Системы автоматизации проектирования

УДК 519.685

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

А.А. Терещенко, аспирант

Аннотация. Даны основные понятия инженерного проектирования, описаны структура и стадии процесса проектирования. Приведена классификация систем автоматизации проектирования по различным признакам. Рассмотрены примеры действующих систем автоматизации проектирования и систем управления в составе комплексных автоматизированных систем.

Ключевые слова: системы автоматизации проектирования, инженерное проектирование, техническое задание, уровни проектирования, стадии (этапы) проектирования.

Введение

Автоматизация проектирования занимает особое место как среди информационных технологий, так и в производственных процессах.

Техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий. Математическое обеспечение САПР отличается разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных программных систем, основанных на операционных системах семейства Unix, Windows, языках программирования С, C++, Delphi, Java и других, современных CASE-технологиях, реляционных и объектноориентированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена данными в компьютерных средах.

Знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически любому инженеру-разработчику. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными как из-за больших материальных и временных затрат на проектирование, так и из-за невысокого качества проектов. C другой стороны практически на всех предприятиях, занятых производством, используются методы и средства автоматизации проектирования. И результаты деятельности таких предприятий во многом зависят от того, насколько быстро и оптимально работают такие системы.

Понятие инженерного проектирования

Проектирование технического объекта -создание, преобразование и представление в принятой форме образа этого еще не суще-

ствующего объекта. В качестве объекта могут выступать объекты строительства, промышленные изделия или процессы. Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или) технического задания (ТЗ), отражающих потребности общества в разработке технического объекта, и реализацию ТЗ в виде проектной документации.

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и информационных технологий, называют автоматизированным. Система, реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему автоматизированного проектирования (в англоязычном написании CAD System -Computer Aided Design System) [3].

Проектирование сложных объектов основано на применении идей и принципов системного подхода. Основной общий принцип системного подхода включает в себя выявление структуры системы, типизацию связей, определение атрибутов, анализ влияния внешней среды [2].

В ТЗ на проектирование объекта указывают, по крайней мере, следующие данные:

1. Назначение объекта.

2. Условия эксплуатации. Наряду с качественными характеристиками (представленными в вербальной форме) имеются числовые параметры, называемые внешними параметрами, для которых указаны области допустимых значений. Примеры внешних параметров: температура окружающей среды, внешние силы, электрические напряжения, нагрузки и т.п.

3. Требования к внешним параметрам, т.е. к величинам, характеризующим свойства объекта, интересующие потребителя. Эти требования выражены в виде условий работоспособности

у№

где у - /-й выходной параметр, К е и {равно, меньше, больше, больше или равно, меньше или равно} - вид отношения, Т - норма нго выходного параметра.

В автоматизированных проектных процедурах вместо еще не существующего проектируемого объекта оперируют некоторым квазиобъектом - моделью, которая отражает некоторые интересующие исследователя свойства объекта. Модель может быть физическим объектом (макет, стенд) или спецификацией. Среди моделей-спецификаций различают функциональные, поведенческие, информационные, структурные модели (описания). Эти модели называют математическими, если они формализованы средствами аппарата и языка математики.

В свою очередь, математические модели могут быть геометрическими, топологическими, динамическими, логическими и т.п., если они отражают соответствующие свойства объектов. Наряду с математическими моделями при проектировании используют функциональные IDEF0-модели, информационные модели в виде диаграмм сущность-отношение, геометрические модели-чертежи.

Математическая функциональная модель в общем случае представляет собой алгоритм вычисления вектора выходных параметров Y при заданных векторах параметров элементов X и внешних параметров Q [2].

Структура и стадии процесса проектирования

При проектировании представления о создаваемой системе расчленяют на иерархические уровни [3]:

- системный уровень, на котором решают наиболее общие задачи проектирования систем, машин и процессов; результаты проектирования представляют в виде структурных схем, генеральных планов, схем размещения оборудования, диаграмм потоков данных и т.п.;

- макроуровень, на котором проектируют отдельные устройства, узлы машин и приборов; результаты представляют в виде функциональных, принципиальных и кинематических схем, сборочных чертежей и т.п.;

- микроуровень, на котором проектируют отдельные детали и элементы машин и приборов.

Стадии проектирования - наиболее крупные части проектирования, как процесса, раз-

вивающегося во времени. В общем случае выделяют стадии научно-исследовательских работ (НИР), эскизного проекта или опытноконструкторских работ (ОКР), технического, рабочего проектов, испытаний опытных образцов или опытных партий. Очевидно, что по мере перехода от стадии к стадии степень подробности и тщательность проработки проекта возрастают, и рабочий проект уже должен быть вполне достаточным для изготовления опытных или серийных образцов. Близким к определению стадии, но менее четко оговоренным понятием, является понятие этапа проектирования.

Стадии (этапы) проектирования подразделяют на составные части, называемые проектными процедурами. В свою очередь, проектные процедуры можно расчленить на более мелкие компоненты, называемые проектными операциями. Проектирование сводится к выполнению некоторых последовательностей проектных процедур - маршрутов проектирования. [3]

Системы автоматизированного проектирования и их место среди других автоматизированных систем

Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем (рисунок 1). Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах.

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными (PDM - Product Data Management), управления процессом проектирования (DesPM - Design Process Management), пользовательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ, CASE (Computer Aided Software Engineering) для разработки и сопровождения программного обеспечения САПР, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.

Операционные системы и сетевое программное обеспечение

Системная среда САПР

Пользовательский PDM CASE Управление

интерфейс проектированием

Проектирующие

подсистемы

Рис. 1 Структура программного обеспечения САПР

Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появление видов обеспечения САПР. Принято выделять семь видов обеспечения:

- техническое (ТО), включающее различные аппаратные средства;

- математическое (МО), объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;

- программное (ПО), представляемое компьютерными программами САПР;

- информационное (ИО), состоящее из баз данных (БД), систем управления базами данных (СУБД), а также других данных, используемых при проектировании; отметим, что вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, а БД вместе с СУБД носит название банка данных (БнД);

- лингвистическое (ЛО), выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР;

- методическое (МетО), включающее различные методики проектирования;

- организационное (ОО), представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, регламентирующими работу проектного предприятия.

Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например, по приложению, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы — ядра САПР.

По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР.

1. САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или MCAD (Mechanical CAD) системами.

2. САПР для радиоэлектроники. Их названия - ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation) системы.

3. САПР в области архитектуры и строительства.

Кроме того, известно большое число более специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь в классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т.п.

По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты (страты) проектирования:

1. САПР функционального проектирования, иначе САПР-Ф или CAE (Computer Aided Engineering) системы.

2. конструкторские САПР общего машиностроения - САПР-К, часто называемые просто CAD системами;

3. технологические САПР общего машиностроения - САПР-Т, иначе называемые автоматизированными системами технологической подготовки производства АСТПП или системами CAM (Computer Aided Manufacturing).

По масштабам различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР, например, комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ) или комплекс анализа электронных схем; системы ПМК; системы с уникальными архитектурами не только программного (software), но и технического (hardware) обеспечений.

По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР.

1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование. К этой группе систем относится большинство графических ядер САПР в области машиностроения.

2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях, например, при проектировании бизнес-планов.

3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые программно-методические комплексы. Часто такие САПР относятся к системам CAE. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD.

4. Комплексные

САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении или САПР БИС. Для управления столь сложными системами применяют специализированные системные среды.

Функции, характеристики и примеры CAE/CAD/CAM - систем

Функции CAD-систем в машиностроении подразделяют на функции двухмерного (2D) и трехмерного (3D) проектирования. К функциям 2D относятся черчение, оформление кон-

структорской документации; к функциям 3D -получение трехмерных моделей, метрические расчеты, реалистичная визуализация, взаимное преобразование 2D и 3D моделей.

Основные функции CAM-систем: разработка технологических процессов, синтез управляющих программ для технологического оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), моделирование процессов обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных типов оборудования с ЧПУ (NC - Numerical Control), расчет норм времени обработки.

Наиболее известны следующие CAE/CAD/CAM-системы, предназначенные для машиностроения: для 2D-проектирования: Unigraphics (EDS Unigraphics); Solid Edge (Intergraph); Pro/Engineer (PTC - Parametric Technology Corp.), CATIA (Dassault Systemes), EUCLID (Matra Datavision), CADDS.5 (Computervi-sion, ныне входит в PTC) и др.; для 3D-проектирования: AutoCAD (Autodesk); АДЕМ; bCAD (ПроПро Группа, Новосибирск); Caddy (Ziegler Informatics); Компас (Аскон, С.Петербург); Спрут (Sprut Technology, Набережные Челны); Кредо (НИВЦ АСК, Москва).

В состав машиностроительных CAE-систем прежде всего включают программы для следующих процедур:

- моделирование полей физических величин, в том числе анализ прочности, который чаще всего выполняется в соответствии с МКЭ;

- расчет состояний и переходных процессов на макроуровне;

- имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания и сетей Петри.

Для удобства адаптации САПР к нуждам конкретных приложений, для ее развития целесообразно иметь в составе САПР инструментальные средства адаптации и развития. Эти средства представлены той или иной CASE-технологией. Примерами могут служить объектно-ориентированная интерактивная среда CAS.CADE в системе EUCLID, содержащая библиотеку компонентов; в САПР T-Flex CAD 3D предусмотрена разработка дополнений в средах Visual C++ и Visual Basic.

CALS-технология - это технология комплексной компьютеризации сфер промышленного производства, цель которой - унификация и стандартизация спецификаций промышленной продукции на всех этапах ее жизненного цикла. Соответствующие системы

автоматизации назвали автоматизированными логистическими системами или CALS (Computer Aided Logistic Systems/ Continuous Acquisition and LifeCycle Support) [4].

Применение CALS позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в базах данных сетевых серверов, доступных любому пользователю технологии CALS. Среди несомненных достижений CALS-технологии следует отметить легкость распространения передовых проектных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках и др.

Главная проблема построения CALS-технологии - обеспечение единообразного описания и интерпретации данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных.

В основу CALS-технологии положен ряд стандартов и прежде всего это стандарты STEP, а также Parts Library, Mandate, SGML (Standard Generalized Markup Language), EDIFACT (Electronic Data Interchange For Administration, Commerse, Transport) и др. Стандарт SGML устанавливает способы унифицированного оформления документов определенного назначения, а стандарт EDIFACT -способы обмена подобными документами.

Одна из наиболее известных реализаций CALS-технологии разработана фирмой Computervision - это технология названа EPD (Electronic Product Definition) и ориентирована на поддержку процессов проектирования и эксплуатации изделий машиностроения.

Технологию EPD реализуют:

- CAD - система автоматизированного проектирования;

- CAM - автоматизированная система технологической подготовки производства (АСТПП);

- CAE - система моделирования и расчетов;

- CAPE (Concurrent Art-to-Product Envi-ronoment) - система поддержки параллельного проектирования ^oncuR'ent еngineering);

- PDM - система управления проектными данными, представляющая собой специализированную СУБД (DBMS - Data Base Management System);

- 3D Viewer -система трехмерной визуализации;

- CADD - система документирования;

- CASE - система разработки и сопровождения программного обеспечения;

- методики обследования и анализа функционирования предприятий.

В значительной мере специфику EPD определяет система Optegra. В ней отображается иерархическая структура изделий, включающая все сборочные узлы и детали. Важной для пользователей особенностью Optegra является работа вместе с многооконной системой визуализации 3D Viewer. В системе Optegra связи между объектами задаются по протоколам стандартов STEP, внешний интерфейс осуществляется через базу данных SDAI [1].

Системы управления в составе комплексных автоматизированных систем

Автоматизация управления реализуется с помощью автоматизированных систем управления (АСУ).

Среди АСУ различают автоматизированные системы управления предприятием (АСУП) и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).

В АСУП выделяют подсистемы, выполняющие определенные функции, типичными среди них являются:

- календарное планирование производства, потребностей в мощностях и материалах;

- оперативное управление производством;

- сетевое планирование проектов;

- управление проектированием изделий;

- учет и нормирование трудозатрат;

- учет основных фондов;

- управление финансами;

- управление запасами (складским хозяйством);

- управление снабжением (статистика закупок, контракты на закупку);

- маркетинг (статистика и анализ реализации, контракты на реализацию, прогноз, реклама).

Процедуры, выполняющие эти функции, часто называют бизнес-функциями, а маршруты решения задач управления, состоящие из бизнес-функций, называют бизнес-процессами.

Характерные особенности современных АСУП:

1. Открытость по отношению к ведущим платформам (UNIX, Windows, OS/2) и различным СУБД и прежде всего мощным СУБД типа Oracle, Ingres, Informix, Sybase; поддержка технологий типа ODBC (Open Data Base

Connection), OLE (Object Linking and Embedding), DDE (Dynamic Data Exchange); поддержка архитектур клиент/сервер.

2. Возможность сквозного выполнения всех допустимых бизнес-функций или их части, что обеспечивается модульным построением.

3. Адаптируемость к конкретным заказчикам и условиям рынка.

4. Наличие инструментальных средств.

5. Техническое обеспечение АСУП -компьютерная сеть.

Функциями АСУТП являются:

1. сбор первичной информации от датчиков;

2. хранение, обработка и визуализация данных;

3. управление и регистрация аварийных сигналов;

4. связь с корпоративной информационной сетью;

5. автоматизированная разработка прикладного ПО.

Программное обеспечение АСУТП представлено системой диспетчерского управления и сбора данных, называемой SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), а техническое обеспечение - персональными ЭВМ и микрокомпьютерами, связанными локальной вычислительной сетью. Кроме диспетчерских функций, SCADA выполняет роль инструментальной системы разработки программного обеспечения для промышленных систем компьютерной автоматизации. Для систем АСУТП характерно использование программируемых контроллеров (ПЛК или PLC - Programmed Logic Controller), - компьютеров, встроенных в технологическое оборудование.

На уровне управления технологическим оборудованием в АСУТП выполняются запуск, тестирование, выключение станков, сигнализация о неисправностях, выработка управляющих воздействий для рабочих органов программно управляемого оборудования (NC -Numerical Control).

Выводы

Для успешного функционирования предприятий в современных условиях необходимо применение передовых информационных технологий. Они позволяют решать широкий

круг задач в любых сферах за счет комплексной автоматизации основных технологических и производственных процессов. Это стало возможным за счет применения САПР, производительность которых повышается с каждым днем, упрощается их использование. Возможности САПР помогают предприятиям снизить материальные издержки, энергозатраты и время на производство работ, оптимизировать основные производственные процессы, повысить качество выпускаемой продукции. Наибольшая эффективность производства достигается в случае использования комплексных систем автоматизации проектирования.

Библиографический список

1. Дубова Н. Системы управления производственной информацией // Открытые системы. -1996. - №3 (17). - С. 63-68.

2. Клюев А.С. Проектирование систем автоматизации технологических процессов Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 464 с.

3. Норенков И.П. Автоматизированное проектирование. - М.: Высш. школа, 2000. - 188 с.

4. Шалумов А.С. Введение в CALS-технологии: Учебное пособие. - Ковров: КГТА, 2002. - 137 с.

The systems of design automation

A.A. Tereschenko

The main notion of design engineering is given, the structure and stages of design process are described. The classification of the computer-aided design system is produced on different signs. The examples of working computer-aided design systems and the control systems composed of complex computer-aided systems are considered.

Терещенко Алёна Александровна - аспирантка Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - автоматизация рабочих процессов дорожных машин. Имеет 1 публикацию. e-mail alena-t85@bk.ru

Статья поступила 22.06.2009 г.