基于仿真的電氣專業(yè)化協(xié)同設(shè)計工具的開發(fā)及應(yīng)用

姚海蘭+郭玉亮+王麗娟+王麗麗+宮洪磊

摘 要：本文介紹了軌道車輛基于仿真的電氣專業(yè)化協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用情況。該系統(tǒng)通過實時動態(tài)解析初步電氣電路圖文件，獲取仿真數(shù)據(jù)，并進行電氣控制電路仿真和邏輯驗證，在仿真驗證的基礎(chǔ)上實現(xiàn)電氣參數(shù)計算、元件選型、選型校驗等功能，實現(xiàn)了電路圖仿真指導電路圖邏輯設(shè)計，實現(xiàn)了元器件選型過程自動化，規(guī)范電氣設(shè)計，減少設(shè)計錯誤，提高設(shè)計效率。

關(guān)鍵詞：電氣協(xié)同設(shè)計；電路仿真；邏輯驗證；自動化選型

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

0.背景

城市軌道交通以其高效、安全、可靠、環(huán)保的特點近年來在我國許多大中城市獲得迅猛的發(fā)展，新的機遇要求全新動車組、城軌車設(shè)計周期短，隨著公司精益化管理已經(jīng)成為提高企業(yè)核心競爭力的重要手段，隨著公司研發(fā)平臺精益化，傳統(tǒng)的電氣設(shè)計工具存在以下問題，如設(shè)計不規(guī)范，設(shè)計控制缺失，工具間集成性差，參數(shù)元器件選型體外進行，因此需梳理電氣設(shè)計流程，建立基于仿真的電氣設(shè)計專用工具，實現(xiàn)電氣設(shè)計合理化、規(guī)范化、高效率。

1.系統(tǒng)總體方案

基于仿真的電氣專業(yè)化協(xié)同設(shè)計工具基于電氣系統(tǒng)的數(shù)字化開發(fā)及仿真平臺，圍繞電氣設(shè)計流程和方法，開發(fā)較為智能的元器件選型模塊，建立及完善電氣元器件庫等，規(guī)范電氣設(shè)計。本系統(tǒng)主要利用電氣設(shè)計工具模板元器件庫繪制初步電氣原理圖，通過實時動態(tài)解析初步電氣電路圖文件，獲取仿真數(shù)據(jù)，實現(xiàn)黑盒設(shè)備基本邏輯的可視化編輯、編譯和集成接口，并進行電氣控制電路仿真和邏輯驗證，在仿真驗證的基礎(chǔ)上實現(xiàn)電氣參數(shù)計算、元件選型、選型校驗等功能，并將電氣設(shè)計工具輸出數(shù)據(jù)存入電氣項目數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)功能構(gòu)架圖如圖1所示。

系統(tǒng)功能分為電路圖數(shù)據(jù)解析功能、電路圖仿真功能、邏輯驗證功能、設(shè)備選型功能、選型校驗功能和其他功能等六部分。

2.系統(tǒng)功能實現(xiàn)

基于仿真的電氣專業(yè)化協(xié)同設(shè)計工具的建設(shè)，針對電氣設(shè)計流程及特點，通過實時動態(tài)解析E3電路圖文件，獲取仿真數(shù)據(jù)，實現(xiàn)黑盒設(shè)備基本邏輯的可視化編輯、編譯和集成接口，實現(xiàn)了電氣控制電路仿真和邏輯驗證，在仿真驗證的基礎(chǔ)上實現(xiàn)電氣參數(shù)計算、元器件選型、選型校驗功能，且按照標準建立元件庫，按照各類元件選型規(guī)則，建立各類元件屬性表，為選型參數(shù)的錄入和元件選型提供基礎(chǔ)。最后將電氣設(shè)計工具輸出數(shù)據(jù)存入電氣項目數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

2.1 電路圖解析功能

此功能主要實現(xiàn)電路圖文件解析、解析數(shù)據(jù)修正和黑盒設(shè)備邏輯設(shè)計。針對設(shè)計師對解析實時性需求，將解析功能分為文件解析和實時解析兩部分，分別實現(xiàn)整個文件初始解析和對電路圖修改的實時解析；解析數(shù)據(jù)修正主要針對動態(tài)符號繪制的設(shè)備（主要是多檔開關(guān)等）和繼電器類型等無法通過解析確定的部分進行人工設(shè)置，以及負載參數(shù)的批量導出/導入；提供黑盒設(shè)備的邏輯開發(fā)工具。

2.2 電路圖仿真功能

此功能在電路圖數(shù)據(jù)解析功能的基礎(chǔ)上對電氣控制電路進行仿真，實現(xiàn)與E3軟件的交互，可通過E3軟件對仿真狀態(tài)進行設(shè)置，并將仿真結(jié)果顯示在電路圖中。通過電路圖仿真結(jié)果，驗證電路圖設(shè)計邏輯的正確性，規(guī)范指導電路圖過程設(shè)計。

2.3 元器件選型功能

分析各類元器件基本選型規(guī)則，并固化于選型工具后臺，工具自動獲取電路中工作電壓、斷路器、接觸器開閉數(shù)等參數(shù)，部分參數(shù)由設(shè)計師確認并可修改，選型過程中，根據(jù)電路導通情況、電壓、負載功率和功率系數(shù)等計算電路中的電流值，各種參數(shù)為元器件選型提供依據(jù)，保證選型過程自動化，靈活性、規(guī)范化、正確性。此功能實現(xiàn)了接觸器、繼電器、斷路器、線纜以及端子等元件的自動選型選型，并支持選型功能的可擴展性。

2.4 選型校驗功能

此功能在電路圖仿真基礎(chǔ)上計算電路中的電流值，依據(jù)選型規(guī)則，對電路圖中元器件選型進行校驗，并輸出校驗結(jié)果。

2.5 元件庫建立

2.5.1 元件庫建立

按照各類元件選型規(guī)則，建立各類元件屬性表，為選型參數(shù)的錄入和元件選型提供基礎(chǔ)。符號圖形的建立按照電氣簡圖用圖形符號標準GB/T4728—2005執(zhí)行。唐車元件庫以模板元器件庫為基準建立，增加選型參數(shù)錄入信息及物料信息，當執(zhí)行元件選型替換后，只是將唐車元件庫中元件的屬性提取出來賦予模板元器件中的元件符號，從而實現(xiàn)了元件圖形與屬性分離。

2.5.2 元件庫參數(shù)管理

重新設(shè)計E3元件庫結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)元件圖形與屬性分離，元件通過參閱各廠家元器件技術(shù)樣本，將選型所需參數(shù)錄入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了元件屬性管理、校驗工具；完成錄入元件參數(shù)、屬性等。

3.系統(tǒng)應(yīng)用效果

目前，公司應(yīng)用基于仿真的電氣專業(yè)化協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的軌道車輛產(chǎn)品包括城軌城際、高速動車組各四個項目，通過電路圖仿真及邏輯驗證，減少了人工設(shè)計錯誤，通過元器件選型功能，實現(xiàn)了選型過程自動化，實現(xiàn)了機械設(shè)計數(shù)據(jù)及電氣設(shè)計數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，規(guī)范了電氣設(shè)計流程，提高了產(chǎn)品研發(fā)效率，提升設(shè)計質(zhì)量，逐步實現(xiàn)數(shù)據(jù)標準化、結(jié)構(gòu)標準化及流程標準化。

結(jié)語

本文以電氣設(shè)計流程為導向，信息化技術(shù)及電路圖仿真為手段，建立了基于仿真的電氣專業(yè)化協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了電路圖仿真指導電路圖邏輯設(shè)計，實現(xiàn)了選型過程自動化，設(shè)計過程規(guī)范化。解決了設(shè)計不規(guī)范，設(shè)計控制缺失，工具間集成性差，參數(shù)元器件選型體外進行等問題，遵循了客戶導向思維的公司理念，逐步實現(xiàn)研發(fā)平臺精益化。

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