制丝线电控系统基于CBE和知识的快速设计研究

杨少华

（云南昆船设计研究院 烟机电控所，昆明 650236）

0 引言

随着市场化的推进，用户对产品交货时间的要求也越来越迫切，在这种状况下，设计效率日益成为瓶颈问题。

CAD的出现使设计人员甩掉了图板，大量的图块和典型图集也在很大程度上提升了效率。但即便这样，器件代号、线号、交互参照等大量表达图纸和器件信息的数据和文本仍需要手工录入或修改，图纸及报表等资料的形成依然需要设计人员先在纸上大致规划清楚，再在计算机上形成表达。此外，由于器件号、线号、端子号等编号受编号规则标准化的约束，导致项目即使发生细微的变化也要人工全部整理一遍图纸和文档。以上种种因素使设计效率无法得到提高，设计输出的标准化、规范化也得不到充分的体现。因此，如何帮助电控设计人员更好更快地完成设计工作，减少画图和做报表期间的工作强度，以及如何充分发挥计算机的能力，节约设计时间、提高设计效率，并促进企业电控设计的规范化和标准化等是一个值得研究的课题。

1 制丝线电控设计的特点及其设计模式

目前组成制丝线的设备基本固定，除回潮机、加香（加料）机、烘丝机、切丝机等为数不多的主机外，其余均是大量的如仓式喂料机、皮带输送机、振动输送机、计量管、振动筛分机、往复带式布料机、贮柜等输送存储设备。与我国“中式卷烟特色工艺”的要求相适应，目前的烟草制丝工艺线在控制模式的划分上也有一个明显的趋势和特点，即主机采用机电一体化的智能单机模式来完成单机的独立电控，其余设备采用分段控制[1]。在这种模式下，对于每一个工艺段而言，所控制的设备都是相同或相近的，所不同的只是这些设备出现的位置不同而已。

一般而言，为便于现场施工及设备管理，在对制丝线进行系统规划的时候，各设备会被冠以“平面号”作为设备的唯一识别号。这样，相同类型和结构的设备在制丝线中被安置到不同的位置就具有了不同的平面号，而这些设备由于工作原理及控制方式相同，因此其电控图纸的基本表达（即除去文字部分后的内容）完全一样，只是控制器件及被控对象的编号不同而已（需与平面号对应）。因此，当整个生产线的控制方式和器件规划一经完成，电控图纸的设计工作即成为如何将这些不同平面号的设备按照相同的控制模式和控制结构按顺序连接起来并完成相关文字的修改工作。对映到传统CAD下，设计的工作就是不断地复制粘贴，然后不断地更改器件代号和导线编号。

可以设想，如果CAD系统有强大的关系数据库作为后台支撑，典型设备的所有元素（包含图纸和器件信息等数据）都以某种方式和一定的对应关系形成数据集，那么对这些数据集进行操作即成为对这些典型设备的电控图纸和元器件进行操作。若干台典型设备按照不同的组合方式组成的烟草制丝生产线，就是将若干台典型设备的数据集进一步形成的集合，在这个集合下对这些典型设备的数据集进行操作就等同于对制丝线电控系统进行整体设计。

2 CAD至CBE的发展回顾

相对于机械设计的CAD/CAE/CAM的发展历程，电控设计的CAx系统有其自己的发展特点。电控设计软件最早和机械设计一样是以“计算机代替手工图板”的CAD （computer aid design计算机辅助设计）为起步点的，这种CAD软件仅具备绘图功能，数据之间无任何关联，无法按照某种规则自动生成图纸和表单，至今很多公司的机械设计和电控设计仍然使用仅具备绘图功能的同一套软件。

相比而言，到eCAD的概念出现时，软件具有了一些智能功能，电脑可以辅助完成一些真正的设计工作，有了数据库的概念，系统可以自动形成关联参照，器件和节点可以实现自动编号，器件清单、端子（各接线点）接线表等表单可以自动生成，但是作业只能按设计流程进行，后期发现前期的错误，只能从头逐项进行修改。这个阶段的电控设计软件一般称为eCAD软件，属于CAE（computer aid engineering计算机辅助工程）的范畴[3]，其设计流程为“单项批处理模式”，如图1所示。

图1 单向批处理的设计流程

近年来出现的CBE系统（computer based engineering基于计算机的工程）引入了关系数据库的模式，在CBE软件中，项目的搭建、产品的结构以及所有图纸和表单的设计均以系统的数据库为中心，所有的设计工作可以在图元、图纸或表单等任意一个环节开始，可实现图纸、器件、位置、功能等的多向、实时关联，一旦在任意处进行编辑，项目里与每个相关的所有数据即可同时自动更改，并且始终与数据库保持同步，其设计流程如图2所示。

图2 同一数据库平台的实时协同设计

除上述软件结构和设计流程上的区别外，CBE电控设计软件还有两个较为显著的特点：其一，在CBE系统下，项目与图纸的关系，不再像CAD那样是文件内各页面之间的关系，也不是CAE下各磁盘文件之间的关系，而是同一个数据仓库内若干个数据库之间的关系；其二，就设计对象而言，CAE系统同CAD一样还是针对图纸进行设计，而在CBE中项目各相关元素之间有了紧密的数据关系，可以直接用数据表进行设计。

3 基于CBE的MCC快速设计

由于基于CBE的电控设计软件是针对数据库进行设计的软件，其所有数据都存储在数据库中，前台的设计过程其实就是对后台的数据库进行操作，即应用程序从数据库中获取数据，在程序内存中进行数据处理，并将数据的变化保存在数据库中的过程。因此在设计过程（即对关系数据库的操作过程）中，各类项目元素必须以各种形式形成数据集，各“子表”以器件（或材料）为外键相互关联并最终关联到表达“高层代号”的总表中，这样仅需对数据库进行操作即可以实现将设备或机构的电路作为模块迅速组合形成电控系统的目的。

根据国标和IEC标准，设备或机构的电路（即器件单元或控制单元，Modularized Control Cabinet，以下简称MCC）均应有自己的“功能面结构”、“位置面结构”和“产品面结构”，分别表示“它做什么”、“它位于何处”及“它是如何构成的”[2]。制丝线电控系统各控制段、各控制单元在具有相同器件单元的情况下，其分属的“产品”或“位置”可能完全不同，因此只有依靠功能对器件单元进行唯一的抽象识别，同时将此器件单元内各器件的若干位置以及各器件与若干产品的关联关系再往上关联到某一个特定的功能下，即系统在器件位置离散的情况下，只有“功能”才可以作为高层代号成为所有数据的根。

这样，在后台的数据库中，每一个MCC或控制单元作为一个表，最高层“功能”作为表的主键，器件的规格型号（或PDM物料码）作为外键对应其余各表中的记录。那么在以MCC为单元向新项目进行复制时，CBE软件就将源项目数据表的主键赋予目标项目数据表的主键的过程，也就是完成将关联到此功能下的所有对象复制到新项目的过程，这样就完成了以“功能”根的所有项目元素的复制操作，从而达到我们快速复制的目标。

4 基于知识的MCC的构建

具体对制丝线而言，绝大部分设备如喂料机、贮柜、布料车、皮带机、振槽（筛）等，由于其机身电气元器件的配置相对固定，因此可以根据机型进行建库操作。其余如回潮筒、烘丝机、加香（加料）机等在不同项目上功能和器件构成存在差异的设备可以跟据器件配置的差异，按器件单元的方式进行建库，如8对接近开关或8对电磁阀等为一个MCC的模式进行建库，待项目组织基本完成后，再根据设备实际器件的多少进行删减，工作流程如图3所示。

图3 基于MCC的快速设计

图中，以MCC为单元的知识库的建库是整个快速设计的核心，该库必须满足结构化、易用性和开放性的要求[3]。如果整个制丝线的控制模式和器件选型发生变化，新的MCC必须能够在现有MCC基础上快速衍生，形成新的MCC。

5 结束语

本文为烟草制丝线电控设计提供了CBE软件基于知识的快速设计方法，该方式可以进一步推广到流程行业流水线的电控设计中。在这种方式下，项目内同类机型越多，设计的效率优势越明显。但在具体实践中，由于需要充分考虑企业的设计标准及生产模式，加之图形符号库和产品器件库及知识库等的建库工作较为繁琐，因此实施初期进度会较为缓慢。但是一旦设计模式和建库工作完成，那就意味着大量的重复工作可以交给计算机来完成，可以大大减轻电控设计人员画图和做报表的压力，设计周期可以提高80%以上[4]，可以为公司生产制造留出更多的时间，从而达到快速设计的目的；而且图纸的设计输出也能更加标准化和规范化，从而减轻校对、审核、标准化等人员的工作；给用户的图纸也更加规范，有利于进一步提升企业形象。

[1] 张家毅.基于分布式智能设计的烟草制丝线自动化系统[J].烟草科技,2002,(10):28-29.

[2] GB/T 5094.1-2002工业系统、装置与设备以及工业产品结构原则与参照代号 第1部分:基本规则[S]:2-8.

[3] 鹿婷,郭坚.对产品快速设计知识管理框架的研究[J].电脑知识与技术:学术交流, 2007,(2):901-905.

[4] Renee Robbins."Software for Electrical Design" [J].Control Engineering China,2008,(10):50-52.

[5] 杨正洪,郑齐健,孙延辉,等.中文SQL Server 2000关系数据库系统管理和开发指南[M].北京:机械工业出版社.2001.

[6] AUCOTEC. Engineering Base 使用手册[M].上海:上海德博信息科技有限公司.2007.