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基於EPLAN Platform的電控櫃設計和生產優化研究

圖1-1 傳統盤櫃設計與製造時間。EPLAN

本文針對傳統電氣控制櫃在設計環節和生產過程中的常見問題,給出基於EPLAN Platform的解決方案,並著重介紹了如何利用EPLAN Platform對電氣控制櫃的設計和生產進行優化,從而提高電氣控制櫃的設計品質和生產效率,縮短產品交付週期。

傳統電控櫃設計及生產現狀

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圖1-2 原理圖中的交叉點「·」。EPLAN

圖1-3 原理圖中的端子表達。EPLAN

圖1-4 原理與實物不符。EPLAN

圖1-5 器件安裝示意圖。EPLAN

圖1-6 傳統模式下的電控櫃設計、採購和生產流程。EPLAN

圖1-7 不同電控櫃的器件安裝間隙不一致。EPLAN

圖1-8 生產現場的手工工作。EPLAN

圖1-9 設備接線與導線製備的穿插串列。EPLAN

圖1-10 預留導線的浪費。EPLAN

圖1-11 工人根據個人經驗佈線。EPLAN

圖2-1 電控櫃製造各過程時間佔比。EPLAN

圖2-2 EPLAN Platform產品概覽。EPLAN

圖2-3 EPLAN Platform下的數位化雙胞胎。EPLAN

圖2-4 EPLAN Platform下的數位化雙胞胎。EPLAN

圖2-5 EPLAN Platform 「基於網路的佈線優化」。EPLAN

圖2-6 EPLAN Platform集成外掛程式Project Complete。EPLAN

圖2-7 EPLAN Platform Data Portal提供的器件資料。EPLAN

圖2-8 EPLAN Platform中數位化樣機設計。EPLAN

圖2-9 基於EPLAN Platform的新設計、採購生產流程。EPLAN

圖2-10 基於EPLAN Platform的標籤自動列印。EPLAN

圖2-11 基於EPLAN Platform的自動開孔。EPLAN

圖2-12 基於EPLAN Platform 的自動導線製備。EPLAN

圖2-13 基於EPLAN Platform 的智慧化接線。EPLAN

圖3-1 基於EPLAN Platform 的數位化模式。EPLAN

背景:電氣控制櫃,也被稱作「盤櫃」,作為現代工業的必備設施設備之一,其身影存在於各行各業。而目前國內電氣控制櫃的設計方法和生產方式,大多數尚處在于一種比較傳統和落後的模式——生產為主,設計為輔,(圖1-1)描述了傳統盤櫃設計與製造時間分布。

企業希望通過儘可能地縮短設計階段來搶生產,於是出現「設計只管原理,車間決定製程,品質依賴工人」等現象。該模式存在著諸多問題,從而導致電氣控制櫃的設計品質和生產效率,難以實質性地得到提高。

設計現狀:傳統模式下,進行電氣櫃原理設計時,設計人員往往僅關注電氣原理是否正確,而不關心設備在櫃內到底是如何安裝的,以及設備間的接線如何在櫃內走線,即設計深度不夠且缺乏電氣製程設計,因而,存在如下挑戰。

一、原理圖中使用交叉點「·」來表示同網路連接,如(圖1-2)所示,因而無法有效指導生產接線,導致實際接線結果,因工人習慣而異。二、原理圖中端子資訊表達不全,如端子排號、端子號等,如(圖1-3)所示,導致端子排資料統計難,尤其是端子排附件,如固定件、隔板等。加之如果沒有相應的端子接線圖,安裝鞍型跳線,需要工人仔細分析原理圖,才能完成,加大了對工人的能力要求和施工難度。

三、原理圖中設備管腳(連接點代號)與實物管腳不一致,如(圖1-4)所示,而生產接線時才發現問題,設計溝通和下更改單,導致產品交付週期延長。四、繪製的安裝示意圖中,如(圖1-5)所示,器件尺寸與實物尺寸非1:1比例並且與電氣原理圖無關聯,導致經常出現現場安裝干涉以及實物與圖紙不符等問題。

生產現狀:傳統模式下,由於前端缺乏電氣製程設計和設計深度、完整性不足,導致提供的設計資料和資料不能有效地指導生產工作,因此在生產環節,存在著如下挑戰。

一、生產準備與物料採購無法並行進行,如(圖1-6)所示,生產存在等待期,從而導致產品交付週期長。二、由於設計提供的安裝布局圖中器件與實物並非1:1尺寸,因此盤櫃安裝需要依賴實物,進行再次的布局設計。然而,由於此時安裝板大小、器件選型已經確定,因此器件安裝時只能「先解決能否裝下,再考慮是否合理,最後才講究是否美觀」,導致產品安裝標準不一致(如圖1-7所示)、安裝間隙不利於散熱、接線安裝不方便、線槽槽滿率過高等問題。

三、由於設計提供的生產資料較少,因此生產過程中存在大量手工工作。例如手動輸入和列印線號管和設備標籤、手工開孔等,如(圖1-8)所示。大量而繁複的手工工作,強度大,低效率,低品質(如開孔後的防腐無法處理),進而導致產品交付週期長,產品品質難保證。

四、傳統模式下,生產主要依賴電氣原理圖進行設備接線工作。而設備接線所需要的導線,其製備過程與設備接線工作,處於相互穿插串列的狀態,如(圖1-9)所示,導致設備接線工作耗時耗力,產品生產週期長。而且具備較高的讀圖能力,間接提高了人力資源成本。

五、由於設備接線和導線製備的穿插串列,生產人員為了快速接線,通常會將相近路徑的多根導線一起進行佈線,然後按照最長一根導線的長度進行預留和裁剪,導致導線浪費,如(圖1-10)所示。六、由於缺少數位化樣機設計,因此設計無法提供可以指導生產佈線的檔。生產根據原理圖或者接線表接線時,如(圖1-11)所示,即使是相同的產品,也會因為生產人員不同,導致櫃內佈線結果不同(產品品質不一致)。

EPLAN Platform下的設計和生產優化

隨著市場競爭愈演愈烈,項目也變得越來越複雜,而客戶對產品交付的週期、品質以及成本的要求也越來越高。因此,傳統模式下的電氣控制櫃製造商,目前正處於相當大的壓力之下。

從斯圖加特大學機床與製造單位控制工程研究所的《控制櫃製造4.0》調研報告中可以看出,傳統模式下的電控櫃製造過程中,器件安裝(包括安裝板開孔、導軌線槽裁切和安裝)和設備接線,佔據了整個生產時間的72%的時間,如(圖2-1)所示。因此,如何降低器件裝配和設備接線的時間,成為電氣控制櫃製造商關注的重點和數位轉型的目標。

EPLAN Platform簡介:作為世界著名的專業電氣CAE解決方案提供商,德國EPLAN Software & Service公司是世界上最早開始提供智慧化的電氣工程設計軟體公司,它和全球著名的工業企業、製造企業進行了卓有成效的合作。

EPLAN Platform,如(圖2-2)所示,作為整體工程解決方案,可以滿足不同產業客戶的個性化需求、優化企業設計流程。無論是電氣設計還是流體、儀錶、線束設計,從產品的初步設計、開發直至生產製造環節,EPLAN Platform都能提供跨專業、跨部門的企業級工程設計方案和管理平台,優化從設計到生產的流程,以提高效率,降低成本。

設計優化:在設計端,基於EPLAN Platform,實現數位化樣機設計,建立虛擬樣機與物理實物的數位化雙胞胎模型,如(圖2-3)所示,從而優化設計深度,完善電氣製程設計,為生產的自動化和智慧化,提供資料支撐。

一、原理設計時,設計人員可以使用「確定目標」的T節點,如(圖2-4)所示,直接明確設備間的接線關係和接線順序,為虛擬樣機的自動佈線和生產接線,提供依據。二、EPLAN Platform提供的「基於網路的佈線優化」功能,可以使同一個網路的連接,根據器件安裝位置(虛擬樣機進行器件布局),自動優化接線關係,如(圖2-5)所示。

三、設計端在設計端子時,可以充分利用EPLAN Platform與Phoenix的集成外掛程式:Project Complete,如(圖2-6)所示,實現根據原理圖中電纜芯線或導線的線徑大小,自動選擇端子型號、自動附加固定件、隔板和鞍型跳線等,並將器件物料和數量,返回原理圖中,如此一來,端子的選項設計和安裝製程設計,將變得非常容易。

四、EPLAN Platform下的Data Portal線上資料庫,免費為使用者和設計人員提供了符合EPLAN Standard 1.0的、擁有七級數據的標準器件,如(圖2-7)所示,幫助設計人員「即時設計,即時選型」,實現準確採購,避免出現設計與實物不符的情況。

五、設計端原理設計完成後,可以直接在EPLAN Platform中進行電氣控制櫃3D布局佈線製程設計,即數位化樣機設計,如(圖2-8)所示。在數位化樣機設計過程中,設計根據製程安裝要求、器件安裝間隙要求、散熱空間要求等,提前預知安裝板空間是否足夠。也可以根據自動佈線結果,提前識別線槽槽滿率是否過高,並進行佈線優化。

設計端的數位化樣機設計,加大了電控櫃的設計深度,提高了電控櫃的製程設計水準,可以為後續的生產提供有效的生產資料和生產資料,實現資料單一來源,設計指導生產,設計決定製程的目標。

生產優化:電控櫃的設計,實現基於EPLAN Platform的數位化樣機設計後,為生產的優化,如自動化、智慧化,提供了大量的資料支撐。同時,數位化樣機提前驗證了安裝板空間、槽滿率、接線製程等問題,因此生產過程中的變更、設計溝通將會大大減少,從而節省了大量的時間和成本。

一、採購與生產準備並行,如(圖2-9)所示。數位化樣機驗證了生產的可行性,採購部門開始採購櫃體、器件等;同時,生產部門可以根據數位化樣機的結果,同步進行生產準備,例如提前裁切導軌、線槽、製備導線和安裝已有器件。並行的工作流程,縮短了生產等待時間,可以大幅度縮短產品交付週期。二、設備標籤以及端子排號、端子號等資訊,可以直接或間接(Excel格式)輸出到列印設備,如(圖2-10)所示,減少人工作業,提高生產效率。

三、數位化樣機設計完成後,可以自動生成安裝板或門板開孔圖,該資訊可以匯出DXF文檔或直接與自動化加工機器集成(如Rittal PERFOREX),如(圖2-11)所示,實現安裝板或門板開孔的自動化,取代手工開孔,大幅提高生產效率和生產品質。

四、數位化樣機設計完成後,導線的製備,也可以實現自動化。導線加工資訊可以直接或間接地傳遞給導線自動化加工設備(如Rittal WT),如(圖2-12)所示,最大化的縮短了導線製備時間的同時,準確的導線長度資訊,將極大地減少導線的浪費。而且加工完的導線可以根據需要,按順序排放,便於後續的設備接線。

五、基於EPLAN Platform的數位化樣機設計,也讓設備接線工作,可以變得智慧化和輕量化。數位化樣機的佈線結果,可以直接發布到EPLAN Smart Wiring智慧佈線終端上,如(圖2-13)所示,接線工人根據顯示幕上的接線順序(與導線製備的順序一致),逐一接線即可。接線工人無需翻閱電氣原理圖紙,即可完成接線工作,並且產品的佈線結果,始終保持一致,降低生產工人素質要求的同時,還能大大提升產品的品質和設備接線的效率。

總結

通過瞭解和分析傳統電控櫃設計和生產的現狀問題,並著重研究如何利用EPLAN Platform,對電氣控制櫃進行設計和生產優化,不難發現,EPLANPlatform可以給傳統電氣控制櫃製造商提供如下改善和收益:

一、從傳統的「生產為主,設計為輔」的模式中,過渡到「設計為生產的唯一資料來源」的數位化設計和自動化、智慧化生產模式,如圖3-1所示,從而實現高效率、高品質、短週期和低成本的電控櫃設計和生產。二、設計端優化設計方法,提高設計深度,面向製程設計,從而提高設計效率、設計品質和降低設計更改率和錯誤率等。

三、生產端充分利用設計端提供的數位化樣機設計資料,優化生產流程,提高生產的自動化水準和智慧化程度,進而大幅提高生產效率、生產品質和降低工人工作強度、人員素質要求以及生產成本浪費等,使電控櫃產品交付週期得到大幅縮短。(本文由易盼軟體(上海)有限公司文禮強著,尤嘉禾整理報導)


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