基于仿真的電氣專業化協同設計工具的開發及應用

姚海蘭+郭玉亮+王麗娟+王麗麗+宮洪磊

摘 要：本文介紹了軌道車輛基于仿真的電氣專業化協同設計系統的開發及應用情況。該系統通過實時動態解析初步電氣電路圖文件，獲取仿真數據，并進行電氣控制電路仿真和邏輯驗證，在仿真驗證的基礎上實現電氣參數計算、元件選型、選型校驗等功能，實現了電路圖仿真指導電路圖邏輯設計，實現了元器件選型過程自動化，規范電氣設計，減少設計錯誤，提高設計效率。

關鍵詞：電氣協同設計；電路仿真；邏輯驗證；自動化選型

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

0.背景

城市軌道交通以其高效、安全、可靠、環保的特點近年來在我國許多大中城市獲得迅猛的發展，新的機遇要求全新動車組、城軌車設計周期短，隨著公司精益化管理已經成為提高企業核心競爭力的重要手段，隨著公司研發平臺精益化，傳統的電氣設計工具存在以下問題，如設計不規范，設計控制缺失，工具間集成性差，參數元器件選型體外進行，因此需梳理電氣設計流程，建立基于仿真的電氣設計專用工具，實現電氣設計合理化、規范化、高效率。

1.系統總體方案

基于仿真的電氣專業化協同設計工具基于電氣系統的數字化開發及仿真平臺，圍繞電氣設計流程和方法，開發較為智能的元器件選型模塊，建立及完善電氣元器件庫等，規范電氣設計。本系統主要利用電氣設計工具模板元器件庫繪制初步電氣原理圖，通過實時動態解析初步電氣電路圖文件，獲取仿真數據，實現黑盒設備基本邏輯的可視化編輯、編譯和集成接口，并進行電氣控制電路仿真和邏輯驗證，在仿真驗證的基礎上實現電氣參數計算、元件選型、選型校驗等功能，并將電氣設計工具輸出數據存入電氣項目數據管理系統，系統功能構架圖如圖1所示。

系統功能分為電路圖數據解析功能、電路圖仿真功能、邏輯驗證功能、設備選型功能、選型校驗功能和其他功能等六部分。

2.系統功能實現

基于仿真的電氣專業化協同設計工具的建設，針對電氣設計流程及特點，通過實時動態解析E3電路圖文件，獲取仿真數據，實現黑盒設備基本邏輯的可視化編輯、編譯和集成接口，實現了電氣控制電路仿真和邏輯驗證，在仿真驗證的基礎上實現電氣參數計算、元器件選型、選型校驗功能，且按照標準建立元件庫，按照各類元件選型規則，建立各類元件屬性表，為選型參數的錄入和元件選型提供基礎。最后將電氣設計工具輸出數據存入電氣項目數據管理系統。

2.1 電路圖解析功能

此功能主要實現電路圖文件解析、解析數據修正和黑盒設備邏輯設計。針對設計師對解析實時性需求，將解析功能分為文件解析和實時解析兩部分，分別實現整個文件初始解析和對電路圖修改的實時解析；解析數據修正主要針對動態符號繪制的設備（主要是多檔開關等）和繼電器類型等無法通過解析確定的部分進行人工設置，以及負載參數的批量導出/導入；提供黑盒設備的邏輯開發工具。

2.2 電路圖仿真功能

此功能在電路圖數據解析功能的基礎上對電氣控制電路進行仿真，實現與E3軟件的交互，可通過E3軟件對仿真狀態進行設置，并將仿真結果顯示在電路圖中。通過電路圖仿真結果，驗證電路圖設計邏輯的正確性，規范指導電路圖過程設計。

2.3 元器件選型功能

分析各類元器件基本選型規則，并固化于選型工具后臺，工具自動獲取電路中工作電壓、斷路器、接觸器開閉數等參數，部分參數由設計師確認并可修改，選型過程中，根據電路導通情況、電壓、負載功率和功率系數等計算電路中的電流值，各種參數為元器件選型提供依據，保證選型過程自動化，靈活性、規范化、正確性。此功能實現了接觸器、繼電器、斷路器、線纜以及端子等元件的自動選型選型，并支持選型功能的可擴展性。

2.4 選型校驗功能

此功能在電路圖仿真基礎上計算電路中的電流值，依據選型規則，對電路圖中元器件選型進行校驗，并輸出校驗結果。

2.5 元件庫建立

2.5.1 元件庫建立

按照各類元件選型規則，建立各類元件屬性表，為選型參數的錄入和元件選型提供基礎。符號圖形的建立按照電氣簡圖用圖形符號標準GB/T4728—2005執行。唐車元件庫以模板元器件庫為基準建立，增加選型參數錄入信息及物料信息，當執行元件選型替換后，只是將唐車元件庫中元件的屬性提取出來賦予模板元器件中的元件符號，從而實現了元件圖形與屬性分離。

2.5.2 元件庫參數管理

重新設計E3元件庫結構，實現元件圖形與屬性分離，元件通過參閱各廠家元器件技術樣本，將選型所需參數錄入數據庫，實現了元件屬性管理、校驗工具；完成錄入元件參數、屬性等。

3.系統應用效果

目前，公司應用基于仿真的電氣專業化協同設計系統的軌道車輛產品包括城軌城際、高速動車組各四個項目，通過電路圖仿真及邏輯驗證，減少了人工設計錯誤，通過元器件選型功能，實現了選型過程自動化，實現了機械設計數據及電氣設計數據的統一管理，規范了電氣設計流程，提高了產品研發效率，提升設計質量，逐步實現數據標準化、結構標準化及流程標準化。

結語

本文以電氣設計流程為導向，信息化技術及電路圖仿真為手段，建立了基于仿真的電氣專業化協同設計系統，實現了電路圖仿真指導電路圖邏輯設計，實現了選型過程自動化，設計過程規范化。解決了設計不規范，設計控制缺失，工具間集成性差，參數元器件選型體外進行等問題，遵循了客戶導向思維的公司理念，逐步實現研發平臺精益化。

參考文獻

[1]李蕊.基于E3·Series的電氣仿真驗證系統[J].中國高新技術企業，2014（13）：19-20.

[2]曹宏發.高速動車組制動系統電氣仿真設計平臺[J].鐵道機車車輛，2011，31（5）：84-88.

[3]陳喆.高速動車組電氣仿真分析與試驗研究[J].第八屆中國智能交通年會優秀論文集，2013：590-596.

[4]邱關源.電路[M].北京：高等教育出版社，1999.