電力二次屏柜布線系統(tǒng)數(shù)字化軟件研究

俞天益，畢夢凡，何慧敏，李 玲

（國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，南京 211106）

電力二次屏柜（以下簡稱“屏柜”）是指具有監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)等功能的低壓電氣設(shè)備柜，二次屏柜包括裝置、切換按鈕、空開和端子等。目前，國內(nèi)屏柜普遍采用手工測量下線，面臨作業(yè)效率低、人工成本高且線束質(zhì)量難以把控的問題。為解決此類問題國內(nèi)外已有大量研究，基于各種工業(yè)軟件采用信息化的概念[1]，對傳統(tǒng)配線工藝進(jìn)行改進(jìn)以提升效率。包括以交互式CAD/CAM 系統(tǒng)（UG）、交互式CAD/CAE/CAM 系統(tǒng)（CATIA）等三維商用軟件提供的半自動(dòng)布線方法[2]，通過建立機(jī)械模塊解決布線干涉問題，但原理圖與模型間數(shù)據(jù)交換弱，操作復(fù)雜且工作效率低，還有以EPLAN[3]和SuperHarness[4]等專業(yè)軟件提供的建模、仿真輸出預(yù)制線束工單的辦法，使導(dǎo)線走線可視化，提高了導(dǎo)線長度的精確性，顯著提高了生產(chǎn)效率，具有一定的積極意義，但實(shí)踐證明EPLAN 預(yù)制工單效率提升有限，無法應(yīng)對規(guī)模化生產(chǎn)，且操作復(fù)雜，維護(hù)成本高。

綜上，針對屏柜開發(fā)了一種線束預(yù)制自動(dòng)化軟件（以下簡稱“軟件”），基于數(shù)字化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行機(jī)柜參數(shù)化，對接點(diǎn)之間的走線路徑進(jìn)行結(jié)構(gòu)化解析，通過定義裝置及器件支點(diǎn)坐標(biāo)，簡化線長計(jì)算邏輯，并充分利用原理圖數(shù)據(jù)與軟件進(jìn)行交互式操作，將各段的導(dǎo)線長度采用數(shù)字化的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出導(dǎo)線線長，生成自動(dòng)下線機(jī)所需的預(yù)制線束工單[5]及物料生產(chǎn)清單。

1 屏柜參數(shù)化

1.1 機(jī)柜結(jié)構(gòu)化解析

屏柜根據(jù)環(huán)境及用戶要求，不同柜體尺寸也存在差異，以國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)19 英寸柜常用柜型為基礎(chǔ)模板進(jìn)行參數(shù)化[6]建模，尺寸為2 260（H）×800（W）×600（D）。

屏柜按走線區(qū)域分為前安裝面、后安裝面、燈座和空開安裝面4 個(gè)部分，其中切換開關(guān)、按鈕和壓板等安裝在前安裝面，裝置、橫線槽、豎線槽、端子、防雷器及變送器等安裝在后安裝面，照明安裝在燈座，空開安裝面按設(shè)計(jì)要求排布各型號(hào)空開。

軟件將三維空間走線區(qū)域拆解為多個(gè)二維平面并映射至二維基準(zhǔn)面上，以機(jī)柜左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，參數(shù)化定義區(qū)域應(yīng)在（0，0）及（800，2 200）的坐標(biāo)范圍之內(nèi)。參照IEC 60297-3-100.2008《電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)482.6 mm(19in)系統(tǒng)機(jī)柜結(jié)構(gòu)尺寸》標(biāo)準(zhǔn)要求，屏柜內(nèi)總U 數(shù)為45 U（1 U=44.45 mm），故以柜內(nèi)自上而下U數(shù)定義器件位置。軟件內(nèi)部線槽包括內(nèi)立柱橫向線槽及豎向線槽，由設(shè)計(jì)可知豎向線槽位置統(tǒng)一，左右線槽中心間距約為505 mm，左豎線槽X 值為147.5，右豎線槽X 值為652.5，橫線槽用于連接左右豎線槽，其位置通過U 數(shù)定義。

1.2 定義基準(zhǔn)平面

根據(jù)屏柜內(nèi)部裝置及器件劃分走線區(qū)域，走線情況可概括為：

（1）裝置及器件內(nèi)短連線。

（2）前安裝面至后安裝面間走線。

（3）空開安裝面至后安裝面走線。

（4）燈座至后安裝面走線。

（5）后安裝面內(nèi)走線（通過橫線槽）。

實(shí)際生產(chǎn)中，上述5 種走線情況除方式（1）外均與后安裝面關(guān)聯(lián)，所以定義機(jī)柜后安裝面為基準(zhǔn)平面。

1.3 支點(diǎn)定義規(guī)則

為規(guī)范走線原則將屏柜內(nèi)所有裝置及器件的走線都集中于固定點(diǎn)上，稱支點(diǎn)[7]。支點(diǎn)位置統(tǒng)一由安裝位置決定，是裝置及器件與外部接線的參考基準(zhǔn)點(diǎn)。由1.2 節(jié)可知，屏柜后安裝面為軟件定義的基準(zhǔn)平面，所以將支點(diǎn)位置統(tǒng)一定義在后安裝面豎線槽上，由1.1節(jié)可知支點(diǎn)坐標(biāo)表達(dá)式為（147.5，Y），（652.5，Y）。

1.3.1 裝置支點(diǎn)

裝置采用立柱安裝，其高度為1 U～8 U，通過裝置下方1 U 線槽走線，支點(diǎn)固定在橫線槽進(jìn)入豎線槽的中部位置，裝置走線方向根據(jù)走線情況不同分左右2個(gè)方向，所以裝置有左右2 個(gè)支點(diǎn)。裝置在屏柜中安裝位置不同，其支點(diǎn)縱坐標(biāo)也不同，由安裝U 數(shù)決定。

以4 U 裝置安裝在1 U 位置作為裝置支點(diǎn)的基礎(chǔ)值，由屏柜設(shè)計(jì)可知裝置左右支點(diǎn)Y 值為1 913.2，因此左側(cè)支點(diǎn)坐標(biāo)為（147.5，1 913.2），右側(cè)支點(diǎn)坐標(biāo)為（652.5，1 913.2）。

綜上，當(dāng)某n U 裝置安裝在第m U 位置時(shí)，支點(diǎn)Y值為

Y=1 913.2-{（n-4）+（m-1）}×44.45。

1.3.2 空開支點(diǎn)

空開走線方式為上下走線，并根據(jù)走線情況不同分左右2 個(gè)方向，所以空開有左上、右上、左下和右下4 個(gè)支點(diǎn)。其中奇數(shù)接點(diǎn)（1，3，5，7……為上部出線方向）對應(yīng)左上、右上2 個(gè)支點(diǎn)，偶數(shù)接點(diǎn)（2，4，6，8……為下部出線方向）對應(yīng)左下、右下2 個(gè)支點(diǎn)，空開盒分外部空開刀閘盒和內(nèi)部空開刀閘盒。

其中，外部空開刀閘盒安裝位置固定，由屏柜設(shè)計(jì)可知，左上、右上2 個(gè)支點(diǎn)Y 值為2 145，所以左上支點(diǎn)坐標(biāo)為（147.5，2 145），右上支點(diǎn)坐標(biāo)為（652.5，2 145）；左下、右下2 個(gè)支點(diǎn)Y 值為2 000，所以左下支點(diǎn)坐標(biāo)為（147.5，2 000），右下支點(diǎn)坐標(biāo)為（652.5，2 000）。

內(nèi)部空開刀閘盒采用立柱安裝且安裝位置不固定，由安裝U 數(shù)決定。以空開盒安裝在1 U 位置作為支點(diǎn)的基礎(chǔ)值，由屏柜設(shè)計(jì)可知，左上、右上2 個(gè)支點(diǎn)Y值為2 130，所以左上支點(diǎn)坐標(biāo)為（147.5，2 130），右上支點(diǎn)坐標(biāo)為（652.5，2 130）；左下、右下2 個(gè)支點(diǎn)Y 值為1 985，所以左下支點(diǎn)坐標(biāo)為（147.5，1 985），右下支點(diǎn)坐標(biāo)為（652.5，1 985）；

綜上，當(dāng)內(nèi)部空開刀閘盒安裝在第m U 位置時(shí)，左上、右上支點(diǎn)Y 值為

Y=2 130-（m-1）×44.45；左下、右下支點(diǎn)Y 值為

Y=1 985-（m-1）×44.45。

1.3.3 壓板支點(diǎn)

壓板采用按塊統(tǒng)一從底部走線原則，5 排及以下為整塊安裝板，5 排以上采用5 排加多個(gè)單排壓板的組合方式。根據(jù)排數(shù)不同壓板走線方式可分為3 種類型。

（1）4 排壓板及以下（統(tǒng)一從壓板右側(cè)底部走線）。

（2）5 排壓板（從壓板底部兩側(cè)走線）。

（3）6 排及以上壓板（5 排整板從壓板底部兩側(cè)走線，單排分別從各壓板底部右側(cè)走線）。

由屏柜設(shè)計(jì)可知，壓板布置位置及間距有明確的規(guī)定，已知壓板橫向間距為d1，壓板安裝板橫向間距為d2，將單排壓板作為基礎(chǔ)固定值進(jìn)行計(jì)算，單排壓板的支點(diǎn)Y 值為530，其支點(diǎn)坐標(biāo)為（652.5，530）。

當(dāng)壓板為4 排及以下時(shí)，若壓板排數(shù)為n，支點(diǎn)Y值為

Y=530-（n-1）×d1。

當(dāng)壓板為5 排時(shí)，支點(diǎn)Y 值為230，壓板走線方向根據(jù)走線情況不同分左右2 個(gè)方向，因此左支點(diǎn)坐標(biāo)為（147.5，230），右支點(diǎn)坐標(biāo)為（652.5，230）。

當(dāng)壓板大于5 排時(shí)，壓板后5 排與類型（2）一致，當(dāng)壓板排數(shù)為n（n≥6），第m{m≥1 且m≤（n-5）}排壓板時(shí)，支點(diǎn)Y 值為：

Y=530+（n-m-4）×d2

1.3.4 端子支點(diǎn)

根據(jù)屏柜設(shè)計(jì)要求，豎導(dǎo)軌端子Y 值為1 945 mm，左端子初始支點(diǎn)坐標(biāo)為（147.5，1 945），右端子初始支點(diǎn)坐標(biāo)為（652.5，1 945）。根據(jù)端子實(shí)際布置高度的變化，其支點(diǎn)Y 值也不同，支點(diǎn)Y 值為

式中：n為端子類型數(shù)量；ai為各類型端子數(shù)量；bi為各類型端子的厚度；m為該端子所處的組數(shù)；c 為標(biāo)簽堵頭厚度。

1.3.5 切換開關(guān)、按鈕支點(diǎn)

切換開關(guān)、按鈕的支點(diǎn)Y 值與自身及對應(yīng)裝置的位置有關(guān)。以7 U 裝置的第一個(gè)切換開關(guān)作為切換支點(diǎn)的基礎(chǔ)值，由屏柜設(shè)計(jì)可知，切換的基礎(chǔ)支點(diǎn)Y 值為1 845，切換及按鈕間距為t，因此左支點(diǎn)坐標(biāo)為（147.5，1 845），右支點(diǎn)坐標(biāo)為（652.5，1 845）。

綜上，當(dāng)裝置安裝在第n U 切換為第m 個(gè)時(shí)，支點(diǎn)Y 值為

Y=1 845-（n-7）×44.45-（m-1）×t。

1.4 器件參數(shù)化

器件參數(shù)化模型庫中器件信息包括導(dǎo)線規(guī)格、壓頭種類、號(hào)碼管方向及器件各接點(diǎn)距離支點(diǎn)的距離，以便于軟件直接調(diào)取使用。

器件與支點(diǎn)關(guān)系分為2 種，1 個(gè)支點(diǎn)僅對應(yīng)1 個(gè)代號(hào)器件（如整層裝置、切換開關(guān)、按鈕和端子等），此類器件各接點(diǎn)與支點(diǎn)的距離為固定值，在器件模型庫中維護(hù)即可。1 個(gè)支點(diǎn)對應(yīng)多個(gè)代號(hào)器件（如壓板、空開等），此類情況選擇標(biāo)準(zhǔn)接點(diǎn)位置至支點(diǎn)的距離，結(jié)合器件排布規(guī)律通過位置換算計(jì)算差異化數(shù)值。

1.4.1 空開接點(diǎn)至支點(diǎn)距離參數(shù)化

空開標(biāo)準(zhǔn)接點(diǎn)位置至支點(diǎn)的距離是空開位于最左側(cè)排布時(shí)的數(shù)據(jù)，其值為DK，空開寬度為p。左側(cè)第NP空開接點(diǎn)至支點(diǎn)長度為L。

空開接點(diǎn)至左支點(diǎn)距離為

L左=DK+（N-1）×p。

空開接點(diǎn)至右支點(diǎn)距離為

L右=DK+（N-1）×p。

1.4.2 壓板接點(diǎn)至支點(diǎn)距離參數(shù)化

壓板標(biāo)準(zhǔn)接點(diǎn)位置至支點(diǎn)的長度是壓板最左上角排布時(shí)的數(shù)據(jù)，其值為DY，壓板縱向間距為d3。第M 行第N 列壓板接點(diǎn)至支點(diǎn)長度為L。

壓板接點(diǎn)至右側(cè)支點(diǎn)長度為：

L右MN=DY-（M-1）×d1-（N-1）×d3。

壓板接點(diǎn)至左側(cè)支點(diǎn)長度為

L左MN=DY-（M-1）×d1-（N-1）×d3。

2 器件支點(diǎn)間距參數(shù)化

根據(jù)支點(diǎn)及通過橫線槽的位置關(guān)系，器件支點(diǎn)之間的走線方式可分為3 種，現(xiàn)定義一側(cè)器件支點(diǎn)坐標(biāo)為（X1，Y1），另一側(cè)器件支點(diǎn)坐標(biāo)為（X2，Y2），線槽高度坐標(biāo)為Y3，3 種走線方式支點(diǎn)間距為Di（i=1，2，3）。

走線方式1：通過豎線槽連接，2 個(gè)支點(diǎn)位于機(jī)柜同側(cè)；D1=|Y1-Y2|。

走線方式2：通過橫線槽連接，2 個(gè)支點(diǎn)位于橫線槽兩側(cè)；D2=|Y1-Y2|+|X1-X2|。

走線方式3：通過橫線槽連接，2 個(gè)支點(diǎn)位于橫線槽同側(cè)；D3=|Y1-Y3|+|Y2-Y3|+|X1-X2|。

由于部分器件存在不止一個(gè)支點(diǎn)的情況，接點(diǎn)間就會(huì)存在多個(gè)走線路徑，現(xiàn)定義裝置A 支點(diǎn)個(gè)數(shù)為m，裝置B 支點(diǎn)個(gè)數(shù)為n，根據(jù)最短路徑原則支點(diǎn)間距DAB為

DAB=min{Dij（ ,i=1… m,j=1…n）}。

綜上，接點(diǎn)間導(dǎo)線總長度S 為

SAB=LA+DAB+LB。

3 數(shù)字化軟件實(shí)例應(yīng)用

3.1 屏柜線束參數(shù)化設(shè)計(jì)

軟件支持CAD 開發(fā)識(shí)圖功能及EPLAN 數(shù)據(jù)識(shí)表功能，充分利用原理圖信息完成布局設(shè)計(jì)。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，分為基礎(chǔ)信息、壓板設(shè)計(jì)、端子設(shè)計(jì)、空開設(shè)計(jì)、裝置設(shè)計(jì)、前立柱設(shè)計(jì)和器件設(shè)計(jì)7 個(gè)模塊，采用交互式操作定義機(jī)柜參數(shù)和各器件參數(shù)，導(dǎo)出布線工單和物料清單，同時(shí)，也可以導(dǎo)出物料清單，對自動(dòng)化布線工程進(jìn)行追溯驗(yàn)證。

3.2 導(dǎo)線長度可用度分析

為了驗(yàn)證線束工單導(dǎo)線長度的可用性，對生產(chǎn)中的某屏柜空開、壓板、切換、裝置及端子5 項(xiàng)分別隨機(jī)抽樣10 根導(dǎo)線，樣本共50 組數(shù)據(jù)，與實(shí)際測量標(biāo)準(zhǔn)線長進(jìn)行對比?，F(xiàn)定義線束工單導(dǎo)線線長為Xij，實(shí)際測量標(biāo)準(zhǔn)線長為Yij，組成對比數(shù)據(jù)（Xij，Yij）（i=1，2，…，5，j=1，2，…，10，i 表示組別，j 表示數(shù)據(jù)），求得極差[8]百分比Rij見表1。

表1 導(dǎo)線長度極差

通過誤差計(jì)算公式可知，線束工單導(dǎo)線長度與實(shí)際測量標(biāo)準(zhǔn)線長誤差在3%以內(nèi)，滿足工程誤差要求，所以軟件是符合設(shè)計(jì)工藝要求的。

3.3 線束預(yù)制與裝配

通過全自動(dòng)端子壓著機(jī)自動(dòng)處理線束工單信息，自動(dòng)匹配導(dǎo)線規(guī)格、壓頭種類和號(hào)碼管方向，并進(jìn)行分類打包。對裝置、空開和壓板進(jìn)行模塊化預(yù)制扎線，待機(jī)柜、端子等裝配完成后直接上屏組裝。

4 結(jié)束語

對機(jī)柜進(jìn)行結(jié)構(gòu)化解析，并對柜體、立柱和線槽等關(guān)鍵部分進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，選擇機(jī)柜后安裝面為軟件設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)平面。

采用支點(diǎn)走線法重新定義裝置及器件的走線邏輯并給出支點(diǎn)計(jì)算公式和不同走線方式下的導(dǎo)線長度的計(jì)算公式。

開發(fā)軟件操作界面，通過簡單的交互式操作實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)導(dǎo)出線束工單，對軟件導(dǎo)出線束工單線長與實(shí)際測量標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線長度進(jìn)行誤差分析，得到誤差都在3%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)工藝要求。結(jié)合軟件全自動(dòng)端子壓著機(jī)逐漸取代了人工下線和商業(yè)軟件的半自動(dòng)下線模式，切實(shí)滿足了規(guī)模化生產(chǎn)的需要。