Основы процесса автоматизированного проектирования и конструирования, САПР

2.Лекция 2. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЯ 2.1. Назначение САПР Определение. САПР – это инструментарий проектировщика, включающий в себя техническое, математическое, лингвистическое, программное, информационное, методическое и организационное обеспечения и предназначенный для автоматизации проектирования объектов на всех этапах от выдачи технического задания до передачи проекта изготовителю. Более детально инструментарий проектировщика см. в п.1.6. При проектировании объектов электротранспорта, относящихся к различным подсистемам (электрические сети, электрическая часть подстанций, электроснабжение, ЭПС, рембаза и др.), требуется обрабатывать большой объем разнообразной информации. Трудоемкость проекта резко возрастает при выявлении оптимальных параметров и режимов работы систем внешнего и внутреннего (тягового) электроснабжения (СЭС) на основе многовариантных электрических и технико-экономических расчетов, при этом эффективность принятого решения из нескольких вариантов во многом определяется квалификацией и опытом проектировщиков (иногда заказчика). Однако даже опытные специалисты не застрахованы от ошибок и принятия не эффективных решений. Таким образом, традиционные способы решения проектных задач приводят к неоправданно большим затратам труда и времени проектировщиков на анализ вариантов и подготовку проектной документации. При этом не всегда принятые в проекте решения будут оптимальными и безошибочными. Эффективность разработок может быть существенно повышена применением систем автоматизированного проектирования (САПР). САПР представляет собой организационно-техническую систему, которая состоит из комплекса средств технического, математического, лингвистического и графического обеспечения, что позволяет выбирать наиболее оптимальное проектное решение. При этом технические решения принимаются в режиме диалога проектировщика с ЭВМ на основе математического моделирования объектов проектирования. Это позволяет: • повысить точность и исключить ошибки в расчетах; • обеспечить выбор оптимального варианта; • ускорить подготовку проектной документации. 2.2. Цели и задачи САПР Цели и задачи САПР могут варьироваться в зависимости от назначения объекта проектирования и его сложности. Рассмотрим цели на примере проектирования системы электроснабжения транспорта (СЭС). Основными целями создания САПР в этом случае являются: 1. повышение качества и технико-экономического уровня проектируемых объектов на основе применения математических методов и моделей, отражающих специфические особенности проектируемых объектов, алгоритмов, программ и современных средств вычислительной техники, а также за счет применения многовариантного проектирования и оптимизации; 2. увеличение производительности труда проектировщиков путем автоматизации процессов поиска, обработки и выдачи информации; 3. сокращение сроков подготовки проектной документации и улучшение качества оформления проектной документации; 4. повышение доли творческого труда проектировщиков за счет автоматизации повторяющихся однотипных (рутинных) работ. Автоматизация процесса проектирования может применяться на всех или отдельных стадиях создания проектной документации для объектов ЭТ в целом или их составных частей в данном примере СЭС. Наибольшая эффективность от внедрения САПР достигается при автоматизации всего процесса проектирования, начиная от постановки задачи и заканчивая выпуском рабочей проектной документации. Использование САПР позволяет сократить сроки разработки проектов в 3–4 раза и повысить качество принимаемых решений. Основными проектными задачами являются: 1. Анализ и выбор приемников электроэнергии (ТП и СТП). Исходной информацией для решения этой задачи являются требования технологического процесса и технологического оборудования, для обеспечения функционирования которых предназначена СЭС (ЭПС, светотехническое оборудование (например, в метро освещение станций, вестибюлей, тоннелей, депо) устройства и системы контроля работы технологических установок на транспорте (эскалаторы, пескосушилки, путевые устройства), специальное оборудование (видеонаблюдение, пожарное оборудование, охрана), а также справочно-нормативные данные по электрооборудованию, с помощью которого выполняются эти требования. Кроме того, существенное значение имеют технические условия (ТУ) на подключение к электрическим сетям энергоснабжающей организации (например, к сетям Новосибирскэнерго или Мосэнерго), точки подключения, возможные капвложения, уровень напряжения и другие. 2. На базе перечня приёмников энергии составляются группы потребителей электроэнергии (внутренних и посторонних) и рассчитываются нагрузки отдельных групп электроприемников на различных уровнях системы электроснабжения с учетом всех возможных режимов работы, включая аварийные режимы, выбираются ответвления к электроприемникам, а также пусковая и защитная аппаратура. 3. Выбор и размещение объектов СЭС ЭТР (ТП, тяговая сеть, СЭС, депо, рембаза, и др.). Обычно объекты ЭТР питаются электроэнергией от единой электрической системы трёхфазного тока с уровнем напряжения, необходимым для проектируемого вида транспорта и отдельных объектов (от 6 до 220кВ). Размещение и выбор объектов зависит от: • вида транспорта и структурной схемы СЭС; • размещения потребителей электроэнергии (ТП, депо, эскалаторов и других по территории города), а для железнодорожного транспорта – экономического района; • типовой конфигурации электрической сети. Эти факторы при выборе и размещении объектов предполагаются известными (из начальных данных, ТЗ и необходимых расчетов). Выбор конечного варианта из указанного множества также является решением оптимизационной задачи, удовлетворяющей критерию минимума приведенных затрат, а также требованиям надежности. 4. Разработка принципиальных электрических схем. Эта задача требует детализации схем подстанций и других узловых элементов электроснабжения путем выбора силового и коммутационного оборудования, исполнения электрических сетей (воздушные, кабельные, шинопроводы), количества трансформаторов на ТП и понизительных подстанциях. Выбор, как правило, осуществляется на заданном множестве соответствующих элементов, выпускаемых промышленностью, типовых схем ТП и трансформаторных подстанций [каталоги]. Задача может иметь ряд вариантов решения и в общем случае также относится к классу оптимизационных задач. В результате решения должны быть получены принципиальные электрические схемы и полный перечень всех элементов, входящих в схему. 5. Выбор элементов системы электроснабжения ЭТ. После разработки принципиальных схем необходимо выбрать элементы: типы и мощность трансформаторов, типы и сечение проводов и кабелей ЛЭП внешнего электроснабжения, проводов КС и фидеров, тип ЭПС, а также трасс их прокладки, типы выключателей и другого электротехнического оборудования. Выбор элементов осуществляется по ряду технических и экономических критериев (для проводников – экономической плотности тока, допустимому нагреву расчетным током и др., для силовых выключателей – рабочим током, коммутационной способностью, для выпрямителей по минимуму приведённых годовых затрат и др.). Выбор элементов сопровождается проверкой работоспособности схем с учетом требований качества и надежности электроснабжения в рабочих и аварийных режимах. Например, при проектировании электрических сетей от энергосистемы необходимо проверить выполнение требований к качеству напряжения в режиме минимальных и максимальных нагрузок, при проектировании СЭС предприятий ЭТ – к провалам напряжения при кратковременных возрастаниях нагрузки при пуске ЭПС или пуске электродвигателей (например, эскалаторов метро глубокого заложения). 6.Функциональный анализ обычно осуществляется путем математического моделирования работы составной части системы, например, СЭС ЭТ на ЭВМ. Последовательное решение указанных выше задач определяет основное содержание этапов проекта (см. п.1.6). Завершаются эти этапы выпуском проектной документации, в которой должны быть отражены спецификация электрооборудования на уровне принципиальных однолинейных схем, схемы размещения подстанций в географическом пространстве (генплан), принципиальные схемы, расчетные нагрузки, технико-экономическое обоснование проекта. 2.3. Функциональная структура САПР Функциональную структуру САПР можно представить укрупнённой схемой на рис.2.1. Центральное место в структуре занимает система управления процессом проектирования – монитор, которая работает на базе штатной операционной системы ЭВМ. Монитор представляет собой программу, организующую взаимодействие между всеми остальными программными компонентами САПР. Монитор вызывает необходимые программы, дает им задания на исполнение, получает результаты исполнения и т. п. Таким образом, монитор обеспечивает передачу данных между программами через оперативную память, т. е. организует конвейерный процесс проектирования. Связь конструктора СЭС с монитором осуществляется через систему ввода-вывода данных, которая включает комплекс аппаратных (алфавитно-цифровые и графические дисплеи, графопостроители и другие) и программных (трансляторы, редакторы, загрузчики и т. д.) средств. Схему рис.2.1 перерисовать . Рис.2.1. Функциональная схема систем автоматизированного проектирования 2.4. Назначение различных видов обеспечения САПР Известно [***]большое количество средств автоматизации проектирования, которые можно сгруппировать по видам обеспечения САПР. Техническое обеспечение представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств (ЭВМ различных классов, устройств оперативной связи с ЭВМ, ввода и вывода информации, машинной графики и т. п.), предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. Техническое обеспечение подробнее рассмотрено в п.2.5. Математическое обеспечение включает математические модели проектируемых объектов, методы и алгоритмы для решения задач и обработки информации с применением вычислительной техники. Элементы математического обеспечения САПР весьма разнообразны. К ним относятся методы численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений, поиска экстремума, оптимизации, а также решения разнообразных задач электроэнергетики. Практическое использование математического обеспечения осуществляется на основе разработки программ для ЭВМ. Подробнее математическое обеспечение рассмотрено в гл.6. Программное обеспечение – это совокупность программ для обработки данных на машинных носителях информации и сопровождающих их эксплуатационных документов. Различают общесистемное и прикладное (специальное) программное обеспечение САПР. Общесистемное программное обеспечение предназначено для организации функционирования технических средств и представлено в САПР операционными системами ЭВМ и вычислительных комплексов. Прикладное программное обеспечение предназначено для решения разнообразных задач проектирования. Его состав зависит от проектируемого объекта, специфики и объема задач, решаемых конкретной САПР. Прикладные программы разрабатываются на основе математического обеспечения. Разработка программ является одним из наиболее трудоемких и ответственных процессов при создании САПР. Так, например, основной задачей проектирования электроснабжения ЭТ является создание оптимального проекта системы электроснабжения, соответствующей действующим нормам и правилам, имеющей наименьшие затраты при строительстве и монтаже электротехнических сооружений и обеспечивающей надежную, удобную и экономичную эксплуатацию электроустановок. Конструирование ЭПС предполагает определение максимальной мощности для достижения заданной (технически и социально) обоснованной конструктивной скорости, вместимости, сервиса, определение возможностей выполнения ТЗ отечественными изделиями и другие. Для этого в составе программного обеспечения САПР необходимо иметь пакет прикладных программ для ЭВМ, позволяющий решать частные задачи проектирования СЭС: 1) расчет электрических нагрузок; 2) выбор числа, мощности и места размещения ТП или трансформаторных подстанций; 3) выбор напряжения питающей сети; 4) распределение электрических нагрузок по подстанциям в нормальном, вынужденном и аварийном режимах работы; 5) компенсация реактивной мощности; 6) выбор сечений проводников тяговых и электрических сетей; 7) расчет токов КЗ. 8) расчёт уставок защит в СЭС и на ЭПС, защиты кабелей; 9) расчёт заземлений и грозозащиты; 10) анализ социальных и экологических воздействий. В пакете прикладных программ могут выделяться управляющая и обрабатывающие части. Непосредственно решение задач проектирования выполняется с помощью ЭВМ по рабочим программам, хранящимся на машинных носителях информации. Информационное обеспечение представляет собой совокупность единой системы классификации и кодирования технико-экономической информации, унифицированных систем документации и массивов информации, используемых в САПР. Информационное обеспечение объединяет разнообразные данные, представленные в виде тех или иных документов на различных носителях информации. Подробнее см.п.??возможно гл.10. Лингвистическое обеспечение включает специальные языковые средства (языки проектирования), предназначенные для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Основную часть лингвистического обеспечения составляют языки общения человека с ЭВМ. Логические приёмы в проектировании [мозговой штурм, дивиргенция, конвергенция и другие рассмотрены в п. ?гл.1 и гл.11.] Методическое обеспечение охватывает документы, отражающие состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизированного проектирования. Подробнее Методическое обеспечение см.гл.12.?? Организационное обеспечение включает документы (положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и т. п.), регламентирующие организационную структуру подразделений проектной организации и их взаимодействие с комплексом средств автоматизированного проектирования. Подробнее Организационное обеспечение см.гл.13.?? Таким образом, САПР представляет собой сложную, многокомпонентную структуру, состоящую из физических (материальных, на языке компьютерщиков – «железа») и интеллектуальных объектов (программного обеспечения, «мозгов») разного назначения и уровня. Представим САПР системы ЭТ в целом в виде структурной диаграммы, которая содержит целый ряд подсистем, взаимосвязанных в процессе проектирования в крупной инжиниринговой фирме: САПРы строительства, машиностроения, управления, электроснабжения электроники и других объектов любой технической системы. Рис.2.2.Структура САПР, подсистемы и компоненты 2.5. Техническое обеспечение САПР 2.5.1. Структура технического обеспечения САПР Техническое обеспечение (ТО) САПР включает в себя различные технические средства (hardware), используемые для выполнения автоматизированною проектирования, а именно: ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, а также оборудование некоторых вспомогательных систем (например, измерительных), поддерживающих проектирование. Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать: 1) выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее ПО; 2) взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, а так же поддержку интерактивного режима работы; 3) взаимодействие между членами коллектива, выполняющими работу над общим проектом. Первое из этих требований выполняется при наличии в САПР вычислительных машин и систем с достаточными производительностью и емкостью памяти. Требования к ЭВМ и периферии приведены в [ ** ]. Второе требование относится к пользовательскому интерфейсу и выполняется за счет включения в САПР удобных средств ввода-вывода данных и прежде всего устройств обмена графической информацией. Третье требование обусловливает объединение аппаратных средств САПР в локальную вычислительную сеть проектной организации и выход в глобальную сеть для связи с соисполнителями (Internet или Inthernet и другие). В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных (рис. 2.1). Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами (АРМ) или рабочими станциями (WS — Workstation), ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные устройства. Именно в АРМ должны быть средства для интерфейса проектировщика с ЭВМ. Что касается вычислительной мощности, то она может быть распределена между различными узлами вычислительной сети. 2.5.2. Структура передачи данных Среда передачи данных представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи и коммутационного оборудования. В каждом узле можно выделить оконечное оборудование данных (ООД), выполняющее определенную работу по проектированию, и аппаратуру окончания канала данных (АКД), предназначенную для связи ООД со средой передачи данных. Например, в качестве ООД можно рассматривать персональный компьютер, а в качестве АКД — вставляемую в компьютер сетевую плату. Канал передачи данных – средство двустороннего обмена данными, включающее в себя АКД и линию связи. Линией связи называют часть физической среды, используемую для распространения сигналов в определенном направлении; примерами линий связи могут служить коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС). Близким является понятие канала (канала связи), под которым понимают средство односторонней передачи данных. Примером канала связи может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами. 2.5.3. Коммуникации передачи данных в САПР Наибольшее распространение получили два метода разделения линии передачи данных: временное мультиплексирование (иначе разделение по времени или TDM –Time Division Method), при котором каждому каналу выделяется некоторый квант времени, и частотное разделение (FDM – Frequency Division Method), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот. В САПР небольших проектных организаций, насчитывающих не более нескольких десятков компьютеров, которые размещены на малых расстояниях один от другого (например, в одной или нескольких соседних комнатах) объединяющая компьютеры сеть является локальной. Локальная вычислительная сеть (ЛВС или LAN – Local Area Network) имеет линию связи, к которой подключаются все узлы сети. При этом топология соединений узлов (рис. 2.2) может быть шинная (bus), кольцевая (ring), звездная (star). Протяженность линии и число подключаемых узлов в ЛВС ограничены. НАЙТИ РИС. В ОРИГИНАЛЕ И ПЕРЕДЕЛАТЬ Рис. 2.2. Варианты топологии локальных вычислительных сетей: а — шинная; б — кольцевая; в — звездная В более крупных по масштабам проектных и инжиниринговых организациях в сеть включены десятки-сотни и более компьютеров, относящихся к разным проектным и управленческим подразделениям и размещенных в помещениях одного или нескольких зданий (даже городов и стран). Такую сеть называют корпоративной. В ее структуре можно выделить ряд ЛВС, называемых подсетями, и средства связи ЛВС между собой. В эти средства входят коммутационные серверы (блоки взаимодействия подсетей). Если коммутационные серверы объединены отделенными от ЛВС подразделений каналами передачи данных, то они образуют новую подсеть, называемую опорной (или транспортной), а вся сеть оказывается иерархической структурой. Если здания проектной организации удалены друг от друга на значительные расстояния (вплоть до их расположения в разных городах), то корпоративная сеть по своим масштабам становится территориальной сетью (WAN — Wide Area Network). В территориальной сети различают магистральные каналы передачи данных (магистральную сеть), имеющие значительную протяженность, и каналы передачи данных, связывающие ЛВС (или совокупность ЛВС отдельного здания или кампуса) с магистральной сетью и называемые абонентской линией. Создание выделенной магистральной сети, т. е. сети, обслуживающей единственную организацию, например, имеется ЛВС РЖД РФ, но более мелким организациям это обходится слишком дорого. Поэтому чаще прибегают к услугам провайдера, т. е. организации, предоставляющей телекоммуникационные услуги многим пользователям. В этом случае внутри корпоративной сети связь на значительных расстояниях осуществляется через магистральную сеть общего пользования. В качестве такой сети можно использовать, например, городскую или междугородную телефонную сеть или территориальные сети передачи данных или космическую связь. Наиболее распространенной формой доступа к этим сетям в настоящее время является применение глобальной вычислительной сети Internet. Структура ТО САПР для крупной организации приведена на рис. **. Здесь показана типичная структура крупных корпоративных сетей САПР, называемая архитектурой клиент-сервер, В сетях клиент-сервер выделяется один или несколько узлов, называемых серверами, которые выполняют в сети, управляющие или общие для многих пользователей проектные функции, а остальные узлы (рабочие места) являются терминальными, их называют клиентами, в них работают пользователи. рис. 2.3 создать или найти В общем случае сервером называют совокупность программных средств, ориентированных на выполнение определенных функций, но если эти средства сосредоточены на конкретном узле вычислительной сети, то понятие сервер относится именно к узлу сети. Сети клиент-сервер различают по характеру распределения функций между серверами, другими словами, их классифицируют по типам серверов. Различают фат-серверы для хранения файлов, используемых многими пользователями (например, методы вычислений, оптимизации, экономический анализ), серверы баз данных автоматизированной системы (например, номенклатура изделий фирм-изготовителей, справочники, юридическая информация), серверы приложений для решения конкретных прикладных задач (например, расчёты потребления энергии, времени хода поезда по перегону, потери напряжения в сети), коммутационные серверы (называемые также блоками взаимодействия сетей или серверами доступа) для взаимосвязи сетей и подсетей, специализированные серверы для выполнения определенных телекоммуникационных услуг, например, серверы электронной почты. В случае специализации серверов по определенным приложениям сеть называют сетью распределенных вычислений. Если сервер приложений обслуживает пользователей одной ЛВС, то его называют локальным. Но поскольку в САПР имеются приложения и базы данных, разделяемые пользователями разных подразделений и, следовательно, клиентами разных ЛВС, то соответствующие серверы относят к группе корпоративных, подключаемых обычно к опорной сети (см. рис. 2.3.). Наряду с архитектурой клиент-сервер применяют одноранговые сети, в которых любой узел в зависимости от решаемой задачи может выполнять как функции сервера, так и функции клиента. Организация взаимодействия в таких сетях при числе узлов более нескольких десятков становятся чрезмерно сложной, поэтому одноранговые сети применяют только в небольших по масштабам САПР. В соответствии со способами коммутации различают сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов. В первом случае при обмене данными между узлами А и В в сети создается физическое соединение между А и В, которое во время сеанса связи используется только этими абонентами. Примером сети с коммутацией каналов может служить телефонная сеть. Здесь передача информации происходит быстро, но каналы связи используются неэффективно, так как при обмене данными возможны длительные паузы и канал «простаивает». При коммутации пакетов физического соединения, которое в каждый момент сеанса связи соединяло бы абонентов А и В, не создается. Сообщения разделяются на порции, называемые пакетами, которые передаются в разветвленной сети от А к В или обратно через промежуточные узлы с возможной буферизацией (временным запоминанием) в них. Таким образом, любая линия может разделяться многими сообщениями, попеременно пропуская при этом пакеты разных сообщений с максимальным заполнением упомянутых пауз. Математическое обеспечение доработать Информационное обеспечение создать раздел Лингвистическое обеспечение создать раздел Методическое обеспечение создать раздел Организационное обеспечение создать раздел