Программные средства автоматизации конструирования,моделирования и проектирования
Содержание
1.Пакеты прикладных программ САПР
2.SCADA-системы
3.Инструментальная среда разработки приложений сбора данных и управления Genie
1. Пакеты прикладныхпрограмм САПР
САПР- признанная область применения вычислительной техники. Компьютер можетпредоставить конструкторам и технологам полный набор возможностей САПР и,освободив их от рутинной работы, дать возможность заниматься творчеством, чторезко повышает производительность труда.
ПриближениеСАПР к конструктору позволило резко повысить производительность самих САПР,распространение которых сдерживалось трудностью алгоритмизации конструкторскихзадач. Действительно, невозможно к каждому конструктору “приставить”программиста. Это противоречие может быть устранено только широким распространениемприкладных программных средств, “общающихся” с конструктором на “естественном”языке. Следует отметить, что это справедливо не только для компьютернойграфики. Практически все современное программное обеспечение ориентируется напользователя, дружелюбно общаясь с ним понятным ему способом и предоставляя емуполную свободу действий. Такое “общение” человека с компьютером возможно тольков интерактивном (диалоговом) режиме, когда пользователь тут же на экране видитрезультат своих действий. САПР также ориентированы на работу в интерактивномрежиме, предоставляя проектировщику оперативный доступ к графической информации,простой и эффективный язык управления ее обработкой с практическинеограниченными возможностями контроля результатов. В первую очередь этоотносится к графическому диалогу, поскольку именно графика (чертежи, схемы,диаграммы и т.п.) как наиболее эффективный способ представления информации,занимает привилегированное положение в САПР. Таким образом, удаетсяавтоматизировать самую трудоемкую часть работы — по оценкам специалистовконструкторских бюро, в процессе традиционного проектирования на разработку иоформление чертежей приходится около 70% от общих трудозатрат конструкторскойработы (15% — на организацию и ведение архивов, и 15% — собственно напроектирование, включающее в себя разработку конструкции, расчеты, согласованиесо смежными областями и т.д.).
Многиесовременные программные системы, ориентированные на проектирование промышленныхизделий, имеют достаточно большой арсенал возможностей интерактивной графики,обеспечивая возможность создания и редактирования двумерных изображений,состоящих из проекций изделия, штриховки, размеров и т.д., а также формированияреалистичных трехмерных изображений проектируемых изделий, построенных изисходных данных чертежа с удалением невидимых линий, с учетом различныхспособов освещения, задания параметров структуры поверхностей и т.п. При этомСАПР предоставляют принципиально недостижимые ранее возможности. Фактическиконструктор попадает в новую среду — среду компьютерной графики. И качествопакета САПР едва ли не в первую очередь определяется тем, насколько труден дляконструктора переход к новой технологии при использовании того или иного пакета.
Внастоящее время существует огромное количество САПР различной сложности иназначения. Очевидно, что пользователь будет выбирать систему, согласовываянеобходимость графических возможностей со стоимостью системы и техническихсредств, которые обладают требуемыми возможностями. Например, стоимость АРМ (“workstation”)Apollo или SAN,обладающих всеми мыслимыми на сегодняшний день возможностями, существенно вышестоимости любого обычного ПК — это просто другой класс машин. Для большинствачертежно-конструкторских работ требуются более скромные, однако все жедостаточно широкие возможности, и ряд систем способен их удовлетворить.
Средисистем малого и среднего класса в мире наиболее популярна система AutoCad фирмыAutoDesk, а также системы Pcad, OrCAD(разработка и моделирование электронных устройств, в основном — печатных плат),ArchiCAD (архитектура),«Базис», «Компас», «SolidWorks»(механика), каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки ипредпочтительную область применения.
ФирмаAutoDesk является одним из признанных лидеров в области разработки САПР, асозданный ею пакет AutoCad — одним из лучших. Это сложная и разветвленная посвоей структуре система, которая в то же время легко управляется при помощи простыхи ясных команд. Эта система дает пользователю ПК возможности, ранее доступныетолько на больших и дорогих вычислительных системах. AutoCad обладает эффективнойсистемой ведения диалога с пользователем при помощи нескольких меню. Использованиеслоев также предоставляет дополнительные удобства для проектировщика, позволяяпри наложении слоев с нарисованными на них изображениями отдельных деталейконтролировать их совместимость при общей компоновке, а также держать “прозапас” любое число различных вариантов деталей и, включая либо выключая слои,выборочно вводить их в общую компоновку. Законченные чертежи можно хранить ввиде комплекта слайдов с возможностью их автоматического просмотра, причемдоступность большого количества цветов делает работу с такой системой эстетическиприятной.
AutoCad- универсальный графический пакет, предназначенный для любого специалиста,работающего с технической графикой. Фирма AutoDesk, ориентируясь на самыйширокий круг пользователей, заложила в пакет богатые возможности адаптации клюбым предметным областям. Именно поэтому AutoCad завоевал широкую популярностьи продолжает сохранять свои позиции на мировом рынке.
Кромеавтоматизации собственно чертежно-графических работ, AutoCad с его расширениями(AutoShade, AutoFlix,3D-STUDIOи др.) предоставляет следующие возможности:
* графическоемоделирование, т.е. использование компьютера в САПР в качестве мощноговычислительного средства, позволяющего без особых навыков программированияработать со сложными пространственными моделями;
* созданиеи ведение информационной базы данных (архива) чертежей;
* созданиебиблиотеки стандартных элементов чертежей, относящихся к какой-то предметнойобласти, с тем чтобы строить новые чертежи из уже созданных ранее элементов;
* параметризациячертежей — построение деталей и чертежей с новыми размерами на основе один разнарисованного чертежа (модели);
* созданиедемонстрационных иллюстраций и мультфильмов.
ФирмаAutoDesk на протяжении нескольких лет совершенствует свою систему — в настоящеевремя существует несколько версий, отличающихся своими функциональнымивозможностями. Все они совместимы “снизу вверх”, т.е. чертежи, созданные наранних версиях, обрабатываются на более поздних. Наиболее широко сейчасиспользуются версии с 10-й по 14-ю. Последняя версия AutoCAD2000.
КОМПАС 5 представляет собойсовременный программный продукт, функционирующий под управлением операционнойсистемы Windows 95/98/NT.
Система имеет настраиваемый оконныйинтерфейс, соответствующий стандартам Windows, и управляется с помощью командтекстового меню, панелей кнопок, контекстно-зависимых (динамических) меню.Оформление экрана, состав кнопочных панелей и любые параметров системы могутбыть настроены непосредственно во время сеанса работы. Пользователь можетформировать собственные кнопочные панели, в том числе подключая функцииприкладных библиотек в качестве команд.
Поддерживаетсяодновременная работа с несколькими документами, а также отображение каждогодокумента в нескольких окнах. Реализованы различные режимы резервногокопирования загруженных документов.
Печать разработанных документовможет выполняться на любых устройствах (принтерах или плоттерах),поддерживаемых Windows. Реалистичное изображение документов в режимепредварительного просмотра позволяет скомпоновать на поле вывода и распечататьодновременно несколько документов. Обеспечена гибкая настройка всех параметровпечати. В состав системы входит утилита для разработки собственных драйверовперьевых устройств вывода (плоттеров).
КОМПАС 5 поддерживаеттехнологию OLE, что позволяет вставить документы КОМПАС в любой документ,являющийся OLE-контейнером (например, в документ MS Word). Созданный такимобразом OLE-объект в дальнейшем можно просматривать при помощи КОМПАС-Viewerили редактировать средствами КОМПАС. Если при вставке OLE-объекта сохраненасвязь с источником, то все вносимые в источник изменения будут отражаться вдокументе-контейнере.
Основнымикомпонентами КОМПАС 5 являются КОМПАС-ГРАФИК – редактор конструкторскойдокументации и КОМПАС-3D – система трехмерного твердотельного моделирования.
Графический редактор позволяетразрабатывать выпускать различные документы — эскизы, чертежи, схемы, плакаты ит.д. В системе предусмотрены два вида графических документов — чертежи ифрагменты. Чертеж обладает рамкой и основной надписью, в нем можно создавать до255 видов (проекций, разрезов, сечений), имеющих разный масштаб изображения. Налисте чертежа могут быть размещены спецификация, технические требования, знакнеуказанной шероховатости. Фрагмент содержит изображение в натуральную величинубез элементов оформления (рамки, технических требований и т.п.).
Любойвид чертежа или фрагмент может содержать до 255 слоев, каждый из которых можноделать текущим или недоступным для редактирования или невидимым.
/>
Рис.1. Экранная форма КОМПАС.
КОМПАС-ГРАФИК позволяет работать совсеми типами графических примитивов, необходимыми для выполнения любогопостроения. К ним относятся точки, прямые, отрезки, окружности, эллипсы, дугиокружностей и эллипсов, многоугольники, ломаные линии, кривые NURBS (в томчисле кривые Безье). Разнообразные способы и режимы построения этих примитивов(например, команды создания фасок, скруглений, эквидистант, построения отрезкови окружностей, касательных к объектам и т.п.) избавляют пользователя отнеобходимости производить сложные вспомогательные построения. Для ускоренияпостроений можно использовать локальные системы координат, разномасштабнуюсетку и механизм объектных привязок.
Однойиз самых сильных сторон КОМПАС-ГРАФИК по-прежнему является полная поддержкаЕСКД. Поддерживаются стандартные (соответствующие ЕСКД) и пользовательскиестили линий и штриховок. Реализованы все типы линейных, угловых, радиальных идиаметральных размеров (включая наклонные размеры, размеры высоты и размерыдуги). Автоматически выполняются простановка допусков и подбор квалитета позаданным предельным отклонениям. Среди объектов оформления — все типы шероховатостей,линий-выносок, обозначения баз, допусков формы и расположения поверхностей,линии разреза и сечения, стрелки направления взгляда, штриховки, тексты,таблицы.
Вграфический документ КОМПАС-ГРАФИК может быть вставлено растровое изображениеформата BMР, РCX, DCX, JРEG, TIFF. При вставке растрового объекта возможно заданиеего масштаба и угла поворота.
Текстовыйредактор КОМПАС-ГРАФИК позволяет выпускать различные текстовые документы —расчетно-пояснительные записки, технические условия, инструкции и т.д.Текстовый документ является отдельным типом документа КОМПАС.
Модульпроектирования спецификаций КОМПАС-ГРАФИК позволяет выпускать разнообразныеспецификации, ведомости и прочие табличные документы. Спецификация являетсяотдельным типом документа КОМПАС-ГРАФИК.
Многиефункциональные возможности модуля разработки спецификаций КОМПАС-ГРАФИКзаимствованы из логики и технологии разработки «бумажных» спецификаций.
Призаполнении документа на экране пользователь видит стандартную таблицу спецификациии может вводить данные в ее графы.
Приложения КОМПАС: средстваразработки приложений КОМПАС-МАСТЕР, машиностроительная библиотека,интегрированные системы проектирования тел вращения КОМПАС-SHAFT Plus ицилиндрических пружин КОМПАС-SPRING, библиотеки элементовгидравлических и пневматических схем, станочных приспособлений, электрических икинематических схем, архитектурно-строительная библиотека, инструментальныесредства ведения типовых проектов, система проектирования металлоконструкций,пакеты библиотек «Элементы инженерных коммуникаций», «Элементы химическихпроизводств», «Электроснабжение», «Автоматизация технологических процессов»,«Коммутационные устройства», библиотека трубопроводной арматуры, библиотека«Строительные конструкции. Профили», справочник конструкционных материалов,электронный справочник по подшипникам качения.
2. SCADA-системы
Вбольшинстве случаев АСУ ТП являются системами организационно-техническими, чтоозначает наличие функций, выполняемых человеком (оператором, диспетчером).
Несколькодесятков лет назад эти функции заключались в основном в наблюдении за контрольно-измерительнымиприборами и непосредственном ручном управлении технологическим процессом.
Послетого как компьютеризация достигла производственного сектора, на рабочих столахоператоров стали появляться компьютеры, где взаимодействие между оператором итехнологическим процессом осуществляется с помощью программного обеспечения,получившего общее название SCADA.
“SCADA-система”(Supervisory ControlAnd DataAcquisition System)- система сбора данных и оперативного диспетчерского управления. В названииприсутствуют две основные функции, возлагаемые на SCADA-систему:
* сборданных о контролируемом технологическом процессе;
* управлениетехнологическим процессом, реализуемое ответственными лицами на основесобранных данных и правил (критериев), выполнение которых обеспечиваетнаибольшую эффективность и безопасность технологического процесса.
Еслипопытаться коротко охарактеризовать основные функции, то можно сказать, что SCADA-системасобирает информацию о технологическом процессе, обеспечивает интерфейс соператором, сохраняет историю процесса и осуществляет автоматическое управлениепроцессом в том объеме, в котором это необходимо и возможно.
Необходиморазличать программное обеспечение SCADA,функционирующее в составе АСУ ТП конкретного объекта, и набор инструментальныхпрограммных средств, предназначенный для разработки такого программного обеспечения.
SCADA-системы позволяютзначительно ускорить процесс создания ПО верхнего уровня АСУ ТП, не требуя приэтом от разработчика знаний современных процедурных языков программированияобщего назначения. Не секрет, что в тонкостях автоматизируемоготехнологического процесса разбирается только технолог или другой представительтехнологического персонала, как правило, не обладающий навыками программирования.SCADA-система должна бытьдоступной не только для разработчика, но и для конечного пользователясоздаваемой АСУ ТП, поскольку облик системы определяется и может подвергатьсяизменениям как разработчиком, так и пользователем.
Помимодоступности, SCADA-системе должна бытьприсуща максимальная открытость — наличие универсальных и общепринятыхмеханизмов обмена данными с аппаратурой ввода-вывода.
Умереннаяцена и эффективное использование вложенных средств — стоимость системы, затратына освоение и стоимость работ по созданию, сопровождению и развитию АСУ ТПдолжны быть минимальными. При прочих равных условиях данное требование являетсянаиболее существенным при выборе SCADA-системы.
3. Инструментальнаясреда разработки приложений сбора данных и управления Genie
Genie являетсяинструментальной средой разработки приложений сбора, обработки и графическогопредставления данных и управления, которая содержит множество встроенныхфункциональных блоков и графических элементов отображения, позволяющихсущественно сократить затраты на разработку программного обеспечения для системпромышленной автоматизации. Разработка приложения заключается в выборесоответствующих функциональных блоков, установлении логических связей междуними, создании графического интерфейса оператора и настройке форм отчетов.
Разработанафирмой Advantech,специализирующейся на выпуске промышленных компьютеров и других средствавтоматизации и сбора данных. Разработкой этой системы фирма “замкнула” цикл,то есть поставляет и технические средства, и программное обеспечение, необходимоедля создания промышленных информационно-управляющих систем. В качестве примерарассматривается учебная версия — Genieдля Windowsv3.04.
Требованияк аппаратно-программной платформе — весьма умеренные.
Функциональныевозможности: центр обработки данных с открытой архитектурой; программированиена языке сценариев, совместимом с VisualBasic для приложений (VBA);использование мультизадачности при реализации алгоритмов сбора данных иуправления; объектно-ориентированная графика; стандартный интерфейс пользователя,принятый в Windows; разработкаприложений с использованием функциональных блоков; настраиваемый редакторотчетов; отображение, управление и обработка данных в реальном масштабевремени; построение графиков контролируемых параметров в реальном масштабевремени; управление доступом к системной информации и органам управления;обработка событий/тревог; связь с другими приложениями Windowsпосредством механизма DDE;интерфейс прикладного программирования посредством OLEAutomation; библиотекидинамической компоновки, создаваемые пользователем; возможность организациисетевого взаимодействия; поддержка протоколов DeviceNetиCANOpen.
Основныеобласти применения: системы сбора данных и диспетчерского управления;автоматизация производственных участков; создание АРМов технолога; автоматизациялабораторных измерений; измерительные комплексы; системы и комплексыавтоматизации испытаний.
Пакетимеет встроенную среду разработки программных сценариев, совместимую с MicrosoftVB и VBA,обеспечивающую разработчика системы мощным набором инструментов, которыйназывается редактором сценариев (ScriptDesigner). Редактор сценариевсодержит множество функций VBA,а также методов сбора и обработки данных, которые позволяют реализовывать прикладныеалгоритмы практически любого уровня сложности. В VBAреализована и постоянно расширяется поддержка многих функций ОС Windows:механизмы динамического обмена данными (DDE)и связывания и внедрения объектов (OLEAutomation); функции открытоговзаимодействия баз данных (ODBC).
Открытостьархитектуры Genie гарантируетпользователю возможность интеграции пакета с корпоративной системой, внедреннойили внедряемой на предприятии.
Дляуменьшения времени разработки программного обеспечения при сохранении егосоответствия показателям назначения и обеспечении легкости последующегосопровождения и модернизации в Genieимеются специальные графические средства разработки и представления данных,которые называются редактор задач (TaskDesigner) и редактор форм отображения(Display Designer).Примеры экранных форм этих редакторов приведены на рис.1. и 2. В редакторезадач используется информационно-поточная модель программирования, котораязначительно удобнее для восприятия и алгоритмической интерпретации, чем традиционнаялинейная архитектура текстовых языков программирования. При разработкеприложения пользователем создается блок-схема стратегии без фиксации вниманияна различных логических и синтаксических соглашениях, характерных длястандартного программирования. Объекты (пиктограммы функциональных блоков)выбираются из панели инструментов редактора задач (рис.3) и соединяются междусобой для передачи данных от одного блока к другому. При необходимости созданияграфического интерфейса оператора редактор форм отображения обеспечиваетвозможность разработки удобных для восприятия экранных форм отображения вкратчайшие сроки посредством входящих в пакет стандартных элементов отображения(рис.4 и 5). Кроме того, указанный графический интерфейс оператора может бытьусовершенствован с помощью специальных инструментов рисования и элементовотображения, определяемых пользователем. Библиотеки встроенных функциональныхблоков и элементов отображения включают в себя наиболее часто используемые впромышленной автоматизации функции сбора, обработки и графическогопредставления данных. Пример результата разработки интерфейса оператора дляконтроля нагрузки конвейера и учета количества сыпучих материалов приведен нарис.6.
Редакторзадач пакета Genie позволяетредактировать множество задач одновременно. Каждая задача отображается в своемокне и имеет свои собственные параметры: период сканирования, методызапуска/останова и др. Genie3.04 поддерживает до 8 задач.
/>
Рис.2.Редактор задач Genie
/>
Рис.3.Редактор форм отображения Genie.
/>
Рис.4. Панельинструментов редактора задач Genie.
/>
Рис.5. Панельформ
/>
Рис.6. Менюэлемента формы интерфейса оператора отображения Genie
/>
Рис.7 Примерконвейерной линии в Genie.
Редакторотчетов (ReportDesigner) пакета Genieпредоставляет конфигурируемую среду разработки, в которой пользователи могутопределять требуемое содержание отчета, представляющего необходимые данные в определенныемоменты времени с последующей автоматической печатью в заданное время.Интерфейсы, предоставляемые редактором отчетов, могут также использоваться длявыбора и печати отчетов вручную.
Редакторотчетов обеспечивает выполнение пяти основных функций: сбор данных,конфигурирование формата отчета, составление расписания отчета, генерациюотчета событий и генерацию отчета тревог.
Подсистемарегистрации событий пакета Genieпозволяет осуществлять непрерывный контроль состояния технологического процессаи системы сбора данных, а также заблаговременно предупреждать возможныеотклонения в ходе технологического процесса и функционирования аппаратно-программныхсредств системы. Гибкие возможности конфигурирования пороговых и предельныхзначений параметров позволяют реализовать множественные условия, по которымидентифицируются аварийные и предаварийные ситуации. Аварийные значения могутбыть отображены, зарегистрированы, сохранены в архиве с добавлением меткивремени, а также подтверждены оператором в реальном масштабе времени. Крометого, протокол аварийных событий может быть отображен на экране монитора иливыведен на печатающее устройство для получения твердой копии.
В настоящеевремя фирмой Advantech разработанаболее совершенная версия GenieDAQ 4.11.
Литература
1. Стехин А.П. Основыконструирования, моделирования и проектирования систем управленияпроизводственными процессами: Учеб. пособие. – Донецк: ДонГАУ, 2008.
2. ЛукасВ.А. Основы теории автоматического управления. -М.: “Недра”, 1977.
3. Основытеории оптимального управления: Учеб. Пособие для эконом. вузов/ В.Ф.Кротов,Б.А.Лагоша, С.М.Лобанов и др.; Под ред.В.Ф.Кротова.- М.: Высш. Шк., 2008.
4. ИваниловЮ.П., Лотов А.В. Математические модели в экономике.- М.: “Наука”, 2007