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模块化/KSK 线束自动化设计

Elisa Pouyanne
业务发展经理
集成电气系统部
Mentor Graphics

为线束产品构建超级数据集合是一种有效的常用方法。对线束制造商,尤其是今天的汽车行业来说,用电脑设计工具自动为集合生成多个不同线束已经很常见了。当消费者需求、新技术和新规定的影响开始导致配置管理难以控制时,对管理复杂性的需求突显出来,这种方法也应运而生。这种超级数据集合方法帮助线束制造商大大提高了业务效率,也为原始设备制造商改善了供应链关系。

然而这并不是降低复杂性的唯一方法。一些现代化线束设计工具还带来了一种模块化的线束工程设计方法。术语“KSK”是“客户定制线束”的德语缩写,指的是模块化设计的一种。虽然不同的人对“模块”和“模块化”有不同的定义,但功能模块和相对应的技术模块的成对概念已经在供应链的上下游盛行开来。在制造业中,生产模块可提高生产过程的效率并带来规模经济。

复杂性可控吗?

复合超级数据集合使设计人员能够进行自动化的线束工程设计,并生成有关主线束和所有相关衍生线束的完整的物料清单 (BOM) 报告。设计人员制作出一个数据集合,并用电脑为各个线束部件创建正确编号。和以部件编号为中心的方法相比,这种复合数据超集方法更胜一筹,其优势归纳如下:

  • 只需单项数据输入就可以进行线束和所有衍生线束的自动化设计。这确保了最终产品的质量和一致性,如果需要更改设计,也能缩短重整改正的时间;
  • 使用自动化规则驱动计算,可准确估算出每一个可造生产部件的成本;
  • 对定义和衍生品进行系统化地限定,可以减少物流和库存方面的问题。

当然总要权衡各个方面。对复合设计而言,这种方法需要假设有足够数量可行的产品配置。事实上,可能性会有几千种以上。图1对这种情况做了简单描述。

图1:标准套件和赠品有助于降低配置的复杂性。

此例中,垂直轴包含了影响复杂性的三层选项(如圆圈数字所示)。客户可订购的配置数量最多可达到8种。现实中可能会有更多层的选项,每一层选项代表配置总数乘以2,配置数量逐层增加。原始设备制造商和他们的一级线束供应商不断寻求解决方法来减少他们必须支持的配置种类。

将可选配置纳入固定套件配置也是一个减少配置数量的常用方法。如图1所示,可以考虑根据右座驾驶 (RHD) 市场的需求将可选防抱死制动系统 (ABS) 列为标准化配置。这可以一次性将配置数量从8减少到6,如“-ABS”下方的灰色变体所示。巧妙地将可选配置捆绑到一起可以降低复杂性,但这限制了终端消费者的选择范围。

控制配置数量急剧增加的另一个方法就是直接赠送一些布线内容;也就是将其包含在某些特定的配置中,无论客户有没有订购。这种方法(见图1)将配置数量进一步降至5个。通过这种方法,同一个线束零件编号可适用于带有或不带有雾灯的配置,因为两种配置中都有布线(雾灯不在赠送范围内)。这虽然增加了线束系统的成本,但有时候不得不做出这样的折中;降低复杂性所节省的费用要大于免费赠送材料产生的成本。图1可以总结为,蓝色方块表示客户可以订购的配置,黄色方块表示可提供的布线内容。
这种复合超级集合概念在一定程度上提供了方便的复杂性管理方法。但是由于预封装选项存在限制,大多数企业都尽量避开此类免费赠送。理想的解决方案就是设计建立一个由可以分解成客户定制配置,从而满足各种功能要求的元素组成的超级集合。

向模块化未来迈进

原始设备制造商和一级供应商都在不断实现流程现代化,以应对复杂性这一难题。各类企业为此都制定了自己的措施:

  • 原始设备制造商需要一个能让他们在不必支付过多成本和增加复杂性的同时还能增加终端用户功能组合的流程。
  • 一级供应商需要一个能快速准确追踪并估算他们按照合同将提供的线束散件编号的方法。

这两类企业越来越多使用基于模块化概念的线束架构和流程。通过这种方法,主线束不会衍生大量成品线束(与合成方法一样),而是生成可以被组合的模块化组件(见图2)。理想情况下,这些组件可以被整合到成品线束中,为特定的可能是独一无二的配置提供支持,即便赠送材料微乎其微或根本没有。
当然,这种模块化方法也存在挑战。原始设备制造商必须有办法能够轻松确认模块及其之间的关系,这里的“关系”(打个比方)可能指模块之间的不兼容性或一个模块决定另一个模块是否存在。对线束供应商而言,他们必须确保每个模块物料清单的准确性,精确评估功能性模块层的成本和材料分配,其中包括“额外的”材料或操作。这些可能随着主线束内容和模块组合的不同而有所变化。

图2:一个主线束可以分解成半成品组件模块,图中的这些模块通过模块1中的连接器来保持他们之间的关系。

深入了解模块化过程

如图2所示,模块化过程必须支持半成品组件。模块2和3中的电线在终点被分配至模块1中的连接器。出现这种情况,可能有两个原因:

  • 1. 模块1属于始终存在的“核心”元件,以便来自模块2和模块3的导线有终点可去,或者 …
  • 2. 模块1由模块2和3控制

需要注意的是,图2中的线束进行了简化,实际产品可能更加复杂,拥有许多模块化元素。由于材料最终将组装进成品中,这个过程必须保持分布在几个或多个模块中组件间的关系。模块化过程必须考虑进组合模块的影响,如线束周围的配管和捆扎等因素。
定义一个模块化线束系统的过程包括4个不同阶段。首先需要电气系统数据和必要的线束分割信息,接下来需要:

  • 1. 确定模块代码和它们之间的关系,包括表示出排他/相容关系等。例如,必须为支持低音炮的模块(作为消费者的可选功能)设定一个相容的音频系统模块。
  • 2. 指定模块代码来区分主线束范围内的导线。这是分配所有其它材料至其所参与模块的第一步。
  • 3. 分配所有其它材料至各自模块。“材料”包括连接器和包扎物以及附属的零件,如端子、密封圈和插头。在这一步,模块关系逻辑指导着每个分配的先后顺序。例如,如果一个连接器只包含模块代码相同的导线,功能模块分配工具将按照导线代码进行分配。但是如果连接器包含不同代码的导线,这个工具则必须考虑核心模块特性、优先顺序以及相容/排他关系,并在适当的情况下建立技术模块。
  • 4. 定义技术模块。不可能每次都能将所有东西部署在现有的模块中。例如,可能存在一个接头连接着属于多个功能模块的导线,那么这个接头的配置则取决于用在终端产品中模块的准确组合。解决方法就是一些也被称作“最后组装模块”的技术模块。它们是多个功能模块共享材料的集中点。技术模块还有助实现准确的成本核算,包括额外的组装材料和时间。

在整个工程设计和制造过程中,无论是线束/衍生线束还是模块化设计方法都不能使用户局限于一个选择。原始设备制造商和供应商可以根据企业的商业模式和终端用户需求选择其中任何一种,如图3所示。
“生产模块”类别见图3。它描述了为了制造方便和提高取用率而配置的组件。“生产模块”可以分开或组合功能模块的子集,从而简化组装和库存要求。

图3:在整个工程设计和制造过程中,无论是线束/衍生线束还是模块化设计方法都不能使用户局限于一个选择。

设计自动化工具助您一臂之力

如果所有这些让人难以理解,那是因为到目前为止还没有强调设计自动化软件在解决线束设计复杂性问题方面的作用。事实上,当今功能齐全的电子系统设计 (ESD) 解决方案能够加快和简化设计阶段对模块代码的定义,并且加快工程阶段对功能模块的材料分配和制造阶段对生产模块的材料分配。
先进的自动化工具可协助设计师完成模块化合成和后续步骤。在图4中,汽车拓扑图作为模块化合成前后视图的背景。在合成之前,电子信号与拓扑挂钩,但还未整合到布线中。系统被分割成线束,在这个阶段,线束中只有用于设备分布的线束段包和位置槽。
此流程开始时就已知道每根导线支持的功能和各功能之间的关系。完成后,电线、多芯线和接头与各个线束进行配对,所有模块代码均被合成。模块代码可能与功能选择代码一对一,抑或是代表一连串选项表达式。功能模块被划分到汽车内各个线束系列中,包括车身模块、车门模块、仪表板模块等。
这些操作可概括为:

  • 合成所有导线,不考虑线束层面
  • 合成后,自动为导线分配模块代码
  • 每个线束内拥有相同选项表达式的导线视为相同功能模块的一部分
  • 为没有选项表达式的导线赋予核心模块代码

如果一个设备在逻辑设计中没有选项代码,那么合成工具即认定其并非可选设备——平台中的所有汽车都包含这种设备。它向导线分配核心模块代码,确保其应用于平台中的所有汽车。
相比之下,如果信号用于多个选项设备(按照逻辑计划),那么模块化合成工具可以通过一连串相关的选项代码来计算模块代码。现在,可通过针对某项具体可选功能的准确布线来选取功能模块。

图4:模块化布线合成产生模块代码,为之后的自动模块化工程步骤提供支持。

结论

运输领域原始设备制造商及其线束供应商不断与复杂性抗争。原先比较小众化的模块化布线系统逐渐获得认可,这是因为它们可实现高度定制,同时降低控制复杂性的难度和成本。但是,若没有强大的设计自动化工具的辅助,模块化方法本身也可能变得很复杂。如今的领先设计平台是一项可行的技术:它们可以在从电子系统设计(模块化合成)到线束工程(模块化细分和分配)的整个过程中自动完成与模块化设计相关的具体工作,从而提供可靠的配置,同时最大限度地减少赠品和其它折中措施。

作者简介:Elisa Pouyanne

Elisa Pouyanne 是Mentor Graphics 国际 (Mentor Graphics) 集成电气系统部汽车业务发展经理。Elisa 已经在Mentor Graphics 国际工作了12年,担任过众多与客户打交道的职务,与大多数采用Mentor Graphics 国际旗舰 EDS 设计平台 Capital 的大型汽车原始设备制造商和线束制造商都有过合作。其工作涉及重新定义流程、推荐设计方法、管理部署项目以及帮助采用 Capital 的公司更快地创造出价值。