制絲線電控系統基于CBE和知識的快速設計研究

楊少華

（云南昆船設計研究院 煙機電控所，昆明 650236）

0 引言

隨著市場化的推進，用戶對產品交貨時間的要求也越來越迫切，在這種狀況下，設計效率日益成為瓶頸問題。

CAD的出現使設計人員甩掉了圖板，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、線號、交互參照等大量表達圖紙和器件信息的數據和文本仍需要手工錄入或修改，圖紙及報表等資料的形成依然需要設計人員先在紙上大致規劃清楚，再在計算機上形成表達。此外，由于器件號、線號、端子號等編號受編號規則標準化的約束，導致項目即使發生細微的變化也要人工全部整理一遍圖紙和文檔。以上種種因素使設計效率無法得到提高，設計輸出的標準化、規范化也得不到充分的體現。因此，如何幫助電控設計人員更好更快地完成設計工作，減少畫圖和做報表期間的工作強度，以及如何充分發揮計算機的能力，節約設計時間、提高設計效率，并促進企業電控設計的規范化和標準化等是一個值得研究的課題。

1 制絲線電控設計的特點及其設計模式

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

一般而言，為便于現場施工及設備管理，在對制絲線進行系統規劃的時候，各設備會被冠以“平面號”作為設備的唯一識別號。這樣，相同類型和結構的設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，而這些設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（即除去文字部分后的內容）完全一樣，只是控制器件及被控對象的編號不同而已（需與平面號對應）。因此，當整個生產線的控制方式和器件規劃一經完成，電控圖紙的設計工作即成為如何將這些不同平面號的設備按照相同的控制模式和控制結構按順序連接起來并完成相關文字的修改工作。對映到傳統CAD下，設計的工作就是不斷地復制粘貼，然后不斷地更改器件代號和導線編號。

可以設想，如果CAD系統有強大的關系數據庫作為后臺支撐，典型設備的所有元素（包含圖紙和器件信息等數據）都以某種方式和一定的對應關系形成數據集，那么對這些數據集進行操作即成為對這些典型設備的電控圖紙和元器件進行操作。若干臺典型設備按照不同的組合方式組成的煙草制絲生產線，就是將若干臺典型設備的數據集進一步形成的集合，在這個集合下對這些典型設備的數據集進行操作就等同于對制絲線電控系統進行整體設計。

2 CAD至CBE的發展回顧

相對于機械設計的CAD/CAE/CAM的發展歷程，電控設計的CAx系統有其自己的發展特點。電控設計軟件最早和機械設計一樣是以“計算機代替手工圖板”的CAD （computer aid design計算機輔助設計）為起步點的，這種CAD軟件僅具備繪圖功能，數據之間無任何關聯，無法按照某種規則自動生成圖紙和表單，至今很多公司的機械設計和電控設計仍然使用僅具備繪圖功能的同一套軟件。

相比而言，到eCAD的概念出現時，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計工作，有了數據庫的概念，系統可以自動形成關聯參照，器件和節點可以實現自動編號，器件清單、端子（各接線點）接線表等表單可以自動生成，但是作業只能按設計流程進行，后期發現前期的錯誤，只能從頭逐項進行修改。這個階段的電控設計軟件一般稱為eCAD軟件，屬于CAE（computer aid engineering計算機輔助工程）的范疇[3]，其設計流程為“單項批處理模式”，如圖1所示。

圖1 單向批處理的設計流程

近年來出現的CBE系統（computer based engineering基于計算機的工程）引入了關系數據庫的模式，在CBE軟件中，項目的搭建、產品的結構以及所有圖紙和表單的設計均以系統的數據庫為中心，所有的設計工作可以在圖元、圖紙或表單等任意一個環節開始，可實現圖紙、器件、位置、功能等的多向、實時關聯，一旦在任意處進行編輯，項目里與每個相關的所有數據即可同時自動更改，并且始終與數據庫保持同步，其設計流程如圖2所示。

圖2 同一數據庫平臺的實時協同設計

除上述軟件結構和設計流程上的區別外，CBE電控設計軟件還有兩個較為顯著的特點：其一，在CBE系統下，項目與圖紙的關系，不再像CAD那樣是文件內各頁面之間的關系，也不是CAE下各磁盤文件之間的關系，而是同一個數據倉庫內若干個數據庫之間的關系；其二，就設計對象而言，CAE系統同CAD一樣還是針對圖紙進行設計，而在CBE中項目各相關元素之間有了緊密的數據關系，可以直接用數據表進行設計。

3 基于CBE的MCC快速設計

由于基于CBE的電控設計軟件是針對數據庫進行設計的軟件，其所有數據都存儲在數據庫中，前臺的設計過程其實就是對后臺的數據庫進行操作，即應用程序從數據庫中獲取數據，在程序內存中進行數據處理，并將數據的變化保存在數據庫中的過程。因此在設計過程（即對關系數據庫的操作過程）中，各類項目元素必須以各種形式形成數據集，各“子表”以器件（或材料）為外鍵相互關聯并最終關聯到表達“高層代號”的總表中，這樣僅需對數據庫進行操作即可以實現將設備或機構的電路作為模塊迅速組合形成電控系統的目的。

根據國標和IEC標準，設備或機構的電路（即器件單元或控制單元，Modularized Control Cabinet，以下簡稱MCC）均應有自己的“功能面結構”、“位置面結構”和“產品面結構”，分別表示“它做什么”、“它位于何處”及“它是如何構成的”[2]。制絲線電控系統各控制段、各控制單元在具有相同器件單元的情況下，其分屬的“產品”或“位置”可能完全不同，因此只有依靠功能對器件單元進行唯一的抽象識別，同時將此器件單元內各器件的若干位置以及各器件與若干產品的關聯關系再往上關聯到某一個特定的功能下，即系統在器件位置離散的情況下，只有“功能”才可以作為高層代號成為所有數據的根。

這樣，在后臺的數據庫中，每一個MCC或控制單元作為一個表，最高層“功能”作為表的主鍵，器件的規格型號（或PDM物料碼）作為外鍵對應其余各表中的記錄。那么在以MCC為單元向新項目進行復制時，CBE軟件就將源項目數據表的主鍵賦予目標項目數據表的主鍵的過程，也就是完成將關聯到此功能下的所有對象復制到新項目的過程，這樣就完成了以“功能”根的所有項目元素的復制操作，從而達到我們快速復制的目標。

4 基于知識的MCC的構建

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

圖3 基于MCC的快速設計

圖中，以MCC為單元的知識庫的建庫是整個快速設計的核心，該庫必須滿足結構化、易用性和開放性的要求[3]。如果整個制絲線的控制模式和器件選型發生變化，新的MCC必須能夠在現有MCC基礎上快速衍生，形成新的MCC。

5 結束語

本文為煙草制絲線電控設計提供了CBE軟件基于知識的快速設計方法，該方式可以進一步推廣到流程行業流水線的電控設計中。在這種方式下，項目內同類機型越多，設計的效率優勢越明顯。但在具體實踐中，由于需要充分考慮企業的設計標準及生產模式，加之圖形符號庫和產品器件庫及知識庫等的建庫工作較為繁瑣，因此實施初期進度會較為緩慢。但是一旦設計模式和建庫工作完成，那就意味著大量的重復工作可以交給計算機來完成，可以大大減輕電控設計人員畫圖和做報表的壓力，設計周期可以提高80%以上[4]，可以為公司生產制造留出更多的時間，從而達到快速設計的目的；而且圖紙的設計輸出也能更加標準化和規范化，從而減輕校對、審核、標準化等人員的工作；給用戶的圖紙也更加規范，有利于進一步提升企業形象。

[1] 張家毅.基于分布式智能設計的煙草制絲線自動化系統[J].煙草科技,2002,(10):28-29.

[2] GB/T 5094.1-2002工業系統、裝置與設備以及工業產品結構原則與參照代號 第1部分:基本規則[S]:2-8.

[3] 鹿婷,郭堅.對產品快速設計知識管理框架的研究[J].電腦知識與技術:學術交流, 2007,(2):901-905.

[4] Renee Robbins."Software for Electrical Design" [J].Control Engineering China,2008,(10):50-52.

[5] 楊正洪,鄭齊健,孫延輝,等.中文SQL Server 2000關系數據庫系統管理和開發指南[M].北京:機械工業出版社.2001.

[6] AUCOTEC. Engineering Base 使用手冊[M].上海:上海德博信息科技有限公司.2007.