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电气图纸设计结构4—无处不在的模块化

电路设计为何要自找麻烦,使用功能组来划分电路的不同部分?这不是一个技巧的问题,而是思想层面的认知问题。目前的电气图纸设计分为两大类:以日系为代表的类别化绘图方式,和以德国为代表的模块化绘图方式,国内的图纸在早期基本都是类别化绘图方式,近十几年在接触了大量的德国设备后,很多都倾向于使用模块化绘图方式。

要想区分类别化和模块化,我们先通过类比方式来找寻它们的优缺点。假设我们需要在Windows系统上管理四个项目文件,这四个项目的名称分别是Prj1/Prj2/Prj3/Prj4,每个项目需要提供图纸/程序/培训/资料四种类型的文件,如何管理这些文件呢?类别化的做法就是按照文件的类别,创建四个文件夹,然后将文件分类存储到这四个文件夹中去,结构如下:

按类别进行管理的文件夹 

模块化的做法是按照功能分类进行模块化的划分,这里以项目为功能模块单元,每个模块单元内包含它所需要的完整的信息:图纸/程序/培训/资料,如下是它的结构样式:

按功能进行管理的文件夹 

模块化相对于类别化有如下优点:

1、命名的优点,如上页图纸,模块化只需要修改每个文件夹的名称(项目名称)即可,而类别化则需要进入文件夹修改每个文件的名称,以避免在一个文件夹下的文件重复。

2、编辑的优点,包括拷贝/删除,譬如我们需要新增第5个项目Prj5,按照类别化的方式,我们需要在每个文件夹下去拷贝,然后重命名,而采用模块化的方式,找到最类似的项目文件,拷贝整个文件夹,然后重命名即可,同理,删除一个项目,模块化的方式也是更方便。

3、信息查阅的便利性,采用模块化的方式,若查看某个项目的信息,直接进入文件夹,即可看到与此项目相关的所有信息,而类别化的方式,则需要进入各个分类文件夹才能查看全的信息。

​电气图纸中模块化绘图方式相对于类别化的绘图方式而言,也有上述三个优点。类别化的绘图方式主要是将电路按照电路特性进行分类,典型的就是电机的动力电路连续画在一起,然后所有与PLC的IO相关的电路按照IO点顺序连续画在一起其结果就是命名和编辑都不方便,譬如如果我们要添加一个电机控制电路,我们需要在动力电路部分去添加驱动,在PLC信号部分去添加反馈和输出控制,如果IO点未分配好,可能新增的IO点只能添加到最后,这样导致了IO使用的无规则性,造成了查阅图纸的困难;模块化的绘图方式则是基于单元设备或者按照它实现的功能分类进行绘图,打个比方,空调的一个送风机包含着电机驱动/风压检测/电流检测/防火阀等,我们把它们总的归纳为一个单元设备或者是一个相对完备的功能单元,用连续的几页图纸把这个单元内的所有电路表示出来,后面若再出现类似的设备,只需要做一个总体拷贝(类似于上面提到的文件夹拷贝),总的一个命名(类似于上面的项目文件夹命名),即完成了一个新设备的电路增加,同样的删除设备电路也是一键完成。

但相对于类别化绘图方式,模块化绘图方式有一个缺点,那就是模块化绘图方式是基于功能模块绘制电路的,但电柜排布时,元器件多是基于类别排布的(譬如接触器放在一块,继电器放在一块等),这样就必须在图纸中多设中断点来解决接线的就近便利性,但不能因为一个不算重要的缺点而放弃它的大量优点。

前些时,看到网上的一篇文章介绍微软的suface book的拆解,编辑的一个总结是:大量的使用了排线,一个个部件之间通过排线插接彼此连接,非常模块化的设计,当一个部件出现了问题,可以迅速更换而不影响其他的部件。这也是在上文中我们提到的模块化思想的精髓,可见模块化这个理念,在各行各业中都有大量的使用;编辑提到的另一个特点:大量使用排线,什么意思呢?模块做到了最大限度地与外界的独立,但它还是得与外界产生联系,排线就是用于和外界联系的,对应于我们的电路而言,譬如一个电机驱动电路:我们在连续的一页或者两页中画完了电机的驱动电路和控制电路,如下图:​

主电路
控制电路

从上面的这个图我们可以总结出一个标准电路与外界的联系主要有两类:中断点(电源分配),PLC的IO点,因此当我们添加一个标准电路后,需要修改的就是中断点和PLC IO,如果中断点采用了标准化命名,则改动的并不多,主要修改的就是PLC的IO,从上图中我们知道PLC 的IO点采用的是分散式画法,这点不同于国内的集中式绘制IO点,为了解决分散式IO画法在查阅IO点的便利性问题,我们引入了PLC的IO地址预览,Eplan可以自动生成IO预览,或者由人工将地址预览放置在原理图中,Eplan自动完成交互参照,从IO地址预览中我们可以查看IO点在哪些地方被用到,也可以查阅哪些IO点还有空闲,如下图:

PLC地址预览

模块化的另一个特点就是积木化,什么意思,可以这样说,一个复杂的系统是由无数简单的模块化组件像搭建积木似的构建的,积木化不是简单的组合,而是要考虑更大范围内的模块标准化,譬如需要考虑模块A和模块B的组合是否能够构建一个更大的标准模块C呢?上面我们提到的空调送风机,最基本的积木是电机驱动/运动检测/气动阀控制电路,将这三块组合在一起构造成了一个设备标准功能模块C,当在另外一个位置,有类似的送风机控制时,我们不是简单的拷贝基本的积木电路,而是拷贝整个设备标准功能模块C,这样就完成了更大范围内的电路重用。

模块化电路是通过功能组来进行管理的,一个好的模块化电路不仅影响到图纸的本身,还会影响到后续编程的代码重用性(这会在以后的PLC编程博文中会谈到),一个人对设备和标准的理解深度决定着他划分模块化电路的能力。这里再举一例:一套设备中包含着三个冷冻机组A/B/C,每个冷冻机组中包含着与之相关的冷冻泵1和2,冷却泵1和2和机组本身;如何进行模块化划分呢?如果是传统的由CAD转过来刚接触功能电路的人来说,习惯于通过类别来区分电路,他们会将冷冻泵归为功能组F01,冷却泵归为F02,机组控制归为F03,这样看似也使用了功能组来区分电路,但实际上是没有真正理解标准的深层思想,这种划分只能是在小范围内的标准电路层面进行图纸的重用;而正确的划分方式则是按照冷冻机组这个大设备来划分电路:F01包含冷冻机组1和用于它的冷冻泵1/2以及冷却泵1/2,F02包含冷冻机组2和用于它的冷冻泵3/4以及冷却泵3/4,F03包含冷冻机组3和用于它的冷冻泵5/6以及冷却泵5/6,由于功能组中包含的内容是相似的,当你画好F01后,可以整个拷贝到F02和F03,然后可能只是修改一下功率的事情了,这就是从更大范围内进行图纸的重用的一个典范,也是上述积木化需要阐明的思想实践。

模块化电路设计也是计算机图纸自动生成软件的依据,没有这种标准化的理念,是无法让计算机去完成标准化性质的重复工作的,这里谈谈计算机辅助生成的一点思路:

Eplan页宏-->基本电路(或者基本模块)-->设备电路(单元设备)-->项目电路(项目图纸)

Eplan的页宏构成基本电路(譬如电机驱动的标准电路),电机标准驱动电路和其他的传感器及操作构成一个复杂设备的控制,最后各种设备的控制电路构成了一整套项目的图纸,这就是上面提到的搭建积木,由简单到复杂,最后完成整个项目。

以上阐述了电气中最重要的概念:如何实现图纸的标准化的问题,模块化的概念不仅仅用在电气图纸设计,在PLC编程,计算机软件编程,工程设计和产品制造中的方方面面都会用到,理解了它就是掌握了标准化的一把利剑。

​至此”电气图纸设计结构”系列结束,后面会补充一个电气图纸线号制定规则的博文,然后结束有关电气设计的博文。

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