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作者:詹德鉅;論文整理:洪永杰(2004-08-19);推薦:徐業良(2004-12-04)
附註:本文發表於中國機械工程學會第21屆全國學術研討會

配電變壓器構造設計網際網路整合自動繪圖系統之開發

摘要

本研究目的在開發一套配電變壓器構造設計之網際網路整合繪圖系統,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,達到參數化自動繪圖的功能。本系統並開發網際網路輸入、輸出介面,配合執行檔模組的特殊功能設計,提供客戶端使用者透過網際網路操控伺服端自動繪圖系統的功能。本研究開發之網際網路整合繪圖系統實際應用於大同公司重電一廠配電變壓器構造設計中,達成了建立標準化設計模式、加速設計流程、以及透過網際網路進行遠端設計與出圖等目標。

關鍵字:配電變壓器,參數式自動繪圖,網際網路。

Abstract

This research aims to improve the procedure of distribution transformer constructional design in Tatung Company. An “Integrated Automated Drawing System” is developed for engineers so that the design procedure can be more efficient. The system uses Solid Edge as drawing software and Excel as database. Executive files for controlling the other components are constructed so that the users can access the system through the Internet, using www browsers as the user interface. In the system, the user inputs data from the client site and sends the data through Internet. Then the automated drawing system runs on the server and output the result to client. A test case was designed successfully using the system in Tatung company to demonstrate the applicability of the “Integrated Automatic Drawing System”.

Keywords: distribution transformer, automated drawing, Internet.

1.     配電變壓器構造設計簡介

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),本節首先描述大同公司重電一廠之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

大同公司重電一廠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「電設」)主要在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,其設計過程及結果數據記錄於電設專用表單(稱為「計算紙」)。構造設計(簡稱「構設」)則在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。

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。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,如表1所示。

1. 構造設計繪圖方式整理

大同公司重電一廠配電變壓器構造設計圖面繪製,有「舊圖修改」、「標準圖填表」、及「程式化繪圖」等三種方式。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。「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,工程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。

以大同公司重電一廠配電變壓器設計為例,製造圖面包含如表1所列14張基本圖。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,形成一個整合自動繪圖系統,則可節省不少設計時間。若能將繪圖軟體集中於一台伺服器中,所有使用者應用網際網路輸入介面使用,則可任意將工程師工作地點設置在全球各地能上網的地方。

1.2 研究目的

本研究目的即是在開發一套配電變壓器構造設計之「網際網路整合自動繪圖系統」,工程師開始設計變壓器時,由客戶端(Client)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(Server)電腦的資料庫,同時執行預定的執行檔開啟繪圖軟體,繪圖軟體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輸出的認可圖供客戶認可用。

本研究「網際網路整合自動繪圖系統」有三項重要技術工作:第一項為設計自動繪圖系統的繪圖內容及資料庫規劃;第二項為執行伺服端的DOSWINDOWS的執行檔程式開發,也是本研究重要關鍵技術;第三項則為設計網際網路輸入介面與網際網路輸出網頁。以下即對本研究相關技術發展逐一介紹,最後並完成此一網際網路整合自動繪圖系統系統,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與資料庫規劃

2.1自動繪圖程式設計需求及架構

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迅速得到標準化之製造圖面。

在自動化自動繪圖程式的設計上,將採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。圖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。

在自動繪圖程式的整體架構的軟體選擇上,將以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。

1. 自動繪圖程式的整體架構

2.2以繪圖軟體Solid Edge作參數式設計

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。以變壓器的「夾件裝配」中的「上部夾件」為例,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。圖3所示為Solid Edge中所產生的上部夾件之變數表,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。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。

2. 上部夾件

3. 上部夾件之變數表

2.3繪圖軟體Solid EdgeExcel資料庫整合

當上述圖面設計完成後,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。首先在資料庫(TR_Deign.xls)中建立多頁次資料庫(頁),如圖4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,第一部份包含工程師、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5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6所示。

4. 次資料庫

5. Input次資料庫第一部份

6. Input次資料庫第二部份

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7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。

7. Clamp次資料庫中上部夾件內容

利用Excel資料庫產生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。

3.     在客戶端執行伺服端的執行檔

本研究係利用「動態伺服器網頁(Active Server Page, ASP)」程式透過網際網路執行伺服端DOSWINDOWS的執行檔。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8所示。

8. “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磁碟目錄下建一個如 “input.txt” 的文字檔,並且將客戶端所輸入的參數寫入該檔案中;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;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,其原始程式碼如圖9所示。

9. “WebOutput.asp”三段程式碼℃

4.     網際網路輸入介面與執行檔程式設計

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工程師工作地點,我們設計「網際網路輸入介面」提供工程師設計環境,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10所示,展示設計變壓器所需的參數欄位。

10. 網際網路輸入介面

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11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。

11. 網際網路輸出網頁

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

5.     實例操作驗證

本案例以配電變壓器「夾件裝配」構造設計為例,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「網際網路整合自動繪圖系統」的對照參數,故更新後的視圖非本變壓器實際正常設計。

構造工程師利用「網際網路整合自動繪圖系統系統」,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12所示。

3. 設計案規格

12. 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13所示,當工程師上傳資料的同時,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13所示。

13. 資料表初始值→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14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15、圖16分別為網頁上更新設計後的夾件裝配3D圖與工程圖的放大視圖。

14. 夾件裝配設計輸出網頁

15. 夾件裝配3D圖初始設計→更新設計

16. 夾件部品工程圖更新設計放大視窗

6.     結論.

由以上的測試證實本研究開發之網際網路整合自動繪圖系統可達成原先設定的目標,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,所有使用者以網際網路連結的方式在任何地方均能上網使用。

未來發展將繼續整合電設於此一系統中,以達到電構設合一。由於本系統以網際網路為介面,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,所以未來在本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。