曾經我們討論過基于模型的系統工程（MBSE）在能源和流程行業的應用，特別是CATIA MAGIC 在早期設計階段對需求分析（R）和功能架構（F）的應用。這次我們將進一步探討系統功能（F）和邏輯原理（L）設計，以及CATIA系統解決方案對跨學科系統建模和優化的應用。

 

并行設計：提前確保功能/邏輯一致性，降低糾正代價

能源和流程行業項目的復雜性不僅來自大量的文檔、學科、團隊、公司之間的信息傳遞，對此達索系統的資本設施信息卓越（CFIE）已提供有效解決方案。除此之外，從技術角度探討，能源和流程行業的復雜性更源于并行設計。

并行設計是一種從20世紀80年代開始的工程方法論，旨在應對傳統工藝系統的逐漸電氣化和自動化帶來的復雜設計。它通常用于概念和初步設計階段，具有雙重目標：
1、確保在早期構思階段完整考慮全壽命周期的所有需求（這點類似系統工程）；

2、確保多學科之間的一致性，特別是工藝（熱工機械）系統、儀控系統（I&C）和供電系統之間的技術一致性。在項目早期階段通過并行設計，在仍然足夠靈活的設計狀態下，盡快優化到最佳配置參數，從而把項目的經濟性、工期把控和質量效益最大化。

因此，在初步設計階段，信息敏捷是關鍵，而變更管理會最小化。

 

 

大型能源和流程項目的設計工作基本可分為兩大類：

1、由布置工程師確保土建、設備、預埋件、管道、電纜托盤、暖通設備等的幾何一致性;

2、由系統工程師確保系統功能/邏輯一致性，達到上述的多學科接口一致性和需求可追溯性的雙重目標。

 

3D布置軟件已在行內廣泛應用，在很大程度上已解決了幾何一致性問題。然而，功能/邏輯一致性仍然是當前能源和流程行業技術管理的最大痛點。

通常我們把初步設計的結點定義在系統工程師出版“系統設計手冊”時，這是調試前最后一次跨學科的綜合匯總設計。緊隨其后地，土建、機械設備、儀控、電氣、暖通、管道、電纜橋架等專業先后進入詳細設計階段。核電，油氣海上平臺等超大型項目，其詳細設計甚至可以持續幾年，參與設計人員可達到數千人。詳細設計注重大量出產施工和制造文件，管理模式與初步設計非常不同，專業與專業之間的信息溝通會嚴格把控，變更管理是這階段最主要的行政手段，以避免發生無法控制的骨牌式改動。而后，設備制造和安裝還會持續幾年。

設備、管道、供電電纜、儀表、控制設備之間的幾何不一致性和碰撞問題都會在安裝階段暴露，然后通過變更流程解決。緊接著，開始調試階段，這個階段最為棘手。這是在初步階段并行設計結束后，經歷了多年各專業詳細設計、制造安裝后的驗證匹配的決定性時刻。調試是整個項目周期中設計錯誤和各專業之間不一致問題暴露最多最集中的階段，包括機械/控制/電源系統（接口）之間功能性不一致，或者系統性能（液體流量、壓力和溫度）不滿足上游需求（可追溯性）。這些復雜棘手問題都需要立馬解決，時間壓力巨大，糾正代價也巨大。

 

 

達索系統能帶來什么？

達索系統3DEXPERIENCE平臺的“資本設施信息卓越解決方案”已提供項目管理、信息管理、單一數據源等功能，“卓越工程解決方案”專門應對并行設計帶來的挑戰，實現：

1、系統工程RFLP需求可追溯性、完整性系統性的接口梳理；

2、在設計前期通過建模仿真手段提前發現和糾正設計錯誤和不一致性；

3、確保工藝系統、儀控系統和供電系統之間的跨學科功能/邏輯一致性；

4、構造功能/邏輯（1維）數字孿生，配合3維幾何數字孿生。

 

達索系統CATIA系統解決方案

Dymola，Dynamic Modeling Laboratory，是基于Modelica語言，用于建模和模擬集成復雜系統的完整解決方案。子系統由相互關聯的組件表示；在最低級別的動態行為由數學方程或算法描述。組件之間的連接形成額外的方程。Dymola 處理完整的方程系統，以便生成高效的模擬代碼。Modelica 庫中捕獲了特定領域的知識，其中包含機械、電氣、控制、熱、氣動、液壓、熱力學、空調等組件。

Dymola 已被法電EDF、琺瑪通等公司用來模擬和優化其流程系統和系統的系統（system of systems）。

結合Dymola的行為建模與ControlBuid的儀控建模功能，3DEXPERIENCE平臺上能在同一環境上協同設計流程圖（PFD）、流程和儀表圖（P& ID）和電氣單線圖，實現互聯和多學科的行為模擬，達到：

1、儀控系統（I&C）與被儀控（工藝）系統之間的技術一致性；

2、確保工藝系統的動態行為（通常是液體的流壓、流速、溫度）滿足在各種工況（正常操作、意外和事故狀況）下的任何功能需求。

 

 

備注：*STIMULUS是CATIA系統的另一款解決方案，通過快速建模和模擬驗證自然語言描述的性能需求，和儀控系統的一致性。
在最近的核工業客戶案例中，使用這種設計方法不僅能在早期系統設計階段就發現排除錯誤和不一致，避免等到調試階段（當所有設備都已制造安裝后）才發現這些錯誤，由此減少高成本、救火式的糾正。與此同時，客戶還預計這種新方法將改變當前的設計流程，以及系統組與控制組之間的分工，從而實現真正的企業數字化轉型。

 

迎虛納實，改變世界

三維設計已被各行業廣泛采用確保設施的幾何一致性。CATIA系統提供的邏輯模型和模擬能確保更為根本的流程系統的功能一致性，包括：

1、工藝系統、儀控系統和供電系統之間的技術一致性；

2、系統之間的一致性和總體完整性；

3、操作程序驗證；

4、更好地評估變更影響分析。

結合3D模型數字孿生，它將提供一個更完整的：

1、設計階段數字邏輯孿生；

2、集成設備和現場數據成為“完工數字孿生”；

3、集成運維數據成為“運維數字孿生”。

---

南京復創是達索知名的合作伙伴，專注于為中國制造業數字化和信息化建設提供咨詢服務和解決方案，主要涉及汽車、軌道交通、機械、電子、金融、教育、通訊、醫療等各大領域。
歡迎點擊在線咨詢了解達索系統CATIA的更多內容！