基于EPLAN Harness proD 的 電氣柜布線工藝設(shè)計(jì)研究

文| 北京科銳配電自動(dòng)化股份有限公司 易盼軟件(上海)有限公司 趙寧 文禮強(qiáng) 劉瓊

一、背景

電氣柜內(nèi)的布線方式主要分為兩類(lèi)，一是按線槽布線，導(dǎo)線隨意放置在槽內(nèi)，不綁扎或保護(hù)；二是無(wú)線槽布線，使用扎帶或者纏繞帶對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行綁扎、固定，如圖1 所示。

圖1 電氣柜內(nèi)布線方式

傳統(tǒng)的柜內(nèi)布線工藝，一般需要電氣設(shè)備安裝到位后才能開(kāi)展。車(chē)間工人一邊看圖，一邊開(kāi)展規(guī)劃布線路徑、手工制線，一邊完成接線工作，如圖2 所示。而接線工作中導(dǎo)線制備流程落后、設(shè)備自動(dòng)化程度低、布線接線串行工作以及對(duì)接線工人水平依賴(lài)程度高等因素，是導(dǎo)致電氣柜生產(chǎn)材料大量浪費(fèi)、接線工作效率不高以及布線工藝水平不標(biāo)準(zhǔn)的主要原因。

圖2 傳統(tǒng)柜內(nèi)布線工藝

為了解決電氣柜內(nèi)布線工藝的設(shè)計(jì)問(wèn)題，提高電氣柜生產(chǎn)產(chǎn)能及工藝質(zhì)量水平，諸多企業(yè)開(kāi)始在數(shù)字化樣機(jī)環(huán)境下，開(kāi)展布線工藝的設(shè)計(jì)，并購(gòu)置相應(yīng)自動(dòng)化設(shè)備，打通設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的數(shù)據(jù)流。

隨著電氣/機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展，目前市面上已有大量針對(duì)布線設(shè)計(jì)的軟件，例如，EPLAN 公司的Pro Panel 和 Harness proD、PTC 公司的Pro/Cabling 以及Siemens 公司的UG/Wiring 等。本文以EPLAN Harness proD 軟件為例，講述如何利用HPD 進(jìn)行柜內(nèi)線束布線工藝的數(shù)字化設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)的自動(dòng)化。

二、EPLAN Harness proD 的布線設(shè)計(jì)

1、EPLAN Harness proD 簡(jiǎn)介

EPLAN Harness proD（以下簡(jiǎn)稱(chēng)HPD）是一種獨(dú)特和獨(dú)立的易用解決方案，可以高效且快速地創(chuàng)建三維線束、釘板圖、電纜圖紙和報(bào)表。HPD 使線束設(shè)計(jì)不受機(jī)械原型可用性的影響?？芍苯邮褂?D MCAD 模型將顯著降低開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)通過(guò)縮短開(kāi)發(fā)周期而節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)。

作為一款電氣布線工藝設(shè)計(jì)軟件，HPD 提供了大量的方便、實(shí)用的工藝設(shè)計(jì)功能，如布線路徑快速設(shè)計(jì)、自動(dòng)附加接線端子、干涉檢查、彎曲半徑檢查、復(fù)雜實(shí)體復(fù)用和用于導(dǎo)線電纜預(yù)制的釘板圖電纜圖等，并提供了與自動(dòng)化下線機(jī)，如Komax、CADCable等機(jī)器接口。

2、HPD 布線設(shè)計(jì)流程

HPD 相對(duì)于其他布線設(shè)計(jì)軟件，其最大的特點(diǎn)之一，是操作簡(jiǎn)單，易上手。從零開(kāi)始，到完整完成單個(gè)柜內(nèi)的布線設(shè)計(jì)，只需要七步，如所3 所示。

圖3 HPD 布線設(shè)計(jì)流程

而當(dāng)企業(yè)的部件庫(kù)里部件數(shù)量達(dá)到一定程度，并且開(kāi)展了一定標(biāo)準(zhǔn)化工作后，便可通過(guò)變量、電氣選項(xiàng)以及復(fù)雜實(shí)體復(fù)用等功能，使柜內(nèi)布線的設(shè)計(jì)時(shí)間產(chǎn)品交付周期更短。

（1）部件庫(kù)準(zhǔn)備

同其他三維布線軟件相似，在開(kāi)始布線設(shè)計(jì)前，通常是需要準(zhǔn)備相應(yīng)的部件數(shù)據(jù)，如連接物、端子、導(dǎo)線電纜、接線端子以及部件部件組等。但相比其他軟件，HPD提供了“快速原型”功能，用來(lái)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)快速開(kāi)發(fā)完整或部分模型的方法。快速原型注重于功能，旨在以相對(duì)直接、簡(jiǎn)單和快速的過(guò)程降低開(kāi)發(fā)和制造所需模型的過(guò)程復(fù)雜性。

（2）導(dǎo)入3D 柜體和放置連接物

HPD 支持直接導(dǎo)入多款主流M-CAD 源文件數(shù)據(jù)，如SW、Creo 和CATIA 等，也支持導(dǎo)入常用的中間格式的文件，如STEP、IGES 等。三維模型導(dǎo)入后，作為一個(gè)整體部件，存在于HPD 中，且可以對(duì)各零部件進(jìn)行顏色、透明度和顯示/隱藏等調(diào)試。

電氣柜體導(dǎo)入HPD 后，便可在柜體上進(jìn)行電氣器件的安裝布局。放置器件時(shí)，可使用HPD 提供的點(diǎn)、線、面配合、句柄/安裝點(diǎn)捕捉、坐標(biāo)系對(duì)齊和移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)等功能，實(shí)現(xiàn)器件的快速精準(zhǔn)放置，完成整個(gè)柜內(nèi)器件的布局，如圖4 所示。

圖 4 電氣柜布局

（3）規(guī)劃路徑

完成電氣器件的安裝布局后，就可以為導(dǎo)線的布線，設(shè)計(jì)和規(guī)劃路徑，即HPD 的術(shù)語(yǔ)：束。在HPD 中，路徑的規(guī)劃可通過(guò)“點(diǎn)擊并指向”的方法，快速創(chuàng)建，然后通過(guò)添加和調(diào)整（移動(dòng)）控制點(diǎn)，來(lái)完成路徑的調(diào)整。

針對(duì)電氣柜的路徑創(chuàng)建，建議先創(chuàng)建總的路徑，該路徑包含了導(dǎo)線布線的所有可能。在進(jìn)行導(dǎo)線布線設(shè)計(jì)時(shí)，可先復(fù)用總路徑，在完成相應(yīng)導(dǎo)線布線后，刪除多余未使用路徑，如圖5 所示。如此一來(lái)，可大大提高布線設(shè)計(jì)的總體效率。

圖 5 布線路徑規(guī)劃

（4）布線設(shè)計(jì)

在完成器件布局和路徑規(guī)劃后，便可對(duì)器件間的接線，進(jìn)行布線工藝的設(shè)計(jì)。該環(huán)節(jié)是體現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)關(guān)聯(lián)的重要環(huán)節(jié)，主要分四步進(jìn)行：

◎ 導(dǎo)線分組并導(dǎo)入連接關(guān)系

電氣柜內(nèi)的導(dǎo)線數(shù)量，尤其是低壓控制柜，一般都是成千上百的存在。面對(duì)如此多的接線關(guān)系，不宜全部同時(shí)導(dǎo)入到HPD 中進(jìn)行布線設(shè)計(jì)，因此需要提前將接線關(guān)系，分成不同組，然后導(dǎo)入到不同的HPD 工作區(qū)中，形成不同的線束。

HPD 對(duì)于接線關(guān)系表信息有特定要求，如圖6 所示，需要提供導(dǎo)線的型號(hào)、導(dǎo)線兩端器件名稱(chēng)（在HPD 里的顯示名稱(chēng)REFDES，而不是庫(kù)里的部件名稱(chēng)）及其管腳名稱(chēng)即可。接線關(guān)系導(dǎo)入時(shí)，HPD 也提供了導(dǎo)入模板，提高導(dǎo)線導(dǎo)入的效率。

圖 6 接線關(guān)系導(dǎo)入模板與導(dǎo)入效果

◎ 自動(dòng)/半自動(dòng)/手動(dòng)布線

針對(duì)不同導(dǎo)線組，可以在HPD 中不同的工作區(qū)來(lái)進(jìn)行布線設(shè)計(jì)。對(duì)于布線，HPD 提供了自動(dòng)（按最短路徑和就近出線點(diǎn)）、半自動(dòng)（指定布線路徑的起點(diǎn)和終點(diǎn)）以及手動(dòng)（提定導(dǎo)線經(jīng)過(guò)哪些布線路徑）布線功能。完成布線的效果如圖7 所示。

圖 7 HPD 布線效果

◎ 自動(dòng)附加零件

接線端子，即俗稱(chēng)的線鼻子(DT)，常用于導(dǎo)線末端連接和續(xù)接，能讓導(dǎo)線和電氣器件連接更牢固、更安全，是電力設(shè)備、電器連接常用的材料。一般導(dǎo)線與電氣器件連接時(shí)，按照國(guó)家接線規(guī)范要求，導(dǎo)線末端連接均需使用對(duì)應(yīng)的接線端子，再與電氣器件管腳連接，使產(chǎn)品外觀規(guī)格良好，導(dǎo)電性能更好和安全。

電氣柜內(nèi)導(dǎo)線兩端的接線端子，一般需要根據(jù)器件接線點(diǎn)類(lèi)型要求和導(dǎo)線截面積的不同，選擇不同接線端子，一般企業(yè)均有相應(yīng)的工藝文件，來(lái)規(guī)范接線端子的選型和使用。而這些工藝要求，可以直接體現(xiàn)在部件庫(kù)里，即為器件指定適用的接線端子類(lèi)型，如圖8 所示。

圖 8 為器件指定接線端子

HPD 提供了的自動(dòng)附加零件功能，能自動(dòng)根據(jù)導(dǎo)線的截面積和器件適用的接線端子類(lèi)型，自動(dòng)為導(dǎo)線兩端，加載對(duì)應(yīng)的接線端子，如圖9 所示。自動(dòng)附加零件后，導(dǎo)線兩端的接線羰子信息就可以直接輸出，為導(dǎo)線自動(dòng)制備，提供數(shù)據(jù)。

圖 9 自動(dòng)附加接線端子

◎ 創(chuàng)建線束

線束，是將各電氣設(shè)備所用的不同規(guī)格、不同顏色的電線通過(guò)合理的安排，將其合為一體，并將電線捆扎成束，其目的是為了便于安裝、維修，這樣既完整，又可靠。借助線束概念，將完成布線和添加上接線端子的成組導(dǎo)線，設(shè)計(jì)為不同的線束，如圖10 所示，為釘板圖制造輸出，和導(dǎo)線預(yù)制，提供原始數(shù)據(jù)。

HPD 提供的“自動(dòng)傳導(dǎo)線束隸屬關(guān)系”，只需要將單一對(duì)象，如導(dǎo)線、連接物等，分配給某一線束，相關(guān)聯(lián)的對(duì)象則會(huì)自動(dòng)分配到該線束內(nèi)，大大提高了將線束對(duì)象分配給相應(yīng)線束效率。

圖 10 HPD 中的不同線束

（5）設(shè)計(jì)驗(yàn)證

完成柜內(nèi)導(dǎo)線的布線設(shè)計(jì)和線束分配后，就需要為線束設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查。HPD 提供了27 種設(shè)計(jì)檢查規(guī)則，如圖11 所示。通常而言，電氣柜內(nèi)線束設(shè)計(jì)主要檢查以下幾個(gè)方面內(nèi)容即可（不同企業(yè)，對(duì)工藝要求不同，可根據(jù)實(shí)際需求，進(jìn)行檢查項(xiàng)內(nèi)容的設(shè)定）。

◎ 彎曲半徑檢查：檢查布線工藝設(shè)計(jì)時(shí)，布線路徑的彎曲半徑，是否小于導(dǎo)線設(shè)置的最小半徑。

◎ 干涉檢查：檢查布線路徑，是否與機(jī)械部件產(chǎn)生干涉。

◎ 缺少附加零件：檢查是否為導(dǎo)線，自動(dòng)附加了接線端子。

◎ 直徑檢查：檢查特定路徑中，導(dǎo)線布線外徑超過(guò)了該路徑的設(shè)定值。

◎ 過(guò)時(shí)部件/部件版本檢查：檢查HPD 工作區(qū)中使用的部件，與部件庫(kù)中部件的狀態(tài)是否一致，保證部件使用的正確性。

圖11 HPD 提供的檢查規(guī)則

（6）制造輸出

在保證設(shè)計(jì)檢查沒(méi)有問(wèn)題的情況下，就可以利用HPD，自動(dòng)生成線束的導(dǎo)線下線表和釘板圖，用于導(dǎo)線預(yù)制或自動(dòng)下線和線束加工。

電氣柜內(nèi)線束的導(dǎo)線列表，如圖12 所示，主要體現(xiàn)信息：線束名稱(chēng)、導(dǎo)線型號(hào)（部件名稱(chēng)）、導(dǎo)線長(zhǎng)度、From（即導(dǎo)線一端的設(shè)備的標(biāo)識(shí)及其管腳名）、接線端子自、剝線長(zhǎng)度自（有接線端子時(shí)，即為接線端子要求的導(dǎo)線的剝線長(zhǎng)度，沒(méi)有接線端子時(shí)，即為器件管腳直接接導(dǎo)線時(shí)要求的導(dǎo)線的剝線長(zhǎng)度）、至（即導(dǎo)線另一端設(shè)備的標(biāo)識(shí)及其管腳名）和剝線長(zhǎng)度至。

HPD 支持將導(dǎo)列表信息，導(dǎo)出Excel 表，便于自動(dòng)下線設(shè)備，直接導(dǎo)入使用。

釘板圖是根據(jù)電氣原理圖、線束三維布置等相關(guān)信息完成的線束1:1 平面圖紙。對(duì)于電氣柜內(nèi)線束的釘板圖，導(dǎo)線端通常只需要體現(xiàn)導(dǎo)線端所接設(shè)備標(biāo)識(shí)以及管腳信息即可，如圖13 所示。

圖12 導(dǎo)線列表

圖 13 釘板圖中導(dǎo)線端信息

釘板圖的排版樣式，應(yīng)與三維布線的效果相似，如圖14所示，如轉(zhuǎn)折點(diǎn)和導(dǎo)線出線方向等，如不能完全表達(dá)時(shí)，應(yīng)添加必要注釋。釘板圖主要用來(lái)指導(dǎo)線束物料采購(gòu)、生產(chǎn)以及維修等。

圖 14 釘板圖排版與三維布線效果

至此，按照七步法，基本完成了在HPD 中電氣柜內(nèi)單一線束進(jìn)行布線工藝設(shè)計(jì)的工作。最后，利用HPD 特有的，復(fù)雜實(shí)體的導(dǎo)入導(dǎo)出功能，將多個(gè)線束，導(dǎo)入到同一空間，即可完成整個(gè)柜內(nèi)線束的布線工藝設(shè)計(jì)，如圖15 所示。

圖15 整柜線束效果

3、生產(chǎn)流程優(yōu)化

對(duì)于傳統(tǒng)電氣柜的布線工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和加工，大致流程如圖16 所示。

圖 16 傳統(tǒng)布線工藝、生產(chǎn)和加工流程

柜內(nèi)布線工藝設(shè)計(jì)，需要電氣設(shè)備安裝到位后才能開(kāi)展，且模式常為：車(chē)間工人一邊看圖，一邊開(kāi)展規(guī)劃布線路徑、手工制線，一邊完成接線工作。而手工制線的過(guò)程，如圖17 所示，也極為消耗時(shí)間和浪費(fèi)生產(chǎn)材料。

圖 17 手工制線流程

而基于HPD 軟件下的電氣柜布線工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和加工流程，如圖18 所示，將極大地改善傳統(tǒng)電氣柜布線工藝流程下串行工序、手工制線和生產(chǎn)材料浪費(fèi)等問(wèn)題。

圖 18 基于HPD 的布線工藝、生產(chǎn)和加工流程

HPD 利用機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合電氣設(shè)計(jì)的接線信息，在數(shù)字化樣機(jī)的設(shè)計(jì)模式下，即可完成柜內(nèi)布線的工藝設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)檢查及質(zhì)量?jī)?yōu)化等。而自動(dòng)輸出的下線表，則為自動(dòng)設(shè)備完成導(dǎo)線的自動(dòng)加工，提供數(shù)據(jù)支撐，大大提高了導(dǎo)線的制備效率，并且減少了生產(chǎn)材料的浪費(fèi)（如導(dǎo)線、接線端子等）。同時(shí)，釘板圖為導(dǎo)線成線束制作，提供了制造參考。因此，器件安裝與導(dǎo)線制備工作，便可同步開(kāi)展，且制成線束以后的導(dǎo)線，安裝更為方便和快速，大大減少柜內(nèi)接線工作的時(shí)間，縮短產(chǎn)品交付時(shí)間。

三、結(jié)論

通過(guò)研究利用EPLAN Harness proD 軟件，對(duì)電氣柜進(jìn)行布線工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，使用EPLAN Harness proD 進(jìn)行布線工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要有：

◎ 相比其他同類(lèi)布線設(shè)計(jì)軟件，其安裝和使用，不依賴(lài)于其他E-CAD 或者M(jìn)-CAD 軟件，可單獨(dú)使用。

◎ 軟件操作方法簡(jiǎn)便，易上手，且設(shè)計(jì)流程邏輯清晰明了，無(wú)需要大量的學(xué)習(xí)便能熟練掌握和使用。

◎ 作為專(zhuān)業(yè)的布線工藝設(shè)計(jì)軟件，提供了大量針對(duì)工藝設(shè)計(jì)的功能，如自動(dòng)附件零件、設(shè)計(jì)檢查、布線路徑快速設(shè)計(jì)以及自動(dòng)傳導(dǎo)線束隸屬關(guān)系等。

◎ 作為專(zhuān)業(yè)的布線工藝設(shè)計(jì)軟件，其提供的報(bào)表/釘板圖、生產(chǎn)接口等功能，可以很好地改善傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)加工流程，為縮短生產(chǎn)周期、減少生產(chǎn)資料浪費(fèi)，提供解決方案。

◎ 作為三維設(shè)計(jì)軟件，可以為企業(yè)打造數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)以及智能制造。

綜上所述，EPLAN Harness proD，非常適合電氣柜內(nèi)的布線工藝設(shè)計(jì)，以及改善電氣柜的生產(chǎn)和加工流程。