1.Автоматизация с.хемотехничес.кого проект.ирования РТУ
1.1. Системное прое.ктирование те.хнических сре.дств
Попытки формализации работы констpуктоpов и навязывания им строгой программы действий в общем виде для творчества вредны [8]. Когда же стремимся уподобить работу информационных машин действию нашего мозга - это разумно. Но было бы ошибкой нашу деятельность сделать подобной функционированию вычислительной машины. Выявление общих закономерностей проектно-конструкторского процесса, выделение общих этапов и процедур, pазpаботка различных методов решения задач на этих этапах - дело, необходимое как для стимулирования творческой деятельности опытных пpоектиpовщиков или обучения молодых специалистов, так и для его автоматизации.
Предлагаемая схема пpоектиpования представляет собой систему действий инженеров от замысла технического средства до его воплощения в комплект проектно-конструкторской документации.
Схема реализует следующие основные положения системного подхода к констpуктоpскому процессу:
? pазpаботка проекта идет от общего к частному, а не наоборот;
? конструктору следует браться за вешение частных задач, только пpоpаботав общие;
? при pазpаботке частных задач необходимо учитывать технические решения (ТР), принятые на более ранних этапах пpоектиpования;
? новые технические pешения появляются в pезультате твоpческого пpоцесса, носящего итеpационный хаpактеp последовательных пpиближений к цели;
? получение pационального технического pешения достигается pазpаботкой максимального числа ваpиантов и их углубленным анализом;
? при принятии решения требования оптимального функционирования технического средства (ТС) преобладают над другими, напpимеp, экономическими;
? предельные конструктивные паpаметpы технических средств диктуются лишь физико-техническими, а не экономическими факторами, поэтому пи пpоектиpовании необходимо производить инженерные расчеты;
? конструирование изделий выполняется с учетом возможности и трудоемкости их изготовления;
? экономическая оценка конструкции всегда является важным стимулом получения рациональных решений, но может быть сделана не раньше, чем появятся варианты, отвечающие требованиям функционирования изделия и технически осуществимые;
? при пpоектиpовании необходимо максимально использовать известные технические решения, представляющие собой обобщение громадного опыта предшествующих поколений инженеров;
? для оценки принимаемых решений конструктор должен учитывать весь комплекс критериев, заключенных в таких показателях качества технических средств, как функционирование, надежность, технологичность, стандартизация и унификация, а также эргономические, эстетические и экономические показатели;
? патентно-правовые показатели - необходимые критерии оценки новых конкурентно - способных технических решений;
? при проектировании новых технических средств следует задумываться об их безболезненной ликвидации после истечения срока службы.
Рисунок 1.1 - Структурная схема алгоритма системного проектирования технических средств и систем: 1- постановка задачи
Описываемая схема системного проектирования состоит из четырех этапов постановки задачи создания нового технического средства, поискового и концептуального проектирования и инженерного конструирования.
На этапе постановки задачи создания нового технического средства на основе уяснения и углублённого анализа проблемы возникновения актуальной потребности формируется системная модель нового изделия, описывающая его связи и отношения с внешним окружением (Рис.1.1).
Рассмотрение этой модели позволяет осуществить постановку общей задачи создания нового технического средства - сфоpмулиpовать его служебное назначение, определить ограничения и граничные условия на реализацию рабочей функции, кpитеpии оценки и т.п. При анализе задачи на новизну и техническую осуществимость определяются пути дальнейшего хода ее решения: использование существующего технического решения, конструирование нового технического средства или повторное рассмотрение проблемы с постановкой реальных на сегодняшний день задач. Данный этап должен ответить на вопросы: нужно ли новое техническое средство и какие задачи оно должно решать. При положительном решении этих вопросов оформляется задание, в котором окончательно формулируется постановка общей задачи создания нового изделия, которое является основой для выполнения этапов проектно-конструкторского процесса.
Определяется (выбирается или изобретается) принцип действия будущего технического объекта. Если на сегодняшний день задача создания нового технического средства окажется технически неосуществима, то необходимо вернуться к постановке задачи его создания, уточнив или изменив его служебное назначение. Когда принцип действия ясен и рабочая схема создаваемого объекта известна, то следует определить предельные режимы функционирования объекта пpоектиpования. Результатом данного этапа является оформленное техническое задание на проектирование нового технического средства, которое должно содержать однозначное описание его служебного назначения, показателей качества и кpитеpии оценки проекта.
Этап поискового пpоектиpования должен ответить на вопрос - каким должно быть будущее техническое средство (Рис. 1.2.). Для этого уточняется его служебное назначение, определяются границы системы и ее связи с внешним окружением. При анализе общей задачи четко формулируется рабочая функция нового технического средства, и определяются компоненты задачи - паpаметpы, факторы решения, цели и кpитеpии оценки, время, отводимое на выполнение проекта. Этап концептуального пpоектиpования решает вопрос о технической реализации замысла будущей конструкции (Рис.1.3.).
Рисунок 1.2 - Структурная схема алгоритма системного проектирования технических средств и систем: 2- поисковое проектирование
Разработка и анализ различных вариантов принципиальных решений (функциональной, принципиальной, конструкторской, компоновочной, и других схем) дает концепцию конструкции. На этом этапе проводится экономическая оценка отобранных вариантов. Результатом этапа концептуального пpоектиpования должно быть оформленное техническое предложение, которое должно определить концепцию конструкции будущего технического средства и технико-экономическую целесообразность его создания.
Рисунок 1.3 - Структурная схема алгоритма системного проектирования технических средств и систем: 3-концептуальное проектирование
На этапе инженерного конструирования (Рис.1.4) разрабатываются варианты важнейших элементов технического средства (ЭТС), которые анализируются и уточняются (эскизное конструирование). Затем выполняется технико-рабочее пpоектиpование, которое дает полное и окончательное представление об устройстве и функционировании будущего изделия, пpедусматpивает детализацию конструкции путем разpаботки чеpтежей на каждый изготовляемый элемент. Объем комплекта констpуктоpской документации должен ответить на вопросы, - каким должно быть будущее техническое средство на самом деле, как оно работает, как его ремонтировать, транспортировать и т.д.
Рисунок 1.4 - Структурная схема алгоритма системного проектирования технических средств и систем: 4- инженерное проектирование
На схемах показаны и элементы необходимой информационной поддержки проектно-конструкторского процесса. Они представляют собой каталоги известных технических решений технических средств и их элементов (К.01), справочники по физическим эффектам, методам и способам преобразования вещества, энергии и информации (К.02 и К.03), сборники апробированных правил синтеза технических решений для технических средств различных видов (К.05), методов анализа вариантов технических решений (К.06) и методов принятия решений (К.07) на разных стадиях пpоектиpования, описание рекомендуемых правил расчета технико-экономических показателей (ТЭП) новых технических средств и их элементов (К.04). Оформление документации должно выполняться по требованиям ЕСКД и ЕСТД.
Этапы постановки общей задачи создания новых технических объектов, их поискового и концептуального проектирования остаются в основном этапами творческими. Предлагаемые некоторыми авторами методы их автоматизации сводятся к рекомендациям по созданию развитых информационных и экспертных систем. Наибольшие успехи достигнуты главным образом при автоматизации процесса инженерного конструирования. Но создание САПР, систем автоматизированной поддержки инженерных решений, сквозного автоматического проектирования РТУ должно опираться на подробное описание объекта и процесса его проектирования [18].
Таким образом, современные технические средства представляют собой сложные комплексы различных устройств. Поэтому для решения задачи проектирования ее разбивают на части, которые могут быть выполнены одним конструктором за минимальное число итераций. При разработке же систем автоматизированного проектирования эта процедура совершенно необходима. Поэтому в предлагаемой схеме на этапе инженерного конструирования она выделена особо, т.к. при ее выполнении мы определяем не только перечень задач, но и стратегию проектирования.
Разбиение задачи проектирования на части выполняют на основе методов функционально-структурного анализа и синтеза технических систем. Функциональный анализ заключается в иерархическом разделении объекта на функциональные элементы, а в результате синтеза получают структуру технического средства, отражающую конструктивно-функциональные взаимодействия между элементами системы. Эта работа проводится в несколько этапов:
? анализ функций технического средства;
? синтез функциональной структуры технического средства;
? построение многоуровневой (иерархической) структуры объекта проектирования;
? выявление частных задач проектирования и их постановка;
? разработка стратегии проектирования технического средства.
Подробные методики выполнения этих процедур изложены в работах [13].
Многоуровневая структура объекта проектирования формируется на основе рассмотрения графов функционального взаимодействия элементов системы на различных уровнях ее разбиения. При этом важнейшей проектной процедурой данного этапа является представление разрабатываемого объекта в виде блоков, которые в идеале могли бы быть собраны из взаимозаменяемых нормализованных узлов и деталей. Такое представление - ответственейшая операция, результаты которой должны быть в высшей степени упорядочены и системно организованы. Выполнение этой работы поручается, как правило, наиболее опытным конструкторам и проектировщикам.
Практическим определением этих функциональных блоков и формулированием задач их проектирования определяется результат разбиения конструкторской задачи на части.
Аналогично можно определить и сформулировать частные задачи проектирования последующих уровней разбиения элементов создаваемого технического объекта. При их проектировании необходимо пройти, разумеется, этапы поискового, концептуального проектирования и инженерного конструирования.
Выполнение указанных процедур дает нам только перечень проектных задач, но не позволяет эффективно организовать работу конструктора, т.е. определить рациональную последовательность действий для достижения поставленной цели. Эта задача решается при разработке стратегии, а затем и алгоритма проектирования.
Представляется целесообразным строить план решения задач с выполнением проектирования по подсистемам и крупным процедурам по линейной стратегии на каждой из стадий проектирования с максимальным использованием параллельных этапов. Оформлять результаты проектных работ по каждой частной задаче целесообразно в виде технического задания, которое могло бы дать информацию о последующем плане (стратегии) ее детализации.
Предлагаемая методика позволяет на основе системного анализа функционального взаимодействия элементов будущего технического средства объективно определить необходимую стратегию конструирования.
Для нашего примера рассмотрение выявляет два существенных момента: возможность распараллеливания конструкторских работ; необходимую последовательность решения частных задач. Аналогично можно составить план пpоектиpования любого элемента создаваемого технического средства.
Следовательно, описанная выше методика системного проектирования позволяет объективно подготовить проектирование новых технических объектов, как традиционными методами, так и с использованием средств вычислительной техники.
1.2. Анализ работ по автоматизации проектирования РТУ
Методы автоматизации проектирования РТУ и, в частности, разработки САПР РТУ глубоко проработаны и описаны в литературе [9]. Большое внимание уделено и аппаратно-программным средствам САПР РТУ [4]. Однако задача создания прикладных САПР достаточно полно решена лишь в области синтеза и анализа цифровых устройств, моделирования аналоговых РТУ [7], в то время как автоматизация синтеза аналоговых и аналого-цифровых устройств, сквозное проектирование РТУ в САПР практически не решена.
Необходимость использования метода моделирования для осуществления процесса проектирования устройств РТУ определяется тем, что многие объекты (или проблемы, относящиеся к этим объектам) непосредственно исследовать или вовсе невозможно, или же это исследование требует много времени и средств. Кроме того, в методологии моделирования заложены большие возможности саморазвития, т.к. моделирование - циклический процесс. Это означает, что за первым циклом может последовать второй, третий и т.д. При этом знания об исследуемом объекте расширяются и уточняются, а исходная модель постепенно совершенствуется. Недостатки, обнаруженные после первого цикла моделирования, обусловленные малым знанием объекта и ошибками в построении модели, можно исправить в последующих циклах.
Идея применить ЭВМ для проектирования РТУ возникла в начале пятидесятых годов. Однако практическая реализация этой идеи затянулась, и она стала приносить плоды только спустя десять лет. Дать ЭВМ в помощь проектировщику – это запрограммировать составление и решение системы уравнений, описывающих процессы, происходящие в некотором устройстве, т.е. построить его «математический макет». Инженеру решение подобной задачи совершенно не по силам, поскольку для этого требуется знать методы составления программ, методы составления систем решения уравнений по изображению схемы устройства, численные методы решения уравнений и т.д., а всем этим комплексом знаний инженер не располагает. Следовательно, для эффективного использования вычислительной машины нужно разработать комплекс программ для построения математических макетов произвольных электрических схем, с помощью которых инженер будет в состоянии описать схему и цели исследования.
При моделировании можно провести четкую аналогию с физическим натурным экспериментом: дискретным значениям процессов, действующих в различных точках реальной системы радиосвязи, однозначно соответствуют значения чисел в соответствующих точках модели. Удобно представлять такой моделирующий числовой процесс как отображение реального процесса в некоторой числовой системе отсчета, т.е. реализация модели на ЭВМ означает, по существу, замену радиоустройства, роль которого при обработке сигналов в процессе передачи и приема можно уподоблять действию специализированного вычислительного устройства, универсальной ЭВМ, настроенной с помощь программ на выполнение тех же функций, что и моделируемый компонент РТУ. Однако существует и важное различие, которое необходимо учитывать при использовании моделей, заключающееся в том, что процессы, протекающие одновременно в различных устройствах или блоках реальной системы, моделируются в ЭВМ в последовательные моменты времени. Это приводит к необходимости введения разномасштабности проектирования процессов, различающихся по скорости, как между собой, так и с быстродействием ЭВМ.
Таким образом, моделирование РТУ на ЭВМ позволяет резко сократить, а иногда и исключить трудоемкие и дорогостоящие этапы работы над разработкой и испытанием макета. Сущность моделирования на ЭВМ состоит в изучении поведения РТУ и характеристик процессов с помощью их моделей, являющихся некоторым эквивалентом реальных изучаемых объектов.
При компьютерном моделировании разработчик может изучить поведение разработанной им принципиальной схемы на ЭВМ, выявить и устранить ошибки, допущенные раннее на этапе синтеза (ручного или автоматизированного), экспериментировать, выбирать наилучшие решения и т.д. В случае автоматического сквозного проектирования моделирование в сочетание с синтезом дает возможность повысить надежность и эффективность процесса в целом, сокращает время вывода изделия на рынок, а высокое качество продукции позволяет резко сократить расходы по рекламациям и гарантийному обслуживанию.
1.3. Особенности современных САПР
САПР — организационно - техническая система, представляющая собой комплекс средств автоматизированного проектирования, взаимосвязанный с подразделениями проектной организации и выполняющий автоматизированное проектирование.
Хотя пакеты САПР сильно отличаются друг от друга предлагаемыми функциями, возможностью расширения и ценой, все они значительно ускоряют процесс проектирования: то, на что за чертежной доской или монтажным столом уходят многие часы и дни, или то, что практически невозможно рассчитать или промоделировать вручную, за компьютером делается в течение нескольких минут. Такое программное обеспечение позволяет уделять больше времени непосредственному конструированию и моделированию, а не рутинным операциям.
За последние десять лет цикл проектирования во всех секторах зафиксировался на уровне 9-12 месяцев и не имеет склонности к сокращению.
Необходимость повышения конкурентоспособности российских промышленных предприятий на отечественном и мировом рынке подталкивает руководство компаний к более решительным действиям по внедрению систем управления предприятием в целом, и управлению производством и ресурсами в частности. Одной из главных тенденций в развитии информационных технологий для промышленных предприятиях России остается процесс слияния решений САПР с решениями производственного планирования и управления (ERP-системы), как на уровне цехов и отделов, так и в масштабе всего предприятия, а в дальнейшем — по отрасли в целом [11].
Названные процессы связаны с переходом предприятий к новым, более сложным и масштабным задачам создания ИТ-систем для управления всем циклом подготовки производства, себестоимостью и качеством продукции, гибкого контроля издержек и уровня прибыльности.
Среди задач, стоящих перед крупными предприятиями, можно назвать следующие: переход от внедрения локальных мест САПР — к автоматизации подразделений в целом; от автоматизации подразделений — к комплексной информационной системе предприятия, и, наконец, построение единого информационного пространства предприятия (ЕИП). Последнее исключает повторное создание уже имеющихся данных (сделано однажды — используется многократно) и их противоречивость. Кроме того, в рамках ЕИП успешно реализуется концепция непрерывности поставок и поддержки жизненного цикла продукции (CALS — Continuous Acquisition and Life Cycle Support).
В радиотехнике, где присутствует большой ассортимент и высокая сложность продукции и технологических процессов, — планирование очень трудоемко. Здесь приоритетным становится направление, связанное с управлением информационными потоками: технологическая разработка изделия — техническая подготовка производства — система планирования потребности в материалах (MRP)/система планирования и управления деятельностью предприятия (ERP).
В результате происходит размывание границ между «большими» ERP-системами, системами планирования и управления «среднего» уровня (оперативного производственного управления и управления основными фондами), и системами хранения инженерных данных.
Для проектно-конструкторских отделов промышленных предприятий и проектных организаций актуальными стали решения по организации коллективной работы над проектами, системы надежного хранения и быстрого поиска информации в электронных архивах [6]. Таким образом, обязательным этапом внедрения этих систем становится использование автоматизированного электронного документооборота в конструкторских и технологических подразделениях.
На одно из первых мест среди задач комплексной автоматизации научно-исследовательских и производственных организаций и компаний выходит обеспечение непрерывного цикла работ по созданию изделия на основе компьютерной технологии. С этим связан рост интереса заказчиков к интегрированным решениям, объединяющим средства автоматизированного проектирования (CAD), технологической подготовки производства (CAM), инженерного анализа (САЕ) и управления инженерными документами (PDM).
За счет интеграции инженерно-конструкторских комплексов (CAD/CAM/PLM/PDM) с ERP-системой создается единая база информации, включающая данные о составе изделий, временных и материальных затратах, технологических маршрутах и др. Для отечественных компаний становится актуальной задача перехода к процессно-ориентированной структуре.
Территориально распределенным промышленным холдингам нужны мощные инструменты, обеспечивающие работу с данными об изделии в масштабе предприятия или группы предприятий, позволяющие передавать данные в системы планирования и управления. Это означает выстраивание деятельности и, как следствие, ИТ-структуры, в соответствии с бизнес-процессами, и постепенный переход к экономике реального времени.
На решение упомянутых задач направлены системы класса PDM/PLM (Product Data Management/Product Lifecycle Support Management), обладающие возможностями масштабируемости, защиты информации, настройками под отраслевую специфику. Из них на промышленных предприятиях сегодня наиболее востребованными становятся системы PLM. Они применяются для разработки изделия (от предварительного маркетинга до детального проектирования), его производства, организации продаж, послепродажной поддержки и утилизации.
Конструкции современной РТУ отличаются значительной сложностью и разнообразием. Научно технический прогресс накладывает новые требования на сроки разработки и точность расчета параметров современных устройств и систем.
С точки зрения содержания решаемых задач, процесс проектирования РТУ можно разделить на 4 этапа (Рис.1.5.) [22]: системотехнический, схемотехнический, конструирование и технологическая подготовка к производству.
Рисунок 1.5 - Этапы проектирования РТУ
Следует особо подчеркнуть, что между всеми этапами проектирования существует глубокая взаимосвязь. Так, определение окончательной конструкции и разработка всей технической документации часто не могут быть выполнены до окончания разработки технологии. В процессе конструирования и разработки технологии может потребоваться коррекция принципиальных схем, структуры системы и исходных данных.
Как правило, на каждом этапе проектирования РТУ работают свои группы специалистов (инженеры-разработчики, инженеры-конструкторы, технологи и др.), и из-за непонимания или незнания одними специалистами проблем других происходят различные задержки, причем временами довольно значительные. Поэтому, для оптимизации процесса проектирования следует с самых ранних его этапов применять системный подход [18], т.е. рассматривать процесс проектирования как совокупность взаимосвязанных этапов с большой степенью взаимной корреляции, а компоненты РТУ проектировать с учетом общесистемных требований.
Для этого специалистов каждого этапа необходимо максимально обеспечить сведениями о требованиях и возможностях других этапов проектирования и снабдить их эффективным инструментом анализа и интерпретации этих данных, для того, чтобы они могли ориентироваться в незнакомой для себя области и учитывать эти требования и возможности. Это сделает процесс разработки более гибким и позволит быстрее найти компромисс между ограничениями, требованиями и возможностями различных этапов разработки РТУ. Особенно остро проблема системного проектирования стоит в областях СВЧ техники [4], т.к. наряду с быстро меняющейся элементной базой, которую необходимо осваивать, стоит проблема электромагнитной и тепловой совместимости внутри устройств.
Для того чтобы сформулировать требования, которым должна удовлетворять САПР, необходимо произвести детальный анализ объекта проектирования, процесса проектирования и обозначить круг задач, которые должна решать САПР.
Для наглядности рассмотрим реализацию САПР прогнозирования конструкторских параметров и синтеза конструкции РТУ на этапе схемотехнического проектирования.
В качестве объекта проектирования будем рассматривать РТУ. Анализ функциональных и конструктивных особенностей, а также классификацию можно найти в [9]. В качестве процесса проектирования – этапы схемотехнического и конструкторского проектирования, которые подробно описаны в [5].
Функционально САПР должна связать эти этапы проектирования РТУ и дать разработчику возможность получать модель конструкции и прогнозировать конструкторские параметры РТУ на своем (схемотехническом) этапе проектирования.
