CN106407572A - 火力发电工程的设计系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及火力发电工程的设计系统及方法，其中系统的层次由下至上包括数据对象层、计算处理层、文档流程管理层、转换输出层和物理层，其中数据对象层包括：KKS编码、静态属性、关联关系和文档结构；计算处理层用于工程设计中各专业的计算和生成成品图；文档流程管理层根据用户在不同工程和不同流程中的角色设置相应的操作权限；转换输出层将所需文档和数据转换为工程设计中各软件能够解析的数据格式；物理层包括服务器集群和客户端。本发明能够通过系统快速设计图纸和清册，不需人工干预。并自动完成计算及输出计算书，实现了不同专业间数据的实时交互和并行协同工作，总体提升电控工艺设计效率高达50％以上。

Description

火力发电工程的设计系统及方法

技术领域

本发明涉及用于火力发电的工程设计，具体的讲是基于面向对象数据结构的火力发电工程的设计系统及方法。

背景技术

国内目前对发电厂布置的数字化设计已趋于成熟，而对于相应的系统设计、热控设计，以及电气协同数字化设计技术都相对薄弱。

随着单机发电容量的增大和电网容量的迅速扩大，我国已进入了大电网、大机组、高参数、高度自动化的时代。由于600MW、1000MW及以上大容量、高参数机组的特点之一是工艺系统复杂、测点多、被控对象数量大，而且各个控制对象相互关联。如何有效管理设计对象数据，提高设计水平和设计效率，一直以来都是一个重要课题。

针对我国火电厂设计要与国际先进水平尽快接轨的要求，电厂设计应当遵循IEC(国际电工委员会)、ISA(美国仪表协会标准)等国际标准。目前我国的电力生产在朝安全、经济的管理模式转变，电厂管理现代化水平的要求在提高。因此在有效地完成机组和辅助系统过程控制的基础上，仪控设计还需要考虑生产、经营的信息管理领域(MIS)和厂级自动化系统(SIS)的组建。如何快速有效的让电厂设计成果在MIS和SIS系统建设中进行信息化交接传递也是当今关心的一个问题。

保证工艺系统、电控数据的协同性是提高设计水平的前提。仪控设计人员必须在深入了解工艺系统及设备特点和参数的基础上对控制系统进行统一规划；对工艺设备特别是机电一体化设备，需要在控制接口方面满足电厂控制系统设计要求；仪控和电气设计人员还需要通过如PDMS等三维设计软件提供的位置信息进行电缆敷设，盘柜设计和仪表安装等详细施工设计。这要求工艺系统参数，设备参数和施工位置参数在设计过程中能被共享移交。

随着对材料管理的精确性要求越来越高，在设计中要求通过应用材料编码进行系统及电控设计自动编码，并传递到材料管理系统，达到精确的材料统计，节约工程总承包造价等目的。

而目前电厂设计系统的技术现状是，在火力发电厂工程设计中，工艺专业、热控专业和电气专业设计配合众多。在传统设计过程中，专业设计人员主要通过CAD图纸和Excel软件进行设计、出计算书和提资，手工进行专业间数据提资共享。基于电厂设计的新要求，出现了一些电厂专业的数字化设计系统，但这些系统几乎都是只能保证一个专业的施工图数字化设计，不能实现真正的各专业间数据实时共享，实际设计中依然存在大量的信息孤岛。

发明内容

本发明提供了一种火力发电工程的设计系统及方法，对工程设计中各专业间的数据实时交互，各专业间协同工作提高设计效率，减少人为原因造成的数据传输、计算错误。

本发明的火力发电工程的设计系统，系统层次由下至上包括数据对象层、计算处理层、文档流程管理层、转换输出层和物理层，其中

数据对象层包括：KKS(电厂标识系统)编码、静态属性、关联关系和文档结构；所述KKS编码为设计对象在系统中的唯一性标识，所有的设计对象(例如阀门执行器、管件、电缆等)都有自己的KKS编码，编码深度应达到元件级；静态属性包括了工艺专业、热控专业、热机专业及电气专业等各涉及专业的设计对象的规格规范及计算结果；关联关系用于描述各设计对象之间的逻辑连接关系。例如热机专业管线上阀门管件的连接顺序、热控专业信号的组态信息、以及电气专业原则接线拓扑网络关系等。这些关联关系储存在对象的连接点部件中；文档结构用于描述设计对象和文档之间的对应关系，通过这些对应关系可以知道某个设计对象在哪些图纸、计算书或清册中出现过，这样设计对象可以根据这些文档关联关系定位到相关文档中；

计算处理层用于工程设计中各专业的计算和生成成品图；

文档流程管理层根据用户在不同工程和不同流程中的角色设置相应的操作权限，包括了负责项目管理、人员角色管理、权限管理、流程管理和数据及文档管理等；

转换输出层将所需文档和数据转换为工程设计中各软件能够解析的数据格式，并导入对应的软件生成相应的输出数据；

物理层包括服务器集群和客户端，用于设计数据和施工数据的双向交互及客户端应用。

进一步的，所述的计算处理层中至少包括：工艺计算处理器：通过采集设计对象的工艺流程属性值，计算得到相应的工艺数据；热控计算处理器：热控专业的系统设计和施工图设计；电气计算处理器：电气低压厂的用电设计和电气主接线设计；KKS编码器：根据设计中数据对象的类型及逻辑连接信息，对数据对象进行KKS编码。

进一步的，物理层中所述的服务器集群为虚拟化系统服务器集群架构。例如可以采用Citrix虚拟化系统服务器集群平台，通过虚拟化服务器集群平台，能够使服务器的利用率从不到20％提高到80％左右，还可以实现客户端零安装，节约了硬件和维护成本；虚拟化服务器集群平台还可以控制了客户端安装程序和对文档系统的读写权限，有效提高了信息安全等级；并且，通过对虚拟化平台的应用，还能够实现异地登陆和远程访问，提高了工作效率并增强业务连续性。

一种可选的方式为，物理层中所述的客户端包括移动终端和/或网络打印机。其中移动终端可以通过利用W3C XML技术，将所有数据对象和文档通过网页形式发布到远程服务器站点(如Web Service)，通过IPAD或者手机等终端设备可以实现对工程设计数据库的访问，灵活方便的导航、查阅、审核、批注、修改文档等操作，特别适合用于施工调试阶段和现场设计图纸升版。网络打印机通过服务器端对打印用户的权限控制，实现远程打印等功能。

本发明还提供了一种用于上述系统的火力发电工程的设计方法，包括：

A.通过计算处理层，对工程设计中各专业的计算和生成成品图，并且每个对象在生命周期内具有唯一性的KKS编码；

B.通过文档流程管理层对涉及的文档进行版本管理和流程管理，并根据用户在不同工程和不同流程中的角色设置相应的文档操作权限；

C.通过转换输出层将所需文档和数据转换为工程设计中各软件能够解析的数据格式，并导入对应的软件生成相应的输出数据；

D.通过步骤C的输出数据实现设计数据和施工数据的双向交互，以及客户端应用。

为了能够和工程设计中各种常用软件都能自动进行数据交换，步骤C中转换输出层可以根据工程设计中各软件能够解析的数据格式，分别将所需文档和数据对应转换为CAD文件格式、Excel文件格式、XML格式和PDF文件格式。例如系统中生成的图纸对象可转变成符合ISO15926规范的CAD图纸；系统中生成的清册对象可输出为Excel文件；文档对象可输出为PDF文件；数据对象及其属性和关联关系可以转变成同用的符合W3C XML SCHEMA的XML树格式，每个数据对象对应XML中的结点(NODE)，对象属性及关联关系对应结点(NODE)下的属性项(KEY)。基于这四种国际通用格式，再对应转变成PDMS软件、DCS软件、材料管理系统、工厂维护系统和工厂资产管理系统能解析的格式。以上所述的文件转换在现有技术中均有相应的软件和方法可实现，在此不做详述。

进一步的，在计算处理层中通过工艺计算处理器采集设计对象的工艺流程属性值，计算得到相应的工艺数据；通过热控计算处理器对热控专业进行系统设计和施工图设计；通过电气计算处理器对电气低压厂进行用电设计和电气主接线设计；根据设计中数据对象的类型及逻辑连接信息，通过KKS编码器对数据对象进行KKS编码。

优选的，步骤D中所述的客户端应用包括虚拟办公系统、运行操作及仿真培训系统、移动终端和网络打印机。所述的虚拟办公系统只需通过浏览器就能进入客户端进行设计，是基本的客户端应用模式。运行操作及仿真培训系统可以通过与PDMS软件的接口模块，将二维设计数据与PDMS三维数据相结合，输出具有二/三维对象热点连接的镜像文件，该镜像文件可在三维模型播放器中观看，实现模型和数据的浏览。该镜像文件还可用于就地操作和维护人员的仿真培训，包括安全、事故处理、巡检、协同工作等；同时可用于设备操作或维护时随时随地查看与设备绑定的设备各阶段文档，从而提高工作正确率和工作效率；通过虚拟办公系统还能实现对电厂员工的虚拟培训，从而降低误操作率，提高电厂生产效率。

本发明火力发电工程的设计系统及方法，基本覆盖了工程设计中所有所涉及的专业。生成图纸模式与国际标准和惯例一致，且出图深度满足《火力发电厂施工图设计文件内容深度规定》DL/T 5461系列标准。并且能够通过系统快速设计和生成图纸及清册，不需人工干预。通过系统中对应的结构层自动提取设计对象的参数或规格，并自动完成计算及输出计算书，实现了不同专业间数据的实时交互和并行协同工作，设计标准性和规范性与国际标准一致，总体提升电控工艺设计效率高达50％以上。

以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1为本发明火力发电工程的设计系统的框图。

图2为本发明火力发电工程的设计方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示本发明火力发电工程的设计系统，系统层次由下至上包括数据对象层、计算处理层、文档流程管理层、转换输出层和物理层，其中

(一)数据对象层包括：KKS(电厂标识系统)编码、静态属性、关联关系和文档结构；

所述KKS编码为设计对象在系统中的唯一性标识，所有的设计对象(例如阀门执行器、管件、电缆等)都有自己的KKS编码，编码深度应达到元件级。

静态属性包括了工艺专业、热控专业、热机专业及电气专业等各涉及专业的设计对象的规格规范及计算结果。以凝结水泵对象为例，该设计对象中既有工艺专业的水泵型号、进出口规格、扬策划程，又有热控专业的控制信号信息(包括水泵起停、远操、连锁、故障等接入DCS(集散控制系统)的信号等)、信号接入DCS的端子信息、电缆信息，还有电气专业所需的水泵马达信息(功率、电压、安装地点)及水泵马达配电信息(马达接入MCC配电柜的端子信息及电气电缆信息)。

关联关系用于描述各设计对象之间的逻辑连接关系。例如热机专业管线上阀门管件的连接顺序、热控专业信号的组态信息、以及电气专业原则接线拓扑网络关系等。这些关联关系储存在对象的连接点部件中。

文档结构用于描述设计对象和文档之间的对应关系，通过这些对应关系可以知道某个设计对象在哪些图纸、计算书或清册中出现过，这样设计对象可以根据这些文档关联关系定位到相关文档中。

(二)计算处理层用于工程设计中各专业的计算和生成成品图。在计算处理层中，包括有：

(1)工艺计算处理器：适用于热机专业、化水专业、供水专业和输煤专业的数字化系统设计计算，通过采集设计对象的工艺流程属性值，实现热平衡设计计算、锅炉计算、水力学回路计算、管道壁厚计算、流速计算、保温计算和管道规格计算等。并且能自动生成管线表、阀门表、电负荷提资表、设备清册等文档对象。

(2)热控计算处理器：热控专业的系统设计和施工图设计。通过采集热控PID(管路和仪表流程图)设计中的对象热控属性值，自动进行热控配电箱负荷分配、元件选型、电缆选型、自动DCS接线、自动热控就地设备安装设计、自动气源母管分配等操作，并自动抽出I/O清册、热控就地设备清册和电负荷清册、配电箱施工图(包括展开图、布置图、出线图及电缆清册等)、接线图(包括端子排出线图、出线表等)、就地设备安装设计图(包括一次阀门导管清册、就地设备安装图等)和气源设计图(包括气源柜系统展开表、气源设备清册等)。

(3)电气计算处理器：电气低压厂的用电设计和电气主接线设计。通过采集PID设计中的负荷对象电气属性值，进行原则接线和主接线设计，再通过自动负荷导入、自动生成回路和自动元器件选型、电缆选型、自动组柜的设计流程，自动抽出低压配置接线图、配电箱接线图，负荷统计表、电缆清册、设备统计表等文档对象。

(4)KKS编码器：根据设计中数据对象的类型及逻辑连接信息，对数据对象进行KKS编码。

(三)文档流程管理层根据用户在不同工程和不同流程中的角色设置相应的操作权限，包括了负责项目管理、人员角色管理、权限管理、流程管理和数据及文档管理等。

(四)转换输出层将所需文档和数据转换为工程设计中各软件能够解析的数据格式，并导入对应的软件生成相应的输出数据。

(五)物理层包括Citrix虚拟化系统服务器集群平台和客户端，用于设计数据和施工数据的双向交互及客户端应用。通过Citrix虚拟化服务器集群平台，能够实现客户端零安装，节约了硬件和维护成本；Citrix虚拟化服务器集群平台还可以控制了客户端安装程序和对文档系统的读写权限，并且通过对虚拟化平台的应用，实现了异地登陆和远程访问。所述客户端包括移动终端和网络打印机。其中移动终端可以通过利用W3C XML技术，将所有数据对象和文档通过网页形式发布到远程服务器站点(如Web Service)，通过IPAD或者手机等终端设备可以实现对工程设计数据库的访问，灵活方便的导航、查阅、审核、批注、修改文档等操作，特别适合用于施工调试阶段和现场设计图纸升版。网络打印机通过服务器端对打印用户的权限控制，实现远程打印等功能。

如图2所示适用于上述系统的火力发电工程的设计方法，步骤为：

A.通过计算处理层，将工艺专业、热控专业、电气专业等各涉及专业基于同一个数据对象进行相关专业的设计、计算并生成专业成品图。每个涉及对象在系统中都具有唯一性的KKS编码。各专业基于同一个对象设计，可实时数据共享，同时也可并行设计互不干扰。在计算中，热机、化水、供水、输煤等工艺专业先导入热平衡数据，完成数字化系统设计，然后进行相关计算，如锅炉计算、水力学回路计算、管道壁厚计算、流速计算、保温计算和管道规格计算等，生成管线表、阀门表、电负荷提资表、设备清册及PID图等设计成品。然后热控专业首先在工艺专业的系统设计基础上添加热控测点，完成热控系统设计，进行热控配电箱设计、DCS接线设计、就地设备安装设计、气源设计，最后抽出I/O清册、热控就地设备清册和电负荷清册、配电箱施工图、接线表、就地设备安装设计图、气源设计图及热控PID图等。最后电气专业根据工艺和热控专业提供的电负荷数据对象，进行电气低压厂的用电设计和电气主接线原则接线图设计，生成负荷统计表，然后进行低压配置接线设计和主接线设计，自动抽出低压配置接线图、配电箱接线图，负荷统计表、电缆清册、设备统计表等设计成品。

B.通过文档流程管理层对涉及的文档进行版本管理和流程管理，并根据用户在不同工程和不同流程中的角色设置相应的文档操作权限。典型的总体流程是设计—>校核—>审查，当设计人员完成设计准备生成成品时，需启动校审流程，经过校核人员校核，如果有错误需设计人员修改，如果没错误校核人再提交设计成品给审查人员审查，审查通过后可生成版本，并留下校审的记录，如《校审意见修改书》等文档，形成电子签名。在流程中不同角色的人员权限不同，例如设计人员对设计数据有修改权限，校核人员和审查人员只有只读权限。

C.通过以上步骤，已经建立了符合国际标准的完善的设计对象模型，在这个基础上利用转换输出层，按照ISO 15926、W3C-XML等标准要求，将设计对象转换成满足工程系统设计数据的移交要求的数据，具备数字化移交能力。通过数据移交，与PDMS 3D软件、DCS系统、材料管理系统、工厂维护和资产管理系统功能相结合，可实现电厂全生命周期(从工程设计、施工、组态调试、试运、运维、退役等电厂全生命周期的管理)的资产(包括设备、材料等)数字化管理。

为了能够和工程设计中各种常用软件都能自动进行数据交换，转换输出层根据工程设计中各软件能够解析的数据格式，分别将所需文档和数据对应转换为CAD文件格式、Excel文件格式、XML格式和PDF文件格式。例如系统中生成的图纸对象可转变成符合ISO15926规范的CAD图纸；系统中生成的清册对象可输出为Excel文件；文档对象可输出为PDF文件；数据对象及其属性和关联关系可以转变成同用的符合W3C XML SCHEMA的XML树格式，每个数据对象对应XML中的结点(NODE)，对象属性及关联关系对应结点(NODE)下的属性项(KEY)。基于这四种国际通用格式，再对应转变成PDMS软件、DCS软件、材料管理系统、工厂维护系统和工厂资产管理系统能解析的格式。以上所述的文件转换在现有技术中均有相应的软件和方法可实现，在此不做详述。

对于PDMS系统，使用输出的XML对象树，可生成PML语言文本文件，实现二/三维数据校验和比对；与DCS系统(集散控制系统)的连接，是利用与DCS分散控制系统(如SIMATICPCS7)的接口，实现向下游的控制系统组态、调试等的数据移交，从而确保数据的一致性、数据的充分和高效利用；对于材料管理系统，则是通过系统生成带材料编码的设备清册输出成EXCEL格式的文件，批量导入材料管理系统以供管理；对于电厂维护系统和资产管理系统，则是通过导入系统中的PID图、设备规格书等文档及XML数据树，将电厂全部数据和文档放入一个数据库,实现全厂数据和文档的集中管理，与运维数据共享，实现电厂维护、维修、停机、运行等数字管理。为工厂运维和资产管理提供数据依据，从而确保设计数据从设计到运维的一致性、完整性、安全性和可追溯性。

D.通过步骤C的输出数据实现设计数据和施工数据的双向交互，以及虚拟办公系统、运行操作及仿真培训系统、移动终端和网络打印机的应用。所述的虚拟办公系统只需通过浏览器就能进入客户的移动终端进行设计，是基本的客户端应用模式。运行操作及仿真培训系统可以通过与PDMS软件的接口模块，将二维设计数据与PDMS三维数据相结合，输出具有二/三维对象热点连接的镜像文件，该镜像文件可在三维模型播放器中观看，实现模型和数据的浏览。该镜像文件还可用于就地操作和维护人员的仿真培训，包括安全、事故处理、巡检、协同工作等；同时可用于设备操作或维护时随时随地查看与设备绑定的设备各阶段文档，从而提高工作正确率和工作效率；通过虚拟办公系统还能实现对电厂员工的虚拟培训，从而降低误操作率，提高电厂生产效率。通过IPAD或者手机等终端设备可以实现对工程设计数据库的访问和各种文档操作。网络打印机通过服务器端对打印用户的权限控制，实现远程打印等功能。

Claims (8)

1.火力发电工程的设计系统，其特征为：系统层次由下至上包括数据对象层、计算处理层、文档流程管理层、转换输出层和物理层，其中

数据对象层包括：KKS编码、静态属性、关联关系和文档结构；所述KKS编码为设计对象在系统中的唯一性标识；静态属性包括了设计对象的规格规范及计算结果；关联关系用于描述各设计对象之间的逻辑连接关系；文档结构用于描述设计对象和文档之间的对应关系；

计算处理层用于工程设计中各专业的计算和生成成品图；

文档流程管理层根据用户在不同工程和不同流程中的角色设置相应的操作权限；

转换输出层将所需文档和数据转换为工程设计中各软件能够解析的数据格式，并导入对应的软件生成相应的输出数据；

物理层包括服务器集群和客户端，用于设计数据和施工数据的双向交互及客户端应用。

2.如权利要求1所述的火力发电工程的设计系统，其特征为：所述的计算处理层中至少包括：

工艺计算处理器：通过采集设计对象的工艺流程属性值，计算得到相应的工艺数据；

热控计算处理器：热控专业的系统设计和施工图设计；

电气计算处理器：电气低压厂的用电设计和电气主接线设计；

KKS编码器：根据设计中数据对象的类型及逻辑连接信息，对数据对象进行KKS编码。

3.如权利要求1或2所述的火力发电工程的设计系统，其特征为：物理层中所述的服务器集群为虚拟化系统服务器集群架构。

4.如权利要求1或2所述的火力发电工程的设计系统，其特征为：物理层中所述的客户端包括移动终端和/或网络打印机。

5.用于权利要求1至4之一的火力发电工程的设计方法，其特征包括：

A.通过计算处理层，对工程设计中各专业的计算和生成成品图，并且每个对象在生命周期内具有唯一性的KKS编码；

B.通过文档流程管理层对涉及的文档进行版本管理和流程管理，并根据用户在不同工程和不同流程中的角色设置相应的文档操作权限；

C.通过转换输出层将所需文档和数据转换为工程设计中各软件能够解析的数据格式，并导入对应的软件生成相应的输出数据；

D.通过步骤C的输出数据实现设计数据和施工数据的双向交互，以及客户端应用。

6.如权利要求5所述的火力发电工程的设计方法，其特征为：步骤C中转换输出层根据工程设计中各软件能够解析的数据格式，将所需文档和数据对应转换为CAD文件格式、Excel文件格式、XML格式和PDF文件格式。

7.如权利要求5所述的火力发电工程的设计方法，其特征为：计算处理层中通过工艺计算处理器采集设计对象的工艺流程属性值，计算得到相应的工艺数据；通过热控计算处理器对热控专业进行系统设计和施工图设计；通过电气计算处理器对电气低压厂进行用电设计和电气主接线设计；根据设计中数据对象的类型及逻辑连接信息，通过KKS编码器对数据对象进行KKS编码。

8.如权利要求5至7之一所述的火力发电工程的设计方法，其特征为：步骤D中所述的客户端应用包括虚拟办公系统、运行操作及仿真培训系统、移动终端和网络打印机。