Принципы построения системы интерактивного проектирования технологических процессов

УДК 519.72

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ИНТЕРАКТИВНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

В.Ф. Барабанов, А.М. Нужный, А.Д. Поваляев, Н.И. Гребенникова, А.В. Ачкасов

В статье рассмотрены аспекты разработки графической системы интерактивного проектирования технологических процессов предприятий перерабатывающей промышленности

Ключевые слова: информационные системы, графическая интерактивная система, информационное взаимодействие

Разработка проблемно-ориентированной

интерактивной системы автоматизированного проектирования технологических процессов перерабатывающих предприятий позволяет более глубоко исследовать предметную область, что является первым шагом на пути к получению наиболее эффективных проектных решений.

При таком подходе появляется возможность создания и использования графических баз данных составных частей технологических процессов, содержащих элементы, характерные для каждого из этапов проектирования.

Одним из основных факторов, определяющих необходимость использования графических систем интерактивного проектирования, является сложность формализации задач разработки технологических процессов. Часто формализация подобных задач является настолько громоздкой, что это ставит под вопрос эффективность ее использования. В этой связи решение, основывающееся на использовании опыта, интуиции и зрительного аппарата проектировщика, является наиболее приемлемым.

Использование интерактивных систем проектирования в совокупности с базами графических данных элементов технологических систем позволяет оперативно получать и оценивать промежуточные проектировочные решения и оперативно управлять ходом процесса проектирования [3-4].

В качестве платформы для разработки может использоваться система AutoCAD, что обусловлено наличием в ней большого количества инструментальных средств для построения проблемно-ориентированных модулей. Наиболее эффективными средствами разработки в AutoCAD являются AutoLISP с расширениями ActiveX, обеспечивающий наиболее широкие возможности для автоматизации работы в AutoCAD, Visual Basic

Барабанов Владимир Федорович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: bvf@list.ru

Нужный Александр Михайлович - ВГТУ, канд. техн.

наук, доцент, e-mail: nam 14@mail.ru

Поваляев Анатолий Дмитриевич - ВГТУ, канд. физ.-мат.

наук, профессор, тел. (473) 246-12-07

Гребенникова Наталия Ивановна - ВГТУ, канд. техн. наук,

доцент, тел. (473) 243-77-18

Ачкасов Александр Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, докторант, e-mail: ava@niiet.ru

for Application, а также поддержка Microsoft .NET Framework, обеспечивающая возможность

создания приложений для AutoCAD в любой среде разработки, поддерживающей данную технологию.

Помимо этого AutoCAD обеспечивает высокую совместимость с графическими данными других систем благодаря наличию встроенных конвертеров для форматов DWF, DWFx, IGES. ACIS SAT и ряда других форматов [1-2].

Большая размерность задач технологического проектирования, вкупе с большим числом проектных процедур, требует применения метода декомпозиции, позволяющего свести исходную задачу к набору подзадач меньшей размерности и определить последовательность этапов

проектирования.

При этом графические базы данных системы интерактивного проектирования формируются по принципу унификации способов представления проектной информации на различных этапах, что позволяет значительно повысить эффективность процесса генерации проектных решений.

Применение метода декомпозиции к задаче проектирования сложных технологических систем позволяет определить следующий набор этапов проектирования (рисунок) [3-6]:

этап формирования технического задания (ТЗ); этап построения графических моделей; этап структурного проектирования; этап схемотехнического проектирования; этап планировочного проектирования; этап оформления проектной документации. Целью первого этапа является разработка спецификации технологического процесса, которая сохраняется в базе данных ТЗ и используется для проверки правильности проектных решений, получаемых на последующих этапах

проектирования.

В перечень параметров, включаемых в спецификацию, входят такие как: вид предприятия, вид вырабатываемой продукции, тип проекта (новое строительство, техническое

перевооружение, реконструкция), параметры здания проектируемого предприятия (размер здания, тип здания, количество и высота этажей, сетка колонн), технико-экономические показатели (требуемая производительность предприятия, предельная стоимость реализации проекта и т.п.).

Этапы проектирования ТП

После составления спецификации выполняется этап структурного проектирования, суть которого заключается в разработке структурной графической схемы технологического процесса. Использование на этом этапе структурных моделей позволяет делать выводы о правильности технологических решений, оптимизировать количество элементов структурной схемы, состав ее частей.

На этапе структурного проектирования для представления проекта используются компоненты графической базы данных, называемые структурными блоками. Структурный блок представляет собой выполненное по специальным правилам графическое обозначение типовой части технологического процесса, которая

функционально может быть выделена в отдельный блок для многократного

использования. Для идентификации структурных блоков используются уникальные имена. При составлении структурных схем используется информация о так называемых «входах» и «выходах» структурных блоков. «Входы» и «выходы» имеют уникальные в пределах блока названия и описываются в таблице возможных коммутаций с «входами» и «выходами» других структурных блоков.

Важнейшим требованием, позволяющим обеспечить правильность проектных решений,

получаемых на каждом этапе проектирования, является полная верификация промежуточных результатов. Под верификацией подразумевается набор процедур, используемых для проверки правильности проектных решений, полученных на текущем этапе.

При выполнении структурной верификации каждая типовая часть технологического процесса представляется в виде «черного ящика». Такой подход позволяет обеспечить проверку требований технического задания по входу и выходу. Если данные на выходе не соответствуют требованиям ТЗ, это свидетельствует о необходимости детализация частей проекта, ответственных за возникновение некорректных выходных данных. После локализации источника ошибок проект исправляется и снова отправляется на структурную верификацию.

На этапе структурной верификации выполняются следующие процедуры:

- оптимизация структурного состава проекта;

- контроль правильности коммутации блоков;

- обнаружение «висящих» «выходов» и «входов» структурных блоков.

Помимо этого, на этапе структурной верификации может быть выполнена функциональная проверка структурной схемы, включающая анализ функций, реализуемых каждым блоком схемы. Для осуществления функциональной проверки запускается тест, моделирующий работу системы при определенном наборе входных данных. Примером такого теста может быть расчет балансовых соотношений.

По окончании структурной верификации сформированная структурная схема передается на этап схемотехнического проектирования, где на базе полученного решения производится синтез технологической схемы процесса.

Структурные блоки на этом этапе заменяются наборами графических моделей. Графическая модель представляет собой связанный набор условных обозначений технологических машин, которые используются для реализации функций соответствующих структурных блоков. Каждая графическая модель имеет в базе данных описание таких параметров, как назначение, соответствие структурным блокам, описание «входов» и «выходов» и данные о возможностях их коммутации.

Для составления графических моделей используется еще один вид элементов графической базы данных - условные обозначения.

Условные обозначения - унифицированные изображения, применяемые для обозначения однотипных технологических машин, выполненные в соответствии с отраслевым стандартом и имеющие описания в соответствующей базе данных.

При формировании технологической схемы выполняется замена структурных блоков соответствующими графическими моделями, которая выполняется по правилам, описанным в таблице соответствия, определенной в справочно-информационной системе. Каждый структурный блок имеет один или несколько вариантов замены графическими моделями.

Сформированная технологическая схема подвергается процедуре верификации связей «входов» и «выходов» графических моделей, и, когда все выявленные ошибки исправлены, выполняется декомпозиция графических моделей. Суть этой процедуры заключается в преобразовании графической модели в соответствующий набор условных обозначений.

Каждое условное обозначение может использоваться для представления одной или нескольких технологических машин,

обеспечивающих выполнение одинаковых функций, но отличающихся, например, производительностью или стоимостью.

Из этого следует, что для выбора конкретных марок и моделей технологического оборудования необходимо сравнить большое количество вариантов проектных решений. Эта процедура может выполняться как в автоматическом, так и в интерактивном режимах с учетом критериев и приоритетов, определенных в техническом задании.

Моделирование технологического процесса на этом этапе заключается в выполнении расчета количества сырья для каждого «выхода» и «входа» условного обозначения технологического оборудования. По данным расчета производится подбор конкретных марок технологического оборудования, обеспечивающих выполнение параметров ТЗ.

Схемотехническая верификация базируется на методах многоуровневого моделирования. Это обозначает, что проверяемый проект может содержать технологические, функциональные, поведенческие модели, и, как следствие, различные части проекта могут описываться в представлениях, характерных для различных уровней. Такой подход делает возможным верификацию части проекта без детального знания других частей, с использованием их описаний в виде функциональных или поведенческих моделей. Таким образом, разработчик имеет возможность одновременно детально прорабатывать одни части проекта и верифицировать функции других, заданных менее детально.

Завершающей процедурой проектирования технологического процесса является размещение каждой единицы оборудования по вертикальным уровням - планировочное проектирование.

На этом этапе выполняется планировка технологического процесса, которая заключается в поиске оптимальных решений по относительному взаимному размещению компонентов системы на плане здания. При этом должны быть учтены

схемотехнические, технологические и нормативные ограничения, описанные в спецификации.

Следует отметить, что расположение компонентов сильно влияет на экономические характеристики решения, поскольку стоимость реализации проекта в значительной мере зависит от площади плана. Поэтому минимизация площади плана является одной из важнейших задач планировочного проектирования.

Процедура планировочной верификации включает в себя следующие этапы:

- проверка выполнения конструкторско-технологических норм;

- разработка объемно-планировочных решений по проекту;

- моделирование полученных решений с целью сравнения параметров проекта с параметрами ТЗ [7,8].

На этапе планировочного проектирования для обозначения технологического оборудования используются нормали технологического

оборудования.

Нормаль - оформленное по специальным правилам графическое изображение, содержащее набор основных проекций технологического оборудования (вид сверху, вид спереди, вид сбоку), а также вид с изображением установочных отверстий.

Завершающей проектной процедурой является изготовление набора конструкторских документов (технологические схемы, планы и разрезы зданий проектируемых производств).

Таким образом, обобщая вышесказанное, необходимо отметить следующее: первичным описанием объекта является ТЗ. Конечный результат проектирования, как правило, представляет собой полный комплект документации, достаточный для построения ТП. Преобразование первичного описания в окончательное производится путем создания промежуточных графических описаний, каждому из которых соответствует один из этапов проектирования. Проектные решения на каждом из этапов вырабатываются с применением интерактивных процедур и представляются в графической и текстовой форме.

Связь между этапами проектирования может осуществляться посредством много-

функциональной справочно-информационной

системы, выполняющей следующие функции [4]:

- ведение нормативно-справочной информации (стандарты, нормативы, нормы технического проектирования и др.);

-ведение справочной информации (расчетные данные, технико-экономические показатели и др.);

-ведение базы данных графических моделей (технологическое описание и др.);

- ведение комплексной информации о структурных элементах (функциональное описание, описание входов—выходов, описание вариантов коммутаций входов - выходов);

- автоматизированное заполнение структурных блоков (с использованием контекстного меню).

Работа выполнена по договору № 1450/300-13 от 24 февраля между ОАО «Турбонасос» и ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в рамках проекта «Создание высокотехнологичного производства магистральных нефтяных насосов нового поколения с использованием методов многокритериальной оптимизации и уникальной экспериментальной базы»

Литература

1. Проблемы трансляции графических данных CAD-систем [Текст] / С.Л. Кенин, В.Ф. Барабанов, А.М. Нужный, Н.И. Гребенникова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - № 3-1. - С. 4-8.

2. Концепция бесшовной интеграции управленческих систем [Текст] / В.В. Сафронов, В.Ф. Барабанов, А.Д. Поваляев, А.В. Гаганов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - № 6.1. - С. 34-40.

3. Интерактивные средства моделирования сложных технологических процессов [Текст] / В.Ф. Барабанов, С.Л. Подвальный - Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2000. - 124 с.

4. Елецких, С.В. Этапы интерактивного проектирования технологических процессов [Текст] / С.В. Елецких, В.Ф. Барабанов, А.М. Нужный // Вестник

Воронежского_государственного_технического

университета. - 2001. - Т. № 8. - С. 56.

5. Барабанов В.Ф. Основы автоматизации проектирования, тестирования и управления жизненным циклом изделия / В.Ф. Барабанов, А. Д. Поваляев, С.Л. Подвальный, С.В. Тюрин. - Воронеж, 2011.

6. Тютин, М. В. Аппаратно-программный комплекс для автоматизированного анализа технологических процессов [Текст] / М. В. Тютин, В.Ф. Барабанов, В. Я. Черных // Системы управления и информационные технологии. - 2007. - № 1.2 (27). - С. 290-295.

7. Проблемы разработки интеллектуальных систем многоальтернативного моделирования [Текст] / С. Л. Подвальный, Т. М. Леденева, А. Д. Поваляев, Е. С. Подвальный // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - № 3-1. - С. 19-23.

8. Глекова, Н. Л. Ресурсная оптимизация регионального организационно-экономического мониторинга [Текст] / Н. Л. Глекова, О. Я. Кравец, А. Д. Поваляев // Информационные технологии моделирования и управления. - 2005. - № 5 (23). - С. 654-659.

Воронежский государственный технический университет

PRINCIPLES OF THE DEVELOPMENT OF INTERACTIVE TECHNOLOGICAL

PROCESSES DESIGNING

V.F. Barabanov, A.M. Nuzhnyy, A.D. Povalyaev, N.I. Grebennikova, A.V. Achkasov

The article describes aspects of the development of interactive graphics system design process of processing enterprises

Key words: information systems, graphical interactive system, communication