翁志敏

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

0 引言

隨著我國對清潔能源需求的增加，核電成為一大能源發(fā)展方向。近年來由于核電在役機組的成倍增加，核電廠在役維修設備的需求也隨之大幅攀升。

由于核電廠數(shù)量有限，核電設備和系統(tǒng)往往因為廠址環(huán)境、業(yè)主要求、建造年代、技術更替、堆型區(qū)別等造成各個電廠設備系統(tǒng)的差異性，又由于各個核電廠檢修設備的時間、對象和要求不同，使得核電維修設備需要非標定制，即使同類設備檢修，維修設備也不盡相同。同時，由于核電廠的一些維修需求不能事先預測，但為了保證核電運行的安全和高效，需要及時滿足這些維修需求，因此核電的維修設備總是具有獨特性，并且要求維修人員能夠得到快速準確的部署，以滿足核電廠的不時之需。為此,要求我們在電氣設計的同時能夠繪制靈活智能的原理圖和建立逼真的數(shù)字模型，并且能夠因變化的需求而隨時改變。這樣可以減少設計遺漏和錯誤,及早發(fā)現(xiàn)問題并有效地評估設計效果，減少后期返工，縮短設計和維修時間，以適應核電維修中多變的需求和工況。因此我們摒棄了傳統(tǒng)CAD電氣設計，采用更智能的電氣和3D機電一體化設計。

1 傳統(tǒng)CAD在設計中的不足

傳統(tǒng)CAD軟件使用方便，學習簡單，在對設備電氣設計時具有很大的靈活性，但其不夠智能，不可避免地存在很多缺陷：

(1) 同一個元件無法實現(xiàn)關聯(lián)參考。比如，同一個繼電器，其觸點可能出現(xiàn)在不同位置或不同頁的原理圖中，由于無法關聯(lián)參考，對圖紙進行修改后，容易發(fā)生觸點標注錯誤、重復甚至遺漏，這種圖紙維護需要花費設計人員大量的時間。

(2) 電氣線路中所有元件的連線、文本的線號標注都必須手動完成。

(3) 無法自動生成各類報表。設計過程中生成的各類報表需要借助AutoCAD或Excel手動完成，不可避免地在制作中會出現(xiàn)一些錯誤。當設計更新后，同樣需要重新手動更新這些報表，因此制作維護報表任務繁重。

(4) 傳統(tǒng)CAD只能充當一般的畫板，圖紙設計時的信息不能與其他軟件共享做進一步的數(shù)據處理。傳統(tǒng)CAD的表達僅僅是二維的圖紙，不能利用三維場景進行仿真設計。

2 SolidWorks Electrical在核電維修設備電氣設計中的優(yōu)勢

2.1 直觀的方案設計

由于核電維修設備的多樣性和時效性，設計人員往往很難采用以前的設計方案，需要根據要求重新設計。SolidWorks ElectricalSchematic使用布線方框圖(或稱單線圖)，允許設計人員在繪制原理圖之前，將電氣圖中各設備間的連接用單線圖的形式直觀地表現(xiàn)在圖紙上，并表達主要部件的相對位置。設計人員可直接對元器件及單線連接的電纜進行品牌和型號選定，然后依據選型估算工程造價。而且布線方框圖表達出元器件選型、位置和連接，會自動與后續(xù)原理圖中的相同元器件進行關聯(lián)，實現(xiàn)多圖聯(lián)動，減少設計人員的重復勞動。

2.2 智能化的原理圖和報表繪制

由于核電維修設備具有多樣性、多變性的特點，業(yè)主會在審查設備設計后，改變或提出新的需求。因此，設計人員會對已有電氣設計圖紙進行大量修改。SolidWorks ElectricalSchematic提供了多線制圖紙繪制工具、多國標準的符號庫、符號插入自動斷線功能、宏編輯和應用功能、自動生成接線板圖形、PLC I/O管理、不同標準的線號生成功能、自動觸點交叉引用、位置和功能管理、自動實時清單報表、自動完成元器件電纜電線圖紙位置功能編號等多種高級功能。這些功能將幫助設計人員輕松繪制和修改原理圖、自動生成和更新報表，減少重復勞動和出錯。

2.3 靈活方便的元器件

核電維修設備電氣選用的元器件各式各樣，幾乎沒有相同的，但設計人員可以利用SolidWorks Electrical統(tǒng)一的電氣組件庫，在設計中快速選用并生成電氣元器件。組件庫中的元器件擁有多種屬性，從布線方框圖到原理圖，從2D布局圖到3D模型，庫中的元器件都會以相應的方式表達出來，設計人員僅僅需要從電氣組件庫中選取，節(jié)省了大量時間。電氣組件庫的數(shù)據可以通過Elecworks的開發(fā)商Traceparts所建立的龐大在線數(shù)據庫中得到，也可以通過軟件編輯器進行自定義。設計人員自定義的元器件可以進行共享，共同完善電氣組件庫，方便以后的設備電氣設計。

2.4 3D機柜和機電協(xié)同設計

由于核電維修現(xiàn)場很多都是受控區(qū)域——輻照管控、限制人流、空間有限，因此3D模擬現(xiàn)場和設備有助于設計人員在減少接觸維修現(xiàn)場的情況下，在狹小的現(xiàn)場空間中控制好設備人機接口和現(xiàn)場布置。SolidWorks Electrical 3D將電氣原理圖設計數(shù)據與SolidWorks 3D CAD模型雙向集成在一起，設計人員可從3D模型或2D原理圖中訪問電氣項目數(shù)據，利用SolidWorks電氣布線技術自動布設電力電纜、線束和電線。SolidWorks Electrical 3D可以在未使用外部文件的情況下，實現(xiàn)2D和3D雙向同步，實現(xiàn)機電協(xié)同設計。機柜和機電一體的3D布置和布線將幫助電氣安裝和接線人員更快地完成工作并較少錯誤，減少機柜制造和現(xiàn)場布線的時間，優(yōu)化人機界面。

3 SolidWorks Electrical在核電維修設備電氣設計中的應用

3.1 設備方案和電氣接線及安裝圖設計

在得到設計任務后，機械設計人員首先根據維修對象給出維修方案并初步設計維修工具的結構，然后機械設計人員會提出設備的電氣需求——傳感器需求、電驅動需求、電氣控制需求、人機界面需求等，電氣設計人員會在設備結構的基礎上展開布置并提出控制方案、人機操作界面，最后進行初步的電氣元器件選型。電氣設計人員可以在機械設計提供的SolidWorks設備數(shù)據的基礎上，進行SolidWorks Electrical特有的布線方框圖的繪制，如圖1所示。圖1中給出了電氣控制方案及人機操作界面、傳感器、驅動器等元器件選型，供核電廠業(yè)主審查和設計報價。當進一步細化布線方框圖中接線信息后，更加直觀的電氣接線及安裝圖就生成了。

圖1 設備方案設計

3.2 電氣原理圖的繪制

電氣設計人員利用SolidWorks ElectricalSchematic智能化的原理圖報表繪制工具和龐大的元器件數(shù)據庫，進行核電維修設備電氣設計，包括選型元器件、元器件連接、2D機柜布局等。而后，指引軟件自動生成并維護元器件清單、PLC輸入輸出清單等各類表單。

3.3 3D化設計和電氣布置圖

核電維修設備一般均為非標設計，每臺設備有其獨特性，僅以單件生產。機械設計人員設計時一般采用SolidWorks進行機械設計，用3D模型仿真，盡量減少設備制造和現(xiàn)場適用性問題。電氣設計人員在使用SolidWorks ElectricalSchematic繪制電氣原理圖等圖紙基礎上，可進一步采用SolidWorks Electrical 3D的解決方案，生成3D電氣模型，進行機柜內部布線，再與機械3D模型一起進行機電一體化布線(如圖2所示)，同時檢查電氣設備的人機界面和現(xiàn)場適用情況。最后利用3D模型和布線數(shù)據，生成電氣布置圖、電線電纜清單等圖紙表單。

圖2 3D模型和布線

4 結語

傳統(tǒng)的CAD設計越來越難以滿足高要求的核電維修設備的電氣設計。利用SolidWorks Electrical提供的直觀的方案設計、智能化的原理圖和報表、方便靈活的元器件和機電一體化的3D設計，可大幅提高核電維修設備電氣設計乃至制造的效率，也將成為未來電氣設計的一大趨勢。

參考文獻：

[1] 王瑞.Elecworks：SolidWorks機電一體化解決方案[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2009(10):37-38.

[2] 鄧鳳平，Tim.基于SOLIDWORKS Electrical的機電一體化設計[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2015(8)：52-55.

[3] 鄧鳳平.基于SolidWorks Electrical的PLC設計[J].智能制造，2016(6)：45-47.

[4] 王連娜.EPLAN軟件在起重機電氣設計中的應用[J].新課程學習綜合，2011(11)：17-18.

[5] 尉建龍.EPLAN軟件在排土機電氣設計中的應用[J].機械工程與自動化，2015(6)：190-191.