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基於EPLAN Platform的电控柜设计和生产优化研究

图1-1 传统盘柜设计与制造时间。EPLAN

本文针对传统电气控制柜在设计环节和生产过程中的常见问题,给出基於EPLAN Platform的解决方案,并着重介绍了如何利用EPLAN Platform对电气控制柜的设计和生产进行优化,从而提高电气控制柜的设计品质和生产效率,缩短产品交付周期。

传统电控柜设计及生产现状

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图1-2 原理图中的交叉点「·」。EPLAN

图1-3 原理图中的端子表达。EPLAN

图1-4 原理与实物不符。EPLAN

图1-5 器件安装示意图。EPLAN

图1-6 传统模式下的电控柜设计、采购和生产流程。EPLAN

图1-7 不同电控柜的器件安装间隙不一致。EPLAN

图1-8 生产现场的手工工作。EPLAN

图1-9 设备接线与导线制备的穿插串行。EPLAN

图1-10 预留导线的浪费。EPLAN

图1-11 工人根据个人经验布线。EPLAN

图2-1 电控柜制造各过程时间占比。EPLAN

图2-2 EPLAN Platform产品概览。EPLAN

图2-3 EPLAN Platform下的数码化双胞胎。EPLAN

图2-4 EPLAN Platform下的数码化双胞胎。EPLAN

图2-5 EPLAN Platform 「基於网络的布线优化」。EPLAN

图2-6 EPLAN Platform整合外挂程序Project Complete。EPLAN

图2-7 EPLAN Platform Data Portal提供的器件数据。EPLAN

图2-8 EPLAN Platform中数码化样机设计。EPLAN

图2-9 基於EPLAN Platform的新设计、采购生产流程。EPLAN

图2-10 基於EPLAN Platform的标签自动打印。EPLAN

图2-11 基於EPLAN Platform的自动开孔。EPLAN

图2-12 基於EPLAN Platform 的自动导线制备。EPLAN

图2-13 基於EPLAN Platform 的智能化接线。EPLAN

图3-1 基於EPLAN Platform 的数码化模式。EPLAN

背景:电气控制柜,也被称作「盘柜」,作为现代工业的必备设施设备之一,其身影存在於各行各业。而目前国内电气控制柜的设计方法和生产方式,大多数尚处在于一种比较传统和落後的模式——生产为主,设计为辅,(图1-1)描述了传统盘柜设计与制造时间分布。

企业希望通过尽可能地缩短设计阶段来抢生产,於是出现「设计只管原理,车间决定制程,品质依赖工人」等现象。该模式存在着诸多问题,从而导致电气控制柜的设计品质和生产效率,难以实质性地得到提高。

设计现状:传统模式下,进行电气柜原理设计时,设计人员往往仅关注电气原理是否正确,而不关心设备在柜内到底是如何安装的,以及设备间的接线如何在柜内走线,即设计深度不够且缺乏电气制程设计,因而,存在如下挑战。

一、原理图中使用交叉点「·」来表示同网络连接,如(图1-2)所示,因而无法有效指导生产接线,导致实际接线结果,因工人习惯而异。二、原理图中端子信息表达不全,如端子排号、端子号等,如(图1-3)所示,导致端子排数据统计难,尤其是端子排附件,如固定件、隔板等。加之如果没有相应的端子接线图,安装鞍型跳线,需要工人仔细分析原理图,才能完成,加大了对工人的能力要求和施工难度。

三、原理图中设备管脚(连接点代号)与实物管脚不一致,如(图1-4)所示,而生产接线时才发现问题,设计沟通和下更改单,导致产品交付周期延长。四、绘制的安装示意图中,如(图1-5)所示,器件尺寸与实物尺寸非1:1比例并且与电气原理图无关联,导致经常出现现场安装干涉以及实物与图纸不符等问题。

生产现状:传统模式下,由於前端缺乏电气制程设计和设计深度、完整性不足,导致提供的设计数据和数据不能有效地指导生产工作,因此在生产环节,存在着如下挑战。

一、生产准备与物料采购无法并行进行,如(图1-6)所示,生产存在等待期,从而导致产品交付周期长。二、由於设计提供的安装布局图中器件与实物并非1:1尺寸,因此盘柜安装需要依赖实物,进行再次的布局设计。然而,由於此时安装板大小、器件选型已经确定,因此器件安装时只能「先解决能否装下,再考虑是否合理,最後才讲究是否美观」,导致产品安装标准不一致(如图1-7所示)、安装间隙不利於散热、接线安装不方便、线槽槽满率过高等问题。

三、由於设计提供的生产数据较少,因此生产过程中存在大量手工工作。例如手动输入和打印线号管和设备标签、手工开孔等,如(图1-8)所示。大量而繁复的手工工作,强度大,低效率,低品质(如开孔後的防腐无法处理),进而导致产品交付周期长,产品品质难保证。

四、传统模式下,生产主要依赖电气原理图进行设备接线工作。而设备接线所需要的导线,其制备过程与设备接线工作,处於相互穿插串行的状态,如(图1-9)所示,导致设备接线工作耗时耗力,产品生产周期长。而且具备较高的读图能力,间接提高了人力资源成本。

五、由於设备接线和导线制备的穿插串行,生产人员为了快速接线,通常会将相近路径的多根导线一起进行布线,然後按照最长一根导线的长度进行预留和裁剪,导致导线浪费,如(图1-10)所示。六、由於缺少数码化样机设计,因此设计无法提供可以指导生产布线的档。生产根据原理图或者接线表接线时,如(图1-11)所示,即使是相同的产品,也会因为生产人员不同,导致柜内布线结果不同(产品品质不一致)。

EPLAN Platform下的设计和生产优化

随着市场竞争愈演愈烈,项目也变得越来越复杂,而客户对产品交付的周期、品质以及成本的要求也越来越高。因此,传统模式下的电气控制柜制造商,目前正处於相当大的压力之下。

从斯图加特大学机床与制造单位控制工程研究所的《控制柜制造4.0》调研报告中可以看出,传统模式下的电控柜制造过程中,器件安装(包括安装板开孔、导轨线槽裁切和安装)和设备接线,占据了整个生产时间的72%的时间,如(图2-1)所示。因此,如何降低器件装配和设备接线的时间,成为电气控制柜制造商关注的重点和数码转型的目标。

EPLAN Platform简介:作为世界着名的专业电气CAE解决方案提供商,德国EPLAN Software & Service公司是世界上最早开始提供智能化的电气工程设计软件公司,它和全球着名的工业企业、制造企业进行了卓有成效的合作。

EPLAN Platform,如(图2-2)所示,作为整体工程解决方案,可以满足不同产业客户的个性化需求、优化企业设计流程。无论是电气设计还是流体、仪表、线束设计,从产品的初步设计、开发直至生产制造环节,EPLAN Platform都能提供跨专业、跨部门的企业级工程设计方案和管理平台,优化从设计到生产的流程,以提高效率,降低成本。

设计优化:在设计端,基於EPLAN Platform,实现数码化样机设计,建立虚拟样机与物理实物的数码化双胞胎模型,如(图2-3)所示,从而优化设计深度,完善电气制程设计,为生产的自动化和智能化,提供数据支撑。

一、原理设计时,设计人员可以使用「确定目标」的T节点,如(图2-4)所示,直接明确设备间的接线关系和接线顺序,为虚拟样机的自动布线和生产接线,提供依据。二、EPLAN Platform提供的「基於网络的布线优化」功能,可以使同一个网络的连接,根据器件安装位置(虚拟样机进行器件布局),自动优化接线关系,如(图2-5)所示。

三、设计端在设计端子时,可以充分利用EPLAN Platform与Phoenix的整合外挂程序:Project Complete,如(图2-6)所示,实现根据原理图中电缆芯线或导线的线径大小,自动选择端子型号、自动附加固定件、隔板和鞍型跳线等,并将器件物料和数量,返回原理图中,如此一来,端子的选项设计和安装制程设计,将变得非常容易。

四、EPLAN Platform下的Data Portal在线数据库,免费为使用者和设计人员提供了符合EPLAN Standard 1.0的、拥有七级数据的标准器件,如(图2-7)所示,帮助设计人员「实时设计,实时选型」,实现准确采购,避免出现设计与实物不符的情况。

五、设计端原理设计完成後,可以直接在EPLAN Platform中进行电气控制柜3D布局布线制程设计,即数码化样机设计,如(图2-8)所示。在数码化样机设计过程中,设计根据制程安装要求、器件安装间隙要求、散热空间要求等,提前预知安装板空间是否足够。也可以根据自动布线结果,提前识别线槽槽满率是否过高,并进行布线优化。

设计端的数码化样机设计,加大了电控柜的设计深度,提高了电控柜的制程设计水准,可以为後续的生产提供有效的生产数据和生产数据,实现数据单一来源,设计指导生产,设计决定制程的目标。

生产优化:电控柜的设计,实现基於EPLAN Platform的数码化样机设计後,为生产的优化,如自动化、智能化,提供了大量的数据支撑。同时,数码化样机提前验证了安装板空间、槽满率、接线制程等问题,因此生产过程中的变更、设计沟通将会大大减少,从而节省了大量的时间和成本。

一、采购与生产准备并行,如(图2-9)所示。数码化样机验证了生产的可行性,采购部门开始采购柜体、器件等;同时,生产部门可以根据数码化样机的结果,同步进行生产准备,例如提前裁切导轨、线槽、制备导线和安装已有器件。并行的工作流程,缩短了生产等待时间,可以大幅度缩短产品交付周期。二、设备标签以及端子排号、端子号等信息,可以直接或间接(Excel格式)输出到打印设备,如(图2-10)所示,减少人工作业,提高生产效率。

三、数码化样机设计完成後,可以自动生成安装板或门板开孔图,该信息可以汇出DXF文档或直接与自动化加工机器整合(如Rittal PERFOREX),如(图2-11)所示,实现安装板或门板开孔的自动化,取代手工开孔,大幅提高生产效率和生产品质。

四、数码化样机设计完成後,导线的制备,也可以实现自动化。导线加工信息可以直接或间接地传递给导线自动化加工设备(如Rittal WT),如(图2-12)所示,最大化的缩短了导线制备时间的同时,准确的导线长度信息,将极大地减少导线的浪费。而且加工完的导线可以根据需要,按顺序排放,便於後续的设备接线。

五、基於EPLAN Platform的数码化样机设计,也让设备接线工作,可以变得智能化和轻量化。数码化样机的布线结果,可以直接发布到EPLAN Smart Wiring智能布线终端上,如(图2-13)所示,接线工人根据显示幕上的接线顺序(与导线制备的顺序一致),逐一接线即可。接线工人无需翻阅电气原理图纸,即可完成接线工作,并且产品的布线结果,始终保持一致,降低生产工人素质要求的同时,还能大大提升产品的品质和设备接线的效率。

总结

通过了解和分析传统电控柜设计和生产的现状问题,并着重研究如何利用EPLAN Platform,对电气控制柜进行设计和生产优化,不难发现,EPLANPlatform可以给传统电气控制柜制造商提供如下改善和收益:

一、从传统的「生产为主,设计为辅」的模式中,过渡到「设计为生产的唯一数据来源」的数码化设计和自动化、智能化生产模式,如图3-1所示,从而实现高效率、高品质、短周期和低成本的电控柜设计和生产。二、设计端优化设计方法,提高设计深度,面向制程设计,从而提高设计效率、设计品质和降低设计更改率和错误率等。

三、生产端充分利用设计端提供的数码化样机设计数据,优化生产流程,提高生产的自动化水准和智能化程度,进而大幅提高生产效率、生产品质和降低工人工作强度、人员素质要求以及生产成本浪费等,使电控柜产品交付周期得到大幅缩短。(本文由易盼软件(上海)有限公司文礼强着,尤嘉禾整理报导)


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