作者：逸莱轲软件贸易（上海）有限公司  王金 技术总监

发表于：《伺服与运动控制》2018年第3期，技术与应用专题版面

 

一、引言

信息化是企业实现现代化管理，提升企业技术实力的有效手段。电气设计作为产品逻辑控制的主要设计环节，信息化数据集成的必要性不言而喻。但就笔者从业十余年的经历来看，完成电气设计环节信息化集成的企业寥寥无几。究其根源在于电气设计的过程没有形成数字化模式，而是停留在图文档（以DWG、excel格式文件为主）结构。这种模式使得信息化管理的过程只能停留在对结果的管理，而不能深入到设计过程及产品的生命周期管理。

PDM工具在管理产品的设计全生命周期时，要求设计数据数字化。

新一代的电气设计工具融入数据库，实现面向对象的管理。以Trace Software International公司的elecworks为例，软件使用Microsoft SQL Server为数据库载体，存储和管理elecworks的数据。这样的数字化模式为企业的信息化管理提供了可能性。

本文基于elecworks与PTC Windchill为媒介，探讨电气设计的信息化集成方案。

 

二、系统建设目标

电气信息化集成的主要目标分为两类：产品生命周期管理和产品BOM结构管理。

任何产品都和人的生命一样，要经历一个开发、成长、成熟、衰退的阶段。产品的生命周期管理，就是要记录和管理整个过程中的所有数据。就电气设计而言，其本身就有很明确的体系建立目标：

1. 建立完整的设计流程。在不同的环节，需要形成标准化的作业方式；
2. 建立完善的查错机制，让设计与查错形成闭环，有效的减少设计过失；
3. 将设计过程参数化和模块化，减少人工干预的程度，降低产生低级错误的风险。

随着产品生命周期的管理，BOM结构的搭建不能由PDM管理工具实现，而是要在设计端产生，并建立到PDM系统中去。也就是说，电气设计环节在产品设计的过程中就要开始并完成BOM结构的搭建；对于PDM来说，只是引入这个结构，而不是重新创建。

 

三、系统架构及业务逻辑

1.   基于elecworks的电气设计业务逻辑

1)   电气设计流程

传统的电气设计，是在以往完成的DWG图纸基础上做一些加工处理，我们称之为“面向图形”的设计方式。电气工程师另行建立Microsoft Excel手工统计电器件数量。在21世纪初期，这样的设计方式逐步被淘汰，被另一种基于数据库的专业工具所替换。以elecworks为例，其采用Microsoft SQL Server来管理所有数据，在软件中建立起一种新的概念“库”。

“库”分为符号库和设备型号库，一个设备（如继电器）可能由多个符号（线圈、触点等）组合而成，也可能由多个设备型号（继电器、安装底座等）组合而成。通过这样的方式，数据库在完成电气设计后可以自动的统计出设备型号使用的数量、品牌等参数。除了完成自动化统计工作，库的另一个特点也被广为称赞：可复用性。库只需要建立一次，就可以无限次被重复使用，极大的减少了人工录入数据的工作量。

在“库”的帮助下，电气工程师可以专注于设计，让电脑自动统计各项数据。Elecworks的另一个特性是数据可以相互关联，这样使得各个设计环节的数据可以交互。例如设备接线图可以依据设计原理图内容自动生成和自动更新。这样，基于elecworks就形成了图 1所示的通用工作流程。

图 1 通用电气设计流程

 

不同的企业，电气设计流程不尽相同，电气设计的流程需要根据企业的实际情况做调整。例如，在某扫描设备制造企业（以下简称企业A）中，电气设计工程师在使用elecworks时使用的是图 2所示优化后的工作流程。

图 2 优化后的设计流程

 

在优化后的设计流程中，设计BOM的数据（断路器等采购周期较长的电器件）在企业A的销售部做项目报价环节已经确定，所以在电气部的设计环节中BOM数据的产出在流程上优先于原理图的创建。为了更贴合生产，工程师会根据设备型号数据先做布局图（或称排版图）。这样，工程师后期设计原理图的时候，车间工程可以先做设备的布局。待接线原理完成设计后，根据设计内容完善设计BOM（增加灯按钮等常用设备），完善布局图和生成接线图。

 

2)   设计与检查的闭环

缺乏设计规则的检查，会让设计成为“天马行空”不能落地。在电气设计中，需要建立检查机制。在elecworks中，检查机制分为两种：内在逻辑判断、外在报表检查。

内在逻辑判断：

各项参数通过数据的交互，在各个设计环节形成隐形的数据流通平台。设计规则就需要建立并融入到这个数据流通平台中。例如设备标注的唯一性检查，在开始一个工程设计前，可以在工程的配置中设定标注唯一性范围。如图 3所示，设备的标注唯一性范围需要在工程开始前定义。如果选择唯一性范围为“工程”，则整个工程中不允许有设备重名。对于单台设备，这样的规则有是有效的；如果一个工程有两台设备，那么这里的规则就需要根据设计需要更改范围。

图 3 标注唯一性定义

 

除此之外，还有线型定义规则、文档页码编号规则、标注编号规则等。

这些内在的规则设定属于“企业标准化”范畴，建立良好的设计规则可以有效的做到防呆。

 

外在报表检查：

对于设计结果的比对，简单的标准化规则就不能满足了。对设计的结果，需要借助elecworks的“绘图规则检查”来做深入判断。

准确的说，不是软件来“判断”，而是提供必要的数据供设计师做判断。

如图 4所示，软件提供了用于查错的管理器，其中有大量的设计规则查错模板。工程师可以根据需要选择对应的模板（例如线槽填充率检查可以提取和显示出线槽的饱和度），减少设计结果的正确性和有效性。

图 4绘图规则检查

 

通过内在和外在的机制，形成设计与检查的闭环，确保设计的准确性——这为PDF系统的集成提供了有效的数据源。

 

3)   设计过程模块化和参数化

基于库，工程师可以重复使用数据资源。实际上对于原理图的设计，也可以区分出不同的功能模块。上文提到的企业A就是采用了模块这个概念，使用elecworks的“功能”对系统设计内容做管理（如图 5所示）。

图 5图纸按照功能模块管理

 

在设计内容模块化的基础上，对模块内部的数据做到参数化，那么最终的物料也可以按照这个功能来管理（如图 6所示）。

 

图 6 物料按照功能模块管理

 

企业A经过一年时间，积累了大量的模块，目前已经进入“选配式”设计模式，如图 7所示。

图 7选配式设计模式

 

根据订单需求，直接选择所需配置的模块，通过elecworks自动生成模块的图纸和报表，这样的模式让设计过程更傻瓜。

设计环节有了图形和参数，PDM系统就可以有效管理了。

2.   基于PTC Windchill的信息化集成

1)   系统架构

传统的做法是，PDM系统只管理设计的结果，也就是设计师将绘制的图纸上传给PDM系统。PTC Windchill在对elecworks的工程数据做管理时，采用了不同的方案。完整的系统架构如图 8所示。

图 8系统集成业务流程图

 

PTC Windchill需要管理的包括产品的设计全过程数据，所以电气设计图纸和设备BOM都需要进入到系统中。

2)   物料数据的管理

物料的创建必须有PDM系统发起，推动到elecworks，避免工程师人为干预。

在创建推送规则时，elecworks的SQL字段可以直接被Windchill访问，部分变量说明如表格 1所示。

表格 1 变量说明表

变量	说明	变量	说明
cre_reference	设备型号	cre_articlename	物料编码
cre_manufacturer	制造商	cre_implantx	宽度
cre_usevoltage	使用电压	cre_implanty	高度
cre_usefrequency	使用频率	cre_implantz	深度

 

在工程检入时，由于物料信息同时存在与PDM系统和elecworks使用端，检入的接口会自动对物料信息做比对，判断本地物料数据是否与PDM系统中的数据一致。如果不一致，不予检入，弹出报错信息。完全一致，则Windchill会根据elecworks的BOM结构自动创建对应的结构树，如图 9所示。

图 9Windchill中BOM结构树

3)   电气文件的管理

电气工程文件的检入/检出可以实现工程版本的管理。签审、浏览等环节需要图纸产出PDF格式，采购需要物料的Excel格式，产出结果如图 10所示。——这些都需要elecworks在对工程检入/检出时自动完成，避免工程师人为干预。

图 10Windchill中工程文档

4)   工艺文件的管理

机械设计是一个独立的环节，PDM系统在管理机械设计时有独立的工作流程和管理体系，这里不再赘述。机电一体化设计要求电气数据能够与机械模型做关联，形成2D原理-3D布局-自动布线-2D报表这个闭环设计。这样，带有接线长度的接线工艺表格就能产生（如图 11所示），并检入到系统中去。

图 11含线长的接线工艺表

 

5)   设计变更的管理

设计发生变更时，工程师检出工程设计数据，完成修改后再次检入工程，在Windchill中自动创建新的版本数据。如果物料发生变化，则Windchill中可以自动比对不同版本的物料变化情况。

 

四、结语

通过运用elecworks和PTC Windchill共同构建企业的电气信息化平台，优化了设计的流程和产出过程，实现了企业的标准化设计和标准化管理，降低了人为干预的程度，让数据在信息化平台中自由交互，确保了信息的安全性和可靠性。

 

 

 

 

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