基于PLM 的有軌電車電氣系統(tǒng)模塊化應(yīng)用研究＊

時麗麗

（通號軌道車輛有限公司，湖南 長沙 410000）

模塊化設(shè)計作為在標準化理論的基礎(chǔ)上引入系統(tǒng)工程原理的一種現(xiàn)代設(shè)計方法，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。它可以最大限度地減少重復設(shè)計，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本[1]。產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management，簡稱PLM）系統(tǒng)是一種對產(chǎn)品生命周期全過程進行管理的計算機軟件系統(tǒng)，是企業(yè)產(chǎn)品信息的系統(tǒng)管理平臺。隨著中國智能制造2025 規(guī)劃的提出，國內(nèi)裝備制造業(yè)龍頭廠商更加重視自身信息化建設(shè)，也逐漸廣泛地使用PLM 系統(tǒng)[2]。

在實際應(yīng)用中，由于不同企業(yè)發(fā)展狀況、不同產(chǎn)品的模塊化設(shè)計水平、PLM 系統(tǒng)的建設(shè)階段、模塊化設(shè)計和PLM 系統(tǒng)有效結(jié)合程度等多因素影響，企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)和生產(chǎn)受到嚴重制約。有軌車輛涉及內(nèi)容廣泛，技術(shù)要求復雜，綜合性高，其模塊化設(shè)計要求相應(yīng)提高。本文從有軌電車電氣系統(tǒng)的自身特點出發(fā)，對模塊化設(shè)計過程進行裁剪優(yōu)化，將模塊化設(shè)計和PLM 系統(tǒng)有機結(jié)合，并應(yīng)用于有軌電車電氣系統(tǒng)設(shè)計工作中，取得了良好效果，助力了企業(yè)的提質(zhì)增效和改革創(chuàng)新。

1 PLM 系統(tǒng)與產(chǎn)品模塊化設(shè)計

1.1 PLM 系統(tǒng)總體架構(gòu)

PLM 系統(tǒng)結(jié)合計算機技術(shù)、現(xiàn)代企業(yè)管理思想和智能制造技術(shù)等對產(chǎn)品全生命周期進行管理，實現(xiàn)了產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)與市場、工藝、制造體系間，與上下游關(guān)聯(lián)企業(yè)的互聯(lián)互通，進而實現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計與管理。在研發(fā)體系中，PLM 與CAD、Proe/Cero 等計算機軟件的設(shè)計交互接口，實現(xiàn)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的存儲，與企業(yè)項目管理互聯(lián)互通，與企業(yè)知識管理資源共享。在企業(yè)制造層，與智能制造各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)共享[3]。以典型的Windchill PLM 在公司產(chǎn)品開發(fā)過程中的應(yīng)用為例，其總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 PLM 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 電氣系統(tǒng)模塊化設(shè)計原則

有軌電車電氣系統(tǒng)功能復雜、零部件多樣、安全等級要求高，因此，在電氣系統(tǒng)的設(shè)計中需綜合考慮模塊化的各項設(shè)計原則。有軌電車電氣系統(tǒng)模塊化設(shè)計過程中遵循的主要設(shè)計原則有[4]：

（1）標準化、系列化原則：標準化、系列化是機車車輛“四化”的首要內(nèi)容，在模塊化設(shè)計之初，應(yīng)首先制定各類模塊的設(shè)計規(guī)范、接口定義標準，編制產(chǎn)品系列型譜等，在標準化、系列化的基礎(chǔ)上開展模塊化設(shè)計。

（2）通用性原則：通用性是標準化的延伸，是模塊劃分的重要依據(jù)。按照電氣系統(tǒng)各類模塊的通用性將模塊劃分為通用模塊與專用模塊。在PLM 系統(tǒng)中，產(chǎn)品模塊化設(shè)計后形成的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)、模塊與接口、相關(guān)設(shè)計規(guī)范及產(chǎn)品文檔，共同組成模塊化產(chǎn)品平臺。專用模塊僅可在同一產(chǎn)品平臺內(nèi)使用，通用模塊可跨產(chǎn)品平臺使用。

（3）擴展性原則：模塊在標準化、系列化、可通用性的基礎(chǔ)上，必須兼具可擴展性，以滿足產(chǎn)品進行配置設(shè)計和變型設(shè)計的需求。

（4）配置設(shè)計原則：模塊化設(shè)計實現(xiàn)產(chǎn)品多樣化的方式包括了通用模塊結(jié)合專用模塊的模塊化設(shè)計，通用模塊結(jié)合接口結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計，對通用模塊進行變型設(shè)計。因而模塊化設(shè)計的核心是配置設(shè)計，通過配置設(shè)計應(yīng)能滿足大多數(shù)平臺產(chǎn)品的需求。對少數(shù)定制需求與產(chǎn)品提升，研發(fā)人員再進行變型設(shè)計與創(chuàng)新設(shè)計。

（5）優(yōu)化更新原則：在產(chǎn)品生命周期內(nèi)，定期對產(chǎn)品模塊的通用性、可靠性、經(jīng)濟性等指標進行評價，對模塊平臺進行優(yōu)化升級。

1.3 基于PLM 的模塊化管理

模塊化設(shè)計注重從產(chǎn)品系統(tǒng)整體出發(fā)，對產(chǎn)品進行系統(tǒng)的功能分析、結(jié)構(gòu)劃分，通過標準化、系列化等分析設(shè)計得到產(chǎn)品模塊，因此，模塊化設(shè)計本身需要大量產(chǎn)品數(shù)據(jù)的支持。PLM 系統(tǒng)通過規(guī)則設(shè)置、產(chǎn)品物料清單（BOM)搭建、圖文檔與模型管理等方式對模塊數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的管理，支持產(chǎn)品的模塊化設(shè)計過程。基于PLM 系統(tǒng)的模塊化管理的核心內(nèi)容如下：

（1）編碼與圖號規(guī)則

確定統(tǒng)一的編碼與圖號規(guī)則（規(guī)范）是模塊化設(shè)計的一部分。編碼的編制直接使用PLM 系統(tǒng)給出，PLM 根據(jù)模塊檢入的順序提供流水碼，作為模塊的唯一編碼。

為便于識別和區(qū)分，專用模塊與通用模塊的圖號使用不同的編制規(guī)則。專用模塊與普通的零部件圖號編制規(guī)則一樣，采用項目代號+產(chǎn)品結(jié)構(gòu)代碼的規(guī)則進行編制，如先鋒號基型車（項目代號205）電氣系統(tǒng)的圖號為：205-01300000-00，中間8 位（01300000）為部件代碼，最后2 位（00）是零件代碼。在PLM 系統(tǒng)中顯示如圖2 所示。通用模塊需參照零部件的分類、通用模塊劃分型譜確定模塊的編碼，使用通用模塊編碼作為PLM 系統(tǒng)中通用模塊的圖號。

圖2 專用模塊圖號編制規(guī)則

（2）模塊管理

對應(yīng)模塊化設(shè)計中的專用模塊與通用模塊，在PLM 系統(tǒng)中，分別建立專用模塊庫和通用模塊庫。專用模塊庫與產(chǎn)品庫共用文件夾，通用模塊庫需要錄入到專門的文件夾管理。

專用模塊庫和通用模塊庫實行分組、分權(quán)限管理。在PLM 系統(tǒng)中，由于數(shù)據(jù)的對象不僅限于研發(fā)體系人員，也有工藝、制造、服務(wù)系統(tǒng)的人員，模塊化與信息化程度高的企業(yè)還實現(xiàn)了跨企業(yè)的數(shù)據(jù)共享，使用權(quán)限的分級、分組管理也更加重要。一般設(shè)置通用模塊庫有更廣泛的查看權(quán)限，更嚴格的修改權(quán)限，專用模塊庫僅針對當前項目組的人員開放權(quán)限。

PLM 系統(tǒng)的零部件（模塊）的相關(guān)對象、歷史記錄、高級檢索等功能，大大提高了模塊化的使用效果和工作效率。相關(guān)對象功能自動查找模塊關(guān)聯(lián)的圖文檔、附件、項目任務(wù)等；歷史記錄功能提供模塊的歷史版本數(shù)據(jù)；使用情況功能可以查看當前模塊應(yīng)用到的父級零部件，追溯到模塊所應(yīng)用的產(chǎn)品。高級搜索功能可根據(jù)時間、模塊庫、人員等特定的條件對模塊數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，幫助模塊進行通用性、有效性、借用率等指標評價。

（3）BOM 管理

產(chǎn)品的物料清單（Bill of Material，簡稱BOM）是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的重要組成部分，BOM 管理是企業(yè)信息化建設(shè)的主要內(nèi)容。設(shè)計BOM 完成后，工藝制造人員還需根據(jù)工藝方法、制造條件對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化調(diào)整，對應(yīng)設(shè)計BOM 轉(zhuǎn)化為工藝BOM、制造BOM，最終PLM 系統(tǒng)中的BOM 數(shù)據(jù)與企業(yè)ERP 系統(tǒng)集成，服務(wù)產(chǎn)品生產(chǎn)。

（4）模塊化產(chǎn)品平臺的維護與升級

基于PLM 的模塊化管理與普通模塊化、標準化管理一樣，需要及時對PLM 系統(tǒng)中的各類數(shù)據(jù)進行更新。制定圖文檔的變更管理制度，優(yōu)化變更流程，以保證系統(tǒng)的精簡高效運行。

2 有軌電車電氣系統(tǒng)模塊化設(shè)計流程

產(chǎn)品開發(fā)過程中，在市場需求確定后應(yīng)首先開展產(chǎn)品的功能分析與評價，確定產(chǎn)品功能；其次根據(jù)產(chǎn)品功能確定主體結(jié)構(gòu)模塊劃分，開展電氣各類子模塊的型譜規(guī)劃分析與評審。評審通過后，進入模塊詳細設(shè)計與發(fā)布階段。研發(fā)工程師借助計算機輔助設(shè)計軟件完成產(chǎn)品圖文檔、三維模型的設(shè)計，在PLM 系統(tǒng)中啟動發(fā)布流程。發(fā)布后的各類產(chǎn)品數(shù)據(jù)的集合組成模塊化產(chǎn)品平臺。使用同一個模塊化產(chǎn)品平臺的產(chǎn)品為平臺產(chǎn)品，不同模塊化產(chǎn)品平臺的產(chǎn)品定義為跨平臺產(chǎn)品。電氣系統(tǒng)作為低地板有軌電車產(chǎn)品平臺中的一個子系統(tǒng)，既是產(chǎn)品平臺的一部分，又可作為獨立的系統(tǒng)開展系統(tǒng)設(shè)計與平臺構(gòu)建。

在建立模塊化產(chǎn)品平臺后，需要定期（模塊統(tǒng)計評價、標準化審查等）或不定期（設(shè)計變更、文檔更新等）地對平臺的信息進行維護與優(yōu)化，以保證模塊化平臺的實時性與有效性。有軌電車電氣系統(tǒng)模塊化設(shè)計流程如圖3 所示。

圖3 電氣系統(tǒng)模塊化設(shè)計流程圖

3 有軌電車電氣系統(tǒng)模塊化設(shè)計

3.1 電氣模塊劃分

電氣系統(tǒng)依托于整車機械結(jié)構(gòu)，同時又有獨立的產(chǎn)品功能與設(shè)計方法，因而在電氣系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)搭建、電氣布置與線束級模塊設(shè)計、終端模塊設(shè)計中采用不同的模塊劃分策略。電氣主體結(jié)構(gòu)模塊、布置模塊主要按照主體結(jié)構(gòu)分層設(shè)計原則進行劃分；在線束、終端模塊，需要提取模塊的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及主要變型因素，按照聚類原則建立模塊型譜，再參照模塊型譜開展模塊設(shè)計。結(jié)合有軌電車的機械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)的自身特點，將電氣系統(tǒng)模塊分為4 類，對應(yīng)的主要劃分標準與劃分依據(jù)見表1。

表1 電氣系統(tǒng)模塊分類表

以5 模塊低地板有軌電車為例，車輛采用5 模塊3 轉(zhuǎn)向架形式，車輛編組為Mc1+F1+Tp+F2+Mc2+跨接裝置[5]，Mc1 與Mc2、F1 與F2 配置相同。5 模塊有軌電車的各級電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分如圖4 所示。

電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，1-4 級結(jié)構(gòu)為電氣系統(tǒng)的專用模塊，第5 級終端模塊為通用模塊或平臺內(nèi)通用的專用模塊。平臺內(nèi)產(chǎn)品通用的專用模塊在驗證評審可跨平臺通用時，可升級為PLM 系統(tǒng)中的通用模塊。使用模塊化的產(chǎn)品設(shè)計，將產(chǎn)品分解為多個通用模塊與專用模塊，通用模塊可以按市場預測需求安排生產(chǎn)，專用模塊也可以獨立地下達產(chǎn)品訂單，滿足市場需求，提高了產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計、協(xié)同生產(chǎn)能力。根據(jù)需求分別對3 級及以下模塊進行配置組合或變型設(shè)計，即可組合為新的有軌電車電氣系統(tǒng)。

3.2 電氣模塊化設(shè)計

（1）電氣線束模塊設(shè)計

電氣線束的組成元素多，有終端元件類型與數(shù)量、終端布置位置、電纜選型等，線束設(shè)計前可運用三維軟件和布線工裝進行預布線幫助，對線束進行分配。通過對線束進行合理劃分，同時預留擴展性接口和備用線纜，實現(xiàn)同一平臺產(chǎn)品內(nèi)的線束模塊化。

以司機室線束為例，將線束按照起點位置、終端位置、中間部件、布線路徑等因素進行統(tǒng)計分析，合理劃分線束，再結(jié)合各終端類型、變型因素、可擴展的終端配置，進而形成不同的線束模塊，見表2。在城市有軌電車的產(chǎn)品中，同系列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸相對固定，線束的主要變型因素為線纜類型、接口配置、可選配置，次要變型因素為線束與分支線束長度。

表2 司機室線束型譜表

（2）電氣終端模塊設(shè)計

電氣終端主要指各類電氣終端設(shè)備、終端元器件、機械液壓部件的電氣部分。終端模塊具有相對獨立的功能和通用接口，通用性強，多為可跨產(chǎn)品平臺的通用模塊。

通過對各類終端進行性能分析、統(tǒng)型確定電氣終端型譜。按照型譜分析確定產(chǎn)品最終的優(yōu)選模塊，在PLM 系統(tǒng)中錄入電氣通用模塊化庫。以有軌電車前照燈模塊為例，對應(yīng)型譜表如圖5 所示。

圖5 通用模塊型譜表及編碼規(guī)則

模塊化的終端部件及PLM 系統(tǒng)管理均面向產(chǎn)品全生命周期的所有環(huán)節(jié)，在提供必要設(shè)計信息的基礎(chǔ)上應(yīng)在PLM 系統(tǒng)中補充模塊相關(guān)的技術(shù)協(xié)議、供應(yīng)商技術(shù)文檔等信息作為模塊的關(guān)聯(lián)信息，以滿足不同階段用戶的使用需求。

3.3 電氣接口設(shè)計

電氣系統(tǒng)的物理接口分為兩類，第一類是標準物理接口（如標準通訊接口、影音設(shè)備的通用接口等），第二類為柜體、設(shè)備、車輛跨接等位置的物理接口（各類連接器）。針對第一類物理接口，需要對各類設(shè)備接口、對應(yīng)通信協(xié)議等進行分析，最終針對同一種通訊協(xié)議確認統(tǒng)一的物理接口。第二類物理接口主要是連接器的選型及接口設(shè)計，在連接器的選型確定后，綜合考慮電磁兼容性、可擴展性、可維修性等因素后，確定統(tǒng)一的接口編號規(guī)則。

在PLM 系統(tǒng)中，第一類標準物理接口使用唯一的外購件編碼即可。針對第二類物理接口，通過對連接器的使用處進行統(tǒng)計分析，連接器插針型號及數(shù)量為主要變型因素，同時結(jié)合生產(chǎn)實際，連接器插針是制造及服務(wù)環(huán)節(jié)更換頻繁的零件，從而將接口模塊的BOM劃分為連接器外殼和連接器插針兩部分管理，大大減少了連接器的外購件編碼，提高了連接器的通用性。

4 結(jié)束語

采用基于PLM 的模塊化電氣系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)用于有軌電車電氣系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)和生產(chǎn)，產(chǎn)品的模塊化平臺在PLM 系統(tǒng)中搭建完成后，平臺型產(chǎn)品的研發(fā)周期縮短20%以上，產(chǎn)品成本降低10%～20%。整合優(yōu)化后，可以更好地滿足產(chǎn)品多樣化需求，車輛90%以上的線束實現(xiàn)了模塊化制作與裝配，線束的擴展性和兼容性大大提高，同時線纜浪費減少，生產(chǎn)效率進一步提高。因此，將PLM 系統(tǒng)和模塊化設(shè)計有機結(jié)合，相互促進，不僅優(yōu)化了電氣系統(tǒng)模塊化設(shè)計，而且助力企業(yè)降低成本，提高生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品競爭力，為產(chǎn)品的協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計、柔性化與智能制造打下良好基礎(chǔ)。