基于配置化設(shè)計(jì)生成自動(dòng)化圖樣的思路和方法

劉 揚(yáng)，吳向陽，陳昱辰

（武漢東研智慧設(shè)計(jì)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(chǎn)組織方式加快了產(chǎn)品的迭代速度，裝備制造行業(yè)如何實(shí)現(xiàn)敏捷設(shè)計(jì)和制造，快速響應(yīng)市場和客戶的需求，同時(shí)提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，降低成本，打造核心競爭力，是當(dāng)前迫切需要思考的課題。

同時(shí)，當(dāng)前設(shè)計(jì)工作中還存在一些亟待解決的問題。

1）目前，本部門自動(dòng)化專業(yè)的工作內(nèi)容主要是承擔(dān)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、配合采購編制預(yù)算和招投標(biāo)、制造安裝管理、PLC及上位機(jī)的軟件編寫開發(fā)、設(shè)備及工藝調(diào)試、驗(yàn)收陪產(chǎn)等任務(wù)。在多個(gè)項(xiàng)目同時(shí)開展的情況下，人力資源就會(huì)捉襟見肘，產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)參差不齊。

2）雖然，本部門自動(dòng)化專業(yè)積累了多年項(xiàng)目設(shè)計(jì)和調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)，也建立了較完善的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和知識(shí)庫，但每個(gè)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)風(fēng)格和思路不一致，就很難保證圖幅圖面、電氣產(chǎn)品選型、功能連接等細(xì)節(jié)方面的一致性。

3）工程師在設(shè)計(jì)時(shí)往往采用從舊項(xiàng)目中復(fù)制粘貼到新項(xiàng)目后修改調(diào)整的方式來完成，設(shè)計(jì)質(zhì)量無法保證，而且主要以重復(fù)性工作為主，甚至是同類型的設(shè)備，只是不同用戶的需求，如控制方式、相關(guān)配置及電氣產(chǎn)品的品牌有不同的要求，這樣也需要進(jìn)行反復(fù)的修改和調(diào)整。

4）設(shè)計(jì)效率不高，成熟人員和新進(jìn)人員的設(shè)計(jì)效率差別大，不能保證設(shè)計(jì)周期的同步，而且需要投入很大的校審精力才能保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。

5）綜上問題也就會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本、進(jìn)度和質(zhì)量難以管控，同時(shí)也會(huì)傳導(dǎo)到采購、制造、安裝和調(diào)試等環(huán)節(jié)，造成一些不必要的延誤和浪費(fèi)。

經(jīng)過多次論證調(diào)研后，基于當(dāng)前設(shè)計(jì)采用的 EPLAN P8 軟件環(huán)境，聯(lián)合軟件供應(yīng)商共同開發(fā)了一套適用于自動(dòng)化專業(yè)的圖樣自動(dòng)生成軟件系統(tǒng)（Automation Design Automatic Production，ADAP），目前已順利完成相關(guān)研發(fā)，并應(yīng)用到了實(shí)際項(xiàng)目中，取得了良好的效果，同時(shí)也申報(bào)了相關(guān)專利和軟件著作權(quán)。

下面將具體討論如何通過配置化的設(shè)計(jì)方式來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成圖樣。

2 開發(fā)思路

按照設(shè)計(jì)習(xí)慣，自動(dòng)化設(shè)計(jì)方式一般分為基于電路特性和基于對(duì)象功能的兩種設(shè)計(jì)方式，前者是依據(jù)主電路（一次回路）、控制電路（二次回路）等電路特性來劃分設(shè)計(jì)，而后者更符合GB/T 5094的標(biāo)準(zhǔn)要求，是從功能面和位置面來定義產(chǎn)品的一種設(shè)計(jì)。比如系統(tǒng)中有一臺(tái)水泵，屬于受控對(duì)象，與水泵相關(guān)聯(lián)的其他對(duì)象，如接通水泵運(yùn)行的主電路、啟停水泵控制電路、檢測(cè)壓力的反饋回路等，都屬于關(guān)聯(lián)水泵運(yùn)行的子功能對(duì)象，而當(dāng)系統(tǒng)中有兩臺(tái)或者多臺(tái)同樣功能的水泵時(shí)，其實(shí)設(shè)計(jì)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(duì)象的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思路，有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，如圖1所示。

圖1 基于功能對(duì)象的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思路

非標(biāo)設(shè)備的特點(diǎn)之一就是定制化，不同的用戶、不同的產(chǎn)品會(huì)需要不同的生產(chǎn)工藝環(huán)境，因此用于生產(chǎn)的設(shè)備，其功能、形式、結(jié)構(gòu)以及控制方式等方面也會(huì)有不同的要求，需要定制設(shè)計(jì)和制造、安裝及調(diào)試。從自動(dòng)化的角度看，就會(huì)因?yàn)榭刂品绞降牟町?、使用?xí)慣的差別、外購件品牌不同、產(chǎn)品型號(hào)迭代等因素，影響電路設(shè)計(jì)工作的復(fù)雜程度。雖然基于對(duì)象功能的設(shè)計(jì)方式非常有利于標(biāo)準(zhǔn)化，但是針對(duì)非標(biāo)設(shè)計(jì)任務(wù)還是很難減輕工作強(qiáng)度。究其原因，基于對(duì)象功能的方式適用于設(shè)備對(duì)象或者功能單元對(duì)象，而從控制角度，則需要更加細(xì)化到自控產(chǎn)品對(duì)象（自控的專業(yè)術(shù)語稱為宏對(duì)象），只有在自控產(chǎn)品（宏）的層級(jí)，才能實(shí)現(xiàn)柔性化、配置化的設(shè)計(jì)。因此，我們?cè)陂_發(fā)之初，就確立了基于對(duì)象功能的設(shè)計(jì)方式，并對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)性分類，通過分析對(duì)象的功能屬性、分解對(duì)象的邏輯結(jié)構(gòu)、以及重組對(duì)象的配置規(guī)則，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)配置化設(shè)計(jì)的開發(fā)思路。

3 開發(fā)方法

先簡單介紹一下傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)人員通過手動(dòng)添加一個(gè)一個(gè)的功能圖形宏，然后在功能圖形宏組成的圖樣上進(jìn)行調(diào)整和修改，最終設(shè)計(jì)出滿足工藝、設(shè)備特點(diǎn)以及控制功能、PLC控制關(guān)聯(lián)點(diǎn)、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒆钥禺a(chǎn)品品牌等具體要求的電路圖樣。這種采用圖形宏的設(shè)計(jì)方法，實(shí)際上只是通過人工進(jìn)行加配或者減配的一種修改設(shè)計(jì)，對(duì)于設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的改善效果不高，有時(shí)還有些負(fù)面的影響。

如何在非標(biāo)設(shè)備的自動(dòng)化設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)人的創(chuàng)作性設(shè)計(jì)，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?yàn)殡娔X只會(huì)按照規(guī)則程序來執(zhí)行任務(wù)，這里的“規(guī)則”就是我們所開發(fā)使用的方法，總結(jié)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(duì)原來標(biāo)準(zhǔn)化電路進(jìn)行了拆解，把原來基于控制對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)電路按照對(duì)象所需的控制產(chǎn)品進(jìn)行分類，再對(duì)各產(chǎn)品的主要組件（零件）、輔助組件（子零件）進(jìn)行細(xì)分，拆分時(shí)結(jié)合各組件（零件）的電路原理、連接方式等特點(diǎn)，按一定的原則進(jìn)行分類，設(shè)計(jì)開發(fā)成為相應(yīng)的宏對(duì)象文件。借用機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行類比，就是俗稱的拆圖。功能圖形宏就相當(dāng)于部件圖，拆解成零件圖，即宏對(duì)象圖，這種宏對(duì)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(chǎn)品功能、電位、連接點(diǎn)、物理尺寸和位置關(guān)系等。

舉例說明：如圖2所示，該圖形宏實(shí)現(xiàn)的功能是變頻器控制電機(jī)運(yùn)行的電路，包含了基礎(chǔ)圖形宏（即除紅框外部分）和圖形宏1~4（即各紅框內(nèi)部分）。圖形宏 1 是制動(dòng)電阻的原理圖宏，圖形宏2是現(xiàn)場維修開關(guān)原理圖宏，圖形宏3是熱敏電阻原理圖宏，圖形宏4是電機(jī)抱閘原理圖宏。原來設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)調(diào)用這個(gè)已做好的全功能圖形宏，然后由人工根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行刪減和調(diào)整，比如，新的項(xiàng)目中的電機(jī)無熱敏電阻，則刪除圖形宏3；如果電機(jī)功率發(fā)生變化，則需要根據(jù)新的功率來修改相關(guān)的開關(guān)、線路等參數(shù)，還有就是根據(jù)用戶對(duì)自控產(chǎn)品的品牌要求來修改相關(guān)產(chǎn)品的選型。這樣，對(duì)于設(shè)計(jì)工作的要求需要非常嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，否則很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

圖2 某圖形宏示意圖

現(xiàn)在，通過梳理功能圖形宏，我們對(duì)其進(jìn)行分類，根據(jù)必要性原則和特殊功能性原則，分別定義了基礎(chǔ)圖形宏和特殊圖形宏兩個(gè)類別，然后，分別設(shè)計(jì)不同的宏對(duì)象文件。

3.2 組合規(guī)則

組合即對(duì)拆分后的宏對(duì)象文件，在實(shí)際設(shè)計(jì)調(diào)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(jī)械制造時(shí)的裝配過程，區(qū)別機(jī)械裝配是實(shí)際的生產(chǎn)過程，而宏對(duì)象組合是電路原理組成的虛擬過程。根據(jù)控制系統(tǒng)的需求，調(diào)用需要的宏對(duì)象可以柔性的組合成不同的宏電路，然后根據(jù)控制邏輯組合相關(guān)的單元設(shè)備圖形宏，最終完成全套的控制原理圖。

宏對(duì)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?yàn)檫@種基于對(duì)象的搭配，理論上會(huì)有非常多的組合方式，因此，必須基于設(shè)備形式及單元類別進(jìn)行分類，然后通過xml語言來分別描述每一種設(shè)備單元類別和設(shè)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(shè)計(jì)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(dòng)化系統(tǒng)中的核心器件，其輸入/輸出模塊上的IO點(diǎn)連接著外部傳感器和執(zhí)行器等功能單元，因?yàn)槊總€(gè)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(gè)控制系統(tǒng)的連接原理都不盡相同，所以原理圖設(shè)計(jì)時(shí)需要耗費(fèi)很大的精力來分配輸入/輸出模塊IO點(diǎn)的連接分配邏輯。

如何讓軟件實(shí)現(xiàn)PLC中IO點(diǎn)的自動(dòng)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(guān)的IO點(diǎn)分散聚合到對(duì)應(yīng)的功能電路中去，這種模組化的設(shè)計(jì)方式，優(yōu)點(diǎn)就是方便管理相關(guān)聯(lián)的功能對(duì)象，也方便相同功能對(duì)象的反復(fù)調(diào)用。但是，由于IO點(diǎn)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(shè)計(jì)了相關(guān)的圖樣，如PLC機(jī)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(jī)架類型設(shè)計(jì)一個(gè)sheet表單，見表1，在軟件配置時(shí)，后臺(tái)會(huì)根據(jù)配置選擇相應(yīng)的sheet表單，實(shí)現(xiàn)了不同機(jī)架類型的選擇。同時(shí)，采用xml文件格式設(shè)計(jì)包含IO點(diǎn)配置的功能單元設(shè)備電路，為每一個(gè)功能設(shè)備電路中的IO點(diǎn)制定編制規(guī)則。

表1 基于每種機(jī)架類型的sheet表單

用戶在使用UI軟件配置時(shí)，通過創(chuàng)建PLC站，如圖4所示，設(shè)定對(duì)應(yīng)sheet表單的機(jī)架類型，通過添加功能單元設(shè)備時(shí)，把其分配給PLC站，其中功能單元設(shè)備的xml配置文件中包含著IO點(diǎn)的分配數(shù)據(jù)，這樣軟件在后臺(tái)解析xml文件時(shí)，就按一定規(guī)則插入相應(yīng)的PLC圖形宏，并分配地址。而且，規(guī)則中明確了PLC的IO點(diǎn)是按需分配的，因此軟件在后臺(tái)可以根據(jù)使用需求自動(dòng)地添加機(jī)架、地址總覽等，當(dāng)機(jī)架超過總數(shù)量限制時(shí)，還可以創(chuàng)建新的機(jī)架，這個(gè)規(guī)則對(duì)于IP67的現(xiàn)場IO模塊特別方便。

圖4 PLC站設(shè)置

PLC的IO點(diǎn)分配流程如圖5所示。

圖5 PLC的IO點(diǎn)分配流程圖

3.4 替換規(guī)則

項(xiàng)目中經(jīng)常會(huì)用到不同公司的產(chǎn)品，體現(xiàn)到設(shè)計(jì)中，一般分為兩大情況：一種情況是電路原理、電氣符號(hào)、連接點(diǎn)等都不會(huì)改變，只需要把符號(hào)中對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品進(jìn)行部件替換即可；另一種情況就比較復(fù)雜，品牌替換后，相應(yīng)的電路原理、連接點(diǎn)、甚至電氣符號(hào)都發(fā)生了變化，對(duì)于這種情況需要將整個(gè)電路頁面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

對(duì)于第一種情況，我們?cè)诓考炖锩嬖O(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬品牌，每一種實(shí)際品牌的部件都有與之對(duì)應(yīng)的虛擬部件，設(shè)計(jì)宏對(duì)象或者宏電路時(shí)，符號(hào)屬性引用虛擬部件。同時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)表單，把每一個(gè)虛擬部件與不同廠家的實(shí)際型號(hào)對(duì)應(yīng)起來，配置設(shè)計(jì)時(shí)，用戶選擇實(shí)際品牌，在軟件生成圖樣過程中，通過查詢數(shù)據(jù)表單的虛擬部件和與之對(duì)應(yīng)的實(shí)際品牌及型號(hào)，軟件會(huì)自動(dòng)把宏電路中的虛擬部件替換為實(shí)際部件。對(duì)于第二種情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了宏品牌另外一種替換規(guī)則，即通過設(shè)計(jì)xml文件對(duì)每種品牌的宏電路進(jìn)行描述，由設(shè)計(jì)人員在軟件UI界面中選擇相應(yīng)的品牌，一種品牌、甚至一個(gè)產(chǎn)品系列就對(duì)應(yīng)一個(gè)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(diào)用相應(yīng)品牌的宏對(duì)象，實(shí)現(xiàn)按用戶指定品牌設(shè)計(jì)相應(yīng)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(shí)施過程中的一些方法論，但是計(jì)算機(jī)如何明白這些方法并按預(yù)設(shè)的規(guī)則來執(zhí)行呢，這就需要使用xml可擴(kuò)展標(biāo)記語言來描述成計(jì)算機(jī)能明白的意思，這個(gè)過程就是用創(chuàng)建xml文件來描述或者定義每一個(gè)功能設(shè)備單元由哪些宏電路組成，而每一個(gè)宏電路又由哪些宏對(duì)象構(gòu)成，而且還要定義宏對(duì)象在圖幅中插入點(diǎn)的坐標(biāo)，IO點(diǎn)的使用情況等，以及宏對(duì)象與配置界面設(shè)計(jì)時(shí)的邏輯關(guān)系，這些邏輯的定義會(huì)影響宏對(duì)象是否被正確引用。因?yàn)榕渲媒缑嬉彩怯?xml 語言定義的，所以通過軟件的動(dòng)態(tài)解析，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)則框架內(nèi)的任意界面定義和宏對(duì)象插入的邏輯對(duì)應(yīng)，如下是定義兩個(gè)屬性的xml代碼：

是否帶維修開關(guān)" Value=””UIType=”CheckBox”

為了完整的表達(dá)一個(gè)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(duì)象產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的一個(gè)簡單例子。

3.6 UI設(shè)計(jì) 和 EPLAN API插件功能設(shè)計(jì)

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(zhì)就是多年來形成的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過設(shè)計(jì)一套UI配置軟件，把這些標(biāo)準(zhǔn)、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了有形化。設(shè)計(jì)人員在友好的人機(jī)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(shè)備單元，完成設(shè)計(jì)參數(shù)配置和選擇控制產(chǎn)品的品牌等操作，就可以通過軟件在后臺(tái)創(chuàng)建配置設(shè)計(jì)的文件；結(jié)合EPLAN API數(shù)據(jù)接口功能開發(fā)一套插件，通過這個(gè)插件把配置設(shè)計(jì)的文件導(dǎo)入到EPLAN的平臺(tái)中，配置設(shè)計(jì)的文件和部件庫、宏數(shù)據(jù)進(jìn)行交互和調(diào)用，就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)生成滿足要求的設(shè)計(jì)圖樣，配置設(shè)計(jì)的部分過程如圖6所示。導(dǎo)入EPLAN軟件平臺(tái)的自動(dòng)生成過程如圖7所示。

圖6 配置設(shè)計(jì)的部分過程

圖7 導(dǎo)入EPLAN軟件平臺(tái)的自動(dòng)生成過程

4 結(jié)束語

本文介紹了配置化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成圖樣的思路和方法，軟件系統(tǒng)開發(fā)完成后，經(jīng)過實(shí)際使用，設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量都顯著提高，設(shè)計(jì)周期和校審周期也大幅縮短。通過軟件的方法把標(biāo)準(zhǔn)、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了封裝和有形化，讓知識(shí)轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力，從而提高了生產(chǎn)效率，也改變了原有的設(shè)計(jì)方式和流程。實(shí)現(xiàn)了軟件代替人工完成一些重復(fù)性的工作，可以讓設(shè)計(jì)人員把更多的精力投入項(xiàng)目管理、產(chǎn)品優(yōu)化及數(shù)據(jù)分析等方面，也能更多的投入到創(chuàng)造性的工作中去。