工程硬件設計主要通過繪制圖紙和列表，以及使用工業軟件自動化輔助設計來實現。產品生命周期管理(PLM)是一種新穎的流程解決方案，旨在在整個生命周期內優化產品和流程的信息流。

1、產品生命周期管理

工程設計的發展歷史

隨著工業革命的發展，工程設計過程，經歷了從手工繪圖到計算機輔助自動設計到產品生命周期管理的各個階段。

世界經濟全球化和工業信息一體化之間發生了進一步的發展。

現在，自動化正與人工智能和物聯網相結合，為傳統制造業提供新的動力。

這個時代一直由智能制造主導，即所謂的“第四次工業革命”。

傳統的工程設計過程，需要結合先進的設計思想和高效的輔助工具來提高競爭力。

作為一種輔助設計工具，工業軟件的出現和發展是“第三次工業革命”的重要標志之一。

目前，開放式工業軟件通常提供良好的二次開發功能，以滿足用戶的定制需求，并幫助用戶更快更好地實現所需的設計狀態。

用戶通常可以添加定制的功能模塊，以實現軟件本身不具備的一些功能。

產品生命周期管理(PLM)是一種流程解決方案，旨在簡化整個生命周期中有關產品和流程的信息流。

這種方法通過一系列功能模塊，確保在適當的環境中隨時可用適當的信息，這些模塊通過軟件的二次開發設計并集成到設計過程中。

這些模塊和軟件有效地緩解了當前工程設計版本混亂、重復設計、人為錯誤和其他挑戰的問題。

PLM不僅是一種先進的設計理念，用于管理在產品創建、使用和回收的整個生命周期過程中生成的數據信息，也是一種逐步統一的管理策略，一種積極的產品創新過程。

在工程硬件設計過程中引入PLM策略，可以優化和改進過程，以避免現有工程設計過程中的常見錯誤。

此類錯誤包括管理缺陷導致的版本混亂、類似設備的重復設計、圖紙中的低級錯誤等。

2、工程硬件設計流程

自動化工具可幫助DCS設計

在數字控制系統(DCS)的工程設計過程中，硬件設計是系統方案設計與過程制造之間的關鍵環節。

建立DCS硬件設計圖紙管理系統的生命周期架構，可以保證早期規劃和部署的有效實施，并改進圖紙管理的迭代設計階段。

數據管理是貫穿整個設計過程和整個生命周期的核心要素之一，以確保圖紙版本的控制，并有效提高工程設計的質量和效率。

工程硬件設計圖的設計過程包括：

圖紙(包括原理圖、布局圖、裝配圖等);

列表準備(包括IO列表、網絡連接列表、端子列表、組件列表、電纜列表等);

檢查(包括原理圖的正確性、布局的合理性、連接的有效性、設備覆蓋范圍等)。

工程硬件設計流程

在編譯過程中，繪制、列表準備和檢查是相互嵌套的，如上圖所示。這三個階段構成了一個循環迭代過程。

在每次迭代中，首先生成圖形，并在生成完成后導出詳細列表。檢查模塊在每個周期后檢查圖紙和詳細列表是否存在錯誤。

3、生命周期體系結構設計

功能體系結構

生命周期管理系統的體系結構包括數據存儲層、調度接口層、業務執行層和管理控制層，如上圖所示。

四層逐層連接，形成完整的數據流和指令流。

數據存儲層存儲和管理底層基礎數據，包括組件庫、初步IO列表、連接關系集和組件集。

調度接口層利用工業軟件的二次開發接口，通過接口功能的調度，統一管理基礎數據。

業務執行層用于實現輔助繪圖、自動檢查和自動生成。

自動檢查功能的目的是生成布局圖和原理圖。它會自動逐個檢查常見錯誤，例如不合理的組件布局和違反布線設計原則。

自動生成功能根據設計圖紙生成相應的信號列表和組件列表。

管理控制層實施圖紙和列表的高級管理，并在圖紙和列表生命周期結束時實現控制功能，包括歸檔、搜索、版本控制、修訂管理和其他功能。

4、功能模塊設計

系統功能框架通過不同的模塊實現特定的功能。

首先，低級代碼設計將核心驅動程序模塊打包并抽象為基于模型驅動概念的函數庫。

然后，框架根據實際需要參考和配置功能庫，以實現多樣化和定制化的功能開發。

部分功能模塊的內容如下：

輔助繪圖模塊

輔助繪圖模塊位于業務執行層，其中包括若干子模塊，例如繪圖優化生成模塊、IO信號填充模塊、電源模式計算模塊和日志數據模塊等。

對于特定項目，在工程硬件設計的初始階段，應在數據存儲層中建立主組件數據庫(包括基本數據、工具數據、用戶數據和規則)。

以DCS為例，基礎數據包括工程材料信息和結構信息，其中包含工程圖紙中所有部件的核心信息。

工具數據，也稱為系統數據，用于維護軟件正常運行。它包括資源管理數據、接口配置數據和功能模塊配置數據。

用戶數據和規則包含構成整個電路的自定義要求和要遵循的規則。

DCS工程硬件圖紙的設計過程按原理圖、布置圖和裝配圖的順序進行。

原理圖包括電源圖、IO模塊圖、網絡連接圖、監控圖、信號隔離圖、信號調節圖、信號旁路圖、硬件邏輯圖等。

布置圖包括機柜布置圖、材料匯總圖等。

裝配圖包括各種設備裝配接線圖。

繪圖優化生成模塊可以根據用戶預設的輸入條件和編碼規則進行批量繪圖輔助。

IO信號填充模塊可以根據預設規則優化IO信號的分配。

電源模式計算模塊，可以根據用戶需求優化和匹配機柜的電源模式。

輔助繪圖模塊為工程師提供了方便有效的輔助模式，可根據實際工程特點進行配置，提高繪圖效率。

列表編譯模塊

列表編譯功能位于業務執行層，主要包括以下子模塊：圖紙讀取模塊、模板選擇模塊、數據集成模塊和列表填充模塊。

IO列表、網絡列表和終端列表主要描述了硬件設計中IO信號與機柜內外網絡信號之間的關系。

主要信息包含在硬件設計原理圖中。

設備材料清單主要根據布置圖和裝配圖中的設備部件信息編制。

同樣，電纜列表反映了設備的詳細接線關系以及機柜間電纜的主要信息。

主進程的讀取列表生成模塊如下：

繪圖模塊與接口層、調度過濾器和對象查找器的功能一起從存儲層數據讀取和調用數據，然后根據相應的模板選擇模塊形成列表的臨時數據庫。

然后使用數據集成模塊將數據結構調整為模板的格式，并使用填充模塊將列表填充到Excel電子表格中，以完成列表的自動生成。

錯誤檢查模塊

圖紙和列表的錯誤檢查是生命周期管理的重要組成部分，它對應于功能框架中的管理控制層。

該模塊可提供以下五個基本功能：

1)設計數據的版本管理，可以避免由于版本控制不佳而導致的錯誤;

2)設計數據的可追溯性管理，可解決采購或加工來源多的問題;

3)設計數據的電子審批，可優化紙質文件審批控制流程;

4)設計數據的變更管理，可以解決圖紙變更過程的問題;

5)項目管理，包括資源管理、項目進度管理等。

5、漳州核電廠應用

以數字控制系統(DCS)設計過程中的電氣設計軟件EPLAN為例，在漳州核電廠HPR 1000安全DCS項目中應用并驗證了生命周期體系結構設計的主要功能模塊。

EPLAN電氣設計軟件二次開發界面通過編程語言支持基本的動態鏈接參考庫。示例包括Eplan.EplApi.Base、Eplan.EplApi.MasterData和Eplan.Epl Api.DataModel。

通過初始化函數(OnInit())和退出函數(OnExit())，它可以將執行自動化功能的自定義函數組合為注冊函數(OnRegister())和執行函數(Execute())以實現二次編程。

可以基于工程硬件設計圖紙的生命周期管理概念，構建一整套設計管理流程。

結合自動設計軟件的二次開發，提出并實現了一系列軟件設計的輔助功能模塊，并在實際工程項目中得到有效應用。

后續研究可以進一步結合低代碼設計的概念，加強多樣化定制開發的目的，并有助于使自動化輔助設計工具更符合實際工程要求。

(本文編譯自NEi網，原文《Lifecycle management of nuclear I&C design》)

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