制絲線電控系統(tǒng)基于CBE和知識(shí)的快速設(shè)計(jì)研究

楊少華

（云南昆船設(shè)計(jì)研究院 煙機(jī)電控所，昆明 650236）

0 引言

隨著市場(chǎng)化的推進(jìn)，用戶對(duì)產(chǎn)品交貨時(shí)間的要求也越來越迫切，在這種狀況下，設(shè)計(jì)效率日益成為瓶頸問題。

CAD的出現(xiàn)使設(shè)計(jì)人員甩掉了圖板，大量的圖塊和典型圖集也在很大程度上提升了效率。但即便這樣，器件代號(hào)、線號(hào)、交互參照等大量表達(dá)圖紙和器件信息的數(shù)據(jù)和文本仍需要手工錄入或修改，圖紙及報(bào)表等資料的形成依然需要設(shè)計(jì)人員先在紙上大致規(guī)劃清楚，再在計(jì)算機(jī)上形成表達(dá)。此外，由于器件號(hào)、線號(hào)、端子號(hào)等編號(hào)受編號(hào)規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)化的約束，導(dǎo)致項(xiàng)目即使發(fā)生細(xì)微的變化也要人工全部整理一遍圖紙和文檔。以上種種因素使設(shè)計(jì)效率無法得到提高，設(shè)計(jì)輸出的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化也得不到充分的體現(xiàn)。因此，如何幫助電控設(shè)計(jì)人員更好更快地完成設(shè)計(jì)工作，減少畫圖和做報(bào)表期間的工作強(qiáng)度，以及如何充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間、提高設(shè)計(jì)效率，并促進(jìn)企業(yè)電控設(shè)計(jì)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化等是一個(gè)值得研究的課題。

1 制絲線電控設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)模式

目前組成制絲線的設(shè)備基本固定，除回潮機(jī)、加香（加料）機(jī)、烘絲機(jī)、切絲機(jī)等為數(shù)不多的主機(jī)外，其余均是大量的如倉式喂料機(jī)、皮帶輸送機(jī)、振動(dòng)輸送機(jī)、計(jì)量管、振動(dòng)篩分機(jī)、往復(fù)帶式布料機(jī)、貯柜等輸送存儲(chǔ)設(shè)備。與我國“中式卷煙特色工藝”的要求相適應(yīng)，目前的煙草制絲工藝線在控制模式的劃分上也有一個(gè)明顯的趨勢(shì)和特點(diǎn)，即主機(jī)采用機(jī)電一體化的智能單機(jī)模式來完成單機(jī)的獨(dú)立電控，其余設(shè)備采用分段控制[1]。在這種模式下，對(duì)于每一個(gè)工藝段而言，所控制的設(shè)備都是相同或相近的，所不同的只是這些設(shè)備出現(xiàn)的位置不同而已。

一般而言，為便于現(xiàn)場(chǎng)施工及設(shè)備管理，在對(duì)制絲線進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃的時(shí)候，各設(shè)備會(huì)被冠以“平面號(hào)”作為設(shè)備的唯一識(shí)別號(hào)。這樣，相同類型和結(jié)構(gòu)的設(shè)備在制絲線中被安置到不同的位置就具有了不同的平面號(hào)，而這些設(shè)備由于工作原理及控制方式相同，因此其電控圖紙的基本表達(dá)（即除去文字部分后的內(nèi)容）完全一樣，只是控制器件及被控對(duì)象的編號(hào)不同而已（需與平面號(hào)對(duì)應(yīng)）。因此，當(dāng)整個(gè)生產(chǎn)線的控制方式和器件規(guī)劃一經(jīng)完成，電控圖紙的設(shè)計(jì)工作即成為如何將這些不同平面號(hào)的設(shè)備按照相同的控制模式和控制結(jié)構(gòu)按順序連接起來并完成相關(guān)文字的修改工作。對(duì)映到傳統(tǒng)CAD下，設(shè)計(jì)的工作就是不斷地復(fù)制粘貼，然后不斷地更改器件代號(hào)和導(dǎo)線編號(hào)。

可以設(shè)想，如果CAD系統(tǒng)有強(qiáng)大的關(guān)系數(shù)據(jù)庫作為后臺(tái)支撐，典型設(shè)備的所有元素（包含圖紙和器件信息等數(shù)據(jù)）都以某種方式和一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系形成數(shù)據(jù)集，那么對(duì)這些數(shù)據(jù)集進(jìn)行操作即成為對(duì)這些典型設(shè)備的電控圖紙和元器件進(jìn)行操作。若干臺(tái)典型設(shè)備按照不同的組合方式組成的煙草制絲生產(chǎn)線，就是將若干臺(tái)典型設(shè)備的數(shù)據(jù)集進(jìn)一步形成的集合，在這個(gè)集合下對(duì)這些典型設(shè)備的數(shù)據(jù)集進(jìn)行操作就等同于對(duì)制絲線電控系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

2 CAD至CBE的發(fā)展回顧

相對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)的CAD/CAE/CAM的發(fā)展歷程，電控設(shè)計(jì)的CAx系統(tǒng)有其自己的發(fā)展特點(diǎn)。電控設(shè)計(jì)軟件最早和機(jī)械設(shè)計(jì)一樣是以“計(jì)算機(jī)代替手工圖板”的CAD （computer aid design計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）為起步點(diǎn)的，這種CAD軟件僅具備繪圖功能，數(shù)據(jù)之間無任何關(guān)聯(lián)，無法按照某種規(guī)則自動(dòng)生成圖紙和表單，至今很多公司的機(jī)械設(shè)計(jì)和電控設(shè)計(jì)仍然使用僅具備繪圖功能的同一套軟件。

相比而言，到eCAD的概念出現(xiàn)時(shí)，軟件具有了一些智能功能，電腦可以輔助完成一些真正的設(shè)計(jì)工作，有了數(shù)據(jù)庫的概念，系統(tǒng)可以自動(dòng)形成關(guān)聯(lián)參照，器件和節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編號(hào)，器件清單、端子（各接線點(diǎn)）接線表等表單可以自動(dòng)生成，但是作業(yè)只能按設(shè)計(jì)流程進(jìn)行，后期發(fā)現(xiàn)前期的錯(cuò)誤，只能從頭逐項(xiàng)進(jìn)行修改。這個(gè)階段的電控設(shè)計(jì)軟件一般稱為eCAD軟件，屬于CAE（computer aid engineering計(jì)算機(jī)輔助工程）的范疇[3]，其設(shè)計(jì)流程為“單項(xiàng)批處理模式”，如圖1所示。

圖1 單向批處理的設(shè)計(jì)流程

近年來出現(xiàn)的CBE系統(tǒng)（computer based engineering基于計(jì)算機(jī)的工程）引入了關(guān)系數(shù)據(jù)庫的模式，在CBE軟件中，項(xiàng)目的搭建、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以及所有圖紙和表單的設(shè)計(jì)均以系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫為中心，所有的設(shè)計(jì)工作可以在圖元、圖紙或表單等任意一個(gè)環(huán)節(jié)開始，可實(shí)現(xiàn)圖紙、器件、位置、功能等的多向、實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，一旦在任意處進(jìn)行編輯，項(xiàng)目里與每個(gè)相關(guān)的所有數(shù)據(jù)即可同時(shí)自動(dòng)更改，并且始終與數(shù)據(jù)庫保持同步，其設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 同一數(shù)據(jù)庫平臺(tái)的實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)

除上述軟件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)流程上的區(qū)別外，CBE電控設(shè)計(jì)軟件還有兩個(gè)較為顯著的特點(diǎn)：其一，在CBE系統(tǒng)下，項(xiàng)目與圖紙的關(guān)系，不再像CAD那樣是文件內(nèi)各頁面之間的關(guān)系，也不是CAE下各磁盤文件之間的關(guān)系，而是同一個(gè)數(shù)據(jù)倉庫內(nèi)若干個(gè)數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)系；其二，就設(shè)計(jì)對(duì)象而言，CAE系統(tǒng)同CAD一樣還是針對(duì)圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)，而在CBE中項(xiàng)目各相關(guān)元素之間有了緊密的數(shù)據(jù)關(guān)系，可以直接用數(shù)據(jù)表進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 基于CBE的MCC快速設(shè)計(jì)

由于基于CBE的電控設(shè)計(jì)軟件是針對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)的軟件，其所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，前臺(tái)的設(shè)計(jì)過程其實(shí)就是對(duì)后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，即應(yīng)用程序從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，在程序內(nèi)存中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)的變化保存在數(shù)據(jù)庫中的過程。因此在設(shè)計(jì)過程（即對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的操作過程）中，各類項(xiàng)目元素必須以各種形式形成數(shù)據(jù)集，各“子表”以器件（或材料）為外鍵相互關(guān)聯(lián)并最終關(guān)聯(lián)到表達(dá)“高層代號(hào)”的總表中，這樣僅需對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作即可以實(shí)現(xiàn)將設(shè)備或機(jī)構(gòu)的電路作為模塊迅速組合形成電控系統(tǒng)的目的。

根據(jù)國標(biāo)和IEC標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備或機(jī)構(gòu)的電路（即器件單元或控制單元，Modularized Control Cabinet，以下簡稱MCC）均應(yīng)有自己的“功能面結(jié)構(gòu)”、“位置面結(jié)構(gòu)”和“產(chǎn)品面結(jié)構(gòu)”，分別表示“它做什么”、“它位于何處”及“它是如何構(gòu)成的”[2]。制絲線電控系統(tǒng)各控制段、各控制單元在具有相同器件單元的情況下，其分屬的“產(chǎn)品”或“位置”可能完全不同，因此只有依靠功能對(duì)器件單元進(jìn)行唯一的抽象識(shí)別，同時(shí)將此器件單元內(nèi)各器件的若干位置以及各器件與若干產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)關(guān)系再往上關(guān)聯(lián)到某一個(gè)特定的功能下，即系統(tǒng)在器件位置離散的情況下，只有“功能”才可以作為高層代號(hào)成為所有數(shù)據(jù)的根。

這樣，在后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫中，每一個(gè)MCC或控制單元作為一個(gè)表，最高層“功能”作為表的主鍵，器件的規(guī)格型號(hào)（或PDM物料碼）作為外鍵對(duì)應(yīng)其余各表中的記錄。那么在以MCC為單元向新項(xiàng)目進(jìn)行復(fù)制時(shí)，CBE軟件就將源項(xiàng)目數(shù)據(jù)表的主鍵賦予目標(biāo)項(xiàng)目數(shù)據(jù)表的主鍵的過程，也就是完成將關(guān)聯(lián)到此功能下的所有對(duì)象復(fù)制到新項(xiàng)目的過程，這樣就完成了以“功能”根的所有項(xiàng)目元素的復(fù)制操作，從而達(dá)到我們快速復(fù)制的目標(biāo)。

4 基于知識(shí)的MCC的構(gòu)建

具體對(duì)制絲線而言，絕大部分設(shè)備如喂料機(jī)、貯柜、布料車、皮帶機(jī)、振槽（篩）等，由于其機(jī)身電氣元器件的配置相對(duì)固定，因此可以根據(jù)機(jī)型進(jìn)行建庫操作。其余如回潮筒、烘絲機(jī)、加香（加料）機(jī)等在不同項(xiàng)目上功能和器件構(gòu)成存在差異的設(shè)備可以跟據(jù)器件配置的差異，按器件單元的方式進(jìn)行建庫，如8對(duì)接近開關(guān)或8對(duì)電磁閥等為一個(gè)MCC的模式進(jìn)行建庫，待項(xiàng)目組織基本完成后，再根據(jù)設(shè)備實(shí)際器件的多少進(jìn)行刪減，工作流程如圖3所示。

圖3 基于MCC的快速設(shè)計(jì)

圖中，以MCC為單元的知識(shí)庫的建庫是整個(gè)快速設(shè)計(jì)的核心，該庫必須滿足結(jié)構(gòu)化、易用性和開放性的要求[3]。如果整個(gè)制絲線的控制模式和器件選型發(fā)生變化，新的MCC必須能夠在現(xiàn)有MCC基礎(chǔ)上快速衍生，形成新的MCC。

5 結(jié)束語

本文為煙草制絲線電控設(shè)計(jì)提供了CBE軟件基于知識(shí)的快速設(shè)計(jì)方法，該方式可以進(jìn)一步推廣到流程行業(yè)流水線的電控設(shè)計(jì)中。在這種方式下，項(xiàng)目內(nèi)同類機(jī)型越多，設(shè)計(jì)的效率優(yōu)勢(shì)越明顯。但在具體實(shí)踐中，由于需要充分考慮企業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及生產(chǎn)模式，加之圖形符號(hào)庫和產(chǎn)品器件庫及知識(shí)庫等的建庫工作較為繁瑣，因此實(shí)施初期進(jìn)度會(huì)較為緩慢。但是一旦設(shè)計(jì)模式和建庫工作完成，那就意味著大量的重復(fù)工作可以交給計(jì)算機(jī)來完成，可以大大減輕電控設(shè)計(jì)人員畫圖和做報(bào)表的壓力，設(shè)計(jì)周期可以提高80%以上[4]，可以為公司生產(chǎn)制造留出更多的時(shí)間，從而達(dá)到快速設(shè)計(jì)的目的；而且圖紙的設(shè)計(jì)輸出也能更加標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，從而減輕校對(duì)、審核、標(biāo)準(zhǔn)化等人員的工作；給用戶的圖紙也更加規(guī)范，有利于進(jìn)一步提升企業(yè)形象。

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