Quy trình triển khai thiết kế, dự toán phần điện-tự động cho dự án nhà máy

Trong quá trình triển khai các dự án nhà máy, thường các bạn kỹ sư điện – tự động hoá chuyên bảo trì nhà máy sẽ được giao nhiệm vụ chủ trì mảng điện tự động hoá. Tuy nhiên, nếu các bạn chưa từng được tham gia vào các dự án tư vấn thiết kế, việc chạy một dự án cụ thể cho mảng này sẽ rất dễ gây ngộp, dễ bị các nhà cung cấp, nhà thầu và nhà tư vấn dắt mũi không thương tiếc.

• 5 nền tảng cơ bản của bảo trì và ứng dụng trong bảo trì điện – tự động
• Lời khuyên để lập biểu dự án tự động hóa hiệu quả

Trong bài viết này, mình sẽ cố gắng chia ra các giai đoạn thiết kế các bạn cần để lập được dự toán và đấu thầu được một dự án điện tự động với cỡ khoảng trên dưới 1 triệu USD. Các dự án cỡ lớn hơn thường sẽ cần một ban quản lý dự án lớn và sẽ có các nhóm thiết kế chuyên trách. Bài viết này sẽ không đề cập đến gói phần mềm ERP hoặc MES, do 2 gói này có yêu cầu đặc thù riêng, được dự toán độc lập với phần điện – tự động hoá thông thường.

Bước 0: Chuẩn bị thiết kế nền tảng
Trong bước chuẩn bị thiết kế nền tảng, bạn cần phải có được trong tay 2 tài liệu tối quan trọng của dự án:

• General Arrangement (GA) – Layout (thiết kế xây dựng vị trí tổng thể): quyết định quy hoạch vị trí của tất cả trang thiết bị, máy móc, phòng ốc.

• Process Flow Diagram (PFD) (Quy trình công nghệ): tài liệu này sẽ quyết định toàn bộ thiết kế công nghệ, hướng đi của nguyên vật liệu/năng lượng và các máy móc cần thiết trong quy trình, tuy nhiên mới dừng ở việc công nghệ tổng thể mà thôi.

Thiếu bất kì tài liệu nào trong 2 tài liệu nền tảng này thì bạn nên quay ngược lại từ điểm này để bắt đầu. Ở bước này, nếu từ PFD, nhóm công nghệ tự triển khai được Piping & Instrument Diagram (Bản vẽ đường ống và đo lường) thì sẽ là tuyệt vời nhất.

Ngoài 2 tài liệu cơ bản này, trong thiết kế nền tảng, bạn cần chuẩn bị bản mô tả kĩ thuật (specifications) cho từng loại thiết bị. Thường với các công ty lớn sẽ có sẵn bản mô tả này do các kỹ sư chủ chốt làm từ trước, và sẽ chỉ cần cập nhật lại theo công nghệ. Đối với dự án mới hoàn toàn, trong lúc mọi người tập trung làm GA và PFD thì bạn cần hoàn thiện bản mô tả kỹ thuật.
Ví dụ về các bản mô tả cần thiết:

• General Instrument Spec – Thiết bị đo lường
• Electrical spec – Thiết bị điện động lực
• Cable spec – Dây cáp các loại
• Control system spec – hệ thống điều khiển
• Installation spec – lắp đặt

Các tài liệu về bản mô tả sẽ là kim chỉ nam cho toàn bộ thiết kế về sau này, và cần kỹ sư có nhiều kinh nghiệm về lĩnh vực đó viết. Trong quá trình viết bản mô tả kỹ thuật, có 2 lựa chọn về cách viết:

• Hướng hoàn toàn về yêu cầu kỹ thuật, không quan tâm về thương hiệu sản phẩm: đấu thầu nhiều ắt sẽ có giá tốt. Tuy nhiên sẽ có tình trạng trong một nhà máy có thể có rất nhiều thiết bị khác nhau cho cùng một kiểu, vận hành bảo trì sẽ rất oải
• Hướng về lựa chọn thiết bị của thương hiệu nào đó: giá cao hơn, nhưng tin tưởng hoàn toàn về chất lượng và hiệu quả, cũng tiêu chuẩn hoá được các loại thiết bị cho vận hành bảo trì sau này.

Cả hai cách làm trên đều tốt. Cách 1 thường thấy ở các ngành công nghiệp nặng (dầu khí, hoá chất), cách 2 phổ biến ở công nghiệp nhẹ (consumer goods) và tùy định hướng của công ty để quyết định.

Bước 1: Thiết kế cơ sở (Basic Design) – dự toán +/- 20%
1.1 Thiết kế điện công nghiệp

Từ bản vẽ GA và PFD, bạn có thể chuẩn bị được danh sách tải, vị trí tải và công suất dự kiến của các tải. Các tài liệu bạn cần chuẩn bị và thiết kế gồm:
Single Line Diagram (SLD): Sơ đồ đơn tuyến. Quyết định số tủ, số tải trong tủ, các thiết bị đóng cắt cần thiết, cấp bảo vệ, quy hoạch nguồn cấp và ưu tiên tải.

Load list: danh sách tải và các nguồn cấp. Danh sách sẽ giúp việc quản lý danh sách tải cũng như tính toán về thiết bị cấp điện nhanh và rõ ràng hơn rất nhiều. Trong danh sách tải cần phân rõ các tải sử dụng nguồn nào (1P hay 3P, 24V sạch hay 24V bẩn, UPS hay không UPS), đấu từ đâu tới đâu. Thông tin từ danh sách tải cũng sẽ phải được cập nhật song song lên SLD. Danh sách tải cũng sẽ quyết định thiết kế của các thiết bị trong toàn bộ hệ thống điện.

• Electrical room/cabinet layout: vị trí phòng điện/tủ điện. Nội dung này bạn vẽ đè lên trên GA trong một lớp (layer) mới trên AutoCAD. Vị trí phòng điện và tủ càng được làm sớm thì càng tốt, vì càng ở các bước sau của quy trình thiết kế, không gian đặt tủ càng hạn chế và sẽ gây ảnh hưởng rất lớn tới việc đặt tủ của bạn.
• Nếu bạn phải làm cả điện nhẹ và chiếu sáng, thì phần điện nhẹ cũng sẽ cần được lên bản thiết kế và SLD để tính toán phân bố tải cũng như đóng cắt.

1.2 Thiết kế tự động
Từ bản vẽ PFD, bạn cần chuẩn bị:

• Piping & Instrument Diagram P&ID – Bản vẽ đường ống và thiết bị đo lường. Đây là bản vẽ chi tiết của hệ thống. Nếu PFD quan tâm về khối thiết bị, luồng đi của nguyên vật liệu và năng lượng, thì P&ID quan tâm về việc lắp đặt đường ống, thiết bị đo lường, thiết bị thực thi như thế nào để vận hành từng phần một. Phần quan trọng nhất với kỹ sư tự động, đó là có các thiết bị đo lường và thực thi như thế nào, vận hành phối hợp với nhau ra làm sao, cụm chức năng thế nào sẽ được thể hiện rõ trong P&ID. Ngoài ra, trong P&ID nên có chia phạm vi công việc (ví dụ đường ống công nghệ tới đâu thuộc trách nhiệm của đội tự động hoá, tới đâu là trách nhiệm của đội đường ống), bản vẽ lắp đặt điển hình để ở bước thiết kế chi tiết sẽ dễ dàng hơn.
• Control System Architecture: – thiết kế kiến trúc hệ thống điều khiển. Hệ thống điều khiển gồm bao nhiêu cụm; chia PLC/DCS thành bao nhiêu nhóm, có bao nhiêu cụm thiết bị, truyền thông giữa các cụm với nhau ra sao; SCADA có mấy server, mấy màn hình điều khiển, có màn hình điều khiển tại cụm thiết bị hay không. Bản vẽ này rất quan trọng trong việc định hình hệ thống, đặt biệt là đối với các hệ thống lớn thì càng rõ ràng về thiết kế kiến trúc hệ thống thì càng dễ để các nhà thầu triển khai báo giá.
• Instrument List + I/O list: danh sách thiết bị đo lường/thực thi và danh sách I/O. Danh sách thiết bị được lấy ra từ P&ID, và I/O sẽ được phát triển từ trên danh sách thiết bị này. Trong danh sách sẽ có dán nhãn, miêu tả thiết bị, hệ thống được lắp, miêu tả vị trí lắp đặt, còn trong danh sách I/O sẽ tách ra từng thiết bị sẽ có I/O nào, dạng I/O là gì, cấu hình trên thiết bị như thế nào và cấu hình trên PLC sẽ như thế nào. Khi đã có danh sách I/O và thiết kế kiến trúc, các nhà cung cấp hệ thống điều khiển có thể đưa ra giá dự toán cho toàn bộ hệ thống.
• Instrument Layout/Control room layout: Tương tự với bản vẽ phòng điện, bản vẽ hệ thống điều khiển cũng nên được vẽ đè lên bản vẽ GA.

Bước 2 : Thiết kế chi tiết (Detailed design) – dự toán +/- 10%
2.1. Thiết kế điện công nghiệp

• Routing Layout: Bản vẽ định tuyến. Dây cáp không bao giờ được kéo thẳng từ điểm A tới điểm B, mà sẽ được gom lại trên các tuyến thang máng cáp. Bản vẽ định tuyến sẽ giúp bạn quy hoạch các đường dây sao cho gọn nhất có thể, cũng như chuẩn bị cho việc thiết kế kích thước từng đoạn thang máng cáp sao cho phù hợp nhất có thể. Bản vẽ này là cơ sở thiết kế cũng như cơ sở để công trường thi công các tuyến dây.
• Cable schedule: bảng kế hoạch dây: Từ bảng danh sách tải và bản vẽ định tuyến, bạn có thể làm thành một bảng kế hoạch dây, trong đó dây cáp tuỳ theo tải sẽ chọn loại dây có kích thước và chuẩn phù hợp và tùy theo định tuyến sẽ có độ dài được quy hoạch trước. Nếu có bảng kế hoạch dây đúng, cáp sẽ được cắt trước khi mang vào công trường và quy hoạch theo cuộn trước, giảm tải lãng phí cáp vụn (chiếm khoảng 5-10% chi phí cáp). Từ bảng kế hoạch dây, bạn có thể ra được dự toán về chi phí dây cũng như chi phí thi công dây.
• Cable Tray/ladder schedule: bảng kế hoạch thang máng cáp: từ bản vẽ định tuyến dây, các loại thang máng cáp có thể được vẽ định tuyến, từ đó khối lượng vật tư có thể dự toán được. Từ bảng kế hoạch thang máng cáp, bạn có thể có được báo giá cho phần thang máng cáp
• Equipment datasheet: bảng yêu cầu kỹ thuật cho thiết bị: Các thiết bị được trình bày trong SLD, dựa trên mô tả kỹ thuật sẽ được viết thành Datasheet (bảng yêu cầu kỹ thuật cụ thể). Khi toàn bộ yêu cầu kỹ thuật cụ thể được hoàn thành thì bạn có thể gửi cho các nhà cung cấp và có thể nhận được báo giá cho thiết bị điện.

2.2. Thiết kế điều khiển

• Instrument Datasheet: bảng yêu cầu kỹ thuật. Từ danh sách thiết bị, chuẩn bị bảng yêu cầu kỹ thuật cho từng loại thiết bị để mua dựa trên đặc điểm kỹ thuật chuẩn bị ở bước 0.
• Tương tự như với thiết kế điện, bản vẽ đi dây, bảng kế hoạch dây, bảng kế hoạch thang máng cáp cũng sẽ cần được chuẩn bị, và phần chi phí cũng sẽ được dự toán chính xác.
• Tương tự như với thiết kế điện, nếu thiết bị có sử dụng khí nén/thuỷ lực để vận hành, bạn cần chuẩn bị bản vẽ định tuyến, kế hoạch đường ống và thiết kế chung với bảng kế hoạch thang máng cáp. Khối lượng vật tư và chi phí cũng có thể dự toán được từ bước này.3. Các công việc sau thiết kế chi tiết
  Thường sau khi thiết kế ở bước 2 (detailed design sẽ cho tổ chức đấu thầu dự án. Các phần công việc còn lại thường sẽ yêu cầu nhà thầu tự thiết kế gồm:

• Installation detail – thiết kế lắp đặt chi tiết
• Hook-up detail – thiết kế kết nối chi tiết
• Equipment GA – thiết kế chi tiết của từng thiết bị
• Material Take Off (MTO) – tổng khối lượng vật tư, đặc biệt cho các vật liệu nhỏ

Các phần công việc thiết kế còn lại ở phía chủ đầu tư vẫn còn, bao gồm:
FDS: functional design specification: Miêu tả các thiết bị tự động hoạt động như thế nào, từ đó nhà thầu sẽ phải triển khai cấu hình cho hệ thống điều khiển phù hợp theo FDS

• 3D modeling: để quản lý rủi ro va chạm trong quá trình thi công
• Shutdown hierarchy (hệ thống phân cấp tắt máy) – riêng đối với hệ thống có sử dụng process safety system (hệ thống an toàn quy trình).
• Cause & Effect matrix (Bảng nguyên nhân – kết quả) – riêng đối với hệ thống có sử dụng hệ thống an toàn quy trình.

Khi bạn đã hoàn thành các thiết kế ở trên, bạn có thể tự tin hệ thống đã được thiết kế khá hoàn chỉnh và có thể tự tin rằng các nhà thầu có thể thi công và cung cấp dự án cho bạn. Từ lúc bạn gửi yêu cầu mua hàng tới khi thi công, có thể kéo dài 4-6 tháng. Trong thời gian này, bạn cần chuẩn bị các tài liệu cho quá trình thi công và nghiệm thu sau này. Các danh mục được chuẩn bị trong quá trình thiết kế sẽ hỗ trợ bạn chuẩn bị được tài liệu cho kiểm soát tiến độ thi công, cũng như kiểm soát tiến độ nghiệm thu và chuyển giao cho vận hành (hand-over).

Hoàng Kim Hùng – Sales Account Manager
Rockwell Automation Việt Nam