僅以此文獻給電氣工程、機電一體化及相關(guān)專業(yè)人士的初學(xué)者，希望這篇文章帶您熟悉電氣設(shè)計的一般步驟，以及設(shè)計中的方方面面。

【摘要】
本文以一個成熟設(shè)備的電氣系統(tǒng)為例，詳盡地介紹了電氣成套系統(tǒng)的設(shè)計步驟、設(shè)計理念。


【關(guān)鍵詞】
（pc or plc）、（HMI）、通訊、轉(zhuǎn)杯紡紗機、氣流紡、國產(chǎn)化。

　　為了詳盡明了的說明相對比較抽象的概念，下面的內(nèi)容將以浙江新亞紡織機械有限公司的XY628轉(zhuǎn)杯紡紗機的設(shè)計為范例。該產(chǎn)品的設(shè)計過程*依照GB/T19001:2000 idt ISO9001:2000標準的開發(fā)控制程序，之前征得該公司法人的同意，在不泄漏公司機密的情況下，有限使用該公司符合GB/T19001:2000 idt ISO9001:2000標準的質(zhì)量手冊和設(shè)計資料。先在此表示感謝！

一、 首先簡要介紹一下通用產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)控制程序。詳細內(nèi)容請參考GB/T19001:2000 idt ISO9001:2000標準，或相關(guān)標準。

1、 設(shè)計和開發(fā)的策劃：
1. 設(shè)計和開發(fā)項目的來源。

　　營銷部與顧客簽定的新產(chǎn)品合同或技術(shù)協(xié)議。根據(jù)總批準的相應(yīng)的《產(chǎn)品要求評審表》，總工下達《設(shè)計開發(fā)任務(wù)書》，并將與新產(chǎn)品有關(guān)的技術(shù)資料轉(zhuǎn)交技術(shù)部；營銷部根據(jù)市場調(diào)研或分析提出《項目建議書》，報總工審核、總批準后，總工下達《設(shè)計開發(fā)任務(wù)書》，并將相關(guān)背景資料轉(zhuǎn)交技術(shù)部；技術(shù)部綜合各方面信息，提交《項目建議書》，報總工審核、總批準后，總工下達《設(shè)計開發(fā)任務(wù)書》，交技術(shù)部實施；制造部根據(jù)技術(shù)革新需要，提交《項目建議書》，報總工審核、總批準后，總工下達《設(shè)計開發(fā)任務(wù)書》，轉(zhuǎn)交技術(shù)部組織實施。針對電氣設(shè)計項目的來源，也大體符合以上幾種情況。通常，電氣設(shè)計是成套設(shè)備設(shè)計的一部分。
　　XY628轉(zhuǎn)杯紡紗機（以下簡稱XY628）項目，是在國外紡機產(chǎn)品逐步國產(chǎn)化的大環(huán)境下，由企業(yè)決策者根據(jù)市場需求，經(jīng)過詳盡的論證而確定的。當然，其電氣設(shè)計的部分也據(jù)此制定?？偣は逻_的設(shè)計開發(fā)任務(wù)書，大意如下：綜合國內(nèi)外紡紗機的優(yōu)點，設(shè)計國內(nèi)*的轉(zhuǎn)杯紡紗機，且具有自己的知識產(chǎn)權(quán)，替代進口產(chǎn)品并為中國乃至的紡織同仁謀求更高的利益。

2. 根據(jù)上述項目來源，確定項目負責(zé)人，將設(shè)計開發(fā)策劃的輸出轉(zhuǎn)化為《設(shè)計開發(fā)計劃書》。計劃書內(nèi)容包括：
A） 設(shè)計開發(fā)的輸入、輸出、評審、驗證、確認等各階段的劃分和主要工作內(nèi)容；
B） 各階段人員職責(zé)和權(quán)限、進度要求和配合單位；
C） 資源配置需求，如人員、信息、設(shè)備、資金保證等及其他相關(guān)內(nèi)容。
　　根據(jù)企業(yè)的實際情況和項目的實際情況編制《設(shè)計開發(fā)計劃書》，這里就不列舉該公司的計劃書的詳細內(nèi)容了。

3. 設(shè)計開發(fā)策劃的輸出文件將隨著設(shè)計開發(fā)的進展，在適當時予以修改，應(yīng)執(zhí)行《文件控制程序》的有關(guān)規(guī)定。

4. 設(shè)計和開發(fā)不同組別之間的接口管理。
同樣根據(jù)公司的實際和項目的繁簡程度制定部門或外協(xié)管理細則。XY628產(chǎn)品定位在百萬左右的價位。對于紡機來說，系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，新亞公司考慮到自己技術(shù)隊伍有多次成功開發(fā)紡機產(chǎn)品的經(jīng)驗，自主開發(fā)，作了公司內(nèi)部詳盡的部門協(xié)同管理制度，保證項目的順利進展。

5. 對于組別之間重要的設(shè)計開發(fā)信息溝通，設(shè)計開發(fā)人員填寫《設(shè)計開發(fā)信息聯(lián)絡(luò)單》，由設(shè)計組負責(zé)人審批后發(fā)給相關(guān)組別。需要技術(shù)部進行協(xié)調(diào)工作的，由技術(shù)部審批后組織協(xié)調(diào)。

2、 設(shè)計和開發(fā)的輸入
1、 設(shè)計開發(fā)輸入應(yīng)包括以下內(nèi)容：
　　產(chǎn)品主要功能、性能要求。這些要求主要來自顧客或市場的需求與期望，一般應(yīng)包含在合同、定單或項目建議書中用的法律、法規(guī)要求，對國家強制性標準一定要滿足；以前類似設(shè)計提供的適用信息；對確定產(chǎn)品的安全性和適用性致關(guān)重要的特性要求，包括安全、包裝、運輸、貯存、維護及環(huán)境等。

2、 設(shè)計開發(fā)的輸入應(yīng)形成文件，并填寫《設(shè)計開發(fā)輸入清單》，附有各類相關(guān)的資料。

3、 技術(shù)部組織有關(guān)設(shè)計開發(fā)人員和相關(guān)部門對設(shè)計開發(fā)輸入進行評審，對其中不、含糊或矛盾的要求作出澄清和解決，確保設(shè)計開發(fā)的輸入滿足任務(wù)書的要求。

3、 計和開發(fā)的輸出（初稿）。

　　設(shè)計開發(fā)人員根據(jù)設(shè)計開發(fā)任務(wù)書、方案及計劃等開展設(shè)計開發(fā)工作，并編制相應(yīng)的設(shè)計開發(fā)輸出文件。設(shè)計開發(fā)輸出文件應(yīng)以能針對設(shè)計開發(fā)輸入進行驗證的形式來表達，以便開證明滿足輸入要求，為生產(chǎn)運作提供適當?shù)男畔⒃O(shè)計開發(fā)輸出文件因產(chǎn)品不同而不同，可包括指導(dǎo)生產(chǎn)、包裝等活動的圖樣和文件；如零件圖、部件圖、總裝圖、電氣原理圖、生產(chǎn)工藝及包裝設(shè)計等；包含或引用驗收準則；標準件，外協(xié)、外購件清單，質(zhì)量重要度分級明細表及采購物資分類明細等；產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范或企業(yè)標準。根據(jù)產(chǎn)品特點規(guī)定對安全和正常使用致關(guān)重要的產(chǎn)品特性，包括安裝、使用、搬運、維護及處置的要求。由項目負責(zé)人對輸出文件進行審核，并填寫“設(shè)計開發(fā)輸出清單”。技術(shù)部批準輸出文件后，加蓋“初稿”印章才能發(fā)放。
這一部分是設(shè)計工作的主體部分。下面有章節(jié)重點講解電氣設(shè)計的內(nèi)容。

4、 設(shè)計和開發(fā)的評審。

　　在設(shè)計開發(fā)的適當階段應(yīng)進行系統(tǒng)的、綜合的評審，一般由設(shè)計項目負責(zé)人提出申請，技術(shù)部批準并組織相關(guān)人員和部門進行。應(yīng)在設(shè)計開發(fā)計劃中明確評審的階段、達到的目標、參加人員及職責(zé)等，并按照計劃進行評審；評審的目的是評價滿足階段設(shè)計開發(fā)要求及對應(yīng)于內(nèi)外部資源的適宜性、滿足總體設(shè)計輸入要求的充分性及達到設(shè)定目標的程度；識別和預(yù)測問題的部位和不足；提出糾正措施，以確保zui終設(shè)計滿足顧客的要求；根據(jù)需要也可安排計劃外的適當階段評審，但應(yīng)提前明確時間、評審方法、參加人員及職責(zé)等。項目負責(zé)人根據(jù)評審結(jié)果，填寫《設(shè)計開發(fā)評審報告》，對評審作出結(jié)論，報技術(shù)部審核、總工批準后發(fā)到相關(guān)單位，根據(jù)需要采取相應(yīng)的改進或糾正措施，技術(shù)部負責(zé)跟蹤記錄措施的執(zhí)行情況，填寫在《設(shè)計開發(fā)評審報告》的相應(yīng)欄目內(nèi)。

5、 設(shè)計和（或）開發(fā)的驗證。

　　根據(jù)評審?fù)ㄟ^的設(shè)計開發(fā)初稿制作樣機。質(zhì)檢科負責(zé)對樣相進行型式試驗或送檢測機構(gòu)檢測，并出具檢測報告。對樣機的部分設(shè)計或功能、性能，可引用已證實的類似設(shè)計的有關(guān)證據(jù)，作為本次設(shè)計的驗證依據(jù)。在設(shè)計開發(fā)的適當階段也可以進行驗證，可采用與已證實的類似設(shè)計進行比較、計算驗證、模擬試驗等。項目負責(zé)人綜合所有驗證結(jié)果，編制《設(shè)計開發(fā)驗證報告》，記錄驗證的結(jié)果及跟蹤的措施，報總工批準，確保設(shè)計開發(fā)輸入中每一項性能、功能指標都有相應(yīng)的驗證記錄。樣機驗證通過后，技術(shù)部組織各相關(guān)部門對小批生產(chǎn)的可行性進行評審，填寫《試產(chǎn)報告》、報總工審核、總批準后，技術(shù)部指導(dǎo)生產(chǎn)進行小批試產(chǎn)（數(shù)量不大于20件）。質(zhì)管部對小批試產(chǎn)的產(chǎn)品進行檢驗或試驗，出具相應(yīng)的檢測報告，生產(chǎn)部對其工藝進行驗證并出具工藝驗證報告； 部出具物資批量供應(yīng)可行性報告；財務(wù)部出具成本核算報告；技術(shù)部綜合上述情況，填寫《試產(chǎn)總結(jié)報告》，報總工審核、總批準后，作為批量生產(chǎn)的依據(jù)。

6、 設(shè)計和（或）開發(fā)確認。

　　確認的目的是證明產(chǎn)品能夠滿足預(yù)期的使用要求。通常應(yīng)在產(chǎn)品交付之前（如單件產(chǎn)品）或產(chǎn)品實施（如指產(chǎn)品）之前完成。如需經(jīng)用戶使用一段時間才能完成確認工作的，應(yīng)在可能的適用范圍內(nèi)實現(xiàn)局部確認。根據(jù)產(chǎn)品的特點，可以選擇下述幾種確認方式之一：
A） 技術(shù)部組織召開新產(chǎn)品鑒定會，邀請有關(guān)專家、用戶參加，提交《新產(chǎn)品鑒定報告》，即對設(shè)計開發(fā)予以確認；
B） 試產(chǎn)合格的產(chǎn)品，由供銷科交顧客使用一段時間，供銷科提交《客戶試用報告》，說明顧客對試樣符合標準或合同要求的滿意程度及對適用性的評價，顧客滿意即對設(shè)計開發(fā)予以確認；
C） 新產(chǎn)品可送往國家*的試驗室進行型式試驗并出具合格報告，并提供用戶使用滿意的報告，即為對設(shè)計開發(fā)予以確認。
上述報告及相關(guān)資料為確認的結(jié)果，技術(shù)部對此結(jié)果進行分析，根據(jù)需要采取相應(yīng)的跟蹤和改進措施，并填寫在《設(shè)計開發(fā)往處聯(lián)絡(luò)單》上傳遞給相關(guān)部門執(zhí)行，以確保設(shè)計開發(fā)的產(chǎn)品滿足顧客預(yù)期的使用要求。

7、 設(shè)計和（或）開發(fā)正稿。

　　通過設(shè)計開發(fā)確認后，技術(shù)部項目負責(zé)人將所有的設(shè)計開發(fā)輸出文件整理成正稿，送交檔案室歸檔。

8、 設(shè)計和（或）開發(fā)更改的控制。

　　計開發(fā)的更改發(fā)生在設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)和保障的整個壽命周期中，設(shè)計開發(fā)人員應(yīng)正確識別和評估設(shè)計更改對產(chǎn)品的原材料使用、生產(chǎn)過程、使用性能、安全性、可靠性等方面帶來的影響。設(shè)計開發(fā)的更改提出部門應(yīng)填寫《文件更改申請》，并附上相關(guān)資料，報總工批準后方可進行更改。

A） 在設(shè)計開發(fā)初稿的更改
在設(shè)計開發(fā)過程中，設(shè)計開發(fā)人員可在設(shè)計開發(fā)初稿上直接劃改（應(yīng)簽名）或重新編制相應(yīng)的初稿，執(zhí)行《文件控制程序》及《設(shè)計、工藝文件管理規(guī)定》。

B） 在設(shè)計開發(fā)正稿的更改
產(chǎn)品定型后如需更改設(shè)計，更改建議人可將更改的建議填寫在《設(shè)計開發(fā)往處聯(lián)絡(luò)單》中提交技術(shù)部，由相關(guān)設(shè)計人根據(jù)可行性和必要性填寫《文件更改申請》，并附上相關(guān)資料，報總工批準后方可進行更改，執(zhí)行《文件控制程序》及《設(shè)計、工藝文件管理規(guī)定》。
C） 當更改涉及到主要技術(shù)參數(shù)和功能、性能指標的改變，或人身安全及相關(guān)法律法規(guī)要求時，應(yīng)對更改進行適當?shù)尿炞C和確認，經(jīng)總工批準后才能實施。

9、相關(guān)記錄
《項目建議書》 《設(shè)計開發(fā)任務(wù)書》
《設(shè)計開發(fā)方案》 《設(shè)計開發(fā)計劃書》
《設(shè)計開發(fā)輸入清單》 《設(shè)計開發(fā)往處聯(lián)絡(luò)單》
《設(shè)計開發(fā)評審報告》 《設(shè)計開發(fā)驗證報告》
《設(shè)計開發(fā)輸出清單》 《試產(chǎn)報告》
《試產(chǎn)總結(jié)報告》 《客戶試用報告》
《新產(chǎn)品鑒定報告》 《產(chǎn)品要求評審表》
《文件更改申請單》

二、 下面就進入我們講解的重點內(nèi)容。也就是參照XY628電氣系統(tǒng)設(shè)計作詳細說明。由于技術(shù)保密的需要，我會更換或隱含現(xiàn)行系統(tǒng)元件規(guī)格或品牌，大家從中學(xué)習(xí)設(shè)計的思路過程即可。

1、 系統(tǒng)構(gòu)架

　　深入了解被控制系統(tǒng)，這一部是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。設(shè)計前應(yīng)熟悉圖紙資料，深入調(diào)查研究，與工藝、機械方面的技術(shù)人員和現(xiàn)場操作人員密切配合，共同討論。然后是于硬件有關(guān)的設(shè)計。首先，確定系統(tǒng)輸入元件（如按鈕、指令開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、傳感器、變送器）和輸出元件（如繼電器、接觸器、電磁閥、指示燈等）的型號。然后根據(jù)操作任務(wù)和操作方式，確定操作面板所需元件。如指示燈、文本顯示器、觸摸屏等。第三，確定PLC的輸入點和輸出點。并且列表進行統(tǒng)計。在表中標明個信號的意義和類型。第四確定PLC的型號和硬件配置。如確定CPU模塊的型號，擴展模塊的型號和快數(shù)。第五，給個輸入、輸出變量分配地址，梯形圖中變量的地址和PLC的外部接線端子是一致的。這一步為繪制硬件接線圖做好了準備，也為梯形圖的設(shè)計做好了準備。第六，畫出PLC的外部硬件接線圖以及其他電器原理圖和接線圖。第七，畫出操作站和控制柜面板的機械布置圖和內(nèi)部的機械安裝圖。第八，建立符號表。這有利于程序的設(shè)計和閱讀。
　　對于XY628系統(tǒng)，分為車頭控制部分和車身控制部分。
　　車頭部分要實現(xiàn)的是系統(tǒng)的順序啟動、順序停止、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、提供友善的用戶界面。Plc控制三個變頻器運行，并且保證系統(tǒng)傳動的準確度達到一定標準。另外控制10個接觸器，包括兩個星三角轉(zhuǎn)換。Plc實現(xiàn)同車身的數(shù)據(jù)交換.
　　車身系統(tǒng)分為相對獨立的12節(jié)（節(jié)數(shù)目可根據(jù)實際靈活擴充或者縮減）。每一節(jié)要實現(xiàn)本節(jié)當中16個錠位的半自動接頭動作，數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及和上位機的通訊。每一錠有2個輸入，一個是接頭指令輸入，一個是斷紗信號輸入。有四個輸出，分別是斷紗指示燈、沉紗電磁鐵、落筒電磁鐵、喂棉電磁鐵。包括車頭，總計1160多點。


2、 設(shè)計流程圖、梯形圖
　　首先應(yīng)根據(jù)總體要求和控制系統(tǒng)的具體情況，確定用戶程序的基本結(jié)構(gòu)，畫出程序流程圖或數(shù)字量控制系統(tǒng)的順序功能圖。銅門是編程的主要依據(jù)，應(yīng)盡可能地準確和詳細。
　　XY628的車頭部分的梯形圖設(shè)計遵循了通用性和性相結(jié)合，著重應(yīng)用模塊化程序，程序的可移植性能，可讀性好。整個梯形圖中都是子程序的應(yīng)用，這樣的程序條理分明，掃描周期短。簡要流程圖如下,框圖中我省去了流轉(zhuǎn)條件，實際的應(yīng)用中當然是*的。這樣的模塊化結(jié)構(gòu)是可以借鑒在其他工程中。

　　中段車身的梯形圖程序設(shè)計，也是模塊化結(jié)構(gòu)，包括初始化、接頭控制、數(shù)據(jù)處理、通訊控制等等。
　　只有思路清晰的梯形圖流程圖才能有良好的程序。才不至于把程序搞的生澀難懂，有時候把變成著自己都繞進去了。設(shè)計者要形成一個良好的習(xí)慣，那就是先詳細的組織流程圖，然后再分模塊分步驟地進行具體的編程工作。流程圖組織好以后，根據(jù)選用的不同PLC來進行梯形圖的編程工作，那就是水到渠成了。還有很重要一點就是，不論到什么時候，編程手冊是你*的老師。你不可能記住所有的知識點。尤其是在知識更新神速的今天，PLC、HMI都品牌迭出。編程手冊在手，加上你的清晰的編程思路，當是無往不勝。
　　PLC的應(yīng)用要充分考慮系統(tǒng)的可靠性措施。包括外部干擾、電源的處理、安裝與布線、接地處理等。
　　下面我說一下例程中的各個模塊子程序。（由于篇幅問題，以下詳細內(nèi)容參見本作者的另外一篇論文）

3、 人機界面的設(shè)計
　　人機界面遵循一個簡潔實用的原則。有些人設(shè)計人機喜歡花哨的界面，實際上我們的終端用戶zui喜歡的是簡潔。我們有很多用戶，就直接對我說，你的界面要讓我的沒文化的工人很容易的操作。要安全，出故障要易于維修。由此看來，必要的故障診斷界面是很受歡迎的。XY628的人機界面是單色觸摸屏，它采用線條方框的整體風(fēng)格，工整又不死板，大方又不花哨。另外，它驅(qū)動微型打印機，打印報表，包括工藝參數(shù)、班次、班產(chǎn)等內(nèi)容。

4、 調(diào)試
　　一般先對用戶程序作模擬調(diào)試，順序控制程序的調(diào)試比較簡單，對于大的系統(tǒng)比如通訊數(shù)據(jù)交換很難調(diào)試得出來，只有在現(xiàn)場進行。工程千差萬別，但有一點是相同的，就是工程人員必須要有耐心和細心。而且要多方面測試。智者千慮，比有一失，再好的程序也難免有紕漏。

5、 編寫技術(shù)文件
　　系統(tǒng)交付使用后，應(yīng)根據(jù)調(diào)試的zui終結(jié)果整理出完整的技術(shù)文件，并提供給用戶，以利于系統(tǒng)的維修和改進。技術(shù)文件應(yīng)包括：PLC的外部接線圖，電氣原理圖，互連接線圖，部件單元圖。還有PLC的編程元件表和順序功能圖、帶注釋的梯形圖等資料。

三、 結(jié)束語。
　　一個出色的電氣工作者，不僅要精通電氣控制，還要只要控制應(yīng)用對象的基礎(chǔ)知識，要懂得基本的機械設(shè)計知識,正所謂學(xué)海無涯。作為一名機電一體化的專業(yè)人員，在設(shè)備國產(chǎn)化方面，任重道遠，希望這篇論文對您的工作和成長有所幫助。

[參考文獻]
1.機械設(shè)計手冊 第四版 化學(xué)工業(yè)出版社
2.電氣工程師手冊 第二版 機械工業(yè)出版社
3.DVP-PLC應(yīng)用技術(shù)手冊
4.浙江新亞紡織機械有限公司 質(zhì)量手冊 XYFJ/ZS-01-2005
5.廖常初編著.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)（第三版）.重慶：重慶大學(xué)出版社，2000

作者簡介：
顏世強，男，漢，1979年生，2001年畢業(yè)于萊陽農(nóng)學(xué)院機電工程專業(yè).