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浅谈电气软件的发展现状及趋势
作者: 作者单位:e-works数字化企业网 所属类别: 2018-02-01 09:12:00 浏览:59

1 电气软件的发展

1.1 电气CAD的发展

最早的一批电气工程师都是用纸笔一点点的在图板上画出原理图。

在电脑出现后,AutoCAD的出现取代了人工画图的方式,让图形设计进入一个电子化的时代。使用电脑,工程师可以快速的修改设计内容,也可以跨区域的交流和传递图纸内容。对图纸的复用能力,极大的降低了设计的工作量。

不仅如此,AutoCAD的使用也改变了企业内部的工作流程。电气设计不是单独存在,企业会将电气数据与机械数据结合,用于指导生产(如图 1所示)。也就是说,企业从单纯的产品原理设计转向了产品生产制造。

 

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图 1 设计到生产的流程图

20世纪初,人们开始考虑如何让AutoCAD的绘图方式更快捷,一些基于AutoCAD二次开发的产品如雨后春笋快速出现在国内市场,有一些比较优秀的产品至今仍在市场中使用。

在进入21世纪后,越来越多的企业关注到电气CAD在美洲和欧洲的使用度,他们不再是基于AutoCAD做的开发,而是将绘图与数据库结合,形成具备数据统计能力的面向对象的设计方式。这样的方式不仅满足了绘图的需求,还配置了数据统计能力,让设计变得更智能。

1.2 电气CAD的现状

越来越多的企业正在从“产品制造”向“产品创造”转型,对自己的产品增加电气控制的能力,让其“智能”起来。例如,以前的火车通过煤炭这样的能源提供动力,火车上没有什么电力设备;但现在动车、高铁都通过电力或其他能源提供动力,电气控制就成为产品设计中非常重要的一个环节。

不同的行业,对于电气CAD的需求也不尽相同。例如机床行业,电气控制部分是一个狭小的空间,工程师需要使用断路器、继电器、按钮等设备来设计控制逻辑。但是轨道交通行业就更关注机车内部的线束设计。配合不同行业的电气软件也不同,这与产品初始开发的源头有关。

我们把电气软件开发的源头分为两类,如图 2所示。一类是以电气设计为主,主要用到断路器、继电器、PLC等设备;另一类主要以电子设计为主,制作电路板或工业控制模块,通过线束连接这些模块。

 

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图 2 电气软件发展的源头图

但是殊途同归,现在电子和电气两个部分正在相互融合。例如某锂电池制造企业,以前做电路板设计(电子类),但是企业发现自己也可以使用电路板配合断路器等其他电器件生产出整机设备供向市场,这样成本更低收益更多。

另一种现象也在近几年出现:机电一体化设计。机械设计普遍使用3D工具,来展现空间结构,并通过3D工具的转换能力自动的产出用于生产的图纸;电气设计和机械设计本质上所用到的设备是同一个,让电气设计与机械设计结合起来可以形成设计闭环,互相校验数据的正确性。同时,两个设计环节的结合,可以产出用于生产的工艺数据。例如图 3所示是从电机连接到端子的线束制造加工图。

 

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图 3 工艺制造图

工艺图纸同时需要展示设备组成和接线关系,甚至包括线缆的长度。要做到这点,电气与机械设计缺一不可,且必须联动。

1.3 电气CAD的发展趋势

近几年,我国采用的主要是以欧美电气软件为主,电气CAD发展的速度非常迅捷。主要在以下几个方面悄悄改变:

信息化集成能力

除了机电一体化设计模式之外,电气CAD正在向企业信息化建设迈进。

我们不能将电气设计孤立开,它是企业多个工作流中的某一个环节,因此电气的数据在整个企业的信息化平台中应该具备交互能力和流通能力。这是电气设计软件发展的新方向。

在以前,电气工程师只需要把原理图画出来就可以了,但是现在这个要求已经不能满足企业的发展需要了。一个产品的生命周期中,需要对设计的数据做统计和管理工作。例如设计一辆车,我们不仅要画出连接所有控制单元的连接器,还要标识出连接器所在的位置和实现的功能。这些参数都要汇总到信息化系统中。

标准模块化设计

非标型产品的利润空间比较大,但是产能比较低。企业正在规划如何将非标产品的设计过程用“化整为零”的方式拆分出不同的模块。在综合了多个产品的设计数据后,不难找到共性的模块,例如供电模块、通讯模块。所以,企业在将这些共用模块做成标准化模块,从而将设计方式转向“选配式”模块化设计(OPTION MODULE)。机械设计如此,电气设计也如此。

最先使用这种创新模式的是轨道交通行业,但是这样的方式正在悄悄向低端市场渗透。

多元化融合能力

未来的设计一定是参数化的,是可配置的。那么数据就可以具备多元化特性。电气设计的数据,不仅仅给电气部门使用,还会关联到机械设计环节、采购管理、仓储管理、财务管理、销售管理。数据关联的一个重要特点是形成小型闭环系统。例如,电气设计使用了一个断路器,这个设备是否在3D结构中被装配?谁来检查这个设计?只有通过电气与机械的集成,形成设计数据关联的闭环,才能对设计内容的正确性做出判断。而多个环节的小闭环能够形成整个企业数据链的系统性闭环——这对企业的数据管理和战略性规划起到非常大的作用。

2 电气CAD的特点

面向对象的设计方式

以一个断路器为例子,使用AutoCAD的工程师会绘制一个图形,并且在图形旁边添加文本做出注释;而电气CAD把这个断路器作为一个对象来考虑,它有非常丰满的多维度参数,包括图形、符号名称、设备说明、设备型号、额定电流、额定电压、分段能力、宽高深物理尺寸……下方图 4给出了比较形象的区分,左侧是AutoCAD绘制的图形和文本,右侧是电气CAD的一个符号。电气符号只是断路器设备的一个图形化表示,它会用属性参数作为变量代码去从数据库中读取该断路器设备的其他参数。例如图 4中的#TAG就是用于读取设备符号名称的参数变量代码。

文本和代码的本质区域在于是否动态取值。AutoCAD的图形复制出多个后,文本不会有任何变化;电气CAD在复制出多个对象后,每个对象的代码会依据标准化的格式自动调整。因此,将左侧的符号复制三次,每个符号的文本都一样(属于符号重名错误);对右侧的符号做同样操作,每个符号会有不同的符号名称。

 

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图 4 图形和对象的区别

因此,电气工程师更愿意选择电气CAD来绘制原理图,借助工具的参数化能力,自动的调整符号的命名,避免符号重名这样低级错误的产生。

自动化的数据统计和显示

使用对象的另一个重要的原因在于,对象具备数据统计能力和跨区域显示能力。

通常电气设计的图纸量都很大,工程师在完成图纸后需要自己对每个型号的使用通过数数的方式人工计算和整理到Excel表格中,以便于提交给采购或生产等其他部门。而电气CAD则要求工程师在添加这个图像对象时就为其分配一个设备型号。这样,在完成图纸设计后,软件会自动统计数据生成如图 5所示的报表。

 

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图 5 自动生成的设备清单

面向对象的设计,具有更广泛的数据应用能力。除了这样的表格数据统计之外,还可以有图形化的参数显示方式。图 6的左侧是原理图,我们可以看到KM1这个图形,它只是KM1这个接触器设备的一组触点,还有一个储能线圈被放置在别的页面了。右侧的符号我们称之为“接线图”,它是由电气CAD软件自动生成的,自动读取了KM1这个接触器每个连接点的接线信息(上方第二个1/L1这个连接点通过L1-4这根线连接到Q4的2/T1这个连接点上)。

 

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图 6 原理图与接线图的显示

类似自动生成的图形还有很多种,如端子排图,PLC图,电缆图……

电气CAD的数据统计能力彻底改变了AutoCAD的绘图方式。

标准化的设计环境

说到新的设计方式,必定要谈到电气设计的标准化。

最先谈论的是图形符号的标准化。长期以来,IEC的国际规范一直影响着中国在电气设计领域的GB规范,所以国内市场上大多数的电气CAD都会参考IEC规范定制出标准的图形库。图形库的使用直接规范了企业图纸内容的样式,也加快了图纸设计的速度,更提升了市场中图纸交流的通用性。

除了图形规范,在电气CAD中还定义了其他规范内容,包括企业图框的设定、设备库建立的规范、电线参数使用的规范、符号标注样式的规范、电线编号样式的规范……

我们将电气CAD中涉及到的规范,统称为标准化设计环境。每个企业都需要有自己独特的标准化设计环境,以便于规范电气工程师的设计习惯、设计方式和设计流程。

3 电气CAD的选型

通常我们在选择产品的时候会说,适合自己的就是最好的。但问题在于,很多人不知道自己想要什么——这是笔者在走访过上千家企业后发现的一个共性问题。不完全统计,超过80%的用户在做电气软件选型时把“代替现有的AutoCAD”和“能自动统计报表”这两点作为选型标准。不能说这是错,但是这好比是在企业选择人才时把小学毕业作为选择标准一样毫无意义。企业需要去了解电气CAD的现状,需要知道引入电气CAD要解决企业面临的哪些问题。对于电气CAD的选择,大致可以从五个方面去思考。

3.1 自我分析

非常建议企业在选择电气CAD之前做一次SWOT分析,充分评估一下自己企业内部在电气设计环节的优势和面临的挑战。以某装备制造企业为例,电气工程师大约10位,目前在使用AutoCAD绘制原理图,大部分时间在统计表格和前往车间或客户现场做沟通和调试;公司希望减少设计与生产之间的人为沟通,希望做到无纸化作业,希望设计内容能进入到企业的PDM系统中。把这个例子转化为SWOT图,如图 7所示。

 

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图 7 电气部门能力分析SWOT图

从图上可以看到,这家企业在选择电气软件的时候要重点关注这么几个方向:

建立电气设计规范的能力;

电气设计环节的自动化程度;

电气设计环节与机械设计、工艺设计、采购等多个部门之间的数据对话能力。

3.2 市场调查

一定需要将这件事设定为一个项目,专人专事的去了解市场中各个电气软件的特点。如果有能力,也可以对各个电气软件做一次SWOT分析。例如,图 8是某锂电池制造企业在选择电气软件时对某电气设计软件做出的分析。

 

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图 8 某电气软件的SWOT分析图

3.3 产品定位

在电气软件选型方面,也存在一种“懒人综合症”——市面上最贵的用的最多的就是我要选的。如果企业不考虑购买成本这个问题,那么这样选型自然是最粗暴最有效的,可实际恰恰相反。企业在资金分配方面都有特定的约束,并不是首选最贵的。俗话说好钢用在刀刃上,企业需要根据自己的SWOT分析结果来做出选型标准,并邀请电气软件供应商做调研分析。

例如某机床制造商在电气设计环节,原理图不超过10页,那么就不用花费太多精力在高端电气软件的考察上,而把精力放在快速出图和工艺数据统计上;某绿色能源汽车制造企业的电气设计很复杂,频繁提出产品创新,这就要考察电气软件的设计能力、与机械工艺等环节集成的能力、与企业PDM/ERP数据集成能力。

每个产品都会在市场中有自己的定位,企业需要分析自己所需的定位来筛选电气软件。

3.4 服务能力

供应商的服务能力是企业在电气软件选型时最容易忽略的一个问题,恰恰也是最重要的一个问题——很多企业在项目调研阶段都是在考察软件的功能,喜欢做出不同软件的功能对照表,这是不够明智的做法。

某新能源汽车制造企业给出了电气软件的选型标准:电气设计、电气设计与机械设计集成后在3D空间中自动布线并自动统计线缆长度。经过调研,最终选择了两款产品作为选型对象,表格 1列出了两家产品的报价。

表格 1 两款软件的价格对比表

 

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从产品的报价上看,产品A总费用比产品B低;从产品的知名度看,产品A高于产品B,但是最终这家企业选择了产品B。我们可以分析一下原因:企业更看中自己的员工如何在最短时间内将软件使用起来,而不是消耗过多时间在自己琢磨软件怎么使用上。也许有很多人想不明白,但是的确存在一个很明显的现象:“学会软件的功能操作”和“使用软件功能解决问题”这是完全不同的两件事。我们可以使用Excel做表格,填写数据做简单的加减法。但是如果你要用Excel做财务分析,你会发现无从下手,最好还是有个专业的老师带着你做一次你的工作比较好。一样的道理,企业选择电气软件,需要关注供应商的实施能力,要基于企业自己的设计内容作为实施内容,参考外界先进的设计理念和设计方法,在实施过程中形成企业内部基于电气软件的标准化设计规范。

企业不是为了买软件而买软件,而是要用软件解决电气设计遇到的困难。

3.5 可持续发展能力

企业选择的电气软件一定是在持续开发,能伴随企业一路成长的,这是产品的附加值。国内出现的基于AutoCAD二次开发的产品,最终都因为没有后续的研发而不了了之,这对于企业来说是一种损失。因为企业购买软件的同时,也是在购买软件的使用经验(服务)。市场在不断变化,需求也随之改变,所以电气软件一定是在持续开发中的。

企业在选择电气软件的时候,需要关注一下开发这款软件公司的背景和能力,以及这款软件未来几年的发展趋势。例如,很多企业在近几年都很关注机电一体化设计能力,也有企业更关注产品的数据兼容性以便于未来几年中企业信息化平台建设的可行性,这就是对产品发展趋势的预判断,这样的思考能帮助用户找到真正适合自己的产品。

4 总结

分析了电气CAD的现状,及软件的特点,也对企业的电气软件选型给出了一些建议,但是这并不表示企业就能够很简单的做出产品选型的决定。一般来说,一款电气软件的选型周期在6-12个月,要经历立项、调研、考察、决定等多个过程。但是,一旦选定一个产品,这款产品将会多年服务企业的产品设计。企业需要提升对服务价值的关注度,需要不断的通过软件的服务来引入先进的设计理念和设计方法。未来的市场需要企业与软件供应商形成紧密的战略合作关系,这样才能让企业发展的更快、更稳。

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