开关柜配置系统的制作方法

开关柜配置系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年3月29日提交的欧洲专利申请19,166,275.8的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及一种计算机辅助的开关柜配置系统，设置用于配置开关柜，开关柜包括模块化开关柜设备，模块化开关柜设备以特定于应用的方式由多个电气和/或电子内置模块和其它的可选组件组成。此外，本发明涉及开关柜制造设施、用途、方法和计算机程序产品。


背景技术：

4.本发明的应用领域扩展到开关设备和控制柜构造。开关柜主要用于工业应用的背景。开关柜容纳电气和电子组件，这些组件以标准化的内置模块的形式设计，以便控制自动化生产设施、工艺工程设施、机械工具等。容纳在开关柜中的内置模块通常是控制组件，它们不直接作为现场设备布置在机械上。例如，可编程逻辑控制器、通用计算单元、用于速度控制的变频器、用于与各种总线系统的总线连接的通信模块、数字输入/输出模块或模拟输入模块被用作内置模块。此外，开关柜通常还包含电气端子板，电气端子板用于连接使用地点处的电缆，建立与电源以及待被控制的机械和系统的连接。具有特定于应用的开关柜设备的开关柜的生产是根据先前在方案阶段开发的三维布局进行的，三维布局还包括待被安装的组件的零件清单信息。
5.wo 2008/071309 a1示出了一种具有若干个单独开关柜的开关柜布置，这些开关柜通过壁段分成若干个用作功能隔室的部分隔室，其中可以放置例如低压系统、滑入式单元、冷却单元和其他组件。在这种背景下，子空间可以容纳例如配电轨道布置和放置在其上的用于安装相关电气或电子安装模块的设备适配器。
6.ep 0 943 165 b1公开了开关柜的各种设备方案。在第一实施例中，面向组件的开关柜包括开关柜壳体，多个电气和电子组件和设备布置在该壳体中。多个输入/输出模块位于开关柜壳体的上部，多个熔线元件和更多数量的断路器位于中部，用于固定通往各个机械的电缆束的夹持设备是位于下部。为了将各个组件和设备相互连接，在开关柜中布置了若干个用于接入布线的端子、若干个用于中间路由的端子和若干个用于引出路由的端子。
7.发明概述
8.本发明的目的是提供一种用于配置开关柜的开关柜配置系统，其中可以以对用户有效的、并在可能的优化方面具有良好平衡的方式设计布局。
9.此目的根据独立专利权利要求的特征来解决。本发明的进一步实施例由从属权利要求和以下描述得出。
10.第一方面涉及一种计算机辅助的开关柜配置系统，设置用于配置开关柜，开关柜具有模块化开关柜设备，模块化开关柜设备以特定于应用的方式由多个电气和/或电子内
置模块和其它的可选组件组成。计算机辅助的开关柜配置系统具有计算单元，计算单元包括分类设备以及评估和模拟单元。此外，还提供了数据库，数据库也可以是云存储。分类设备被布置成通过从存储在数据库中的历史储备数据集中选择合适的配置，在考虑到框架条件数据集的情况下，识别待被控制的设施的一个或多个开关柜配置。特别地，这些存储的配置包括已经生产的、即成功使用的开关柜的配置。评估和模拟单元适于在由不同参数形成的参数空间内调整在考虑到框架条件数据集的情况下所识别的开关柜配置，从而生成一组不同的开关柜方案，每个具有不同的(三维)布局。
11.评估和模拟单元可被设置为，针对该组的每个开关柜方案，计算并以图形方式输出与框架条件数据集中限定的框架条件的偏差以及(如必要)由此产生的目标设定。
12.框架条件数据集可以特别包括开关柜的期望规格。目标设定可以特别包括开关柜的制造时间和/或制造成本。
13.封装配置系统可以进一步被配置为通过与用户的交互使用第一电子选择表格来创建框架条件记录。
14.根据一个实施例，进一步提供了一种模式识别单元，模式识别单元使用分类设备以使用模式识别来识别一个或多个开关柜配置。
15.为此，模式识别单元可以使用模糊逻辑、人工智能或神经网络进行模式识别。
16.根据进一步的实施例，评估和模拟单元被布置为通过第二电子选择表格生成参数空间的参数。这也可以通过与用户的交互来生成或完成。
17.根据另一个实施例，形成参数空间的参数包括开关柜的制造深度、空间要求和/或成本。
18.根据进一步的实施例，提供了一种决策设备，其被布置用于从该组不同的开关柜方案中选择开关柜方案。此决策设备可被设置为接受用户输入。它也可被设置为全自动的，从而计算机辅助的柜配置系统进行自主选择。此选择可以考虑以下进一步描述的质量函数。
19.根据进一步的实施例，系统被布置为将所选开关柜方案的开关柜配置存储在数据库中，使得系统可以在未来的开关柜配置中参考它。
20.封装设备的这种方案设计和构造是基于软件创建的，例如通过eplan pro以cad支持的设计形式创建。规划的设计特别包括布局形式的三维安装结构、电气和电子内置模块的虚拟布线以及(如必要)其它组件，以及铜母线的配置等，以用于封装设备相匹配的灵活配电系统。例如，电气或电子安装模块可以使用顶帽导轨固定在开关柜壳体中。还可以设计可选组件，诸如风扇、通风机、过滤器、热交换器、空调单元、内部照明系统、电缆入口等，以完善开关柜。
21.为创建三维布局而进行的软件支持的设计的特征在于分类设备以及评估和模拟单元，其在访问与其相连的安装模块库(数据库)时，支持开关柜设备的布局，考虑结构边界条件，例如距离尺寸、可达性或电能消耗规范。
22.各种安装模块可被安装在开关柜壳体中的公共安装导轨上。开关柜被设计为面向功能块的，这意味着只包括机械的功能所必需的那些内置模块。此外，开关柜壳体还包含若干个用于将开关柜连接到总线系统的总线端子、信号监控单元、若干个输入/输出模块、电源单元和负载继电器。在开关柜壳体的底部，有电缆套管，机械的连接线以及附加传感器
和/或致动器的线路可以通过电缆套管引入开关柜的内部。第二实施例的这种开关柜至少以对应于防护等级ip65的方式被设计。
23.通常，开关柜的布局必须满足应用所限定的框架条件，并且也可以根据附加方面进行优化，附加方面例如关于热负荷能力、电磁兼容性、内置模块和其他组件的组装密度，电能消耗等。但是，这些优化方面通常是相互竞争的关系，因此在一个方面的方向上的优化是以牺牲另一个方面为代价的。例如，增加组装密度通常会导致开关柜的热负荷更高。
24.实施例包括以下技术教导：开关柜的配置最初始于以电路图sp的形式的开关柜设备的功能规划的创建或提供。随后，封装设备的电路图sp被转换为三维布局l1，三维布局l1用于在至少一个封装壳体中布置至少若干个电气和/或电子安装模块，其中，封装设备的三维布局l1通过软件布局辅助单元la(例如申请人的产品eplan pro)访问与其连接的安装模块库来创建。
25.可以规定，随后通过在布局辅助单元la中实现的修改算法mod来执行以这种方式创建的三维布局l1的修改，以用于生成至少一个替代的三维布局l2。因此，用于将三维布局l1修改为替代布局l2的修改算法mod确定质量函数的值并且通过使得质量函数具有极值的方式优化修改。随后，开关柜可以根据替代的三维布局l2而被传送到装配车间。
26.修改算法利用数学质量函数。质量函数体现了通过修改要实现的目标，例如增加空间利用程度，即组装密度。如果要同时实现若干个目标，则此数学模型提供在目标冲突的情况下在最低公分母意义上找到折衷方案的先决条件。除了质量函数之外，还可以指定硬边界条件，诸如最高温度或最大能耗。对于每个布局变量，可以在若干次运行中进行评估，使用质量函数测试此若干次运行。为了找到下一个变量，可以使用任何优化方法，此方法从先前变量的历史中得出具有质量函数的可能改进的值的新变量。
27.换句话说，设计者在实施电气原理图sp时首先使用软件布局辅助来创建三维布局l1。随后，可以指定根据原始布局l1以分布式方式布置在例如两个开关柜上的三维布局应该安在单个开关柜的较小安装区域。根据此规范，修改算法mod生成相应调整的提议用于修改的布局l2，可能不考虑通常适用的间隔尺寸等。然而，在这种情况下，由于更高程度的空间利用的优先级优于预定的距离尺寸，所以优先考虑修改的布局l2。由此生成的任何更高的热量可以通过例如安装具有更高冷却能力的冷却设备来补偿。
28.如果替代的三维布局l2的预认证表明此实施例是允许的，可以规定，此替代的三维布局l2被存储在连接到布局辅助单元la的应用数据库a中，以便在相同或相似的电路图sp’的未来转换中将其考虑作为最初允许的布局。此措施导致应用数据库a的丰富，在此方面，其不仅仅限于严格遵守预定的结构边界条件等的实施例。由于这种灵活性，开关柜设备的更加面向应用的布局成为可能。因此，根据本发明的解决方案创建了一种方法，该方法在创建用于开关柜的布局时考虑了各个优化可能性，包括它们彼此之间的相互作用。
29.在系统技术方面，此解决方案可以通过在la布局辅助单元中附加实现或分配mod修改算法来实现，此单元可以是具有eplan pro软件安装其上的计算机。
30.例如，修改算法mod具有可参数化的质量函数，其包括至少一个可变布局优化参数p1至pn。此布局优化参数为规划人员提供了输入选项——例如，通过在图形用户界面上模拟的旋转控制——用于不同的优化方向，以便为布局修改选择期望权重。系统基于修改算法mod，确定各种预定的布局优化参数的协调、合理的比例，并提出相关的替代布局l2。然
而，在最简单的情况下，也可以设想仅可以预定义单个布局优化参数。可以想到各种布局优化参数p1至pn，其非限制性选择如下：
31.第一布局优化参数p1描述了可用开关柜体积的与待被安装在其中的电气和/或电子安装模块的几何尺寸相关的空间利用程度。
32.第二布局优化参数p2描述了热负荷程度，考虑了由内置模块生成的废热、开关柜的环境热量以及(如果适用)可选的风扇/空调单元的散热能力。
33.第三布局优化参数p3描述了电力消耗程度，至少考虑了所有内置模块的电力消耗。虽然总电力取决于开关柜设备的电气设计，但可以考虑以不同电力消耗用于相同功能的替代的内置模块。因此，也可以在此方面进行优化。
34.第四布局优化参数p4描述了emc(emc＝电磁兼容性)程度，它考虑了内置模块的电磁辐射。
35.第五布局优化参数p5描述了布线长度的程度，以便在开关柜壳体中布置内置模块时考虑有关最小或最大电缆长度的规定。
36.由于这里仅作为示例给出的这些布局优化参数p1到p5中的一些相互竞争，即关于一个参数的优化可能以牺牲另一个参数为代价，可参数化的质量函数的数学方法可以实现不同优化参数之间的最佳平衡，以便在此方面找到折衷方案。在这个过程中，在优先级的意义上，可以给予一个参数比另一个参数更高的优先级。借助于根据本发明的修改算法mod，因此可以关于与空间利用、热负荷、电能消耗、emc、布线材料成本等相关的不同标准来优化开关柜设备。
37.进一步的方面涉及一种被布置用于制造柜的柜制造设施，包括如上文和下文所述的计算机辅助的柜配置系统，以及至少部分自动化或全自动化的制造线，制造线被布置为至少部分自动化或全自动化地根据柜配置系统生成的柜方案组装柜。
38.另一方面涉及将上文和下文描述的计算机辅助的开关柜配置系统用于开关柜的全自动化制造。
39.进一步的方面涉及一种用于配置包括模块化开关柜设备的开关柜的方法，模块化开关柜设备以特定于应用的方式由多个电气和/或电子内置模块和其它的可选组件组成。在方法中，通过从存储在数据库中的历史储备数据集中选择合适的配置，在考虑到框架条件数据集的情况下，识别待被控制的系统的一个或多个开关柜配置。因此，在考虑到框架条件数据集的情况下识别的开关柜配置的调整发生在由不同参数形成的参数空间内，从而生成具有各自不同布局的一组不同的开关柜方案。因此，从该组不同的开关柜方案中选择具有特定布局的开关柜方案之一，然后根据此所选开关柜方案制造开关柜。
40.最后一个方面涉及一种具有程序代码单元的计算机程序产品，当计算机程序产品在控制面板制造设施的计算单元上运行或存储在计算机可读介质上或云存储中时，此程序代码单元用于执行方法。
41.下面参考附图更详细地示出了进一步的实施例。其中：
42.图1示出了用于配置开关柜的计算机辅助的开关柜配置系统的示意性表示。
43.图2示出了开关柜制造设施的示意性表示；
44.图3示出了由系统执行的用于开关柜的优化配置的过程的流程图；
45.图4示出了用于配置开关柜的计算机辅助的开关柜配置系统的更详细示意性表
示。
具体实施方式
46.图1示出了用于配置开关柜的计算机辅助的开关柜配置系统1的示意性表示。开关柜配置系统1，在下文中也称为“配置工具”，包括作为基本组件的分类设备10和评估单元/模拟单元18。
47.通过开关柜配置系统1，从框架条件2创建用于待被控制的设施的开关柜方案100，框架条件2包括开关柜的期望规格，例如期望功能或控制任务，以及由此产生的目标设定，目标设定描述项目的经济参数，例如成本或生产时间。这样做时，描述了具有所产生的目标设定的具体可执行配置的开关柜方案100，从而不再需要进一步详述或解释由开关柜配置系统输出的信息，例如来自不同制造商的组件的选择。
48.框架条件数据集2例如通过第一电子选择表格进行配置，其中在数据库分区11中存储用于描述框架条件所必需的信息，例如关于待被控制的系统(能耗、使用位置等)、环境条件(温度等)、几何参数(空调单元的尺寸/布置等)、组件偏好(制造商/设计)。
49.通常包括多个单独数据的框架条件数据集2被传送到分类设备10。分类设备10，通过从存储的历史储备中选择合适的方案/配置，通过模式识别单元20从框架条件中确定具有锚定在框架条件数据集2中的框架条件的至少一个开关柜配置30。这些方案存储在数据库(分区)12中。
50.模式识别单元20利用模式识别和/或模糊逻辑和/或神经网络技术和方法。
51.通过评估单元/模拟单元18在由不同参数形成的参数空间内调整以这种方式识别的开关柜配置30。这些不同的参数集被存储在数据库(分区)13中。例如，参数空间包含与不同制造变量有关的参数集，特别是关于制造变量的自动化深度和由此产生的对框架条件的影响(诸如空间要求和对目标设定的影响)以及更高级别的可变目标设定(诸如最大成本预算)的信息。例如，通过第二电子选择表格来选择参数集的各个参数。评估单元/模拟单元18基于由框架条件2限定的至少一个开关柜配置30和由所选参数集限定的参数空间，例如通过数值模拟来模拟一组开关柜方案100。
52.评估单元/模拟单元18可以被布置为，针对该组的每个开关柜方案，计算并以图形方式输出与框架条件数据集2的所需框架条件的偏差以及目标设定。待被制造的开关柜配置的选择是通过决策设备40进行的。
53.开关柜的设计和生产是一件极其复杂的事情，可被分解成不同的维度。
54.价值链的维度：
55.开关柜的设计/生产可被分为若干个价值创造阶段(工程、工作准备、订单规划和实施)，其中每个价值创造阶段都有大量的自由度，并且通常由生态系统中的若干个参与者提供。
56.批量维度：
57.每个开关柜都可以被视为一个独特件，因为对于每组条件和目标设定，工程中可能有各种规划选项，这些选项可能例如在电气设计或组件选择的形式上有所不同。
58.一旦配置了开关柜，就可以用不同的方式制造它，例如以不同的自动化深度。制造变量对工程阶段有直接影响，例如自动组装限制了包装密度。
59.框架维度：
60.框架条件被理解为例如几何性质、不同制造商的首选组件或功能范围、或客户的规范。例如，这些框架条件可能导致某些生产变量不可行的事实。
61.目标设定的维度：
62.目标设定可以理解为业务参数(偏好)，这些参数描述影响跨价值链的所有阶段的各个决策的主要方面。
63.生产变量的维度：
64.不同的制造合作伙伴拥有不同的制造基础设施，这在本质上因自动化程度的不同而有所区别(参见批量制造变量)。
65.提供跨所有增值阶段的信息并在必要时允许访问过去项目的开关柜配置系统可以显著减少规划工作量并识别优化方法。
66.此处提到的客户利益在很大程度上取决于待确定的优化方法的内容。一般而言，服务于以下客户利益：
67.1)易用性：系统根据情况为价值链的每个阶段建议不同的开关柜配置，并显示用于下游步骤的相应结果，例如自动布线的可行性。
68.2)规划可靠性：通过链接业务参数，例如成本或资源，例如可以模拟整个项目的盈利能力。
69.3)灵活性：基于工程结果，可以在价值链的每个阶段单独模拟实施方式。
70.提供了开关柜配置系统，它可以根据若干个参数提出开关柜的理想配置，借此系统：
71.具有数据库，数据库具有不同分区，
72.其中在分区中有一般条件(客户规范)，
73.在分区中有目标设定(偏好)，
74.在分区中有生产变量(偏好)，
75.在分区中存储的已经实现的配置；
76.具有以适当方式链接框架条件与目标设定的链接规定；
77.具有链接配置与不同生产变量的链接规则；
78.具有模式识别单元，模式识别单元可在可预定义的偏差区间内，针对预定义的框架条件和目标设定，识别类似的已知配置，并输出配置建议；
79.具有模拟单元，模拟单元模拟可能的(虚拟)生产变量，电气构造，用于不同配置；
80.具有评估单元，评估单元用于评估与各种目标设定相关的相应模拟的结果并呈现结果，并且适用于相应的价值创造阶段，例如使提议的制造变量适于实际的制造基础设施。
81.图2示出了包括上述开关柜配置系统1的开关柜制造设施200，开关柜制造设施200连接到全自动化或部分自动化的制造线201并因此控制制造线的机器人。
82.图3示出了用于配置开关柜的方法的流程图，其中在步骤301中，如上进一步所述，识别一个或多个开关柜配置，在步骤302中，如上所述，生成一组不同的开关柜在方案，在步骤303中，从该组不同的开关柜方案中选择具有用于待被制造的开关柜的布局的开关柜方案的选择。如果系统确定所选开关柜方案不满足预定要求，则可以返回到评估和模拟单元，然后评估和模拟单元考虑任何改变的参数，由此生成新的一组开关柜方案。此控制回路可
以运行若干次，直到开关柜方案被优化。在步骤304中，然后根据所选最终开关柜方案制造开关柜。在步骤305中，所选开关柜方案被存储在数据库12中(也参见图4中的下部虚线箭头)以供分类设备稍后使用。特别地，系统因此可以被结构化为不断增加其“知识”的自学习系统。特别地，存储在数据库12中的电路图配置可被用于为未来客户创建以例如材料和工具使用量低、重量轻、能耗低、发热低和尺寸小为特征的开关柜方案。
83.图4是用于配置开关柜的计算机辅助的开关柜配置系统的更详细示意性表示。
84.补充说明，“包含”和“包括”不排除其他元素或步骤，以及不定冠词“一”或“一个”不排除复数。还需要注意的是，已经参考上述任一实施例描述的特征或步骤也可以与上述其他实施例的其他特征或步骤组合使用。权利要求中的附图标记不应被视为限制。
85.附图标记列表
86.1 开关柜配置系统
87.2 框架条件数据集
88.10 分类设施
89.11 数据库
90.12 数据库
91.13 数据库
92.18 评估和模拟单元
93.20 样本识别单元
94.30 开关柜配置
95.40 决策设备
96.100 开关柜方案
97.200 开关柜制造设施
98.201 生产线
99.301 方法步骤
100.302 方法步骤