電力二次屏柜布線系統數字化軟件研究

俞天益，畢夢凡，何慧敏，李 玲

（國電南瑞南京控制系統有限公司，南京 211106）

電力二次屏柜（以下簡稱“屏柜”）是指具有監測、控制、調節和保護等功能的低壓電氣設備柜，二次屏柜包括裝置、切換按鈕、空開和端子等。目前，國內屏柜普遍采用手工測量下線，面臨作業效率低、人工成本高且線束質量難以把控的問題。為解決此類問題國內外已有大量研究，基于各種工業軟件采用信息化的概念[1]，對傳統配線工藝進行改進以提升效率。包括以交互式CAD/CAM 系統（UG）、交互式CAD/CAE/CAM 系統（CATIA）等三維商用軟件提供的半自動布線方法[2]，通過建立機械模塊解決布線干涉問題，但原理圖與模型間數據交換弱，操作復雜且工作效率低，還有以EPLAN[3]和SuperHarness[4]等專業軟件提供的建模、仿真輸出預制線束工單的辦法，使導線走線可視化，提高了導線長度的精確性，顯著提高了生產效率，具有一定的積極意義，但實踐證明EPLAN 預制工單效率提升有限，無法應對規模化生產，且操作復雜，維護成本高。

綜上，針對屏柜開發了一種線束預制自動化軟件（以下簡稱“軟件”），基于數字化設計思想進行機柜參數化，對接點之間的走線路徑進行結構化解析，通過定義裝置及器件支點坐標，簡化線長計算邏輯，并充分利用原理圖數據與軟件進行交互式操作，將各段的導線長度采用數字化的方式進行驅動，系統自動計算出導線線長，生成自動下線機所需的預制線束工單[5]及物料生產清單。

1 屏柜參數化

1.1 機柜結構化解析

屏柜根據環境及用戶要求，不同柜體尺寸也存在差異，以國網標準19 英寸柜常用柜型為基礎模板進行參數化[6]建模，尺寸為2 260（H）×800（W）×600（D）。

屏柜按走線區域分為前安裝面、后安裝面、燈座和空開安裝面4 個部分，其中切換開關、按鈕和壓板等安裝在前安裝面，裝置、橫線槽、豎線槽、端子、防雷器及變送器等安裝在后安裝面，照明安裝在燈座，空開安裝面按設計要求排布各型號空開。

軟件將三維空間走線區域拆解為多個二維平面并映射至二維基準面上，以機柜左下角為坐標原點，參數化定義區域應在（0，0）及（800，2 200）的坐標范圍之內。參照IEC 60297-3-100.2008《電子設備機械結構482.6 mm(19in)系統機柜結構尺寸》標準要求，屏柜內總U 數為45 U（1 U=44.45 mm），故以柜內自上而下U數定義器件位置。軟件內部線槽包括內立柱橫向線槽及豎向線槽，由設計可知豎向線槽位置統一，左右線槽中心間距約為505 mm，左豎線槽X 值為147.5，右豎線槽X 值為652.5，橫線槽用于連接左右豎線槽，其位置通過U 數定義。

1.2 定義基準平面

根據屏柜內部裝置及器件劃分走線區域，走線情況可概括為：

（1）裝置及器件內短連線。

（2）前安裝面至后安裝面間走線。

（3）空開安裝面至后安裝面走線。

（4）燈座至后安裝面走線。

（5）后安裝面內走線（通過橫線槽）。

實際生產中，上述5 種走線情況除方式（1）外均與后安裝面關聯，所以定義機柜后安裝面為基準平面。

1.3 支點定義規則

為規范走線原則將屏柜內所有裝置及器件的走線都集中于固定點上，稱支點[7]。支點位置統一由安裝位置決定，是裝置及器件與外部接線的參考基準點。由1.2 節可知，屏柜后安裝面為軟件定義的基準平面，所以將支點位置統一定義在后安裝面豎線槽上，由1.1節可知支點坐標表達式為（147.5，Y），（652.5，Y）。

1.3.1 裝置支點

裝置采用立柱安裝，其高度為1 U～8 U，通過裝置下方1 U 線槽走線，支點固定在橫線槽進入豎線槽的中部位置，裝置走線方向根據走線情況不同分左右2個方向，所以裝置有左右2 個支點。裝置在屏柜中安裝位置不同，其支點縱坐標也不同，由安裝U 數決定。

以4 U 裝置安裝在1 U 位置作為裝置支點的基礎值，由屏柜設計可知裝置左右支點Y 值為1 913.2，因此左側支點坐標為（147.5，1 913.2），右側支點坐標為（652.5，1 913.2）。

綜上，當某n U 裝置安裝在第m U 位置時，支點Y值為

Y=1 913.2-{（n-4）+（m-1）}×44.45。

1.3.2 空開支點

空開走線方式為上下走線，并根據走線情況不同分左右2 個方向，所以空開有左上、右上、左下和右下4 個支點。其中奇數接點（1，3，5，7……為上部出線方向）對應左上、右上2 個支點，偶數接點（2，4，6，8……為下部出線方向）對應左下、右下2 個支點，空開盒分外部空開刀閘盒和內部空開刀閘盒。

其中，外部空開刀閘盒安裝位置固定，由屏柜設計可知，左上、右上2 個支點Y 值為2 145，所以左上支點坐標為（147.5，2 145），右上支點坐標為（652.5，2 145）；左下、右下2 個支點Y 值為2 000，所以左下支點坐標為（147.5，2 000），右下支點坐標為（652.5，2 000）。

內部空開刀閘盒采用立柱安裝且安裝位置不固定，由安裝U 數決定。以空開盒安裝在1 U 位置作為支點的基礎值，由屏柜設計可知，左上、右上2 個支點Y值為2 130，所以左上支點坐標為（147.5，2 130），右上支點坐標為（652.5，2 130）；左下、右下2 個支點Y 值為1 985，所以左下支點坐標為（147.5，1 985），右下支點坐標為（652.5，1 985）；

綜上，當內部空開刀閘盒安裝在第m U 位置時，左上、右上支點Y 值為

Y=2 130-（m-1）×44.45；左下、右下支點Y 值為

Y=1 985-（m-1）×44.45。

1.3.3 壓板支點

壓板采用按塊統一從底部走線原則，5 排及以下為整塊安裝板，5 排以上采用5 排加多個單排壓板的組合方式。根據排數不同壓板走線方式可分為3 種類型。

（1）4 排壓板及以下（統一從壓板右側底部走線）。

（2）5 排壓板（從壓板底部兩側走線）。

（3）6 排及以上壓板（5 排整板從壓板底部兩側走線，單排分別從各壓板底部右側走線）。

由屏柜設計可知，壓板布置位置及間距有明確的規定，已知壓板橫向間距為d1，壓板安裝板橫向間距為d2，將單排壓板作為基礎固定值進行計算，單排壓板的支點Y 值為530，其支點坐標為（652.5，530）。

當壓板為4 排及以下時，若壓板排數為n，支點Y值為

Y=530-（n-1）×d1。

當壓板為5 排時，支點Y 值為230，壓板走線方向根據走線情況不同分左右2 個方向，因此左支點坐標為（147.5，230），右支點坐標為（652.5，230）。

當壓板大于5 排時，壓板后5 排與類型（2）一致，當壓板排數為n（n≥6），第m{m≥1 且m≤（n-5）}排壓板時，支點Y 值為：

Y=530+（n-m-4）×d2

1.3.4 端子支點

根據屏柜設計要求，豎導軌端子Y 值為1 945 mm，左端子初始支點坐標為（147.5，1 945），右端子初始支點坐標為（652.5，1 945）。根據端子實際布置高度的變化，其支點Y 值也不同，支點Y 值為

式中：n為端子類型數量；ai為各類型端子數量；bi為各類型端子的厚度；m為該端子所處的組數；c 為標簽堵頭厚度。

1.3.5 切換開關、按鈕支點

切換開關、按鈕的支點Y 值與自身及對應裝置的位置有關。以7 U 裝置的第一個切換開關作為切換支點的基礎值，由屏柜設計可知，切換的基礎支點Y 值為1 845，切換及按鈕間距為t，因此左支點坐標為（147.5，1 845），右支點坐標為（652.5，1 845）。

綜上，當裝置安裝在第n U 切換為第m 個時，支點Y 值為

Y=1 845-（n-7）×44.45-（m-1）×t。

1.4 器件參數化

器件參數化模型庫中器件信息包括導線規格、壓頭種類、號碼管方向及器件各接點距離支點的距離，以便于軟件直接調取使用。

器件與支點關系分為2 種，1 個支點僅對應1 個代號器件（如整層裝置、切換開關、按鈕和端子等），此類器件各接點與支點的距離為固定值，在器件模型庫中維護即可。1 個支點對應多個代號器件（如壓板、空開等），此類情況選擇標準接點位置至支點的距離，結合器件排布規律通過位置換算計算差異化數值。

1.4.1 空開接點至支點距離參數化

空開標準接點位置至支點的距離是空開位于最左側排布時的數據，其值為DK，空開寬度為p。左側第NP空開接點至支點長度為L。

空開接點至左支點距離為

L左=DK+（N-1）×p。

空開接點至右支點距離為

L右=DK+（N-1）×p。

1.4.2 壓板接點至支點距離參數化

壓板標準接點位置至支點的長度是壓板最左上角排布時的數據，其值為DY，壓板縱向間距為d3。第M 行第N 列壓板接點至支點長度為L。

壓板接點至右側支點長度為：

L右MN=DY-（M-1）×d1-（N-1）×d3。

壓板接點至左側支點長度為

L左MN=DY-（M-1）×d1-（N-1）×d3。

2 器件支點間距參數化

根據支點及通過橫線槽的位置關系，器件支點之間的走線方式可分為3 種，現定義一側器件支點坐標為（X1，Y1），另一側器件支點坐標為（X2，Y2），線槽高度坐標為Y3，3 種走線方式支點間距為Di（i=1，2，3）。

走線方式1：通過豎線槽連接，2 個支點位于機柜同側；D1=|Y1-Y2|。

走線方式2：通過橫線槽連接，2 個支點位于橫線槽兩側；D2=|Y1-Y2|+|X1-X2|。

走線方式3：通過橫線槽連接，2 個支點位于橫線槽同側；D3=|Y1-Y3|+|Y2-Y3|+|X1-X2|。

由于部分器件存在不止一個支點的情況，接點間就會存在多個走線路徑，現定義裝置A 支點個數為m，裝置B 支點個數為n，根據最短路徑原則支點間距DAB為

DAB=min{Dij（ ,i=1… m,j=1…n）}。

綜上，接點間導線總長度S 為

SAB=LA+DAB+LB。

3 數字化軟件實例應用

3.1 屏柜線束參數化設計

軟件支持CAD 開發識圖功能及EPLAN 數據識表功能，充分利用原理圖信息完成布局設計。軟件采用模塊化設計，分為基礎信息、壓板設計、端子設計、空開設計、裝置設計、前立柱設計和器件設計7 個模塊，采用交互式操作定義機柜參數和各器件參數，導出布線工單和物料清單，同時，也可以導出物料清單，對自動化布線工程進行追溯驗證。

3.2 導線長度可用度分析

為了驗證線束工單導線長度的可用性，對生產中的某屏柜空開、壓板、切換、裝置及端子5 項分別隨機抽樣10 根導線，樣本共50 組數據，與實際測量標準線長進行對比。現定義線束工單導線線長為Xij，實際測量標準線長為Yij，組成對比數據（Xij，Yij）（i=1，2，…，5，j=1，2，…，10，i 表示組別，j 表示數據），求得極差[8]百分比Rij見表1。

表1 導線長度極差

通過誤差計算公式可知，線束工單導線長度與實際測量標準線長誤差在3%以內，滿足工程誤差要求，所以軟件是符合設計工藝要求的。

3.3 線束預制與裝配

通過全自動端子壓著機自動處理線束工單信息，自動匹配導線規格、壓頭種類和號碼管方向，并進行分類打包。對裝置、空開和壓板進行模塊化預制扎線，待機柜、端子等裝配完成后直接上屏組裝。

4 結束語

對機柜進行結構化解析，并對柜體、立柱和線槽等關鍵部分進行參數化設計，選擇機柜后安裝面為軟件設計的基準平面。

采用支點走線法重新定義裝置及器件的走線邏輯并給出支點計算公式和不同走線方式下的導線長度的計算公式。

開發軟件操作界面，通過簡單的交互式操作實現了自動導出線束工單，對軟件導出線束工單線長與實際測量標準導線長度進行誤差分析，得到誤差都在3%以內，滿足設計工藝要求。結合軟件全自動端子壓著機逐漸取代了人工下線和商業軟件的半自動下線模式，切實滿足了規模化生產的需要。