、布置、編碼及各類屬性信息，不再是一個單純的只有外形的三維模型，而是代表著某一類具有特定信息的工程對象，每個對象都賦予其應(yīng)有的屬性信息，屬性信息可以無限制的擴(kuò)展。例如設(shè)備通常包含名稱、編號、類型、溫度、壓力、保溫、生產(chǎn)廠家資料、運(yùn)行數(shù)據(jù)等等。三維模型、設(shè)計圖紙、采購文檔及施工管理文檔等通過KKS碼自動建立了關(guān)聯(lián)關(guān)系。支持多維度地搜索數(shù)據(jù)，如查詢檢索與某設(shè)備相關(guān)聯(lián)的管道及儀表流程圖、三維模型圖、設(shè)備參數(shù)、圖紙集、技術(shù)協(xié)議、運(yùn)行狀態(tài)、備品備件等信息。

2 數(shù)字化電廠在運(yùn)維期的作用

以三維數(shù)字化模型數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，KKS編碼為數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的核心，與現(xiàn)有系統(tǒng)信息連通，提高電廠的生產(chǎn)管理掌控能力，實現(xiàn)運(yùn)行檢修數(shù)據(jù)的三維可視化快捷管理。運(yùn)用三維互動仿真平臺技術(shù)，覆蓋電廠生產(chǎn)區(qū)、辦公區(qū)。電廠主要生產(chǎn)設(shè)備模擬拆解、主要設(shè)備備件零件拆解和三維展示、生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)整合、設(shè)備數(shù)據(jù)的動態(tài)實時展現(xiàn)、應(yīng)急預(yù)案可視化、主要生產(chǎn)設(shè)備漫游、管理培訓(xùn)等功能，高度集成在信息充分共享的三維平臺上，使各管理過程協(xié)同運(yùn)作[4]。

2.1 數(shù)字化電廠輔助培訓(xùn)

虛擬現(xiàn)實(VR)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通常具有3個特征：沉浸性、交互性、想象性。用戶可以在虛擬環(huán)境中漫游，將感受到的信息經(jīng)過大腦的思考和分析，形成自己想要的動作或策略，通過輸入界面反饋給系統(tǒng)，實現(xiàn)與系統(tǒng)的交互和控制系統(tǒng)運(yùn)行的功能。

電廠的大部分設(shè)備必須連續(xù)作業(yè)，通常處于易燃易爆、高溫高壓的環(huán)境。如果在這些實際的系統(tǒng)上進(jìn)行模擬仿真，可能需要花費(fèi)大量的代價或者冒很大的風(fēng)險，因此利用系統(tǒng)建模與仿真的方法，在虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)中進(jìn)行科學(xué)研究、人員培訓(xùn)很有意義。通過計算機(jī)仿真手段對系統(tǒng)模型進(jìn)行充分的仿真運(yùn)行和仿真實驗，模擬實際系統(tǒng)的運(yùn)行過程，對仿真過程在虛擬的三維場景中觀察和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，用以推斷所研究系統(tǒng)或所設(shè)計系統(tǒng)的真實參數(shù)與性能。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持下，仿真運(yùn)行過程中建模人員和決策人員不僅能得到各種重要的仿真數(shù)據(jù)，而且可以看到相應(yīng)的三維仿真動畫，從而提供了系統(tǒng)運(yùn)行的直觀性和逼真性，有助于他們理解和認(rèn)識所研究系統(tǒng)的本質(zhì)和動態(tài)規(guī)律。通過將數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)仿真技術(shù)相結(jié)合，仿真平臺實現(xiàn)了仿真過程和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)及其與用戶之間的人機(jī)交互，加深了參加培訓(xùn)人員的記憶，滿足項目培訓(xùn)要求并且大幅減少了培訓(xùn)費(fèi)用，可以為電力企業(yè)的科學(xué)研究、人員培訓(xùn)等提供有效的決策支持，如圖1所示。

圖1 虛擬操作培訓(xùn)動畫

2.2 數(shù)字化電廠輔助實時監(jiān)控

三維數(shù)字化與電廠現(xiàn)有系統(tǒng)對接，訪問運(yùn)行階段的實時數(shù)據(jù)庫，獲得來自多個不同系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)。允許運(yùn)維人員訂閱，可實時監(jiān)控以及推送報警信息，將運(yùn)維人員從海量數(shù)據(jù)中解脫出來。

2.3 數(shù)字化電廠輔助設(shè)備狀態(tài)維護(hù)檢修

設(shè)備管理是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動中的重要組成部分，現(xiàn)代化企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動需要有設(shè)備管理信息體系支撐。三維數(shù)字化電廠可以將設(shè)備運(yùn)行、保養(yǎng)、檢修三方形成一個有機(jī)的統(tǒng)一體，可以有效防止對設(shè)備的過修、欠修和失修，最大程度提高設(shè)備的可靠性，降低企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營成本?？梢詫崿F(xiàn)的主要功能涵蓋：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理、狀態(tài)管理、監(jiān)測預(yù)警、狀態(tài)評價、決策建議、輔助分析、設(shè)備拆裝模擬、備品備件管理、安全防護(hù)等[5]。

(1)狀態(tài)評價。數(shù)字化電廠提供了設(shè)備數(shù)據(jù)信息錄入接口，可以對設(shè)備的使用時間、壽命等信息錄入數(shù)據(jù)庫。以設(shè)備歷史數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，通過對設(shè)備實時狀態(tài)信息進(jìn)行分析，對設(shè)備狀態(tài)做出相應(yīng)的評價。評價體現(xiàn)在該平臺充分考慮了各類設(shè)備的特點(diǎn)，采用一種按照設(shè)備類型和按生產(chǎn)實際進(jìn)行的、多模型及可配置的狀態(tài)檢修評價體系，能夠滿足各類電力設(shè)備的特點(diǎn)靈活地進(jìn)行設(shè)備的狀態(tài)評價，結(jié)合生產(chǎn)實際提供狀態(tài)檢修決策支持服務(wù)，為設(shè)備狀態(tài)檢修策略的制定提供參考依據(jù)。

(2)決策建議。以狀態(tài)評價結(jié)果為基礎(chǔ)，為設(shè)備的檢修工作提供決策支持，包括建議檢修項目、檢修時間安排、輔助生成檢修計劃和檢修資金安排等。

(3)輔助分析?；谙到y(tǒng)內(nèi)部豐富的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，為用戶提供各項查詢統(tǒng)計及分析功能，用戶按照類型或者自定義進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計并生成相應(yīng)的報表。

(4)設(shè)備拆裝模擬。根據(jù)工藝流程，將部件拆裝順序、模型節(jié)點(diǎn)名稱等相關(guān)信息存入數(shù)據(jù)庫，模擬拆裝過程中讀取數(shù)據(jù)庫相關(guān)信息，模擬設(shè)備拆卸、安裝模擬過程，為現(xiàn)場操作人員提供三維可視化的培訓(xùn)操作，如圖2所示。

圖2 設(shè)備拆裝模擬

(5)備品備件物資管理。基于三維模型數(shù)據(jù)庫中設(shè)備備件歷史信息，可以實現(xiàn)對設(shè)備備品備件的計劃、采購、庫存等環(huán)節(jié)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控實時管理，是電廠運(yùn)營維修的重要組成部分。

(6)虛擬空間環(huán)境。三維數(shù)字化電廠可以為安全輔助提供周邊環(huán)境虛擬，對安全分析、防護(hù)、行走路線、技術(shù)資料、設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)等提供清晰、完整的環(huán)境信息，包括周邊工作環(huán)境風(fēng)險提示，監(jiān)控任務(wù)的執(zhí)行情況，確保運(yùn)維人員人身安全。

2.4 應(yīng)急指揮網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)

應(yīng)急指揮網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)的整體功能目標(biāo)為：針對事故在應(yīng)急事件處置的事前、事中、事后過程，為應(yīng)急處置行動提供支持作用，滿足處置過程中的信息錄入發(fā)布、輔助決策和指揮、事后報告及經(jīng)驗反饋等方面需求。

通過在三維數(shù)字化信息管理平臺的進(jìn)一步開發(fā)，可以滿足如下功能。

(1)實現(xiàn)應(yīng)急響應(yīng)、應(yīng)急準(zhǔn)備支持功能。在事故應(yīng)急期間為應(yīng)急組織提供決策信息，并輔助其進(jìn)行決策，在日常狀態(tài)為相關(guān)人員提供培訓(xùn)、演習(xí)等，保障和提升其應(yīng)急能力。

(2)確保數(shù)據(jù)通信傳輸安全穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)與應(yīng)急網(wǎng)、工控網(wǎng)、管理網(wǎng)、集團(tuán)網(wǎng)鏈接，應(yīng)保證日常甚至在極端環(huán)境下的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。

(3)實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速采集、分析、發(fā)布功能。具備快速、可靠的信息采集、分析能力以及準(zhǔn)確、直觀、高效的展示和發(fā)布能力，確保應(yīng)急演練、指揮過程中信息溝通及時、準(zhǔn)確、完整。

(4)要能夠提供足夠的信息支撐。決策系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠有效支持應(yīng)急的需要，在應(yīng)急狀態(tài)下能夠提供足夠的信息便于應(yīng)急組織迅速決策，進(jìn)行指導(dǎo)和支援，并在必要時進(jìn)行人員、物資的調(diào)配。

2.5 工藝流程防真

工藝流程防真利用計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)過程動態(tài)仿真，用虛擬化模型代替實際生產(chǎn)設(shè)備，并仿真分散式控制系統(tǒng)(DCS)操作系統(tǒng)。其工藝過程操作與響應(yīng)、控制系統(tǒng)操作與響應(yīng)、操作員界面、工藝流程畫面、鍵盤、聯(lián)鎖響應(yīng)、操作方式、整個過程變量的動態(tài)響應(yīng)趨勢均與實際過程一致。

由于三維數(shù)字化信息管理平臺已存在智能流程圖，需要進(jìn)一步補(bǔ)充電儀邏輯圖，通過進(jìn)一步開發(fā)，可在平臺中實現(xiàn)運(yùn)行模擬。

首先系統(tǒng)獲取實際DCS控制臺數(shù)據(jù)并形成三維數(shù)字化信息管理平臺可用的服務(wù)信息。平臺將DCS控制臺數(shù)據(jù)及工藝模型數(shù)據(jù)推送至工藝防真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層。利用服務(wù)層的介質(zhì)仿真計算、工藝信息處理、工藝邏輯處理等模塊，實現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的加工整合。最終形成工藝防真系統(tǒng)顯示層的信息(三維場景顯示、人機(jī)交互、顯示設(shè)置等)，如圖3所示。

圖3 工藝防真架構(gòu)

工藝防真系統(tǒng)的邏輯控制圖，DCS仿真數(shù)據(jù)來源于實際DCS控制與反饋數(shù)據(jù)，仿真是將已有的數(shù)據(jù)展現(xiàn)給工程師或教員，因此不會在模型中產(chǎn)生DCS反饋信息。在DCS仿真控制模塊未發(fā)出控制工藝設(shè)施時，只提供工藝防真系統(tǒng)界面及模型。而DCS仿真控制模塊發(fā)出控制工藝設(shè)施信號時，會觸發(fā)工作場景渲染，在三維數(shù)字化信息管理平臺三維場景中產(chǎn)生如煙霧、流動、碰撞等效果，如圖4所示。

圖4 工藝防真控制

3 結(jié)束語

建設(shè)數(shù)字化電廠是一項能夠提高電廠運(yùn)行和管理水平的系統(tǒng)工程。以 KKS編碼為核心，在電廠全壽期通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享、知識積累等，從而解決了數(shù)字化電廠全生命周期信息孤島問題；深度數(shù)據(jù)挖掘分析功能，增加了電廠信息有效利用率，從而為電廠運(yùn)行維護(hù)和整改創(chuàng)造了良好的技術(shù)支持，進(jìn)而達(dá)到提高數(shù)字化電廠整體運(yùn)行的安全性、高效性、清潔性及經(jīng)濟(jì)性的目的。

[1]危元華，任曉東，李智，等.數(shù)字化電廠的概念及方案研究[J].電力建設(shè)，2013(4):51-54.

[2]宋慧欣.解讀數(shù)字化電廠[J].自動化博覽，2013(10)：42-46.

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[4]王小龍.建設(shè)工程數(shù)字化管理體系研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

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TM 621

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1674-1951(2017)12-0027-03

2017-07-26；

2017-11-15

(本文責(zé)編：齊琳)

陳小紅(1982—)，女，山西大同人，工程師，工學(xué)碩士，從事三維平臺PDMS或Bentley及二維CAD設(shè)計平臺,火電廠設(shè)計專業(yè)的軟件二次開發(fā)及三維數(shù)字化電廠建設(shè)軟件研發(fā)方面的工作(E-mail:mengcxh@163.com)。孟穎超(1981—)，男，河南洛陽人，高級工程師，工學(xué)碩士，從事火電廠汽機(jī)專業(yè)設(shè)計方面的工作(E-mail:mengmyc@163.com)。