Как быстро бежит время! Кажется, еще совсем недавно один из авторов данной статьи заглядывал украдкой в огромную комнату макетчиков, снедаемый любопытством: как это им удается создавать трехмерные пластмассовые модели огромных установок и целых нефтеперерабатывающих заводов! Сколько времени и труда поглощала эта работа! А ныне мы свободно и привычно оперируем подобными моделями на экранах мониторов своих персональных компьютеров.

Преимущества трехмерных систем проектирования предприятий

Внедрение трехмерных систем автоматизированного проектирования революционно изменило саму технологию проектирования промышленных предприятий. Их использование становится ныне не просто каким-то модным новшеством, которое спешат себе позволить избранные промышленные гиганты, но объективной необходимостью для большинства проектных фирм. Только такие системы позволяют обеспечить конкурентоспособный уровень качества и скорости исполнения заказов на современном рынке проектных услуг. Трехмерные системы проектирования предприятий уверенно завоевывают западный рынок, недалека очередь и России.

Такие системы позволяют вести монтажное проектирование непосредственно в среде трехмерной графики, создавать трехмерные компьютерные модели отдельных промышленных установок и целых производств и выпускать на основе этих моделей всю необходимую проектную документацию. Они используются для проектирования промышленных предприятий широкого круга отраслей – от нефтеперерабатывающих заводов, атомных электростанций и морских нефтяных платформ до предприятий пищевой промышленности.

Основой этих систем являются единая (либо интегрированная) база данных проекта и связанная с ней трехмерная геометрическая модель (они хранятся обычно на сервере локальной вычислительной сети). База данных и модель являются основным местом хранения и источником информации по выполняемому проекту, а также связующим звеном для всех участников процесса проектирования. Однажды внесенная в базу данных и модель информация становится доступной для всех последующих операций-тем самым обеспечивается эффективное взаимодействие и согласование проектных решений по различным частям проекта. Например, при прокладке трубопроводов в трехмерной модели проектировщик может видеть строительные конструкции, создаваемые его коллегой – строителем, одновременно работающим над тем же проектом.

Работа в трехмерном представлении значительно ускоряет процесс проектирования и снижает трудозатраты проектировщиков на 25-50 процентов. При этом наглядное трехмерное представление комплексной модели проекта само по себе резко снижает количество проектных ошибок, позволяет быстро находить и устранять пересечения трубопроводов, оборудования, строительных конструкций. Тем самым сокращаются сроки и повышается качество последующих монтажных работ.

 Поскольку проектная документация автоматически генерируется по базе данных и трехмерной модели проекта, в ней отсутствуют рассогласования и учитываются все последние изменения. Кроме того, изменить что-либо в проекте, скажем, по просьбе заказчика теперь можно совершенно безболезненно: достаточно внести коррективы только в трехмерную модель – и они будут учтены во вновь сгенерированных выходных документах. Построенная трехмерная модель пoлезна не только на этапе проектирования, но и на других этапах жизненного цикла производства. Она используется при выполнении авторского надзора, для организации монтажных работ, обучения монтажников и эксплуатационников. : Наконец, она используется в последующих проектных работах по реконструкции и модернизации производства, а также при организации демонтажа.

Состав и функции идеальной системы трехмерного проектирования предприятий

Рассмотрим кратко, какие функции и модули должна в идеале включать в себя подобная система.

Процесс создания базы данных проекта начинается уже на стадии разработки принципиальных схем.

Система должна включать модули для создания "интеллектуальных" технологических схем на основе результатов расчета с использованием специальных программ моделирования технологических процессов, а также для проектирования электрических схем и контрольно-измерительных приборов и автоматики.

Система должна обеспечивать трехмерное монтажное проектирование (на основе единой базы данных и трехмерной модели проекта) следующих разделов проекта:

- моделирование и расстановка оборудования (емкостей, насосов, компрессоров, теплообменников и т.д.); при этом система должна обеспечивать как параметрическое моделирование стандартных типов оборудования, так и моделирование нестандартных типов – путем "конструирования" их из стандартных элементов (обечаек, днищ, штуцеров и пр.);

- трассировка и моделирование трубопроводов, включая арматуру и опоры;

- проектирование стальных и железобетонных строительных конструкций;

- проектирование систем отопления и вентиляции;

- разводка электрических кабелей.

Желательно также наличие функций архитектурного проектирования (либо интерфейса с соответствующими программами).

Весь процесс монтажного проектирования осуществляется с использованием настраиваемых пользователем каталогов стандартных труб, деталей, арматуры, оборудования и элементов строительных конструкций.

В процессе монтажного проектирования система должна проверять и обеспечивать соответствие между создаваемой трехмерной моделью оборудования и трубопроводов и двумерными технологическими схемами.

Система обязана предоставлять средства для разграничения прав и режимов доступа к базе данных проекта для различных категорий проектировщиков.

Для работы с созданной трехмерной моделью может быть предусмотрен ряд функций:

- обнаружение и показ возможных коллизий(пересечений) – как прямых пересечений элементов (так называемые hard-коллизии), так и несоблюдение предусмотренных стандартами расстояний между трубами, зон обслуживания и т.п. (soft-коллизии);

- визуализация (как минимум по методу Гуро) и облет в реальном времени трехмерной модели для ее демонстрации заказчику и заключительного анализа; желательна также возможность создания анимационных роликов для моделирования процесса строительства (монтажа);

- автоматизированный выпуск проектной документации на основе трехмерной модели, в том числе монтажных чертежей, разрезов, сечений, изометрических чертежей трубопроводов, а также заказных спецификаций и другой сводной документации. При этом для выпуска изометрических чертежей трубопроводов система должна иметь интерфейс с программой ISOGEN английской фирмы Alias Ltd.

Весьма важным является также наличие интерфейсов с распространенными программами – как системами САПР (AutoCAD, Micro-Station), так и программами прочностного расчета трубопроводов и строительных конструкций.

Желательно, чтобы система была максимально открыта для настройки и доработки российским пользователем, – ему придется ориентироваться на стандарты и нормативы, отличные от зарубежных.

И, наконец, не последним по значимости фактором (особенно для России) являются требования к техническому обеспечению и стоимость системы.

Таковы пожелания заказчиков. Посмотрим теперь, какова реальная ситуация на рынке рассматриваемых систем.

Все имеющиеся на рынке системы трехмерного автоматизированного проектирования предприятий можно разделить на две группы -так называемые high-end системы (системы высокого уровня) и value-driven системы (системы умеренной стоимости).

Системы высокого уровня

Системы высокого уровня предназначены для проектирования наиболее крупных производств, при этом проект может включать тысячи и даже десятки тысяч линий трубопроводов и единиц оборудования. Эти системы включают в себя все (или почти все) функции описанной выше идеальной системы и разделы проекта, обеспечивая полномасштабную интеграцию процесса проектирования в масштабах целой проектной организации.

Но за такую полноту и мощь приходится платить. Системы высшего уровня работают в среде UNIX и требуют для своей эксплуатации дорогостоящих графических рабочих станций фирм Silicon Graphics, Hewlett-Packard, Sun, IBM или Intergraph, а стоимость одного рабочего места составляет 30-40 тыс. долларов и выше. При этом поддержка таких систем требует весьма значительных расходов и трудозатрат.

 Наиболее распространенными системами высшего уровня в настоящее время являются система Plant Design Systems (PDS) известной фирмы Intergraph (см. http://www.intergraph.com) и семейство продуктов английской фирмы CADCentre (см. http:// www.cadcentre.co.uk).

Система PDS является лидером рынка данных систем. Согласно последним данным фирмы Daratech Inc., этой системе принадлежит 47% рынка систем трехмерного проектирования предприятий(в стоимостном выражении); продуктам фирмы CADCentre – около 20%.

Система PDS является единственной системой высокого уровня, доступной в настоящее время не только на UNIX-станциях, но и на мощных персональных компьютерах с процессорами Pentium и Pentium Pro, работающих под управлением Windows NT. Графическим ядром PDS является универсальная система автоматизированного проектирования Micro-Station фирмы Bentley Systems, это обеспечивает высокие возможности интеграции PDS с другими прикладными программами на базе MicroStation.

PDS имеет очень сложную модульную структуру и охватывает все основные дисциплины, необходимые для разработки проекта. Модули проверки согласованности проекта (проверка на коллизии, проверка соответствия трехмерной модели технологической схеме) требуют от инженера жесткого соблюдения всех правил проектирования. Взаимодействие модулей с базой данных проекта (которая может быть реализована на любой из трех известных реляционных СУБД – Oracle, Informix или Ingress) построено так, чтобы заставить проектировщика соблюдать правильную последовательность проектных операций(что они очень не любят делать). По своим функциям и возможностям это самая мощная и всесторонняя, но одновременно и самая сложная система трехмерного проектирования, требующая высокой квалификации персонала.

Семейство продуктов фирмы CADCentre включает систему трехмерного проектирования PDMS (Plant Design Management System), программы визуализации и облета модели Review и Review Reality, систему проектирования технологических схем PEGS (Project Engineering and Graphics System), программу Design Manager для интерфейса между PEGS и PDMS и некоторые другие модули.

Система PDMS имеет во многом уникальную архитектуру. Это специализированная система построения трехмерных моделей нефтеперерабатывающих, нефтехимических, химических и других аналогичных производств. Фирма CADCentre с момента своего возникновения специализируется на разработке САПР именно для этих типов производств. В основу системы положено собственное графическое ядро и многопользовательская база данных проекта иерархической структуры. Причем структура БД такова, что в максимальной степени естественно отражает иерархию элементов и конструкций реальной установки. Вся трехмерная модель хранится в БД, и система сама воспроизводит по ней графическую трехмерную модель. Работая в системе PDMS, пользователь может в любой момент работать с элементом любого уровня как с единым целым – от графического примитива, трубы, задвижки или ветви трубопровода до площадки и всей установки, причем в естественных для него обозначениях. Это значительно облегчает работу проектировщика и делает ее весьма продуктивной.

Недостатки системы PDMS являются прямым следствием ее достоинств. Поскольку в системе сделан упор на унифицированный подход к построению базы данных и трехмерной модели, функциональные возможности системы по некоторым дисциплинам (например, проектирование отопления и вентиляции) развиты в меньшей степени, чем в PDS. Из-за использования специальной СУБД могут также возникнуть проблемы с организацией интерфейса с другими программами. Впрочем, эти проблемы обычно успешно преодолеваются благодаря хорошему взаимодействию фирмы CADCentre со своими клиентами.

Среди других получивших распространение коммерческих систем высокого уровня – системы CATIA/CADAM фирм IBM (США) и Dassault Systemes (Франция); EUCLID AEC фирмы Matra Datavision (Франция); PASCE фирмы ЕА Systems (США); DIMENSION 3 фирмы ComputerVision (США).

В России системы высокого уровня до сих пор практически не использовались. Однако в настоящее время проводятся работы по внедрению их в ряде проектных организаций.

Системы умеренной стоимости

Системы умеренной стоимости предназначены для разработки малых и средних проектов – объемом от сотен до тысяч линий трубопроводов и единиц оборудования. Они рассматриваются на Западе как дополнение систем высокого уровня и как альтернатива им на малых и средних проектных фирмах. Очевидно, это тем более справедливо и для условий России. Стоимость одного рабочего места для этих систем находится в пределах 3-10 тыс. долларов.

Данные системы представляют собой, как правило,систему приложений для MicroStation или AutoCAD, работающих на персональных компьютерах стандартной конфигурации в среде DOS или Windows (95 и NT) и реализующих основные функции трехмерного проектирования. При этом ряд функций или дисциплин может быть не охвачен или охвачен не полностью, однако пробелы могут быть восполнены специализированными программами третьих фирм на том же графическом ядре (MicroStation или AutoCAD).

Среди такого рода систем умеренной стоимости можно упомянуть PipeGen и PipeGen Plus фирмы Intergraph, семейство продуктов голландской фирмы LOGOS (все на базе MicroStation), получившую известность в России систему CADPipe (AutoCAD) американской фирмы Orange Systems и ряд других.

Однако основным поставщиком систем умеренной стоимости является американская фирма Rebis. Ее системы OMNI-Series (MicroStation), PRO-Series (AutoCAD) и AutoPlant (AutoCAD) получили наибольшее распространение в мире. Рассмотрим архитектуру и возможности систем такого типа на одном примере.

 OMNI-Series

Комплекс программ OMNI-Series – это один из возможных вариантов выбора для российских проектных организаций, специализирующихся на проектировании объектов, имеющих протяженные трубопроводные системы и большое количество типовых аппаратов. Программы реализованы на графическом ядре MicroStation, сочетают полномасштабную трехмерность и мощную работу с базами данных.

Поскольку основную часть своего времени авторы отдают работе именно с этой системой, расскажем подробнее о ее возможностях и опыте ее адаптации в российских условиях.

В набор программ OMNI входит несколько независимых блоков, предназначенных для разных этапов проектных работ.

Первая программа называется OMNI-FLOW. Она предназначена для автоматизации работ с технологическими схемами. OMNI-FLOW – высокоинтеллектуальный модуль, помогающий дизайнеру корректно формировать технологическую схему и сохранять данные для последующих этапов работы. Далее – OMNI-EQUIP. Данная программа решает задачи по компоновке типового оборудования. Проектировщик задает точку привязки, ориентацию и высоту устанавливаемого аппарата, заполняет необходимые габаритные размеры (либо выбирает из сохраненных), ставит аппарат в нужную точку и, напоследок, расставляет имеющиеся на аппарате штуцеры, патрубки, грязевики и прочие"дополнительные" детали. Внутренний язык программы, несколько угловатый, но простой, позволил нам за небольшой срок создать параметризованные трехмерные модели насосов, теплообменников, колонн и иных аппаратов, отвечающих российским ГОСТам и ТУ. Программа удобна в эксплуатации, локализованная версия полностью русифицирована и, что наиболее важно, обладает высокими адаптационными способностями – в процессе опытной эксплуатации локализованной версии создание необходимых типов аппаратов удавалось вести практически одновременно с разработкой проекта.

 Основной модуль системы, OMNI-PIPE, предназначен для создания трубопроводной обвязки аппаратов. Этапы работы конструктора выглядят примерно так: вначале, еще до этапа графического проектирования, производится отбор необходимых для каждого участка трубопроводных элементов (заметим, что мы пользуемся уже существующим обширным российским каталогом). Затем проектировщик загружает созданную модель с аппаратами и проводит линию от штуцера одного аппарата до штуцера второго – средства MicroStation позволяют легко и наглядно вести трассу, делая повороты вправо-влево, вверх-вниз в трехмерном пространстве. На трассе расставляется арматура, тройники и т.п. Затем дается команда "достроить линию трубами" – и, как по мановению волшебной палочки, на линии возникают трубы и отводы... Параллельно с процессом расстановки элементов идет запись информации о всех используемых деталях в базу данных проекта. Используя ее, в последующем можно выпустить стандартную заказную спецификацию.

Набор вспомогательных функций поистине огромен: это и проверка логичности и связности соединяемых деталей, и режим "продолжения расстановки элементов от предыдущего" (что позволяет не обдумывать, например, как в трехмерном пространстве нужно поставить фланец к арматуре или штуцеру аппарата), и возможность установки собственных "сборок", и многие другие функции, ускоряющие процесс создания корректной модели.

Выполненная при участии авторов адаптация данного раздела OMNI-Series представляла собой, помимо русификации интерфейса, обширную переработку имеющихся программ для создания трехмерных моделей конкретных деталей, как то: вентили, переходы и т.п. (как водится, большая их часть, содержащаяся в оригинале системы, отнюдь не походила на аналогичные элементы в российских каталогах). Поставляемый с программой каталог трубопроводных элементов в стандарте ANSI также был непригоден для российских условий в силу различий между стандартами, принятыми у нас и за рубежом. Проблема создания каталога необходимых российских элементов – одна из узловых при подобном проектировании. Благодаря тому, что фирма Rebis использовала для работы открытый стандартный формат файлов dBase и вместе с программным обеспечением передала подробное описание всех внутренних взаимосвязей системы, наполнение российского каталога -нудная, но технически простая работа, которой авторы и продолжают заниматься до настоящего момента.

В системе OMNI-Series автоматизирован выпуск чертежей. В OMNI-PIPE встроены средства для полуавтоматического выпуска чертежей, планов и разрезов (генерация проекций со скрытыми линиями), полуавтоматического размещения примечаний и обозначений (извлекаемых из базы данных проекта; проектировщик указывает программе: "поставь обозначение на данный клапан" – и программа извлекает из базы название и технические параметры данного клапана) и автоматического выпуска "изометричек" по участкам с нанесенными длинами элементов (Autoiso). Последнее обстоятельство – одно из важных доводов для выбора трехмерных САПР промышленных предприятий, поскольку необходимость выпуска изометрических чертежей существует у большинства заказчиков, а ранее заказы на изготовление подобных чертежей, как правило, передавались сторонним проектным организациям.

Помимо вышеперечисленных модулей система содержит: OMNI-ISO – модуль создания и редактирования изометрических чертежей трубопроводов (в том числе полученных с помощью OMNl-Autoiso) и получения ведомостей материалов; OMNI-SA/LINK – интерфейс с программой прочностного расчета трубопроводов CEASAR II (либо иной аналогичной программой) через файл стандартного формата; OMNI-JT/ID – специальная программа компании Jacobus для проверки и поиска пересечений (коллизий), в том числе с другими частями проекта (например, строительными конструкциями); OMNI-ISO-GEN – интерфейс с известной программой получения изометрических чертежей трубопроводов ISOGEN фирмы Alias. На базе системы OMNI-Series фирмой Focuspro Oy CAD Systems (Финляндия) разработан модуль OMNI-HVAC для проектирования систем вентиляции.

В целом, по нашему мнению, система OMNI – один из удачных вариантов относительно недорогого и в то же время реального перехода к трехмерным системам автоматизированного проектирования, обеспечивающий возможности быстрого перехода к непосредственному проектированию.

Что нас ждет в будущем

Попробуем в заключение заглянуть в будущее и угадать тенденции развития рассматриваемых систем.

В ближайшие годы будет происходить все большее сближение возможностей high-end и value-driven систем при возрастающем использовании мощных персональных компьютеров и Windows NT. Будет полностью реализован объектно-ориентированный подход, когда проектировщик будет работать непосредственно с такими объектами, как "труба", "клапан" или "теплообменник", и сами объекты будут в рамках системы обладать определенным "интеллектом": знать о своих связях с другими элементами и правильно перестраиваться при внесении проектировщиком изменений. Наконец, будет реализована возможность межкорпоративного взаимодействия трехмерных моделей в сети Internet.

Все основные игроки на рынке систем трехмерного проектирования предприятий заявили о выпуске новых продуктов. Intergraph выпускает новые версии PDS и составляющих его модулей. CAD-Centre портирует PDS на Windows NT. IBM и Dassault Systemes выпускают новую объектно-ориентированную систему CCAPS (CATIA/CADAM AEC Plant Solutions). Наконец, Rebis объявила о подготовке на базе своих программ новой мощной интегрированной системы NPDS (New Plant Design System).

Кроме того, фирма Bentley анонсировала новую весьма перспективную систему высокого уровня под названием PlantSpace. Она представляет собой открытую объектно-ориентированную среду для проектирования инфраструктуры предприятий, разрабатываемую фирмой Jacobus Technology на базе графического ядра MicroStation, объектной технологии JSPACE и системы трехмерного проектирования предприятий 3DM фирмы Bechtel. PlantSpace имеет модульную структуру и включает 4 группы модулей:

Integration Зегшз – набор модулей для:

- синтеза единой трехмерной объектной модели и базы данных предприятия на основе проектов, созданных как в системе PlantSpace, так и в системах фирм Intergraph (PDS, PipeGen), Rebis (OMNI-Series, PRO-Series, Auto-Plant), Orange Systems (Cadpipe);

- визуализации и облета модели;

- поиска и проверки коллизий (пересечений);

- моделирования процесса строительства.

Drafting Series – модули для высокопроизводительной разработки технологических схем (JT/ P&ID) и двумерных чертежей.

Engineering Series – модули для построения и манипулирования объектной моделью по технологическим схемам (PlantSpace P&ID).

Plant Design Series – модули для трехмерного проектирования трубопроводов, оборудования, опор, строительных конструкций, систем отопления и вентиляции, кабельного хозяйства и автоматизированного выпуска проектной документации.

Таким образом, ближайшие годы будут отмечены весьма интересной и острой конкуренцией старых и новых систем. Остается только выразить надежду, что главным победителем в этом состязании станет пользователь.

Авторы статьи работают в НТП "Трубопровод", которое занимается разработкой и внедрением САПР предприятий для нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности и энергетики. НТП "Трубопровод" является бизнес-партнером многих фирм-разработчиков САПР (Bentley, Rebis, Focuspro, Caema, Promus) и деловым партнером АО ВНИПИнефть – института, ведущего проектные работы для нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий России на основе внедряемых САПР.

Телефон: (095) 238.10.59