1. 前言

    自從參與工作以來，參與了不少企業(yè)的研發(fā)管理信息化咨詢和PLM實施的項目。學習機械的人都知道，機電不分家，因此，所有的機械企業(yè)或多或少都會遇到電氣/電器設計，與機械協(xié)同研發(fā)的問題。參與實施過程中，針對企業(yè)的現(xiàn)狀，我對采取的解決方案進行了總結，對未來機電協(xié)同設計遠景進行了構想，希望能對企業(yè)的電氣/電器研發(fā)信息化管理帶來一些幫助。因為參與的項目偏向于電氣部分，所以針對電器方面，若有不準確的地方，歡迎反饋補充。

    2. 企業(yè)電氣/電器集成管理模型和階段

    目前市場上常見的電氣/電器軟件如下：

    ●強電設計軟件：國內(nèi)的有天正電氣與浩辰電氣比較普及，但最大名鼎鼎的就是AutoCAD Electric，沾了不少AutoCAD的光彩，在行業(yè)應用中，Eplan Electric、EB屬于老牌廠商，占領了大量傳統(tǒng)市場。但面向電氣和3D設計集成方面，走的步履維艱，后起之秀的elecworks已經(jīng)形成超越之勢。這部分軟件眾多，不再擴展介紹。

    ●弱點設計軟件：Protel雖然是很多電氣設計人員的第一款軟件，但已經(jīng)嚴重過時，目前比較通用的三劍客是AltiumDesigner、Cadende SPB、Mentor EE，當然還有一些比較小眾的軟件，在此忽略。但這一塊遺憾的是，目前國內(nèi)軟件在這一塊是空白。

    ●PDM/PLM管理平臺：國際上三大品牌包括達索的ENOVIA、PTC公司的Windchill、西門子公司的Teamcenter基本都實現(xiàn)了對主流電氣/電器CAD工具的集成，但是目前3C企業(yè)應用的最多的還是Windchill，應該是占絕對優(yōu)勢。國內(nèi)雖然有不少的PDM/PLM平臺，但是在集成方面，基本上能力還是比較弱的。

    在經(jīng)歷的很多企業(yè)中，也參考了很多資料，以及對電氣軟件的了解和研究，企業(yè)電氣研發(fā)信息化和軟件集成機械產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的4個階段，這種劃分方式基本與工業(yè)信息化發(fā)展階段相吻合，分別是：

    2.1 電氣1.0時代的研發(fā)集成管理

    電氣集成1.0時代，類似于工業(yè)1.0，基本都是手工繪制電子圖紙，各種電氣符號全部是需要時臨時繪制，缺少管理。圖紙繪制完成后，統(tǒng)計編輯明細清單，交付下游使用。此時大部分企業(yè)基本對這些數(shù)據(jù)缺少管理。即使需要管理構建BOM，也是清單樣式。松散的設計和管理，根本談不上對設計的驗證、仿真和集成。大部分企業(yè)都是等設計完成之后，通過樣機對元件進行布局，對線長進行放樣，然后才能安排下線生產(chǎn)。

    在這些年走過的企業(yè)中，這種情況目前還是數(shù)見不鮮，可見國內(nèi)電氣信息化水平還是有待提高的。但這方面，電器設計就稍微超前——因為PCB板的板層等，不是放樣可解決的。

    2.2 電氣2.0時代的研發(fā)集成管理

    在電氣1.0時代，每一個電氣原件都是孤立的對象，純粹就是一個電氣符號，這給大家協(xié)同使用時帶來很多的不便，例如一個繼電器，大家協(xié)同設計時，不同人員繪圖時使用比例不一致，重用時就會出現(xiàn)問題，此外，繼電器的幾個常開和常閉，大家怎么協(xié)同使用，怎么確保合理應用，不超過也不浪費。

    電氣2.0時代，最突出的特點就是建立專門的電氣元件庫，有專門的線纜庫信息庫，可以通過專門的ECAD軟件繪制原理圖并生成專門的原件或者線纜清單，然后實現(xiàn)ECAD數(shù)據(jù)，以及集成清單數(shù)據(jù)的管理。大家在協(xié)同時候，也主要是通過共享使用統(tǒng)一的設計庫確保繪圖規(guī)范的一致，大部分專業(yè)的電氣軟件都是在這個階段發(fā)展起來的。

    在電氣2.0時代的后期，隨著數(shù)據(jù)庫的技術發(fā)展，對電氣設計協(xié)同帶來的很大的便利，統(tǒng)一的設計庫的數(shù)據(jù)記錄信息也有單一的數(shù)據(jù)庫變更為基于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)庫，這樣就可以解決大家在使用同一繼電器的沖突和浪費問題。這種設計方案的改進，大大降低了設計錯誤，減少了設計周期。

    電氣2.0時代，PDM/PLM管理首先要解決的是元件/線纜符號庫的管理，同時由于電氣原件需要選型，這部分直接決定了企業(yè)最終對電氣原件的采購，這部分信息必須和企業(yè)的物料庫保持一致，數(shù)據(jù)庫的同步也是集成的重點工作。在此階段，系統(tǒng)集成也主要是交付數(shù)據(jù)的集成。

    目前很多企業(yè)，都處于這個階段，這個階段，機電團隊基本上都是獨立的，過程溝通也很少，基本上都是最終樣機時去驗證機械和電氣之間的兼容性。

    2.3 電氣3.0時代的研發(fā)集成管理

    電氣集成3.0時代，已經(jīng)開始要求設計工具和管理平臺的集成與互動。隨著電氣設計的進一步復雜，樣機制造時間和交付周期的進一步縮短，電氣設計的3.0時代，也迎來了原理圖與3D布局的互動，對電氣設計結果進行布局，布線進行提前研究和驗證，避免和機械部分進行干涉，有些企業(yè)也開始關注電氣部分對整個機械部分的影響，進行仿真分析，例如電氣產(chǎn)熱對整個產(chǎn)品性能的影響，如何布局降溫等。

    電氣3.0時代，要求電氣軟件必須和ECAD軟件可協(xié)同互動，將電氣團隊和機械團隊更加緊密的綁定在一起，團隊開始更關注前期的策劃和過程的協(xié)同——因為大部分產(chǎn)品更加小巧，電氣工程師需要增加一個繼電器，就必須提前和機械工程師溝通確保預留空間，電氣工程師需增加一個有一定功耗的芯片，機械工程師就必須考慮電磁屏蔽，或者必須在機械結構上增加散熱的設計，電氣設計完成后，包括線長的信息也可以提前獲得。此時，機械團隊和電氣團隊的邊界開始模糊。

    在軟件實現(xiàn)上，傳統(tǒng)的大牌廠商的確遇到了瓶頸，因為實現(xiàn)這個步驟，不僅需要電氣CAD功能能滿足設計和驗證要求，而且還要求有強大的3D CAD建模和分析功能。傳統(tǒng)的ECAD廠商和機械CAD廠商的確在這點需求上產(chǎn)生了碰撞，開始向上游、下游兼容。但目前大部分還是結果的導出和導入交互，十分不便利。ECAD廠商在實現(xiàn)3D方面步履維艱，3D方面還是有很大的技術瓶頸。國際幾大3D廠商也推出自己的ECAD解決方案，但是和專業(yè)應用方面差異太大，幾乎沒有市場。

    這個階段冒出了一個黑天鵝，來自法國的老牌CAE公司Trace Software推出了專業(yè)的elecworks軟件，使用SQL Server作為統(tǒng)一信息管理平臺，基于網(wǎng)絡的協(xié)同一下子變得很方便了，基于開放3D SolidWorks平臺的機電集成，大大降低了機電交互的門檻。同時借助SolidWorks深入到三線城市的銷售網(wǎng)絡，增長很快，在最近幾年的項目實施中，遇到的比例也大大提高。

    但是，集成也帶來了數(shù)據(jù)的復雜性，因為管理平臺不僅僅管理交付的清單文件形成BOM便于下游使用，而且要求管理好交付的2D原理圖數(shù)據(jù)和3D布局數(shù)據(jù)——但不同的3D CAD對電氣數(shù)據(jù)，尤其是線纜數(shù)據(jù)的處理各不相同，集成數(shù)據(jù)還不是很準確，需要二次處理，因此這一塊，還需要ECAD廠商、3D CAD廠商和PLM廠商的協(xié)同努力。

    現(xiàn)在有一部分企業(yè)已經(jīng)開始在這個階段進行嘗試，尤其是快速消費產(chǎn)品。

    2.4 電氣4.0時代的研發(fā)集成管理

    工業(yè)4.0時代，要求更多的智能產(chǎn)品，在智能工廠進行智能生產(chǎn)，然后通過智能物流系統(tǒng)進行配置或交付運營，對機電軟一體化提出了更高的要求。工業(yè)4.0時代，企業(yè)的產(chǎn)品也由大批量生產(chǎn)時代進入到大批量定制階段，產(chǎn)品的個性化進一步提升。

    工業(yè)4.0時代的產(chǎn)品，產(chǎn)品的智能化肯定是通過更多的電氣和軟件實現(xiàn)的，在此過程會逐步降低機械部分的功能比重，大大提升嵌入式電氣、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、軟件的因素。例如手機，我們就發(fā)現(xiàn)機械部分的成本和交付周期就大大低于電氣軟件，自動駕駛汽車機械部分和傳統(tǒng)騎車結構已經(jīng)簡化了太多太多，但是電氣部分卻復雜不止一百倍。由于需要保持不同客戶的個性化需求，產(chǎn)品定制的過程中，也需要確保電氣和軟件的定制，管理的復雜性急劇增加。

    電氣4.0集成時代，電氣設計是一個復雜的生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)品決策者，優(yōu)先考慮通過軟件和電氣實現(xiàn)必需的過程決策，最后才是必要的機械執(zhí)行部分，在設計階段就必須考慮后期的維護運營監(jiān)控和智能升級，綠色回收等生命周期因素。電氣設計融入了更多的智能因素和可配置因素，此時仿真已經(jīng)是最基本的需求，更多的開始要求虛擬的設計和實際的物理設備之間的互動，Digital twin作為一種新興的技術，改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計和交付的流程，形成了從產(chǎn)品設計→產(chǎn)品智能聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測和遠程維護→產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析→提供服務→優(yōu)化設計，并且收集的大數(shù)據(jù)再反哺產(chǎn)品制造商，從而進行新產(chǎn)品迭代的閉環(huán)生態(tài)圈。產(chǎn)品設計也不僅考慮產(chǎn)品，更需要考慮和生產(chǎn)環(huán)境的協(xié)同。不僅機械和電氣的邊界模糊，而且研發(fā)和工藝的邊界也開始模糊。

    在此，我觀看過PTC公司演示的一輛智能聯(lián)接的SantaCruzV10山地自行車的亮相向觀眾展示了未來產(chǎn)品可能的存在形態(tài)，物理世界的自行車和數(shù)字世界的Digital Twin，二者交相呼應，在一舉一動中實時交互、協(xié)同。假如你是個野外騎行愛好者，你的運動軌跡和相關數(shù)據(jù)可以實時被實時傳輸和記錄。也了解了背后的機電軟之間的協(xié)同，我感到驚訝。

    電氣4.0時代的很多技術還在探索中，目前還很少批量在生產(chǎn)環(huán)境中使用，但是如何提升機械CAD、電氣CAD，以及與嵌入式和軟件設計的協(xié)同，已經(jīng)是很多廠商思考的問題，并且開始布局。這樣其實盡一家之力已經(jīng)無法解決這個龐大的問題，需要制定行業(yè)標準，開放平臺，更多行業(yè)領頭企業(yè)參與推進。

    回歸到電氣ECAD的功能，與3D CAD的集成要通過布局圖實現(xiàn)自動的布局，連接的線纜也必須按照指定的路徑進行自動的布線，并自動計算線槽的容積率，超出的話，能在允許范圍內(nèi)進行最佳方案的優(yōu)化。線路中允許出現(xiàn)嵌入式的黑盒，或者PLC，可以通過編制程序?qū)﹄姎獾拈]合情況進行驗證確認，然后進一步，驅(qū)動機械部分的仿真。目前NI公司已經(jīng)推出相關解決方案，讓我們看到不少曙光。

    在這一方面，管理平臺在很大程度走到了設計軟件的前列，目前的三大平臺都可以實現(xiàn)機械、電氣/電器、軟件的管理(代碼)，包括基于機械、電氣、軟件的協(xié)同配置，個性化選配的實現(xiàn)，在接觸的企業(yè)和解決方案中，個人認為PTC的Windchill實現(xiàn)的最優(yōu)秀，Windchill+Integrity可以比較完美的解決很大一部分問題。目前還沒有實施過滿足此狀態(tài)的項目，但是，不遠的將來，肯定會有的。

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本文標題：企業(yè)電氣CAD集成PLM管理實現(xiàn)方案思考（上）

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