面向风力发电机设计的产品配置管理研究

贾 冰,林 明，吕占龙,吴 兵

(1.国电联合动力技术有限公司，北京 100039) (2.风电设备及控制国家重点实验室，北京 100039)

近年来随着风力发电机(下文简称风机)市场竞争日趋激烈，多数风机企业开始转向根据客户需求进行生产，这类订单多数具有研发周期长、订单个性化的特点，风机企业迫切的需要一种新的设计模式，根据客户的需求和市场的反馈定制开发风机产品，而产品配置管理能够很好地实现这个目标。

1 产品配置管理方法

产品配置是通过既定的配置规则，将结构模块(基本模块、通用模块、专用模块)进行组合，选配出满足需求的零部件或产品。企业将基于PDM(product data management)的配置管理应用于产品设计中，对产品进行优化和组合，能够满足众多用户的需求，同时可以提高研发效率，缩短研发时间，提高产品质量，便于管理系列化的产品。

2 产品配置管理方法在风机研发中的应用

产品配置管理方法适合应用在风机研发过程中，无论哪家风电企业制造的风机，其基本结构都是由风轮部分、机舱部分、塔筒部分组成。各风机平台的研发设计一般选择已有的零部件进行搭配，并根据产品既有的基本功能和特定的需求去设计新的零部件，以实现客户的目标，这完全符合产品配置管理的思路。

与其他行业应用产品配置管理类似，在风机研发的产品配置管理过程中，也同样需要一定的规则，通常可以将实现产品配置管理的要素分为两种：静态要素和动态要素。静态要素主要为产品结构树、BOM、库、模块化设计、配置规则；动态要素是配置流程[1]。

2.1 产品结构树

根据包含的内容和对象不同，产品结构树分为产品结构树对象、产品结构树总成和具体的产品结构树[2]。产品结构树对象是产品结构树抽象的结果，是所有产品结构树的逻辑基础，它是通用的“逻辑结构对象”。产品结构树对象具体化则为产品结构树总成，产品结构树总成包括产品所有的数据集和方法集。产品结构树总成内部的数据和方法具有可重构性，通过选择特定的数据和方法，产品结构树总成细化为具体产品的结构树。

2.2 BOM

在产品的整个生命周期中,与产品结构树对应的BOM也各不相同：产品结构树对象通常对应的BOM称之为逻辑BOM(LBOM)；产品结构树总成对应的BOM称之为超级BOM(SBOM)；在产品的整个生命周期中,不同的阶段以及不同的适用对象，其具体产品对应的结构树并不相同,对应的BOM表在设计、工艺、制造各阶段，名称也不一样，如设计阶段对应EBOM、工艺阶段对应PBOM、制造阶段对应MBOM等，如图1所示。

2.3 库

库的概念很广泛，而在本文中指的是企业各产品、零部件、标准件、文档等组成的集合，其中风机产品的集合称之为产品库，零部件的集合称为零部件库，文档的集合称为文档库，标准件的集合称为标准件库。

图1 产品结构树和BOM之间的关系

库中的产品、零部件、标准件、文档等是BOM的基本要素。库是在公司建立和成长的过程中逐渐累积而成的，对于历史产品，库应包含产品的所有信息；对于新的产品，应当由设计人员在设计过程中进行添加，确保库的及时性和准确性。在风机设计的过程中，产品结构树和库相互交替,螺旋式增加新的内容,是建立并维护库的有效方法。

以风机零部件库为例，设计人员可以从风机零部件库中选择需要的零件,通过配置流程,配置生成所需要的部件结构，新的部件结构会出现在产品结构树中,将其复制到零部件库中,这样就会在零部件库中得到新的零部件结构，将此零部件中的结构重复进行配置,迭代相加，新变形的零部件相互组合将会装配出一个新的完整的产品,在完成产品结构树的同时，将每个新零部件结构信息也保存到了零部件库中,通过这种方式可以快速准确地在产品结构树和零部件库中建立风机产品零部件信息模型，如图2所示。

图2 零部件库建立流程

2.4 模块化设计

将零部件库中的零部件按一定规则进行组合称之为模块。传统的企业产品结构树只反映了各零部件之间的结构关系，而实现配置管理的关键是要对零部件进行模块化设计。通过预定的标准接口，将产品分解成由相互独立的产品模块组成的柔性的产品平台，利用其可复制性和可移植性，根据客户的需求和市场的反馈定制出不同特点的风机产品。

在风机模块化设计过程中，首先将总需求(即客户的需求和市场的反馈)细分为一系列子需求；根据子需求完成从用户需求到模块功能的映射；然后在考虑模块性能的基础上完成从模块功能到模块结构的映射(在映射的过程中，应考虑模块独立性、简单化、通用性、产品族整体优化的4个基本原则[3-4])，映射后的模块结构中应包含产品的零件和部件等必须要素；由于模块结构是模块功能的载体，因而最终由子模块结构汇总为整体结构，即为产品结构树。

风机的模块可以分成不同层次、不同通用度、不同阶段的模块。将相同或相近功能的模块归纳成为模块库，在模块库的支撑下，各产品平台可以快速开发新的产品。如在机架装配模块库可以包含各功率不同的机架模块等，设计人员根据用户不同的需求调用各模块库中的模块进行装配设计，从而避免重复劳动，同时模块库作为一个知识、经验积累的资源池，可以随着公司的发展逐步扩展，成为企业的无形资产之一。如图3所示。

图3 零部件库与模块化设计结合

2.5 产品配置管理规则

在由模块结构到产品结构树的过程中，需要一定的规则去约束，产品配置管理的规则通常可以划分为3种：变量配置规则、版本配置规则、有效性配置规则[5-6]。

2.5.1变量配置规则

当产品结构树中零部件的某个属性具有多个可选(或必选)项时，可将该属性视为变量，按照该变量不同的取值来确定具体的产品结构配置，称为变量配置[7]。变量的内容是可选的，其代表了产品结构树的具体信息。变量配置分为两种约束条件，即必选性约束和可选性约束。必选性约束保证了产品结构树中具体化后必须具备某个节点，该节点的内容可根据外部条件的变化而变化，如风机结构中的塔筒、机舱、叶片；而可选性约束在产品结构树具体化后的节点是否呈现则取决于实际需求或外在条件，如齿轮箱，双馈型风机是带齿轮箱的，而直驱型风机不带齿轮箱。

设计人员在使用变量配置风机产品结构时，应考虑3个必要因素：变量、变量配置和配置规则。变量是进行配置的关键参数，例如风机的型号、功率等，多个关键参数构成选项值列表；变量配置是风机变量的取值范围，指定配置条件，满足配置条件的对象入选该配置结果，没有配置变量的数据对象将不受其限制；变量配置规则是配置条件、配置条件的逻辑运算法则的组合，多个配置选项变量可以采用“与”、“或”、“非”等运算符连接起来构成复合条件规则。以变速箱为例，可选配置有变速箱总成A、变速箱总成B等，不同的厂家可以选择或替换。如图4所示，对风机的颜色、零件的镀层等属性特性，同样也可以通过变量配置规则选择。

图4 选择不同的变量进行配置

2.5.2版本配置规则

版本管理主要包含设计文档(包含图纸和设计文件)版本管理、产品明细表版本管理、零件的版本管理等。在设计过程中，常见的配置方式主要为按照最新发布版本进行配置和按照历史版本进行配置。将版本定义为5个状态：新建(new)、检入(check in)、检出(check out)、发布(release)、冻结(obsolete)，版本管理可以确保在风机研发过程中文件的正确与可追溯，通常可以分为小版本与大版本两类。小版本指风机设计阶段对历史记录的追踪，其可以根据实际需要创建多个，不需要进行审批，一般为AA.00、AA.01、AB.01……；大版本是指在风机开发过程中，各关键阶段处于发布状态的的数模设计，大版本不能随意升级，当其必须升级时需要审批。版本发布后，再次修改时才能生成新的大版本，如AA、AB、AC……通常只将大版本作为配置选项进行选择，小版本只作为中间过程数据用作参考。但有时为了加快工作进度或者对不同的产品结构进行比较时，也可以将小版本作为配置选项。

2.5.3有效性配置规则

在风机产品设计过程中，产品零部件的各版本有效、失效时间可能不尽相同，需要按照有效性约束进行配置。在风机设计过程中多考虑时间有效性、结构有效性和地域有效性。时间有效性是根据零部件不同版本的有效时间段来筛选哪个版本的零部件入选，此规则是一种自动配置规则，主要针对能够预期升级的产品零部件,零部件升级往往是根据客户的需求、工厂的库存状况、市场的反馈、产品性能的影响来确定，然后根据上述情况再确定零部件的升级时间点，一旦到达设定时间点,根据时间有效性配置规则自动更新产品零部件。结构有效性是指零部件在某个具体装配关系中的数量、位置、配合关系等。通过约束产品的结构有效性可以保证产品结构数据的一致性、完备性和正确性等。例如，在一个风机的某个部位，可选配置防雷模块这个部件，高海拔地区必须安装防雷模块，但在某少雷区的地区可不配置此模块等。地域有效性是指根据不同地域条件，如风场等级、风资源富饶程度等选择不同功率或者平台的风机产品。

2.6 配置流程

通过配置流程可以实现快速设计的目的。当订单到达公司后，经过需求分析确定客户的需求数据，在产品库中查询既有的产品，选择需要进行变形的基础型零部件，由总体设计人员对风机进行总体设计，通过PDM系统选择既有的风机各大部件，通过配置流程生成新的风机模型，如图5所示。

图5 通过配置规则定义新产品

整体模型设计完成后，细分到各个子部件，并落实到各设计人员，设计人员在PDM系统的各个库中选择相应的子部件或以相应的子部件做参考设计新的子部件，子部件再向下细分，直到最底层。

当底层所有设计完成后,设计人员将所有底层的结构提交给上层设计人员审定，如有问题则退回修订，无问题则向更高层设计人员递推，逐层确定产品结构直到顶层产品，即定型的新产品。这样通过从上而下的任务细分和从下而上的任务汇总来确定整个风机的设计流程，如图6所示。通过配置管理可以将单一的产品变形为产品族，即产品的型谱，如图7所示。从产品型谱图可以快速了解当前公司产品的概况，如风机的功率等级(平台)和所处地理特征、风轮直径、风场等级、产品状况、地理特征等，并为后续研发提供参考。

图6 配置管理在风机研发过程中的流程

图7 产品型谱图

3 结束语

通过产品配置管理，风机研发将由单一产品研发转为系列产品研发，在既有风机产品的基础上快速衍生新的产品，极大地缩短了研发周期，同时可以根据业主的特定需求配置相应的功能模块，在竞争激烈的环境下快速占领市场，使风机产品具有较强的竞争力。