劉 揚，吳向陽，陳昱辰

（武漢東研智慧設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056）

1 開發(fā)背景

在智能制造的背景下，柔性化、定制化的生產組織方式加快了產品的迭代速度，裝備制造行業(yè)如何實現敏捷設計和制造，快速響應市場和客戶的需求，同時提高設計效率和質量，降低成本，打造核心競爭力，是當前迫切需要思考的課題。

同時，當前設計工作中還存在一些亟待解決的問題。

1）目前，本部門自動化專業(yè)的工作內容主要是承擔工程項目的設計、配合采購編制預算和招投標、制造安裝管理、PLC及上位機的軟件編寫開發(fā)、設備及工藝調試、驗收陪產等任務。在多個項目同時開展的情況下，人力資源就會捉襟見肘，產品質量也會參差不齊。

2）雖然，本部門自動化專業(yè)積累了多年項目設計和調試的經驗，也建立了較完善的標準規(guī)范和知識庫，但每個設計人員的設計風格和思路不一致，就很難保證圖幅圖面、電氣產品選型、功能連接等細節(jié)方面的一致性。

3）工程師在設計時往往采用從舊項目中復制粘貼到新項目后修改調整的方式來完成，設計質量無法保證，而且主要以重復性工作為主，甚至是同類型的設備，只是不同用戶的需求，如控制方式、相關配置及電氣產品的品牌有不同的要求，這樣也需要進行反復的修改和調整。

4）設計效率不高，成熟人員和新進人員的設計效率差別大，不能保證設計周期的同步，而且需要投入很大的校審精力才能保證設計質量。

5）綜上問題也就會導致設計成本、進度和質量難以管控，同時也會傳導到采購、制造、安裝和調試等環(huán)節(jié)，造成一些不必要的延誤和浪費。

經過多次論證調研后，基于當前設計采用的 EPLAN P8 軟件環(huán)境，聯合軟件供應商共同開發(fā)了一套適用于自動化專業(yè)的圖樣自動生成軟件系統（Automation Design Automatic Production，ADAP），目前已順利完成相關研發(fā)，并應用到了實際項目中，取得了良好的效果，同時也申報了相關專利和軟件著作權。

下面將具體討論如何通過配置化的設計方式來實現自動生成圖樣。

2 開發(fā)思路

按照設計習慣，自動化設計方式一般分為基于電路特性和基于對象功能的兩種設計方式，前者是依據主電路（一次回路）、控制電路（二次回路）等電路特性來劃分設計，而后者更符合GB/T 5094的標準要求，是從功能面和位置面來定義產品的一種設計。比如系統中有一臺水泵，屬于受控對象，與水泵相關聯的其他對象，如接通水泵運行的主電路、啟停水泵控制電路、檢測壓力的反饋回路等，都屬于關聯水泵運行的子功能對象，而當系統中有兩臺或者多臺同樣功能的水泵時，其實設計一套即可，他們只是功能代碼和位置代碼不一樣。這是一種基于功能對象的結構化設計思路，有利于產品設計的標準化，如圖1所示。

圖1 基于功能對象的結構化設計思路

非標設備的特點之一就是定制化，不同的用戶、不同的產品會需要不同的生產工藝環(huán)境，因此用于生產的設備，其功能、形式、結構以及控制方式等方面也會有不同的要求，需要定制設計和制造、安裝及調試。從自動化的角度看，就會因為控制方式的差異、使用習慣的差別、外購件品牌不同、產品型號迭代等因素，影響電路設計工作的復雜程度。雖然基于對象功能的設計方式非常有利于標準化，但是針對非標設計任務還是很難減輕工作強度。究其原因，基于對象功能的方式適用于設備對象或者功能單元對象，而從控制角度，則需要更加細化到自控產品對象（自控的專業(yè)術語稱為宏對象），只有在自控產品（宏）的層級，才能實現柔性化、配置化的設計。因此，我們在開發(fā)之初，就確立了基于對象功能的設計方式，并對控制對象進行系統性分類，通過分析對象的功能屬性、分解對象的邏輯結構、以及重組對象的配置規(guī)則，進而實現配置化設計的開發(fā)思路。

3 開發(fā)方法

先簡單介紹一下傳統的設計過程，設計人員通過手動添加一個一個的功能圖形宏，然后在功能圖形宏組成的圖樣上進行調整和修改，最終設計出滿足工藝、設備特點以及控制功能、PLC控制關聯點、現場網絡拓撲、自控產品品牌等具體要求的電路圖樣。這種采用圖形宏的設計方法，實際上只是通過人工進行加配或者減配的一種修改設計，對于設計效率和質量的改善效果不高，有時還有些負面的影響。

如何在非標設備的自動化設計中，實現人的創(chuàng)作性設計，而“繪制”圖樣交由電腦來完成呢？要想電腦完成“繪制”圖樣的工作，需要制定規(guī)則，因為電腦只會按照規(guī)則程序來執(zhí)行任務，這里的“規(guī)則”就是我們所開發(fā)使用的方法，總結了以下幾種：拆分規(guī)則、組合規(guī)則、分配規(guī)則、替換規(guī)則和解析規(guī)則等。

3.1 拆分規(guī)則

常言說“不破不立”，通過先“破”后“立”的拆分方法，即對原來標準化電路進行了拆解，把原來基于控制對象的標準電路按照對象所需的控制產品進行分類，再對各產品的主要組件（零件）、輔助組件（子零件）進行細分，拆分時結合各組件（零件）的電路原理、連接方式等特點，按一定的原則進行分類，設計開發(fā)成為相應的宏對象文件。借用機械設計進行類比，就是俗稱的拆圖。功能圖形宏就相當于部件圖，拆解成零件圖，即宏對象圖，這種宏對象不是簡單的所畫即所得的圖形，而是具有多重屬性定義的模型，包括產品功能、電位、連接點、物理尺寸和位置關系等。

舉例說明：如圖2所示，該圖形宏實現的功能是變頻器控制電機運行的電路，包含了基礎圖形宏（即除紅框外部分）和圖形宏1~4（即各紅框內部分）。圖形宏 1 是制動電阻的原理圖宏，圖形宏2是現場維修開關原理圖宏，圖形宏3是熱敏電阻原理圖宏，圖形宏4是電機抱閘原理圖宏。原來設計時，會調用這個已做好的全功能圖形宏，然后由人工根據實際需要進行刪減和調整，比如，新的項目中的電機無熱敏電阻，則刪除圖形宏3；如果電機功率發(fā)生變化，則需要根據新的功率來修改相關的開關、線路等參數，還有就是根據用戶對自控產品的品牌要求來修改相關產品的選型。這樣，對于設計工作的要求需要非常嚴謹細致，否則很容易出現錯誤。

圖2 某圖形宏示意圖

現在，通過梳理功能圖形宏，我們對其進行分類，根據必要性原則和特殊功能性原則，分別定義了基礎圖形宏和特殊圖形宏兩個類別，然后，分別設計不同的宏對象文件。

3.2 組合規(guī)則

組合即對拆分后的宏對象文件，在實際設計調用中，按照制定的規(guī)則，重新組合成功能圖形電路的過程。類似于機械制造時的裝配過程，區(qū)別機械裝配是實際的生產過程，而宏對象組合是電路原理組成的虛擬過程。根據控制系統的需求，調用需要的宏對象可以柔性的組合成不同的宏電路，然后根據控制邏輯組合相關的單元設備圖形宏，最終完成全套的控制原理圖。

宏對象組合成宏電路的過程，并不是簡單的通過電路組合來完成的，因為這種基于對象的搭配，理論上會有非常多的組合方式，因此，必須基于設備形式及單元類別進行分類，然后通過xml語言來分別描述每一種設備單元類別和設備形式，這種基于xml語言來定義的就是組合的規(guī)則，在軟件中，以可視化的方式提供給設計人員來選擇和配置最終的控制電路，如圖3所示。

圖3 軟件可視化示意圖

3.3 分配規(guī)則

PLC控制器是自動化系統中的核心器件，其輸入/輸出模塊上的IO點連接著外部傳感器和執(zhí)行器等功能單元，因為每個品牌、每種系列的輸入/輸出模塊都有不同的連接方式，而且每個控制系統的連接原理都不盡相同，所以原理圖設計時需要耗費很大的精力來分配輸入/輸出模塊IO點的連接分配邏輯。

如何讓軟件實現PLC中IO點的自動分配呢？首先我們制定了一種繪圖方法：功能聚合法，即把跟功能相關的IO點分散聚合到對應的功能電路中去，這種模組化的設計方式，優(yōu)點就是方便管理相關聯的功能對象，也方便相同功能對象的反復調用。但是，由于IO點分散聚合后，處于離散狀態(tài)，不便于管理和查重，因此，我們還設計了相關的圖樣，如PLC機架總覽、PLC地址總覽、通信總覽等，便于管理。

另外，采用Excel軟件，為每種機架類型設計一個sheet表單，見表1，在軟件配置時，后臺會根據配置選擇相應的sheet表單，實現了不同機架類型的選擇。同時，采用xml文件格式設計包含IO點配置的功能單元設備電路，為每一個功能設備電路中的IO點制定編制規(guī)則。

表1 基于每種機架類型的sheet表單

用戶在使用UI軟件配置時，通過創(chuàng)建PLC站，如圖4所示，設定對應sheet表單的機架類型，通過添加功能單元設備時，把其分配給PLC站，其中功能單元設備的xml配置文件中包含著IO點的分配數據，這樣軟件在后臺解析xml文件時，就按一定規(guī)則插入相應的PLC圖形宏，并分配地址。而且，規(guī)則中明確了PLC的IO點是按需分配的，因此軟件在后臺可以根據使用需求自動地添加機架、地址總覽等，當機架超過總數量限制時，還可以創(chuàng)建新的機架，這個規(guī)則對于IP67的現場IO模塊特別方便。

圖4 PLC站設置

PLC的IO點分配流程如圖5所示。

圖5 PLC的IO點分配流程圖

3.4 替換規(guī)則

項目中經常會用到不同公司的產品，體現到設計中，一般分為兩大情況：一種情況是電路原理、電氣符號、連接點等都不會改變，只需要把符號中對應的產品進行部件替換即可；另一種情況就比較復雜，品牌替換后，相應的電路原理、連接點、甚至電氣符號都發(fā)生了變化，對于這種情況需要將整個電路頁面進行重新設計。

對于第一種情況，我們在部件庫里面設計了一個虛擬品牌，每一種實際品牌的部件都有與之對應的虛擬部件，設計宏對象或者宏電路時，符號屬性引用虛擬部件。同時，設計一個數據表單，把每一個虛擬部件與不同廠家的實際型號對應起來，配置設計時，用戶選擇實際品牌，在軟件生成圖樣過程中，通過查詢數據表單的虛擬部件和與之對應的實際品牌及型號，軟件會自動把宏電路中的虛擬部件替換為實際部件。對于第二種情況，我們設計了宏品牌另外一種替換規(guī)則，即通過設計xml文件對每種品牌的宏電路進行描述，由設計人員在軟件UI界面中選擇相應的品牌，一種品牌、甚至一個產品系列就對應一個有xml描述的宏電路，軟件在生成圖樣過程中，解析xml配置文件，然后整體調用相應品牌的宏對象，實現按用戶指定品牌設計相應電路的目的。

3.5 解析規(guī)則

上面所說的拆分、組合、分配和替換等規(guī)則是實施過程中的一些方法論，但是計算機如何明白這些方法并按預設的規(guī)則來執(zhí)行呢，這就需要使用xml可擴展標記語言來描述成計算機能明白的意思，這個過程就是用創(chuàng)建xml文件來描述或者定義每一個功能設備單元由哪些宏電路組成，而每一個宏電路又由哪些宏對象構成，而且還要定義宏對象在圖幅中插入點的坐標，IO點的使用情況等，以及宏對象與配置界面設計時的邏輯關系，這些邏輯的定義會影響宏對象是否被正確引用。因為配置界面也是由 xml 語言定義的，所以通過軟件的動態(tài)解析，可以實現規(guī)則框架內的任意界面定義和宏對象插入的邏輯對應，如下是定義兩個屬性的xml代碼：

是否帶維修開關" Value=””UIType=”CheckBox”

為了完整的表達一個電路功能，我們定義了很多xml語法，上面的代碼只是用于描述用戶的界面選擇是如何與宏對象產生關聯的一個簡單例子。

3.6 UI設計 和 EPLAN API插件功能設計

所有的宏文件、xml文件以及拆分、組合、分配和替換等規(guī)則方法，其本質就是多年來形成的企業(yè)標準、行業(yè)知識和設計經驗，通過設計一套UI配置軟件，把這些標準、知識和經驗實現了有形化。設計人員在友好的人機交互軟件環(huán)境下，只需要簡單勾選符合控制要求的功能設備單元，完成設計參數配置和選擇控制產品的品牌等操作，就可以通過軟件在后臺創(chuàng)建配置設計的文件；結合EPLAN API數據接口功能開發(fā)一套插件，通過這個插件把配置設計的文件導入到EPLAN的平臺中，配置設計的文件和部件庫、宏數據進行交互和調用，就實現了自動生成滿足要求的設計圖樣，配置設計的部分過程如圖6所示。導入EPLAN軟件平臺的自動生成過程如圖7所示。

圖6 配置設計的部分過程

圖7 導入EPLAN軟件平臺的自動生成過程

4 結束語

本文介紹了配置化設計實現自動生成圖樣的思路和方法，軟件系統開發(fā)完成后，經過實際使用，設計效率和質量都顯著提高，設計周期和校審周期也大幅縮短。通過軟件的方法把標準、知識和經驗進行了封裝和有形化，讓知識轉化成生產力，從而提高了生產效率，也改變了原有的設計方式和流程。實現了軟件代替人工完成一些重復性的工作，可以讓設計人員把更多的精力投入項目管理、產品優(yōu)化及數據分析等方面，也能更多的投入到創(chuàng)造性的工作中去。