Оптимизация электротехнического проектирования с помощью цифрового потока

Большинство электротехнических проектов в судостроении все еще ведутся с помощью 2D-инструментов. Однако, для эффективного управления и реализации электротехнических проектов требуется иной подход. Необходимо решение, позволяющее выполнять проектные работы одновременно c формированием жизненного цикла судна, где электротехническое проектирование полностью интегрировано с моделью судна, создавая цифровой поток.
 

Задача состоит в том, чтобы предоставить решение, обеспечивающее подключение ко всем приложениям проекта судна, которое при этом может быть эффективно использовано с учетом различных условий работы верфей и субподрядчиков.
 

Судостроение развивается, и в последние годы к судам предъявляются гораздо более высокие требования в области электротехники. Электротехнический проект небольшого судна на верфи для рыбопромысловых судов, буксиров и т. д., выполненный субподрядчиком 10 лет назад, требовал 3 000 часов электротехники и монтажа. Сегодня на тот же проект потребуется 5 000 часов. Точно так же 40-метровое рыбопромысловое судно, содержащее 10 000 метров кабелей, построенное десять лет назад, уже будет иметь 30 000 метров кабелей сегодня.
 

Современные суда требуют всё больше более крупного оборудования, что, в свою очередь, требует большего количества дорогостоящих кабелей. Сегодня средний проект корабля может иметь 20 или 30 дорогостоящих кабелей, каждый из которых достигает до 200 метров. Таким образом, точность кабелей оказывает существенное влияние на стоимость проекта. В военных проектах количество кабелей еще больше.
 

Влияние социальных требований на электротехнические характеристики
 

21-е столетие ознаменовалось революцией в технологии и связи, которая оказала значительное влияние на судостроение. Сегодня люди хотят находиться и работать в безопасной и здоровой среде, независимо от того, оказались ли они на судне для работы, путешествия или отдыха. Факторы окружающей среды и социальные порядки создают все новые требования, в то время как связанные с ними модернизации и преобразования создают новые проблемы.

Требования к эксплуатации
 

Работа судна во многом зависит от электричества. В настоящее время на борту судна почти ничего не делается вручную. Двигательная установка, навигация, управление, оперативная деятельность, управление вооружением, автоматизация, связь — это основные виды деятельности, требующие электрического и автоматического управления. Роботизация в операциях и маневрировании, необслуживаемые машинные отделения, а также автоматизация в управлении кораблем и на мостиках управления создали дополнительные проблемы.
 

Внутренняя корабельная связь обеспечивается во многом автоматизированными системами: уведомления, предупреждения, внутренние телефонные соединения, передача данных и голоса — все это требует больших затрат энергии. Классификационные общества вводят новые жесткие правила, а судовладельцы добавляют свои собственные.
 

Корабельные системы усложняются: всё имеет сигналы, датчики и системы управления, что подразумевает широкое использование кабелей для питания, автоматизации и контроля, а также для измерения давления, температуры и т. д.
 

Концепции Digital Twin приходят с невообразимыми требованиями к электрике и автоматизации. Эти требования могут достигать максимальных уровней на беспилотных судах.
 

Повышенный уровень электрификации, требуемый всеми этими эксплуатационными требованиями, означает, что внутри судна требуются километры кабелей. Кабели в свою очередь очень дорогостоящие и имеют значительный экономический эффект на общую стоимость.
 

Требования верфей
 

Требования верфей к электротехническими проектам зависят от их возможностей. Некоторые верфи разрабатывают свои собственные электротехнические проекты, другие заключают субподряд на выполнение всех электротехнических задач. Обычно верфи предпочитают заключить субподряд на электромонтажные работы. Небольшие верфи не делают электротехнические проекты в 3D, даже кабельных лотков. Часть верфей разрабатывают и измеряют кабельные лотки для резервирования пространства и иногда прокладывают некоторые важные кабели.
 

Верфи нуждаются в данных не только для производства, но и для монтажа.  Эффективнее предоставить монтажному персоналу доступ к 3D-модели продукта для лучшего понимания проекта, измерения, утверждения качества и отслеживания состояния, чем выдавать множество бумажных чертежей. 
 

Требования проектных компаний
 

Проектные компании все чаще начинают использовать электротехнические интегрированные системы в своих корабельных электротехнических проектах. Для достижения своих целей их сотрудники нуждаются в эффективных инструментах для быстрого проектирования. Помимо этого, проектировщикам требуются открытые данные, чтобы иметь возможность работать с различными судовладельцами и верфями. Все это осуществляется при соблюдении жестких стандартов и получения одобрения регулирующих органов.
 

 

Рисунок 1. Интеграция схем, 3D-моделей и макетов
 

Электрическое программное решение CADMATIC
 

Электрическое решение CADMATIC ориентировано на базу данных и основано на двух приложениях: CADMATIC Electrical и CADMATIC Outfitting and Piping Design.
 

CADMATIC Electrical обрабатывает электротехнический проект на ранних стадиях проектирования, охватывая каталоги деталей и кабелей, схемы, общие компоновочные схемы, автоматизацию, управление сигналами и производственными выходами.
 

CADMATIC Outfitting and Piping Design продолжает электротехнический процесс с интеграцией кабельных путей в 3D-модели с остальной частью проекта судна, управлением кабельным маршрутизатором, управлением проходками и производственными выходами.
 

Концептуальное проектирование
 

Предварительное электротехническое проектирование начинается с рассмотрения следующих понятий: общая компоновка и другие входные данные, электротехнические расчеты, исходные чертежи и генерация выходных данных.
 

Важными аспектами являются схемотехнические расчеты и инструменты для калибровки электрических элементов. Вначале только силовые кабельные выключатели для главного двигателя, генераторов и т. д. имеют размеры. Большая часть этой информации направляется поставщиками двигателей. Возможны перепады электрического напряжения, в качестве критических учитываются максимальные пределы перепада. Ток короткого замыкания тоже можно рассчитать. Еще один не менее важный расчет — оценка длины кабелей.
 

Защита кабеля должна быть проверена для каждой цепи и с учетом ее использования, а также характеристик и расстояния до других типов кабелей.
 

Электрические выходы на стадии предварительного проектирования должны быть сгенерированы быстро, с автоматизацией формирования чертежей и стандартных и индивидуальных отчетов, которые могут быть восстановлены. Базы данных продуктов CADMATIC совместимы с Excel,

Техническое проектирование

Системное описание
 

В начале проекта определяются основные системы и оборудование. Поставщики основного оборудования передают информацию и детали, включая электрические соединения, кабели, сигналы и т.д. Это включает в себя определение систем и другого сопутствующего оборудования, такого как управляющее оборудование, насосы и т.д. Основные распределительные щиты определяются с помощью этой информации.
 

Определение должно быть сделано таким образом, чтобы оно соответствовало остальным потребностям проектирования. Это непростая задача расположить новое оборудование, воздуховоды, трубы и другие элементы в проекте без изменений электрических параметров.
 

Например, изменение только одного элемента оборудования вероятно повлечет изменение трубопроводов, кабелей, соответственно, размеры кабельных лотков и может вызвать корректировку расположения других элементов, расположенных рядом.
 

 

Рисунок 2. Дерево продуктов, организованное в соответствии с системами
 

Каталог материалов
 

Каталог материалов и уникальные наборы стандартов расширяются и заполняются по мере развития проекта все большим количеством элементов и подробностей об оборудовании, фитингах и кабелях.
 

 

Рисунок 2. Расположение документов и схема освещения
 

Принципиальная схема
 

Модуль Diagram является основным инженерным приложением при определении электротехнических параметров в техническом проекте. В этом приложении определяются оборудование, соединения, необходимый тип кабеля, прочие характеристики и технические данные.
 

Схемы могут включать электрические системы, освещение, схемы распределительных щитов и т. д., включая схемы питания, управления и контрольно-измерительных приборов.
 

 

Рисунок 4. Пример электрической схемы
 

Общая схема размещения
 

На данный момент определено место для крупногабаритного оборудования. После этого определяются электрические распределительные щиты управления и главный распределительный щит управления двигателем.
 

CADMATIC позволяет работать с общей компоновкой одновременно редактируя и создавая внутреннюю компоновку элементов распределительного щита.
 

Освещение задается и используется в линейных схемах, но также может быть легко добавлено в общее расположение судна, например, на чертежах определенной палубы.
 

 

Рисунок 5. Участок компоновки ВРК и систем управления
 

 

Рисунок 6. Чертеж устройства освещения
 

Размещение кабеля
 

Схемы кабелей используются на всех этапах проектирования. В самом начале проекта определяются наиболее важные силовые кабели для главного двигателя, генераторов и т. д. Обычно эта информация поступает от поставщиков двигателей и не изменяется в процессе проектирования.
 

Базовая 3D модель
 

На ранних стадиях проектирования можно расположить соответствующее оборудование в 3D-модели. Уровень детализации на данном этапе зависит от проекта. Преимущества раннего запуска 3D-модели заключаются в точности данных, едином доступе к данным, совместной среде проектирования и повторном использовании данных на последующих этапах.
 

Некоторые участки пространства и предварительная прокладка кабелей основных систем могут быть сделаны в 3D в самом начале. 
 

В военно-морских проектах подробная 3D-модель создается во время концептуального проектирования с большинством оборудования и элементов уже в их конечных положениях в связи со спецификой.
 

Главные проектные результаты
 

Главные результаты проектирования включают чертежи, каталоги материалов, списки (рис. 7) и отчеты для утверждения, настраиваются и в последствии генерируются автоматически.
 

Важно, как легко внести и корректировать изменения, например, добавить новые элементы и осуществить сопутствующее изменение подключений.
 

 

Рисунок 7. Список кабелей экспортируется в формате Excel
 

Рабочее проектирование
 

Интеграция схем и 3D-модели
 

Информация на диаграмме является отправной точкой на данном этапе, и, возможно, некоторые элементы уже расположены в 3D-модели.
 

Проектировщик размещает элементы в 3D, следуя схеме с информацией о конкретных элементах, соединениях, кабелях и т. д. Программное обеспечение помогает пользователю правильно расположить элементы в 3D.
 

Схемы трубопроводов и контрольно-измерительных приборов (P&ID) содержат очень важную информацию для электрического проекта, поскольку они содержат информацию о комплектующих элементах, оборудовании, фитингах и т. д. Эти диаграммы интегрированы с 3D-моделью, так что пользователь может следить за ходом определения местоположения части оборудования, клапанов и инструментов.
 

Расположение кабелей
 

Кабельные пути основаны на компоновке кабельного лотка в 3D-модели. Определение типов кабельных лотков, размеров и опор и т.д. это предшествующая задача администрирования перед позиционированием чего-либо в 3D-модели.
 

Можно импортировать информацию из компонентов из сторонних инструментов и включить их в библиотеку компонентов.
 

Оборудование может быть дополнено зоной обслуживания (рис. 8), маршрутизация кабельных лотков является интерактивной в 3D-модели.
 

 

Рисунок 8. 3D модель с изображением электрических шкафов и их атрибутов 
 

Кабельная Узловая сеть и трассировка кабелей
 

Определение электрической узловой сети генерируется по возможным траекториям кабельных лотков и даже с учетом некоторых скачков между ними. Электрические элементы должны быть связаны с сетью, которая имеет заранее определенные правила. Следуя этой информации, кабели могут быть проложены автоматически, следуя наиболее подходящим и коротким кабельным путям. Он держит под контролем скорость заполнения и столкновения помех.
 

Каталог кабельных лотков определяет область, которую можно заполнить, с различными схемами заполнения и количеством слоев кабеля. Администратор может определить необходимые расстояния между сегрегациями. Определение емкости лотка включает в себя расстояния между столкновениями помех.
 

 

Рисунок 9. Скорость заполнения на лестнице кабельного лотка
 

Сервисные пространства рассматриваются для "мягких" столкновений, если есть предметы слишком близко над кабельным лотком. Автоматические кабельные пути могут быть заполнены расчетной площадью, расстоянием сегрегации, столкновением с помехами и различными схемами заполнения. 
 

Кабели должны быть проверены для контроля хода работы и организованы в соответствии с теми, которые проложены, еще не проложены, изменены и т. д. в диспетчере кабелей (рис. 10). Эти данные сравниваются с диаграммой, а также в приложении design 3D. 

 

 

Рисунок 10. Менеджер кабельный
 

Управление переборочными и палубными элементами (проходки, сальники и пр.)
 

Управление переборочными и палубными элементами очень важно, и для каждого отверстия требуется одобрение отдела конструкции корпуса. Это критическая задача в водонепроницаемых переборках. Всегда полезно иметь стандартную информацию от поставщиков рынка, например Roxtec, для использования в библиотеке электрической модели.
 

Проходки требуют уникальной идентификации. Администратор определяет типы, характеристики и свойства многокабельных проходок, их уплотнительные элементы и простые кабельные комингсы.
 

Заложенные параметры переборочных проходок включают конфигурацию вырезов для последующих запросов для создания корпусных отверстий. Запрос на отверстие создается и отправляется в приложение корпуса. В инструменте hole manager доступен онлайн-менеджер переборочного насыщения и отслеживания процесса утверждения с корпусным отделом.
 

Скорость наполнения контролируется в проходках. Контроль кабелей в каждом сквозном проведении также возможен с помощью конкретного запроса.

 

 

Рисунок 10. Монтаж проходки
 

Обнаружение пересечений
 

Очень важно своевременно проверять коллизии между элементами, в частности, между конструкцией корпуса, оборудованием и электрическими элементами. Пересечения могут быть пересмотрены и проверены в менеджере коллизий. Инструменты управления информацией с доступом к 3D-модели (eShare, eGo и пр.) также могут быть использованы на любом этапе для управления и работы с пересечениями.
 

Управление изменениями
 

Наиболее важным аспектом в судовых электрических отделах является управление изменениями. Электрический отдел интегрирует все элементы в проекте, Управляя изменениями до поставки корабля. Новые кабели, дополнительные кабели, различные типы проходок, новые конструктивные элементы, пересекающие кабельные зоны и т. д. приведем несколько примеров.

Можно сохранить соединение подключенного трубопровода при перемещении части оборудования или при перемещении всего трубопровода или кабельного лотка. Геометрия автоматически адаптируется к новому положению.

 

 

Рисунок 12. Диспетчер кабелей после автоматического перенаправления кабеля
 

Сигналы
 

Электрические сигналы и системы управления определяются на стадии детального проектирования. В общем случае сигнальные кабели управляются так же, как и другие кабели. Это влияет на то, как контролируются проверки насыщения в кабельных лотках и на проходках. Отчеты формируются таким же образом.
 

Электро-слесарное насыщение
 

Лотки необходимо крепить к корпусной конструкции. Для этого можно использовать стандартные или индивидуальные элементы. Существуют некоторые стандартные шаблоны подвесок и подкреплений, и администратор может создавать новые с помощью скриптов.
 

Производство, монтаж и эксплуатация
 

Списки кабелей должны быть сформированы, включая информацию о головном и хвостовом оборудовании и индивидуальную информацию. Удобно запускать списки кабелей автоматически и в пакетном режиме.
 

Длина кабеля — это очень важные выходные данные. Другой результат — это чертежи сечений, которые показывают, как кабели заполняются в определенных сегментах, информацию о материале и другие связанные с этим данные.
 

 

Рисунок 13. Чертеж с электрической информацией
 

Список проходок должен быть извлечен, показывая принцип заполнения, где каждый кабель назван и расположен. 
 

В общем, монтаж все еще основан на 2D-чертежах. Например, более 100 рабочих могут работать на электромонтажных работах на военном патрульном судне среднего размера. В большинстве случаев монтажники отправляются на верфь с набором чертежей и отчетов по кабелю и оборудованию. 
 

Процесс монтажа становится эффективнее, если используется модель изделия с интегрированной электрической информацией. Программные средства управления информацией могут быть использованы для интеграции управления жизненным циклом электротехнического проекта в цифровой поток. 

 

 

Рисунок 14. Инструмент просмотра с доступом к электрическим данным
 

В отдельном окне просмотра проекта, веб-портале для доступа ко всем консолидированным данным проекта из различных баз данных или в приложении на планшетах могут быть использованы электромонтажные данные для управления проектом и управления отслеживанием состояния, планированием монтажных работ, проверкой, процессами утверждения и т. д.
 

Выводы
 

В большинстве случаев электротехнические проекты все еще основаны на 2D-инструментах. Но даже те электротехнические проекты, выполняемые с использованием передовых электрических 3D-инструментов, обычно не имеют интеграции между инструментами, проектными дисциплинами и между компаниями, поскольку большинство верфей заключают субподряды на проектирование и монтаж электрооборудования. Все это нуждается в улучшении. 
 

Программное обеспечение CADMATIC эффективно с точки зрения своей электротехнической функциональности. Особенно важно, что оно может быть легко интегрировано в совместную удаленную среду между верфями, конструкторскими бюро, субподрядчиками, поставщиками и монтажными компаниями.
 

Использование информационных управленческих решений позволяет сделать шаг вперед в цифровизации задач управления электрическими проектами с другими элементами корабля. Намного эффективнее интегрировать электротехнические проекты в цифровой поток.

Полную версию статьи вы можете прочесть по ссылке.

Иллюстрации: CADMATIC