基于EPLAN軟件平臺的控制柜設計和生產流程優化研究

覃政 李元慶

制造業彰顯著一個國家的綜合實力和技術水平，也推動著我國的經濟發展。德國于2013年提出了“工業4.0”的概念，希望在工業信息化時代的制造業領域占領先機。在黨的十六大報告中，我國第一次提出“以信息化帶動工業化，以工業化促進信息化”。在此基礎上，十七大報告提出“促進信息化與工業化融合，走新型工業化道路”。在國務院印發的《中國制造2025》中部署了全面推進實施制造強國戰略。根據規劃，通過“三步走”實現制造強國的戰略目標，其中第一步，即到2025年邁入制造強國行列。“智能制造”被定位為中國制造的主攻方向。對于中國的制造業廠商，從傳統的生產方式向信息化、智能化和服務化的生產方式轉型勢在必行。

擁有30多年歷史的EPLAN公司，始終致力于為制造企業提供高效的軟件平臺，在企業發展過程中，積累了諸多人才和行業經驗。EPLAN軟件平臺自動化的應用可以覆蓋從概念設計、基礎設計、詳細設計和生產制造直至產品維護的整個產品生命周期。它立足于數字化設計、采用機電一體化的協同設計和生產模式，幫助傳統制造企業持續優化生產流程，推動企業向智能制造的方向發展。

一、傳統控制柜設計和生產流程

1、傳統的控制柜設計流程

控制柜的設計到生產流程如圖1所示。在控制柜的生產初始階段，工程師需要在了解技術協議以后確定項目的整體框架，并完成關鍵設備選型，此階段可稱作基礎設計。在此基礎上，通過反復和客戶溝通確認，完成產品的詳細設計。詳細設計的內容包括原理圖設計、柜體空間布局設計和用于后續采購的技術說明性文檔以及生產所需的各類圖表創建等。

因此工程師必須先完成原理圖設計。在設計完成以后，再基于生產、采購和維護的需求，完成各種報表和生產加工文檔的創建。

目前國內大部分企業依然采用CAD圖形化的設計方式。這種設計方法需要同時設計原理圖和相關的生產文檔。工程項目中有很多重復的信息和數據，但是這種設計工具卻難以重復利用，人工反復設計在所難免。采用這種設計方式的企業，往往面臨著以下挑戰：

（1）公司內部員工之間圖紙拷貝繪制，沒有以國際標準為依據，設計風格取決于工程師個人習慣;隨著國內外客戶對產品的需求提高，這種產品設計方式容易被質疑。

（2）各類采購、生產文檔需要人工設計，人工統計和重新繪制的錯誤無法避免，導致產品設計的故障率高，質量受到影響;重復的工作帶來巨大的時間浪費。

（3）項目設計過程中，如果客戶需求變更，則需要人工對原理圖和相關文檔各個環節全部修改，消耗大量的項目維護工時。

2、傳統的控制柜生產流程

傳統的控制柜生產流程如圖2所示。在機柜的整個生產過程中，安裝工人需要根據工程師在電氣和機械方面的生產文檔，完成機柜的鉆孔、導軌線槽安裝、設備裝配和導線接線等工作。由于安裝工人的水平、公司生產歷史傳承及公司生產條件等不同，各個公司生產流程可能也存在差異，會導致產品的品質各不相同。圖2中介紹了一種比較典型的控制柜生產流程，對流程中的各個步驟，標注此流程需要的相關生產文檔。

根據圖2的流程圖，整個控制柜的生產流程大致如下：

（1）新到的機柜接受檢驗。對設備清單、加工質量以及機柜尺寸大小等內容檢驗，檢查是否滿足需求。

（2）安裝板鉆孔。為了安裝線槽、導軌以及一些直接安裝于安裝板、柜體或柜門的設備，需要根據圖紙鉆孔。可以通過人工或者機械自動加工的方式為安裝板鉆孔，目前大部分企業采用人工的方式，因此需要設計人員提供鉆孔圖紙。

（3）準備安裝材料。即根據安裝需求領料，然后安裝。正常情況下，應該為每一臺機柜單獨領取機柜需要的導軌線槽和設備。因此，工程師需要設計各個機柜的材料表。

（4）安裝線槽和導軌。根據布局圖，由人工安裝線槽和導軌，完成柜體門、安裝板等的整體框架布局。

（5）完成設備裝配。根據設計人員提供的圖紙完成機柜的整體布局。有的時候為了更清晰地展示機柜的布局情況，還需要提供端子排列圖和PLC機架布局圖，方便安裝工人了解細節，防止出錯。

（6）完成導線制備。為了制備導線，安裝工人需要了解從一個設備到另外一個設備導線的長度、走線路徑、導線接頭信息以及導線的標簽信息等。如果有特殊需求，如高低壓導線隔離走線，則需要額外花費較多的時間來考慮導線的走向。

（7）安裝檢驗。當所有設備安裝完成以后，檢驗設備裝配、安裝走線是否合理，設計是否滿足需求等。

由于工期的需要，傳統的圖形化設計模式無法完成所有的生產文檔，許多公司僅僅提供部分的生產文檔，甚至部分公司僅提供原理圖用于車間安裝。因此，安裝工人需要豐富的經驗來保證機柜安裝的準礆性。

目前控制柜的設計和生產方式存在如下的問題：

（1）由于文檔設計耗時嚴重，為了推進設計進程，將設計的部分工作轉移到安裝工人手中。因此安裝工人的經驗要求較高，對于新員工，則需要經過較長時間的培訓才能上崗。

（2）目前企業的設計和生產仍然以手工加工為主，因此無法避免耗時多、進度慢及故障頻發等問題。隨著我國制造水平提高和人力成本不斷增加，高人工工時以及低質量生產將受到挑戰。

（3）手工鉆孔與導線制備耗時尤為嚴重，且精度無法保證，常常造成材料的浪費。

（4）由于文檔欠缺，客戶對產品的維護困難，客戶滿意度不高及維護成本提高。

因此，在時間、成本和質量等各個方面，采用傳統的設計生產方式對企業的長期發展都存在諸多的挑戰。企業應當尋求更加有效的控制柜設計和生產的途徑。

二、EPLAN的控制柜設計生產思路

1、基于ESIA方法優化流程

企業的最終目的是為了提升顧客在價值鏈上的價值分配。重新設計新的流程以替代原有流程的根本目的，就是以一種新的結構方式為顧客提供這種價值的增加。其價值增加的程度反映到具體的流程設計上，就是盡一切可能減少流程中非增值活動調整流程中的核心增值活動。

ESIA法是減少流程中非增值活動以及調整流程的核心增值活動的實用原則。消除（Eliminate）、簡化（Simplify）、整合（Integrate）和自動化（Automate）四個步驟，簡稱ESIA法。

E（Eliminate）：主要指對企業現有流程內的非增值活動予以清除。

S（Simplify）：在盡可能清除了非必要的非增值環節后，對剩下的活動仍需進一步簡化。一般來說可從表格、程序、溝通和物流等方面進行考慮。

I（Integrate）：對分解的流程進行整合，以使流閡頃暢、連貫，更好地滿足顧客需求。

A（Automate）：對于流程的自動化，從而提高整個流程的效率。

2、EPLAN軟件平臺的流程優化思路

智能制造建立于數字化設計的信息基礎之上。EPLAN軟件平臺是一個數字化的設計平臺，它能支持制造企業建立數字化設計、自動化生產的新流程，如圖3所示。EPLAN+RITTAL以“硬件+軟件+服務”的先進價值鏈，為客戶帶來更多收益。通過與成圖自動化系統的無縫對接，全面覆蓋客戶從需求、訂單、生產、物流和服務的整體環節，保障智能制造的高效性和可實現性。

為了完成控制柜的設計和生產，EPLAN軟件平臺建立了數字化數據中心。控制柜生產所需所有商業、電氣設計、機械設計和文檔等信息都存儲于此數據中心。由于設計信息的數字化，因此軟件平臺可以識別所有的設計相關信息。數字化的設計和生產方式為流程優化提供了更大的可能性。

針對當前的控制柜設計和生產流程，EPLAN經過多年的分析和驗證，提出了其高效率、高質量和低成本的解決方案。依據ESIA的流程優化分析方法，EPLAN的解決方案可以從下面幾個方面闡述：

E（Eliminate）：消除不必要的步驟，通過軟件平臺從自動提取原理圖和3D布局中的設計信息，所有的采購文檔、生產文檔的設計將不再需要人為重復設計，直接自動生成即可;如果推進至自動化圖紙生成，將極大化消除設計的繁復工作，提高設計效率和質量。

S（Simplify）：消除整個流程環節的溝通成本，簡化產品設計。EPLAN公司建立了標準化咨詢內容，標準化可以涵蓋從預規劃到生產制造全流程的相關設計文檔;并且，通過電氣設計和機械3D仿真設計無縫的數據集成，有效的簡化了機電一體化協同設計方式。

I（Integrate）：EPLAN的軟件平臺通過與EPR、PDM集成來推進企業的信息系統建設并向智能制造方向發展、通過與PLC的各軟件平臺集成，簡化原理圖設計與邏輯設計中的重復環節;通過與各個自動加工機械平臺的集成，幫助企業實現萬物互聯，推動企業建立自動化生產流水線。

A（Automate）：EPLAN為了減少人力成本，提高自動生產，在控制柜生產各個方面推進自動化。通過標準化咨詢、建立企業圖紙的模塊化與結構化模型，推動企業原理圖自動化生成;通過建立配置式的自動化報表系統，可以保證生產文檔的一鍵自動化生成;通過與自動加工機械的無縫集成，保證整個生產流程的自動化機械加工。

EPLAN的流程優化方案如表1所列。

3、控制柜設計流程優化

EPLAN的控制柜的設計依據EPLAN Electric P8完成原理圖設計，通過EPLAN Pro Panel完成3D仿真模型設計。EPLAN Electric P8軟件設計基于EPLAN數字化平臺，支持各個國際繪圖標準，如IEC、NFPA、GOST和GB等標準。軟件內置高效的原理圖繪制工具，如自動接線、端子自動并線、元器件自動編號、設備間自動關聯參考和自動連接編號等，幫助工程師快速完成圖紙設計。通過項目翻譯、版本管理、項目檢查及協議轉換等各類實用功能，滿足在國內外各個企業在電氣原理圖設計方面的應用。通過項目設計的標準化、結構化和模塊化設計，推動企業實現標準化、自動化原理圖生成。

EPLAN繪制的原理圖示例如圖4所示。

僅有圖紙并無法描述控制柜制造的所有信息。因此，基于機電一體化的設計理念，通過平臺化無縫的數據協同設計，EPLAN軟件平臺通過EPLAN Pro Panel完成3D模型仿真設計。EPLAN Pro Panel以3D數字化設計為核心，為企業建立控制柜數字化樣機做好了準備。另外，EPLAN Pro Panel符合工業4.0之中“智能物聯”的概念，可以與智能裁線設備、自動開孔設備和自動端子排裝配設備等進行數據無縫傳輸，幫助客戶打造設計、制造一體化。EPLANPro Panel設計的數字化樣機示例如圖5所示。通過EPLAN Electric P8和EPLAN Pro Panel的結合，保證了在設計階段即可將控制柜采購和生產的所有信息通過數字化的方式設計并輸出。因此，僅僅通過圖紙設計和3D仿真布局布線設計，即可自動生成所有設計、采購和生產所有的文檔。

因此，通過快速設計及文檔自動生成的方式，即可最大化的提高控制柜的設計效率，并最大化的的降低文檔的設計的出錯率，節省設計時間。

EPLAN軟件平臺2.8版本支持48種報表，可以提供給采購、生產和最終用戶。所有的報表支持個性化定制，根據企業的特殊需要調整。針對機械布局提供模型視圖和鉆孔視圖來支持自動化生產文檔輸出。EPLAN軟件平臺支持與Microsoft Excel軟件之間數據交互，可以根據企業需求輸出復雜格式的表格。報表的文檔輸出和Excel文檔輸出支持配置式輸出方式，當完成配置以后，所有的生產文檔可以一鍵導出。通過與Microsoft Excel的集成，將所有的標簽數據直接發送到各類標簽打印機，無需人工反復輸入。下面僅根據控制柜生產需要展示實際應用中常見的報表品類，如表2所列。因此，基于的設計模式將由于流程優化以后變得大大簡化，如圖6所示。

通過流程優化，需要人工參與的工作將大大減少。通過有效的配置以后可以實現原理圖的自動生成，從而降低原理圖設計的大部分手工工作。完成原理圖生成以后，由于EPLANElectric P8與EPLAN Pro Panel無縫的集成，通過簡單的拖放即可完成3D安裝布局。通過自動化報表生成工具即可生成所有的文檔用于其他的流程節點，如采購、生產加工等。

4、控制柜生產自動化

如果采用傳統的手工方式生產控制柜，則可以通過EPLAN的報表系統自動生成加工文檔指導生產。但是，隨著我國制造水平的提高、客戶對生產加工水平的需求提升以及對縮短制造周期的需求，采用機械化自動生產的方式將愈發受到重視。

傳統的控制柜生產裝配流程幾乎都是由人工操作下完成，生產流程圖如圖7所示。

傳統機柜生產面臨的挑戰如下：

（1）人工及成本高、出錯率高，產品質量差，用戶后期滿意度下降。

（2）手工鉆孔一次成型困難，常常導致返工，甚至浪費安裝原材料，拖延工期。

（3）導線制備無法準確估算導線長度，精度低，消耗大量人力成本，制備的導線質量無法保證。

（4）人工讀圖需要經驗積累，新員工無法立刻上手，培訓消耗工時和成本。

因此，EPLAN軟件平臺通過IT系統、先進制造機械和EPR/PDM系統的集成，提高整個流程的自動化生產水平，將人工參與降至最低。優化以后的加工流程，如圖8所示。

本次自動化生產流程需要在信息化系統的支持下完成。在自動化生產部分，生產文檔的打印和物料的出庫將直接在企業的管理平臺中自動完成。這些數據可以直接輸入到自動化生產機械之中完成自動鉆孔和導線制備。最終，所有自動化完成的生產資料將交由安裝工人安裝，但是，這種安裝可以在圖形化的指導下完成，大大降低了安裝難度。

優化以后的控制柜生產流程主要包括兩個部分：

（1）對于自動化機械或者IT系統可以完成的部分，則實施自動化數據傳輸和機械加工。EPLAN Pro Panel設計的所有制造數據可以無縫傳輸到成圖的自動化加工設備之中。當然，EPLAN也可以輸出其它文件格式，以便用于其它各類其他品牌的自動加工機械。

（2）對于比較復雜人的工接線部分，自動化機械完成成本較高或者目前條件還不具備，則可以通過現代化設備圖形化輔助完成。先建立生產模型，再將需要安裝的信息導入到智能設備（如筆記本電腦、平板電腦以及智能手機）中，圖形交互式的指導工人安裝設備，這也是企業無紙化生產的有效途徑之一。

EPLAN的圖形交互式設備通過圖形化的方式，操作簡單形象、指導安裝工人接線。幫助即使零基礎的新入職工人也可以快速的接線。軟件配備有交互式指導、數據統計與同步及篩選器等多種功能，滿足實際工程實施的需要。Smart Wiring中的數據和EPLAN Pro Panel中的設計數據——對應，如圖9所示。

通過生產流程的優化，可以盡可能減少人工的手工工作，從而降低人工安裝無法避免的各種差錯，降低人力成本和縮短產品周期。并且，由于數字化模型的建立，整個生產流程中的鉆孔、導線制備的精度迅速提高，節省加工工時以及加工的原材料。即便采用手工接線，由于圖形化交互式的協助，一個新招的技術工人也可以快速上手，因為難度降低了，生產的質量和效率能夠得到很好保障。

三、總結

通過對傳統的生產流程中存在的痛點和可優化點的分析，本文介紹了采用EPLAN公司的軟件平臺推進流程優化，從而提高控制柜的設計、生產效率和產品質量，減少設計和生產時間的方案。

基于EPLAN軟件平臺，通過刪除、簡化的方式來優化產品流程;通過集成、自動化的方式來增強流程，可以優化控制柜設計和生產流程;通過數字化的設計和生產方式，來推進企業建立信息化生產、推動企業向智能制造的方式轉變，實現從傳統生產制造方式到智能化、信息化生產制造方式的發展。