Алгоритмы выполнения проектных процедур

I. Задача системного анализа объекта проектирования состоит:

- в анализе динамических процессов, который заключается в решении компонентных уравнений;

- в анализе статических состояний объектов, который заключается в решении топологических уравнений;

- в анализе чувствительности, который заключается в определении влияния внутренних параметров на выходные параметры системы;

- в статистическом анализе, который выполняется с целью получения сведений о распределении выходных параметров при задании статистических сведений о внутренних параметрах системы. Результаты статистического анализа могут быть представлены в виде мат. ожидания, дисперсии и т.д.

II. Задача синтеза разбивается на задачи структурного и задачи параметрического синтеза

К задачам параметрического синтеза относится совокупность задач, связанных с определением требований к параметрам объекта, значений параметров и их допусков.

Задачи параметрического синтеза могут быть классифицированы на три группы:

- назначение технических требований к выходным параметрам объекта;

- расчет параметров элементов объекта при заданной структуре объекта;

- идентификация математических моделей, связанная с определением параметров используемых в САПР математических моделей и определением областей их адекватности.

Задачи структурного синтеза классифицируются:

- в зависимости от стадии проектирования, на которой производится синтез;

- в зависимости от возможностей формализации.

В зависимости от стадии проектирования, на которой производится синтез, различают задачи:

- выбора основных признаков функционирования будущего объекта;

- выбора технического решения в рамках заданных принципов функционирования;

- оформления технической документации.

В зависимости от возможностей формализации задачи структурного синтеза делятся на несколько уровней сложности.

К 1-му уровню сложности относят задачи, в которых требуется выполнение лишь параметрического синтеза, а структура объекта определена либо в ТТЗ, либо на предыдущих этапах проектирования.

К 2-му уровню сложности относят задачи, в которых возможен полный перебор известных решений, т.е. это комбинаторные задачи выбора элементов в конечных множествах малой мощности.

К 3-му уровню сложности относят комбинаторные задачи, которые при существующих технических средствах не могут быть решены путем полного перебора за приемлемое время.

К 4-му уровню сложности относят задачи поиска вариантов структур в счетных множествах неограниченной мощности.

Формализация этих задач создает наибольшие трудности, но содержит потенциальную возможность получения новых оригинальных патентоспособных решений.

К 5-му уровню относят задачи синтеза, решение которых является проблематичным.

Главная проблема здесь заключается в нахождении принципиально новых основ построения целого класса технических объектов.

Лингвистическое обеспечение включает языковые средства.

Языки, используемые в САПР, можно разбить на четыре группы: языки программирования, языки проектирования, информационно-поисковые языки и вспомогательные языки (рис.2).

Рис.2 Языковые средства

Языки программирования предназначены для написания текстов программ. К ним относятся языки высокого уровня (Фортран, Паскаль, С++ и др.) и машинно-ориентированные языки – ассемблеры (или языки низкого уровня). Последние позволяют создавать наиболее эффективные программы с точки зрения вычислительных затрат (требуемых объемов памяти и времени счета).

Языки проектирования (или входные языки) можно разделить на три группы: языки описания, моделирования и диалоговые.

Язык описания, в свою очередь, состоит обычно из трех частей: описание объекта, описание задачи и описание директив проектирования. Описание объекта включает тип объекта, тип его модели, параметры этой модели, а также топологические связи моделируемого объекта.

В язык описания задачи входят описание рассчитываемых выходных параметров, описание условий анализа параметров, описание алгоритмов расчета, анализа и оптимизации, описание задания на вывод результатов проектирования.

Язык описания директив проектирования. В простейшем случае он состоит из перечисления режимов, в которых должна последовательно работать САПР.

Языки моделирования описывают не только структуру и параметры объекта проектирования, но и алгоритм его функционирования, т.е. связи между соседними объектами в сложной системе.

Языки диалога предназначены для организации эффективного взаимодействия пользователя и САПР в процессе проектирования.

Информационно-поисковые языки (ИПЯ) включают словари, правила индексирования информации и правила формирования поисковых предписаний.

Вспомогательные языки используются в обслуживающих подсистемах и для связи обслуживающих и проектирующих подсистем.

Компоненты лингвистического обеспечения согласованны с компонентами обеспечения САПР других видов, являются инвариантными к конкретному содержанию баз данных и рассчитаны в основном, на диалоговый режим их использования.

Техническое обеспечение.

К компонентам технического обеспечения относят устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства и их сочетания, обеспечивающие функционирование ПТК проектирования, в том числе диалоговый, многопользовательский и многозадачный режим работы, а также построение иерархических и сетевых структур технического обеспечения.

С точки зрения системной архитектуры САПР, техническое обеспечение представляет собой самый нижний уровень, в котором реализуются другие виды обеспечения САПР.

При осуществлении технического обеспечения актуальной становится задача оптимального выбора состава технических средств САПР.

Исходной информацией при этом являются результаты анализа задач внутреннего проектирования и ресурсные требования к техническим средствам в виде критериев и ограничений.

Основные требования к техническим средствам САПР состоят в:

- эффективности;

- универсальности;

- совместимости;

- надежности функционирования.

Технические средства САПР решают задачи:

- ввода исходных данных описания объекта проектирования;

- преобразования информации (изменения формы и структуры представления данных, перекодировки и др.);

- хранения информации;

- отображения введенной информации с целью ее контроля и редактирования;

- отображения итоговых и промежуточных результатов решения;

- оперативного общения проектировщика с системой в процессе решения задач.

Для решения этих задач ТС содержат:

- процессоры,

- оперативную память,

- внешние запоминающие устройства,

- интерфейс оператора,

- устройства ввода-вывода информации,

- коммуникационные устройства.

При необходимости создания непосредственной связи САПР с производственным оборудованием в состав ТС должны быть включены устройства, преобразующие результаты проектирования в сигналы управления станками.

Техническое обеспечение современных САПР имеет иерархическую структуру.

В САПР принято выделять, формирующие уровни, следующие комплексы аппаратуры:

Вычислительный комплекс (ВК) – для решения сложных задач проектирования и представляет собой ЭВМ или многопроцессорный комплекс с набором периферийных устройств.

ТС хранения данных – для хранения и предоставления доступа пользователям к архивам проектных данных.

Автоматизированное рабочее место (АРМ) – предназначено для решения проектных задач и организации общения проектировщика с комплексом технических средств.

Для АРМ характерен интерактивный режим работы с обработкой графической информации.

Для использования информации территориально-распределенных АРМ особый эффект дает применение вычислительных сетей.

Архитектура технических средств (ТС) САПР может быть одно- и многоуровневой.

ТС, в состав которых входит одно АРМ, оснащенное комплектом периферийного оборудования, называются одноуровневыми. Они широко применяются при проектировании изделий обще с установившейся конструкцией, имеющих узкоспециализированные математические модели и фиксированную последовательность этапов проектных работ.

Многоуровневые ТС САПР предполагают расширение набора терминальных устройств, для обработки технической информации непосредственно на автоматизированных рабочих местах и представление каждому проектировщику возможности взаимодействия с центральным вычислительным комплексом (сервером приложений) и хранилищами данных.

Сквозное автоматизированное проектирование и производство

Сквозное автоматизирование проектирование ЭС заканчивается оформлением конструкторской документации и управляющих программ для автоматизированного технологического оборудования. Оно обеспечивает возможность оперативной перестройки исполнительного оборудования при корректировке ошибок проектирования и является основным фактором реализации гибкого автоматизированного производства, где образуется обратная информационная связь с САПР через вычислительный комплекс контроля технологии изготовления.

Параметры технологии материалов и элементов, а также статистически достоверная информация попадает в САПР в качестве исходных данных, которые служат основой для повышения качества изделий в производстве.

Организационное обеспечение САПР – это совокупность правил, инструкций и документов, регламентирующих состав групп обслуживания САПР, их обязанности и взаимоотношения.

Компоненты организационного обеспечения устанавливают организационную структуру системы проектирования, включая взаимосвязи её компонентов, задачи и функции подразделений проектной организации, права и ответственность должностных лиц по обеспечению функционирования и развития САПР, порядок подготовки и переподготовки пользователей.

Вопрос 3. Классификация САПР.

Классификацию САПР осуществляют по следующим признакам.

По области применения различают системы для:

- Изделий микроэлектроники — проектирование интегральных схем и систем на кристалле с использованием IP-блоков по полному циклу, принципиальных и монтажных схем, печатных плат, автоматическое размещение элементов изделий и их трассировка. (EDA – Electronic Design Automation).

- Изделий электротехнических — разработка принципиальных схем и схем подключения электротехнического оборудования, его пространственная компоновка, ведение баз данных готовых изделий. (ECAD – Electronic CAD).

- Изделий машиностроительных — разработка различных изделий: от создания аэрокосмических систем до проектирования бытовой техники. (MCAD – Mechanical CAD).

- Изделий архитектурных — трехмерное проектирование архитектурно-строительных конструкций, расчет специальных конструкций типа крыш, типовые статические расчеты строительных конструкций, ведение баз данных стандартных элементов, планирование территорий под строительство. (ArCAD – Architecture CAD).

- Изделий геоинформационных — оцифровка данных полевой съемки, анализ геодезических сетей, построение цифровой модели рельефа, создание в векторной форме карт и планов, ведение земельного и городского кадастров, ведение электронного картографического архива.

- Изделий программных – разработка по полному циклу программных модулей, программ и программного обеспечения.

По целевому назначению различают САПР или их подсистемы, реализующие различные аспекты проектирования.

При проектировании ЭС выделяют автоматизированные подсистемы:

1. САПР функционального проектирования (САПР-Ф, CAE – Computer Aided Engineering).

В целом функции CAE-систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений.

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

– моделирование полей физических величин;

– расчет состояний и переходных процессов;

– имитационное моделирование систем.

Примеры систем моделирования полей физических величин являются системы: Ansys, Cosmos, Moldflow.

Примеры систем моделирования динамических процессов:

- Adams и Dyna – в механических системах;

- Spice – в электронных схемах.

САПР БИС и ППЛИС.

2. Конструкторские САПР (САПР-К, CAD – Computer Aided Design).

Функции CAD-систем в машиностроении подразделяют на две большие группы:

– двумерное (2D) проектирование; к этим функциям относятся черчение и оформление конструкторской документации;

– трёхмерное (3D) проектирование; сюда относятся получение трёхмерных моделей объектов и их реалистичная визуализация, взаимное преобразование двумерных и трёхмерных моделей, расчёты параметров трёхмерных моделей.

При этом САПР-К, соответственно, условно делятся на две группы:

1. Для массового пользователя (лёгкие САПР).

2. Для специалистов и промышленного применения (тяжёлые).

Первая группа ориентирована преимущественно на двумерную графику и менее требовательна в отношении вычислительных ресурсов. Вторая группа ориентирована в основном на геометрическое (трёхмерное) моделирование, получение и оформление конструкторской документации обычно осуществляется с помощью предварительной разработки 3D моделей.

В настоящее время наиболее широко используются следующие CAD-системы, предназначенные для машиностроения:

– в первой группе: AutoCAD (Autodesk); АДЕМ; bCAD (ПроПроГруппа, Новосибирск); Caddy (Ziegler Informatics); Компас (Аскон, С-Петербург); Спрут (Sprut Technology, Набережные Челны), T-FlexCAD (ТопСистемы, Москва; Кредо (АСК, Москва). nanoCAD

– во второй группе: Pro/Engineer (PTC – Parametric Technology Corp.), Unigraphics (EDS Unigraphics); SolidEdge (Intergraph); CATIA (Dassault Systemes), EUCLID (Matra Datavision), CADDS.5 (Computervision, ныне входит в PTC) и др.

предназначенные для проектирования компонентов ЭС:

AutoCAD Electrical, P-CAD, Mentor Graphics, Компас-ЭЛЕКТРИК, T-Flex Печатные платы, PCB Developers Individual Assistant, ACCEL-EDA, Cadsoft EAGLE и т.д.

3. Технологические САПР, автоматизированные системы технологической подготовки производства (САПР-Т, АСТПП, CAM – Computer Aided Manufacturing).

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

Системы САПР-Т, как правило, очень тесно интегрируются с системами САПР-К или вообще являются их модулями, как, например, Компас Автопроект, Pro/Technology, Вертикаль, ГЕММА-3D.

По специализации программных средств:

- Узкоспециализированные утилиты — предназначены для выполнения 1-й локальной функции системы (утилиты быстрого просмотра файлов моделей и чертежей или для преобразования форматов файлов).

- Специализированные системы — позволяют автоматизировать комплекс задач, связанных с 1-й достаточно узкой областью проектирования или подготовки производства (системы проектирования оснастки для холодной штамповки, подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ, САПР БИС).

- Универсальные системы ‑ позволяют создавать изделия самого широкого профиля; большинство машиностроительных САПР и САПР радиоэлектроники можно отнести к универсальным системам.

- Комплексные системы ‑ предназначены для решения проблем проектирования и подготовки производства специальных сложных изделий; позволяющие автоматизировать весь цикл проектирования: от определения формы, компоновки его составных частей, проектирование электрических схем и до оформления рабочей документации.

По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР:

1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования.

Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т. е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. К этой группе систем относится большинство графических ядер САПР в области машиностроения.

В настоящее время используются унифицированные графические ядра, применяемые более чем в одной САПР, это ядра Parasolid фирмы EDS Unigraphics и ACIS фирмы Intergraph.

2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР используются в технико-экономических приложениях (при проектировании бизнес-планов, учёте мат-ценностей, автоматизированном кодировании).

3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые программно-методические комплексы, например, имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по методу конечных элементов, синтеза и анализа систем автоматического управления. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа Mathlab, 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.

По способу организации информационных потоков:

- Индивидуальные автоматизированные рабочие места — системы подобного класса создаются на базе отдельных рабочих станций или ПК с соответствующим ПО.

- Распределенная одноуровневая система — система, объединенная в локальную сеть с несколькими рабочими станциями и/или ПК; функциональные возможности ПО в этом случае больше всего зависят от технических параметров используемых средств вычислительной техники и могут выполнять равноправные проектно-конструкторские функции.

- Распределенная многоуровневая система — система, объединенная в локальную сеть с одной или несколькими рабочими станциями и ПК; но с различными функциональными возможностями ПО: на высокопроизводительных рабочих станциях устанавливаются мощные САПР, а на персональные компьютеры — их усечённые функциональные аналоги. На рабочих станциях осуществляется укрупнение и сборка модулей и узлов, спроектированных на ПК.

- Интегрированная многоуровневая система ‑ система, предназначенная для проектирования и подготовки производства сложных изделий, имеющая сложную внутреннюю иерархию информационных потоков. Имеет все средства для управления работой как отдельных, так и крупных групп исполнителей, работающих в рамках одного проекта.

- Интегрированная система управления предприятием — системы, управляющие всем комплексом задач функционирования предприятия как единого целого.

В настоящее время обычным является внедрение интегрированных систем, автоматизирующих все основные этапы проектирования изделий и, с целью дальнейшего повышения эффективности производства, осуществляющих интеграцию САПР с системами управления и документооборота.

Такая интеграция лежит в основе создания комплексных (интегрированных) систем автоматизации, в которых помимо функций собственно САПР реализуются средства для автоматизации функций управления проектированием, документооборота, планирования производства и учета.

Эти функции реализуются в рамках CALS-технологии.

CALS-технология – это технология комплексной автоматизации сфер промышленного производства, цель которой – унификация и стандартизация продукции на всех этапах ее жизненного цикла, в процессах которых разрабатываются комплекты маркетинговой, проектной, технологической, производственной и эксплуатационной документации.

CALS (Computer Aided Logistic Systems). Поскольку под логистикой обычно понимают дисциплину, посвященную вопросам снабжения и управления запасами, а функции CALS намного шире и связаны со всеми этапами жизненного цикла изделий промышленности, применяют и более соответствующую предмету расшифровку аббревиатуры CALS – Continuous Acquisition and Life Cycle Support.

Применение CALS при создании ЭС позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания составных частей и компонентов, проектировавшихся ранее, хранятся в сетевых базах данных и доступны любому пользователю. Существенно облегчается решение проблем интеграции компонентов ЭС в системы и адаптации их к меняющимся условиям эксплуатации.

Основу современной CALS-технологии составляет построение открытых распределенных автоматизированных систем проектирования и управления. Главная проблема их построения – обеспечение единообразного описания данных, независимо от места и времени их получения в общей системе. Для её решения структура проектной и эксплуатационной документации, языки ее представления должны быть стандартизованными. Поэтому, информационная интеграция является неотъемлемым свойством CALS-систем. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAE/CAD/CAM-системы.

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

Технологию EPD реализуют:

—CAD — система автоматизированного проектирования;

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

—CAE — система моделирования и расчетов;

—CAPE (Concurrent Art-to-Product Environoment) — система поддержки параллельного проектирования (сoncurrent еngineering);

—PDM — система управления проектными данными, представляющая собой специализированную СУБД (Product Data Management);

—3D Viewer -система трехмерной визуализации;

—CADD — система документирования;

—CASE — система разработки и сопровождения программного обеспечения (среда быстрой разработки приложений (RAD — Rapid Application Development).

—методики обследования и анализа функционирования предприятий.

Основу технологии EPD составляют системы CAD и PDM, в качестве которых используются CADDS5 и Optegra соответственно.

Автоматизация управления процессом создания продукции в условиях комплексных (интегрированных) систем (CALS) реализуется с помощью автоматизированных систем управления (АСУ).

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

АСУП охватывает уровни от предприятия до цеха, АСУТП — от цеха и ниже.

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

— календарное планирование производства, потребностей в мощностях и материалах;

— оперативное управление производством;

— сетевое планирование проектов

— управление проектированием изделий;

— учет и нормирование трудозатрат;

— учет основных фондов;

— управление финансами;

— управление запасами (складским хозяйством);

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

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

Процедуры, выполняющие эти функции, часто называют бизнес-функциями, а маршруты решения задач управления, состоящие из бизнес-функций, называют бизнес-процессами. (В САПР аналогичные понятия называются проектными процедурами и маршрутами проектирования)

Наиболее общую систему управления предприятиями с перечисленными выше функциями называют ERP (Enterprise Resource Planning). Системы, направленные на управление информацией о материалах, производстве, контроле изделий, называют MRP-2 (Manufacturing Resource Planning).

Мировыми лидерами среди систем программного обеспечения АСУП являются системы R3 (фирма SAP) и Baan IV (Baan), широко известны также MANMAN/X (Computer Associates CIS), Series (Tecsys Inc.), Mapix (IBM) и др. Примерами комплексных систем управления предприятием, созданных в России, служат системы АККОРД, а также системы фирм Галактика и Парус.

Функциями АСУТП на уровнях цеха и участка являются сбор и обработка данных о состоянии оборудования и протекании производственных процессов для принятия решений по загрузке станков, по выполнению технологических маршрутов. Программное обеспечение АСУТП на этих уровнях представлено системой диспетчерского управления и сбора данных, называемой SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Непосредственное программное управление технологическим оборудованием осуществляют с помощью системы CNC (Computer Numerical Control) на базе контроллеров (специализированных компьютеров, называемых промышленными), которые встроены в технологическое оборудование.

Основные типы АС с их привязкой к этапам жизненного цикла ЭС представлены на рис. 3.

Рис.3.Основные типы АС.

Автоматизация проектирования в радиоэлектронной отрасли промышленности осуществляется с помощью САПР функционального, конструкторского и технологического проектирования:

- САЕ (Computer Aided Engineering) подсистемами расчетов и инженерного анализа;

- (EDA – Electronic Design Automation) подсистемами сквозного проектирования ИС;

- CAD (Computer Aided Design) подсистемами конструкторского проектирования;

- САМ (Computer Aided Manufacturing) подсистемами проектирование технологических процессов.

PDM (Product Data Management) выполняет функции координации работы проектирующих подсистем, управления проектными данными и проектированием.

ERP (Enterprise Resource Planning) выполняет различные бизнес-функции. Они связаны с планированием производства, закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов.

SCADA выполняет функции диспетчерского управления, а CNC - непосредственного управления технологическим оборудованием.

MES (Manufacturing Execution Systems) выполняет функции оперативных задач управления проектированием, производством и маркетингом.

SCM (Supply Chain Management) подсистема управляет цепочками поставок необходимых материалов и комплектующих, иногда называется – системой Component Supplier Management (CSM).

CRM (Customer Requirement Management) выполняет функции управления взаимоотношениями с заказчиками и покупателями (проводится анализ рыночной ситуации, определяются перспективы спроса на планируемые изделия).

Развитие CALS-технологий привело к появлению так называемых виртуальных предприятий, при которых процесс создания изделия, может быть распределен во времени и пространстве между многими автономными проектными организациями. Для реализации функций управления жизненным циклом продукции в интегрированном информационном пространстве применяют системы PLM (Product Lifecycle Management) (СРС (Collaborative Product Commerce)). Что позволяет осуществлять проектирование непосредственно под заказ и добиться минимизации времени и стоимости его выполнения.

Технология PLM в настоящее время является средой, интегрирующей информационное пространство, в котором функционируют САПР и другие АС предприятий.

Дата добавления: 2014-01-07