作者：翁志敏 (上海交通大学 电子信息与电气工程学院)

发表于：《机械工程与自动化》2018年第2期

【摘要】由于核电维修设备设计的独特性和快速适应性,要求电气设计能够快速适应需求的变化并建立逼真的数字模型,以缩短设计时间,提高制造质量和速度｡因此摒弃传统cad设计方法,提出采用基于solidworks electrica（Elecworks）l的电气设计方法,完成智能化的电气和3d机电一体化设计｡

一、引言

随着我国对清洁能源需求的增加,核电成为一大能源发展方向｡近年来由于核电在役机组的成倍增加,核电厂在役维修设备的需求也随之大幅攀升｡

由于核电厂数量有限,核电设备和系统往往因为厂址环境､业主要求､建造年代､技术更替､堆型区别等造成各个电厂设备系统的差异性,又由于各个核电厂检修设备的时间､对象和要求不同,使得核电维修设备需要非标定制,即使同类设备检修,维修设备也不尽相同｡同时,由于核电厂的一些维修需求不能事先预测,但为了保证核电运行的安全和高效,需要及时满足这些维修需求,因此核电的维修设备总是具有独特性,并且要求维修人员能够得到快速准确的部署,以满足核电厂的不时之需｡为此,要求我们在电气设计的同时能够绘制灵活智能的原理图和建立逼真的数字模型,并且能够因变化的需求而随时改变｡这样可以减少设计遗漏和错误,及早发现问题并有效地评估设计效果,减少后期返工,缩短设计和维修时间,以适应核电维修中多变的需求和工况｡因此我们摒弃了传统cad电气设计,采用更智能的电气和3D机电一体化设计｡

二、传统cad在设计中的不足

传统cad软件使用方便,学习简单,在对设备电气设计时具有很大的灵活性,但其不够智能,不可避免地存在很多缺陷:

(1)同一个元件无法实现关联参考｡比如,同一个继电器,其触点可能出现在不同位置或不同页的原理图中,由于无法关联参考,对图纸进行修改后,容易发生触点标注错误､重复甚至遗漏,这种图纸维护需要花费设计人员大量的时间｡

(2)电气线路中所有元件的连线､文本的线号标注都必须手动完成｡

(3)无法自动生成各类报表｡设计过程中生成的各类报表需要借助autocad或excel手动完成,不可避免地在制作中会出现一些错误｡当设计更新后,同样需要重新手动更新这些报表,因此制作维护报表任务繁重｡

(4)传统cad只能充当一般的画板,图纸设计时的信息不能与其他软件共享做进一步的数据处理｡传统cad的表达仅仅是二维的图纸,不能利用三维场景进行仿真设计｡

三、 SolidWorks electrical（Elecworks）在核电维修设备电气设计中的优势

3.1 直观的方案设计

由于核电维修设备的多样性和时效性,设计人员往往很难采用以前的设计方案,需要根据要求重新设计｡ SolidWorks electrical（Elecworks）使用布线方框图(或称单线图),允许设计人员在绘制原理图之前,将电气图中各设备间的连接用单线图的形式直观地表现在图纸上,并表达主要部件的相对位置｡设计人员可直接对元器件及单线连接的电缆进行品牌和型号选定,然后依据选型估算工程造价｡而且布线方框图表达出元器件选型､位置和连接,会自动与后续原理图中的相同元器件进行关联,实现多图联动,减少设计人员的重复劳动｡

3.2 智能化的原理图和报表绘制

由于核电维修设备具有多样性､多变性的特点,业主会在审查设备设计后,改变或提出新的需求｡因此,设计人员会对已有电气设计图纸进行大量修改｡

SolidWorks electrical（Elecworks）提供了多线制图纸绘制工具､多国标准的符号库､符号插入自动断线功能､宏编辑和应用功能､自动生成接线板图形､plc i/o管理､不同标准的线号生成功能､自动触点交叉引用､位置和功能管理､自动实时清单报表､自动完成元器件电缆电线图纸位置功能编号等多种高级功能｡这些功能将帮助设计人员轻松绘制和修改原理图､自动生成和更新报表,减少重复劳动和出错｡

3.3 灵活方便的元器件

核电维修设备电气选用的元器件各式各样,几乎没有相同的,但设计人员可以利用solidworks electrical（Elecworks）统一的电气组件库,在设计中快速选用并生成电气元器件｡组件库中的元器件拥有多种属性,从布线方框图到原理图,从2D布局图到3D模型,库中的元器件都会以相应的方式表达出来,设计人员仅仅需要从电气组件库中选取,节省了大量时间｡电气组件库的数据可以通过elecworks的兄弟公司traceparts所建立的庞大在线数据库中得到,也可以通过软件编辑器进行自定义｡设计人员自定义的元器件可以进行共享,共同完善电气组件库,方便以后的设备电气设计｡

3.4  3d机柜和机电协同设计

由于核电维修现场很多都是受控区域———辐照管控､限制人流､空间有限,因此3D模拟现场和设备有助于设计人员在减少接触维修现场的情况下,在狭小的现场空间中控制好设备人机接口和现场布置｡

Solidworks electrical（Elecworks） 3D将电气原理图设计数据与solidworks 3D cad模型双向集成在一起,设计人员可从3D模型或2D原理图中访问电气项目数据,利用solidworks电气布线技术（elecworks自动布线功能）自动布设电力电缆､线束和电线｡Solidworks electrical（Elecworks） 3D可以在未使用外部文件的情况下,实现2D和3D双向同步,实现机电协同设计｡机柜和机电一体的3D布置和布线将帮助电气安装和接线人员更快地完成工作并较少错误,减少机柜制造和现场布线的时间,优化人机界面｡

4、SolidWorks electrical在核电维修设备电气设计中的应用

4.1 设备方案和电气接线及安装图设计

在得到设计任务后,机械设计人员首先根据维修对象给出维修方案并初步设计维修工具的结构,然后机械设计人员会提出设备的电气需求———传感器需求､电驱动需求､电气控制需求､人机界面需求等,电气设计人员会在设备结构的基础上展开布置并提出控制方案､人机操作界面,最后进行初步的电气元器件选型｡电气设计人员可以在机械设计提供的solidworks设备数据的基础上,进行solidworks electrical（Elecworks）特有的布线方框图的绘制,如图1所示｡图1中给出了电气控制方案及人机操作界面､传感器､驱动器等元器件选型,供核电厂业主审查和设计报价｡当进一步细化布线方框图中接线信息后,更加直观的电气接线及安装图就生成了｡

（图1 设备方案设计）

4.2 电气原理图的绘制

电气设计人员利用solidworks electrical智能化的原理图报表绘制工具（Elecworks自动生成报表功能）和庞大的元器件数据库,进行核电维修设备电气设计,包括选型元器件､元器件连接､2d机柜布局等｡而后,指引软件自动生成并维护元器件清单､plc输入输出清单等各类表单｡

4.3 3D化设计和电气布置图

核电维修设备一般均为非标设计,每台设备有其独特性,仅以单件生产｡机械设计人员设计时一般采用solidworks进行机械设计,用3D模型仿真,尽量减少设备制造和现场适用性问题｡电气设计人员在使用solidworks electrical （Elecworks）绘制电气原理图等图纸基础上,可进一步采用solidworks electrical （Elecworks）3D的解决方案,生成3D电气模型,进行机柜内部布线,再与机械3d模型一起进行机电一体化布线(如图2所示),同时检查电气设备的人机界面和现场适用情况｡最后利用3D模型和布线数据,生成电气布置图､电线电缆清单等图纸表单｡

（图2 3D模型和布线）

5、结语

传统的 cad设计越来越难以满足高要求的核电维修设备的电气设计｡利用solidworks electrical（Elecworks）提供的直观的方案设计､智能化的原理图和报表､方便灵活的元器件和机电一体化的3D设计,可大幅提高核电维修设备电气设计乃至制造的效率,也将成为未来电气设计的一大趋势｡

【关于SolidWorks Electrical 与 elecworks】