电梯控制柜模块化设计

邓惠军

（湖北科力斯电梯有限公司，湖北 仙桃 433000）

1 制造业面临的挑战

要想赢得未来竞争的胜利，中国的制造业企业必须通过优化整个产品生命周期的业务链来缩短产品上市时间、提高产品质量、降低成本，同时还要不断通过研发、创新来满足客户变化的需求。技术的飞速进步，导致产品工程越来越复杂，企业必须在不断变化的环境中应付越来越复杂的工程技术，随着客户对产品个性化需求程度的增加，也导致产品定制化趋势越来越明显，企业必须创建数量庞大的产品系列来满足客户不断变化的需求。企业必须同时具备以下能力才能够应对挑战：持续提高的创新能力，使产品的科技含量越来越高，以满足客户变化需求；不断缩短产品上市时间，取得竞争优势；不断强化成本控制能力，通过优化产品全生命周期内的成本、研发、生产、物流、销售和服务等环节控制产品总成本，取得产品价格优势；持续的质量改进能力。

企业一方面必须利用产品的批量化、标准化和通用化来缩短上市周期、降低产品成本、提高产品质量；另一方面，还要不断地进行产品创新使产品越来越个性化，满足客户的定制需求。这样，如何平衡产品的标准化、通用化与定制化、柔性化之间的矛盾，成为赢得竞争的关键。

平台化、模块化的产品设计和生产可以在保持产品较高通用性的同时提供产品的多样化配置，因此平台化、模块化的产品是解决定制化生产和批量化生产这对矛盾的一条出路。但是，企业中庞大的激烈变化的产品数据仅仅依靠手工方式来管理是很难达到准确性、完整性、及时性和可追溯性要求的。因此，将企业产品平台化、模块化的管理创新成果与信息系统的建设结合起来是很好的解决方案。要解决产品的模块化管理，PDM（Prοduct Data Management，产品数据管理）产品无疑是一种很好的选择。

2 模块的发展历史及定义

2.1 模块的历史来源

模块并不是一个新的概念，早在20世纪初期的建筑行业中，将建筑按照功能分成可以自由组合的建筑单元的概念就已经存在，这时的建筑模块强调在几何尺寸上可以实现连接和互换。然后，模块被引入机械制造业，人们进一步将模块与物理产品的功能联系到了一起，模块具有了明确的功能定义特征、几何连接接口，以及功能输入、输出接口特征。随着计算机软件技术的发展，模块的概念又被用到了非物理产品领域，在软件行业模块的概念被广泛实践着，大型的软件系统（比如PTC公司的Windchill系统）的模块化趋势越来越明显。目前，企业的专有知识越来越成为企业的战略性资源，合理的管理、利用企业的专有知识是赢得竞争的重要筹码。而企业产品中包含的知识是企业知识资源的最重要部分，因此重用模块就是重用知识，可以节省时间和金钱。模块化思想发展到今天，知识管理和传统的模块化之间的界限已经变得有些模糊。模块的演变过程是从单纯的几何结构单元，发展到集成功能单元，又演变成为非物理实体的载体，比如知识和软件等。

2.2 使用模块的目的和案例

由于模块具有不同的组合，可以配置生成多样化的满足用户需求的产品特点，同时模块又具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，如果模块的划分和接口定义符合企业批量化生产中采购、物流、生产和服务的实际情况，这就意味着按照模块化模式配置出来的产品是符合批量化生产的实际情况的，从而使定制化生产与批量化生产这对矛盾得到解决。另外，模块实现了抽象的模块功能与具体模块实现之间的逻辑分离，整个产品结构十分清晰，容易从全局上理解和设计产品，使技术进步造成的越来越来复杂的工程管理得到改善。有些公司又将不同的目标市场进行分类，并通过模块化的产品配置，实现对不同目标市场的覆盖，也就形成了所谓的平台化战略和差异化战略。平台化、模块化的产品战略已经有在世界多个著名公司中成功应用的案例。日本索尼公司在20世纪80年代仅利用4个基础平台的Walkman产品，生产出250余种录音机随身听。这250种随身听无论在价位、功能和款式上都有很大的区别，可以满足用户的各种不同需求，但是这4个基础平台却存在着大量的重用模块。德国大众公司在A4平台上生产Vοlkswagen、Skοda、SEAT、Audi四个品牌的十余种轿车，像熟悉的Gοlf、Bοra、NewBeetle和AudiTT都是这个平台上的产品。这十余种轿车分别在德国、斯洛伐克、捷克、比利时、西班牙、波兰和墨西哥等国家的大众公司分厂中生产，这些产品在满足不同市场需求的同时，可以共享大众公司整体的技术资源和采购资源。日本佳能公司的单镜头反光取景相机所有的镜头卡口标准是完全一致的，同时佳能公司庞大的镜头群可以满足各种客户需求，这使佳能公司的产品可以满足从入门摄影爱好者到职业级摄影家的巨大客户群的需求。佳能公司的这种技术目前已经进入了数码相机领域，佳能公司新近推出的EOS300D数码单反相机使数码单反相机走下神坛价位直冲普通数码相机，EOS300D同样可以使用所有佳能的镜头，这对摄影爱好者具有不可抗拒的吸引力。

2.3 模块的定义

模块是构成产品的一部分，具有独立功能，具有一致的几何连接接口和一致的输入、输出接口的单元，相同种类的模块在产品族中可以重用和互换，相关模块的排列组合就可以形成最终的产品。模块化的产品设计可以达到以下几个目的：①模块的组合配置，可以创建不同需求的产品，满足客户的定制需求；②相似性的重用，既可以重用已有零部件和已有设计经验，也可以重用整个产品生命周期中的采购、物流、制造和服务资源；③降低产品工程复杂程度，因为模块是产品部分功能的封装，产品设计人员使用具体模块时根本不用关心内部实现，可以使研发人员更加关注顶层逻辑，提高产品工程管理质量和产品的可靠性。

3 模块的特点和产品模块化的优点

由于企业产品平台方案的制订是依赖于企业客户目标市场需求的不同而变化的，同时产品模块的划分必须考虑不同企业的产品功能、研发特点、生产特点、采购及物流方式和售后服务特点等方面的不同需求，所以产品平台和模块化的方案必须结合企业的实际情况，没有一成不变的解决方案。因此，理解模块的特点及企业要利用模块化达到的目的就显得十分重要，下面将详细论述模块的特点和优点，以帮助读者找到本企业模块的特点和要达到的目标。理解模块必须抓住模块的四个主要特点，这四个主要特点是模块的精髓，也是划分企业自身产品平台和产品模块的基础。

3.1 模块的特点

3．1．1 模块具有独立的功能

模块的功能是整个产品功能的组成部分，且这个功能是自我包含、自我实现的。

3．1．2 标准的几何连接和一致的输入、输出接口

为了实现同类模块之间的互换，严格的尺寸接口和输入输出接口的定义是必须的。对于几何连接接口，可以是机械领域的销、面、键和螺栓等，也可以是电器领域的信号、能量等。著名的玩具供应商乐高公司（Legο）通过积木模块的不同组合可以拼成几乎无尽数量的形状，于是在市场上取得了巨大的成功。乐高公司的积木模块定义主要是几何连接接口。当然，在实际的制造业中随着产品复杂度的增加，模块的几何连接接口要比这复杂得多。输入、输出接口是模块功能的抽象，此类接口可以是能量、信息、物质（液体、气体）等，是定义该模块功能的输出标准和能够保证输出特定功能所必须的输入条件标准。例如，如果发电机对于发动机厂来讲是一个模块的话，那么发电机与发动机的连接尺寸等几何连接接口需要标准化和规范化。同时，发电机的输入转速、功率以及输出的电流等输入、输出接口同样需要规范。

3．1．3 模块是依赖产品平台的存在而存在的

虽然模块的功能是自我包含、自我实现的，但是模块的存在和划分必须以产品平台的整体功能为前提。比如某一个收音机由接收器（Ra）、放大器（Aa）和电源（Pa）三个组件构成，当该收音机只有这样一种产品配置的时候，这里不存在任何模块，接收器（Ra）、放大器（Aa）和电源（Pa）是一个整体，不用区分。但是，当有另外一种收音机使用了另外一种电源（Pb），这个电源（Pb）又与前一个电源（Pa）可以互换时，那么电源在没有任何变化的情况下，就会成为一个模块。因此，模块的功能和互换性都是依赖于产品平台的功能和配置变化而存在的，失去产品平台的定义和产品平台的配置需求，模块的存在是没有意义的。

3．1．4 模块是有层次的，受观察角度和范围的影响

模块可以包含子模块，因为模块的功能是整个系统功能的组成部分，所以子模块的功能应该是父模块的基本功能，所以能否称为模块是受观察角度和定义范围的影响而变化的。同样，模块层次越多管理难度越大，当模块层次划分过多，就与非模块化的产品结构没有什么差异了。例如，就模块的层次而言，柴油机是整车的一个模块，发电机又是柴油机的一个模块。站在不同的角度，模块的划分也会不同。发电机对于发电机生产商来讲是一个产品，对于柴油机生产商来讲是一个模块，而对于整车生产商来讲只是一个总成件了。整车厂的模块化产品平台中不需要定义发电机模块。

3.2 模块化产品结构的优点

模块化的产品结构对企业的贡献可以从产品研发、提高效率、降低成本和改进企业管理等几个方面考虑。

3．2．1 对企业产品研发的贡献

模块是产品知识的载体，模块的重用就是设计知识的重用，大量利用已有的经过试验、生产和市场验证的模块，可以降低设计风险，提高产品的可靠性和设计质量。模块实现产品功能的分配和隔离，使问题的发现和设计的改进变得容易。模块实现功能的抽象和实现分离，使设计人员容易掌握产品全局，同时设计人员可以屏蔽掉与自身领域无关的细节，从而关注更高层次的设计逻辑。模块功能的独立性和接口的一致性使模块研究更加专业化和深入，可以不断通过升级自身性能来提高产品的整体性能和可靠性，而不会影响到产品其他模块。模块功能的独立性和接口的一致性，使各个模块可以相对独立地设计和发展，可以进行并行设计、开发和并行试验、验证。模块的不同组合能满足用户的多样性需求，易于产品的配置和变型设计，同时又能保证这种配置变型可以满足企业批量化生产的需求。

3．2．2 对企业工作效率和节省时间的贡献

设计和零部件的重用可以大大缩短设计周期；并行的产品开发和测试可以大大缩短设计周期；利用已有成熟模块可大大缩短采购周期、物流周期和生产制造周期，从而加快产品上市时间；如果划分模块时考虑到企业售后服务的特定需求，同样可以缩短服务周期和耗费资源时间。

3．2．3 对企业成本控制的贡献

模块和知识的重用可以大大降低设计成本；采用成熟的经过验证的模块，可以提高采购批量，降低采购和物流成本；采用成熟的经过生产验证的模块，可以大大降低新产品投产时对生产系统的影响，使新产品更容易生产制造，可以降低生产制造成本；产品平台中及平台之间存在大量的互换模块，可以降低售后服务成本。

3．2．4 对企业组织的贡献

有利于企业研发团队分工，规范不同团队间的信息接口，进行更为深入的专业化研究和不同模块系统的并行开发；抽象平台和模块的建立，可以实现企业组织结构与产品模块结构之间的交互，使并行工程拥有实施的根基，工艺、财务、采购和售后服务可以在产品研发早期就介入产品研发项目；标准规范的模块接口有利于形成产品的供应商规范；有利于产业分工的细化（比如计算机行业和汽车行业）。目前，常常把PC机称为兼容机，实际上就是指不同品牌的计算机硬件是完全可以互换（兼容）的，这些硬件都符合IBM对PC机定义的接口标准。

4 传统电梯行业控制柜采用端子接线工艺

传统电梯控制柜中包含变压器、变频器、开关电源、空开、相序、接触器、端子排等。在生产过程中，需要花费大量的精力，才能完成一台控制柜的组装，材料花费很大，不利于节能降耗，成本控制。其缺点主要有以下几点：①组装施工难度较大，工作效率较低，做一个控制柜费时约1 d。所有导线必须用线槽固定或内藏于控制柜夹层中。②控制柜体积较大，结构不紧密。虽然也能做出规整的设计布局，因为端子排设计导致空间利用率不高的问题。③全手工接口，导致工作量增大，每个端子都需要手工操作才能完成。④现场故障检查需要一定的专业基础，费时费力，存在接线不良等隐患。⑤不利于大规模批量生产，不利于形成规模效应。

普通端子控制柜如图1所示。

5 电梯控制柜的模块化设计

采用模块化控制柜设计，是电控柜集中化设计，布线简化，线材的消耗减少2/3以上。可以将控制柜的空间缩小，接线采用预制端口，提高了工作效率。接线端子采用接口板模块设计，简化了元器件布局，缩小了控制柜的体积。将接口板信号模块自身功能独立，具有标准连接接口和输入输出接口，便于大批量生产，缩短了组装所花费的时间。接线采用预制端口，便于批量化生产，集成化设计节省了大量的空间和布线时间，提高了生产组装的效率。轿顶板模块化设计如图2所示，控制柜接口板布局如图3所示。

图1 普通端子控制柜

图2 轿顶板模块化设计

图3 控制柜接口板布局

原理图文档制作方面，根据需求绘制接口板原理图，定义各接口，进行布线，集成设计电路，使电路板布局简化。原理如图4所示。

图4 原理图

PCB板制作方面，根据绘制的原理图，生成印制板图，可以委托专业制造PCB单位制作成实物电路板。PCB板如图5所示。

图5 PCB板图

6 几种模块化设计的案例

目前，电梯系统生产厂家的控制柜基本上都采用了模块化设计，充分地吸收了具有标准连接接口和输入输出接口，且每个模块都能独立作为一个设备工作。

其优点是：电控柜集成化程度较高，便于检修。现场安装劳动强度低，效率高，不需要非常专业的人员也可很容易操作。默纳克控制柜模块化设计如图6所示，新时达控制柜模块化设计如图7所示。

7 结论

模块化设计的优点如下：①结构更加合理。机器的内部结构由于采用模块化的设计，每个部分的布局更加合理、紧凑，使每个部件的功能都能发挥良好，控制柜布线简单。②使用维护更加简单。井道的电线电缆以全接插件方式连接，预留检修封线端口，不需要再找其他方法进行电路检查，能很快诊断出故障点。如果出现模块电路损坏，只需要更换相应模块即可，且操作简单，不用专业技术人员就可更换。

图6 默纳克控制柜模块化设计

图7 新时达控制柜模块化设计