核仪控设计的生命周期管理

工程硬件设计主要通过绘制图纸和列表，以及使用工业软件自动化辅助设计来实现。产品生命周期管理(PLM)是一种新颖的流程解决方案，旨在在整个生命周期内优化产品和流程的信息流。

1、产品生命周期管理

工程设计的发展历史

随着工业革命的发展，工程设计过程，经历了从手工绘图到计算机辅助自动设计到产品生命周期管理的各个阶段。

世界经济全球化和工业信息一体化之间发生了进一步的发展。

现在，自动化正与人工智能和物联网相结合，为传统制造业提供新的动力。

这个时代一直由智能制造主导，即所谓的“第四次工业革命”。

传统的工程设计过程，需要结合先进的设计思想和高效的辅助工具来提高竞争力。

作为一种辅助设计工具，工业软件的出现和发展是“第三次工业革命”的重要标志之一。

目前，开放式工业软件通常提供良好的二次开发功能，以满足用户的定制需求，并帮助用户更快更好地实现所需的设计状态。

用户通常可以添加定制的功能模块，以实现软件本身不具备的一些功能。

产品生命周期管理(PLM)是一种流程解决方案，旨在简化整个生命周期中有关产品和流程的信息流。

这种方法通过一系列功能模块，确保在适当的环境中随时可用适当的信息，这些模块通过软件的二次开发设计并集成到设计过程中。

这些模块和软件有效地缓解了当前工程设计版本混乱、重复设计、人为错误和其他挑战的问题。

PLM不仅是一种先进的设计理念，用于管理在产品创建、使用和回收的整个生命周期过程中生成的数据信息，也是一种逐步统一的管理策略，一种积极的产品创新过程。

在工程硬件设计过程中引入PLM策略，可以优化和改进过程，以避免现有工程设计过程中的常见错误。

此类错误包括管理缺陷导致的版本混乱、类似设备的重复设计、图纸中的低级错误等。

2、工程硬件设计流程

自动化工具可帮助DCS设计

在数字控制系统(DCS)的工程设计过程中，硬件设计是系统方案设计与过程制造之间的关键环节。

建立DCS硬件设计图纸管理系统的生命周期架构，可以保证早期规划和部署的有效实施，并改进图纸管理的迭代设计阶段。

数据管理是贯穿整个设计过程和整个生命周期的核心要素之一，以确保图纸版本的控制，并有效提高工程设计的质量和效率。

工程硬件设计图的设计过程包括：

图纸(包括原理图、布局图、装配图等);

列表准备(包括IO列表、网络连接列表、端子列表、组件列表、电缆列表等);

检查(包括原理图的正确性、布局的合理性、连接的有效性、设备覆盖范围等)。

工程硬件设计流程

在编译过程中，绘制、列表准备和检查是相互嵌套的，如上图所示。这三个阶段构成了一个循环迭代过程。

在每次迭代中，首先生成图形，并在生成完成后导出详细列表。检查模块在每个周期后检查图纸和详细列表是否存在错误。

3、生命周期体系结构设计

功能体系结构

生命周期管理系统的体系结构包括数据存储层、调度接口层、业务执行层和管理控制层，如上图所示。

四层逐层连接，形成完整的数据流和指令流。

数据存储层存储和管理底层基础数据，包括组件库、初步IO列表、连接关系集和组件集。

调度接口层利用工业软件的二次开发接口，通过接口功能的调度，统一管理基础数据。

业务执行层用于实现辅助绘图、自动检查和自动生成。

自动检查功能的目的是生成布局图和原理图。它会自动逐个检查常见错误，例如不合理的组件布局和违反布线设计原则。

自动生成功能根据设计图纸生成相应的信号列表和组件列表。

管理控制层实施图纸和列表的高级管理，并在图纸和列表生命周期结束时实现控制功能，包括归档、搜索、版本控制、修订管理和其他功能。

4、功能模块设计

系统功能框架通过不同的模块实现特定的功能。

首先，低级代码设计将核心驱动程序模块打包并抽象为基于模型驱动概念的函数库。

然后，框架根据实际需要参考和配置功能库，以实现多样化和定制化的功能开发。

部分功能模块的内容如下：

辅助绘图模块

辅助绘图模块位于业务执行层，其中包括若干子模块，例如绘图优化生成模块、IO信号填充模块、电源模式计算模块和日志数据模块等。

对于特定项目，在工程硬件设计的初始阶段，应在数据存储层中建立主组件数据库(包括基本数据、工具数据、用户数据和规则)。

以DCS为例，基础数据包括工程材料信息和结构信息，其中包含工程图纸中所有部件的核心信息。

工具数据，也称为系统数据，用于维护软件正常运行。它包括资源管理数据、接口配置数据和功能模块配置数据。

用户数据和规则包含构成整个电路的自定义要求和要遵循的规则。

DCS工程硬件图纸的设计过程按原理图、布置图和装配图的顺序进行。

原理图包括电源图、IO模块图、网络连接图、监控图、信号隔离图、信号调节图、信号旁路图、硬件逻辑图等。

布置图包括机柜布置图、材料汇总图等。

装配图包括各种设备装配接线图。

绘图优化生成模块可以根据用户预设的输入条件和编码规则进行批量绘图辅助。

IO信号填充模块可以根据预设规则优化IO信号的分配。

电源模式计算模块，可以根据用户需求优化和匹配机柜的电源模式。

辅助绘图模块为工程师提供了方便有效的辅助模式，可根据实际工程特点进行配置，提高绘图效率。

列表编译模块

列表编译功能位于业务执行层，主要包括以下子模块：图纸读取模块、模板选择模块、数据集成模块和列表填充模块。

IO列表、网络列表和终端列表主要描述了硬件设计中IO信号与机柜内外网络信号之间的关系。

主要信息包含在硬件设计原理图中。

设备材料清单主要根据布置图和装配图中的设备部件信息编制。

同样，电缆列表反映了设备的详细接线关系以及机柜间电缆的主要信息。

主进程的读取列表生成模块如下：

绘图模块与接口层、调度过滤器和对象查找器的功能一起从存储层数据读取和调用数据，然后根据相应的模板选择模块形成列表的临时数据库。

然后使用数据集成模块将数据结构调整为模板的格式，并使用填充模块将列表填充到Excel电子表格中，以完成列表的自动生成。

错误检查模块

图纸和列表的错误检查是生命周期管理的重要组成部分，它对应于功能框架中的管理控制层。

该模块可提供以下五个基本功能：

1)设计数据的版本管理，可以避免由于版本控制不佳而导致的错误;

2)设计数据的可追溯性管理，可解决采购或加工来源多的问题;

3)设计数据的电子审批，可优化纸质文件审批控制流程;

4)设计数据的变更管理，可以解决图纸变更过程的问题;

5)项目管理，包括资源管理、项目进度管理等。

5、漳州核电厂应用

以数字控制系统(DCS)设计过程中的电气设计软件EPLAN为例，在漳州核电厂HPR 1000安全DCS项目中应用并验证了生命周期体系结构设计的主要功能模块。

EPLAN电气设计软件二次开发界面通过编程语言支持基本的动态链接参考库。示例包括Eplan.EplApi.Base、Eplan.EplApi.MasterData和Eplan.Epl Api.DataModel。

通过初始化函数(OnInit())和退出函数(OnExit())，它可以将执行自动化功能的自定义函数组合为注册函数(OnRegister())和执行函数(Execute())以实现二次编程。

可以基于工程硬件设计图纸的生命周期管理概念，构建一整套设计管理流程。

结合自动设计软件的二次开发，提出并实现了一系列软件设计的辅助功能模块，并在实际工程项目中得到有效应用。

后续研究可以进一步结合低代码设计的概念，加强多样化定制开发的目的，并有助于使自动化辅助设计工具更符合实际工程要求。

(本文编译自NEi网，原文《Lifecycle management of nuclear I&C design》)