仪表系统的设计理念论述范文

模块化设计的基本流程简介

1确定工艺块初步平面布置

首先由工艺专业根据工艺流程及功能把各主要设施分成一个个工艺块，每个工艺块包括了一定数量的工艺系统，并初步定义各工艺块的输入输出及相应管道尺寸，生成整个工厂的工艺块流程图。根据一些关键的现场位置因素比如风向及管道、供电的接入点等来安排组织各个工艺块的初步平面布置，同时要尽量减少各工艺块之间主管道的连接数量。组织各专业工程师一起研究各工艺块的平面布置，通过所有专业间的通力协作以使布置满足各专业的基本要求。

2工艺块空间分配

根据项目允许的最大模块的运输尺寸和重量要求把各个工艺块中的设备布置在钢结构的模块中，同时尽量使各模块间的界面降低到最少。在这个过程中需要考虑及优化重要管道的布置、电仪室的位置及尺寸、主桥架的走向、土建专业主框架的尺寸、预留空间等等。其中，电仪室里集成了控制该模块中所有电气仪表设备的MCC和控制柜。

3发展总图

利用已定义好尺寸大小的工艺块来发展总图，确定供电及控制系统的分配分布方案以及管道敷设和桥架的接入点。

4发展每个模块的具体尺寸重量

根据模块中已确定的所有设备来进一步发展模块的尺寸和重量，在这个过程中，要核实项目最终施工现场关于运输和物流的所有相关要求。

5对模块进行细节设计

在这个阶段由所有专业一起开始对模块进行细节设计并开始创建三维模型。

影响模块化设计项目的重要因素

1项目执行计划

跟采用传统施工方式的项目相比，模块化设计项目要求项目基础设计的深度更深，供货商提交最终版文件的时间要早，设计图纸及材料需要满足预制厂预制计划的要求。

2运输及物流因素

模块的尺寸和重量限制是影响模块化设计的关键因素之一，运输的方式方法、不同国家和地区对运输的相关法律法规等方面的要求都需要在进行模块化设计时有充分的考虑和完整的计划。

3工程设计

早期的模块化设计仅仅是针对管廊管架的模块化设计，模块的总体集成度水平较低，对设计而言仅需要考虑在施工的时候如何把管架预制成模块以及现场施工时模块间的安装连接。随着模块化设计理念的不断发展，后期的模块化设计集成了一些工艺设备，所以需要在详细设计阶段就开始进行模块化设计的考虑。而模块化设计发展至今，集成度水平已大大提高，包括了装置厂房、管道、电气及仪表的集成，设计也变得更加复杂化，所以要求在项目的FEED阶段就要应用模块化的设计理念进行设计了。

4采购

模块预制工厂的评定、材料控制、辅助材料采购、关键材料供应商的催交等等都对模块化项目的成功至关重要。

5施工因素

施工是模块化设计的最大推动因素同时也是最大的受益者。施工的一些重要因素比如现场劳动力成本、工作效率、现场安全性、现场位置及间接费用等将会对模块化设计产生影响。

仪表及控制系统在模块化设计中的基本设计原则

1控制系统

传统项目中，控制系统一般多采用I/O卡件集中在机柜室，现场仪表信号从现场接线箱通过多对的控制电缆（Homerun）连接到端子柜的方式。这样的方式使得所有的控制电缆必须在现场安装，也使得仪表只能在现场进行调试。而在应用模块化设计理念时，控制系统应采用远程I/O，并将之集中在为各个模块设置的电仪室中。各电仪室中的远程I/O再通过光纤连接到中央控制室，光纤应采用预先埋地敷设的方式。这样的方案使得现场施工的工作量降到最低，而且每一个模块中的仪表都可以在模块预制车间进行安装接线，到了现场，仅需要将预埋好的通讯光纤进行端接即可。在设计中应尽早确定系统的I/O点数以及对控制柜的要求，以尽早开展电仪室的设计。尽早邀请DCS/SIS硬件供应商的加入，提前确定控制系统的软硬件方案以满足电仪室设计的要求。

2现场仪表

在模块化设计中现场仪表通常遵循下列设计原则：

1）尽量减少分体式仪表的使用，或者分体部分在安装时应尽量安装在已有的钢结构支撑上以减少对空间的占用。

2）尽早确定仪表所采用的测量技术及仪表类型，并使用仪表在样本中的外形尺寸进行前期的三维模型创建。

3）在传统项目中，仪表的安装位置一般在项目执行的后期才需要确定，但是在模块化设计中，仪表的安装位置需要尽早确定以满足模块中空间的总体考虑协调。

4）对于流量仪表应尽量选择对前后直管段要求小的类型。

3仪表信号和电源电缆及路径

1）增加使用仪表电缆快速连接技术及相应材料，以减少现场电缆端接的工作量，减少现场施工的时间。

2）尽量减少各模块间电缆的相互穿插连接，必要的模块间电缆相互连接应采用预先埋地敷设的方式。

3）远程I/O到中央控制室的光纤采用预先埋地敷设的方式。

4）模块中电仪室里MCC主供电电缆及仪表用UPS的供电电缆均采用预先埋地敷设的方式。

5）电仪室里远程I/O到模块中现场仪表的信号和供电电缆采用桥架敷设的方式。

4三维模型的设计

在传统项目中，在设计并创建项目三维模型阶段，一般在60％模型审查阶段要求完成的内容比如分支电缆桥架、盘柜、接线箱等，在模块化设计中则要求在30％模型审查阶段就要完成，在传统项目中90％模型审查阶段要求完成的内容如分析小屋等，则要求提前到60％阶段，所以对仪表和控制系统设备定位以及外形尺寸、重量的尽早确定提了高要求。

5仪表和控制系统供应商最终资料确定

在传统项目中，除了阀门、流量计等在线仪表因为需要建模对厂家最终资料要求的时间相对较早外，其它的离线仪表和控制系统厂家资料的最终版要求时间比较晚。但是在模块化设计中，这些资料在进行60％模型审查时就需要提供，否则会影响整个设计的顺利进行。所以需要项目团队和供应商之间加强合作才能战胜这个挑战。

6仪表的检验和测试

1）在仪表供应商的厂房或车间进行FAT及SIFT。

2）在模块预制安装车间进行电缆通断性测试以及仪表的标定和功能测试。

3）在施工现场进行回路测试和SAT。

模块化设计的优点

模块化设计为业主提供了更具有价格竞争力的解决方案，从而也使工程公司在日益激烈的竞争中能够占有一席之地，它的优点很多，主要体现在以下几方面：

1）模块化设计使得工艺装置结构更加紧凑，从而优化了总的占地面积，同时降低材料数量从而降低了项目的总投资。根据统计，采用模块化设计最多时可以节约20％的总投资。对于总图的优化，模块化设计可以让总图的占地面积显著减少，多时可以减少30％－60％的面积。

2）根据统计，工人在现场施工的时间中，有30％的时间用于准备工作及奔波在来回现场的路上，有32％的时间用于等待材料或人员，仅有38％的时间真用于施工，可见在现场，施工工人的工作效率比较低下。而模块化设计将大量的施工时间从现场转移到效率更高的车间或更有竞争力的地区，从而降低了项目的总投资。另外，现场劳动力数量的降低，也大大降低了发生安全事故的可能性，这对于特别看重安全的业主来说确实是一个比较大的亮点。

3）现场施工的工作量大幅降低，使得现场间接费用降低，从而总投资降低。模块化设计会使得电仪的设计施工提前，这改善了传统施工方式中电仪总是“拖后腿”的局面。

4）有的典型的模块化设计具有一定的通用性，设计可以重复使用。

模块化设计的难点和挑战

模块化设计虽然具有很多优点，但是在项目执行的过程中也会面对很多困难和挑战，主要体现在以下几方面:

1）需要所有专业之间的良好协作。

2）供应商最终版资料的及时提交是很大的挑战，同时，因为在早期建模时需要采用样本资料以获得设备的外形尺寸和重量，而最终版资料和样本资料之间的差别和改动会影响设计。

3）模块化设计要求业主操作维护团队的早期介入从而能在设计初期就充分考虑到操作维护对空间的要求。

4）模块化设计使得项目的改动要求和后期的扩展要求变得困难。

5）工艺数据的改变及仪表类型的改变会影响仪表的尺寸和重量，这也会给设计带来麻烦。

6）某些控制系统元器件从安全区转移到危险区中，会导致需要防爆外壳，这会导致项目费用的增加。

结束语

模块化设计在发达国家应用比较普遍，也是近年来国内外各行各业普遍关注的新的研究课题。在工程行业，模块化设计有越来越多的应用，设计施工管理水平也在不断提高。本文仅是对这一课题进行了简单的探讨，发表的观点也仅代表个人观点，供大家参考，如有不当之处还请批评指正。

作者：朱虹单位：福陆(中国)工程建设有限公司