标准的设计流程(如何将机械结构做统一的标准化？)

Posted 2023-05-29

篇首语：恐惧自己受苦的人，已经因为自己的恐惧在受苦。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了标准的设计流程(如何将机械结构做统一的标准化？)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

标准的设计流程(如何将机械结构做统一的标准化？)

自动化设备是机电信息一体化的综合体，完整的标准化就是机械、电气、控制以及信息四个层面的完整的标准化；所以，当谈论设备标准化概念的时候，也必须是从上述四个维度描述，只涉及其中一个方面，那不是完整的标准化，只是设备开发过程中某个专业的一致化而已；

三百六十行，设备种类千千万万，所以想将设备的机械结构做统一的标准化，那肯定是痴人说梦；所谓的四个层面的完整标准化其实是指各个专业的一致性，所以机械机构的标准化也是指在标准化过程中的一些和其他专业一致性的知识；

国内一些设备开发或者项目实施过程中，基本都是各个专业相对独立实施；当机械完成设计后，一般出具的都是设备清单和零部件图纸（一）用于指导采购部门进行标准件和外协件的采购（二）用于指导机加工人员的机械加工（三）用于设备装配过程的指导；

若设备或者项目实施只有机械开发，那这个过程堪称完美，绝对没有问题；凡事就怕但，但一个设备完成机械以后，后续还需要电气、控制协作才能检测机械工艺的完整性，才能测试设备或者项目的实用性适用性等来满足客户或者市场需求；

说到这，是不是发现了很多设备或者项目开发过程中，机械专业完成后没有给后续专业做好工作交接，没有出具相关文档指导后续专业的工作指导；

即使是机械专业出具的图纸你都可能会发现：

（一）工艺描述太过简单，基本都是一句两句话总结；更甚的是，很多没有工艺描述，都是其他专业人员工作中发现不明之处再来和机械专业讨论

（二）图纸表达比较混乱，除了图示没有其他任何信息，更不要说详细的设备信息清单（三）很多命名都是临时起意或者太过随意，没有一个统一专业的标准思路，无法用于指导后续专业工作

（四）设备工艺接口没有研究考虑，无法明确设备需要对外的接口种类和数据量。

所以，机械（工艺）专业是任何一个设备开发或项目实施过程中的根本，是最重要一环；只有这一环工作做的完整详细，那整个设备的开发或者项目的实施才能得到一个完美结局，同时也能将上述工作中的一些缺陷得以克服，实现高效、舒适的工作，提高设备（项目）的质量进度；

故本章的内容主要描述的是机械（工艺）专业在设备开发或者项目实施过程中，怎么利用标准化的思路将设备工艺的信息准确完整的表达传递，并用于指导后续各个专业在设备开发或者项目实施过程中的工作；

0.1. 设备命名（ID）标准

一个人在现实社会中都会有一个唯一的ID，这个就是你的身份证号码，它包含了你的出生地以及年月日等信息；跟这个类似，设备开发或者项目实施过程中也必须按照一定的规则命名设备，一般的原则也是按照区域地点的方式，来表达一个设备或者一个项目实际的位置定位；

图 1‑1 : ISA88定义的设备模块分解图

上图是OMAC组织为包装行业定义的设备模块分层的架构模型，从这个模型中可以看到整个架构是从公司逐步向下拆分，直至具体的某一个控制模块；这就意味着，不管这个企业设备有多少，设备上的每一个零部件，每一个元器件都能获取唯一的一个ID，就跟我们整个社会为每个人分配的唯一的身份ID一样；

OMAC (TheOrganization for Machine Automation and Control)是开放式模块化结构控制的缩写。OMAC 是一个非盈利性的用户组织，由许多大型国际公司自发组成，拥有约500 名成员。西门子是 OMAC组织的成员。

OMAC的包装工作组集合了来自技术供应商、OEM、系统集成商和终端用户的多方一致的讨论和达成一致，生成了PackML指南，作为一种方法来展示如何将ANSI/ISA-88.00.01的概念扩展到包装机械中。

为了能满足提供一致的标签系统，OMAC组织将设备从上到下分为企业à位置à区域à工艺单元(ProcessCell)à部件(Unit)à设备(EquipmentModul,简称EM) à元器件(ControlModule,简称EM)。

企业到区域其实是属于公司层面的设备管理系统划分，作为标准化而言，设备名称的定义关注的是图1-1中Process Cell及以下部分的设备；

除此之外，在标准化中设备的名称还是后续电气和控制工程师工作的基础信息，电气图纸中的设备名称和IO符号的名称，都要基于该设备名称来命名；

图 1‑2 : 设备名称信息在程序中的体现图 1‑2 : 设备名称信息在程序中的体现

就如上图所示一样，红框中的符号都是设备的外部IO，可以看到这些符号中都有设备名称；在标准化程序中，程序框架和设备程序都是固定的，若符号能跟设备名称关联，然后整个控制系统中定义好不同的元器件的名称，那整个程序后续可以利用XML文本编辑语言做成一个自动生成程序的工具；另外，若要复制一个这类设备的程序，那复制后的程序也只要修改这个设备名称即可，而其他地方都是完全相同，这样更加便利高效；

同图1-1的原理一样，在设备开发或项目实施过程中，我们按照对象的位置和功能来定义其名称，即INDENTITY。这里称之为对象，是因为这个名称不单是一个设备或项目命名，而是整个设备或项目中所有相关元素的名称命名；

图 1‑3 : 不同控制系统类型

在设备开发或者项目实施过程中，我们的控制系统都可以在上图中找到与之匹配的控制体系；有的设备或项目只有一个PLC控制器(控制单元)，有的设备或者项目是由多个PLC组成；所以，对于设备开发或者项目实施的设备名称的命名是以每一个PLC控制器为最高级别的，在此定义为一个控制区，对应的是ISA88中的Process Cell;一个控制区是一个系统（System）中的一部分，比如一个汽车生产线的某个工段的装配线。

Process Cell推荐用一个4位数的整数表示。若是一个集成项目则可以从0001开始按照工艺布局依次定义。若是单体设备，则建议0000-0999为正在研发设备的代号，其他正式批量生产的设备代码可以根据实际情况自我定义。若公司生产的设备种类繁多，则可以按照一个大类规划数字段，比如1000-1999为某大类产品，2000-2999为某大类产品等，同时也预留一些备用数据段，用于完全不同种类设备的开发。

图 1‑3 : 不同控制系统类型

以一个PLC作为一个工艺单元，那在一个工艺单元中就会由一个或多个部件Unit组成，一个Unit里面又可能包括一个或多个设备(EM)，而一个EM里面也可能包括一个或多个元器件(CM)。根据上图所以，若出现一个0001_01_01_71则代表着这是一个编号为71的元器件，它属于区域0001中第01个部件中的第01个设备中的。

· 工艺单元Process Cell

工艺单元Process Cell是一个系统（system）中的一部分，它完成一个或多个系统功能，和其他Process Cell通过数据和实际设备接口，组成一个完整的多功能的系统（项目）或工厂。

一个Process Cell有它自己的运行模式，可以独立于其他区域启动和停止。这可以在本地完成，也可以从主机级别完成。

Process Cell可以启停一个区域的设备（本地或从主机），仅检测影响一个Process Cell错误和故障，仅收集属于一个Process Cell的设备和产品信息。

一个Process Cell将包含一个或多个部件Unit。

若为一个集成项目，项目中会由不同的PLC区域组成，所以ProcessCell的名称可以按照0001依次递增的方式命名；

若是一个大型流水线，里面的设备按照功能由不同PLC控制，则ProcessCell也可以按照0001依次递增方式命名；

大型流水线中的每一个PLC或者一个单体设备的PLC，还可以按照功能+数字的方式命名，即前两位用功能的英文简写表示功能，后两位用数字代表不同的迭代产品；比如一个打包机的Process Cell可以命名为：PK01，其中PK表示Pack,01表示该设备的版本为01的设备。

· 部件Unit

部件Unit可以是指某一类设备的集合，比如一个分拣项目中的输送线Unit;也可以是一个设备中的完成一个功能的设备集合，比如包装设备中的机械臂组件，它就是由横移电机、升降电机以及一些辅助气缸组成。所以，Unit可以定义为在一个Process Cell中完成某种功能的设备的集合，Unit作为一个独立对象被看待，在和其他设备或者Unit通过工艺接口后，可以实现一种Process Cell中的功能，比如机械臂抓取功能。

一个Unit受控于其所在的ProcessCell，即受Process Cell的启停指令控制，也可以根据工艺需求设置独立于其他Unit的启动和停止控制按钮。

当Unit是一个功能整体而非功能集合的时候，Unit仅检测影响一个Unit的错误和故障，仅收集属于一个Unit的设备和产品信息。

一个Unit将包含一个或多个设备Section。

Unit的名称(INDENTITY)由两位数据组成，名称(INDENTITY)号依次由01开始逐次递增；需要说明的是，并不是每一个Section都是一个Unit,而是应该按照功能组成一个Unit;

某一部分的设备由一个一个单个Section组成，他们共同完成了一部分功能比如输送功能，那这些所有的设备组成的一段应该分配成一个Unit的名称(INDENTITY)；

还有一些设备由于功能的需要，由多个Section组成，比如上面说到的机械臂系统，由行走和升降两部分组成，此时跟机械臂由关联的所有Section应为一个Unit的名称(INDENTITY)；

Unit的名称(INDENTITY)建议由01开始逐步向上递增的奇数组成；

· 设备EM

设备EM是实现基本系统功能的最小机械/软件系统构建块，即这是执行一个完整工艺的最小部分。

EM由机械工程师按照标准化原则设计，在标准化程序中都会有一个与之相匹配的标准的功能块FB，因此，软件的构建方式与机械分段的方式相同，就像机械系统的构建方式一样。

EM仅检测影响一个EM错误和故障，仅收集属于一个EM的设备和产品信息。

一个EM将包含至少一个控制单元CM。

EM的名称(INDENTITY)由两位数据组成，名称(INDENTITY)号依次由01开始逐次递增；

若EM的Unit只是一些相同功能的EM的集合的话，那EM的名称(INDENTITY)应该01开始逐次递增的奇数；

若EM的Unit是一个独立功能的设备，因为该功能已经是标准的，所以里面的EM的数量是不会再变化的，那该Unit里面的EM的名称(INDENTITY)可以是01开始逐次递增的自然数；

· 控制单元CM

控制单元(CM)是安装在机械对象上的各种传感器和执行器，它们是控制该机械部分所必需的。主要包括一些电机（阀门）、光电开关、接近开关。。。。。。等等为工艺而设计的电子元器件。CM是设备模型中最底层的单元，也是软件模型中最底层的控制对象。

由于CM种类繁多，且有的CM是需要完成一些基础功能的，所以CM的名称最多由5个部分组成，前面2个部分为数字，表示该种CM的功能代码；后面最多的3位为元器件名称的简写，用于表示是什么元器件；

比如在物流系统中，有的光电只是用于设备的保护功能，但有的光电还需要进行滤波跟踪功能，所以在物流系统中光电开关至少可以有两种功能代码；

下表就是常见的一些控制模块的命名示范，可以用于标准化设备开发的借鉴。

表 1-1 : CM的名称(INDENTITY)示意简表

每一个行业或公司应该根据自身特点，建立类似的CM的名称(INDENTITY)分类表，这样即可做到设备所有的机械和电子元器件都能获得一个唯一的名称(INDENTITY)；

上述所描述的设备的名称(INDENTITY)都是指机械以及依附于机械设备上的电气元器件的命名原则，只有CM部分需要根绝行业做总结。而且CM的名称(INDENTITY)部分的命名由两部分（代码+简称）组成，所以绝对足够后续的CM种类和功能的更新和增减；

0.2. 工艺标准化

我们现实社会中的公民除了身份名称(INDENTITY)，在整个社会体系中还扮演着老师、工人、科学家等角色，这就是我们人类的角色或者说职责；类似的，在标准化体系中也需要将EM(Unit)的功能体现出来，这样才能形成对应的标准化的程序，否则上文的名称(INDENTITY)只是一个名称(INDENTITY)而已，控制系统中无法将其功能实现出来；

设备的工艺名称(INDENTITY)就是现实机械设备和控制程序对接的一个桥梁；在设备布局图中只要标出设备名称(INDENTITY)即可，但不管是机械还是控制工程师，对于同一台设备的工艺名称(INDENTITY)的定义和认识必须是一致的，这样两个专业的工艺思路才能正确对接；

所以，工艺名称(INDENTITY)其实就是对设备的工艺进行标准化定义，这样所有专业对于同一设备的工艺都有一致的理解，使各个专业的工作的目标都是一致的；

任何工艺设备标准化的内容包括标准的机械工艺、标准的电气设计以及与之对应的标准程序，同一种设备由于工艺的细微不一样，可能存在不一样的电气和程序。所以工艺命名由4个部分组成，其中前两位用于表示具体功能，一般用功能的英文简写表示；后两位用于表示功能的不同种类，一般用数字来区分。

若要实现工艺标准化，那应该从以下几个方面进行考虑和设计：

· 工艺描述必须定义适应的产品

不同规格产品需要不同的设备匹配生产，比如设备的外形尺寸就决定了设备的外形尺寸以及可能存在的转弯半径；

不同重量的产品也需要不同的设备来驱动，这决定了机械设计过程中驱动参数的下限，也决定了设备的承载能力；

· 工艺描述必须量化

任何设备都是用于生产产品或实现一些过程工艺，不管哪种都会有设备能达到的最终生产精度；所以在描述这些工艺设备的时候必须用定量数据来描述，比如说设备的产量或者生产的产品的质量等；这些数据就决定了我们标准化设备的一些运行数据，比如要实现不同规格产品某种产量的时候就决定了设备需要的生产速度，又或为实现产品达到特定的质量要求的所需要的工艺参数的要求（比如温度要求）等等。

所以，既然是标准化的设备，那在适用产品的前提下就应该将目前能达到的设备运行参数和其匹配的生产数据匹配出来，这既是标准化设备的运行数据，也是后续产品更新迭代的数据基础；

表1-2 : 工艺标准化运

行数据示意

注：HL为合流的拼音的缩写，是一种物流系统中的合流设备；

类似上表1-2一样，标准化的设备工艺描述一定是在具体的数据下才能体现出实际能力，而且这个数据是标准化设备中已经实现的，可以随时批量生产；后续若要提高产量，那这些数据就是新设备开发的基础；等待新设备开发出来后，HL类的设备就可能又会多出一个HL03；

· 工艺描述必须表明设备接口关系

不管设备的开发或者项目的实施，某个单独执行器肯定和外部设备有接口关系，用于产品或者数据的传递；

在标准化设备中就必须对此说明，比如表1-2中除了HL设备的速度，在后面还有导入类型和速度，这就是HL设备在硬件上的设备连接以及对应的不同速度组合下的产量关系；

当然不能只是用一个表格用以说明，在文档中应该描述这些接口关系存在的场所和可能的变换关系，这样有利于工程师应用的灵活多变，也能间接向客户表明这些设备可能存在的不同形态的设备样式组合；

· 工艺描述必须说明不同结构

如上表的HL01和HL02，虽然他们实现的功能可能是类似的，但由于一些细微的差别可能会导致一些硬件和软件上的不同；

比如HL01是单向运行的设备，而HL02是双向运行的设备，虽然这两个版本的设备都是实现产品的合流功能，但在硬件层面上HL02就得实现电机正反转，HL01就不需要增加反转硬件，对应的软件模型也必须有正反向运行的底层功能块；

除了这种以外，有的设备虽然实现的功能是类似，但应用在不同的场所内部的传感器种类和数量会有一些不一样，这也是相同功能的标准化设备的不同应用场景，对应的硬件结构和软件模型也都必须一一对应；

但有的时候即使硬件不一样，但可能的版本标号还是一样的。比如有的行业的控制电压是220V，而有的行业的控制电压是24V，这只是硬件需求不一样，但主体结构是没有变化的，所以这个时候的版本标号可以是同一个，对应的软件模型也是不需要更改的；

· 工艺描述必须说明功能应用

不同形态的设备对应的程序功能块FB（如上表，一个FB至少对应一种标准设备）必须在描述中得到清晰体现，同时还要详细描述不同设备可能存在的功能的区别和差异化，能体现不同FB块的差异化；同时，还要明确说明这些FB可以在哪些地方调用，不同调用环境下是否有不一样的设置和要求；当然，一些基础的功能，比如在控制系统中怎么启停和保护的，肯定也要得到必要的说明；

此外还应该描述这些功能块的调试方法，在调试过程中哪些参数可以调节及其影响的工艺过程；同时，还要说明调试过程中常见错误的调整和修正，这样更能加深工程人员对设备的了解；

· 其他说明

其他由于行业特点还需要在标准化设备中体现出来的设备内容；

通过上述描述，我们肯定发现一个企业或者行业的标准化设备可能会很多，比如有HL设备也可能有FP设备，这样就需要在工艺描述的时候做好文档管理，制定一个严格的可以扩展的文档体系，这样所有的可能的标准化设备都有一个对应的文档编号（还有版本），这样当把所有标准化设备归纳完全后，整个公司或行业的标准化工艺就能形成一个巨大的财富宝库，这既是后续新工艺开发的基础，也是培养新进工程师的实用化的技术材料；

0.3. 机械专业的交接

当机械专业根据客户需求或者合同要求做完设计以后，机械工程师应向后续专业工程师传递包括但不限于以下相关内容的说明，便于后续各个专业的工作思路能够保持一致性；

· 设计方案说明：包括但不限于如下几个方面内容

a. 整体设备设计方案描述，包括设备的整体工艺描述，设备的整体要求（比如处理量等整个设备的关键参数）；

b. 分部件描述，包括设计理论计算（主要为电机选型，速度等计算依据以及结果）、部件编码（部件名称(INDENTITY)），部件包含的元器件编码（元器件名称(INDENTITY)）、元器件作用等；

c. 其他有必要描述的事项，比如为电气控制设计的辅助系统，比如电缆路线设计等等；

· 设备布局图纸，图纸上必须包含各个部件以及元器件的位置、编号以及其他必要信息。

· 设备清单表

设备清单表主要为机械设计完成后的相关设备或部件的信息清单，包括但不限于包含设备（元器件）名称、设备（元器件）编码（名称(INDENTITY)）、电机功率、额定电流、额定转速、设备（传输带）运行转速、必要的尺寸等

表1-4 : 设备设计数据表头

以上的内容都要基于现有的标准化设备进行设计，若有新的开发设备那一定要按照既定的规则，先做好新设备的知识收集和归纳总结，形成标准设备的相关文档（各个专业一起）；这样一来，所有专业对于整个设备或者项目都有一致性的知识认知和储备，这样既不会出现鸡同鸭讲的现象，也能大大提高整个设备或者项目的开发实施效率和质量；