CAD技术在maxCHD硬件设计的应用

南京国电南自维美德自动化股份有限公司 范晨晖

1 CAD 技术介绍和优势

1.1 技术介绍

CAD 技术集二维绘图、三维设计、参数化设计、协同设计及数据库通用、互联网通信为一体，作为计算机辅助绘图软件包，广泛应用于电力、机械、电子、建筑等行业。CAD软件可通过平面绘图以多种方式创建平面绘图对象包括直线、圆、多边形、样条曲线等，其良好的用户界面和多文档设计环境，能够让非计算机专业的人更好上手，在不断的工作实践过程中更好的掌握各种技巧从而提高工作效率。主要包括交互技术、图形变换技术、曲面造型和实体造型等，在机械设计中，运用计算机辅助软件，CAD 能拥有良好的人机交互体验，具有丰富的绘图和辅助功能。

在机械方面涵盖了机械设计的全部领域，集绘图、设计管理和数据集成等模块于一体，实现了直接对图纸、序号、明细表、尺寸标注、符号标注等对象的双击编辑。标准化、智能化的机械绘图设计，能很大程度上提高设计人员的绘图效率，使图纸完全符合和企业、行业及国家标准。CAD 应用软件提供几何造型、特征计算、绘图等功能，以完成面向机械、广告、建筑、电气各专业领域的各种专门设计。构造应用软件的四个要素是算法、数据结构、用户界面和数据管理。数据管理软件用于存储、检索和处理大量数据，包括文字和图形信息。

CAD 技术的发展和广泛的应用，使得数据交换的格式和标准化技术也迅速发展起来，在CAD 领域出现图形级标准、图形交换级标准、产品级的数据表达和交换标准等。开放性CAD 系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口95/98/NT 和UNIX 平台上，在Java LINUX 平台上也有CAD 产品，此外CAD系统都为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自已的CAD 系统。智能化设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD 是CAD 发展的必然方向。

从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术对模拟人类的思维活动(包括形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式)往往是束手无策的。因此，智能CAD 不仅是简单地将现有的智能技术与CAD 技术相结合，更要深入研究人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟它。这样不仅会产生高效的CAD 系统，而且必将为人工智能领域提供新的理论和方法，CAD 的这个发展趋势将对信息科学的发展产生深刻的影响。

1.2 CAD 优势

具有完善的图形绘制功能：能以多种方式创建直线、圆、多边形、样条曲线等基本图像，突破传统图纸设计，方便设计人员以不同方式绘图，能够充分发挥设计者的创造能力；有强大的图形编辑功能：一系列图标和快捷指令可实现缩放、拉伸、移动、复制、旋转、阵列、修剪等功能。辅助模式的开启包括正交、对象捕捉、极轴追踪等辅助工具更方便地让用户作图。

具有较强的数据交互能力：能够在图形任何位置、任何方向书写文字，并设定宽度、字体、角度、缩放等属性。可设定标注、实体、中心线等各种颜色图层，在作图时更好的区分不同类别线型，通过锁定、冻结等操作提高作图效率和准确度；针对通用模件高效作图：对于项目中需求到的通用件，在绘制好后可通过块的制作保存在数据库中，在其它图纸中出现的相同通用件的使用时更加方便，并可制作图框从布局空间中显示模型空间，方便图纸的归档及打印操作。

2 南自维美德maxCHD 产品硬件

2.1 机柜

机柜外壳防护等级，室内应为IP52、室外应为IP56。机柜外壳刚板厚度能满足现场要求（最小厚度≥2.5mm）。机柜门应有导电门封垫条，以提高抗射频干扰(RFI)能力，柜门上不应装设任何系统部件。对需散热的电源装置，应提供排气风扇和内部循环风扇。排气风扇和内部循环风扇均应易于更换，风扇故障应有报警，风扇电源应有可靠的隔离措施。

所提供的机柜内应装设温度检测开关，当温度过高时进行报警。机柜内的端子排应布置在易于安装接线的地方，即为离柜底300mm 以上和距柜顶150mm 以下，接线端子排数量布置合理，保证就地电缆接线美观，不采用重叠式接线端子。maxCHD 硬件机柜方面主要包括电源柜、继电器柜、RPU 机柜（控制柜）。柜体尺寸一般可分为三种，分别是800mm(D)×600mm(W)×2200mm(H)、800mm(D)×600mm(W)×2200mm(H)、800mm(D)×600mm(W)×2200mm(H)。

电源柜主要由UPS、保安两路电路组成，包括空开和电源端子，通常根据项目不同需求会添加交换机、切换装置、光纤终端盒等设备，通过冗余设计保证机组的正常供电。继电器柜中所用硬件为继电器板和继电器端子以及风扇空开，正常在一个柜子中纵向安放三排，每排两块继电器端子板及其对应继电器，正面背面相同，如有特殊需求也可在侧面增加导轨进行安装。

控制柜主要内部布置为电源模块、电源端子、机笼（最多五层、通常四层）、终端电阻、卡件、端子组，内部插件数量较多的情况下可在柜子基础上增加一个扩展柜，扩展柜电源取自控制柜，其余原理相同，因此除电源模块和电源端子外其余都可安装。机柜右下方安装1个PSG 接地端子，导轨水平放置，左下方安装有4对UT4端子和7对熔丝端子分别对应电源和控制模块。

网络柜可将交换机、网络适配器、光纤终端盒等设备集成安装，具备电磁隔离、噪声隔离、通风散热、抗震动、抗腐蚀等性能，中间隔板可拆卸，方便安装设备，能保证设备稳定可靠地工作，提高了安装、维修的便捷性；继电器柜中包括继电器端子板和其对应继电器，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用，通过设备放置还可扩大控制范围。

2.2 卡件

卡件存在于控制柜中，一般分为过程控制站DPU，常规I/O 模件，备用等特殊卡件，其中常规I/O 模件包括AI、AO、DI、DO、DO、TC、RTD、CT 等。在对控制柜的设计中可增加一个卡件的详细表格，来使柜内清单更加明了，同时对工作的准确性起到一定促进作用，如表1所示。

表1 卡件的详细表格

对I/O 类型的介绍如下：

模拟量输入AI：4～20mA 信号(接地或不接地)，最大输入阻抗为250Ω，系统应提供4～20mA二线制变送器的直流24V 电源，卡件所有输入通道均应分别有独立的信号隔离设计；模拟量输出AO：4～20mA 或1～5V DC 可选，具有驱动回路阻抗大于600Ω 的负载能力（部分应用回路应具有大于1kΩ 的负载能力），负端应接到隔离的信号地上。系统应提供24V DC 的回路电源，卡件所有输出通道均应分别有独立的信号隔离设计；数字量输入DI：接点接通为1，开回路(电阻无穷大)为0。负端应接到隔离地上，系统应提供对现场输入接点的“查询电压”，“查询电压”为不低于48V DC。

数字量输出DO：数字量输出模件应采用隔离输出，并通过中间继电器驱动电动机、阀门等设备。中间继电器的工作电源应由输出卡件提供；热电阻输入RTD：有直接接受三线(不需变送器)的Cu50Ω、Cu100Ω、Pt10Ω、Pt100Ω 等类型的热电阻能力，提供这些热电阻所需的电源，每一路热电阻输入有单独的桥路或恒流源；热电偶输入TC：能直接接受分度号为E、J、K、T 和R 型热电偶信号(不需变送器)。热电偶在整个工作段的线性化及温度补偿等处理，应在过程站内完成而不需要通过数据通讯总线；脉冲量输入PI：每秒至少能接受6600个脉冲。系统应提供对脉冲接点的“查询电压”。

3 CAD 技术在maxCHD 硬件设计中的应用

3.1 CAD 技术在硬件设计中的重要意义

缩短硬件设计周期。CAD 技术在机械设计中的合理应用，能够满足设计者的绝大部分需求，符合设计理念思路，在原有机械设计方面加入了更加便捷的指令、软件设定多种标准，帮助设计师有效快速地完成设计任务；提高硬件设计效果。CAD 在硬件设计工作的开展中，设计软件可进行模块化设计，将产品化为多个部分分别进行设计，在分别构造模型中，对产品的功能和零件会有更全面的认识，并可及时对设计中存在的不足进行修改和调整，实现直观形象化工作目标；充分发挥设计师能力。在硬件设计中，设计师首先对产品进行思考并进行详细的规划，包括位置摆放、产品性能和操作空间等。

3.2 绘图模板的制作

在图纸集美观整洁或打印方面，根据不同需求作出图框图纸模板。作为通用图框，不仅包含工程名称、合同号、设计人审核人信息、版本和日期等，还将公司印字添加进去。制作图纸模板大概包括以下内容：单位及精度设置，通常是1:1；设置图层，将实体、接线、标注等设置好，方便作图的整齐一致；标注、文字样式设置；标题栏、明细栏的绘制；还可对布局视图、比例进行设置和打印设置等，方便工程师看图。在图纸模板绘制完成后可保存在template 目录下，作图时下拉样板就可看到已经保存的模板文件，根据不同需要，可在标准化A3/A4图纸大小中进行绘图模板的设计，方便于不同类型的图纸需求。

3.3 通用块的制作

在maxCHD 的柜内布置中，大概率会存在相同的插件及其他装置，例如通用卡件、电源切换装置和光纤终端盒等，利用CAD 信息数据库的优势，在空白图纸中将频繁使用的设备进行绘制，利用CAD 的制作块功能将其制作为一个带基点可选择的块，并重命名为一个方便查找的名称，保存在电脑的块数据库中，下次再使用时点击插入块，就可从库中查找已定义的块使用，大大提高了工作效率。当产品库中零件需要更新时，只需要将库中的块增加或者编辑修改后就可进行完整的更新，节约了人工成本。

3.4 通过二次开发软件对接线正确性的检查

二次开发CAD 是在原有设计软件的基础上针对所需要的功能进行编程设计，在需要时只需输入一个命令就可自动完成所需功能，例如对应端子接线的形式，只需要将对应端子绘制完成后点击接线就可实现自动接线的绘图过程，在绘制接线时注意电源和接线端子的走线，包括进线端子、电源模块、电源端子、机笼接口和接地端子等，绘制好端子图后在接线图中，通过CAD 的二次开发软件可自动生成接线图中每个端子对应的接口，在接口中检查是否对应正确，在项目中相同模件的接线中可保证准确率直接生成，着重于对特殊端子接线的检查，全面实行了机械设计的变量化和数据化。

3.5 扩大产品结构继承性

使产品系列化，零部件通用化和标准化。产品系列化是对产品使用条件相同、设计方法相同和结构与功能相同的产品将本身的尺寸和结构按照一定的规律编排，建立一系列产品线，以更直观的产品介绍和分类来优化产品设计。零部件通用化是在产品系列化的基础上，对于在相同或不同产品的范围内的通用件进行详细的设计和分类，这样在大大减少了零部件的品种数的同时也减少了大量产品设计的工作量，缩短了生产技术的准备周期，零部件品种数的减少使得批量制造产品的可行性变大，有助于生产熟练度的提高和质量的保证。零部件的标准化是按照国家规定标准生产零部件，或进一步扩大零部件的通用范围，减少设计和加工制造的工作量，进一步提高产品质量，增加安全系数，做到安全生产零事故的保证。

综上，maxCHD 系统在自动控制一体化解决方案中具有重要价值，基于国产化平台也使我国的工业行业的技术有了突破，无论是软件还是硬件，都需要设计师和工程师进行细致的操作去开发和维护，确保安全隐患降至最低，才能够促进工业行业持续稳定的发展。同时CAD 技术在信息发展的大背景下也在不断优化，通过此软件能够做到信息共享、设计模块化、提质增效的优点，不断帮助设计人员解决工程图绘制问题，对产品的改进或更新也能做到快速、高效的提高。