1. 前言
自從參與工作以來，參與了不少企業的研發管理信息化咨詢和PLM實施的項目。學習機械的人都知道，機電不分家，因此，所有的機械企業或多或少都會遇到電氣/電器設計，與機械協同研發的問題。參與實施過程中，針對企業的現狀，我對采取的解決方案進行了總結，對未來機電協同設計遠景進行了構想，希望能對企業的電氣/電器研發信息化管理帶來一些幫助。因為參與的項目偏向于電氣部分，所以針對電器方面，若有不準確的地方，歡迎反饋補充。
2. 企業電氣/電器集成管理模型和階段
目前市場上常見的電氣/電器軟件如下：
●強電設計軟件：國內的有天正電氣與浩辰電氣比較普及，但最大名鼎鼎的就是AutoCAD Electric，沾了不少AutoCAD的光彩，在行業應用中，Eplan Electric、EB屬于老牌廠商，占領了大量傳統市場。但面向電氣和3D設計集成方面，走的步履維艱，后起之秀的elecworks已經形成超越之勢。這部分軟件眾多，不再擴展介紹。
●弱點設計軟件：Protel雖然是很多電氣設計人員的第一款軟件，但已經嚴重過時，目前比較通用的三劍客是AltiumDesigner、Cadende SPB、Mentor EE，當然還有一些比較小眾的軟件，在此忽略。但這一塊遺憾的是，目前國內軟件在這一塊是空白。
●PDM/PLM管理平臺：國際上三大品牌包括達索的ENOVIA、PTC公司的Windchill、西門子公司的Teamcenter基本都實現了對主流電氣/電器CAD工具的集成，但是目前3C企業應用的最多的還是Windchill，應該是占絕對優勢。國內雖然有不少的PDM/PLM平臺，但是在集成方面，基本上能力還是比較弱的。
在經歷的很多企業中，也參考了很多資料，以及對電氣軟件的了解和研究，企業電氣研發信息化和軟件集成機械產品數據管理的4個階段，這種劃分方式基本與工業信息化發展階段相吻合，分別是：
2.1 電氣1.0時代的研發集成管理
電氣集成1.0時代，類似于工業1.0，基本都是手工繪制電子圖紙，各種電氣符號全部是需要時臨時繪制，缺少管理。圖紙繪制完成后，統計編輯明細清單，交付下游使用。此時大部分企業基本對這些數據缺少管理。即使需要管理構建BOM，也是清單樣式。松散的設計和管理，根本談不上對設計的驗證、仿真和集成。大部分企業都是等設計完成之后，通過樣機對元件進行布局，對線長進行放樣，然后才能安排下線生產。
在這些年走過的企業中，這種情況目前還是數見不鮮，可見國內電氣信息化水平還是有待提高的。但這方面，電器設計就稍微超前——因為PCB板的板層等，不是放樣可解決的。
2.2 電氣2.0時代的研發集成管理
在電氣1.0時代，每一個電氣原件都是孤立的對象，純粹就是一個電氣符號，這給大家協同使用時帶來很多的不便，例如一個繼電器，大家協同設計時，不同人員繪圖時使用比例不一致，重用時就會出現問題，此外，繼電器的幾個常開和常閉，大家怎么協同使用，怎么確保合理應用，不超過也不浪費。
電氣2.0時代，最突出的特點就是建立專門的電氣元件庫，有專門的線纜庫信息庫，可以通過專門的ECAD軟件繪制原理圖并生成專門的原件或者線纜清單，然后實現ECAD數據，以及集成清單數據的管理。大家在協同時候，也主要是通過共享使用統一的設計庫確保繪圖規范的一致，大部分專業的電氣軟件都是在這個階段發展起來的。
在電氣2.0時代的后期，隨著數據庫的技術發展，對電氣設計協同帶來的很大的便利，統一的設計庫的數據記錄信息也有單一的數據庫變更為基于網絡的數據庫，這樣就可以解決大家在使用同一繼電器的沖突和浪費問題。這種設計方案的改進，大大降低了設計錯誤，減少了設計周期。
電氣2.0時代，PDM/PLM管理首先要解決的是元件/線纜符號庫的管理，同時由于電氣原件需要選型，這部分直接決定了企業最終對電氣原件的采購，這部分信息必須和企業的物料庫保持一致，數據庫的同步也是集成的重點工作。在此階段，系統集成也主要是交付數據的集成。
目前很多企業，都處于這個階段，這個階段，機電團隊基本上都是獨立的，過程溝通也很少，基本上都是最終樣機時去驗證機械和電氣之間的兼容性。
2.3 電氣3.0時代的研發集成管理
電氣集成3.0時代，已經開始要求設計工具和管理平臺的集成與互動。隨著電氣設計的進一步復雜，樣機制造時間和交付周期的進一步縮短，電氣設計的3.0時代，也迎來了原理圖與3D布局的互動，對電氣設計結果進行布局，布線進行提前研究和驗證，避免和機械部分進行干涉，有些企業也開始關注電氣部分對整個機械部分的影響，進行仿真分析，例如電氣產熱對整個產品性能的影響，如何布局降溫等。
電氣3.0時代，要求電氣軟件必須和ECAD軟件可協同互動，將電氣團隊和機械團隊更加緊密的綁定在一起，團隊開始更關注前期的策劃和過程的協同——因為大部分產品更加小巧，電氣工程師需要增加一個繼電器，就必須提前和機械工程師溝通確保預留空間，電氣工程師需增加一個有一定功耗的芯片，機械工程師就必須考慮電磁屏蔽，或者必須在機械結構上增加散熱的設計，電氣設計完成后，包括線長的信息也可以提前獲得。此時，機械團隊和電氣團隊的邊界開始模糊。
在軟件實現上，傳統的大牌廠商的確遇到了瓶頸，因為實現這個步驟，不僅需要電氣CAD功能能滿足設計和驗證要求，而且還要求有強大的3D CAD建模和分析功能。傳統的ECAD廠商和機械CAD廠商的確在這點需求上產生了碰撞，開始向上游、下游兼容。但目前大部分還是結果的導出和導入交互，十分不便利。ECAD廠商在實現3D方面步履維艱，3D方面還是有很大的技術瓶頸。國際幾大3D廠商也推出自己的ECAD解決方案，但是和專業應用方面差異太大，幾乎沒有市場。
這個階段冒出了一個黑天鵝，來自法國的老牌CAE公司Trace Software推出了專業的elecworks軟件，使用SQL Server作為統一信息管理平臺，基于網絡的協同一下子變得很方便了，基于開放3D SolidWorks平臺的機電集成，大大降低了機電交互的門檻。同時借助SolidWorks深入到三線城市的銷售網絡，增長很快，在最近幾年的項目實施中，遇到的比例也大大提高。
但是，集成也帶來了數據的復雜性，因為管理平臺不僅僅管理交付的清單文件形成BOM便于下游使用，而且要求管理好交付的2D原理圖數據和3D布局數據——但不同的3D CAD對電氣數據，尤其是線纜數據的處理各不相同，集成數據還不是很準確，需要二次處理，因此這一塊，還需要ECAD廠商、3D CAD廠商和PLM廠商的協同努力。
現在有一部分企業已經開始在這個階段進行嘗試，尤其是快速消費產品。
2.4 電氣4.0時代的研發集成管理
工業4.0時代，要求更多的智能產品，在智能工廠進行智能生產，然后通過智能物流系統進行配置或交付運營，對機電軟一體化提出了更高的要求。工業4.0時代，企業的產品也由大批量生產時代進入到大批量定制階段，產品的個性化進一步提升。
工業4.0時代的產品，產品的智能化肯定是通過更多的電氣和軟件實現的，在此過程會逐步降低機械部分的功能比重，大大提升嵌入式電氣、傳感器、物聯網、軟件的因素。例如手機，我們就發現機械部分的成本和交付周期就大大低于電氣軟件，自動駕駛汽車機械部分和傳統騎車結構已經簡化了太多太多，但是電氣部分卻復雜不止一百倍。由于需要保持不同客戶的個性化需求，產品定制的過程中，也需要確保電氣和軟件的定制，管理的復雜性急劇增加。
電氣4.0集成時代，電氣設計是一個復雜的生態環境，產品決策者，優先考慮通過軟件和電氣實現必需的過程決策，最后才是必要的機械執行部分，在設計階段就必須考慮后期的維護運營監控和智能升級，綠色回收等生命周期因素。電氣設計融入了更多的智能因素和可配置因素，此時仿真已經是最基本的需求，更多的開始要求虛擬的設計和實際的物理設備之間的互動，Digital twin作為一種新興的技術，改變了傳統的產品設計和交付的流程，形成了從產品設計→產品智能聯網監測和遠程維護→產品數據分析→提供服務→優化設計，并且收集的大數據再反哺產品制造商，從而進行新產品迭代的閉環生態圈。產品設計也不僅考慮產品，更需要考慮和生產環境的協同。不僅機械和電氣的邊界模糊，而且研發和工藝的邊界也開始模糊。
在此，我觀看過PTC公司演示的一輛智能聯接的SantaCruzV10山地自行車的亮相向觀眾展示了未來產品可能的存在形態，物理世界的自行車和數字世界的Digital Twin，二者交相呼應，在一舉一動中實時交互、協同。假如你是個野外騎行愛好者，你的運動軌跡和相關數據可以實時被實時傳輸和記錄。也了解了背后的機電軟之間的協同，我感到驚訝。
電氣4.0時代的很多技術還在探索中，目前還很少批量在生產環境中使用，但是如何提升機械CAD、電氣CAD，以及與嵌入式和軟件設計的協同，已經是很多廠商思考的問題，并且開始布局。這樣其實盡一家之力已經無法解決這個龐大的問題，需要制定行業標準，開放平臺，更多行業領頭企業參與推進。
回歸到電氣ECAD的功能，與3D CAD的集成要通過布局圖實現自動的布局，連接的線纜也必須按照指定的路徑進行自動的布線，并自動計算線槽的容積率，超出的話，能在允許范圍內進行最佳方案的優化。線路中允許出現嵌入式的黑盒，或者PLC，可以通過編制程序對電氣的閉合情況進行驗證確認，然后進一步，驅動機械部分的仿真。目前NI公司已經推出相關解決方案，讓我們看到不少曙光。
在這一方面，管理平臺在很大程度走到了設計軟件的前列，目前的三大平臺都可以實現機械、電氣/電器、軟件的管理(代碼)，包括基于機械、電氣、軟件的協同配置，個性化選配的實現，在接觸的企業和解決方案中，個人認為PTC的Windchill實現的最優秀，Windchill+Integrity可以比較完美的解決很大一部分問題。目前還沒有實施過滿足此狀態的項目，但是，不遠的將來，肯定會有的。
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