西门子协同自动化设计解决方案

      传统的工业设备的设计流程是串行工程，机械、电气和自动化工程之间手动同步，风险大、耗时且易出错。西门子的NX自动化设计器（Automation Designer），它遵循当今工业设备的设计步骤，利用关键功能改进设计过程，促进不同学科之间的沟通协同，提供全新的协同自动化设计解决方案。

1.   工业设备设计面临的挑战

      当你设计制造一台工业机器、设备或者生产线的时候，工程领域涉及许多学科，机械、电气和自动化学科等，不同学科之间的沟通和协作非常重要。这不是一件容易的事，因为不同学科的工程师对机器设备的看法都不相同，他们专注于他们领域扮演的角色和他们需要做出的决策。这些学科必须尽可能无缝地工作，以实现他们的共同目标。

      传统的工程流程是串行工程，机械、电气和自动化工程之间手动同步，它风险大、耗时且容易出错。生产设备的自动化程度和变化程度越来越高，从项目开始到结束，整个过程中不同学科都在进行变更的迭代和人工信息交互。迫于制造效率和上市速度的压力，从而将现有的串行工程方法推向了极限。所以，我们需要寻找新的多学科协同的方法。

      大家知道问题的处理是最昂贵的。交付设备的最大成本因素是处理工程中的错误，以免造成大量返工。所以，工业设备制造商必须尽早使用虚拟调试方法识别问题，或者更好地利用协同工具来避免问题发生。工业设备设计的现状及挑战如图1所示。

      图1.工业设备设计的现状及挑战

        针对工业设备研制面临的挑战，西门子提供了自动化设计器（AutomationDesigner），这是NX的一个新功能，就是来解决多学科协同设计的问题。下面就来为大家分享西门子的面向机械行业的协同自动化设计解决方案。

2.   什么是自动化设计器（Automation Designer）

        自动化设计器让来自机械、电气和自动化学科的数据可以集成在单个工具中,提供中心式设计应用及界面。使用自动化设计器，我们可以并行处理相同的数据，并提供基于规则的电气和自动化设计工程。自动化设计器由同一数据链支持，所有学科都由一个库进行管理，最终实现工业设备的机电一体化设计工程。参见图2自动化设计器Automation Designer。

 图2.自动化设计器(Automation Designer)

3.   西门子协同自动化设计解决方案

        西门子协同自动化设计解决方案利用NX的自动化设计器、MCD（机电一体化设计）虚拟调试、NX产线设计等功能来实现，主要包含图3所示的四个方面的关键功能，包括：统一的机电库\模板\产品库、多学科的系统设计、功能设计、自动化设计、电气设计等。

        同时协同自动化设计解决方案又提供了一系列新的核心技术，包括集成的电气和自动化数据模型，与机械设计数据的集成和协同，机电一体化模板和基于规则的工程自动化任务等。

图3.西门子协同自动化设计解决方案

      下面详细阐述西门子协同自动化设计解决方案的以下几个关键功能。

机电库/模板/产品库

      机械电子模板和库——可扩展分类（classification ）结构，可以使用类型、产品和模板来创建和管理库，库存储在Teamcenter中，带有模板的功能（ Functional ）工程。可以预定义解决方案中的所有对象，包括EPLAN宏、程序块（ program blocks ）和标记（Tags），可以预定义对象之间的所有关系，如方面结构(aspect structures)和连接(connections)。

     产品库——项目中使用的产品保存在产品库中，如传感器（ Sensors ）和执行器（ Actuators ）、自动化硬件（Automation Hardware）、电缆（ Cables ）、机柜（ Cabinets ）等。产品可从eCl@ss导入，从制造商处获取eCl@ss产品信息，例如从西门子，CAx下载经理处获取（包括结构和工程信息），使用可配置映射创建产品，同时自动化产品可以与TIA portal博图交换。

     机电库/模板——将用于定义可重用模块的机电一体化模板及库存储在Teamcenter 重用库中，并根据需要重用它们。机电一体化模板定义跨机械、电气自动化学科的标准模块。通过将包含符号的EPLAN 示意图集成到数据模型中，用户可以使用正确的参考名称修改每个实例以发送到 EPLAN。通过定义有关如何构建 ECAD 原理图的规则并自动化流程，节省时间和精力。

图4.机电库/模板/产品库

      机电库/模板/产品库的价值：设备的大多数部件都包含类似的功能和标准模块。无论何时想设计一台新设备，用户都可以使用机电库/模板/产品库的一体化标准对象来减少手动工作并提高工程效率。将库对象（包括电气和自动化部分）插入到项目中。使用可重复使用的模块化功能模板减少工程工作。同时，制定设计标准，提高电气和自动化设计的质量。

多学科系统设计

      可以将机械、电气和自动化三个学科都引入一个系统的同一个界面中，用相应的电气和自动化对象增强机械模型，通过将机械、电气和自动化设计链接在一起，实现机电一体化对象的自动生成，消除接口和数据传输。在自动化设计器界面中可以看到机械设计的三维模型，电气设计的结果等，能够通过与机械工程并行启动来节省时间。在NX自动化设计器中有多个视角的导航器，方便用户查看不同学科的过程数据，例如功能导航器中的功能设计可以包括自动化数据，例如PLC代码块等；位置导航器让电气设计人员进行电气部件的参考指派，指定其位置；产品导航器也可用于构造其数据，查看所有购买的设备及元器件清单。该工具还可以预览集成到模型中的EPLAN 电气示意图信息。

      这三个方面允许通过拖放基于 IEC 81346 规范构建参考指定。另外，NX自动化设计器集成了自动化硬件和软件，并为自动化工程师提供自动化导航器，以便他们可以在博图中熟悉的结构中查看数据。数据交叉高亮显示使工程师能够有效地传达项目中的数据。所有学科都可以在同一重用库中存储和管理各自的数据。允许每个学科单独管理自己的数据又保持一致性，帮助各学科进一步协同。自动化设计器可以链接到自动化软件博图全局库。有了这个集成模型，电气工程师只需做自己的工作，并配有集成的自动化数据，即可完成自动化工作。参见图5.多学科系统设计。

图5.多学科系统设计

      多学科系统设计的价值：所有学科之间协作，提高了工程效率。用户可以同时查看同一个项目，并拥有所需的所有数据。从机电模板快速创建大部分电气和自动化设计，消除重复数据输入或传输，保持机械、电气和自动化工程之间的数据一致性。

功能设计

      基于需求的功能设计，目前这些功能模型通常用文字、电源点或 visio书写输入，并且未集成到任何数据模型中。在自动化设计器中，可以将需求的功能构建为包含每个对象设备的功能模型，以便可以重用数据来执行工程任务，这些技术可以保存在中央库中，以便随时重复使用。

      自动化设计器支持定义项目分解结构（ breakdownstructure ），包括功能（ Function ）、位置（ Location ）和产品（ Product ）方面（ Aspect ）的Automation Designer项目结构定义。支持定义电气功能和设备（ functions & devices ），例如电机变速等。支持单独或使用模板插入电气和自动化设备。参见图6.功能设计。

图6.功能设计

      功能设计的价值：在同一个工程环境中进行功能（Functional ）设计，通过系统支持的功能实现高效工程。

电气设计

      自动化设计器的电气设计功能实现了EPLAN集成，内置了产品选择、硬件配置，可以为现场设备分配工作流，可以基于电气设计，创建基于规则的电气原理图。详细的功能描述如下，参见图7.电气设计。

图7.电气设计

      电气设计功能支持定义目录零件：将库中的产品（products ）分配给设备（devices），并利用器件特性和器件功能结构指导选择，寻找合适的辅助产品。

      支持定义电气基础架构(infrastructure)及PLC组态(configuration)：分析用电设备，从库对象为PLC、阀组（ Valve Manifolds ）等创建硬件组态（ HW Configuration ），将标记（Tags）连接到I/O通道并定义I/O标记地址(tagaddress)和名称。

      支持基于规则的电气原理图(schematic)创建：工程对象的EPLAN宏导入与分配，基于AutomationDesigner的电气设计数据生成EPLAN原理图，提供最终ECAD文件，并验证工程数据。

      电气设计的价值：通过单一工作流程、电气和自动化专业的一致数据节省时间，OOTB的生成功能消除了对“自制”工具的需求。通过启用图形和批量工作流，降低项目工程的复杂性，并提高灵活性。

自动化设计

      自动化设计器的自动化设计功能主要是实现了基于用户界面的TIA门户交互，由于与TIA 门户的强集成，可以直接向 TIA 生成软件和硬件，可以为特定站点分配软件，处理多个站点，允许基于规则的PLC软件生成，其结果在自动化设计器中直接可见，并直接进行验证检查。详细的功能描述如下，参见图8.自动化设计。

图8.自动化设计

      自动化设计支持定义程序块（program blocks）：在TIA Portal中创建和测试软件块，STL、FBD和LAD的动态化，支持SCL，在自动化设计器中导入软件块，并将软件块发布到TC库，允许定义表达式以在实例化和工程期间链接对象值。自动化设计支持定义程序结构和基于规则创建PLC程序：通过使用模板创建结构，过程中可以使用动态部件查看程序块，编辑调用的调用参数（特定于项目），支持PLC站的软件分配，最终通过TIA门户导出和验证硬件和软件。

      自动化设计的价值：通过基于标准的软件生成提高质量，保持与生成的EPLAN项目的数据一致。面向TIA门户的OOTB生成，从而消除了In-house编程。消除了自动化工程师的双重工作。

4.   总结

      西门子协同自动化设计解决方案完美的解决了机械、电气和自动化多学科之间的协同设计，通过知识重用减少工程师的工作量；通过更快的工程变更，提高工程解决方案质量；通过一致的机电一体化数据模型和基于规则的工程降低风险，保持对复杂工程解决方案的控制；通过增强的数字孪生技术减少准备工作量，从而加快虚拟调试；使用 OOTB 软件产品节省 IT 维护成本。