电力二次屏柜布线系统数字化软件研究

2023-01-17俞天益毕梦凡何慧敏

科技创新与应用 2023年1期

俞天益，毕梦凡，何慧敏，李玲

（国电南瑞南京控制系统有限公司，南京 211106）

电力二次屏柜（以下简称“屏柜”）是指具有监测、控制、调节和保护等功能的低压电气设备柜，二次屏柜包括装置、切换按钮、空开和端子等。目前，国内屏柜普遍采用手工测量下线，面临作业效率低、人工成本高且线束质量难以把控的问题。为解决此类问题国内外已有大量研究，基于各种工业软件采用信息化的概念[1]，对传统配线工艺进行改进以提升效率。包括以交互式CAD/CAM 系统（UG）、交互式CAD/CAE/CAM 系统（CATIA）等三维商用软件提供的半自动布线方法[2]，通过建立机械模块解决布线干涉问题，但原理图与模型间数据交换弱，操作复杂且工作效率低，还有以EPLAN[3]和SuperHarness[4]等专业软件提供的建模、仿真输出预制线束工单的办法，使导线走线可视化，提高了导线长度的精确性，显著提高了生产效率，具有一定的积极意义，但实践证明EPLAN 预制工单效率提升有限，无法应对规模化生产，且操作复杂，维护成本高。

综上，针对屏柜开发了一种线束预制自动化软件（以下简称“软件”），基于数字化设计思想进行机柜参数化，对接点之间的走线路径进行结构化解析，通过定义装置及器件支点坐标，简化线长计算逻辑，并充分利用原理图数据与软件进行交互式操作，将各段的导线长度采用数字化的方式进行驱动，系统自动计算出导线线长，生成自动下线机所需的预制线束工单[5]及物料生产清单。

1 屏柜参数化

1.1 机柜结构化解析

屏柜根据环境及用户要求，不同柜体尺寸也存在差异，以国网标准19 英寸柜常用柜型为基础模板进行参数化[6]建模，尺寸为2 260（H）×800（W）×600（D）。

屏柜按走线区域分为前安装面、后安装面、灯座和空开安装面4 个部分，其中切换开关、按钮和压板等安装在前安装面，装置、横线槽、竖线槽、端子、防雷器及变送器等安装在后安装面，照明安装在灯座，空开安装面按设计要求排布各型号空开。

软件将三维空间走线区域拆解为多个二维平面并映射至二维基准面上，以机柜左下角为坐标原点，参数化定义区域应在（0，0）及（800，2 200）的坐标范围之内。参照IEC 60297-3-100.2008《电子设备机械结构482.6 mm(19in)系统机柜结构尺寸》标准要求，屏柜内总U 数为45 U（1 U=44.45 mm），故以柜内自上而下U数定义器件位置。软件内部线槽包括内立柱横向线槽及竖向线槽，由设计可知竖向线槽位置统一，左右线槽中心间距约为505 mm，左竖线槽X 值为147.5，右竖线槽X 值为652.5，横线槽用于连接左右竖线槽，其位置通过U 数定义。

1.2 定义基准平面

根据屏柜内部装置及器件划分走线区域，走线情况可概括为：

（1）装置及器件内短连线。

（2）前安装面至后安装面间走线。

（3）空开安装面至后安装面走线。

（4）灯座至后安装面走线。

（5）后安装面内走线（通过横线槽）。

实际生产中，上述5 种走线情况除方式（1）外均与后安装面关联，所以定义机柜后安装面为基准平面。

1.3 支点定义规则

为规范走线原则将屏柜内所有装置及器件的走线都集中于固定点上，称支点[7]。支点位置统一由安装位置决定，是装置及器件与外部接线的参考基准点。由1.2 节可知，屏柜后安装面为软件定义的基准平面，所以将支点位置统一定义在后安装面竖线槽上，由1.1节可知支点坐标表达式为（147.5，Y），（652.5，Y）。

1.3.1 装置支点

装置采用立柱安装，其高度为1 U～8 U，通过装置下方1 U 线槽走线，支点固定在横线槽进入竖线槽的中部位置，装置走线方向根据走线情况不同分左右2个方向，所以装置有左右2 个支点。装置在屏柜中安装位置不同，其支点纵坐标也不同，由安装U 数决定。

以4 U 装置安装在1 U 位置作为装置支点的基础值，由屏柜设计可知装置左右支点Y 值为1 913.2，因此左侧支点坐标为（147.5，1 913.2），右侧支点坐标为（652.5，1 913.2）。

综上，当某n U 装置安装在第m U 位置时，支点Y值为

Y=1 913.2-{（n-4）+（m-1）}×44.45。

1.3.2 空开支点

空开走线方式为上下走线，并根据走线情况不同分左右2 个方向，所以空开有左上、右上、左下和右下4 个支点。其中奇数接点（1，3，5，7……为上部出线方向）对应左上、右上2 个支点，偶数接点（2，4，6，8……为下部出线方向）对应左下、右下2 个支点，空开盒分外部空开刀闸盒和内部空开刀闸盒。

其中，外部空开刀闸盒安装位置固定，由屏柜设计可知，左上、右上2 个支点Y 值为2 145，所以左上支点坐标为（147.5，2 145），右上支点坐标为（652.5，2 145）；左下、右下2 个支点Y 值为2 000，所以左下支点坐标为（147.5，2 000），右下支点坐标为（652.5，2 000）。

内部空开刀闸盒采用立柱安装且安装位置不固定，由安装U 数决定。以空开盒安装在1 U 位置作为支点的基础值，由屏柜设计可知，左上、右上2 个支点Y值为2 130，所以左上支点坐标为（147.5，2 130），右上支点坐标为（652.5，2 130）；左下、右下2 个支点Y 值为1 985，所以左下支点坐标为（147.5，1 985），右下支点坐标为（652.5，1 985）；

综上，当内部空开刀闸盒安装在第m U 位置时，左上、右上支点Y 值为

Y=2 130-（m-1）×44.45；左下、右下支点Y 值为

Y=1 985-（m-1）×44.45。

1.3.3 压板支点

压板采用按块统一从底部走线原则，5 排及以下为整块安装板，5 排以上采用5 排加多个单排压板的组合方式。根据排数不同压板走线方式可分为3 种类型。

（1）4 排压板及以下（统一从压板右侧底部走线）。

（2）5 排压板（从压板底部两侧走线）。

（3）6 排及以上压板（5 排整板从压板底部两侧走线，单排分别从各压板底部右侧走线）。

由屏柜设计可知，压板布置位置及间距有明确的规定，已知压板横向间距为d1，压板安装板横向间距为d2，将单排压板作为基础固定值进行计算，单排压板的支点Y 值为530，其支点坐标为（652.5，530）。

当压板为4 排及以下时，若压板排数为n，支点Y值为

Y=530-（n-1）×d1。

当压板为5 排时，支点Y 值为230，压板走线方向根据走线情况不同分左右2 个方向，因此左支点坐标为（147.5，230），右支点坐标为（652.5，230）。

当压板大于5 排时，压板后5 排与类型（2）一致，当压板排数为n（n≥6），第m{m≥1 且m≤（n-5）}排压板时，支点Y 值为：

Y=530+（n-m-4）×d2

1.3.4 端子支点

根据屏柜设计要求，竖导轨端子Y 值为1 945 mm，左端子初始支点坐标为（147.5，1 945），右端子初始支点坐标为（652.5，1 945）。根据端子实际布置高度的变化，其支点Y 值也不同，支点Y 值为

式中：n为端子类型数量；ai为各类型端子数量；bi为各类型端子的厚度；m为该端子所处的组数；c 为标签堵头厚度。

1.3.5 切换开关、按钮支点

切换开关、按钮的支点Y 值与自身及对应装置的位置有关。以7 U 装置的第一个切换开关作为切换支点的基础值，由屏柜设计可知，切换的基础支点Y 值为1 845，切换及按钮间距为t，因此左支点坐标为（147.5，1 845），右支点坐标为（652.5，1 845）。

综上，当装置安装在第n U 切换为第m 个时，支点Y 值为

Y=1 845-（n-7）×44.45-（m-1）×t。

1.4 器件参数化

器件参数化模型库中器件信息包括导线规格、压头种类、号码管方向及器件各接点距离支点的距离，以便于软件直接调取使用。

器件与支点关系分为2 种，1 个支点仅对应1 个代号器件（如整层装置、切换开关、按钮和端子等），此类器件各接点与支点的距离为固定值，在器件模型库中维护即可。1 个支点对应多个代号器件（如压板、空开等），此类情况选择标准接点位置至支点的距离，结合器件排布规律通过位置换算计算差异化数值。

1.4.1 空开接点至支点距离参数化

空开标准接点位置至支点的距离是空开位于最左侧排布时的数据，其值为DK，空开宽度为p。左侧第NP空开接点至支点长度为L。

空开接点至左支点距离为

L左=DK+（N-1）×p。

空开接点至右支点距离为

L右=DK+（N-1）×p。

1.4.2 压板接点至支点距离参数化

压板标准接点位置至支点的长度是压板最左上角排布时的数据，其值为DY，压板纵向间距为d3。第M 行第N 列压板接点至支点长度为L。

压板接点至右侧支点长度为：

L右MN=DY-（M-1）×d1-（N-1）×d3。

压板接点至左侧支点长度为

L左MN=DY-（M-1）×d1-（N-1）×d3。

2 器件支点间距参数化

根据支点及通过横线槽的位置关系，器件支点之间的走线方式可分为3 种，现定义一侧器件支点坐标为（X1，Y1），另一侧器件支点坐标为（X2，Y2），线槽高度坐标为Y3，3 种走线方式支点间距为Di（i=1，2，3）。

走线方式1：通过竖线槽连接，2 个支点位于机柜同侧；D1=|Y1-Y2|。

走线方式2：通过横线槽连接，2 个支点位于横线槽两侧；D2=|Y1-Y2|+|X1-X2|。

走线方式3：通过横线槽连接，2 个支点位于横线槽同侧；D3=|Y1-Y3|+|Y2-Y3|+|X1-X2|。

由于部分器件存在不止一个支点的情况，接点间就会存在多个走线路径，现定义装置A 支点个数为m，装置B 支点个数为n，根据最短路径原则支点间距DAB为

DAB=min{Dij（ ,i=1… m,j=1…n）}。

综上，接点间导线总长度S 为

SAB=LA+DAB+LB。

3 数字化软件实例应用

3.1 屏柜线束参数化设计

软件支持CAD 开发识图功能及EPLAN 数据识表功能，充分利用原理图信息完成布局设计。软件采用模块化设计，分为基础信息、压板设计、端子设计、空开设计、装置设计、前立柱设计和器件设计7 个模块，采用交互式操作定义机柜参数和各器件参数，导出布线工单和物料清单，同时，也可以导出物料清单，对自动化布线工程进行追溯验证。

3.2 导线长度可用度分析

为了验证线束工单导线长度的可用性，对生产中的某屏柜空开、压板、切换、装置及端子5 项分别随机抽样10 根导线，样本共50 组数据，与实际测量标准线长进行对比。现定义线束工单导线线长为Xij，实际测量标准线长为Yij，组成对比数据（Xij，Yij）（i=1，2，…，5，j=1，2，…，10，i 表示组别，j 表示数据），求得极差[8]百分比Rij见表1。