工程硬件設計主要通過繪制圖紙和列表，以及使用工業(yè)軟件自動化輔助設計來實現(xiàn)。產(chǎn)品生命周期管理(PLM)是一種新穎的流程解決方案，旨在在整個生命周期內(nèi)優(yōu)化產(chǎn)品和流程的信息流。

1、產(chǎn)品生命周期管理

工程設計的發(fā)展歷史

隨著工業(yè)革命的發(fā)展，工程設計過程，經(jīng)歷了從手工繪圖到計算機輔助自動設計到產(chǎn)品生命周期管理的各個階段。

世界經(jīng)濟全球化和工業(yè)信息一體化之間發(fā)生了進一步的發(fā)展。

現(xiàn)在，自動化正與人工智能和物聯(lián)網(wǎng)相結合，為傳統(tǒng)制造業(yè)提供新的動力。

這個時代一直由智能制造主導，即所謂的“第四次工業(yè)革命”。

傳統(tǒng)的工程設計過程，需要結合先進的設計思想和高效的輔助工具來提高競爭力。

作為一種輔助設計工具，工業(yè)軟件的出現(xiàn)和發(fā)展是“第三次工業(yè)革命”的重要標志之一。

目前，開放式工業(yè)軟件通常提供良好的二次開發(fā)功能，以滿足用戶的定制需求，并幫助用戶更快更好地實現(xiàn)所需的設計狀態(tài)。

用戶通常可以添加定制的功能模塊，以實現(xiàn)軟件本身不具備的一些功能。

產(chǎn)品生命周期管理(PLM)是一種流程解決方案，旨在簡化整個生命周期中有關產(chǎn)品和流程的信息流。

這種方法通過一系列功能模塊，確保在適當?shù)沫h(huán)境中隨時可用適當?shù)男畔?，這些模塊通過軟件的二次開發(fā)設計并集成到設計過程中。

這些模塊和軟件有效地緩解了當前工程設計版本混亂、重復設計、人為錯誤和其他挑戰(zhàn)的問題。

PLM不僅是一種先進的設計理念，用于管理在產(chǎn)品創(chuàng)建、使用和回收的整個生命周期過程中生成的數(shù)據(jù)信息，也是一種逐步統(tǒng)一的管理策略，一種積極的產(chǎn)品創(chuàng)新過程。

在工程硬件設計過程中引入PLM策略，可以優(yōu)化和改進過程，以避免現(xiàn)有工程設計過程中的常見錯誤。

此類錯誤包括管理缺陷導致的版本混亂、類似設備的重復設計、圖紙中的低級錯誤等。

2、工程硬件設計流程

自動化工具可幫助DCS設計

在數(shù)字控制系統(tǒng)(DCS)的工程設計過程中，硬件設計是系統(tǒng)方案設計與過程制造之間的關鍵環(huán)節(jié)。

建立DCS硬件設計圖紙管理系統(tǒng)的生命周期架構，可以保證早期規(guī)劃和部署的有效實施，并改進圖紙管理的迭代設計階段。

數(shù)據(jù)管理是貫穿整個設計過程和整個生命周期的核心要素之一，以確保圖紙版本的控制，并有效提高工程設計的質(zhì)量和效率。

工程硬件設計圖的設計過程包括：

圖紙(包括原理圖、布局圖、裝配圖等);

列表準備(包括IO列表、網(wǎng)絡連接列表、端子列表、組件列表、電纜列表等);

檢查(包括原理圖的正確性、布局的合理性、連接的有效性、設備覆蓋范圍等)。

工程硬件設計流程

在編譯過程中，繪制、列表準備和檢查是相互嵌套的，如上圖所示。這三個階段構成了一個循環(huán)迭代過程。

在每次迭代中，首先生成圖形，并在生成完成后導出詳細列表。檢查模塊在每個周期后檢查圖紙和詳細列表是否存在錯誤。

3、生命周期體系結構設計

功能體系結構

生命周期管理系統(tǒng)的體系結構包括數(shù)據(jù)存儲層、調(diào)度接口層、業(yè)務執(zhí)行層和管理控制層，如上圖所示。

四層逐層連接，形成完整的數(shù)據(jù)流和指令流。

數(shù)據(jù)存儲層存儲和管理底層基礎數(shù)據(jù)，包括組件庫、初步IO列表、連接關系集和組件集。

調(diào)度接口層利用工業(yè)軟件的二次開發(fā)接口，通過接口功能的調(diào)度，統(tǒng)一管理基礎數(shù)據(jù)。

業(yè)務執(zhí)行層用于實現(xiàn)輔助繪圖、自動檢查和自動生成。

自動檢查功能的目的是生成布局圖和原理圖。它會自動逐個檢查常見錯誤，例如不合理的組件布局和違反布線設計原則。

自動生成功能根據(jù)設計圖紙生成相應的信號列表和組件列表。

管理控制層實施圖紙和列表的高級管理，并在圖紙和列表生命周期結束時實現(xiàn)控制功能，包括歸檔、搜索、版本控制、修訂管理和其他功能。

4、功能模塊設計

系統(tǒng)功能框架通過不同的模塊實現(xiàn)特定的功能。

首先，低級代碼設計將核心驅(qū)動程序模塊打包并抽象為基于模型驅(qū)動概念的函數(shù)庫。

然后，框架根據(jù)實際需要參考和配置功能庫，以實現(xiàn)多樣化和定制化的功能開發(fā)。

部分功能模塊的內(nèi)容如下：

輔助繪圖模塊

輔助繪圖模塊位于業(yè)務執(zhí)行層，其中包括若干子模塊，例如繪圖優(yōu)化生成模塊、IO信號填充模塊、電源模式計算模塊和日志數(shù)據(jù)模塊等。

對于特定項目，在工程硬件設計的初始階段，應在數(shù)據(jù)存儲層中建立主組件數(shù)據(jù)庫(包括基本數(shù)據(jù)、工具數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)和規(guī)則)。

以DCS為例，基礎數(shù)據(jù)包括工程材料信息和結構信息，其中包含工程圖紙中所有部件的核心信息。

工具數(shù)據(jù)，也稱為系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用于維護軟件正常運行。它包括資源管理數(shù)據(jù)、接口配置數(shù)據(jù)和功能模塊配置數(shù)據(jù)。

用戶數(shù)據(jù)和規(guī)則包含構成整個電路的自定義要求和要遵循的規(guī)則。

DCS工程硬件圖紙的設計過程按原理圖、布置圖和裝配圖的順序進行。

原理圖包括電源圖、IO模塊圖、網(wǎng)絡連接圖、監(jiān)控圖、信號隔離圖、信號調(diào)節(jié)圖、信號旁路圖、硬件邏輯圖等。

布置圖包括機柜布置圖、材料匯總圖等。

裝配圖包括各種設備裝配接線圖。

繪圖優(yōu)化生成模塊可以根據(jù)用戶預設的輸入條件和編碼規(guī)則進行批量繪圖輔助。

IO信號填充模塊可以根據(jù)預設規(guī)則優(yōu)化IO信號的分配。

電源模式計算模塊，可以根據(jù)用戶需求優(yōu)化和匹配機柜的電源模式。

輔助繪圖模塊為工程師提供了方便有效的輔助模式，可根據(jù)實際工程特點進行配置，提高繪圖效率。

列表編譯模塊

列表編譯功能位于業(yè)務執(zhí)行層，主要包括以下子模塊：圖紙讀取模塊、模板選擇模塊、數(shù)據(jù)集成模塊和列表填充模塊。

IO列表、網(wǎng)絡列表和終端列表主要描述了硬件設計中IO信號與機柜內(nèi)外網(wǎng)絡信號之間的關系。

主要信息包含在硬件設計原理圖中。

設備材料清單主要根據(jù)布置圖和裝配圖中的設備部件信息編制。

同樣，電纜列表反映了設備的詳細接線關系以及機柜間電纜的主要信息。

主進程的讀取列表生成模塊如下：

繪圖模塊與接口層、調(diào)度過濾器和對象查找器的功能一起從存儲層數(shù)據(jù)讀取和調(diào)用數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相應的模板選擇模塊形成列表的臨時數(shù)據(jù)庫。

然后使用數(shù)據(jù)集成模塊將數(shù)據(jù)結構調(diào)整為模板的格式，并使用填充模塊將列表填充到Excel電子表格中，以完成列表的自動生成。

錯誤檢查模塊

圖紙和列表的錯誤檢查是生命周期管理的重要組成部分，它對應于功能框架中的管理控制層。

該模塊可提供以下五個基本功能：

1)設計數(shù)據(jù)的版本管理，可以避免由于版本控制不佳而導致的錯誤;

2)設計數(shù)據(jù)的可追溯性管理，可解決采購或加工來源多的問題;

3)設計數(shù)據(jù)的電子審批，可優(yōu)化紙質(zhì)文件審批控制流程;

4)設計數(shù)據(jù)的變更管理，可以解決圖紙變更過程的問題;

5)項目管理，包括資源管理、項目進度管理等。

5、漳州核電廠應用

以數(shù)字控制系統(tǒng)(DCS)設計過程中的電氣設計軟件EPLAN為例，在漳州核電廠HPR 1000安全DCS項目中應用并驗證了生命周期體系結構設計的主要功能模塊。

EPLAN電氣設計軟件二次開發(fā)界面通過編程語言支持基本的動態(tài)鏈接參考庫。示例包括Eplan.EplApi.Base、Eplan.EplApi.MasterData和Eplan.Epl Api.DataModel。

通過初始化函數(shù)(OnInit())和退出函數(shù)(OnExit())，它可以將執(zhí)行自動化功能的自定義函數(shù)組合為注冊函數(shù)(OnRegister())和執(zhí)行函數(shù)(Execute())以實現(xiàn)二次編程。

可以基于工程硬件設計圖紙的生命周期管理概念，構建一整套設計管理流程。

結合自動設計軟件的二次開發(fā)，提出并實現(xiàn)了一系列軟件設計的輔助功能模塊，并在實際工程項目中得到有效應用。

后續(xù)研究可以進一步結合低代碼設計的概念，加強多樣化定制開發(fā)的目的，并有助于使自動化輔助設計工具更符合實際工程要求。

(本文編譯自NEi網(wǎng)，原文《Lifecycle management of nuclear I&C design》)

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