Общие сведения о системах автоматизированного проектирования и управления

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Автоматизации и управления»           Методические указания по дисциплинам: «Автоматизированное проектирование систем и средств управления» «Проектирование автоматизированных систем (САПР)» Для студентов  направления 220200 «Автоматизация и управление» специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»   «ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ» (Лекционный материал) Составители:  Соловьев Ю.Л.   Евдокименко А.А.         Тюмень 2006 СОДЕРЖАНИЕ Введение 1. ВВЕДЕНИЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 1.1. Понятие инженерного проектирования 1.2. Принципы системного подхода в проектировании 1.3. Основные понятия системотехники 1.4. Основные этапы проектирования 1.5. Схема процесса проектирования 2. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 2.1. Цель создания САПР 2.2. Состав САПР 2.3. Виды обеспечения САПР 2.4. Основные принципы построения САПР 2.5. Стадии создания САПР 2.6. Разновидности САПР 2.7. Основные функции CAE/CAD/CAM-систем 2.8. Уровни САПР 2.9. Примеры программных продуктов для различных уровней САПР 2.10. Понятие о CALS-технологиях 3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 3.1. Автоматизация управления предприятием 3.2. Автоматизированные системы управления технологическими процессами 3.3. Автоматизированные системы делопроизводства РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА   ВВЕДЕНИЕ Автоматизация производственных процессов и внедрение в них средств вычислительной техники позволяют увеличить производительность труда, сократить сроки подготовки и издания книг и журналов за счет уменьшения времени на подготовку оригиналов-макетов, на корректурный обмен между типографиями и издательствами, а также улучшает условия труда на полиграфических предприятиях и в издательствах. При проектировании современного оборудования, машин, механизмов и систем широко применяются системы автоматизированного проектирования (САПР). Основными функциями этих систем являются: автоматизация выполнения различных проектных процедур с целью нахождения оптимальных вариантов проектируемого объекта, автоматизация выбора схемы или конструкции, автоматизация составления проектной и технической документации и т.д. САПР, ориентированные на конкретную предметную область, требуют разработки специальных методов, алгоритмов и программ, оригинальных математических моделей, учитывающих специфические качества объектов проектирования. Вместе с этим желательно, чтобы разработанное математическое обеспечение можно было многократно использовать при проектировании различных элементов полиграфического оборудования. Важной вехой создания математического обеспечения является выбор способа математического моделирования объектов в САПР. Эффективность использования автоматизированной системы проектирования во многом зависит от универсальности и возможностей, которыми располагает применяемый математический аппарат. Появление первых программ для автоматизации проектирования за рубежом и у нас в стране относится к началу 60-х гг. Тогда были созданы программы для решения задач строительной механики, анализа электронных схем, проектирования печатных плат. Дальнейшее развитие САПР шло по пути создания аппаратных и программных средств машинной графики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и анализа, расширения областей применения САПР, упрощения пользова­тельского интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного ин­теллекта. К настоящему времени создано большое число программно-методических комплексов для САПР с различной степенью специализа­ции и прикладной ориентацией. Поэтому знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически любому инженеру-разработчику. Компьютерами насыщены проектные подразделения, кон­структорские бюро и офисы. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, ока­зываются неконкурентоспособными как вследствие больших материаль­ных и временных затрат на проектирование, так и из-за невысокого каче­ства проектов. Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР включа­ет в себя базовую и специальную компоненты. Наиболее общие положения, модели и методики автоматизированного проектирования входят в про­грамму дисциплины АПСиСУ и посвящены основам САПР. Детальное изучение мето­дов и программ, которые специфичны для конкретных специальностей, предусматривается в профильных дисциплинах. В предлагаемом курсе «Общие сведения о системах автоматизированного проектирования и управления» изложены основные теоретические сведения по автоматизации проектирования, структуре и составу систем автоматизированного проектирования, а так же различным методам и технологиям, применяемым при разработке систем автоматизированного проектирования технологических объектов. 1. ВВЕДЕНИЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 1.1. ПОНЯТИЕ ИНЖЕНЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Проектирование новых видов и образцов машин, оборудования, устройств, аппаратов, приборов, систем и т.д. представляет собой сложный и длительный процесс, включающий в себя разработку исходных данных, чертежей, технической документации. Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генериро­ваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодей­ствия человека и ЭВМ. В любом случае инженерное проектирование на­чинается при наличии выраженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут быть объекты строительства, промышленные изделия или процессы. Обычно техническое задание представляют в виде некоторых документов, и оно являет­ся исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирова­ния, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект, точнее окончательное описание объекта. Таким образом, проектирование можно определить как процесс получения и преобразования исходного описания объекта в окончательное описание в ходе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера. В настоящее время наибольшее распространение при проектировании сложных объектов получило проектирование, при котором все проектные решения или их часть по­лучают путем взаимодействия человека и ЭВМ. Такое проектирование называют автоматизиро­ванным. Процесс проектирования, осуществляемый полностью человеком, называют неавтоматизированным (ручное проектирование). Проектирование без участия человека на промежуточных этапах называют автоматическим. Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных случаях для сравнительно несложных объектов. Доминирующим на сегодня является автоматизированное проектирование. Система, реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему автоматизированного проектирования (в англоязычном написа­нии CAD System — Computer Aided Design System), т.е. организационно-техническую систему, состоящую из комплекса средств автоматизации проектирования и взаимодействующую с подразделениями проектной организации. В процессе проектирования сложной системы формируются определенные представления о системе, отражающие ее существенные свойства с той или иной степенью подробности. В этих представлениях можно выделить составные части - уровни проектирования. В один уровень, как правило, включаются представления, имеющие общую физическую основу и допускающие для своего описания использование одного и того же математического аппарата. Рис. 1. Типичные уровни инженерного проектирования являются. При проектировании устройств автоматизации основными уровнями являются функциональное (схемное), конструкторское и технологическое проектирования. При проектировании автоматизированных комплексов к этим уровням добавляется алгоритмическое (программное) проектирование. Функциональное проектирование связано с разработкой структурных, функциональных и принципиальных схем. При функциональном проектировании определяются основные особенности структуры, принципы функционирования, важнейшие параметры и характеристики создаваемых объектов. Алгоритмическое проектирование связано с разработкой алгоритмов функционирования ЭВМ и вычислительных систем (ВС), с созданием их общего системного и прикладного программного обеспечения. Конструкторское проектирование включает в себя вопросы конструкторской реализации результатов функционального проектирования, т.е. вопросы выбора форм и материалов оригинальных деталей, выбора типоразмеров унифицированных деталей, пространственного расположения составных частей, обеспечивающего заданные взаимодействия между элементами конструкции. Технологическое проектирование охватывает вопросы реализации результатов конструкторского проектирования, т.е. рассматриваются вопросы создания технологических процессов изготовления изделий. При проектировании необходимо иметь точное и корректное описание проектируемого объекта или системы. Разделяют следующие виды описания: Функциональное описание относят к функ­циям системы и чаще всего представляют его функциональными схемами. Информационное описание включает в себя основные понятия предметной области (сущности), словесное пояснение или числовые значения характе­ристик (атрибутов) используемых объектов, а также описание связей между этими понятиями и характеристиками. Информационные модели можно представлять графически (графы, диаграммы сущность-отношение), в виде таблиц или списков. Структурное описание относится к морфологии системы, характеризует составные части системы и их межсоединения и может быть представлено структурными схемами, а также различного рода конструкторской документацией. Поведенческое описание характеризует процессы функционирования (алгоритмы) системы и (или) технологиче­ские процессы создания системы. Иногда аспекты описаний связывают с подсистемами, функционирование которых основано на различных физи­ческих процессах. Инженерное проектирование делится на стадии, этапы и процедуры. Все стадии проектирования включают в себя проектные процедуры. Проектная процедура - часть проектирования, заканчивающаяся получением проектного решения. Проектное решение – это описание объекта или его части, достаточное для принятия заключения об окончании проектирования или путях его продолжения. Последовательность проектных процедур, ведущая к получению требуемых проектных решений называется маршрутом проектирования. Проектирование сложных объектов основано на применении идей и принципов, изложенных в ряде теорий и подходов. Наиболее общим является системный подход. 1.2. ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА В ПРОЕКТИРОВАНИИ Основные идеи и принципы проектирования сложных систем выраже­ны в системном подходе. Общий принцип системного подхода заключается в рассмот­рении частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход включает в себя выявление структуры системы, типи­зацию связей, определение атрибутов, анализ влияния внешней среды. Системы автоматизированного проектирования и управления относятся к числу наиболее сложных современных искусственных систем. Их проек­тирование и сопровождение невозможны без системного подхода. Применительно к САПР системный подход можно условно разделить на три составляющих:   При структурном подходе, как разновидности системного, требуется синтезировать варианты системы из компонентов (блоков) и оценивать ва­рианты при их частичном переборе с предварительным прогнозированием характеристик компонентов. Блочно-иерархический подход к проектированию использует идеи де­композиции сложных описаний объектов и соответственно средств их созда­ния на иерархические уровни и аспекты, вводит понятие стиля проектирова­ния (восходящее и нисходящее), устанавливает связь между параметрами соседних иерархических уровней. Ряд важных структурных принципов, используемых при разработке информационных систем и прежде всего их программного обеспечения, выражен в объектно-ориентированном подходе к проектированию. Такой подход имеет следующие преимущества в решении проблем управления сложностью и интеграции программного обеспечения: 1) вносит в модели приложений большую структурную определенность, распределяя представленные в приложении данные и процедуры между классами объектов; 2) сокращает объем спецификаций благодаря введению в описания иерархии объектов и отношений наследования между свойствами объектов разных уровней иерархии; 3) уменьшает вероятность искажения данных вследствие оши­бочных действий за счет ограничения доступа к определенным категориям данных в объектах. Описание в каждом классе объектов допустимых обра­щений к ним и принятых форматов сообщений облегчает согласование и интеграцию ПО. Для всех подходов к проектированию сложных систем характерны также следующие особенности. 1.     Структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпо­зицией проектных задач и документации, выделением стадий, этапов, проектных процедур. Эта структуризация является сущностью блочно-иерархического подхода к проектированию. 2.     Итерационный характер проектирования. 3.     Типизация и унификация проектных решений и средств проектиро­вания. Системный подход является базой для обобщающей дисциплины «Теория систем» (или — «Системный анализ»). В технике дисциплину, аналогичную «Системному анализу», в которой иссле­дуются сложные технические системы и их проектирование называют «Системотехникой». 1.3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СИСТЕМОТЕХНИКИ Предметом системотехники являются: 1.  Организация процесса создания, использования и развития технических систем; 2.  Методы, принципы их проектирования и исследования. В системотехнике важно уметь сформулировать цели системы и организо­вать ее рассмотрение с позиций поставленных целей. В связи с этим идеи, положения и терминология системотехники входят составной частью в те дисциплины, которые посвящены изучению современных автоматизированных систем и техно­логий их применения.         Система — множество элементов, находящихся в отношениях и свя­зях между собой. Элемент — такая часть системы, представление о которой нецелесооб­разно подвергать дальнейшему членению при проектировании. Сложная система — система, характеризуемая большим числом эле­ментов и, что наиболее важно, большим числом взаимосвязей элементов. Сложность системы определяется также видом взаимосвязей элементов. Подсистема — часть системы (подмножество элементов и их взаимо­связей), которая имеет свойства системы. Структура — отображение совокупности элементов системы и их взаимосвязей; при описании структуры принимают во внимание лишь ти­пы элементов и связей без конкретизации значений их параметров. Параметр — величина, выражающая свойство системы или ее части. Обычно в моделях систем в каче­стве параметров рассматривают величины, не изменяющиеся в процессе исследования системы (стационарные). Параметры подразделяют на:      внешние (выражают свойства внешней среды);      внутренние (выражают свойства элементов системы);      выходные (выражают свойства самой системы). Фазовая переменная — величина, характеризующая энергетическое или информационное наполнение элемента или подсистемы. Состояние — совокупность значений фазовых переменных, зафикси­рованных в одной временной точке процесса функционирования. Поведение (динамика) системы — изменение состояния системы в процессе функционирования. В системотехнике существует отдельный класс сложных систем. К их характеристикам относят следующие понятия. Целенаправленность — свойство искусственной системы, выражаю­щее ее назначение. Это свойство необходимо для оценки эффектив­ности вариантов системы. Целостность — свойство системы, характеризующее взаимосвязанность элементов системы, а так же наличие зависимости выходных параметров системы от параметров ее элементов. Иерархичность — свойство сложной системы, которое позволяет представить систему в виде нескольких уровней, компоненты которых находятся в определенных отно­шениях. Составными частями системотехники являются следующие основные разделы: Моделирование должно  решать две четко различимые задачи: 1.     создание мо­делей сложных систем (modeling); 2.     ана­лиз свойств систем на основе исследования их моделей (simulation). Синтез также должен решать две задачи: 1.     синтез структуры проектируемых систем (структурный синтез); 2.     выбор численных зна­чений параметров элементов систем (параметрический синтез). Эти задачи относятся к области принятия проектных решений. Примеры. 1)  Система — компьютер является сложной системой в силу наличия у нее большого числа элементов, разнообразных связей между элементами и подсистемами, свойств целенаправленности, целостности, иерархичности. К подсистемам относятся процессор (про­цессоры), оперативная память, кэш-память, шины (системная, процессорная), устройства ввода-вывода. Внутренние параметры — времена выполнения арифметических операций, чтения (записи) в накопителях, пропускная способность шин и др. Выходные параметры — производительность компьютера, емкость оперативной и внешней памяти, себестоимость, время наработки на отказ и др. Внеш­ние параметры — напряжение питания сети, температура, влажность и др. 2) Система — двигатель внутреннего сгорания. Подсистемами в данном случае являются коленчатый вал, меха­низм газораспределения, поршневая группа, система смазки и охлаждения и т.д. Внутренние па­раметры — число цилиндров, объем камеры сгорания и др. Выходные параметры — мощ­ность двигателя, КПД, расход топлива и др. Внешние параметры — характеристики топлива, температура воздуха, нагрузка на выходном валу и др. 1.4. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Проектирование, как отдельных объектов, так и систем начинается с выработки технического задания (ТЗ) на проектирование. В ТЗ содержатся основные сведения об объекте проектирования, условиях его эксплуатации, а также требования, предъявляемые к проектируемому изделию. Важнейшее требование к ТЗ - это его полнота. Выполнение этого требования определяет сроки и качество проектирования. ТЗ на проектирование объекта должно содержать следующие данные: Техническое задание     Следующий этап - предварительное проектирование - связан с поиском принципиальных возможностей построения системы, исследованием новых принципов, структур, обоснованием наиболее общих решений. Результатом этого этапа является техническое предложение. На этапе эскизного проектирования производится детальная проработка возможности построения системы, его результатом является эскизный проект. На этапе технического проектирования выполняется укрупненное представление всех конструкторских и технологических решений; результатом этого этапа является технический проект. На этапе рабочего проектирования производится детальная проработка всех блоков, узлов и деталей проектируемой системы, а также технологических процессов производства деталей и их сборки в узлы и блоки. Заключительный этап - изготовление опытного образца, по результатам испытаний которого вносят необходимые изменения в проектную документацию. При неавтоматизированном проектировании наиболее трудоемкими являются этапы технического и рабочего проектирования. Внедрение автоматизации на этих этапах приводит к наиболее эффективным результатам. В зависимости от порядка, в каком выполняются этапы проектирования, различают восходящее и нисходящее проектирование. Восходящее проектирование (проектирование снизу вверх) характеризуется решением задач более низких иерархических уровней перед решением задач более высоких уровней. Противоположная последовательность приводит к нисходящему проектированию (проектированию сверху вниз). 1.5. СХЕМА ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ Задачи, решаемые на каждом этапе проектирования, делятся на задачи синтеза и анализа. Задачи синтеза связаны с получением проектных вариантов, а задачи анализа - с их оценкой. Различают синтез параметрический и структурный. Цель структурного синтеза - получение структуры объекта, т.е. состава его элементов и способа их связи между собой. Цель параметрического синтеза - определение числовых значений параметров элементов. Если ставится задача определения наилучших значений параметров, то такая задача синтеза называется оптимизацией. Часто оптимизация связана только с параметрическим синтезом, т.е. с расчетом оптимальных значений параметров при заданной структуре объекта. Задачу выбора оптимальной структуры называют структурной оптимизацией. Целью анализа является исследование модели проектируемого объекта. Модели могут быть физическими (различного рода макеты, стенды) и математическими. Математическая модель - совокупность математических объектов (чисел, переменных, векторов, множеств и т.п.) и отношений между ними. Математические модели объекта могут быть функциональными структурными. Функциональные модели объекта чаще всего представляют собой системы уравнений, а структурные модели объекта - это графы, матрицы и т.п. В системах автоматизированного проектирования применение математических моделей приводит к сокращению затрат времени и памяти ЭВМ. В общем, виде процесс проектирования в САПР можно упрощенно представить схемой, показанной на рис. 2. Рис. 2. Схема процесса автоматизированного проектирования. Эта схема отображает элементарную ячейку проектно-конструкторского процесса, из цепочки, которых состоит реальный автоматизированный процесс. Основным блоком в схеме процесса автоматизирован­ного проектирования является блок проектных решений. На основе входных данных и ограниче­ний блок изме­няет варьируемые параметры до  полу­чения  приемлемых проектных решений. Оценка результатов проектирования должна содер­жать информацию, на основе которой можно сделать вывод о результатах проектирования. Если проектное решение утверждается, то оформляется требуемая выходная документация; если необходима кор­ректировка проекта, инженер, уточняя варьируемые пара­метры, в интерактивном режиме добивается нужных ре­зультатов. В целом процесс проектирования носит итерационный характер. В процессе проектирования приходится многократно выполнять процедуру анализа объекта. Поэтому очевидно стремление уменьшить трудоемкость каждого варианта анализа без ущерба для качества окончательного проекта. В этих условиях целесообразно на начальных стадиях процесса проектирования, когда высокой точности результатов не требуется, использовать наиболее простые и экономичные модели. На последних этапах применяют наиболее точные модели, проводят многовариантный анализ и тем самым получают достоверные оценки работоспособности проектируемого объекта. 2. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 2.1. ЦЕЛЬ СОЗДАНИЯ САПР Решение проблем автоматизации проектирования с по­мощью ЭВМ основывается на создании и внедрении САПР. Это достигается за счет объединения современных технических средств и математического обес­печения. Под автоматизацией проектирования понимают си­стематическое применение ЭВМ в процессе проектирова­ния при обоснованном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и обоснованном выборе методов машинного решения задач. Обоснованное распределение функций между человеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен решать задачи, носящие творческий характер, а ЭВМ — задачи, решение которых поддается алгоритмизации. Существенным отличием автоматизированного проекти­рования от неавтоматизированного является возможность замены дорогостоящего и занимающего много времени физического моделирования — математическим моделиро­ванием Для создания систем автоматизированного проектирования необходимо:       2.2. СОСТАВ САПР Как и любая сложная система САПР состоит из подсистем (рис.3). Подсистемы САПР - это выделенные по некоторым признакам части САПР, обеспечиваю­щие выполнение некоторых законченных проектных задач с получением соответствующих проектных решений и проектных документов. По назначению подсистемы САПР разделяют на два вида: проектирующие и обслуживающие. К проектирующим относятся подсистемы, выполняю­щие проектные процедуры и операции, например:               подсистемы проектирования деталей;               подсис­темы геометрического моделирования механических объектов;               подсис­темы изготовления конструкторской документации;               подсис­темы схемотехнического ана­лиза и др. Рис.3. Структурная схема САПР. К обслуживающим относятся подсистемы, предназна­ченные для поддержания работоспособности проектирую­щих подсистем. Их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами яв­ляются:         подсистемы управления проектными данными (PDM — Product Data Management);         подсистемы разра­ботки и сопровождения программного обеспечения (CASE - Computer Aided Software Engineering);         подсистемы управления процессом проектирования (DesPM — Design Process Management);         подсистемы пользовательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ;         обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР. В зависимости от отношения к объекту проектирования различают два вида проектирующих подсистем: 1)    объектно-ориентированные (объектные); 2)    объектно-независимые (инвариантные). К объектным подсистемам относят подсистемы, выпол­няющие одну или несколько проектных процедур или операций, непосредственно зависимых от конкретного объекта проектирования, например:        подсистема проектирования конструкции объекта;        подсистема моделирования динамики объекта и др. К инвариантным подсистемам относят подсистемы, выполняющие унифицированные проектные процедуры и операции, например:      подсистема расчетов деталей машин;      подсистема расчета технико-экономических показа­телей и др. 2.3. ВИДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР Структурное единство подсистем САПР обеспечивается строгими связями между различными ви­дами обеспечения. В САПР различают следующие виды обеспечения: 1)    Техническое обеспечение представляет собой совокупность взаимосвязанных технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. Техническое обеспечение состоит из:     средств программной обработки данных,     средств подготовки и ввода данных,     средств отображения и документирования,     средств архивирования проектных решений,     средств передачи данных. 2)    Математическое обеспечение САПР включает в себя математические модели проектируемых объектов, методы и алгоритмы проектных процедур, используемые при автоматизированном проектировании. К элементам математического проектирования САПР относятся принципы построения функциональных моделей, методы численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений, постановки экстремальных задач, поиск экстремума и т.д. 3)    Программное обеспечение САПР объединяет собственно программы для систем обработки данных ЭВМ и программную документацию, необходимую для эксплуатации программы. Программное обеспечение делится на общесистемное, базовое и прикладное. Общесистемное ПО предназначено для организации функционирования технических средств, т.е. для планирования и управления вычислительным процессом. Общесистемное ПО обычно создается для многих приложений и специфики САПР не отражает. Базовое и прикладное ПО создаются для правильного функционирование прикладных программ в САПР. В прикладном ПО реализуется математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур. 4)    Информационное обеспечение САПР объединяет всевозможные данные, необходимые для выполнения автоматизированного проектирования. Эти данные могут быть представлены в виде  документов на различных носителях, содержащих сведения справочного характера о материалах, комплектующих изделиях, типовых проектных решениях, параметрах элементов, структуре проектируемых объектов и т.п. Основная часть информационного обеспечения САПР - это банки данных. Банки данных состоят из баз данных и системы управления базами данных. База данных (БД) - сами данные, находящиеся в запоминающих устройствах ЭВМ и структурированные в соответствии с принятыми правилами. Система управления базой данных (СУБД) - совокупность программных средств, обеспечивающих функционирование БД. С помощью СУБД производятся запись данных в БД, их выборка по запросам пользователей и прикладных программ, обеспечивается защита данных от искажений, несанкционированного доступа и т.п. 5)    Лингвистическое обеспечение САПР представлено совокупностью языков, применяемых для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Основная часть лингвистического обеспечения - языки общения человека с ЭВМ. 6)    Методическое обеспечение САПР представляет собой документы, характеризующие состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизированного проектирования. 7)    Организационное обеспечение САПР включает положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений проектной организации и их взаимодействие с комплексом средств автоматизированного проектирования. 2.4. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ САПР Современные САПР создаются в соответствии со следующими принципами: 1)    САПР - человеко-машинная система. Коллектив инженеров-разработчиков является составной частью системы проектирования, выполняя проектные работы во взаимодействии с ЭВМ. 2)    САПР — иерархическая система, реализующая ком­плексный подход к автоматизации всех уровней проекти­рования. Иерархия уровней проектирования отражается в структуре специального программного обеспечения САПР в виде иерархии подсистем. 3)    САПР — совокупность информационно-согласован­ных подсистем. Информационная согласованность подсистем и программ проектирования имеет место при следующих условиях:      программы созданы для работы с одной и той же базой данных и не требуют ручной перекомпоновки числовых массивов;      задание исходной информации об объекте или о требуемых проектных операциях производится на едином языке. 4)    САПР — открытая и развивающаяся система. Свойство открытости системы означает возможность внесения изменений в систему во время ее эксплуатации. Изменения могут заключаться в добавлении новых или замене старых элементов в программном, информационном, а возможно, также в техническом и лингвистическом обеспечениях. Свойство открытости приводит к увеличению срока службы системы, повышает ее универсальность. 5)    САПР — специализированная система с максималь­ным использованием унифицированных модулей. Высокая эффективность использования САПР выражается малыми временными и материальными затратами при решении проектных задач и достигается за счет специализации систем. Необходимым условием унификации является поиск общих положений в моделировании, анализе и синтезе разнородных технических объектов. 2.5. СТАДИИ СОЗДАНИЯ САПР Процесс создания САПР включает в себя девять ста­дий: Предпроектные исследования проводятся для выявле­ния готовности конкретной проектной организации к вне­дрению автоматизированных методов. Основу этой ра­боты составляет системное обследование объекта проек­тирования и используемых в инженерной практике тра­диционных методов и приемов проектирования. В результате предпроектного исследования определяется необходимость и экономическая эффективность создания САПР. Техническое задание является исходным доку­ментом для создания САПР и должно содержать наиболее полные исходные данные и требования к САПР в целом и к составу ее подсистем, к применению в составе САПР ранее созданных подсистем и компонен­тов и т. п. На стадиях технического предложения, эскизного и рабочего проектирования выбираются и обосновываются варианты САПР, разрабатываются окончательные реше­ния. При этом принимаются основные технические решения, разрабатывается структура САПР, определяется состав методов, математических моделей для проектных операций и процедур, формируется состав технических средств (ЭВМ, пе­риферийные устройства и др., принимаются решения по математическому, информацион­ному, программному и техническому видам обеспечения САПР в целом и отдельно по подсистемам; рассчитываются технико-экономических показатели САПР. На стадии изготовления, отладки и испытания произ­водят монтаж, наладку и испытание комплекса техниче­ских средств автоматизации проектирования, на тестовых примерах доводят программное обеспечение и подготавли­вают к вводу в действие САПР. Ввод в действие системы осуществляют после опытного функционирования и практических испытаний. 2.6. РАЗНОВИДНОСТИ САПР Классификацию САПР осуществляют по следующим признакам: - по приложению; - по целевому назначению; - по масштабам (комплексности решаемых задач); - по характеру базовой подсистемы — ядра САПР. По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР (рис. 4).   Рис. 4. Классификация САПР по приложениям. 1. САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или системами MCAD. 2. САПР для радиоэлектроники: системы ECAD или EDA. 3. САПР в области архитектуры и строительства. Системы ACAD. Кроме того, существует ряд специализированных САПР, представляющих самостоятельную ветвь в классификации. В качестве примера можно привести 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 проектирования. Так, в составе MCAD появляются CAE/CAD/CAM-системы, т.е. системы функционального, конструкторского и технологического проектирования (рис.5).   Рис. 4. Классификация САПР по целевому назначению. Первые из них называют системами расчетов и инженерного анализа или системами СAE (Computer Aided Engineering). Системы конструкторского проектирования называю системами CAD (Computer Aided Design). Проектирование технологических процессов составляет часть технологической подготовки производства и выполняется в системах САМ (Computer Aided Manu­facturing). По масштабам различают отдельные программно-методические ком­плексы САПР (Рис.6). Рис.6. Классификация САПР по масштабам. По масштабам в САПР различают комплекс анализа электронных схем; системы ПМК; системы с уникаль­ными архитектурами программного (software) и технического (hardware) обеспечения. По характеру базовой подсистемы различают следующие разновид­ности САПР (Рис.7). 1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т. е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. Поэтому к этой группе систем относится большинство САПР в об­ласти машиностроения, построенных на базе графических ядер (AutoCAD, ArchiCAD). Рис.7. Классификация САПР по характеру базовой подсистемы. 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, но имеют место также при проектировании объектов, подобных щитам управления систем автоматики. 3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это ав­тономно используемые программно-методические комплексы, например, имитационного моделирования производственных процессов, синтеза и анализа систем авто­матического управления и т. п. Часто такие САПР относятся к системам САЕ. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD. 4. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупно­сти подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплекс­ных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проек­тирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий. 2.7. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ CAE/CAD/CAM-СИСТЕМ Как было сказано выше, в состав машиностроительных САПР входят, в качестве составляющих, системы CAE, CAD и CAM. Функции CAD-систем в машиностроении подразделяют на функции двухмерного (2D) и трехмерного (3D) проектирования. К функциям 2D относятся черчение, оформление конструкторской документации; к функции 3D —получение трехмерных моделей, метрические расчеты, реалистичная визуализация, взаимное  преобразование 2D- и 3D-моделей.             Основные функции САМ-систем: разработка технологических процессов, синтез управляющих программ для технологического оборудования с ЧПУ, моделирование процесс обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, расчет норм времени обработки.   Функции САЕ-систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений. В состав машиностроительных САЕ-систем прежде всего включают программы для выполнения следующих процедур: 1) моделирование полей физических величин; 2) расчет состояний моделируемых объектов и переходных процессов в них; 3) имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания. 2.8. УРОВНИ САПР В зависимости от функциональных возможностей, набора модулей и структурной организации САПР можно условно разделить на три группы: системы нижнего, среднего и верхнего уровня (рис.8). Рис.8. Уровни САПР. Системы нижнего уровня («легкие» системы). Предназначены в основном для качественного выполнения чертежей, двухмерного моделирования и несложных трехмерных построений, сравнительно дешевы, используются, как правило, на персональных компьютерах отдельными пользователями, просты в использовании, содержат множество библиотек стандартных элементов, поддерживают различные стандарты оформления графической документации. Системы среднего уровня – сравнительно недавно появившийся класс относительно недорогих трехмерных CAD систем. Их появления связано с увеличением мощности персональных компьютеров и развитием операционных систем. С их помощью можно решать до 80% типичных машиностроительных задач, на привлекая мощные и дорогие CAD/CAM системы. Большинство систем среднего уровня основываются на трехмерном твердотельном моделировании. Они позволяют проектировать большинство деталей общего машиностроения, сборочные единицы среднего уровня сложности, выполнять совместную работу группам конструкторов. Системы верхнего уровня («тяжелые» системы). Предоставляют полный набор интегрированных средств проектирования, производства и анализа изделий. Кроме функций, доступных системам среднего уровня, «тяжелым» системам доступно:         проектирование деталей самого сложного типа, содержащих очень сложные поверхности;         выполнение построения поверхностей по результатам обмера реальных деталей;         проектирование массивных сборок, требующих тщательной компоновки и содержащих элементы инфраструктуры (кабельные трассы, трубопроводы);         быстрый просмотр и оценка качества компоновки изделия. CAD/CAE/CAM системы позволяют организовать параллельное проектирование - коллективный режим работы над проектом, когда одновременно большое количество специалистов работает над различ­ными частями и стадиями проекта изделия как в рамках проектной организации, так и в рамках виртуальной корпорации (с распределёнными задачами). Таким образом проектирование превращается в виртуальную техно­логию изготовления компьютерного макета изделия. 2.9. ПРИМЕРЫ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЕЙ САПР Уровень САПР Программный продукт Компания разработчик Тяжелый Unigraphics NX UGS PLM Solutions (EDS) CATIA Dassault Systemes/IBM Pro/Engineer PTC Средний Зарубежные продукты SolidEdge UGS PLM Solutions (EDS) SolidWorks SolidWorks Inventor и Mechanical Desktop Autodesk Cimatron Cimatron CadKey CadKey PowerSolutions Delcam Отечественные продукты КОМПАС "Аскон" T-Flex "Топ Системы" КРЕДО НИЦ АСК Легкий AutoCAD Autodesk SurfCAM 2D Surfware DataCAD DataCAD IntelliCAD CADopia TurboCAD IMSI Специализированные САПР Промышленное проектирование AutoPlant Rebis (принадлежит фирме Bentley) Строительное проектирование (железобетон) Robot Millennium RoboBAT Архитектурное проектирование Architectural Desktop Autodesk   2.10. ПОНЯТИЕ О CALS-ТЕХНОЛОГИЯХ В CALS-системах предусмотрены хранение, обработка и передача информации в компьютерных средах, оперативный доступ к данным в нужное время и в нужном месте. Первоначально аббревиатура CALS расшифровывалась как Computer Aided Logistics Systems, т.е. автоматизированная логистическая поддержка. Однако впоследствии логистика переросла в отдельную дисциплину – наука об оптимальном передвижении грузов и товаров. Поскольку функции CALS-технологий намного шире и связаны со всеми этапами жизненного цикла промышленных изделий, то в настоящее время применяют более соответствующую расшифровку аббревиатуры CALS – Continuous Acquisition and Lifecycle Support, т.е. компьютерное сопровождение и информационная поддержка изделий. Применение CALS-технологий позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описание многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в унифицированных форматах данных на сетевых серверах и доступны любому пользователю технологий CALS. Применение CALS-технологий существенно облегчает решение проблем ремонтопригодности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций и т.п. Как показывает практика, успех на современном рынке сложной технической продукции  невозможен без технологийCALS. Развитие CALS-технологий должно привести к появлению так называемых виртуальных производств, в которых процесс создания спецификаций технологического оборудования может быть распределен во времени и пространстве между многими организационно автономными проектными студиями. Среди несомненных достижений CALS-технологии следует отметить легкость распространения передовых проект­ных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках и др. Построение открытых распределенных САПР для проектирования и управления в промышленности составляет основу современной CALS-технологии. Главная проблема создания автоматизированных систем — это  обес­печение единообразного описания данных независимо от места и времени их получения. Для этого необходимо стандартизировать структуру проектной, технологической и эксплуа­тационной документации, а так же применяемое программное обеспечение. Тогда становится реальной успешная работа над общим проек­том разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAE/CAD/CAM-системы. Одна и та же конструк­торская документация может быть использована многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация адаптирована к разным производственным условиям, что позволяет существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования и производства. Таким образом, информационная интеграция является неотъемлемым свойством CALS-систем. 3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Системы управления в промышленности, как и любые сложные систе­мы, имеют иерархическую структуру. Если рассматривать предприятие как систему верхнего уровня, то следующими уровнями по нисходящей линии будут уровни завода, цеха, производственного участка, производственного оборудования. Автоматизация управления реализуется с помощью автома­тизированной системы управления (АСУ). Среди АСУ различают автоматизированные системы управления предприятием (АСУП) и автоматизированные системы управления тех­нологическими процессами (АСУТП). 3.1. АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ Характерные особенности современных АСУП. 1.     Открытость по отношению к ведущим платформам (UNIX, Windows) и различным СУБД (Oracle, Ingres, Informix, Sybase); 2.     Поддержка технологий типа ODBC (Open Data Base Connection), OLE (Object Linking and Embedding), DDE (Dynamic Data Exchange); 3.     Поддержка архитектур клиент-сервер. 4.     Возможность работы в среде распределенных вычислений. 5.     Возможность сквозного выполнения всех допустимых бизнес-функций и бизнес-процессов. 6.     Адаптируемость к условиям рынка. 7.     Наличие внутренней и внешней компьютерной сети. В современных АСУП выделяют подсистемы, выполняющие определенные функции (рис.9). Существуют разновидности АСУП со своими англоязычными названиями. Если наиболее общую систему с перечисленными выше функциями называют ERP (Enterprise Resource Planning), то системы, направленные на управление информацией о материалах, производстве, контроле изделий, называют MRP (Manufacturing Resource Planning). В системах ERP важная роль отводится системам управления данными EDM, аналогичным системам PDM в САПР. Мировыми лидерами среди систем программного обеспечения АСУП являются системы R3 (фирма SAP), Baan IV (Baan), Oracle Application, а среди отечественных АСУП выделяются системы АККОРД, а также системы фирм Галактика и Парус. Очевидно, что для создания и развития виртуальных предприятий не­обходимы распространение CALS-технологии не только на САПР, но и на АСУ, их интеграция в комплексные системы информационной поддержки всех этапов жизненного цикла промышленной продукции. 3.2. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП), часто называемыми системами промышленной автоматизации, можно выделить следующие иерархические уровни. На верхнем (диспетчерском) уровне АСУТП осуществляется сбор и обработка данных о состоянии оборудования и протекании производственных процессов. Эти функции возложены на систему диспетчерского управления и сбора данных, назы­ваемую SCADA-системой (Supervisory Control and Data Acquisition). Кроме диспетчерских функций система SCADA выполняет роль инструментальной системы разработки программного обеспечения для промышленных систем компьютерной автоматизации. На уровне управления технологическим оборудованием (на уровне контроллеров) в АСУТП выполняются запуск, тестирование, включение и выключение машин и механизмов, сигнализация о неисправностях, выработка управляющих воздействий для рабочих органе программно управляемого оборудования. Для этого в составе технологического оборудования используются системы управления на базе встроенных контроллеров. Поэтому системы промышленной автоматизации часто называют встроенными системами. Техническое обеспечение АСУТП представлено персональными ЭВМ и микрокомпьютерами, распределенными по контролируемым участкам производства и связанными друг с другом с помощью телекоммуникационных сетей. Для систем АСУТП характерно ис­пользование программируемых контроллеров (PLC — Programmed Logic Controller) — компьютеров, встроенных в технологиче­ское оборудование.   Системы SCADA выполняют следующие функции. К разработке программ для программируемых контроллеров обычно привлекаются не профессиональные программисты, а заводские технологи. Поэтому языки программирования должны быть достаточно простыми обычно построенными на визуальных изображениях ситуаций. Например, используются различные схемные языки. Ряд языков стандартизован и представлен в международном стандарте IEC 1131-3. Примерами широко известных SCADA-систем являются: Trace Mode (AdAstra), Bridge VIEW (National Instruments). 3.3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ДЕЛОПРОИЗВОДСТВА Информационные технологии и автоматизированные системы управления документами и документооборотом пользуются вниманием среди предприятий и фирм различного профиля, поскольку организация работы с документами существенно влияет на эффективность производственных и бизнес-процессов. Такие системы имеют как самостоятельное значение, так и играют важную роль в интегрированных автоматизированных системах управления и проектирования. Автоматизированные системы делопроизводства (АСД) по своему назначению подразделяют на системы управления документами (СУД), управления документооборотом (СДО), управления знаниями (в сфере делопроизводства) и инструментальные среды делопроизводства. Системы управления техническими документами и документооборотом, относящиеся к сфере проектирования и производства в промышленности, называют системами управления техническими данными или системами TDM (Technical Data Management). Специфические отличия систем TDM от офисных АСД заключаются в большом числе чертежной документации и в тесной взаимосвязи с САПР. Для систем управления техническими данными характерны следующие функции.         ввод документов, в частности, с помощью средств их автоматиче­ского распознавания;         индексирование документов;         хранение документов;         поиск нужных данных;         поддержка групповой работы над документами;         разграничение прав доступа к документам;         сбор и анализ статистических данных по параметрам документов и функционированию системы;         подготовка отчетов. Системы управления документооборотом служат для управления де­ловыми процессами прохождения и обработки документов в соответст­вующих подразделениях и службах организации. Характерные функции СДО:         регистрация документов при их вхождении в систему;         маршрутизация документов, учет их движения;         контроль исполнения предписываемых документами действий;         защита информации при ее передаче между пунктами распреде­ленной системы; К системам управления знаниями в области делопроизводства относят системы, выполняющие функции, характерные для интеллектуальных систем. Примеры таких функций:         классификация документов по тем или иным признакам;         взаимное связывание документов, например, с помощью гипертекста;         интеграция данных, поступающих из различных источников;         аналитическая обработка данных;         моделирование деловых процессов. Инструментальные среды в системах делопроизводства служат для формирования АСД для конкретного предприятия. Современные корпоративные системы делопроизводства являются распределенными, имеющими архитектуру клиент-сервер. К широко известным СДО и АСД относятся Lotus Notes, Docs Open, ДЕЛО-96 и др. Примерами систем TDM на 20-30 одновременно работающих пользователей могут служить Search или T-Flex DOCs, а на большее число пользователей – системы документооборота, используемые а PDM Optegra или iMAN. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1.     Автоматизированное проектирование систем управления: Пер.с англ./ ред. Джамшиди М., ред.Хергета Ч.Дж. - М.: Машиностроение, 1989. - 341с. 2.     Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И.П. Теоретические основы САПР. - М.: Энергоатомиздат, 1987. 3.     Кузина И.В., Жданов В.С., Денисова Т.С., Ваганова М.Ю. Математическое обеспечение САПР элементов и систем автоматики. М.: МИЭМ, 1990. 4.     Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем: Учебное пособие для втузов. – М.: Высш. шк., 1986. – 304с. 5.     Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. – 336с.: ил. 6.     Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учебник для студентов вузов, обуч-ся по направлению подготовки спец- тов"Информатика и вычислит.техника": Допущено Мин.образования РФ. - М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2000. - 360 с. 7.     Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР: Учеб. для втузов. – М.: Высш. шк., 1990. – 335с.: ил. 8.     Петренко А.И. Основы автоматизации проектирования. - Киев: Техника, 1982. - 295 с. 9.     Сольницев Р.И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления. - М.: Высшая школа, 1991. 10.           Шпур. Г. Автоматизированное проектирование в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1988. - 647c.