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作者:詹德鉅(2003-07-10);更新:詹德鉅(2003-07-24);推薦:徐業良(2003-07-10)
附註:本文為九十一學年度元智大學機械工程研究所詹德鉅碩士論文。

配電變壓器構造設計流程之改善

1. 簡介

電力事業發展的初期,電力的供給雖可以藉直流低電壓來供應較近而狹小的地域,但隨著大電力和長距離輸電的需要,並為了提高輸電的品質、減低損耗,以得到較經濟的方式輸送電力,故有利用變壓器來完成高壓輸電的必要。變壓器基本原理是利用電磁感應的原理將一種交流電壓變換為同一週率的另一種電壓。電能之所以能廣泛地以交流方式來輸配,即得力於變壓器可以將不同電壓的電路很簡單而可靠地連接起來,使發電機、輸電線、二次配電系統及最後各式各樣的負載均能以適當的電壓運轉。

變壓器依容量大小大致可分為電力變壓器(power transformer)和配電變壓器(distribution transformer),本章描述大同公司配電變壓器構造設計流程,並提出此流程之問題以及可能的改善方向。

1.1 配電變壓器構造設計流程

變壓器是由兩個以上的電路和一個共通的磁路所構成。構成電路的線圈(coil)大多數均為互相獨立,電力由一方的線圈經共通的磁路利用電磁感應作用而傳達到另一方的線圈。接於電源側的線圈稱為「一次線圈(primary coil)」,接於負載側的線圈稱為「二次線圈(secondary coil)」,但亦有以電壓的高低而稱為「高壓線圈(high voltage coil)」及「低壓線圈(low voltage coil)」。變壓器磁路部份則是由矽鋼片或非晶質鐵心(core)所構成,提供磁通良好導磁的磁路。

大同公司配電變壓器的設計步驟可以分為「電氣設計」和「構造設計」兩大部份。電氣設計簡稱為「電設」,而構造設計簡稱為「構設」。依顧客規範書所要求的電氣特性,計算所需鐵心大小、線圈導體的匝數、尺寸及電氣特性(效率、電壓變動率、激磁電流、及阻抗電壓等特性)等工作,稱為電設,其設計過程及結果數據記錄於電設專用表單,我們稱之為「計算紙」。依照電設所求出的各種數據以及配合顧客要求的外觀型式和功能,考慮各部位絕緣距離及構造強度,進行計算及繪製製造圖面等工作,稱為構設。

通常配電變壓器構造設計所需繪製的圖面包含提供給顧客的「認可圖」和提供給生產單位的「製造圖」。認可圖基本上需包含變壓器外形圖、銘牌、和大同規範(電設提供),若顧客有其他要求時,則視其需要提供更詳細的零配件規格圖面。製造圖面則包含工作通知、圖面表、外形圖、銘牌、商標、線圈材料表、鐵心裝配、夾件裝配、高壓接線裝配、低壓接線裝配、上蓋裝配、外殼裝配、導口裝配和附件裝配等基本圖面。

認可圖的繪製常因顧客急用而有時間限制,甚至下訂單前即要求製造商提供認可圖,此時認可圖的功能通常作為業務人員與顧客簽約用,為了順利簽約,趕繪認可圖是常有的事。在接訂單後除了認可圖外,製造圖也要配合出貨日期,儘快繪製出圖,以利生產單位進行製造生產。對工程師而言,不管是認可圖或是製造圖都講求速度快,如表1所示,目前已有多項圖面採用程式化出圖,或是標準化圖面填表出圖,目的就是為了提昇出圖速率。

1. 構造設計繪圖方式整理

項目

繪圖方式

備註

工作通知

舊圖修改

 

圖面表

舊圖修改

 

外形圖

舊圖修改

特殊品需重繪

銘牌

標準圖填表或舊圖修改

 

商標

標準圖

 

線圈材料表

程式化

特殊品需修改

鐵心裝配

程式化

 

夾件裝配

程式化

 

高壓接線裝配

標準圖填表或舊圖修改

特殊品需重繪

低壓接線裝配

標準圖填表或舊圖修改

特殊品需重繪

上蓋裝配

標準圖填表或舊圖修改

特殊品需重繪

外殼裝配

標準圖填表或舊圖修改

特殊品需重繪

導口裝配

標準圖填表或舊圖修改

特殊品需重繪

附件裝配

舊圖修改

特殊品需重繪

1所列繪圖方式中,「舊圖修改」指的是工程師開啟自己或同事曾經繪製類似的圖檔,另存新檔並依據需求做部份修改然後出圖;「標準圖填表」指的是可以共用的標準圖面,其圖形外觀一樣,尺寸以變數表示,工程師於表格內填上適當的數據後即可出圖;「程式化」指的是已經有程式可應用,只要輸入參數即可執行程式自動設計繪圖並列印出圖;「特殊品」指的是特殊變壓器或汰舊換新需配合放置場所的變壓器,其製造圖則需繪製新圖。

「舊圖修改」是目前大同公司最常用的繪圖方式,工程師接到設計案後,最直接的方式就是憑記憶由自己曾經設計過的案例中,找出最相似的一件,應用其中的圖檔修改成現在的設計需求,然後出圖。當設計過的案例累積到一定量時,就可能會有忘記或找不到檔案的情形出現,然後就需重繪新圖。而不同的工程師可能在不同時間點接類似的設計案件,後者可能就會因為不知道前者有類似的圖面可利用而重複繪製相似的圖面。「標準圖填表」在人工繪圖中算是最快的一種,方法是先將圖面可共用的部份整理成一張圖,尺寸用變數表示,同時在同一張圖中配合變數製作空白表格,設計師可將不同案件的尺寸填入表中,表格填滿則需更換一張新圖。「程式化」繪圖目前為最便利的一種方式,只要將圖面所需參數在程式輸入介面各欄鍵入,然後執行程式即可自動繪圖及列印出圖。

1.2 研究目的

以大同公司重電一廠配電變壓器設計為例,製造圖面包含工作通知、圖面表、外型圖、銘牌、商標、線圈材料表、鐵心裝配、夾件裝配、高壓接線、低壓接線、上蓋裝配、外殼裝配、導口裝配和附件裝配等基本圖。每一張圖面,在繪製過程中分別獨立,不管以「舊圖修改」、「標準圖填表」或「程式化」哪一種方式繪圖,都需參考電設計算紙所計算的數據資料,作為繪圖的依據,所以製造圖繪製了14張,構造設計可能需重複輸入14次相同的數據資料,此舉相當費時。若能將每一張圖面繪製過程程式化,將所需參考數據由一個相同的介面輸入一次,儲存於單一共用資料庫,每張製造圖的參數都連結到此資料庫,形成一個「整合性的程式化自動繪圖」,則可節省不少設計時間。若能將程式集中於一台伺服器中,所有使用者以區域網路連結的方式使用,則程式的維護只要針對伺服器中的那一套即可,如此可省下不少維護時間和費用,也可去除程式版本更新的問題。當然如果應用「網際網路輸入介面」,則可任意將設計師工作地點設置在全球各地能上網的地方。

本研究目的即是在建立配電變壓器構造設計「整合性的程式化自動繪圖」模式,工程師開始設計變壓器時,由客戶端透過網際網路進入「網際網路輸入介面」網頁,首先依據「計算紙」所計算的各項數據輸入各個欄位,然後選取欲繪製的圖面傳送鍵,傳送資料後經由網路送至伺服端電腦的「資料庫」,同時執行預定的「執行檔」開啟「繪圖程式」,繪圖程式依據資料庫參數進行自動繪圖,最後得到「製造圖面」供生產單位使用或「網際網路輸出網頁」的認可圖供客戶認可用。

「整合性的程式化自動繪圖」程序中,「計算紙」內容是電設工程師所計算的變壓器特性資料,隨著不同客戶的規範書需求,會計算出不同的數據資料。「資料庫」則包含所有繪圖過程所需參考的大同設計規範或國家標準,除了客戶在外觀上特別要求以外,所有設計資訊都有一定標準,以上「計算紙」和「資料庫」兩項資料為程式化繪圖的基本依據。「網際網路輸入介面」和「網際網路輸出網頁」提供設計工程師網路互動式設計介面和結果網頁,為本整合性的程式繪圖主要的特色之一。「執行檔」和「繪圖程式」擔負繪圖重責大任是本流程中主要技術所在,也是本文所述「整合性」的目標項目,而「製造圖面」則是程式自動繪圖的結果,提供生產單位製造變壓器產品用。

「整合性的程式化自動繪圖」有兩項重要技術工作:第一項為設計「自動繪圖程式」的繪圖內容及「資料庫」規劃;第二項為設計「網際網路輸入介面」與「網際網路輸出網頁」,其中需包含開啟檔案的「執行檔」執行程式和一項重要關鍵技術「執行伺服端的DOSWINDOWS的執行檔」。以下即對本研究相關技術發展逐一介紹,最後並完成此一整合性的程式化自動繪圖系統,實際導入大同公司配電變壓器構造設計流程中。

2. 自動繪圖程式設計技術

本章首先討論本研究中自動繪圖程式設計需求及架構,接著以Solid Edge軟體就變壓器設計實際案例繪製過程及結果作說明。

2.1 自動繪圖程式設計需求及架構

一般產品的設計在外觀或是結構上通常變化不大,設計上所依據的資訊或規範通常也有固定的邏輯,但若以人工設計繪圖,需重複多次繁雜的確認工作,才能正確無誤的設計出圖。自動繪圖程式的設計目的是想以電腦程式取代人工繪圖,只要在程式設計時,加入所有限制條件,控制先行繪製好的基本零件圖,再輸入參數後就可以輕鬆得到製造圖面。

就以上自動繪圖程式的使用需求來看,我們需要撰寫一個自動繪圖程式,這個繪圖程式有一個互動式的輸入介面,提供使用者輸入參數,按下輸入鍵後程式自動執行繪圖工作並且輸出最後的設計圖面。這種做法適用於一般辦公室,但每位設計師需擁有一部電腦及安裝一套自動繪圖程式和相關繪圖軟體。為了使自動繪圖程式效率更高,應用範圍更廣,我們將改用網際網路設計客戶端的互動式輸入介面,執行伺服端的自動繪圖程式,進而控制繪圖軟體執行繪圖工作。

由於輸入介面為網頁型式,我們需要一個資料庫,儲存輸入的參數,而自動繪圖程式為一套繪圖軟體必需另外設計執行檔控制它。首先我們需設計執行檔執行功能,執行檔程式的執行內容分兩階段,第一階段必須包含啟動資料庫和一個預定的繪圖軟體,然後開啟一個事先繪製的2D3D基本模型檔,第二階段必須將事先繪製的2D3D基本模型檔更新並儲存成影像檔。資料庫則連結繪圖軟體,形成資料庫參數與繪圖軟體變數同步變更的方式,達到自動繪圖的功能。

1所示即為這個自動繪圖程式的整體架構,主要設備包含兩部份,第一部份為客戶端的電腦,需具備上網功能;第二部份為伺服端的電腦,需具備繪圖應用程式(軟體)和資料庫應用軟體以及安裝具備特定功能的執行檔。客戶端的電腦連上伺服端的電腦後,進入自動繪圖程式的網際網路互動式輸入介面,依據這個介面輸入適當的參數後上傳至伺服端電腦,伺服端的電腦則依據需求執行圖1中執行檔模組(a)~(e),最後執行結果為2D3D圖檔之影像檔,會下載到客戶端的電腦,也就是網際網路輸出網頁所顯示的結果。經由互動式輸入介面,整個繪圖流程完全操控於客戶端的使用者。

1. 自動繪圖程式的整體架構

程式語言有很多種,我們選擇Visual Basic程式語言撰寫執行檔,ASP撰寫網際網路輸入和輸出網頁,使用Excel當作資料庫,繪圖程式則應用Solid Edge 3D繪圖軟體。

2.2 以繪圖軟體Solid Edge作參數式設計

目前大同公司所用繪圖軟體為AUTO CAD,主要以2D繪圖為主,為了嘗試導入3D繪圖方式,已購入正版Solid Edge軟體試用中。初步研究這套軟體後,認為正好可符合本研究參數式設計及繪圖軟體與資料庫整合之需求,以下即以Solid Edge軟體就變壓器設計實際案例繪製過程及結果作說明。

首先,以Solid Edge繪製所需標準零件圖和組裝圖並標上尺寸及限制條件,零件圖和組裝圖的標註尺寸可以參數方式控制,所有經過設計的參數列於Solid Edge內建的變數表。接著在Excel資料庫針對變數表的參數設計相對應的儲存格,將這些儲存格的資訊連結到Solid Edge的變數表,以後只要改變Excel的儲存格資料,就如同改變Solid Edge的變數表,也就是改變設計圖面。設計完成的圖面為3D的立體圖和2D的工程圖,這些圖面需分別儲存成影像檔,即完成自動繪圖程序。

自動繪圖程式執行檔依據不同的製造圖面可能需分別撰寫不同的執行檔模組程式執行內容,亦即啟動不同的基本圖檔,而資料庫數據則可設計成共用資料,儲存於同一個檔案中。以下就以「夾件裝配」中的子圖「上部夾件」為例,說明「整合性的程式化自動繪圖」設計過程及自動繪圖步驟。

變壓器的夾件設計依據不同的鐵心構造及大小可分成多種標準型式,圖2所示為其中一種,上部夾件(TopClamp.asm)繪製完成後,需定義尺寸參數和材料特性,Solid Edge內部程式會對每一個標註尺寸內定一個參數名稱,為了增加參數可讀性,我們針對關鍵的參數重新命名,以符合實際零件名稱,同時在設計參數與資料庫連結時較容易辨識,且程式除錯時效率會更好。圖3所示為Solid Edge中上部夾件之變數表,其中參數L代表夾件長度、參數W代表夾件寬度、參數T代表夾件厚度、參數R代表兩邊折彎半徑、參數H則代表兩邊折彎高度,這些參數分別可對應到2D工程圖各個視圖尺寸上。這些參數是繪圖時Solid Edge內部程式對應工程師所標註尺寸內建的,其值可分別由其他內建參數或自訂參數去控制。

2. 上部夾件

3. 上部夾件之變數表

上部夾件的工程圖(TopClamp.dft)以第三角法表示,分別定義為「上視圖」、「正視圖」和「右側視圖」,如圖4~6所示。

4. 上部夾件之上視圖

5. 上部夾件之正視圖

6. 上部夾件之右側視圖

4~6所示工程圖中,分別標上製造所需的尺寸,這些尺寸分別與圖2所示立體圖是相關聯的,也就是說,當變數表中數值變更時,不只立體圖會變更,連2D工程圖也同步更新。例如,代表夾件寬度的參數W原本為180,當變更參數W223時,於工程圖中夾件寬度的標註尺寸180也同時變更為223,接著只要將工程圖輸出,即可依圖製造夾件了。若是將工程圖存成影像檔,則可提供網頁使用者下載使用。

以上為Solid Edge繪圖方式,其參數式設計包含了3D2D的關聯性,使得初始設計與後來修正設計皆可從3D出發,同時達到2D工程圖同步設計繪圖的功能。

2.3 繪圖軟體Solid EdgeExcel資料庫整合

當圖面設計完成後,為了適用於更多的參數變更設計,規劃了Excel資料庫(TR_Design.xls)供輸入及儲存資料。規劃Excel資料庫時必須考慮設計輸入及查詢的的便利性,以及資料保存的完整性。首先在資料庫(TR_Deign.xls)中建立多頁次資料庫(頁),如圖7所示,分別命名為InputDataOutlineClampInsulatorCoverTank,資料頁可視設計需求繼續擴充。Input次資料庫輸入頁的欄位設計,包含了兩部份,第一部份包含設計師、日期、工作通知、製造號碼等欄位,可紀錄設計案的基本資訊,如圖8所示。第二部份所有欄位的設計則是以電設計算紙的數據為依據,欄位包含了幾項重要繪圖資訊,如鐵心規格、線圈規格、外殼尺寸及其他相關變壓器設計資訊,詳如圖9所示。

7. 次資料庫

8. Input次資料庫第一部份

9. Input次資料庫第二部份

這些欄位的設計都提供輸入的功能,有些則另外設計包含選擇項功能,如冷卻方式、容量、接線方式和電壓等,可更方便設計師選用。

這些提供選擇項的功能在Excel中成為一個巨集,必須安排位置儲存這些選擇項的資料,於是設計了Data次資料庫,用於儲存所有巨集的資料。如圖10所示有容量、一次電壓和二次電壓等選擇項的資料儲存位置。

10. DATA次資料庫中容量選擇項儲存位置

OutlineClampInsulatorCoverTank等次資料庫的欄位設計分別代表每張設計圖所需的參數,這些參數是依據Input次資料庫的數據經過設計而決定的,所謂設計即是以大同公司30年變壓器設計經驗所累積的資料為依據,加上變壓器設計之世界標準規範為依歸,所整合出來的設計條件,將這些設計條件程式化後定義於適當的儲存格,近而決定這些自動繪圖的參數值。圖11所示為Clamp次資料庫中上部夾件部份的內容,包含了所有上部夾件的設計資訊,其中有些參數被連結到Solid Edge上部夾件(TopClamp.asm)圖檔,例如LWH(參考圖3公式欄位)。Clamp次資料庫中其他內容,如下部夾件、側板和一些支持件等也都有其相關聯性的Solid Edge 3D圖面相連結。

11. Clamp次資料庫中上部夾件內容

Excel資料庫儲存格連結到Solid Edge變數表的連結步驟如下:

(1)   Excel檔(例如:TR_Design.xls)中選取欲連結的儲存格,按滑鼠右鍵,點選「複製」功能。

(2)   開啟欲連結的Solid Edge圖檔(例如:TopClamp.asm)。

(3)   開啟「變數表」或「零件變數表」。

(4)   選取欲連結的參數欄位,按滑鼠右鍵,點選「貼上連結」功能。

(5)   按「輸入」鍵後即完連結。

Solid Edge圖檔變數表中,已做連結的參數無法任意變更數值,除非從連結資料來源處變更,也就是從資料庫變更資料才可以,這就代表資料庫控制繪圖參數,所以當設計師輸入資料庫的數據變更時,同時也改變了圖形尺寸,這就是資料庫連結自動繪圖程式的設計。

依據Input次資料庫的數據,經由特定的關係及運算公式可以計算出夾件繪圖所需的基本數據,這些數據就是Clamp次資料庫的數據資料來源。其他如OutlineCoverTank等次資料庫,設計方式雷同。

2.4 展示設計圖

3D設計圖完成後,如果要展示變壓器外觀或部份構造,此時可將圖形另存成影像檔,隨時可以開啟觀看。通常最需要展示的就是變壓器外形圖,因為它提供設計者或使用者(顧客)最直接的產品資訊,如圖12所示為其中一種配電變壓器3D外形圖。如果外觀尺寸、變壓器規格等資訊要同時顯示出來,則必須以2D工程圖來表示,如圖13所示。

12. 配電變壓器3D外形圖

13. 配電變壓器2D工程圖

2D工程圖在Solid Edge中和3D圖形仍是相關聯的,也就是說3D的圖形變更形狀或尺寸時,工程圖相對位置的形狀和尺寸也同時變更。圖4~6所示的3D上部夾件圖可集合於一張2D工程圖表示如圖14,其中所有尺寸皆和變數表(參考圖3)相對應並由參數控制,如尺寸1376即為變數表中參數L、尺寸655即為變數表中參數W、尺寸75即為變數表中參數H,而尺寸9即為變數表中參數T

14. 上部夾件2D工程圖

3D圖可直接列印使用,亦可另存成影像檔備用,如圖15所示為上部夾件的影像檔。2D工程圖也可直接列印使用或另存成影像檔備用,如圖14所示即為上部夾件的工程圖影像檔。

15. 上部夾件3D圖影像檔

3. 「在客戶端執行伺服端的執行檔」設計技術

本章描述如何撰寫一動態伺服器網頁,使用者可於網路客戶端(Client)執行伺服端(Server)DOSWINDOWS的執行檔,並且將執行結果下載到客戶端。

3.1 動態伺服器網頁

在網際網路(Internet)的世界中最重要的參與者,無疑的是網頁提供者與上網者。網頁提供者將其製作好的網頁放在伺服器上,而上網者則是準備好上網的機器,然後透過網際網路來瀏覽網頁製作者所提供的網頁,在習慣上,我們把放置網頁的那一端稱為伺服端,而上網的那一端稱為客戶端。

「超文字標示語言(HyperText Markup Language, HTML)」是構成網頁最基礎的要素,它是一種語言,但並不算是“程式”語言,HTML所定義的範疇僅侷限於如何表現文字、圖片,以及如何建立文件之間的連結,而程式則是經過規劃的一連串命令(或稱為“敘述”),這樣的命令可用來驅使作業系統或應用程式執行某些工作。由於HTML並不是程式語言,因此由HTML所構成的文件並不會因時因地產生變化,所以便有「靜態(Static)網頁」之稱。

為了讓網頁具備動態變化的能力,需將程式加到單純的HTML文件中。網頁程式的執行可以分成在客戶端的瀏覽器執行及在伺服端的伺服器執行兩種狀態,如圖16所示,如果程式在瀏覽器上執行,例如VB Script程式,則伺服器必須把程式碼傳下來,而瀏覽器也要聰明到可以執行伺服器所傳下來的程式,如果程式在伺服端執行,則伺服器只要把執行的結果傳下來即可,而「動態伺服器網頁(Active Server Page, ASP)」就是一種在伺服端執行的程式。

16. 網頁程式的執行

ASP技術的程式碼屬於單純的文字檔案,並不需要額外程式進行編譯,只需Web伺服器支援ASP技術,就可以在HTML文件加上ASP程式碼進行網頁設計。ASP技術的動力來源並不是程式碼本身,而是ASP提供的物件,因為擁有功能強大的內建物件模型,整個ASP技術才能真正發揮強大的功能。ASP技術的內建物件並不多,包含以下六種:Response物件、Request物件、Server物件、Session物件、Application物件、和ASPError物件。每一個物件又分別有多種屬性(Properties)、方法(Methods)、事件(Events)、及資料集合(Collections)

安裝Windows 2000 ServerProfessional作業系統中的網路伺服器“Internet Information Services 5, IIS 5”元件後,就會建立一個“預設的Web站台”,其主目錄設在“C:\Inetpub\wwwroot\”,視情況需要主目錄位置亦可任意變更。這個Web站台預設為Web應用程式,在此主目錄下擁有“指令”權限可以執行ASP程式,欲執行“DLL”“.exe”檔案則需賦予目錄“執行”權限。

3.2 實例說明

這一節中以實例說明以ASP程式執行伺服端DOSWINDOWS的執行檔。本實例執行檔“example.exe”位於伺服器的D磁碟中(D:\www\MySite\test\example.exe),在同一目錄下另外建有一個純文字檔“input.txt”,此純文字檔提供執行檔執行時所需的參數,在DOSWINDOWS模式下執行“example.exe”可以產生一個純文字檔“output.txt”儲存執行結果。

本實例執行檔“example.exe”的內容為計算變壓器的一次電流與二次電流,執行過程首先在純文字檔“input.txt”輸入3個參數值如100011400220,分別代表變壓器容量1000kVA、一次電壓11400V和二次電壓220V。然後執行“example.exe”,程式會從純文字檔“input.txt”索取事先輸入的3個參數值,將代表容量的1000乘上100011400再除得到一次電流為50.64476A;將代表容量的1000乘上1000220再除得到二次電流為2624.319A。接著程式會建一個命名為“output.txt”的純文字檔,儲存一、二次電流計算結果值50.644762624.319

本實例以個人電腦在DOSWINDOWS模式下操作,文字檔”input.txt”輸入內容如圖17所示,執行結果文字檔”output.txt”內容如圖18所示。

17. “input.txt”輸入內容

18. “output.txt”儲存內容

將本實例以ASP程式透過網際網路執行,程式可分為“WebInput.htm””WebOutput.asp” 兩個檔案,“WebInput.htm”程式的內容應用VB Script的表單(Form)傳送資料,並且連結”WebOutput.asp”,其原始程式碼如圖19所示。

19. “WebInput.htm”程式碼

”WebOutput.asp”是由三段主要程式構成,第一段程式內容為在伺服端D磁碟目錄(D:\www\MySite\test\)中建一個如圖17所示的文字檔“input.txt”,並且將客戶端所輸入的參數寫入該檔案中。本段程式應用ASP的內建物件「Server物件」和「Request物件」以及VB Script的「寫入(Write)」功能,其原始程式碼如圖20所示。

20. “WebOutput.asp”第一段程式碼

第二段程式則是利用外部元件「ASPExec」建立一個可執行執行檔的物件「Executor」,然後利用此物件執行伺服端的執行檔“example.exe”,並且將是否順利執行執行檔“example.exe”的訊息顯示於瀏覽器視窗上。本段程式應用ASP的內建物件「Server物件」和「Response物件」以及VB Script的「應用(Application)」、「參數(Parameter)」和「顯示視窗(ShowWindow)」等功能,其原始程式碼如圖21所示;

21. “WebOutput.asp”第二段程式碼

第三段程式內容為讀取文字檔“output.txt”的內容,並且將其顯示在瀏覽器視窗上。本段程式應用ASP的內建物件「Server物件」和「Response物件」以及VB Script的「開啟檔案(OpenTextFile)」和「讀取檔案(ReadAll)」功能,其原始程式碼如圖22所示。

22. “WebOutput.asp”第三段程式碼

23所示為本實例透過網際網路上網操作時的網頁參數輸入介面內容,上網者瀏覽此網頁時可以依網頁所提供的應用程式執行功能,如變壓器電流計算的功能,自由輸入各項要求參數,如容量、一次電壓及二次電壓等,輸入參數後以滑鼠點傳送鍵即可得到執行結果輸出內容如圖24所示。

23. 網頁參數輸入介面內容

24. 網頁執行結果輸出內容

本章提供客戶端執行伺服端的DOSWINDOWS的執行檔撰寫實例,包含網頁輸入介面與結果輸出網頁。藉由這種模式網頁提供者只需要將執行檔套入原始程式碼中,加上撰寫簡單易懂的網頁輸入介面與結果輸出網頁即可。其應用範圍具有延伸性,端看所應用的執行檔而定。

4. 「網際網路輸入介面」與「執行檔」程式設計

有了資料庫和自動繪圖程式連結後,最重要的就是啟動自動繪圖程式的互動式輸入介面。利用第三章所介紹的觀念,我們用ASPVB Script設計「網際網路輸入介面」供上網者使用,其功能為輸入設計參數和啟動自動繪圖程式執行檔,當自動繪圖完成後,則下載繪圖結果於「網際網路輸出網頁」,使用者可依據需求選擇放大圖示觀看或直接下載檔案。本章首先針對「網際網路輸入介面」和「網際網路輸出網頁」的設計內容做一簡單說明,接著討論啟動自動繪圖程式的執行檔模組程式設計。

4.1 網際網路輸入介面

為了應用網際網路傳輸資訊的便利性和擴大設計師工作地點,我們設計「網際網路輸入介面」提供設計師設計環境,所以可想而知這個「網際網路輸入介面」必須提供的功能包含最基本的設計資料輸入功能,如圖25所示,展示設計變壓器所需的參數欄位。為了避免繪圖程式發生錯誤,部份特定輸入欄位會設計下拉式功能表,提供固定參數選擇項,或者輸入數值範圍說明和限制條件等防呆措施。當這些參數輸入後按傳送鍵,所有數據會被儲存到伺服端電腦的輸入暫存檔”WebInputFile.txt”,再由執行檔模組讀取資料並存入資料庫,也就是Excel資料庫(TR_Design.xls)

25. 網際網路輸入介面

當資料庫參數變更時,連結的Solid Edge 3D圖面同時變更,自動繪圖的原理參考第二章所介紹。不同的是網路使用者在自己的電腦輸入參數到伺服端電腦的資料庫,而Solid Edge繪圖軟體也是在伺服端電腦執行繪圖工作。

除了輸入欄和傳送鍵,我們還需設計結果網頁,也就是提供使用者選擇展示繪圖成果的功能,這個網頁稱之為「網際網路輸出網頁」,如圖26所示。在「網際網路輸出網頁」中的小圖示可以點選放大視窗觀看設計結果,或者直接下載影像檔存於客戶端電腦。其中3D圖選項就是最主要也最需要在網頁上展示的圖面之一,其他製造圖面如夾件裝配、夾件部品和絕緣物等也可以展示,視使用者實際需求狀況而定。若是需要變更設計或是重新設計新案可於網頁點選「上一頁」指令,或是點選「重新輸入設計值」以回到設計輸入網頁。

26. 網際網路輸出網頁

此程式主要執行流程為,當客戶端傳送設計值後儲存於暫存檔,接著執行檔模組再將暫存檔的參數值傳於資料庫以及執行自動繪圖工作,當自動繪圖軟體執行時網頁是處於等待下載畫面的狀態,當執行檔完成所有繪圖工作會產生設計圖影像檔,有了影像檔輸出網頁才會順利執行。其中執行檔被啟動後是和網頁程式同時進行的,所以為了決定輸出網頁下載影像檔時機,我們以偵測伺服端影像檔存在與否來設計程式等待時間,偵測的時間間距設定為3秒鐘。由於本設計案例的執行檔在測試用個人電腦的執行時間約為5分鐘,所以設定伺服器等待時間為600秒,以確保網頁程式確實執行。圖27所示即為觸發執行檔動作和等待下載影像檔時機的偵測程式碼片斷。

27. 網頁程式碼片斷

4.2 執行檔

參數輸入和圖面展示只是應用在網際網路中傳輸資料的技術,至於在伺服端開啟資料庫和繪圖軟體以及執行各種繪圖工作就必須另外設計執行檔,並且安裝在伺服端電腦上,需要時可執行這些特定功能的執行檔模組。

本配電變壓器設計流程所需使用的執行檔因執行動作與時間順序不同而需分成多個模組,目前所用執行檔以Visual Basic撰寫,執行檔所有模組名稱和主要功能簡介整理如表2所示。

2. 執行檔(ExcelSEDesign.exe)整理

項目

執行檔名稱

主要功能簡介

備註

1

ExcelSEDesign.exe

(主程式)

a.控制副程式(WebInputFile ,

InvokingExcel, InvokingSE3Dasm, InvokingSE2Ddft)執行順序

b.關閉繪圖軟體和資料庫軟體

 

2

WebInputFile

(副程式)

a.將暫存檔所儲存的網頁輸入資料定義於特定變數

b.刪除暫存檔

1模組(a)

3

InvokingExcel

(副程式)

a.開啟Excel資料庫(如TR_Design.xls

b.更新參數

4

InvokingSE3Dasm

(副程式)

a.開啟Solid Edge 3D繪圖軟體

b.開啟3D圖檔

c.更新連結

d.存檔

1模組(b)

a.3D設計圖檔存成影像檔

1模組(c)

5

InvokingSE2Ddft

(副程式)

a.開啟2D工程圖

b.更新連結

c.存檔

1模組(d)

a.2D工程圖檔存成影像檔

1模組(e)

以上執行檔模組的程式碼分別簡介如下:

(1)   執行檔主程式ExcelSEDesign.exe控制副程式(WebInputFile, InvokingExcel, InvokingSE3D, InvokingSE2D)執行順序,其中副程式WebInputFileInvokingExcel相當於圖1自動繪圖程式的整體架構中模組(a)的功能;副程式InvokingSE3D相當於模組(b)和模組(c)的功能;副程式InvokingSE2D相當於模組(d)和模組(e)的功能。最後當自動繪圖程式執行完畢,執行檔主程式會關閉在伺服端所開啟的應用軟體和資料庫。此執行檔的程式碼設計如圖28所示。

28. ExcelSEDesign.exe主程式

(2)   副程式WebInputFile所執行的工作是從暫存檔WebInputFile.txt讀取客戶端上傳的資料,並且將資料定義於特定的變數中,為了增加程式可讀性,這些變數是依據Excel資料庫中的Input次資料庫儲存格欄位名稱而設定,完成讀取動作後將自動刪除暫存檔。此副程式的程式碼設計如圖29所示。

29. WebInputFile副程式

(3)   副程式InvokingExcel所執行的工作是開啟Excel資料庫,並且將副程式WebInputFile所定義的變數一一傳到Excel資料庫的儲存格,更新資料庫的內容,也就是更新經由網際網路輸入介面設計後所上傳的設計資料。此副程式的程式碼設計如圖30所示。

30. InvokingExcel副程式

(4)   副程式InvokingSE3Dasm所執行的工作是為開啟Solid Edge 3D繪圖軟體和對應的3D圖檔,接著更新與Excel相關聯的參數後可得到3D設計模型,最後將3D設計圖儲存成影像檔,以利後續上傳到客戶端。此副程式的程式碼設計如圖3132所示。

31. InvokingSE3Dasm副程式(一)

32. InvokingSE3Dasm副程式(二)

(5)   副程式InvokingSE2Ddft所執行的工作是開啟Solid Edge 2D工程圖並且更新視圖,即更新與3D相關聯的視圖,達到2D3D同步更新的設計目的,最後將2D工程圖儲存成影像檔。此副程式的程式碼設計如圖3334所示。

33. InvokingSE2Ddft副程式(一)

34. InvokingSE2Ddft副程式(二)

5. 實例操作驗證

以上所述從第一章到第四章所介紹的變壓器設計流程改善技術是針對大同公司配電變壓器構造設計而定,從第一章介紹目前構造設計的缺失;第二章提出整合性的程式化自動繪圖系統整體架構,並導入3D繪圖軟體結合資料庫控制的觀念;第三章引進在客戶端執行伺服端的執行檔設計技術;以及第四章描述撰寫網際網路輸入介面程式和執行檔程式的內容及功能,完整的架構出整合性的程式化自動繪圖系統的整體設計技術。以下就一個實際案例解說這個「整合性的程式化自動繪圖系統」的執行成效。

本案例以配電變壓器「夾件裝配」構造設計為例,夾件裝配設計圖包含夾件裝配(Clamp.dft)、夾件部品(SubClamp.dft)和絕緣物(Insulator.dft)三張主要子圖,其設計及操作流程詳述如下:

首先列出變壓器設計案的夾件裝配部份初始模型所需規格設計如表3所示,其中備註欄的數據為變更設計時所輸入的對照參數,為了明顯表現出圖面初始設計與更新設計後的不同,只選擇「鐵心數量」和「鐵心板寬」作為這次測試「整合性的程式化自動繪圖」的對照參數,故更新後的視圖非本變壓器實際正常設計。

3. 設計案規格

項目

1

客戶名稱

非晶質鐵心大容量開發案

 

2

製造號碼

TD4000T001

 

3

設計號碼

A-910801-61G

 

4

容量

4000kVA

 

5

相數

三相

 

6

頻率

60Hz

 

7

一次電壓

11400/22800kV

 

8

二次電壓

380/220V

 

9

接線方式

-Y

 

10

鐵心數量

12

8

11

鐵心板寬

213

170

12

鐵心積厚

115

 

13

鐵心窗高

690

 

14

鐵心窗寬

210

 

.

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構造設計師現在可以開始操作「整合性的程式化自動繪圖系統」,第一步將客戶端電腦連線上網並開啟網際網路輸入介面,然後依據表3的資料輸入所需的欄位,網頁輸入後畫面如圖35所示。

35. 夾件裝配設計輸入介面

設計欄位輸入完畢後,點選「傳送」鍵將會上傳資料到伺服端電腦的暫存檔“WebInputFile.txt”,並且啟動執行檔主程式“ExcelSEDesign.exe”,而執行檔副程式“InvokingExcel”首先更新Excel資料庫。以鐵心規格為例,資料表內容初始值設計如圖36所示,當設計師上傳資料的同時,啟動執行檔副程式執行開啟Excel資料庫的動作,當資料庫開啟後可以發現資料表內容已經更新了,如圖37所示。

36. 資料表初始值

37. 資料表更新後結果

Excel資料庫更新後,接著執行檔副程式“InvokingSE3Dasm”會啟動Solid Edge 3D繪圖軟體及初始模型圖檔,同時變數表中的參數因連結資料庫的資料表,所以也會自動更新連結,並且控制3D模型更新尺寸,最後將更新設計圖存成影像檔。圖38和圖39分別展示3D初始模型和更新後模型。

38. 夾件裝配3D初始模型

39. 夾件裝配3D更新設計

3D模型完成後,執行檔副程式“InvokingSE2Ddft”會開啟2D初始模型圖檔並且更新連結,最後將更新設計圖存成影像檔。

當執行檔完成自動繪圖後會產生3D設計圖和2D工程圖影像檔,這些影像檔將觸發網際網路輸出網頁下載圖片,圖40所示即為輸出網頁的畫面。若在輸出網頁中點選小圖示將可放大視窗單獨顯示該畫面。圖4142分別為網頁上初始設計和更新設計後的夾件裝配3D圖的放大視圖;圖4344分別為網頁上初始設計和更新設計後的夾件部品工程圖的放大視圖。

40. 夾件裝配設計輸出網頁

41. 夾件裝配3D圖初始設計放大視窗

42. 夾件裝配3D圖更新設計放大視窗

43. 夾件部品工程圖初始設計放大視窗

44. 夾件部品工程圖更新設計放大視窗

由於圖面設計複雜加上網頁版面的關係,放大視圖仍無法清楚表現出視圖變更後的差異,這時點選「下載」則可以將原始影像檔從伺服端下載到客戶端使用。圖4546所示為下載於客戶端的影像檔,為更新前後夾件部品工程圖的影像檔放大詳圖,圖中夾件的寬度尺寸由655變更為353

45. 夾件部品工程圖影像檔初始設計放大詳圖

46. 夾件部品工程圖影像檔更新設計放大詳圖

由以上的測試證實「整合性的程式化自動繪圖」可達到本研究原先設定的目標,將每一張圖面繪製過程程式化,將所需參考數據由一個相同的介面輸入一次,儲存於單一共用資料庫,每張製造圖的參數都連結到此資料庫,並能將程式集中於一台伺服器中,所有使用者以區域網路連結的方式使用,且應用「網際網路輸入介面」,設計師在任何地方均能上網使用。

6. 結論

變壓器產品零件設計的標準化,可說是大同公司重電一廠配電變壓器構造設計長久以來一直努力的方向,除了構思零件本身的標準化外,同時致力於繪圖方式及流程的改善。本研究即是針對大同公司重電一廠配電變壓器構造設計流程提出改善方案。

現行繪圖方式採用Auto CAD軟體設計2D工程圖,每位工程師應用個人電腦獨立作戰,通常設計概念來自於前案成品,也就是說每位工程師的作品都有其獨特風格,往往看變壓器外觀形狀就知道設計師是哪位,這對標準化設計是一件很不利的事。既然無法標準化,代表設計時間的浪費以及材料成本的增加,同時也影響產品形象。

基於以上這些原因有必要改善設計流程以提昇競爭力,對於配電變壓器的設計流程改善,提出「整合性的程式化自動繪圖」說明整個設計流程的架構。首先引進Solid Edge 3D繪圖軟體取代現行的Auto CAD 2D繪圖軟體,藉由Solid Edge 3D標準圖檔和變數表的參數式控制加上Excel資料庫連結設計,達到自動繪圖的功能。接著導入網際網路輸入、輸出介面配合執行檔模組的特殊功能設計,提供客戶端使用者操控伺服端自動繪圖系統的功能。這種「整合性的程式化自動繪圖」概念實際應用於大同公司重電一廠配電變壓器構造設計案例中,成功完成變壓器設計案構造部份設計實例,證實「整合性的程式化自動繪圖」概念可達到本研究原先設定的目標,而且不僅僅適用於大同公司配電變壓器設計工作,只要規劃得宜所有設計工作都可以套用。

本研究對「整合性的程式化自動繪圖」架構提出完整的概念,並且付諸實現,雖然已達到初期研究目標,但仍有很大進步空間,以標準化為例,變壓器的外觀構造可歸納為數種常見型式,本研究僅就其中一種型式繪出標準模型應用於測試案例中,若要將所有種類應用於本研究,則須要在公司繼續推動本研究成果,讓全公司設計師參與標準模型繪圖工作,並且將完成的初始設計模型整合於此「整合性的程式化自動繪圖」中,那就更完美了。

再者,就配電變壓器設計而言,「整合性的程式化自動繪圖」系統只是針對構造設計的改善,而前工程電設部份以特性計算為主,所應用的工具軟體也是Excel,所以未來將整合電設於此一系統中,以達到電構設合一提高設計效率為首要工作。由於此系統以網際網路為介面,以達到設計無遠弗屆為訴求,為的就是提供設計工程師或業務人員在全球各地洽談生意時,隨時都能上網設計變壓器並且當場展示成品以爭取訂單。既然涉及買賣就必須提供基本售價參考數據,例如材料成本和製造成本,所以在「整合性的程式化自動繪圖」系統中,網頁輸出部份將加上材料和製造成本分析等參考項目。當然由於售價和成本分析等屬於商業機密,因此系統必須設有使用權限的安全機制以保障公司權益。

此外,提到設計最重要的莫過於最佳化,所以「整合性的程式化自動繪圖」設計流程在公司付諸實現後,最需要加以進化的就是最佳化的功能了。最佳化的目標當然是降成本,所以預計日後在程式中會加入模型的材質因素,因此可計算各個零件的重量或整體總重量以換算為成本金額,作為設計時的參考數據。降成本最佳化還包含很多的變數,例如結構強度分析、工件加工難易度、數量的多寡以及失敗率等,當然最重要的就是失敗率,為避免因為人為設計錯誤造成失敗成本增加,就需要所謂的標準化設計因素,而這正是本研究的最終目的。

References

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