基于配置化设计生成自动化图样的思路和方法

刘 扬，吴向阳，陈昱辰

（武汉东研智慧设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056）

1 开发背景

在智能制造的背景下，柔性化、定制化的生产组织方式加快了产品的迭代速度，装备制造行业如何实现敏捷设计和制造，快速响应市场和客户的需求，同时提高设计效率和质量，降低成本，打造核心竞争力，是当前迫切需要思考的课题。

同时，当前设计工作中还存在一些亟待解决的问题。

1）目前，本部门自动化专业的工作内容主要是承担工程项目的设计、配合采购编制预算和招投标、制造安装管理、PLC及上位机的软件编写开发、设备及工艺调试、验收陪产等任务。在多个项目同时开展的情况下，人力资源就会捉襟见肘，产品质量也会参差不齐。

2）虽然，本部门自动化专业积累了多年项目设计和调试的经验，也建立了较完善的标准规范和知识库，但每个设计人员的设计风格和思路不一致，就很难保证图幅图面、电气产品选型、功能连接等细节方面的一致性。

3）工程师在设计时往往采用从旧项目中复制粘贴到新项目后修改调整的方式来完成，设计质量无法保证，而且主要以重复性工作为主，甚至是同类型的设备，只是不同用户的需求，如控制方式、相关配置及电气产品的品牌有不同的要求，这样也需要进行反复的修改和调整。

4）设计效率不高，成熟人员和新进人员的设计效率差别大，不能保证设计周期的同步，而且需要投入很大的校审精力才能保证设计质量。

5）综上问题也就会导致设计成本、进度和质量难以管控，同时也会传导到采购、制造、安装和调试等环节，造成一些不必要的延误和浪费。

经过多次论证调研后，基于当前设计采用的 EPLAN P8 软件环境，联合软件供应商共同开发了一套适用于自动化专业的图样自动生成软件系统（Automation Design Automatic Production，ADAP），目前已顺利完成相关研发，并应用到了实际项目中，取得了良好的效果，同时也申报了相关专利和软件著作权。

下面将具体讨论如何通过配置化的设计方式来实现自动生成图样。

2 开发思路

按照设计习惯，自动化设计方式一般分为基于电路特性和基于对象功能的两种设计方式，前者是依据主电路（一次回路）、控制电路（二次回路）等电路特性来划分设计，而后者更符合GB/T 5094的标准要求，是从功能面和位置面来定义产品的一种设计。比如系统中有一台水泵，属于受控对象，与水泵相关联的其他对象，如接通水泵运行的主电路、启停水泵控制电路、检测压力的反馈回路等，都属于关联水泵运行的子功能对象，而当系统中有两台或者多台同样功能的水泵时，其实设计一套即可，他们只是功能代码和位置代码不一样。这是一种基于功能对象的结构化设计思路，有利于产品设计的标准化，如图1所示。

图1 基于功能对象的结构化设计思路

非标设备的特点之一就是定制化，不同的用户、不同的产品会需要不同的生产工艺环境，因此用于生产的设备，其功能、形式、结构以及控制方式等方面也会有不同的要求，需要定制设计和制造、安装及调试。从自动化的角度看，就会因为控制方式的差异、使用习惯的差别、外购件品牌不同、产品型号迭代等因素，影响电路设计工作的复杂程度。虽然基于对象功能的设计方式非常有利于标准化，但是针对非标设计任务还是很难减轻工作强度。究其原因，基于对象功能的方式适用于设备对象或者功能单元对象，而从控制角度，则需要更加细化到自控产品对象（自控的专业术语称为宏对象），只有在自控产品（宏）的层级，才能实现柔性化、配置化的设计。因此，我们在开发之初，就确立了基于对象功能的设计方式，并对控制对象进行系统性分类，通过分析对象的功能属性、分解对象的逻辑结构、以及重组对象的配置规则，进而实现配置化设计的开发思路。

3 开发方法

先简单介绍一下传统的设计过程，设计人员通过手动添加一个一个的功能图形宏，然后在功能图形宏组成的图样上进行调整和修改，最终设计出满足工艺、设备特点以及控制功能、PLC控制关联点、现场网络拓扑、自控产品品牌等具体要求的电路图样。这种采用图形宏的设计方法，实际上只是通过人工进行加配或者减配的一种修改设计，对于设计效率和质量的改善效果不高，有时还有些负面的影响。

如何在非标设备的自动化设计中，实现人的创作性设计，而“绘制”图样交由电脑来完成呢？要想电脑完成“绘制”图样的工作，需要制定规则，因为电脑只会按照规则程序来执行任务，这里的“规则”就是我们所开发使用的方法，总结了以下几种：拆分规则、组合规则、分配规则、替换规则和解析规则等。

3.1 拆分规则

常言说“不破不立”，通过先“破”后“立”的拆分方法，即对原来标准化电路进行了拆解，把原来基于控制对象的标准电路按照对象所需的控制产品进行分类，再对各产品的主要组件（零件）、辅助组件（子零件）进行细分，拆分时结合各组件（零件）的电路原理、连接方式等特点，按一定的原则进行分类，设计开发成为相应的宏对象文件。借用机械设计进行类比，就是俗称的拆图。功能图形宏就相当于部件图，拆解成零件图，即宏对象图，这种宏对象不是简单的所画即所得的图形，而是具有多重属性定义的模型，包括产品功能、电位、连接点、物理尺寸和位置关系等。

举例说明：如图2所示，该图形宏实现的功能是变频器控制电机运行的电路，包含了基础图形宏（即除红框外部分）和图形宏1~4（即各红框内部分）。图形宏 1 是制动电阻的原理图宏，图形宏2是现场维修开关原理图宏，图形宏3是热敏电阻原理图宏，图形宏4是电机抱闸原理图宏。原来设计时，会调用这个已做好的全功能图形宏，然后由人工根据实际需要进行删减和调整，比如，新的项目中的电机无热敏电阻，则删除图形宏3；如果电机功率发生变化，则需要根据新的功率来修改相关的开关、线路等参数，还有就是根据用户对自控产品的品牌要求来修改相关产品的选型。这样，对于设计工作的要求需要非常严谨细致，否则很容易出现错误。

图2 某图形宏示意图

现在，通过梳理功能图形宏，我们对其进行分类，根据必要性原则和特殊功能性原则，分别定义了基础图形宏和特殊图形宏两个类别，然后，分别设计不同的宏对象文件。

3.2 组合规则

组合即对拆分后的宏对象文件，在实际设计调用中，按照制定的规则，重新组合成功能图形电路的过程。类似于机械制造时的装配过程，区别机械装配是实际的生产过程，而宏对象组合是电路原理组成的虚拟过程。根据控制系统的需求，调用需要的宏对象可以柔性的组合成不同的宏电路，然后根据控制逻辑组合相关的单元设备图形宏，最终完成全套的控制原理图。

宏对象组合成宏电路的过程，并不是简单的通过电路组合来完成的，因为这种基于对象的搭配，理论上会有非常多的组合方式，因此，必须基于设备形式及单元类别进行分类，然后通过xml语言来分别描述每一种设备单元类别和设备形式，这种基于xml语言来定义的就是组合的规则，在软件中，以可视化的方式提供给设计人员来选择和配置最终的控制电路，如图3所示。

图3 软件可视化示意图

3.3 分配规则

PLC控制器是自动化系统中的核心器件，其输入/输出模块上的IO点连接着外部传感器和执行器等功能单元，因为每个品牌、每种系列的输入/输出模块都有不同的连接方式，而且每个控制系统的连接原理都不尽相同，所以原理图设计时需要耗费很大的精力来分配输入/输出模块IO点的连接分配逻辑。

如何让软件实现PLC中IO点的自动分配呢？首先我们制定了一种绘图方法：功能聚合法，即把跟功能相关的IO点分散聚合到对应的功能电路中去，这种模组化的设计方式，优点就是方便管理相关联的功能对象，也方便相同功能对象的反复调用。但是，由于IO点分散聚合后，处于离散状态，不便于管理和查重，因此，我们还设计了相关的图样，如PLC机架总览、PLC地址总览、通信总览等，便于管理。

另外，采用Excel软件，为每种机架类型设计一个sheet表单，见表1，在软件配置时，后台会根据配置选择相应的sheet表单，实现了不同机架类型的选择。同时，采用xml文件格式设计包含IO点配置的功能单元设备电路，为每一个功能设备电路中的IO点制定编制规则。

表1 基于每种机架类型的sheet表单

用户在使用UI软件配置时，通过创建PLC站，如图4所示，设定对应sheet表单的机架类型，通过添加功能单元设备时，把其分配给PLC站，其中功能单元设备的xml配置文件中包含着IO点的分配数据，这样软件在后台解析xml文件时，就按一定规则插入相应的PLC图形宏，并分配地址。而且，规则中明确了PLC的IO点是按需分配的，因此软件在后台可以根据使用需求自动地添加机架、地址总览等，当机架超过总数量限制时，还可以创建新的机架，这个规则对于IP67的现场IO模块特别方便。

图4 PLC站设置

PLC的IO点分配流程如图5所示。

图5 PLC的IO点分配流程图

3.4 替换规则

项目中经常会用到不同公司的产品，体现到设计中，一般分为两大情况：一种情况是电路原理、电气符号、连接点等都不会改变，只需要把符号中对应的产品进行部件替换即可；另一种情况就比较复杂，品牌替换后，相应的电路原理、连接点、甚至电气符号都发生了变化，对于这种情况需要将整个电路页面进行重新设计。

对于第一种情况，我们在部件库里面设计了一个虚拟品牌，每一种实际品牌的部件都有与之对应的虚拟部件，设计宏对象或者宏电路时，符号属性引用虚拟部件。同时，设计一个数据表单，把每一个虚拟部件与不同厂家的实际型号对应起来，配置设计时，用户选择实际品牌，在软件生成图样过程中，通过查询数据表单的虚拟部件和与之对应的实际品牌及型号，软件会自动把宏电路中的虚拟部件替换为实际部件。对于第二种情况，我们设计了宏品牌另外一种替换规则，即通过设计xml文件对每种品牌的宏电路进行描述，由设计人员在软件UI界面中选择相应的品牌，一种品牌、甚至一个产品系列就对应一个有xml描述的宏电路，软件在生成图样过程中，解析xml配置文件，然后整体调用相应品牌的宏对象，实现按用户指定品牌设计相应电路的目的。

3.5 解析规则

上面所说的拆分、组合、分配和替换等规则是实施过程中的一些方法论，但是计算机如何明白这些方法并按预设的规则来执行呢，这就需要使用xml可扩展标记语言来描述成计算机能明白的意思，这个过程就是用创建xml文件来描述或者定义每一个功能设备单元由哪些宏电路组成，而每一个宏电路又由哪些宏对象构成，而且还要定义宏对象在图幅中插入点的坐标，IO点的使用情况等，以及宏对象与配置界面设计时的逻辑关系，这些逻辑的定义会影响宏对象是否被正确引用。因为配置界面也是由 xml 语言定义的，所以通过软件的动态解析，可以实现规则框架内的任意界面定义和宏对象插入的逻辑对应，如下是定义两个属性的xml代码：

是否带维修开关" Value=””UIType=”CheckBox”

为了完整的表达一个电路功能，我们定义了很多xml语法，上面的代码只是用于描述用户的界面选择是如何与宏对象产生关联的一个简单例子。

3.6 UI设计 和 EPLAN API插件功能设计

所有的宏文件、xml文件以及拆分、组合、分配和替换等规则方法，其本质就是多年来形成的企业标准、行业知识和设计经验，通过设计一套UI配置软件，把这些标准、知识和经验实现了有形化。设计人员在友好的人机交互软件环境下，只需要简单勾选符合控制要求的功能设备单元，完成设计参数配置和选择控制产品的品牌等操作，就可以通过软件在后台创建配置设计的文件；结合EPLAN API数据接口功能开发一套插件，通过这个插件把配置设计的文件导入到EPLAN的平台中，配置设计的文件和部件库、宏数据进行交互和调用，就实现了自动生成满足要求的设计图样，配置设计的部分过程如图6所示。导入EPLAN软件平台的自动生成过程如图7所示。

图6 配置设计的部分过程

图7 导入EPLAN软件平台的自动生成过程

4 结束语

本文介绍了配置化设计实现自动生成图样的思路和方法，软件系统开发完成后，经过实际使用，设计效率和质量都显著提高，设计周期和校审周期也大幅缩短。通过软件的方法把标准、知识和经验进行了封装和有形化，让知识转化成生产力，从而提高了生产效率，也改变了原有的设计方式和流程。实现了软件代替人工完成一些重复性的工作，可以让设计人员把更多的精力投入项目管理、产品优化及数据分析等方面，也能更多的投入到创造性的工作中去。