中钢设备有限公司 / 北京中宏联工程技术有限公司
中钢设备有限公司 / 北京中宏联工程技术有限公司
欧特克助力中钢设备打造球团项目
EPCMO全生命周期数字生态
案例研究
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韩基祥 中钢设备有限公司矿物加工部部长、北京中宏联工程技术有限公司总经理
冶金企业如何能够打破信息孤岛、加速数字化转型、实现智能制造以及绿色低碳发展?中钢设备有限公司的矿物加工部部长韩基祥和欧特克分享了他的经验和见解。
通过Autodesk Inventor®进行参数化设计,中钢设备大幅提高了设计效率;借助Autodesk Forge®技术,安装人员可以通过数据平台访问Autodesk Vault 模型库,在现场就能够实时调取所需的关键信息来指导安装施工。同时,基于Forge 技术的混合分析平台帮助中钢设备实现了智慧运营;在乌克兰Arcelor Mittal球团项目设计建造过程中,设计人员将Autodesk Revit®模型导入到Autodesk BIM360®中, 通过参数化驱动实现了联动协同。同时, 利用Autodesk Navisworks®进行4D施工进度管理,通过4D模拟同步现场施工进度,中钢设备有效地管理了时间及供应链调配等工程资料的安排。
中钢设备有限公司(以下简称“中钢设备”)是中钢国际工程技术股份有限公司的全资子公司,是国内外知名的工程技术公司,为国内外钢铁企业提供全流程、全生命周期的绿色、系统解决方案。其中,在从铁矿石加工到后期钢材生产的服务中,中钢设备的优质服务贯穿了全流程。
基于自主研发的、成熟先进带式焙烧机球团技术及装备,中钢设备为进一步延长价值链,成立了北京中宏联工程技术有限公司(以下简称“中宏联”)。中宏联由中钢设备、江苏宏大、浙江联能及中南大学共同组建,是一家集研发、创新、制造产学研于一体的公司,业务聚焦工业设计、智能制造、智慧运营及EPC+M+O全生命周期服务等领域。中宏联自主研发了领先的带式焙烧机技术,打破了长期以来国外技术的垄断,实现了高炉炉料的绿色及低碳冶炼。该技术自2008年开始研发,于2010年在中东签订第一个境外EPC+M+O的总承包项目。迄今,中钢设备已凭借该技术,建成了16座带式焙烧机球团工厂。目前,在全球带式球团领域,中钢设备已经成为全球前列的公司。
目前,中钢设备已经实现了全面的数字化设计,欧特克的产品技术也贯穿了球团项目EPC+M+O全生命周期的数字生态。我们将继续推进数字设计与工厂布局、 参数配置设计、VR虚拟工厂、 仿真混合分析平台的建设和应用,建立多专业、跨地域协同、 科学规范的设计标准体系,携手欧特克产品深耕数字化生态圈,为带式球团的高质量发展注入新的动力。
—韩基祥 中钢设备有限公司矿物加工部部长、北京中宏联工程技术有限公司总经理
近年来,中钢设备深入应用数字化技术实现设计仿真一体化与数字化交付,初步完成了数字化转型。
在上述过程中,欧特克软件(中国)有限公司(以下简称“欧特克”)为其提供了强大的数字化工具。中钢设备有限公司矿物加工部部长、北京中宏联工程技术有限公司总经理韩基祥介绍说,中钢设备从2013年就开始采用欧特克的Inventor进行全三维设计,并利用相关产品进行有限元计算与分析,对设备结构进行强度、运动、流体分析等,在设计阶段最大限度地预测实际工况下的运行情况,提高了设备的可靠性。在中钢设备的带式球团项目EPC+M+O全生命周期数字生态中,应用到了数个欧特克主流软件,如AutoCAD®、Inventor、Factory Design Utilities、Navisworks、Autodesk 3ds Max®、Forge、Vault、BIM360等。
目前,中钢设备已经实现了全面数字化设计,并在智能建造中纳入了数字设计理念,以便推进施工进度的科学管理。中钢设备还利用大数据决策以及神经网络计算,更加智慧的指导运营,让项目变得更节能、低碳。中钢设备的带式球团项目全生命周期服务包括 “E”“P”“C”“M”“O” 5个阶段,即:数字设计、智能建造、施工进度管理、大数据决策与管理及智慧运营阶段。欧特克的产品技术也贯穿了这5个阶段。
在EPC+M+O球团生态中,工厂布局设计有着十分重要的应用。谈及中钢设备为什么要做工厂布局设计,韩基祥表示:“此前,我们发现通过二维图纸,并不能有效地让客户真正理解我们的数字设计理念。于是,我们就思考如何能够让客户在第一时间,在建筑工程高阶段设计、数字项目营销阶段,就能够认知到数字设计的强大优势。中钢设备利用欧特克工厂设计套件Factory Design Utilities,将以往承建的200~800万吨带式项目中的设备模型都集成在资源库中,并对其进行轻量化处理。在使用时,把这些设备模型投影在二维CAD图纸上,就能一键生成三维模型。以造球室和带式焙烧机这两个核心车间为例,能够迅速给客户非常直观、沉浸式的体验。”
“同时,由二维CAD图纸带入设备的模型进行布置,一键生成三维空间下的工厂,把建筑的模型带入进行约束——这样快速的布置,还能够帮助中钢设备工艺设计部门在工厂布局的时候,特别是在建筑工程高阶段设计时,快速精准表达设计亮点,让客户有效捕捉设计亮点。”韩基祥补充道。
除了工厂布局设计,知识驱动的参数配置设计也是重要应用点。在EPC+M+O生态中,设计师将经验转化为参数,参数总结成规则和标准,将规则和标准通过Inventor iLogic进行程序编制,再和模型结合起来。在中钢设备的实践案例中,通过Inventor进行参数化设计,可以大幅提高设计效率。
图片来源于中钢设备有限公司
韩基祥告诉笔者,“以前一台480万吨的大型带式焙烧机的总图设计,需要10个人的非标设计团队耗时30天完成。而现在,以知识驱动的参数配置设计,同样的10人设计团队可以同时执行4个同等规模的球团非标设计,且只需7天就可以完成。同时,知识驱动的参数配置设计还可以自动生成全规格设备总图,提返资效率提升50%; 生成不同规格的皮带机总图、订货图等方面,效率也可提升50%。“ 同样大幅提升的还有设计单元的人均产值——设计人员的时间节省了,大部分精力还可回归到设计核心问题——设备设计的结构优化、流体压力场验证、温度场在设备中的变化等等。
在EPC+M+O生态中,设计人员会通过Inventor的Nastran对焙烧机关键部件进行有限元分析,获取机构内部的力学信息,为设计优化提供数据支撑;并且会在CFD流体压力场、温度场验证下进行设计。同时,设计人员还会通过三维计算仿真,直观获取布料过程中球团在物理空间上的移动,优化布料控制系统,从而实现均匀布料。”
利用VR远程培训和三维模型指导现场安装,是中钢设备在智能建造方面的两个重要应用场景。
中钢设备将带式焙烧机的作业部分通过VR展示,借此完成对新上岗一线员工的远程培训,并可以让经验较少的技术人员独立完成维修和施工,并实现与国内外厂家等在内的多方远程指导协作。 事实证明,远程施工培训对于进一步提升作业精准、减少材料浪费方面效果突出。据统计,利用VR完成远程施工培训后,喷涂作业材料损耗可以下降15%-25%。
传统模式下的现场安装,由于安装人员对图纸信息理解不到位、人员经验参差不齐、安装经验无法有效传递等原因,导致出现各类错误。中钢设备借助欧特克的Forge技术,将安装图纸和带式焙烧机模型相结合,有效扭转了上述设备现场安装“状况频出”的局面。现场安装人员可以通过数据平台访问Vault模型库,实时调取模型和图纸设计等关键信息,以更好指导安装施工。同时,安装进度在模型上更新显示,让管理人员可以随时了解核心设备的安装进度。
在ArcelorMittal乌克兰500万吨带式焙烧机球团项目设计建造过程中,设计人员将Revit的建筑模型导入BIM360中,通过参数化驱动,可以将模型自动分层标高投影出二维图纸,以便进行联动协同。现场施工人员在调取模型时,点击二维图纸上的模型,所在的单元就同步展现出来;点击二维图纸上的设计模块,则会显示三维模型中设计点的位置。
该项目还使用Navisworks进行4D施工进度管理。通过4D模拟同步现场施工进度,可以有效把控时间安排、供应链调配等工程资料安排。韩基祥介绍道:“未来还会形成5D施工进度管理,融入项目成本;它可以模拟按施工进度所产生的费用,供应链排布,指导厂家生产、供货、发货、到港等。这些技术很大程度帮助我们保证了项目的顺利高效交付。”
混合分析平台是中钢设备基于Forge技术对带式球团项目定义的工厂数字孪生,包含了三个方面:首先是数字化资产,包括三维建筑模型、三维设备模型和BIM工厂的轻量化模型。
其次是CFD仿真数据。根据不同工况、不同料种的化学特性进行仿真模拟,将仿真模拟和三维模型进行匹配。“仿真模拟在CFD环境下是机理模型,我们现在将机理模型由同样的边界条件和同样的输出结果降阶成数学模型,以实现秒级反馈。它的意义在于可以将设计最前端验证的CFD延伸到工厂运营和控制中,保证边界条件在不断变化的时候,仿真模型也能随之变化,反馈出仿真的结果用于指导生产和运营,达到精益化生产。”韩基祥介绍到。
图片来源于中钢设备有限公司
最后是工业运行数据。中钢设备利用Vault和Forge技术,通过实例特性将每个不可拆分件编码,与生产数据连接、与制造费用数据关联。这样就可以实时了解每台设备,甚至整个工厂在设计、建造及运营中的所有相关信息。作为全时间轴的数字工厂,数字孪生工厂可以通过生产运营的状态去预测设备未来的消耗、易损件的更换频率;也可以了解到产品生产为什么成功或失败,并追溯料或设备在过去出现了什么问题。
韩基祥总结说:“这个平台包含数字设计模型以及背后的二维图纸,生产运行的生产数据、视频数据,工艺设计前端的仿真数据。将来,还会包括各种费用数据,对生产大数据不同维度的分析,并基于此提供数据分析服务。它会是5D或6D一体式数字工厂的交付解决方案。”
中钢设备在数字建设的同时,也十分注重三维设计与协同体系的建设。正所谓,“数字设计,标准先行”,中钢设备通过对三维设计标准的逐渐规范,形成了一套成熟的设计模式,即:利用知识积累与不断迭代驱动的带式球团项目三维设计体系,建立统一的标准化模板,结合行业最佳实践和带式焙烧机本体设计规则,制定自研、外购等非标和标准零部件设计和设计方法应用规范。
韩基祥举例说:“就像前文提及的乌克兰带式球团项目,52条皮带机由11个模板驱动而成,且不仅是皮带机,包括侧墙板、料槽、回热风箱等,凡是能够建立成模板的,都要形成模板,由知识驱动的参数进行配置设计。从CFD仿真到生产运营环节,将数字设计在EPC+M+O中贯穿全程。三维设计模板建立、三维设计环境搭建、三维设计管理规范、三维设计建模规范、统一的三维设计基础数据库,这些标准规范的建立,支撑了带式球团项目数字工厂的多位一体的交付模式。”
韩基祥强调说,“数字驱动产业升级,智能化引领服务创新,是我们始终坚持的理念。中钢设备会持续深耕数字设计,探索先进控制方法,用数字点亮服务创新。我们将坚持注重数字设计与工厂布局、参数配置设计、VR虚拟工厂、仿真混合分析平台的建设和应用,建立多专业、跨地域协同、科学规范的设计标准体系。”
未来,中钢设备与中宏联将持续以“低碳冶金服务商,绿色发展先行者”为指引,携手欧特克深耕数字化生态圈,为带式球团的高质量发展注入新的动力。
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