Теоретичні основи САПР.

Актуальність автоматизації проектування 5 Проект – (англ. progect, design) - сукупність документів - розрахунків, креслень, макетів, моделей тощо, необхідних для зведення споруд, виготовлення машин, приладів. Проект створюється внаслідок проектування у будь-якій галузі (електротехніка, електромеханіка, машинобудування, будівництво). Проектом може бути план заходів для досягнення якоїсь певної мети. Процес проектування нової техніки є однією із складових инжинірінгової діяльності фахівця і безумовно є творчим процесом. Проектування є складним, трудомістким процесом, який вимагає від фахівця певного обсягу знань, здібностей і творчого підходу і, головне, вимагає великих витрат часу. Тому природно виглядають намагання проектувальників формалізувати процес проектування і перекласти його виконання на плечі комп’ютера, тобто автоматизувати проектні роботи. Зробити весь процес проектування від початку до кінця цілком автоматичним дуже складно, і, мабуть, не потрібно. Але полегшити роботу над окремими етапами проектування у автоматизованому режимі, із участю людини – виконавця, реально і перспективно. Цьому сприяє те, що процес проектування має складові, однакові, або подібні для всіх проектів, які піддаються формалізації. До них можна віднести взагалі всі розрахункові роботи, задачі аналізу властивостей відомих і синтезу параметрів нових пропонованих систем, оптимізацію структур, параметрів та режимів роботи по одному або по багатьом критеріям, математичне моделювання із метою дослідження властивостей автоматизованих систем у статичних та динамічних режимах, перевірку на моделях працездатності систем у штатних та аварійних режимах, побудову графіків та діаграм, а також складання звітної технічної документації. Таким чином, шлях від ідеї, або концепції до виготовлення приладу або механізму скорочується від тижнів, місяців і навіть років при "ручному" проектуванні та підготовці виробництва до діб, або навіть годин. Декому може здатися, що при автоматизованих процесах створення нової техніки зменшується творча складова участі людини. Навпаки, картина протилежна – від людини, як ніколи раніш, вимагається широка ерудиція, креативність, фантазія щоб перемогти у конкурентному змаганні із виконавцями інших організацій, також "озброєними" не менш ефективними можливостями. Далі, після виконання проектних робіт, настає час наступних етапів створення нової техніки, які теж підлягають автоматизації: розробки технологічних процесів, підготовки виробництва і, наприкінці, саме виробництво, випуск продукції і її супроводження до користувача, а також у користувача впродовж терміну експлуатації. 6 1.2 Стадії та етапи проектування Проектні роботи, незалежно від об’єкту проектування, мають багато спільного і виконуються за єдиними стандартними вимогами. Так, згідно державному стандарту (ГОСТ 34.601.90) для проектних і інших робіт із створення автоматизованих систем (АС) всі проектні роботи розбиваються на ряд стадій та етапів, табл. 1.1. Таблиця 1.1. Стадії і етапи робіт по створенню АС (ГОСТ 34.601.90 - Автоматизированные системы. Стадии создания) Стадії Етапи робіт 1. Формування вимог до АС 1.1. Обстеження об'єкту і обґрунтування необхідності створення АС. 1.2. Формування вимог користувача до АС. 1.3. Оформлення звіту про виконану роботу і заявки на розробку АС (тактико-технічного завдання) 2. Розробка концепції АС. 2.1. Вивчення об'єкту. 2.2. Проведення необхідних науково-дослідних робіт. 2.3. Розробка варіантів концепції АС, що задовольняє вимогам користувача. 2.4. Оформлення звіту про виконану роботу. 3. Технічне завдання. Розробка і затвердження технічного завдання на створення АС. 4. Ескізний проект. 4.1. Розробка попередніх проектних рішень по системі і її частинам. 4.2. Розробка документації на АС і її частини. 5. Технічний проект. 5.1. Розробка проектних рішень по системі і її частинам. 5.2. Розробка документації на АС і її частини. 5.3. Розробка і оформлення документації на постачання виробів для комплектування АС і (або) технічних вимог (технічних завдань) на їх розробку. 5.4. Розробка завдань на проектування в суміжних частинах проекту об'єкту автоматизації. 6. Робоча документація. 6.1. Розробка робочої документації на систему і її частини. 6.2. Розробка або адаптація програм. 7. Введення в дію. 7.1. Підготовка об'єкту автоматизації до введення в дію. 7 7.2. Підготовка персоналу. 7.3. Комплектація АС виробами, що поставляються (програмними і технічними засобами, програмно-технічними комплексами, інформаційними виробами). 7.4. Будівельно-монтажні роботи. 7.5. Пуско-налагоджувальні роботи. 7.6. Проведення попередніх випробувань. 7.7. Проведення дослідної експлуатації. 7.8. Проведення приймальних випробувань. 8. Супровід АС 8.1. Виконання робіт відповідно до гарантійних зобов'язань. 8.2. Післягарантійне обслуговування. Треба звернути увагу на те, що стадії технічного завдання передує ще дві стадії, які присвячені детальному ознайомленню із об’єктом та розробці концепції системи. Конкретний зміст і терміни виконання кожного етапу роботи, із описанням результату, що очікується і форми звітності вказують в календарному плані виконання робіт - документі, який є складовою частиною технічного завдання. В календарному плані вказуються окремі етапи роботи, їх зміст, результати виконання етапу (опис документів та іншої продукції, якими звітують про виконання етапу), терміни виконання етапів. Після виконання кожного етапу складається Акт здавання – приймання виконаних робіт. До складання та виконання технічного завдання та календарного плану треба підходити уважно, бо саме ці документи регламентують відповідальність виконавця перед замовником і є документами, на підставі яких виконується фінансування проектних робіт. Якщо ви замовляєте проект, треба уважно підходити до обрання виконавця (виконавців) проекту. Бажано щоб вони мали позитивні рекомендації і авторитет у чинній галузі. Досвідчені менеджери проектних організацій при обговоренні умов та суті проекту практикують презентацію своєї організації із оглядом вже виконаних проектів відомих об’єктів. 1.3 Життєвий цикл проекту Підвищення якості будь якої продукції, в тому числі і проектної, а також підвищення відповідальності виконавця перед замовником призвело до виникнення такого поняття як життєвий цикл виробу, обладнання, проекту, тощо. Життєвий цикл визначає умовно початок і кінець участі виконавця у "житті" певного виробу. Щодо проектування це 8 послідовність фаз проекту, що задається виходячи з потреб управління проектом. Життєвий цикл проекту має 5 фаз: 1. Ініціація 2. Планування 3. Виконання 4. Контроль і моніторинг 5. Завершення Життєвий цикл проекту може модулюватись за кількома принципами: водопаду, ітеративної моделі, спіральним методом, інкрементним методом. При моделюванні за принципом водопаду робота над проектом рухається лінійно через ряд фаз, таких як:  аналіз вимог (дослідження середовища);  проектування;  розробка і реалізація під проектів;  перевірка під проектів;  перевірка проекту в цілому. Недоліками такого підходу є накопичення можливих на ранніх етапах помилок до моменту закінчення проекту і, як наслідок, зростання ризику провалу проекту, збільшення вартості проекту. Це приклад формального підходу до виконання проекту. Він виправданий, у випадках виконання однотипних проектів, коли проектувальник не очікує якихось відхилень або несподіванок у технічних рішеннях. Ітеративний підхід - виконання робіт паралельно з безперервним аналізом отриманих результатів і коректуванням попередніх етапів роботи. Проект при цьому підході в кожній фазі розвитку проходить цикл, що повторюється: Планування — Реалізація — Перевірка — Оцінка. Переваги ітеративного підходу:  зниження дії серйозних ризиків на ранніх стадіях проекту, що веде до мінімізації витрат на їх усунення;  організація ефективного зворотного зв'язку проектної команди із споживачем (а також замовниками) і створення продукту, що реально відповідає його потребам;  акцент зусиль на найбільш важливі і критичні напрями проекту; 9  безперервне ітеративне тестування, що дозволяє оцінити успішність всього проекту в цілому;  раннє виявлення конфліктів між вимогами, моделями і реалізацією проекту;  більш рівномірне завантаження учасників проекту;  ефективне використання накопиченого досвіду;  реальна оцінка поточного стану проекту і, як наслідок, велика упевненість замовників і безпосередніх учасників в його успішному завершенні. Ітеративний підхід, як бачимо з переліку його переваг, найбільш виважений, такий що забезпечує оптимальне проектне рішення і на окремих етапах виконання і в цілому по проекту. Тут можна додати ще одну рису ітеративного підходу, яка є дуже важливою, хоча і не афішується. Важливо кожний підетап роботи доводити до безпосередніх користувачів, обговорювати їх, моделювати типові ситуації, які виникають в експлуатації. Тільки завдяки такому зворотному зв’язку можна виявити похибки та конфліктні ситуації ще на ранніх етапах проектування. При моделюванні життєвого циклу проекту по спіральній моделі розглядається залежність ефективності проекту від його вартості з часом. На кожному витку спіралі виконується створення чергової версії продукту, уточнюються вимоги проекту, визначається його якість і плануються роботи наступного витку. Фактично спіральна модель – це безперервне проектування у напрямі удосконалення об’єкту. Спіральна модель вигідна і навіть необхідна для підтримання у часі конкурентноздатності даного продукту. Прикладами є появлення із часом все нових і нових версій програмного забезпечення різних видів, автомобілів, літаків, в яких назва не змінюється, але змінюється номер серії, версії. Моделювання життєвого циклу проекту інкрементним методом має на увазі розбиття великого об'єму проектно-конструкторських робіт на послідовність більш малих складових частин. Цей метод є аналогом методу декомпозиції, і не виключає використання інших названих методів. 1.4 Особливості та зміст навчального проектування Форми і зміст навчального проектування (курсові роботи та курсові проекти, дипломні проекти) відрізняються від реального проектування за кількістю і обсягом стадій та етапів і також залежать від галузі знань, напряму, спеціальності і об’єкту проектування. Нижче пропонується перелік неформальних етапів і зміст навчального проектування системи автоматизованого електроприводу, або системи автоматизації механізму, 10 технологічного процесу, запропонований професором Ільїнським Н.Ф., професором кафедри електроприводу Московського енергетичного інституту (МЕІ). Завдання проектування. Найбільш поширені завдання проектування мають приблизно наступні формулювання: замість застарілого електроприводу даної установки розробити сучасний, з кращими технічними і економічними показниками; замість нерегульованого електроприводу агрегату застосувати регульований; розробити електропривод, яким можна замінити імпортний, не забезпечений запасними елементами; розробити електропривод якої-небудь унікальної установки – випробувального стенду, спеціального транспортера і тому подібне. Ці завдання проектування зовсім не прості, оскільки можуть бути вирішені різними, в загальному випадку не рівноцінними способами, а вибір одного рішення, яке і буде потім реалізуватись, повинен бути зроблений на основі ряду критеріїв при урахуванні системи конкретних обмежень. Назвемо основні етапи інженерного проектування. Формулювання завдання – перший етап проектування. Це точна вказівка того, що є і чим це не влаштовує, і що і в якому сенсі повинне стати краще після реалізації проекту. На цьому етапі не потрібні деталі, потрібні лише найголовніші риси об'єкту до і після проектування. Якщо цей етап виконаний погано, є дуже велика небезпека, що вся подальша праця буде витрачена даремно. Аналіз завдання – другий етап проектування – виявлення всіх істотних якісних і кількісних ознак створюваного об'єкту в початковому (до проектування) і кінцевому (після проектування) станах, визначення обмежень і призначення критеріїв, по яких оцінюватиметься якість спроектованого об'єкту. Пошук можливих рішень – це третій етап проектування. Тут в першу чергу необхідні знання, але окрім знань потрібне нестандартне мислення, уміння уникати як консерватизму, так і поспішності. Дуже корисні аналоги, зрозуміло, при критичному до них відношенні, відвідини виставок, читання літератури, пошук в Інтернеті, консультації і тому подібне. Ступінь новизни рішень, що обираються, їх світовий рівень треба оцінювати за результатами патентного пошуку. Навіть у простому випадку доречно запропонувати декілька (багато) рішень, які в принципі відповідають завданню. Коли пропонується багато рішень, зрозуміло, не свідомо непридатних, менше шансів пропустити хороше. Вибір рішення з множини можливих на основі критеріїв і з урахуванням обмежень. Це четвертий, дуже відповідальний етап. Тут знову не потрібні надмірні деталі, окрім тих, що дозволяють цілеспрямовано, по критеріях, порівнювати рішення. Тут дуже важливі вірні крупні оцінки. У теорії проектування вводиться поняття не гірших рішень, тобто рішень, що 11 потрапляють в деяку допустиму область по сукупності ознак, і формулюються алгоритми їх пошуку. Детальна розробка вибраного технічного рішення. Це п'ятий етап – етап остаточного вибору устаткування, розрахунку характеристик, складання алгоритмів управління, конструктивної компоновки вузлів, оцінки основних показників і тому подібне. П'ятий етап виконується завжди – і в реальних, і в навчальних проектах. Проте якщо йому не передують перші чотири або якщо вони виконані неякісно, не творчо, підсумки можуть бути сумними. Підкреслимо, що, як і всякий творчий процес, конкретне проектування, навіть при дуже жорстких обмеженнях в часі, не розвивається по рівномірно висхідній лінії – неминучі повернення, повтори і тому подібне. У теорії такі дії отримали назву ітерацій. У хороших проектах перші чотири етапи займають не менше 50% всього часу – при цьому створюється або, точніше, може створюватися дійсно нове і дійсно хороше, краще, ніж було, рішення. 1.5 Із історії автоматизації проектних робіт Історично автоматичні та автоматизовані системи проектування з’явились одночасно із появою комп’ютерів, що цілком природно, адже комп’ютер став потужним інструментом інтелектуальної діяльності людини. Перші автоматизовані системи проектування (50-ті роки минулого сторіччя) були обмежені окремими галузями і використовувались для полегшення графічної роботи, конструювання нескладних деталей, оформлення конструкторської документації, підготовки технологічних процесів. Автоматизовані системи проектування та підготовки технологічного процесу почали широко використовуватись із поширенням у 60- 70 р.р. верстатів із програмним керуванням та роботів, а пізніше гнучких автоматизованих ліній та виробництв. Цифрові ЕОМ також почали використовувати в автоматизованих системах управління виробничими процесами, диспетчеризації, обліку та руху деталей та матеріалів. Згодом, із удосконаленням і розширенням функцій комп’ютерів, вони почали використовуватись для автоматизації науково – дослідних робіт. У більшості західних програм автоматизованого проектування в назві присутня абревіатура CAD, яка розшифровується як Computer Aided Design, або Computer Aided Drafting (проектування або конструювання за допомогою ЕОМ, або креслення за допомогою ЕОМ). Інші абревіатури: САЕ (Computer-aided engineering - загальна назва для програм або програмних пакетів, призначених для інженерних розрахунків, аналізу і симуляції фізичних процесів); САМ – (Computer Aided Manufacturing, використовуються у назві програм для 12 керування виробництвом та рухом матеріалів). В Радянському Союзі стала поширеною абревіатура САПР, тобто система автоматизованого проектування. У теперішній час у світі розроблено багато систем автоматичного проектування та дослідження. Деякі з них мають універсальне призначення, наприклад MathCAD, AutoCAD, MatLab, Microsoft Excel, Microsoft Access, LABVIEW. Зараз набули поширення програми конструювання із використанням об’ємного креслення (так звані 3D - системи, які працюють у трьохвимірній Декартовій системі координат), програми з використанням анімації, тобто придання властивостей руху різним об’єктам, деталям. Є також багато прикладних програм більш вузького, галузевого призначення, наприклад програми для креслення та читання електричних та електронних схем, для розробки друкованих плат. Електротехнічні фірми (спочатку світові гіганти, а далі практично всі) створюють власне програмне забезпечення для автоматизованого проектування систем автоматизації промислового обладнання із використанням електричних машин, напівпровідникових перетворювачів, контактних апаратів та елементної бази виробництва саме цієї фірми. Із розповсюдженням мікропроцесорних та мікроконтролерних систем керування функції механізмів та апаратів стали настільки складними, що можуть бути спроектовані, проконтрольовані і введені в експлуатацію тільки за допомогою комп’ютерів. Зараз будь - яка електронна техніка, починаючи від побутового до промислового призначення, має фірмовий програмний супровід, розташований безпосередньо у самому приладі або на зовнішньому носії інформації