基于EPLAN Platform的电控柜设计和生产优化|控制柜制造4.0

　　INTODUCTION

　　导读

　　本文针对传统电气控制柜在设计环节和生产过程中的常见问题，给出基于EPLAN Platform的解决方案，并着重介绍了如何利用EPLAN Platform对电气控制柜的设计和生产进行优化，从而提高电气控制柜的设计质量和生产效率，缩短产品交付周期。

　　传统电控柜设计及生产现状

　　1.1 / 背景

　　电气控制柜，也被称作“盘柜”，作为现代工业的必备设施设备之一，其身影存在于各行各业。而目前国内电气控制柜的设计方法和生产方式，大多数尚处在于一种比较传统和落后的模式——生产为主，设计为辅，图1-1描述了传统盘柜设计与制造时间分布。企业希望通过尽可能地缩短设计时间来抢生产，于是出现“设计只管原理，车间决定工艺，质量依赖工人”等现象。该模式存在着诸多问题，从而导致电气控制柜的设计质量和生产效率，难以实质性地得到提高。

图1-1 传统盘柜设计与制造时间

　　1.2 / 设计现状

　　传统模式下，进行电气柜原理设计时，设计人员往往仅关注电气原理是否正确，而不关心设备在柜内到底是如何安装的，以及设备间的接线如何在柜内走线，即：设计深度不够且缺乏电气工艺设计，因而，存在如下挑战：

　　①原理图中使用交叉点“·”来表示同网络连接，如图1-2所示，因而无法有效指导生产接线，导致实际接线结果，因工人习惯而异。

图1-2 原理图中的交叉点“·”

　　②原理图中端子信息表达不全，如端子排号、端子号等，如图1-3所示，导致端子排数据统计难，尤其是端子排附件，如固定件、隔板等。加之如果没有相应的端子接线图，安装鞍型跳线，需要工人仔细分析原理图，才能完成，加大了对工人的能力要求和施工难度。

图1-3 原理图中的端子表达

　　③原理图中设备管脚（连接点代号）与实物管脚不一致，如图1-4所示，而生产接线时才发现问题，设计沟通和下更改单，导致产品交付周期延长。

图1-4 原理与实物不符

　　④绘制的安装示意图中，如图1-5所示，器件尺寸与实物尺寸非1:1比例并且与电气原理图无关联，导致经常出现现场安装干涉以及实物与图纸不符等问题；

图1-5 器件安装示意图

　　1.3 / 生产现状

　　传统模式下，由于前端缺乏电气工艺设计和设计深度、完整性不足，导致提供的设计数据和资料不能有效地指导生产工作，因此在生产环节，存在着如下挑战：

　　①生产准备与物料采购无法并行进行，如图1-6所示，生产存在等待期，从而导致产品交付周期长。

图1-6 传统模式下的电控柜设计、采购和生产流程

　　②由于设计提供的安装布局图中器件与实物并非1:1尺寸，因此盘柜安装需要依赖实物，进行再次的布局设计。然而，由于此时安装板大小、器件选型已经确定，因此器件安装时只能“先解决能否装下，再考虑是否合理，最后才讲究是否美观”，导致产品安装标准不一致（如图1-7所示）、安装间隙不利于散热、接线安装不方便、线槽槽满率过高等问题。

图1-7 不同电控柜的器件安装间隙不一致

　　③由于设计提供的生产数据较少，因此生产过程中存在大量手工工作。例如手动输入和打印线号管和设备标签、手工开孔等，如图1-8所示。大量而繁复的手工工作，强度大，低效率，低品质（如开孔后的防腐无法处理），进而导致产品交付周期长，产品品质难保证。

图1-8 生产现场的手工工作

　　④传统模式下，生产主要依赖电气原理图进行设备接线工作。而设备接线所需要的导线，其制备过程与设备接线工作，处于相互穿插串行的状态，如图1-9所示，导致设备接线工作耗时耗力，产品生产周期长。而且具备较高的读图能力，间接提高了人力资源成本。

图1-9 设备接线与导线制备的穿插串行

　　⑤由于设备接线和导线制备的穿插串行，生产人员为了快速接线，通常会将相近路径的多根导线一起进行布线，然后按照最长一根导线的长度进行预留和裁剪，导致导线浪费，如图1-10所示。

图1-10 预留导线的浪费

　　⑥由于缺少数字化样机设计，因此设计无法提供可以指导生产布线的文件。生产根据原理图或者接线表接线时，如图1-11所示，即使是相同的产品，也会因为生产人员不同，导致柜内布线结果不同（产品品质不一致）。

图1-11 工人根据个人经验布线

　　EPLAN Platform下的

　　设计和生产优化

　　随着市场竞争愈演愈烈，项目也变得越来越复杂，而客户对产品交付的周期、质量以及成本的要求也越来越高。因此，传统模式下的电气控制柜制造商，目前正处于相当大的压力之下。从斯图加特大学机床与制造单位控制工程研究所的《控制柜制造4.0》调研报告中可以看出，传统模式下的电控柜制造过程中，器件安装（包括安装板开孔、导轨线槽裁切和安装）和设备接线，占据了整个生产时间的72%的时间，如图2-1所示。因此，如何降低器件装配和设备接线的时间，成为电气控制柜制造商关注的重点和数字化转型的目标。

图2-1 电控柜制造各过程时间占比

　　2.1 / EPLAN Platform简介

　　作为世界著名的专业电气CAE解决方案提供商，德国EPLAN Software & Service公司是世界上最早开始提供智能化的电气工程设计软件公司，它和全球著名的工业企业、制造企业进行了卓有成效的合作。EPLAN Platform，如图2-2所示，作为整体工程解决方案，可以满足不同行业客户的个性化需求、优化企业设计流程。无论是电气设计还是流体、仪表、线束设计，从产品的初步设计、开发直至生产制造环节，EPLAN Platform都能提供跨专业、跨部门的企业级工程设计方案和管理平台，优化从设计到生产的流程，以提高效率，降低成本。

图2-2 EPLAN Platform产品概览

　　2.2 / 设计优化

　　在设计端，基于EPLAN Platform，实现数字化样机设计，建立虚拟样机与物理实物的数字化双胞胎模型，如图2-3所示，从而优化设计深度，完善电气工艺设计，为生产的自动化和智能化，提供数据支撑。

图2-3 EPLAN Platform下的数字化双胞胎

　　①原理设计时，设计人员可以使用“确定目标”的T节点，如图2-4所示，直接明确设备间的接线关系和接线顺序，为虚拟样机的自动布线和生产接线，提供依据。

图2-4 EPLAN Platform下的数字化双胞胎

　　②EPLAN Platform提供的“基于网络的布线优化”功能，可以使同一个网络的连接，根据器件安装位置（虚拟样机进行器件布局），自动优化接线关系，如图2-5所示。

图2-5 EPLAN Platform“基于网络的布线优化”

　　③设计端在设计端子时，可以充分利用EPLAN Platform与Phoenix的集成插件：Project Complete，如图2-6所示，实现根据原理图中电缆芯线或导线的线径大小，自动选择端子型号、自动附加固定件、隔板和鞍型跳线等，并将器件物料和数量，返回原理图中，如此一来，端子的选项设计和安装工艺设计，将变得非常容易。

图2-6 EPLAN Platform集成插件Project Complete

　　④EPLAN Platform下的Data Portal在线数据库，免费为用户和设计人员提供了符合EPLAN Standard 1.0的、拥有七级数据的标准器件，如图2-7所示，帮助设计人员“即时设计，即时选型”，实现准确采购，避免出现设计与实物不符的情况。

图2-7 EPLAN Platform Data Portal提供的器件数据

　　⑤设计端原理设计完成后，可以直接在EPLAN Platform中进行电气控制柜三维布局布线工艺设计，即数字化样机设计，如图2-8所示。在数字化样机设计过程中，设计根据工艺安装要求、器件安装间隙要求、散热空间要求等，提前预知安装板空间是否足够。也可以根据自动布线结果，提前识别线槽槽满率是否过高，并进行布线优化。

　　设计端的数字化样机设计，加大了电控柜的设计深度，提高了电控柜的工艺设计水平，可以为后续的生产提供有效的生产资料和生产数据，实现数据单一来源，设计指导生产，设计决定工艺的目标。

图2-8 EPLAN Platform中数字化样机设计

　　2.3 / 生产优化

　　电控柜的设计，实现基于EPLAN Platform的数字化样机设计后，为生产的优化，如自动化、智能化，提供了大量的数据支撑。同时，数字化样机提前验证了安装板空间、槽满率、接线工艺等问题，因此生产过程中的变更、设计沟通将会大大减少，从而节省了大量的时间和成本。

　　①采购与生产准备并行，如图2-9所示。数字化样机验证了生产的可行性，采购部门开始采购柜体、器件等；同时，生产部门可以根据数字化样机的结果，同步进行生产准备，例如提前裁切导轨、线槽、制备导线和安装已有器件。并行的工作流程，缩短了生产等待时间，可以大幅度缩短产品交付周期。

图2-9 基于EPLAN Platform的新设计、采购生产流程

　　②设备标签以及端子排号、端子号等信息，可以直接或间接（Excel格式）输出到打印设备，如图2-10所示，减少人工操作，提高生产效率。

图2-10 基于EPLAN Platform的标签自动打印

　　③数字化样机设计完成后，可以自动生成安装板或门板开孔图，该信息可以导出DXF文档或直接与自动化加工机器集成（如Rittal PERFOREX），如图2-11所示，实现安装板或门板开孔的自动化，取代手工开孔，大幅提高生产效率和生产质量。

图2-11 基于EPLAN Platform的自动开孔

　　④数字化样机设计完成后，导线的制备，也可以实现自动化。导线加工信息可以直接或间接地传递给导线自动化加工设备（如Rittal WT），如图2-12所示，最大化的缩短了导线制备时间的同时，准确的导线长度信息，将极大地减少导线的浪费。而且加工完的导线可以根据需要，按顺序排放，便于后续的设备接线。

图2-12 基于EPLAN Platform的自动导线制备

　　⑤基于EPLAN Platform的数字化样机设计，也让设备接线工作，可以变得智能化和轻量化。数字化样机的布线结果，可以直接发布到EPLAN Smart Wiring智能布线终端上，如图2-13所示，接线工人根据显示屏上的接线顺序（与导线制备的顺序一致），逐一接线即可。接线工人无需翻阅电气原理图纸，即可完成接线工作，并且产品的布线结果，始终保持一致，降低生产工人素质要求的同时，还能大大提升产品的质量和设备接线的效率。