程慧慧,何玉安,何亞飛

(上海第二工業(yè)大學智能制造與控制工程學院,上海201209)

基于知識庫的超臨界鍋爐空間管路快速設(shè)計研究

程慧慧,何玉安,何亞飛

(上海第二工業(yè)大學智能制造與控制工程學院,上海201209)

基于成熟產(chǎn)品的歷史設(shè)計經(jīng)驗、知識積累,進行詳細分析后對關(guān)鍵配置、關(guān)鍵參數(shù)進行提取;根據(jù)這些關(guān)鍵參數(shù)以及模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可以構(gòu)建產(chǎn)品的知識庫平臺,知識庫平臺中的關(guān)鍵參數(shù)可以用來定義產(chǎn)品,也可以基于知識庫中的邏輯驅(qū)動生成點云數(shù)據(jù);這些點云數(shù)據(jù)會被開發(fā)的復(fù)雜管路生成算法獲取,利用成熟的三維設(shè)計軟件,快速生成空間管路模型;考慮到生產(chǎn)的方便以及可制造性,會根據(jù)關(guān)鍵的鍋爐水平面信息,把整體空間復(fù)雜整體的管路進行自動分割,形成可以下發(fā)到車間的各個管路分部件。通過這種知識庫驅(qū)動的方式,實現(xiàn)了具有專家經(jīng)驗的超臨界鍋爐空間復(fù)雜管路的快速設(shè)計,極大地提高了設(shè)計的效率和品質(zhì)。

知識庫;空間管路模型;點云數(shù)據(jù);快速設(shè)計

0 引言

鍋爐是火力發(fā)電廠的三大主機(鍋爐、汽輪機、發(fā)電機)之一,這3個部分的運行狀態(tài)和運行效率將直接影響到火力發(fā)電廠的發(fā)電效率和發(fā)電安全性。這三大部分的最核心部分就是火力發(fā)電廠鍋爐,這是因為火力發(fā)電廠鍋爐是為整個火力發(fā)電廠進行發(fā)電提供所需要的能源的入口,同時,鍋爐通過燃燒原料為發(fā)電機和汽輪機提供動力資源,是整個火力發(fā)電廠的動力源頭,故鍋爐是傳統(tǒng)能源建設(shè)的關(guān)鍵組件[1]。超臨界鍋爐技術(shù)于上個世紀90年代初在歐洲問世,是國際上最為先進的燃煤發(fā)電技術(shù),具有煤耗低、環(huán)保性能好、技術(shù)含量高的特點,其設(shè)計優(yōu)化、能源轉(zhuǎn)化率的提升將對能源輸出做出重大貢獻[2]。在超臨界鍋爐組件中,管路組件是鍋爐的主要核心部件,如水冷壁、集箱、集箱連接管、省煤器、高溫再熱器等,由于鍋爐管路空間走向復(fù)雜,管數(shù)眾多,解決空間管路的碰撞和干涉是鍋爐設(shè)計迫切需要解決的問題,所以管路設(shè)計的提升是鍋爐優(yōu)化設(shè)計的重中之重[3]。

我國從上世紀80年代后期開始重視發(fā)展超臨界機組,超臨界鍋爐的生產(chǎn)在國內(nèi)已經(jīng)有四五十年,在近10幾年中,我國三大鍋爐廠通過技術(shù)引進和大量的研究工作,已完全掌握了超臨界鍋爐的制造技術(shù),具備了批量生產(chǎn)超臨界鍋爐的能力,因此我國加快發(fā)展超臨界機組的條件已經(jīng)成熟,現(xiàn)在不再是從無到有,而是從有到精的提升,已具備構(gòu)建鍋爐知識庫平臺的基礎(chǔ)。

知識庫平臺的建立可以有效地重復(fù)利用歷史經(jīng)驗和專家的知識積累,基于構(gòu)建的知識庫平臺,新的工程師也可以很快地設(shè)計出高質(zhì)量、符合設(shè)計要求的產(chǎn)品。本研究意義在于從歷史經(jīng)驗的大數(shù)據(jù)中及時獲取需要的數(shù)據(jù),通過關(guān)鍵參數(shù)定義產(chǎn)品,從而實現(xiàn)基于客戶需求的快變設(shè)計。本文分析整理了成熟型號的關(guān)鍵配置參數(shù),進而生成了知識庫,構(gòu)建了模型之間的關(guān)聯(lián)信息,使工程師可以根據(jù)客戶需求快速定義產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù),這些關(guān)鍵參數(shù)繼而又可以快速地生成復(fù)雜的三維管路部件,進行初步方案評審,這樣便可以快速響應(yīng)客戶需求,確定符合客戶的方案 (圖 1)。

1 成熟型號關(guān)鍵配置參數(shù)提取

產(chǎn)品參數(shù)化技術(shù)已經(jīng)被很多行業(yè)深入應(yīng)用,比如汽車行業(yè)、家電行業(yè)等,參數(shù)化技術(shù)也給這些行業(yè)帶來了巨大的利益。雖然鍋爐不是大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品,但是其歷史的設(shè)計積累和多款成熟產(chǎn)品的經(jīng)驗,足以具備提取關(guān)鍵的參數(shù)、關(guān)鍵配置達到部分通用化的水平,特別是鍋爐的管路部件屬于性能部件,原材料基本都是簡單管路組成,比較容易提取關(guān)鍵參數(shù),形成產(chǎn)品的配置表。

圖1 本課題研究思路Fig.1 Research route of the topic

在鍋爐設(shè)計中,像壓力、蒸汽溫度、發(fā)電效率、鍋爐容量等都屬于性能參數(shù),從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度,鍋爐的長、寬、關(guān)鍵水平標高等屬于整體幾何參數(shù),性能參數(shù)決定于幾何參數(shù),特定的幾何參數(shù)配置滿足特定的性能參數(shù)配置[4]。以超臨界鍋爐π型鍋爐為例,本文從性能參數(shù)入手,首先構(gòu)建了鍋爐平臺的整體參數(shù),在整體參數(shù)基礎(chǔ)上又進一步細化了各個部件的關(guān)鍵參數(shù),這些參數(shù)包括:吊架關(guān)鍵參數(shù)配置、分隔屏過熱器集箱參數(shù)配置、分隔屏過熱器參數(shù)配置、后屏過熱器集箱參數(shù)配置、后屏過熱器參數(shù)配置、末級再熱器參數(shù)配置、垂直段水冷壁參數(shù)配置、后煙井參數(shù)、省煤器、水冷壁螺旋段參數(shù)配置、爐頂過熱器參數(shù)、爐頂管道參數(shù)配置等。每個關(guān)鍵參數(shù)都可以用來定義特定的一個組件,組件與組件之間的關(guān)鍵參數(shù)通過性能參數(shù)進行關(guān)聯(lián),保證了組件與組件的之間的接口;組件的關(guān)鍵參數(shù)又和細節(jié)的模型參數(shù)進行關(guān)聯(lián),具體體現(xiàn)為關(guān)鍵參數(shù)和點云數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)。

以后屏出口集箱為例,整理了表1所示的關(guān)鍵參數(shù)。這些關(guān)鍵參數(shù)的意義如圖2所示。

表1 后屏出口集箱關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key parameters of back frame header

圖2 后屏出口集箱關(guān)鍵參數(shù)意義(正視圖)Fig.2 The meaning of key parameters of back frame header-front view

基于后屏出口集箱的這些關(guān)鍵參數(shù)、配置,可很明確地定義集箱的幾何規(guī)格。在不同客戶需求、不同性能要求下,相關(guān)主要參數(shù)可以很快進行調(diào)整,設(shè)計出不同配置的產(chǎn)品,滿足設(shè)計需求。

2 知識庫平臺的構(gòu)建

知識庫平臺是對關(guān)鍵參數(shù)、配置的管理,它包含了整理的所有性能參數(shù)、整體幾何參數(shù)和各個部件的參數(shù),最上層是市場需求和性能參數(shù),中層為鍋爐整體參數(shù),下一層為各個部件的具體參數(shù)以及構(gòu)建模型的空間點云數(shù)據(jù)信息,整個是自頂向下的結(jié)構(gòu),逐步細化。同時,這些參數(shù)之間具有復(fù)雜的邏輯和關(guān)聯(lián)關(guān)系,知識庫平臺又對這些復(fù)雜的邏輯進行了整理和實現(xiàn),在平臺中改動一個性能參數(shù),有可能會驅(qū)動多個整體參數(shù),進而會改變多個組件參數(shù),形成不同的空間點云數(shù)據(jù)和組件規(guī)格。知識庫平臺主要內(nèi)容有:提取的關(guān)鍵參數(shù)、配置,參數(shù)之間的知識庫邏輯,以及基于這些邏輯可以生產(chǎn)的具體點云數(shù)據(jù),點云數(shù)據(jù)可以用來定義組件的詳細設(shè)計。關(guān)鍵參數(shù)和點云數(shù)據(jù)都不是固定的,但具有初始值,關(guān)鍵參數(shù)可以基于產(chǎn)品的需求進行重新定義,重新定義的關(guān)鍵參數(shù)會產(chǎn)生新的對應(yīng)的點云數(shù)據(jù)。參數(shù)之間的邏輯規(guī)則一般是固定的,它描述了參數(shù)與點云之間的關(guān)系,但是它又可以隨著知識庫的更新進行調(diào)整。知識庫平臺內(nèi)容如圖3所示。

圖3 知識庫平臺內(nèi)容Fig.3 The content of the knowledge base platform

知識庫平臺的實現(xiàn)可以基于成熟的PLM平臺,比如西門子的Teamcenter系統(tǒng)、達索公司的3DExperience系統(tǒng),同時也可以基于主流的開發(fā)工具進行開發(fā)、或者基于目前使用的研發(fā)管理系統(tǒng)。前者的優(yōu)勢是可以充分利用平臺與三維設(shè)計軟件的集成功能和平臺上下游關(guān)聯(lián)的優(yōu)勢,基于關(guān)鍵參數(shù)、配置生成的三維管路模型,可以很容易地在三維設(shè)計軟件中打開,并可以通過平臺集成的流程,傳遞到下游的工藝、制造單位。本研究是在成熟的PLM軟件西門子Teamcenter平臺上構(gòu)建了超臨界鍋爐的知識庫平臺,實現(xiàn)與三維軟件的集成,以及和下游工藝、制造的協(xié)同工作。

有了知識庫平臺,可以輕松管理這些參數(shù)、配置,提高產(chǎn)品的設(shè)計效率。另一方面,對于新的工程師,也可以很容易地獲取產(chǎn)品的信息,對產(chǎn)品的設(shè)計較快上手。后續(xù)如果開發(fā)新的產(chǎn)品型號,也可以重新整理產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù),補充企業(yè)的知識庫平臺,對企業(yè)的智力資產(chǎn)能夠有效的保留和傳承下去。

3 復(fù)雜空間管路生成算法的設(shè)計

點云數(shù)據(jù)是復(fù)雜空間管路關(guān)鍵節(jié)點信息,它可用來描述復(fù)雜空間管路的模型?；谥R庫復(fù)雜邏輯,點云數(shù)據(jù)可以在關(guān)鍵參數(shù)、配置確定后,自動生成匹配的信息。雖然點云數(shù)據(jù)可以定義產(chǎn)品的模型信息,但是點云數(shù)據(jù)從直觀來看是一組復(fù)雜的、包含特定信息的點,這些點云數(shù)據(jù)還是無法被設(shè)計人員使用,很難進行有效處理和指導設(shè)計工作。本研究通過開發(fā)復(fù)雜的算法,可以有效讀取這些復(fù)雜的點云數(shù)據(jù),借助于成熟的西門子NX三維設(shè)計軟件,可以很快生成空間管路模型,這些空間管路模型可以直觀地被工程師使用,工程師看到模型后,便很清楚組件的結(jié)構(gòu)以及該組件和其他組件的配合信息[5]。關(guān)于點云數(shù)據(jù)的有效性和適配性,是通過2種方式來實現(xiàn)的:①一是借助于三維設(shè)計軟件自身的檢查功能,當算法把點云數(shù)據(jù)讀取后,把有效一組點數(shù)據(jù)傳遞給三維軟件生成模型,如果模型有構(gòu)建錯誤,三維軟件會把錯誤返回給算法,算法會把錯誤信息捕捉并呈現(xiàn)給用戶以便分析解決;②通過空間管路再檢查的方法,當空間管路生成后,管路模型一目了然,可以通過測量、截面等方法判斷模型是否錯誤,進而可以判斷點數(shù)據(jù)的有效性和正確性。點云數(shù)據(jù)信息如圖4所示。

圖4 復(fù)雜的點云數(shù)據(jù)Fig.4 Complex points cloud data

空間管路生成算法的設(shè)計思路是借用了空間幾何的理論知識,首先基于點云數(shù)據(jù)的信息,人為抽取關(guān)鍵點,基于這些點去求解一組結(jié)果,通過這種典型數(shù)據(jù)的計算,可以定義出空間點的求解公式;然后通過開發(fā)程序算法來實現(xiàn)求解公式一樣的結(jié)果。程序算法的優(yōu)點在于可以對大量點云數(shù)據(jù)進行多次循環(huán)處理,計算出來的空間的點位信息,可以自動形成管路的走向。該算法可以基于任何一種語言進行落地,是一種通用的算法。本課題是基于NX的知識熔接語言[6]實現(xiàn)的,它的好處在于:①它本身是基于知識工程的思路設(shè)計的一門語言,可以很容易地實現(xiàn)知識工程的設(shè)計重用的目的;②它可以借助NX強大的三維幾何建模能力,生成自己的模型。算法主要邏輯內(nèi)容有:

以超臨界鍋爐螺旋管水冷壁連接管設(shè)計為例,基于繁雜的點云數(shù)據(jù),可以很容易地生成連接管的三維模型,如圖5所示。

圖5 連接管的三維模型Fig.5 3D model of the connected pipes

這些三維模型可以直觀地讓工程師看到設(shè)計的效果,進行初步評審,如果設(shè)計不合理可以及時進行調(diào)整;當模型滿足設(shè)計要求時,可以被工程師使用,生成工程制造圖紙信息,進行生產(chǎn)[7-8]。

4 整體空間管路模型的劃分

通過點云數(shù)據(jù)生成的三維管路模型大多數(shù)是一組復(fù)雜的整體管路模型,最長的管路可能會超過100 m,從設(shè)計的角度來看,可能會符合性能要求,但是從制造、加工的角度,是不合理的;同時考慮到管路不同的區(qū)段可能需要不同的材質(zhì)、不同的加工方法等原因,需要對這些整體管路進行有效分割和拆分,才能滿足加工制造的可實現(xiàn)性以及整體的性能要求,達到最終的設(shè)計要求。

簡單的方式可以通過人工的方式對模型進行劃分,劃分的依據(jù)是基于之前項目的經(jīng)驗,這種方式效率低,需要進行大量的三維工具操作;每個工程師可能會因為經(jīng)驗的不同,劃分出來的結(jié)果會相差很大,既不利于產(chǎn)品的標準化,又無法實現(xiàn)統(tǒng)一的質(zhì)量保證要求。

本文充分分析鍋爐產(chǎn)品的特點和設(shè)計經(jīng)驗,發(fā)現(xiàn)在鍋爐的設(shè)計中,水平標高是一組關(guān)鍵的信息,從鍋爐下端自下而上,地平面為0點高度,向上依次有水冷壁下部集箱標高、水冷壁中部集箱標高、水冷壁上部集箱標高等重要高度水平面?；谶@些重要的水平標高,可以把生成的復(fù)雜整體的管路,進行有效的分割,拆分成工廠、車間可以加工的產(chǎn)品組件,并且實現(xiàn)和其他非管路模塊的配套,最終構(gòu)成超臨界鍋爐的設(shè)計。如圖6所示,通過中部集箱標高、上部集箱標高、連接管處標高對整個水冷壁進行分割,分割出來便是一塊水冷壁的組屏,每塊組屏是一個加工總成部件。

基于專業(yè)的水平標高劃分,可以生成各個加工總成部件,同時,這些部件也是比較通用的設(shè)計模塊?；谶@些總成部件,工程師可以添加設(shè)計信息,例如技術(shù)要求、材質(zhì)等信息,生成工程圖紙,然后傳遞到下游的部門,進行工藝設(shè)計和加工制造。通過與實際鍋爐組件設(shè)計進行對比,發(fā)現(xiàn)這種基于水平標高的分割方法基本符合組件的設(shè)計要求,在這種基礎(chǔ)上,工程師只需要簡單的微調(diào)和設(shè)計確認,便可以很快地完成組件的設(shè)計,極大地提升了設(shè)計的效率[9]。

圖6 超臨界鍋爐水冷壁分割后的組屏Fig.6 The group frames of the supercritical boiler water wall after-cut

5 結(jié) 論

本文基于已經(jīng)成熟的幾款鍋爐產(chǎn)品設(shè)計型號,總結(jié)歷史經(jīng)驗和專家知識,提取關(guān)鍵配置參數(shù),通過這些配置參數(shù)以及參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)搭建產(chǎn)品知識庫平臺;平臺中的關(guān)鍵參數(shù)會根據(jù)知識庫中的邏輯驅(qū)動生成點云數(shù)據(jù),這些點云數(shù)據(jù)會被設(shè)計的復(fù)雜管路生成算法獲取,利用成熟的三維設(shè)計軟件,生成空間管路模型;實現(xiàn)了對管路的快速設(shè)計,通過關(guān)鍵參數(shù)驅(qū)動部件三維模型的生成,可以使設(shè)計人員從大量的計算和繪圖工作中解脫出來,提高設(shè)計速度,減少信息存儲量,在設(shè)計的同時建立參數(shù)庫,為后續(xù)工作提供了方便。該研究對于產(chǎn)品標準化、系列化和設(shè)計的快速化有著重要意義,較大程度地簡化和方便了設(shè)計人員的工作?？紤]到生產(chǎn)的方便以及可制造性,會根據(jù)關(guān)鍵的水平面信息把管路進行自動分割,形成可以下發(fā)到車間的各個管路分部件,同時這些管路和其他模塊配合,一起構(gòu)成超臨界鍋爐產(chǎn)品。

本課題還有進一步深入的空間,如:如何結(jié)合借用現(xiàn)有的先進管路設(shè)計方法進一步優(yōu)化空間管路的設(shè)計;如何更快地設(shè)計鍋爐非管路部件,并且更好地把管路部件和非管路部件進行結(jié)合也是一個深入研究的課題[10]。通過這些深入課題的研究,將進一步提升整個體系的價值。

[1] 楊永清.火力發(fā)電廠鍋爐運行優(yōu)化策略[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2014(26):35-37.

[2] 徐通模,袁益超,陳干錦,等.超大容量超超臨界鍋爐的發(fā)展趨勢[J].動力工程,2003,23(3):2364-2369.

[3] 陳聽寬.超臨界與超超臨界鍋爐技術(shù)的發(fā)展與研究[J].世界科技研究與發(fā)展,2005,27(6):42-48.

[4] 王大斌,朱文華,魏丕廣.基于知識工程的參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用研究[J].機械設(shè)計與制造,2010(9):42-44.

[5] 張進成,李開林.基于知識工程的UG二次開發(fā)[J].計算機工程與設(shè)計,2008,29(9):2390-2394.

[6] 方挺立,黃翔,李迎光.知識熔接技術(shù)在管道設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].機械制造與自動化,2005,34(1):14-17.

[7] 夏仁康,仲梁偉.基于知識工程的余熱鍋爐智能設(shè)計系統(tǒng)研究[J].機械工程與自動化,2015(1):34-36.

[8] 耿忠林,張祥林.基于知識工程的自行車車架設(shè)計[J].機械工程師,2006(6):101-103.

[9] 張學忱,陳錦昌,范汝祥,等.知識工程在機械產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].工程圖學學報,2009,30(6):191-195.

[10]PENOYER J A,BURNETT G,FAWCETT D J,et al.Knowledge based product life cycle systems:Principles of integration of KBE and C3P[J].Computer-Aided Design,2000,32(5):311-320.

Knowledge Based Fast Design Research for Space Complex Pipelines Used in Supercritical Boiler

CHENG Huihui,HE Yuan,HE Yafei
(School of Intelligent Manufacturing and Control Engineering,Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209,China)

The mature product based on their design experience and knowledge capitalization and def i ne key conf i guration and key parameters for the products are analyzed.According to these key parameters and the relation between them,it can build the knowledge base platform for the product.The key parameters in the platform can def i ne the product and generate detail points cloud data for the detail model based on the knowledge driven.These points cloud data can be leveraged by the complex pipeline generating algorithm.Based on a 3D CAD tool,it can quickly generate the 3D space pipeline model.Considered convenience of the production and manufacturability,huge pipelines will be automatic segmented according to the key level information,to different sub-groups which will be sent to the workshop.Based on the knowledge driven method,it can fast design the space complex pipeline of supercritical boiler with expert experience,and enhance the eff i ciency and quality.

knowledge base;space pipeline model;points cloud data;fast design

TP 391.7

A

1001-4543(2017)04-0270-07

10.19570/j.cnki.jsspu.2017.04.004

2017-04-07

程慧慧(1986–),女,安徽淮北人,初級工程師,碩士,主要研究方向為制造業(yè)信息化。E-mail:hhcheng@sspu.edu.cn。

上海第二工業(yè)大學?；痦椖?EGD16XQD06),上海第二工業(yè)大學校重點學科項目(XXKZD1603)資助