CAD技術在maxCHD硬件設計的應用

南京國電南自維美德自動化股份有限公司 范晨暉

1 CAD 技術介紹和優勢

1.1 技術介紹

CAD 技術集二維繪圖、三維設計、參數化設計、協同設計及數據庫通用、互聯網通信為一體，作為計算機輔助繪圖軟件包，廣泛應用于電力、機械、電子、建筑等行業。CAD軟件可通過平面繪圖以多種方式創建平面繪圖對象包括直線、圓、多邊形、樣條曲線等，其良好的用戶界面和多文檔設計環境，能夠讓非計算機專業的人更好上手，在不斷的工作實踐過程中更好的掌握各種技巧從而提高工作效率。主要包括交互技術、圖形變換技術、曲面造型和實體造型等，在機械設計中，運用計算機輔助軟件，CAD 能擁有良好的人機交互體驗，具有豐富的繪圖和輔助功能。

在機械方面涵蓋了機械設計的全部領域，集繪圖、設計管理和數據集成等模塊于一體，實現了直接對圖紙、序號、明細表、尺寸標注、符號標注等對象的雙擊編輯。標準化、智能化的機械繪圖設計，能很大程度上提高設計人員的繪圖效率，使圖紙完全符合和企業、行業及國家標準。CAD 應用軟件提供幾何造型、特征計算、繪圖等功能，以完成面向機械、廣告、建筑、電氣各專業領域的各種專門設計。構造應用軟件的四個要素是算法、數據結構、用戶界面和數據管理。數據管理軟件用于存儲、檢索和處理大量數據，包括文字和圖形信息。

CAD 技術的發展和廣泛的應用，使得數據交換的格式和標準化技術也迅速發展起來，在CAD 領域出現圖形級標準、圖形交換級標準、產品級的數據表達和交換標準等。開放性CAD 系統目前廣泛建立在開放式操作系統窗口95/98/NT 和UNIX 平臺上，在Java LINUX 平臺上也有CAD 產品，此外CAD系統都為最終用戶提供二次開發環境，甚至這類環境可開發其內核源碼，使用戶可定制自已的CAD 系統。智能化設計是一個含有高度智能的人類創造性活動領域，智能CAD 是CAD 發展的必然方向。

從人類認識和思維的模型來看，現有的人工智能技術對模擬人類的思維活動(包括形象思維、抽象思維和創造性思維等多種形式)往往是束手無策的。因此，智能CAD 不僅是簡單地將現有的智能技術與CAD 技術相結合，更要深入研究人類設計的思維模型，并用信息技術來表達和模擬它。這樣不僅會產生高效的CAD 系統，而且必將為人工智能領域提供新的理論和方法，CAD 的這個發展趨勢將對信息科學的發展產生深刻的影響。

1.2 CAD 優勢

具有完善的圖形繪制功能：能以多種方式創建直線、圓、多邊形、樣條曲線等基本圖像，突破傳統圖紙設計，方便設計人員以不同方式繪圖，能夠充分發揮設計者的創造能力；有強大的圖形編輯功能：一系列圖標和快捷指令可實現縮放、拉伸、移動、復制、旋轉、陣列、修剪等功能。輔助模式的開啟包括正交、對象捕捉、極軸追蹤等輔助工具更方便地讓用戶作圖。

具有較強的數據交互能力：能夠在圖形任何位置、任何方向書寫文字，并設定寬度、字體、角度、縮放等屬性。可設定標注、實體、中心線等各種顏色圖層，在作圖時更好的區分不同類別線型，通過鎖定、凍結等操作提高作圖效率和準確度；針對通用模件高效作圖：對于項目中需求到的通用件，在繪制好后可通過塊的制作保存在數據庫中，在其它圖紙中出現的相同通用件的使用時更加方便，并可制作圖框從布局空間中顯示模型空間，方便圖紙的歸檔及打印操作。

2 南自維美德maxCHD 產品硬件

2.1 機柜

機柜外殼防護等級，室內應為IP52、室外應為IP56。機柜外殼剛板厚度能滿足現場要求（最小厚度≥2.5mm）。機柜門應有導電門封墊條，以提高抗射頻干擾(RFI)能力，柜門上不應裝設任何系統部件。對需散熱的電源裝置，應提供排氣風扇和內部循環風扇。排氣風扇和內部循環風扇均應易于更換，風扇故障應有報警，風扇電源應有可靠的隔離措施。

所提供的機柜內應裝設溫度檢測開關，當溫度過高時進行報警。機柜內的端子排應布置在易于安裝接線的地方，即為離柜底300mm 以上和距柜頂150mm 以下，接線端子排數量布置合理，保證就地電纜接線美觀，不采用重疊式接線端子。maxCHD 硬件機柜方面主要包括電源柜、繼電器柜、RPU 機柜（控制柜）。柜體尺寸一般可分為三種，分別是800mm(D)×600mm(W)×2200mm(H)、800mm(D)×600mm(W)×2200mm(H)、800mm(D)×600mm(W)×2200mm(H)。

電源柜主要由UPS、保安兩路電路組成，包括空開和電源端子，通常根據項目不同需求會添加交換機、切換裝置、光纖終端盒等設備，通過冗余設計保證機組的正常供電。繼電器柜中所用硬件為繼電器板和繼電器端子以及風扇空開，正常在一個柜子中縱向安放三排，每排兩塊繼電器端子板及其對應繼電器，正面背面相同，如有特殊需求也可在側面增加導軌進行安裝。

控制柜主要內部布置為電源模塊、電源端子、機籠（最多五層、通常四層）、終端電阻、卡件、端子組，內部插件數量較多的情況下可在柜子基礎上增加一個擴展柜，擴展柜電源取自控制柜，其余原理相同，因此除電源模塊和電源端子外其余都可安裝。機柜右下方安裝1個PSG 接地端子，導軌水平放置，左下方安裝有4對UT4端子和7對熔絲端子分別對應電源和控制模塊。

網絡柜可將交換機、網絡適配器、光纖終端盒等設備集成安裝，具備電磁隔離、噪聲隔離、通風散熱、抗震動、抗腐蝕等性能，中間隔板可拆卸，方便安裝設備，能保證設備穩定可靠地工作，提高了安裝、維修的便捷性；繼電器柜中包括繼電器端子板和其對應繼電器，在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用，通過設備放置還可擴大控制范圍。

2.2 卡件

卡件存在于控制柜中，一般分為過程控制站DPU，常規I/O 模件，備用等特殊卡件，其中常規I/O 模件包括AI、AO、DI、DO、DO、TC、RTD、CT 等。在對控制柜的設計中可增加一個卡件的詳細表格，來使柜內清單更加明了，同時對工作的準確性起到一定促進作用，如表1所示。

表1 卡件的詳細表格

對I/O 類型的介紹如下：

模擬量輸入AI：4～20mA 信號(接地或不接地)，最大輸入阻抗為250Ω，系統應提供4～20mA二線制變送器的直流24V 電源，卡件所有輸入通道均應分別有獨立的信號隔離設計；模擬量輸出AO：4～20mA 或1～5V DC 可選，具有驅動回路阻抗大于600Ω 的負載能力（部分應用回路應具有大于1kΩ 的負載能力），負端應接到隔離的信號地上。系統應提供24V DC 的回路電源，卡件所有輸出通道均應分別有獨立的信號隔離設計；數字量輸入DI：接點接通為1，開回路(電阻無窮大)為0。負端應接到隔離地上，系統應提供對現場輸入接點的“查詢電壓”，“查詢電壓”為不低于48V DC。

數字量輸出DO：數字量輸出模件應采用隔離輸出，并通過中間繼電器驅動電動機、閥門等設備。中間繼電器的工作電源應由輸出卡件提供；熱電阻輸入RTD：有直接接受三線(不需變送器)的Cu50Ω、Cu100Ω、Pt10Ω、Pt100Ω 等類型的熱電阻能力，提供這些熱電阻所需的電源，每一路熱電阻輸入有單獨的橋路或恒流源；熱電偶輸入TC：能直接接受分度號為E、J、K、T 和R 型熱電偶信號(不需變送器)。熱電偶在整個工作段的線性化及溫度補償等處理，應在過程站內完成而不需要通過數據通訊總線；脈沖量輸入PI：每秒至少能接受6600個脈沖。系統應提供對脈沖接點的“查詢電壓”。

3 CAD 技術在maxCHD 硬件設計中的應用

3.1 CAD 技術在硬件設計中的重要意義

縮短硬件設計周期。CAD 技術在機械設計中的合理應用，能夠滿足設計者的絕大部分需求，符合設計理念思路，在原有機械設計方面加入了更加便捷的指令、軟件設定多種標準，幫助設計師有效快速地完成設計任務；提高硬件設計效果。CAD 在硬件設計工作的開展中，設計軟件可進行模塊化設計，將產品化為多個部分分別進行設計，在分別構造模型中，對產品的功能和零件會有更全面的認識，并可及時對設計中存在的不足進行修改和調整，實現直觀形象化工作目標；充分發揮設計師能力。在硬件設計中，設計師首先對產品進行思考并進行詳細的規劃，包括位置擺放、產品性能和操作空間等。

3.2 繪圖模板的制作

在圖紙集美觀整潔或打印方面，根據不同需求作出圖框圖紙模板。作為通用圖框，不僅包含工程名稱、合同號、設計人審核人信息、版本和日期等，還將公司印字添加進去。制作圖紙模板大概包括以下內容：單位及精度設置，通常是1:1；設置圖層，將實體、接線、標注等設置好，方便作圖的整齊一致；標注、文字樣式設置；標題欄、明細欄的繪制；還可對布局視圖、比例進行設置和打印設置等，方便工程師看圖。在圖紙模板繪制完成后可保存在template 目錄下，作圖時下拉樣板就可看到已經保存的模板文件，根據不同需要，可在標準化A3/A4圖紙大小中進行繪圖模板的設計，方便于不同類型的圖紙需求。

3.3 通用塊的制作

在maxCHD 的柜內布置中，大概率會存在相同的插件及其他裝置，例如通用卡件、電源切換裝置和光纖終端盒等，利用CAD 信息數據庫的優勢，在空白圖紙中將頻繁使用的設備進行繪制，利用CAD 的制作塊功能將其制作為一個帶基點可選擇的塊，并重命名為一個方便查找的名稱，保存在電腦的塊數據庫中，下次再使用時點擊插入塊，就可從庫中查找已定義的塊使用，大大提高了工作效率。當產品庫中零件需要更新時，只需要將庫中的塊增加或者編輯修改后就可進行完整的更新，節約了人工成本。

3.4 通過二次開發軟件對接線正確性的檢查

二次開發CAD 是在原有設計軟件的基礎上針對所需要的功能進行編程設計，在需要時只需輸入一個命令就可自動完成所需功能，例如對應端子接線的形式，只需要將對應端子繪制完成后點擊接線就可實現自動接線的繪圖過程，在繪制接線時注意電源和接線端子的走線，包括進線端子、電源模塊、電源端子、機籠接口和接地端子等，繪制好端子圖后在接線圖中，通過CAD 的二次開發軟件可自動生成接線圖中每個端子對應的接口，在接口中檢查是否對應正確，在項目中相同模件的接線中可保證準確率直接生成，著重于對特殊端子接線的檢查，全面實行了機械設計的變量化和數據化。

3.5 擴大產品結構繼承性

使產品系列化，零部件通用化和標準化。產品系列化是對產品使用條件相同、設計方法相同和結構與功能相同的產品將本身的尺寸和結構按照一定的規律編排，建立一系列產品線，以更直觀的產品介紹和分類來優化產品設計。零部件通用化是在產品系列化的基礎上，對于在相同或不同產品的范圍內的通用件進行詳細的設計和分類，這樣在大大減少了零部件的品種數的同時也減少了大量產品設計的工作量，縮短了生產技術的準備周期，零部件品種數的減少使得批量制造產品的可行性變大，有助于生產熟練度的提高和質量的保證。零部件的標準化是按照國家規定標準生產零部件，或進一步擴大零部件的通用范圍，減少設計和加工制造的工作量，進一步提高產品質量，增加安全系數，做到安全生產零事故的保證。

綜上，maxCHD 系統在自動控制一體化解決方案中具有重要價值，基于國產化平臺也使我國的工業行業的技術有了突破，無論是軟件還是硬件，都需要設計師和工程師進行細致的操作去開發和維護，確保安全隱患降至最低，才能夠促進工業行業持續穩定的發展。同時CAD 技術在信息發展的大背景下也在不斷優化，通過此軟件能夠做到信息共享、設計模塊化、提質增效的優點，不斷幫助設計人員解決工程圖繪制問題，對產品的改進或更新也能做到快速、高效的提高。