模块化设计技术范文

ModularDesignof"MechanicalandElectronic

Engineering"GraduateCourseTeaching

SUIXiuwu，NIUXuejuan，DUYuhong，SANGHongqiang

（TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300387）

AbstractToaddressthebasicsofmechanicalengineeringgraduatecoursebigdifferenceindisciplines，researchareasscattered，weaktechnologicalbaseofelectronicproblem，thispaperTianjinPolytechnicUniversity's"MechanicalandElectronicEngineering"courseteachingreformprojectsandexcellentgraduatestudentsintheteachingcontentwillbere-planningtomechatronicsdesignasthemainline，theimplementationofmodularteachingofsensingtechnology，computerandinformationtechnology，automaticcontroltechnology，servodrivetechnology，systemintegrationtechnologywerethebasisfortherequirementsmodule，highdemandmodule，demandingthree-leveldesignmodule.Teachingpracticeovertheyearsshowsthatthemodulardesignandimplementteachingguidestudentsaccordingtotheirownconditionsandneedsofatargetedselectionofresearchtolearnthecontent，teachingaccordingtotheneed，individualized，andachievedverygoodresults.

KeywordsMechanicalandElectronicEngineering；graduatetraining；teachingreform；modularteaching

1机械电子工程教学内容的总体规划

机械工程学科的研究生，大多数来自机械工程及自动化本科专业，一般具有较扎实的机械专业的基础，在“机械设计、机械制造”领域具备一定的专业知识，但是电子方面的基础知识却比较薄弱，许多研究生连常识性的电子知识都不具备，甚至对“测量”、“控制”领域一无所知。因此需对其在电子技术、计算机技术、机电系统集成技术等方面进行专业培养。

由机械电子系统的构成要素可见，机械电子工程技术一般包括六大共性关键技术：机械技术、传感检测技术、计算机与信息技术、自动控制技术、伺服传动技术、系统集成技术。如图1所示。

图1机械电子系统的构成要素

因此，机械电子工程的教学将以机械电子工程的原理与系统设计为主线，在上述各关键技术为主要模块深入展开，而在每一关键技术中，又分别设置三个层次的教学内容：基础要求模块、较高要求模块、高要求模块，形成“一纵三横”的模块化结构。模块化教学设计很好地实现了引导学生根据自身条件及科研需要有针对性地选择要学习的内容，做到因需施教，因材施教。

2“一纵三横”的模块化教学

“一纵”是指按机械电子工程原理与系统设计为主线的纵向结构，具体包括：传感检测技术模块、计算机与信息技术模块、自动控制技术模块、伺服传动技术模块、系统集成技术模块。“三横”是指在每个技术模块中又细分为三个层次的教学内容：基础要求模块、较高要求模块、高要求模块。具体内容如下：

传感检测技术模块：基础要求模块包括传感与测试技术基础知识（传感器的基本构成、传感器的静态数学模型及其静态特性指标、传感器的选用），机电系统最常用的位移检测（光栅传感器、绝对码编码器、增量码编码器），力学量检测（应变式多维测力弹性体、扭矩传感器等），视觉检测（线阵CCD和面阵CCD的基本原理）。较高要求模块包括双目视觉检测的基本原理及标定，触觉传感器（指端应变式触觉传感器、多功能触觉传感器）。高要求模块包括机电测试新技术，现场总线系统，虚拟仪器技术，多传感器数据融合等。

计算机与信息技术模块：基础要求模块包括计算机控制技术基础，计算机控制系统的组成、分类，及常用控制器（工控机、PLC、单片机），软件方面要求测量数据的预处理，数字滤波，线性化处理，标度变换。较高要求模块包括PLC、单片机的应用高级技巧。高要求模块包括PMAC原理及应用，基于DSP的运动控制及DSP运动控制卡。

自动控制技术模块：基础要求模块包括PID控制算法的基本原理，标准PID算法的改进，数字PID参数的选择。较高要求模块包括模糊控制，模糊控制的定义及特点，模糊控制系统的组成，模糊控制系统的基本原理，应用模糊控制算法解决实际问题。高要求模块包括其它先进控制方法，如智能控制、自适应控制、模型预测控制、神经控制等。

伺服传动技术模块：主要讲解直流电动机、交流电动机、步进电机及其控制。基础要求模块讲解三种电机的基本原理、机械特性及最常用的控制方法。较高要求模块讲解更深一层次的原理，如直流电机的电枢电动势、电磁转矩，交流电机的旋转磁场和定转子的电路分析，变频控制的原理及实现方法，步进电机的磁阻最小原理等。高要求模块讲解三种电机的先进控制技术，如直流电机的双闭环控制、交流电机的矢量控制等。

系统集成技术模块：基础要求模块主讲机电系统各模块之间的级联设计，重点讲解模块之间的电气性能的相互匹配、信号耦合、时序配合、电平转换接口。较高要求模块主讲机电系统的电磁兼容技术，重点讲解接地技术、屏蔽技术、共模干扰的抑制、差模干扰的抑制、供电系统抗干扰、印刷电路板的抗干扰等。高要求模块重点讲解软件抗干扰技术，如软件冗余技术、软件陷阱技术、“看门狗”技术等。

3以案例为载体，推进模块化教学设计

针对上述的模块化教学内容，设计了针对不同教学内容相应的数字化资源，建设了课程网站，开发了多媒体课件，设计了多个教学案例。在典型的机电一体化的应用领域，将“加工中心”、“工业机器人”、“自动导引车”、“汽车防抱死刹车系统”制作了教学案例，并对一些复杂系统进行了分解设计。采用单片机进行直流电机控制、采用PLC对交流电机进行变频控制，基于MATLAB的模糊控制仿真等案例模块在教学中起到了很好的效果。通过这些案例，是将机械电子工程领域的科研成果及前沿技术引入教学，最大程度地吸引了学生的学习兴趣，激发了研究生的学习动力。

4结语

模块化设计技术范文篇2

关键词：模块化造船技术发展研究概念与原因现状

中图分类号：U6文献标识码：A文章编号：1007-0745（2013）06-0334-01

一、对模块化造船技术的阐述

所谓模块化造船技术，主要指的是在造船的过程当中通过采用一些独立的单元件或者标准件来组装建造，继而形成具有一定功能的集成模块且将之组合成整体来取代其相对独立的状态。从另一程度上来看，模块化造船一般需要遵循在设备制造厂把设备组装成标准化模块并试验合格，需要在造船厂完成各个模块上船安装工作且对各个模块的标准化连接口进行结合的基本流程，这在很大程度上能够有效提高船舶建造速率。

从另一层面上来讲，相对于传统的分段造船方式而言，模块化造船一般包涵诸如模块具有标准化的构造、标准件和可选部件以及可组装性的预制件等特点。而从近些年以来模块化造船技术快速发展的原因来看，往往由于模块化造船能够有效缩短建造周期与有效降低建造成本，往往由于模块化造船可以有效提高设备的维修和改装，往往由于模块化造船有利于实现规模经济的发展，继而能够有效提高企业竞争力，因而当前模块化造船技术在世界各国船舶建造中普遍采用。同时，模块化造船常常会存在着诸如总体性能较差、运营费用较高以及更换或维修所造成的损失更大等缺陷，这些问题都是此后模块化造船技术发展过程中所要切实解决的问题。

二、模块化造船技术的现状

从当前国内外模块化造船技术的现状来看，世界各国正处于模块化造船的第四个阶段，并且正形成更高水平的造船技术。现阶段，我国正朝敏捷制造技术结合船舶生产的模式分阶段进行研发，因而目前我国正处于以壳舾涂一体化的中间产品导向型阶段向以设计制造一体化的产品导向型阶段的过渡期。自2009年开始，我国所承接的新船订单早已赶超韩国位列世界第一，并且在中国所承接的新船订单中主要是以三大主流船型散货船、油船和集装箱船为主，这对我国模块化造船的发展带来了机遇。

而另一方面，近两年来国内绝大多数船厂面临着新接订单减少、用工成本升高、资金困难以及技术壁垒等一系列问题，因而对于模块化船舶的思想主要是体现在总体布置中贯彻模块化技术以及设备系统采用集装箱功能模块两个方面。同时，由于受到传统船舶建造思想的禁锢，当前普遍存在着设计思想僵化以及存在一定滞后性，这使得诸如不能正确处理总装造船与单元、模块化设计造船的关系，理论研究薄弱而迫切需要寻找恰当的造船方法，以及传统的生产组织形式受外界因素与相互之间的影响很大等各种各样问题的出现，因而施工单位需要切实将模块化造船理念贯穿与船舶设计、开发、建造以及管理等整个过程之中，亦需要在形成船舶设计与建造一体化的基础上及时更新设计理念，从而才能实现模块化造船的目的。

三、探析模块化造船技术的发展趋势

从一定程度上来看，当前模块化造船技术的发展与现代造船技术的发展是相辅相成的，并且伴随着科技信息水平的快速提高与广泛应用，伴随着造船精度控制技术以及船舶工程管理技术的不断完善，当前模块化造船不断朝着集成化方向发展的。并且从另一角度上来看，由于现代化信息技术成果的广泛应用，模块化造船技术的发展必然离不开新技术。因而伴随着计算机技术、人工智能技术以及机器人技术研究工作的不断深入，未来的模块化造船方式必然随之发生重大改变。

同时，先进制造模式在模块化造船中的广泛应用必定是未来的另一发展趋势。通过将当前信息化网络技术成果应用到模块化造船工作当中来，能够在很大程度上实现异地设计与制造管理，从而大大方便了模块化造船设计与管理工作的开展，进而持续创造出企业经济效益、提高企业竞争力。而从企业的角度上来分析，未来造船模式主要指的是计算机集成制造系统。这与上文所介绍是大致相同的。企业通过依靠集成一体化机制的深入发展，通过依靠信息高速公路或者信息数字化与网络化将各地的模块工厂、材料以及设备制造厂与企业自身有机链接，能够随时、可视地进行异地联合生产，进而形成以产品为导向的动态无缝整合建造系统。这种系统亦是当前彻底模块化造船的主要依托。

而作为当前逐渐兴起的生产中心造船模式，这种新型的模式能够建造专门的分段并展开相应的预舾装工作形成模块产品，或制造专门的功能单元模块，或进行总装工程形成终端产品。因而根据中心的设置位置和体系结构，可以简单分为实体中心和虚拟中心。并且对于虚拟中心而言，虚拟中心实际是一个能够充分发挥承接造船订单、船台以及试航交船等众多功能的虚拟企业，在信息技术与智能技术运用的前提下采用新型的控制方式来达到联动控制，继而能够提高生产效率以及降低船舶制造成本。所以造船企业未来采用的模式必然是生产中心造船模式。

结束语

综上所述，我们不难得出现代船舶企业在模块化造船技术的发展过程中必然会遇到各种各样的问题，这就需要船舶企业在发展过程中切实利用当前信息化高新技术成果来武装自己，并且在采用生产中心造船模式的基础上形成企业独特的社会竞争力，从而才能够有效降低生产成本以及提高生产效率，进而才能够在真正意义上达到发展模块化造船技术的本质目的。

参考文献：

[1]于逢平，肖洪钧，姜照华.先进制造模式的综合创新战略分析：以总装化造船为例[J].大连理工大学学报，2010，31（1）：11-15.

[2]李加亮，王越.模块化造船的现状及未来发展趋势的思考[J].中国水运，2013，13（3）：3-4.

[3]肖艳秋，孙厚芳，薛庆，李海超.船舶模块化设计建造关键技术研究[J].先进制造技术高层论坛暨制造业自动化与信息化技术研讨会，2007：199-206.

模块化设计技术范文

Abstract:Thispaperintroducesthebasicideaofmodularnuclearpower,analyzesandstudystheapplicationhistoryandcurrentstatusofdomesticnuclearpowermodulartechnology,andthroughtheconstructionofAP1000NuclearPowerPlantandtheconstructionstatusstudystheinfluenceofmodulartechnologytotheconstructionofnuclearpowerplantsandgivesnotesandsomeimprovementmeasurestoprovidereferenceideasforthedevelopmentofmodulartechnology.

关键词:核电厂;模块;模块化;人力需求;模块产能;AP1000;建造和施工

Keywords:nuclearpowerplant;module;modular;humanneeds;moduleproductioncapacity;AP1000;buildingandconstruction

中图分类号:TL3文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)25-0123-02

0引言

模块化技术有很多优点,早已在造船、航空、石化、能源等建设项目中得到成功的应用,有着不错的建造历史和较好的建造经验。因此,美国URD文件在ALWR(先进轻水反应堆)可建造性的政策声明中要求应用先进的模块化技术,尤其要求非能动的ALWR更广泛地采用模块化建造方式。基于此,当今的第三代核电厂大都采用了模块化的设计和建造方法,模块化也几乎成了第三代核电厂的特征之一。

1国内现状

模块的应用在我国也有二十多年的历史,最早用在核岛厂房穹顶钢衬里施工技术中。例如我国第一座核电站秦山一期即采用了核岛厂房钢衬里预制和吊装技术,但当时没有称作模块化技术。模块化技术这个称呼的出现是最近几年的事。如今在核电行业流行的模块化设计、建造技术应用其实始于秦山三期CANDU反应堆建造,也是真正意义上的模块化技术应用。

1.1穹顶钢衬里模块穹顶钢衬里实际是模块,也可称为“穹顶钢衬里模块”。上世纪七八十年代,秦山一期核电站的穹顶被设计成了上下两层预制,分别吊装,以减少吊装重量。之后的恰希玛核电站建造改进了这个设计,采用整体预制并吊装完成。八十年代的大亚湾核电站的穹顶建造和安装,按照法国的吊装方法进行,即穹顶分为A、B两片穹顶分别预制,吊装就位后再拼接。如今这项技术经过改进,“穹顶钢衬里模块”为整体预制,一次性吊装。

1.2反应堆厂房钢衬里模块应用国内反应堆钢衬里的安装一般是单块钢板吊装定位,再与其它钢板焊接成环,不是一整层钢衬里吊装,然后与其它层拼接,通常不称作模块化技术。我国钢衬里模块化技术应用始于台山核电#1机组(EPR技术)。2010年3月20日和5月18日,首层和第二层核岛厂房筒体钢衬里模块吊装成功。

1.3其它模块应用

除了穹顶钢衬里模块、核岛钢衬里模块之外,秦山三期CANDU堆建造中也应用了一些其它模块,包括机械模块和钢结构模块。其中最有代表性的是“下穹顶模块”、“喷淋钢模块”[1]。下穹顶模块是一个钢结构模块,与普通穹顶模块外观差不多,在地面预置完成由大型吊车一次性吊装就位。当下穹顶在地面预置时,反应性控制机构平台同时安装部件,反应堆厂房也开始安装设备,做到了平行施工。喷淋钢模块是一个机械模块,位于反应堆厂房顶部。包括了大量的钢结构、喷淋系统管道、阀门、设备、电气和仪表等部件,共分为6个子模块。对照以前同样的项目,仅这一个模块就节省了三个多月的建造工期[2]。即将开始建造的山东石岛湾核电站,即20千瓦的高温气冷堆核电站(HTR-PM)也将利用模块化技术建造,包括了广义和狭义模块化的两种概念。

1.4三门核电模块化我国正在浙江三门、海阳采用西屋AP1000技术建造四个核反应堆,大量使用了模块化技术,包括机械、结构两大类。西屋比任何其它NSSS供应商更彻底地、高度依赖于模块化技术,尽最大可能地使用模块化技术来评估AP1000的42个月的建造工期(FCD～COD),其中FCD～FLD的建造工期只需要36个月。西屋认为,36个月的建造计划最大的单一驱动力就是模块技术[2]。在AP1000核电厂中,结构模块大部分为双层墙体模块,即CA模块。墙体模块吊装就位后,混凝土再浇注在双层钢板中形成墙体。由于模块是在工厂预制,现场组装拼接成整体,因此相对传统的混凝土墙体可以节省绑扎钢筋和支模板的时间,做到了平行施工,节省建造工期。也因为如此,AP1000核电厂的许多区域都布置有结构模块,他们分布在核岛厂房的大部分区域。除了结构模块之外,整个核岛厂房和汽轮机厂都分布着大量的机械模块。

1.5三门核电模块化存在的问题目前,三门核电机一期工程正处于建造中,大体上来说情况不错。但由于AP1000没有建造过首堆,因此出现了不少问题,要实现50个月建造周期(FCD~FLD,理论计划应为36个月)困难很大。表现在:

1.5.1模块的数量发生变化因为没有建造过首堆,模块施工设计未完成,因此数量一直变化,趋势如图1。

1.5.2模块详细设计要求不明模块设计初期,模块设计只有一本技术规格书,规定了模块技术总要求,但模块的详细要求、图纸的细节等没有制定,设计反复修改,浪费大量时间。

1.5.3模块设计进度滞后模块设计未及时完成造成了三门、海阳核电厂建造进度滞后。例如KB10、KB13两个模块,位于厂房最底层,2008年10月左右才完成REV.0版图纸,此时距离三门FCD只有5个月时间。

1.5.4采购进度滞后采购进度滞后影响模块设计和预制,因而又造成现场施工进度滞后。

1.5.5模块安装问题多(设计变更工作量巨大)AP1000建造经验表明,各个模块碰撞多、安装困难等问题较多,设计变更数量大,进度受到很大影响。

2模块化注意事项

核电厂模块化应结合各个厂址不同的厂址特征条件进行具体考虑,并进行详细评估,以实现模块化建造的目标。除了上述问题之外,核电模块产能不足和核电建设人力不足两个方面问题也需重视。

2.1模块产能不够目前我国仅有一座已建成模块工厂,产量为年产两座AP1000核电厂模块。而另外两座核电模块厂(中核二三公司益阳核电设备厂和中核华兴南京核电设备厂)处于建造计划中,其产能估计都在年产两座AP1000模块,且投产日期都将在2012年初左右。考虑到ASME取证等影响因素,投产日期可能滞后。根据世界核协会(WNA)的报道,我国目前采用AP1000技术的核电项目有48个反应堆,近两年之内也有将近18个堆。

2.2核电厂建造人力资源不够根据美国能源局(USDOE)NP2010计划对第三代核电厂建造人力资源需求的预测,一个堆顶峰时期人力需求大约需要2400人,如表1。秦山三期经验表明,两座70万千瓦重水堆建造高峰期(2001年)的建造人力数约为7000人,此时,现场仍然需要双班工作。考虑到子分包商以、业主、AECL等的人力,其现场总人力高峰期超过8000人。根据美国和中国的实际国情,考虑到双堆建造时间间隔、双堆建造人力资源的优化作用、模块化建造的节约人力作用以及QSIII的模块化施工情况,估计每个双堆建造总人数高峰期应在5000~6000人之间。我国在建和近期(2011年底之前)计划建设的机组共有56台机组(含AP1000技术)和更多规划中的机组。按照25台双机组估算,2011年底前,熟练工的数量需求也达8.8~10.5万左右,高学历人才将在3.8~4.5万之间(据表1)。然而目前我国高校本科核专业毕业人数不到1000人/年[4],各主要施工单位熟练工人数也无法满足需要,缺口巨大。

2.3模块设计和进度管理优化三门和海阳AP1000核电厂的建造经验表明AP1000模块设计必须在至少三个方面重新优化:①模块设计;②模块设计进度;③模块建造进度管理。模块设计优化包括模块设计和和材料国产化两方面,并应综合起来考虑,方便制图、采购和安装,减少碰撞等问题,做优施工设计。模块设计应在建造开始前完成,以方便设备采购、预制和其它工作,减少变更,从而加快施工进度。QSIII的经验表明,最终的施工设计图纸和文件至少需要比FCD提前9个月完成并到达现场。而日本的经验则显示,提前完成设计还可以节约现场人力大约40%。

2.4其它需要考虑的问题除了上述问题之外,模块工厂本身和模块运输两个问题也需要认真关注。模块工厂考虑应集中于模块工厂的产能、硬件设施、管理水平和模块预制经验等,这些都可能成为制约模块生产进度的短板。当模块预制工厂短缺,利用其它工厂如船厂、普通的模块工厂时,这些因素必须考虑到。而运输方面则应集中于场外运输条件。三门和海阳的模块运输采用水路运输+短途陆路(要求为沿途无桥梁与隧道的国内二级公路标准道路)方式,交通比较方便。对于内陆AP1000厂址,场内运输作为AP1000核电厂的特征之一,厂内运输能够很好解决。但场外运输也许要借助全陆路运输或者内河航运,公路与河道的运输条件能否满足要求则需要仔细评估。

3结束语

模块化技术及其理念是一种很好的核电设计、建造方法,理论上能为核电建造节约不少时间和投资费用,因此吸引了许多用户。得益于模块化技术的发展进步和AP1000技术在我国的大规模推广应用,我国的模块应用水平得到了快速发展和提高。然而,模块化技术也有它的局限性。三门和海阳的模块化建设经验表明,我国的核电模块化建造还远未达到成熟的水平。上文的分析探讨显示,模块化技术的应用需要解决的问题很多,挑战很大。理论上的好处能否转化为实实在在的利益应结合厂址进行具体、详细的分析和论证,并在设计建造技术实力、项目管理水平达到足够的高度和建造参与各方的密切配合下才能实现。

参考文献:

[1]年发扬.国内核电站模块化建造浅析.工业技术.2009,17:59-60.