電梯控制柜模塊化設(shè)計(jì)

鄧惠軍

（湖北科力斯電梯有限公司，湖北 仙桃 433000）

1 制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

要想贏得未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的勝利，中國(guó)的制造業(yè)企業(yè)必須通過優(yōu)化整個(gè)產(chǎn)品生命周期的業(yè)務(wù)鏈來(lái)縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本，同時(shí)還要不斷通過研發(fā)、創(chuàng)新來(lái)滿足客戶變化的需求。技術(shù)的飛速進(jìn)步，導(dǎo)致產(chǎn)品工程越來(lái)越復(fù)雜，企業(yè)必須在不斷變化的環(huán)境中應(yīng)付越來(lái)越復(fù)雜的工程技術(shù)，隨著客戶對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化需求程度的增加，也導(dǎo)致產(chǎn)品定制化趨勢(shì)越來(lái)越明顯，企業(yè)必須創(chuàng)建數(shù)量龐大的產(chǎn)品系列來(lái)滿足客戶不斷變化的需求。企業(yè)必須同時(shí)具備以下能力才能夠應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)：持續(xù)提高的創(chuàng)新能力，使產(chǎn)品的科技含量越來(lái)越高，以滿足客戶變化需求；不斷縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；不斷強(qiáng)化成本控制能力，通過優(yōu)化產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的成本、研發(fā)、生產(chǎn)、物流、銷售和服務(wù)等環(huán)節(jié)控制產(chǎn)品總成本，取得產(chǎn)品價(jià)格優(yōu)勢(shì)；持續(xù)的質(zhì)量改進(jìn)能力。

企業(yè)一方面必須利用產(chǎn)品的批量化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化來(lái)縮短上市周期、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面，還要不斷地進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新使產(chǎn)品越來(lái)越個(gè)性化，滿足客戶的定制需求。這樣，如何平衡產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化與定制化、柔性化之間的矛盾，成為贏得競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。

平臺(tái)化、模塊化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)可以在保持產(chǎn)品較高通用性的同時(shí)提供產(chǎn)品的多樣化配置，因此平臺(tái)化、模塊化的產(chǎn)品是解決定制化生產(chǎn)和批量化生產(chǎn)這對(duì)矛盾的一條出路。但是，企業(yè)中龐大的激烈變化的產(chǎn)品數(shù)據(jù)僅僅依靠手工方式來(lái)管理是很難達(dá)到準(zhǔn)確性、完整性、及時(shí)性和可追溯性要求的。因此，將企業(yè)產(chǎn)品平臺(tái)化、模塊化的管理創(chuàng)新成果與信息系統(tǒng)的建設(shè)結(jié)合起來(lái)是很好的解決方案。要解決產(chǎn)品的模塊化管理，PDM（Prοduct Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）產(chǎn)品無(wú)疑是一種很好的選擇。

2 模塊的發(fā)展歷史及定義

2.1 模塊的歷史來(lái)源

模塊并不是一個(gè)新的概念，早在20世紀(jì)初期的建筑行業(yè)中，將建筑按照功能分成可以自由組合的建筑單元的概念就已經(jīng)存在，這時(shí)的建筑模塊強(qiáng)調(diào)在幾何尺寸上可以實(shí)現(xiàn)連接和互換。然后，模塊被引入機(jī)械制造業(yè)，人們進(jìn)一步將模塊與物理產(chǎn)品的功能聯(lián)系到了一起，模塊具有了明確的功能定義特征、幾何連接接口，以及功能輸入、輸出接口特征。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，模塊的概念又被用到了非物理產(chǎn)品領(lǐng)域，在軟件行業(yè)模塊的概念被廣泛實(shí)踐著，大型的軟件系統(tǒng)（比如PTC公司的Windchill系統(tǒng)）的模塊化趨勢(shì)越來(lái)越明顯。目前，企業(yè)的專有知識(shí)越來(lái)越成為企業(yè)的戰(zhàn)略性資源，合理的管理、利用企業(yè)的專有知識(shí)是贏得競(jìng)爭(zhēng)的重要籌碼。而企業(yè)產(chǎn)品中包含的知識(shí)是企業(yè)知識(shí)資源的最重要部分，因此重用模塊就是重用知識(shí)，可以節(jié)省時(shí)間和金錢。模塊化思想發(fā)展到今天，知識(shí)管理和傳統(tǒng)的模塊化之間的界限已經(jīng)變得有些模糊。模塊的演變過程是從單純的幾何結(jié)構(gòu)單元，發(fā)展到集成功能單元，又演變成為非物理實(shí)體的載體，比如知識(shí)和軟件等。

2.2 使用模塊的目的和案例

由于模塊具有不同的組合，可以配置生成多樣化的滿足用戶需求的產(chǎn)品特點(diǎn)，同時(shí)模塊又具有標(biāo)準(zhǔn)的幾何連接接口和一致的輸入輸出接口，如果模塊的劃分和接口定義符合企業(yè)批量化生產(chǎn)中采購(gòu)、物流、生產(chǎn)和服務(wù)的實(shí)際情況，這就意味著按照模塊化模式配置出來(lái)的產(chǎn)品是符合批量化生產(chǎn)的實(shí)際情況的，從而使定制化生產(chǎn)與批量化生產(chǎn)這對(duì)矛盾得到解決。另外，模塊實(shí)現(xiàn)了抽象的模塊功能與具體模塊實(shí)現(xiàn)之間的邏輯分離，整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)十分清晰，容易從全局上理解和設(shè)計(jì)產(chǎn)品，使技術(shù)進(jìn)步造成的越來(lái)越來(lái)復(fù)雜的工程管理得到改善。有些公司又將不同的目標(biāo)市場(chǎng)進(jìn)行分類，并通過模塊化的產(chǎn)品配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)市場(chǎng)的覆蓋，也就形成了所謂的平臺(tái)化戰(zhàn)略和差異化戰(zhàn)略。平臺(tái)化、模塊化的產(chǎn)品戰(zhàn)略已經(jīng)有在世界多個(gè)著名公司中成功應(yīng)用的案例。日本索尼公司在20世紀(jì)80年代僅利用4個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)的Walkman產(chǎn)品，生產(chǎn)出250余種錄音機(jī)隨身聽。這250種隨身聽無(wú)論在價(jià)位、功能和款式上都有很大的區(qū)別，可以滿足用戶的各種不同需求，但是這4個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)卻存在著大量的重用模塊。德國(guó)大眾公司在A4平臺(tái)上生產(chǎn)Vοlkswagen、Skοda、SEAT、Audi四個(gè)品牌的十余種轎車，像熟悉的Gοlf、Bοra、NewBeetle和AudiTT都是這個(gè)平臺(tái)上的產(chǎn)品。這十余種轎車分別在德國(guó)、斯洛伐克、捷克、比利時(shí)、西班牙、波蘭和墨西哥等國(guó)家的大眾公司分廠中生產(chǎn)，這些產(chǎn)品在滿足不同市場(chǎng)需求的同時(shí)，可以共享大眾公司整體的技術(shù)資源和采購(gòu)資源。日本佳能公司的單鏡頭反光取景相機(jī)所有的鏡頭卡口標(biāo)準(zhǔn)是完全一致的，同時(shí)佳能公司龐大的鏡頭群可以滿足各種客戶需求，這使佳能公司的產(chǎn)品可以滿足從入門攝影愛好者到職業(yè)級(jí)攝影家的巨大客戶群的需求。佳能公司的這種技術(shù)目前已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域，佳能公司新近推出的EOS300D數(shù)碼單反相機(jī)使數(shù)碼單反相機(jī)走下神壇價(jià)位直沖普通數(shù)碼相機(jī)，EOS300D同樣可以使用所有佳能的鏡頭，這對(duì)攝影愛好者具有不可抗拒的吸引力。

2.3 模塊的定義

模塊是構(gòu)成產(chǎn)品的一部分，具有獨(dú)立功能，具有一致的幾何連接接口和一致的輸入、輸出接口的單元，相同種類的模塊在產(chǎn)品族中可以重用和互換，相關(guān)模塊的排列組合就可以形成最終的產(chǎn)品。模塊化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以達(dá)到以下幾個(gè)目的：①模塊的組合配置，可以創(chuàng)建不同需求的產(chǎn)品，滿足客戶的定制需求；②相似性的重用，既可以重用已有零部件和已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，也可以重用整個(gè)產(chǎn)品生命周期中的采購(gòu)、物流、制造和服務(wù)資源；③降低產(chǎn)品工程復(fù)雜程度，因?yàn)槟K是產(chǎn)品部分功能的封裝，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員使用具體模塊時(shí)根本不用關(guān)心內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，可以使研發(fā)人員更加關(guān)注頂層邏輯，提高產(chǎn)品工程管理質(zhì)量和產(chǎn)品的可靠性。

3 模塊的特點(diǎn)和產(chǎn)品模塊化的優(yōu)點(diǎn)

由于企業(yè)產(chǎn)品平臺(tái)方案的制訂是依賴于企業(yè)客戶目標(biāo)市場(chǎng)需求的不同而變化的，同時(shí)產(chǎn)品模塊的劃分必須考慮不同企業(yè)的產(chǎn)品功能、研發(fā)特點(diǎn)、生產(chǎn)特點(diǎn)、采購(gòu)及物流方式和售后服務(wù)特點(diǎn)等方面的不同需求，所以產(chǎn)品平臺(tái)和模塊化的方案必須結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況，沒有一成不變的解決方案。因此，理解模塊的特點(diǎn)及企業(yè)要利用模塊化達(dá)到的目的就顯得十分重要，下面將詳細(xì)論述模塊的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，以幫助讀者找到本企業(yè)模塊的特點(diǎn)和要達(dá)到的目標(biāo)。理解模塊必須抓住模塊的四個(gè)主要特點(diǎn)，這四個(gè)主要特點(diǎn)是模塊的精髓，也是劃分企業(yè)自身產(chǎn)品平臺(tái)和產(chǎn)品模塊的基礎(chǔ)。

3.1 模塊的特點(diǎn)

3．1．1 模塊具有獨(dú)立的功能

模塊的功能是整個(gè)產(chǎn)品功能的組成部分，且這個(gè)功能是自我包含、自我實(shí)現(xiàn)的。

3．1．2 標(biāo)準(zhǔn)的幾何連接和一致的輸入、輸出接口

為了實(shí)現(xiàn)同類模塊之間的互換，嚴(yán)格的尺寸接口和輸入輸出接口的定義是必須的。對(duì)于幾何連接接口，可以是機(jī)械領(lǐng)域的銷、面、鍵和螺栓等，也可以是電器領(lǐng)域的信號(hào)、能量等。著名的玩具供應(yīng)商樂高公司（Legο）通過積木模塊的不同組合可以拼成幾乎無(wú)盡數(shù)量的形狀，于是在市場(chǎng)上取得了巨大的成功。樂高公司的積木模塊定義主要是幾何連接接口。當(dāng)然，在實(shí)際的制造業(yè)中隨著產(chǎn)品復(fù)雜度的增加，模塊的幾何連接接口要比這復(fù)雜得多。輸入、輸出接口是模塊功能的抽象，此類接口可以是能量、信息、物質(zhì)（液體、氣體）等，是定義該模塊功能的輸出標(biāo)準(zhǔn)和能夠保證輸出特定功能所必須的輸入條件標(biāo)準(zhǔn)。例如，如果發(fā)電機(jī)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)廠來(lái)講是一個(gè)模塊的話，那么發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接尺寸等幾何連接接口需要標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。同時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速、功率以及輸出的電流等輸入、輸出接口同樣需要規(guī)范。

3．1．3 模塊是依賴產(chǎn)品平臺(tái)的存在而存在的

雖然模塊的功能是自我包含、自我實(shí)現(xiàn)的，但是模塊的存在和劃分必須以產(chǎn)品平臺(tái)的整體功能為前提。比如某一個(gè)收音機(jī)由接收器（Ra）、放大器（Aa）和電源（Pa）三個(gè)組件構(gòu)成，當(dāng)該收音機(jī)只有這樣一種產(chǎn)品配置的時(shí)候，這里不存在任何模塊，接收器（Ra）、放大器（Aa）和電源（Pa）是一個(gè)整體，不用區(qū)分。但是，當(dāng)有另外一種收音機(jī)使用了另外一種電源（Pb），這個(gè)電源（Pb）又與前一個(gè)電源（Pa）可以互換時(shí)，那么電源在沒有任何變化的情況下，就會(huì)成為一個(gè)模塊。因此，模塊的功能和互換性都是依賴于產(chǎn)品平臺(tái)的功能和配置變化而存在的，失去產(chǎn)品平臺(tái)的定義和產(chǎn)品平臺(tái)的配置需求，模塊的存在是沒有意義的。

3．1．4 模塊是有層次的，受觀察角度和范圍的影響

模塊可以包含子模塊，因?yàn)槟K的功能是整個(gè)系統(tǒng)功能的組成部分，所以子模塊的功能應(yīng)該是父模塊的基本功能，所以能否稱為模塊是受觀察角度和定義范圍的影響而變化的。同樣，模塊層次越多管理難度越大，當(dāng)模塊層次劃分過多，就與非模塊化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)沒有什么差異了。例如，就模塊的層次而言，柴油機(jī)是整車的一個(gè)模塊，發(fā)電機(jī)又是柴油機(jī)的一個(gè)模塊。站在不同的角度，模塊的劃分也會(huì)不同。發(fā)電機(jī)對(duì)于發(fā)電機(jī)生產(chǎn)商來(lái)講是一個(gè)產(chǎn)品，對(duì)于柴油機(jī)生產(chǎn)商來(lái)講是一個(gè)模塊，而對(duì)于整車生產(chǎn)商來(lái)講只是一個(gè)總成件了。整車廠的模塊化產(chǎn)品平臺(tái)中不需要定義發(fā)電機(jī)模塊。

3.2 模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

模塊化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對(duì)企業(yè)的貢獻(xiàn)可以從產(chǎn)品研發(fā)、提高效率、降低成本和改進(jìn)企業(yè)管理等幾個(gè)方面考慮。

3．2．1 對(duì)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的貢獻(xiàn)

模塊是產(chǎn)品知識(shí)的載體，模塊的重用就是設(shè)計(jì)知識(shí)的重用，大量利用已有的經(jīng)過試驗(yàn)、生產(chǎn)和市場(chǎng)驗(yàn)證的模塊，可以降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品的可靠性和設(shè)計(jì)質(zhì)量。模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的分配和隔離，使問題的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)的改進(jìn)變得容易。模塊實(shí)現(xiàn)功能的抽象和實(shí)現(xiàn)分離，使設(shè)計(jì)人員容易掌握產(chǎn)品全局，同時(shí)設(shè)計(jì)人員可以屏蔽掉與自身領(lǐng)域無(wú)關(guān)的細(xì)節(jié)，從而關(guān)注更高層次的設(shè)計(jì)邏輯。模塊功能的獨(dú)立性和接口的一致性使模塊研究更加專業(yè)化和深入，可以不斷通過升級(jí)自身性能來(lái)提高產(chǎn)品的整體性能和可靠性，而不會(huì)影響到產(chǎn)品其他模塊。模塊功能的獨(dú)立性和接口的一致性，使各個(gè)模塊可以相對(duì)獨(dú)立地設(shè)計(jì)和發(fā)展，可以進(jìn)行并行設(shè)計(jì)、開發(fā)和并行試驗(yàn)、驗(yàn)證。模塊的不同組合能滿足用戶的多樣性需求，易于產(chǎn)品的配置和變型設(shè)計(jì)，同時(shí)又能保證這種配置變型可以滿足企業(yè)批量化生產(chǎn)的需求。

3．2．2 對(duì)企業(yè)工作效率和節(jié)省時(shí)間的貢獻(xiàn)

設(shè)計(jì)和零部件的重用可以大大縮短設(shè)計(jì)周期；并行的產(chǎn)品開發(fā)和測(cè)試可以大大縮短設(shè)計(jì)周期；利用已有成熟模塊可大大縮短采購(gòu)周期、物流周期和生產(chǎn)制造周期，從而加快產(chǎn)品上市時(shí)間；如果劃分模塊時(shí)考慮到企業(yè)售后服務(wù)的特定需求，同樣可以縮短服務(wù)周期和耗費(fèi)資源時(shí)間。

3．2．3 對(duì)企業(yè)成本控制的貢獻(xiàn)

模塊和知識(shí)的重用可以大大降低設(shè)計(jì)成本；采用成熟的經(jīng)過驗(yàn)證的模塊，可以提高采購(gòu)批量，降低采購(gòu)和物流成本；采用成熟的經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證的模塊，可以大大降低新產(chǎn)品投產(chǎn)時(shí)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響，使新產(chǎn)品更容易生產(chǎn)制造，可以降低生產(chǎn)制造成本；產(chǎn)品平臺(tái)中及平臺(tái)之間存在大量的互換模塊，可以降低售后服務(wù)成本。

3．2．4 對(duì)企業(yè)組織的貢獻(xiàn)

有利于企業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)分工，規(guī)范不同團(tuán)隊(duì)間的信息接口，進(jìn)行更為深入的專業(yè)化研究和不同模塊系統(tǒng)的并行開發(fā)；抽象平臺(tái)和模塊的建立，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)組織結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品模塊結(jié)構(gòu)之間的交互，使并行工程擁有實(shí)施的根基，工藝、財(cái)務(wù)、采購(gòu)和售后服務(wù)可以在產(chǎn)品研發(fā)早期就介入產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的模塊接口有利于形成產(chǎn)品的供應(yīng)商規(guī)范；有利于產(chǎn)業(yè)分工的細(xì)化（比如計(jì)算機(jī)行業(yè)和汽車行業(yè)）。目前，常常把PC機(jī)稱為兼容機(jī)，實(shí)際上就是指不同品牌的計(jì)算機(jī)硬件是完全可以互換（兼容）的，這些硬件都符合IBM對(duì)PC機(jī)定義的接口標(biāo)準(zhǔn)。

4 傳統(tǒng)電梯行業(yè)控制柜采用端子接線工藝

傳統(tǒng)電梯控制柜中包含變壓器、變頻器、開關(guān)電源、空開、相序、接觸器、端子排等。在生產(chǎn)過程中，需要花費(fèi)大量的精力，才能完成一臺(tái)控制柜的組裝，材料花費(fèi)很大，不利于節(jié)能降耗，成本控制。其缺點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：①組裝施工難度較大，工作效率較低，做一個(gè)控制柜費(fèi)時(shí)約1 d。所有導(dǎo)線必須用線槽固定或內(nèi)藏于控制柜夾層中。②控制柜體積較大，結(jié)構(gòu)不緊密。雖然也能做出規(guī)整的設(shè)計(jì)布局，因?yàn)槎俗优旁O(shè)計(jì)導(dǎo)致空間利用率不高的問題。③全手工接口，導(dǎo)致工作量增大，每個(gè)端子都需要手工操作才能完成。④現(xiàn)場(chǎng)故障檢查需要一定的專業(yè)基礎(chǔ)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，存在接線不良等隱患。⑤不利于大規(guī)模批量生產(chǎn)，不利于形成規(guī)模效應(yīng)。

普通端子控制柜如圖1所示。

5 電梯控制柜的模塊化設(shè)計(jì)

采用模塊化控制柜設(shè)計(jì)，是電控柜集中化設(shè)計(jì)，布線簡(jiǎn)化，線材的消耗減少2/3以上?？梢詫⒖刂乒竦目臻g縮小，接線采用預(yù)制端口，提高了工作效率。接線端子采用接口板模塊設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了元器件布局，縮小了控制柜的體積。將接口板信號(hào)模塊自身功能獨(dú)立，具有標(biāo)準(zhǔn)連接接口和輸入輸出接口，便于大批量生產(chǎn)，縮短了組裝所花費(fèi)的時(shí)間。接線采用預(yù)制端口，便于批量化生產(chǎn)，集成化設(shè)計(jì)節(jié)省了大量的空間和布線時(shí)間，提高了生產(chǎn)組裝的效率。轎頂板模塊化設(shè)計(jì)如圖2所示，控制柜接口板布局如圖3所示。

圖1 普通端子控制柜

圖2 轎頂板模塊化設(shè)計(jì)

圖3 控制柜接口板布局

原理圖文檔制作方面，根據(jù)需求繪制接口板原理圖，定義各接口，進(jìn)行布線，集成設(shè)計(jì)電路，使電路板布局簡(jiǎn)化。原理如圖4所示。

圖4 原理圖

PCB板制作方面，根據(jù)繪制的原理圖，生成印制板圖，可以委托專業(yè)制造PCB單位制作成實(shí)物電路板。PCB板如圖5所示。

圖5 PCB板圖

6 幾種模塊化設(shè)計(jì)的案例

目前，電梯系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的控制柜基本上都采用了模塊化設(shè)計(jì)，充分地吸收了具有標(biāo)準(zhǔn)連接接口和輸入輸出接口，且每個(gè)模塊都能獨(dú)立作為一個(gè)設(shè)備工作。

其優(yōu)點(diǎn)是：電控柜集成化程度較高，便于檢修?，F(xiàn)場(chǎng)安裝勞動(dòng)強(qiáng)度低，效率高，不需要非常專業(yè)的人員也可很容易操作。默納克控制柜模塊化設(shè)計(jì)如圖6所示，新時(shí)達(dá)控制柜模塊化設(shè)計(jì)如圖7所示。

7 結(jié)論

模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)如下：①結(jié)構(gòu)更加合理。機(jī)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于采用模塊化的設(shè)計(jì)，每個(gè)部分的布局更加合理、緊湊，使每個(gè)部件的功能都能發(fā)揮良好，控制柜布線簡(jiǎn)單。②使用維護(hù)更加簡(jiǎn)單。井道的電線電纜以全接插件方式連接，預(yù)留檢修封線端口，不需要再找其他方法進(jìn)行電路檢查，能很快診斷出故障點(diǎn)。如果出現(xiàn)模塊電路損壞，只需要更換相應(yīng)模塊即可，且操作簡(jiǎn)單，不用專業(yè)技術(shù)人員就可更換。

圖6 默納克控制柜模塊化設(shè)計(jì)

圖7 新時(shí)達(dá)控制柜模塊化設(shè)計(jì)