Оптимизация электротехнического проектирования с помощью цифрового потока

Судостроение развивалось, и в последние годы к судам предъявлялись гораздо более высокие требования в области электротехники. Электрический проект, выполненный субподрядчиком 10 лет назад, представлявший небольшое судно на верфи, предназначенное для рыбопромысловых судов, буксиров и т. д., требовал 3 000 часов электротехники и монтажа. Сегодня на тот же проект потребуется 5 000 часов. Точно так же 40-метровое рыбопромысловое судно с 10 000 метров кабелей, построенное десять лет назад, будет иметь 30 000 метров кабелей сегодня.

Современные суда требуют все большего количества более крупного оборудования, что, в свою очередь, требует большего количества кабелей, некоторые из которых очень дороги. В настоящее время средний проект корабля может иметь 20 или 30 очень дорогих кабелей, каждый из которых может быть длиной 200 метров. Таким образом, точность кабелей оказывает существенное влияние на стоимость проекта. В военных проектах количество кабелей еще больше.

 

Социальные требования, влияющие на электрические характеристики

21-е столетие ознаменовалось революцией в технологии и связи, которая также сильно повлияла на судостроение. Люди хотят ориентироваться и работать в безопасной и здоровой среде, независимо от того, находятся ли они на судне для работы, путешествий или удовольствия. Факторы окружающей среды имеют свой собственный набор требований, в то время как связанные с ними модернизации и преобразования создают новые проблемы.

 

Требования к эксплуатации

Работа судна подчиняется электричеству, в настоящее время на борту судна почти ничего не делается вручную. Двигательная установка, навигация, управление, оперативная деятельность, управление вооружением, автоматизация, связь и т. д. 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 включает в себя другие электрические требования: уведомления, предупреждения, внутренние телефонные соединения, передачу данных и голоса, в то время как новые энергетические системы требуют больше электроэнергии, например, введение новых батарей. Классификационные общества также ввели новые строгие правила, в то время как судовладельцы добавляют свои собственные.

Коммутатор на маленьком корабле, возможно, имел 4 кабеля и 3 кнопки в прошлом. Сегодня тот же корабль имеет очень сложные распределительные щиты, полные автоматики, управляемой командным мостиком корабля. Все 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.

На другом уровне флоты требуют большого количества сложных систем; все интегрировано в очень безопасных средах с очень большим количеством кабелей и взаимосвязанных электронных компонентов. Исчерпывающее управление проникновением и контроль транзита кабеля необходимы с обширным определением атрибутов и деталей, например, в водонепроницаемых переборках. Есть еще более сложные электрические потребности в подводных лодках, где каждый кабель определяется в 3D в каждом транзите, один за другим.

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 дороги и имеют значительный экономический эффект.

 

Требования верфи

Требования верфей к электрическим проектам зависят от их возможностей. Некоторые верфи разрабатывают свои собственные электрические проекты, другие заключают субподряд на выполнение всех электрических задач. Верфи обычно заключают субподряд на электромонтажные работы. Небольшие верфи не делают никаких электрических проектов в 3D, даже кабельных лотков. Некоторые верфи разрабатывают и измеряют кабельные лотки для резервирования пространства и, возможно, прокладывают некоторые важные кабели.

Военно-морские верфи, с другой стороны, требуют программного обеспечения с ограничениями безопасности и использования передовых технологий.

В общем, верфи нуждаются в данных не только для производства, но и для монтажа. Было бы более эффективно предоставить монтажному персоналу доступ к 3D-модели продукта для лучшего понимания проекта, измерения, утверждения качества и отслеживания состояния, чем просто предоставлять им большое количество бумажных чертежей.

 

Требования проектной компании

Проектные компании начинают использовать электрические интегрированные системы в своих корабельных электрических проектах. Их проблемы включают необходимость в эффективных инструментах для быстрого проектирования и открытости, чтобы иметь возможность работать с различными судовладельцами и верфями. Они также должны соблюдать строгие правила и иметь одобрение 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 электрический проект на ранних стадиях проектирования, охватывая каталоги деталей и кабелей, схемы, общие компоновочные схемы, автоматизм, управление сигналами и выходами.

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

 

Концепция дизайна

Предварительное электрическое проектирование начинается с рассмотрения следующих понятий: общая компоновка и другие входные данные, электрические расчеты, чертеж и генерация выходных данных

В начале проекта исходными данными для начала электрического проектирования являются общая компоновка судна, основное оборудование и системы, а также электропотребители на различных уровнях эксплуатации. Данные, доступные из других проектов, должны быть легко повторно использованы на этом этапе. Расчеты производятся для измерения электрических потребностей на этом этапе. CADMATIC имеет некоторые расчетные функции и позволяет взаимодействовать с другими расчетными инструментами, например с Dialux, ведущим программным обеспечением для проектирования освещения.

Принципиальными 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, рассматривая в качестве критических максимальные пределы перепада. Ток короткого замыкания тоже можно рассчитать. Другой расчет-это 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,

 

Базовый и функциональный дизайн

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, так как новое оборудование, воздуховоды, трубы и другие элементы добавляются в проект и влияют на электрические размеры.

Например, только изменение одного элемента оборудования может повлиять на трубы, кабели, размеры кабельных лотков и т. д. Покупка того или иного оборудования у того или иного поставщика влияет на услуги водоснабжения, холодильные услуги, трубы к оборудованию, кабели и т.д.

Рисунок 2. Дерево продуктов, организованное в соответствии с системами.

 

Каталог материалов

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

Перечень элементов включает оборудование, трубы, вентиляционные линии, приборы, арматуру, фундаменты, опоры, кабели, оборудование приборами, электрическую арматуру, арматуру и любой другой элемент, который нуждается в электрификации.

Рисунок 2. Расположение документов и схема освещения.

 

Схематическое изображение

Инструмент схема является основным инженерным приложением при определении базового проектного электрического проекта. В этом приложении определяются оборудование, соединения, необходимый тип кабеля, характеристики и сечение, а также занимающий определенный объем.

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

Сложные проекты требуют много схем, например, 200 схем в морском стандартном судне размещения. Схемы связаны с 3D-моделью интеллектуальным способом.

Рисунок 4. Пример электрической схемы.

 

Макеты

Определено место для крупногабаритного оборудования. После этого определяются электрические распределительные щиты управления и главный распределительный щит управления двигателем.

CADMATIC включает в себя возможность компоновки для генерации макета коммутатора.

Освещение задается и используется в линейных схемах, но также может быть легко расположено в общем расположении судна, например, в чертежах палубы.

Рисунок 5. Деталь компоновки силового привода двигателя и систем управления.

 

Рисунок 6. Чертеж устройства освещения.

 

Определение кабеля

Кабели определяются 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.

Остальная часть определения кабеля определяется впоследствии, как только в проекте будет определено другое оборудование. Некоторые кабели все еще устанавливаются даже после того, как судно вышло в море.

Это особенно полезно для массивной загрузки информации, чтобы создать сценарии для создания новых кабелей.

 

Ранняя 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.

С электрической точки зрения, некоторые оговорки пространства могут быть сделаны в 3D в самом начале, а также предварительная прокладка кабелей основных систем.

В военно-морских программах очень полная 3D-модель создается во время функционального проектирования с большинством оборудования и элементов уже в их конечных положениях.

 

Основные проектные результаты

Основные результаты проектирования включают чертежи, каталоги материалов, списки (рис. 7) и отчеты для утверждения, генерируемые автоматически настраиваемым способом.

Важно, как управляются изменения, например добавление новых элементов к изменениям, таким как изменения в соединениях.

 

Рисунок 7. Список кабелей экспортируется в формате Excel.

 

Технический проект

 

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.

Канатная дорога

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

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

Оборудование может быть оборудовано служебным помещением (рис. 8) и маршрутизация кабельных лотков является интерактивной в 3D-модели.

 

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

 

Кабельная Узловая сеть и маршрутизация 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 помех 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. Кабельный менеджер.

 

Управление проникновением

Проникновения очень важны, 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.

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

Характеристика и конфигурация прониканий включают размеры для запросов отверстия. Запрос на отверстие создается и отправляется в приложение корпуса. В инструменте hole manager запускается онлайн-менеджер проникновения и процесс утверждения с отделом корпуса.

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

 

Рисунок 10. Кабельный менеджер.

 

Обнаружение столкновений

Очень важно проверить столкновения между элементами, в частности, между конструкцией корпуса, оборудованием и электрическими элементами. Столкновения должны быть пересмотрены после изменений в менеджере столкновений. Инструменты управления информацией с доступом к 3D-модели также могут быть использованы на любом этапе для управления столкновениями.

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.

Кабельные вешалки

Лотки необходимо крепить к корпусной конструкции. Для этого можно использовать стандартные или индивидуальные элементы. Существуют некоторые стандартные шаблоны вешалки и поддержки, 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. Полезно 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 улучшается, если используется модель изделия с интегрированной электрической информацией. Программные средства управления информацией могут быть использованы для интеграции управления жизненным циклом электрического проекта в цифровую нить. 

Рисунок 14. Инструмент просмотра с доступом к электрическим данным.

 

Просмотрщик обзора проекта, веб-портал для доступа ко всем консолидированным данным проекта из различных баз данных или просмотрщик на планшетах могут быть использованы для управления проектом и управления отслеживанием состояния, планификацией, проверкой, процессами утверждения и т.д.

Выводы

В большинстве случаев электрические проекты все еще основаны на 2D-инструментах. Даже электрические проекты, выполняемые с использованием передовых электрических 3D-инструментов, не имеют интеграции между инструментами, проектными дисциплинами, а также между компаниями, поскольку большинство верфей заключают субподряды на проектирование и монтаж электрооборудования. Требуется значительное улучшение.

Программное обеспечение CADMATIC эффективно с точки зрения своей электрической функциональности, но также очень важно, поскольку оно может быть легко интегрировано в совместную удаленную среду между верфями, конструкторскими бюро, субподрядчиками, поставщиками и монтажными компаниями.

Использование информационных управленческих решений представляет собой хороший шаг вперед в цифровизации задач управления электрическими проектами с другими элементами корабля. Выгодно интегрировать электрические проекты в цифровую нить.

 

Эта статья представляет собой сокращенную и измененную версию документа, который был представлен и принят для представления на Морской конвенции Sname 2020.