電梯控制柜模塊化設計

鄧惠軍

（湖北科力斯電梯有限公司，湖北 仙桃 433000）

1 制造業面臨的挑戰

要想贏得未來競爭的勝利，中國的制造業企業必須通過優化整個產品生命周期的業務鏈來縮短產品上市時間、提高產品質量、降低成本，同時還要不斷通過研發、創新來滿足客戶變化的需求。技術的飛速進步，導致產品工程越來越復雜，企業必須在不斷變化的環境中應付越來越復雜的工程技術，隨著客戶對產品個性化需求程度的增加，也導致產品定制化趨勢越來越明顯，企業必須創建數量龐大的產品系列來滿足客戶不斷變化的需求。企業必須同時具備以下能力才能夠應對挑戰：持續提高的創新能力，使產品的科技含量越來越高，以滿足客戶變化需求；不斷縮短產品上市時間，取得競爭優勢；不斷強化成本控制能力，通過優化產品全生命周期內的成本、研發、生產、物流、銷售和服務等環節控制產品總成本，取得產品價格優勢；持續的質量改進能力。

企業一方面必須利用產品的批量化、標準化和通用化來縮短上市周期、降低產品成本、提高產品質量；另一方面，還要不斷地進行產品創新使產品越來越個性化，滿足客戶的定制需求。這樣，如何平衡產品的標準化、通用化與定制化、柔性化之間的矛盾，成為贏得競爭的關鍵。

平臺化、模塊化的產品設計和生產可以在保持產品較高通用性的同時提供產品的多樣化配置，因此平臺化、模塊化的產品是解決定制化生產和批量化生產這對矛盾的一條出路。但是，企業中龐大的激烈變化的產品數據僅僅依靠手工方式來管理是很難達到準確性、完整性、及時性和可追溯性要求的。因此，將企業產品平臺化、模塊化的管理創新成果與信息系統的建設結合起來是很好的解決方案。要解決產品的模塊化管理，PDM（Prοduct Data Management，產品數據管理）產品無疑是一種很好的選擇。

2 模塊的發展歷史及定義

2.1 模塊的歷史來源

模塊并不是一個新的概念，早在20世紀初期的建筑行業中，將建筑按照功能分成可以自由組合的建筑單元的概念就已經存在，這時的建筑模塊強調在幾何尺寸上可以實現連接和互換。然后，模塊被引入機械制造業，人們進一步將模塊與物理產品的功能聯系到了一起，模塊具有了明確的功能定義特征、幾何連接接口，以及功能輸入、輸出接口特征。隨著計算機軟件技術的發展，模塊的概念又被用到了非物理產品領域，在軟件行業模塊的概念被廣泛實踐著，大型的軟件系統（比如PTC公司的Windchill系統）的模塊化趨勢越來越明顯。目前，企業的專有知識越來越成為企業的戰略性資源，合理的管理、利用企業的專有知識是贏得競爭的重要籌碼。而企業產品中包含的知識是企業知識資源的最重要部分，因此重用模塊就是重用知識，可以節省時間和金錢。模塊化思想發展到今天，知識管理和傳統的模塊化之間的界限已經變得有些模糊。模塊的演變過程是從單純的幾何結構單元，發展到集成功能單元，又演變成為非物理實體的載體，比如知識和軟件等。

2.2 使用模塊的目的和案例

由于模塊具有不同的組合，可以配置生成多樣化的滿足用戶需求的產品特點，同時模塊又具有標準的幾何連接接口和一致的輸入輸出接口，如果模塊的劃分和接口定義符合企業批量化生產中采購、物流、生產和服務的實際情況，這就意味著按照模塊化模式配置出來的產品是符合批量化生產的實際情況的，從而使定制化生產與批量化生產這對矛盾得到解決。另外，模塊實現了抽象的模塊功能與具體模塊實現之間的邏輯分離，整個產品結構十分清晰，容易從全局上理解和設計產品，使技術進步造成的越來越來復雜的工程管理得到改善。有些公司又將不同的目標市場進行分類，并通過模塊化的產品配置，實現對不同目標市場的覆蓋，也就形成了所謂的平臺化戰略和差異化戰略。平臺化、模塊化的產品戰略已經有在世界多個著名公司中成功應用的案例。日本索尼公司在20世紀80年代僅利用4個基礎平臺的Walkman產品，生產出250余種錄音機隨身聽。這250種隨身聽無論在價位、功能和款式上都有很大的區別，可以滿足用戶的各種不同需求，但是這4個基礎平臺卻存在著大量的重用模塊。德國大眾公司在A4平臺上生產Vοlkswagen、Skοda、SEAT、Audi四個品牌的十余種轎車，像熟悉的Gοlf、Bοra、NewBeetle和AudiTT都是這個平臺上的產品。這十余種轎車分別在德國、斯洛伐克、捷克、比利時、西班牙、波蘭和墨西哥等國家的大眾公司分廠中生產，這些產品在滿足不同市場需求的同時，可以共享大眾公司整體的技術資源和采購資源。日本佳能公司的單鏡頭反光取景相機所有的鏡頭卡口標準是完全一致的，同時佳能公司龐大的鏡頭群可以滿足各種客戶需求，這使佳能公司的產品可以滿足從入門攝影愛好者到職業級攝影家的巨大客戶群的需求。佳能公司的這種技術目前已經進入了數碼相機領域，佳能公司新近推出的EOS300D數碼單反相機使數碼單反相機走下神壇價位直沖普通數碼相機，EOS300D同樣可以使用所有佳能的鏡頭，這對攝影愛好者具有不可抗拒的吸引力。

2.3 模塊的定義

模塊是構成產品的一部分，具有獨立功能，具有一致的幾何連接接口和一致的輸入、輸出接口的單元，相同種類的模塊在產品族中可以重用和互換，相關模塊的排列組合就可以形成最終的產品。模塊化的產品設計可以達到以下幾個目的：①模塊的組合配置，可以創建不同需求的產品，滿足客戶的定制需求；②相似性的重用，既可以重用已有零部件和已有設計經驗，也可以重用整個產品生命周期中的采購、物流、制造和服務資源；③降低產品工程復雜程度，因為模塊是產品部分功能的封裝，產品設計人員使用具體模塊時根本不用關心內部實現，可以使研發人員更加關注頂層邏輯，提高產品工程管理質量和產品的可靠性。

3 模塊的特點和產品模塊化的優點

由于企業產品平臺方案的制訂是依賴于企業客戶目標市場需求的不同而變化的，同時產品模塊的劃分必須考慮不同企業的產品功能、研發特點、生產特點、采購及物流方式和售后服務特點等方面的不同需求，所以產品平臺和模塊化的方案必須結合企業的實際情況，沒有一成不變的解決方案。因此，理解模塊的特點及企業要利用模塊化達到的目的就顯得十分重要，下面將詳細論述模塊的特點和優點，以幫助讀者找到本企業模塊的特點和要達到的目標。理解模塊必須抓住模塊的四個主要特點，這四個主要特點是模塊的精髓，也是劃分企業自身產品平臺和產品模塊的基礎。

3.1 模塊的特點

3．1．1 模塊具有獨立的功能

模塊的功能是整個產品功能的組成部分，且這個功能是自我包含、自我實現的。

3．1．2 標準的幾何連接和一致的輸入、輸出接口

為了實現同類模塊之間的互換，嚴格的尺寸接口和輸入輸出接口的定義是必須的。對于幾何連接接口，可以是機械領域的銷、面、鍵和螺栓等，也可以是電器領域的信號、能量等。著名的玩具供應商樂高公司（Legο）通過積木模塊的不同組合可以拼成幾乎無盡數量的形狀，于是在市場上取得了巨大的成功。樂高公司的積木模塊定義主要是幾何連接接口。當然，在實際的制造業中隨著產品復雜度的增加，模塊的幾何連接接口要比這復雜得多。輸入、輸出接口是模塊功能的抽象，此類接口可以是能量、信息、物質（液體、氣體）等，是定義該模塊功能的輸出標準和能夠保證輸出特定功能所必須的輸入條件標準。例如，如果發電機對于發動機廠來講是一個模塊的話，那么發電機與發動機的連接尺寸等幾何連接接口需要標準化和規范化。同時，發電機的輸入轉速、功率以及輸出的電流等輸入、輸出接口同樣需要規范。

3．1．3 模塊是依賴產品平臺的存在而存在的

雖然模塊的功能是自我包含、自我實現的，但是模塊的存在和劃分必須以產品平臺的整體功能為前提。比如某一個收音機由接收器（Ra）、放大器（Aa）和電源（Pa）三個組件構成，當該收音機只有這樣一種產品配置的時候，這里不存在任何模塊，接收器（Ra）、放大器（Aa）和電源（Pa）是一個整體，不用區分。但是，當有另外一種收音機使用了另外一種電源（Pb），這個電源（Pb）又與前一個電源（Pa）可以互換時，那么電源在沒有任何變化的情況下，就會成為一個模塊。因此，模塊的功能和互換性都是依賴于產品平臺的功能和配置變化而存在的，失去產品平臺的定義和產品平臺的配置需求，模塊的存在是沒有意義的。

3．1．4 模塊是有層次的，受觀察角度和范圍的影響

模塊可以包含子模塊，因為模塊的功能是整個系統功能的組成部分，所以子模塊的功能應該是父模塊的基本功能，所以能否稱為模塊是受觀察角度和定義范圍的影響而變化的。同樣，模塊層次越多管理難度越大，當模塊層次劃分過多，就與非模塊化的產品結構沒有什么差異了。例如，就模塊的層次而言，柴油機是整車的一個模塊，發電機又是柴油機的一個模塊。站在不同的角度，模塊的劃分也會不同。發電機對于發電機生產商來講是一個產品，對于柴油機生產商來講是一個模塊，而對于整車生產商來講只是一個總成件了。整車廠的模塊化產品平臺中不需要定義發電機模塊。

3.2 模塊化產品結構的優點

模塊化的產品結構對企業的貢獻可以從產品研發、提高效率、降低成本和改進企業管理等幾個方面考慮。

3．2．1 對企業產品研發的貢獻

模塊是產品知識的載體，模塊的重用就是設計知識的重用，大量利用已有的經過試驗、生產和市場驗證的模塊，可以降低設計風險，提高產品的可靠性和設計質量。模塊實現產品功能的分配和隔離，使問題的發現和設計的改進變得容易。模塊實現功能的抽象和實現分離，使設計人員容易掌握產品全局，同時設計人員可以屏蔽掉與自身領域無關的細節，從而關注更高層次的設計邏輯。模塊功能的獨立性和接口的一致性使模塊研究更加專業化和深入，可以不斷通過升級自身性能來提高產品的整體性能和可靠性，而不會影響到產品其他模塊。模塊功能的獨立性和接口的一致性，使各個模塊可以相對獨立地設計和發展，可以進行并行設計、開發和并行試驗、驗證。模塊的不同組合能滿足用戶的多樣性需求，易于產品的配置和變型設計，同時又能保證這種配置變型可以滿足企業批量化生產的需求。

3．2．2 對企業工作效率和節省時間的貢獻

設計和零部件的重用可以大大縮短設計周期；并行的產品開發和測試可以大大縮短設計周期；利用已有成熟模塊可大大縮短采購周期、物流周期和生產制造周期，從而加快產品上市時間；如果劃分模塊時考慮到企業售后服務的特定需求，同樣可以縮短服務周期和耗費資源時間。

3．2．3 對企業成本控制的貢獻

模塊和知識的重用可以大大降低設計成本；采用成熟的經過驗證的模塊，可以提高采購批量，降低采購和物流成本；采用成熟的經過生產驗證的模塊，可以大大降低新產品投產時對生產系統的影響，使新產品更容易生產制造，可以降低生產制造成本；產品平臺中及平臺之間存在大量的互換模塊，可以降低售后服務成本。

3．2．4 對企業組織的貢獻

有利于企業研發團隊分工，規范不同團隊間的信息接口，進行更為深入的專業化研究和不同模塊系統的并行開發；抽象平臺和模塊的建立，可以實現企業組織結構與產品模塊結構之間的交互，使并行工程擁有實施的根基，工藝、財務、采購和售后服務可以在產品研發早期就介入產品研發項目；標準規范的模塊接口有利于形成產品的供應商規范；有利于產業分工的細化（比如計算機行業和汽車行業）。目前，常常把PC機稱為兼容機，實際上就是指不同品牌的計算機硬件是完全可以互換（兼容）的，這些硬件都符合IBM對PC機定義的接口標準。

4 傳統電梯行業控制柜采用端子接線工藝

傳統電梯控制柜中包含變壓器、變頻器、開關電源、空開、相序、接觸器、端子排等。在生產過程中，需要花費大量的精力，才能完成一臺控制柜的組裝，材料花費很大，不利于節能降耗，成本控制。其缺點主要有以下幾點：①組裝施工難度較大，工作效率較低，做一個控制柜費時約1 d。所有導線必須用線槽固定或內藏于控制柜夾層中。②控制柜體積較大，結構不緊密。雖然也能做出規整的設計布局，因為端子排設計導致空間利用率不高的問題。③全手工接口，導致工作量增大，每個端子都需要手工操作才能完成。④現場故障檢查需要一定的專業基礎，費時費力，存在接線不良等隱患。⑤不利于大規模批量生產，不利于形成規模效應。

普通端子控制柜如圖1所示。

5 電梯控制柜的模塊化設計

采用模塊化控制柜設計，是電控柜集中化設計，布線簡化，線材的消耗減少2/3以上。可以將控制柜的空間縮小，接線采用預制端口，提高了工作效率。接線端子采用接口板模塊設計，簡化了元器件布局，縮小了控制柜的體積。將接口板信號模塊自身功能獨立，具有標準連接接口和輸入輸出接口，便于大批量生產，縮短了組裝所花費的時間。接線采用預制端口，便于批量化生產，集成化設計節省了大量的空間和布線時間，提高了生產組裝的效率。轎頂板模塊化設計如圖2所示，控制柜接口板布局如圖3所示。

圖1 普通端子控制柜

圖2 轎頂板模塊化設計

圖3 控制柜接口板布局

原理圖文檔制作方面，根據需求繪制接口板原理圖，定義各接口，進行布線，集成設計電路，使電路板布局簡化。原理如圖4所示。

圖4 原理圖

PCB板制作方面，根據繪制的原理圖，生成印制板圖，可以委托專業制造PCB單位制作成實物電路板。PCB板如圖5所示。

圖5 PCB板圖

6 幾種模塊化設計的案例

目前，電梯系統生產廠家的控制柜基本上都采用了模塊化設計，充分地吸收了具有標準連接接口和輸入輸出接口，且每個模塊都能獨立作為一個設備工作。

其優點是：電控柜集成化程度較高，便于檢修。現場安裝勞動強度低，效率高，不需要非常專業的人員也可很容易操作。默納克控制柜模塊化設計如圖6所示，新時達控制柜模塊化設計如圖7所示。

7 結論

模塊化設計的優點如下：①結構更加合理。機器的內部結構由于采用模塊化的設計，每個部分的布局更加合理、緊湊，使每個部件的功能都能發揮良好，控制柜布線簡單。②使用維護更加簡單。井道的電線電纜以全接插件方式連接，預留檢修封線端口，不需要再找其他方法進行電路檢查，能很快診斷出故障點。如果出現模塊電路損壞，只需要更換相應模塊即可，且操作簡單，不用專業技術人員就可更換。

圖6 默納克控制柜模塊化設計

圖7 新時達控制柜模塊化設計