Методы и алгоритмы разработки автоматизированного рабочего места проектировщика технологических систем

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ РАЗРАБОТКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАБОЧЕГО МЕСТА ПРОЕКТИРОВЩИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

А.С. Федотов

Научный руководитель - д.т.н., профессор Ю.А. Гатчин

В статье рассказывается о методах и алгоритмах позволяющих разработать автоматизированное рабочее место проектировщика технологических систем. Приводится комплекс необходимых программных продуктов, их анализ и качество работы.

Введение

Современные технологические системы отличает большое многообразие компонентов и элементов, что увеличивает время проектирования, а как следствие - и их стоимость. Темпы проектирования таких систем являются основным сдерживающим фактором их разработки и внедрения. Решение этой задачи приводит к необходимости создания системы автоматизированного проектирования.

Автоматизирование проектирования технологических систем предполагает разработку специализированных технических средств, обеспечивающих ввод и вывод информации, разработку автоматизированных рабочих мест проектировщика, содержащих комплексы оборудования, а также разработку математического обеспечения: методов, алгоритмов и программ.

Традиционные методы проектирования технологических систем имеют низкую степень формализации и в основном ориентированы на принятие решений проектировщиком, они включают большой объем вычислительных операций, характеризуются низкой точностью, так как очень часто автоматизированное рабочее место проектировщика организовано не на должном уровне. Все это ограничивает их применение. В связи с этим совершенствование традиционных методов, разработка новых методов зачастую неэффективно.

В последние годы появилось много новых методов и программ для проектирования технологических систем. Эти методы отличаются от классических более высокой сложностью, они формализованы, их исполнение связано с большим объемом вычислений, что делает полезным при решении практических задач наличие в них библиотеки стандартных подпрограмм. Однако даже наличие таких библиотек требует от проектировщика значительных усилий в программировании для решения конкретной задачи. Высококачественная, хорошо отлаженная программа, написанная программистом высокой квалификации специально для некоторого проекта, наиболее оптимальна. Развитие технологических систем на таком высоком уровне требует нового подхода к методам и алгоритмам разработки автоматизированных рабочих мест проектировщика, способствует использования последних новинок в области программных продуктов для разработки автоматизированных рабочих мест.

Структура и назначение автоматизированного рабочего места

Автоматизированное рабочее место (АРМ) (рис. 1) - индивидуальный комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для автоматизации профессионального труда специалиста - картографа, проектировщика электронных схем, оператора системы дальнего радиолокационного обнаружения и пр. Обычно в АРМ входит персональный компьютер или рабочая станция с графическим или текстовым дисплеем, графопостроитель и другие периферийные устройства. АРМ работает в составе локальной или территориальной сети или в автономном режиме [1].

АРМ

Технические средства Программные средства Информационное обеспечение и методическая документация.

1

Общее ПО Функциональное ПО

1

Управление ресурсами вычислительной системы, обеспечение работы в сети. Средства для создания новых программных средств.

Рис. 1. Схема автоматизированного рабочего места

В настоящее время всестороннее развитие технологии приводят к необходимости выживания промышленных предприятий в новых экономических условиях, осуществляя глубокую конверсию основного производства. Возникают задачи проектирования все более сложных технических объектов в сжатые сроки, требующие специфического оборудования, новых технологий и программных продуктов, а также увеличения численности проектировщиков. Удовлетворить противоречивые требования с помощью простого увеличения численности проектировщиков нельзя, так как возможность параллельного проведения проектных работ ограничена, а численность инженерно-технических работников в проектных организациях не может быть сколько-нибудь заметно увеличена [2]. Выходом из этого положения является широкое применение методов развития и усовершенствования АРМ. Все это приводит нас к автоматизации системы проектирования.

Автоматизированная система проектирования технологий представляет собой одну из составных частей АРМ технолога-проектировщика, главными элементами которой являются, с одной стороны, проектировщик, а с другой стороны - система автоматизации проектирования, т. е. система, предназначенная для совершенствования процесса проектирования, основанная на взаимодействие технического, алгоритмического, программного и информационного обеспечения.

Построение автоматизированной системы проектирования на основе современных информационных технологий и технологий программирования даст возможность расширения программного обеспечения за счет соответствия стандартам построения открытых систем, ведения единой информационной модели для решения технологических задач, интеграции решения задач разного направления, автоматического создания и адаптации математической модели задачи и исходных данных под реальные ситуации, использования графического интерфейса пользователя, упрощающего взаимодействие пользователя с ЭВМ. Особый интерес в настоящее время вызывает подход, при котором проектировщик технологических систем в процессе диалога с системой осуществляет творческое конструирование и выбирает наилучшее проектное решение. Для этого ему необходимо создать АРМ, полностью удовлетворяющее его критериям.

АРМ должно отвечать следующим требованиям:

• своевременное удовлетворение информационной и вычислительной потребности специалиста;

• минимальное время ответа на запросы пользователя;

• адаптация к уровню подготовки пользователя и его профессиональным запросам;

• простота освоения приемов работы на АРМ и легкость общения, надежность и простота обслуживания;

• терпимость по отношению к пользователю;

возможность быстрого обучения пользователя; возможность работы в составе вычислительной сети.

Новые возможности в свете последних достижений

Один из методов облегчения работы проектировщика связан с созданием различных автоматизированных баз данных. Специалистам часто приходится работать с большими объемами данных, чтобы найти требуемые сведения для подготовки различных документов. Для облегчения такого рода работ были созданы системы управления базами данных (СУБД: DBASE, RBASE, ORACLE и др.). СУБД позволяют хранить большие объемы информации, и, что самое главное, быстро находить нужные данные. Так, например, при работе с картотекой постоянно нужно перерывать большие архивы данных для поиска нужной информации, особенно если карточки отсортированы не по нужному признаку. СУБД справится с этой задачей за считанные секунды [2].

Методом разработки АРМ проектировщика технологических систем можно считать метод использования различных программных комплексов. Программный комплекс LCAD (от Layout CAD - расстановка оборудования с помощью компьютера) предназначен для создания АРМ проектировщика, осуществляющего технологическое проектирование новых производственных помещений (рис. 2), а также технологическую реорганизацию существующего производства. Комплекс может быть также использован для получения различной справочной информации по установленному на производстве и введенному в базу данных системы оборудованию.

Рис. 2. Проектирование новых производственных помещений

Программный комплекс ЬСАБ позволяет автоматизировать процесс формирования: строительной подосновы (планов этажей зданий) по одноэтажным и многоэтажным промышленным помещениям для последующего размещения технологического оборудования; а также административно-бытовым зданиям;

графической и текстовой документации по технологической планировке производственных помещений.

LCAD обеспечивает создание и ведение базы данных (БД), содержащей массивы текстовой и графической информации. Структура массивов БД позволяет загружать и использовать при проектировании следующие виды информации:

• характеристики оборудования (наименование и модель, габариты, масса, установленная мощность электродвигателя и некоторая дополнительная информация), с обеспечением поиска и выбора информации по классам и группам оборудования;

• дополнительная графическая информация по оборудованию: размеры, установочные планы, планы опор, точки подключения электропитания, воздуха и т.п.;

• темплеты («габаритки», «фишки») оборудования;

• спецификации по установленному оборудованию;

• принятые условные графические обозначения для нанесения на планировки;

• структура производства (промышленная площадка - производственный корпус -цех - участок);

• генплан предприятия (для обеспечения быстрого выхода на нужную планировку производственных корпусов, цехов, участков);

• любая информация по цехам и участкам предприятия (виды и размеры площадей и т.д.);

• справочные данные по нормам и требованиям к размещению оборудования.

LCAD предполагает создание и хранение в БД технологических планировок на строительной подоснове производственного корпуса (здания) в целом. Спецификация установленного оборудования (рис. 3) создается и хранится в БД в целом по предприятию. Оформление и вывод на печать графической (чертежи планировок) и текстовой (спецификации оборудования) документации может производиться как в целом по производственным корпусам, так и по отдельным цехам и участкам, запрашиваемым в БД.

Рис. 3. Спецификация установленного оборудования

LCAD использует и расширяет возможности пакета AutoCAD фирмы Autodesk за счет наличия дополнительного набора специальных приложений, обеспечивающих основные функции проектирования технологических планировок цехов и участков предприятии [3]. Комплекс можно использовать в технологических подразделениях и технических отделах как крупных предприятий, так и небольших производственных организаций, применяющих АРМ технологов-проектировщиков на базе персональных компьютеров.

Великолепные достижения современной информатики, большое количество и значительный ассортимент программных продуктов позволяют строить процесс проектирования на новом, совсем недавно недоступном, уровне. Обобщая доступные знания

о современных достижений, можно попробовать виртуально синтезировать АРМ проектировщика. Рассмотрим АРМ проектировщика изделий электронной техники. Основной метод создания такого АРМ, как и многих других, основан на внедрении последних программных продуктов. Необходимыми составными частями предлагаемого АРМ являются графический, топологический и текстовый редакторы, а также пакет программ схемотехнического моделирования.

Сердцем виртуального АРМ выбираем графический редактор, а именно AutoCAD200X фирмы AutoDesk. Дружеское и квалифицированное присутствие его создателей ощущается в процессе всей работы. Действительно, трудно найти такой режим работы конструктора, который бы не предусмотрели специалисты AutoDesk. Интерфейсное окно одного из замечательных продуктов AutoDesk, а именно - AutoDesk Mechanical Desktop 2004, с примером трехмерного отображения сборочного чертежа платы, приведено на рис. 4.

Рис. 4. Интерфейсное окно AutoDesk Mechanical Desktop 2004 с примером трехмерного

отображения сборочного чертежа платы

Руками нашего создания будут являться топологический и текстовый редакторы. Правой рукой назначаем топологический редактор, а конкретно PCAD200X. Основным и несомненным достоинством в его работе является наличие функции автотрассировки (особенно при наличии программы SPECCTRA). Действительно, получение готовой топологии платы на основе схемы электрической принципиальной и грамотно составленного задания является значительным шагом в автоматизации и, соответственно, облегчении работы тополога, тем более в таком рутинном сегменте разработки. Левой рукой у нас будет текстовый редактор. Несомненным лидером в этой номинации является Microsoft Word, его и возьмем в помощники. Ну а головой, конечно же, является пакет программ схемотехнического моделирования. С середины 90-х годов прошлого века автор успешно эксплуатировал пакет Design Lab, добиваясь значительно большей производительности, чем в современных OrCAD 9.X, OrCAD 10, причем на менее мощных компьютерах. Приходится только мириться с некоторыми «дикими» зигзагами развития рынка. Безусловно, достоинством семейства OrCAD является наличие программы схемотехнического и функционального моделирования Capture OrCAD [4].

Описанные выше функциональные возможности отсутствуют в каждой из составных частей нашего АРМ, однако они присутствуют в пакетах программ некоторых машинных станций и платформ типа UNIX, Hewlett-Packard и других. И хотя их стоимость и стоимость предлагаемого комплекса разнятся многократно, ставится задача

осуществления таких функциональных возможностей, которые бы не только превосходили аналоги, но и переводили бы систему на качественно новую ступень. За теоретическую основу примем статью [5]. Действительно, производительность современных персональных компьютеров позволяют наделить уже не электронные устройства, а рассматриваемый программный комплекс абсолютно новыми свойствами. Определим появление комплекса новых свойств как «интеллектуализация программного продукта».

С целью построения алгоритмов действия промоделируем процесс разработки, осуществляемый человеком, и попробуем перенести выявленные закономерности в деятельность создаваемого продукта.

Рис. 5. Алгоритм процесса идентификации

Начнем с этапа получения задания. Получив задание, человек ищет в памяти (своей базе данных) аналоги заданию, с целью его возможного выполнения путем модернизации. Рассмотрим программное осуществление данного этапа. Дополнив графическое обозначение кратким формализованным описанием, мы получим элемент идентификации для АРМ. Этот элемент будет использоваться не только при вводе задания, но и для краткого формализованного описания разработанных продуктов. Храниться он будет в отдельной библиотеке, а задействован будет для идентификации разработок. Механизм идентификации на начальном этапе будет несовершенен из-за недостаточной формализации задействованных в процессе данных. Но попробуем обойти эти трудности, используя информационную избыточность: если не удается идентифицировать разработ-

ку с помощью системы графических обозначений, то используется система формализованного описания. Алгоритм предлагаемого процесса проиллюстрирован рис. 5.

После процесса идентификации наступает этап конкретного сопоставления полученных в задании данных и параметров идентифицированной разработки. С этой целью мы переходим от функциональных моделей к иным моделям. Эти модели могут предоставить нам интересующие нас данные. Вот тут мы сразу же вспоминаем, что рабочее место у нас автоматизированное, а не автоматическое. Дело в том, что огромный объем используемой информации различного вида, и сложнейшие алгоритмы действий не позволяют автоматизировать этот процесс на современном этапе. Да и, в конце концов, разработчик должен продемонстрировать творческое начало. Но и в этом случае современные программные продукты могут оказать неоценимую помощь. Одним из таких инструментов является директива вариации параметров программы Spice. Но целью статьи является не обучение пользователей, а стремление показать возможность создания высококачественного АРМ [5].

Заключение

Если обратить внимание на достижения данного направления, то подавляющее место в нем занимают зарубежные продукты, что весьма обидно.

Предлагаемое АРМ окажется полезным системотехникам, схемотехникам, конструкторам, топологам и технологам. Пользователю не обязательно устанавливать четыре-пять редакторов. Можно обойтись минимально количеством, необходимым для работы. Но сами закладываемые в предлагаемый программный продукт принципы не только адекватны возникающим в процессе разработки задачам, но и переводят процесс разработки на более высокий уровень. Внедрение проекта позволит не просто значительно автоматизировать процесс разработки и создавать интегрированные библиотеки разработок, но и создать рынок разработок, не имеющий аналогов.

Анализируя сущность АРМ, специалисты определяют их чаще всего как профессионально-ориентированные малые вычислительные системы, расположенные непосредственно на рабочих местах специалистов и предназначенные для автоматизации их работ. Для каждого объекта управления нужно предусмотреть АРМ, соответствующие их функциональному назначению. Однако принципы создания АРМ должны быть общими: системность, гибкость, устойчивость, эффективность.

Литература

1. Словарь по естественным наукам. http://slovari.yandex.ru/

2. Козлова Е.В., Когутенко В.А. Модифицированный метод структурного распараллеливания В. А. Костенко для линейных и разветвляющихся участков схемы технологического процесса сборочного производства.

3. www.cad.ru

4. Силкин В. Трехмерное отображение в электронике - варианты использования и возможные направления развития. // Компоненты и технологии. 2005. №5. С. 26-28.

5. Силкин В. «Интеллектуализация» электронных устройств. // Компоненты и технологии. 2005. №3. С. 37-39.