LEKCII

ЛЕКЦИИ
Лекция 1 ( 2 часа).
Последовательность реализации технической идеи. Этапы развития методов проектирования.
Терминология. Особенности проектирования аппаратных и программных систем управления.
Системная интеграция. Структура системы автоматизированного проектирования.
Слово «проектирование» происходит от латинского слова «projectus» (брошенный вперед) и
означает детализацию выдвинутой идеи, достаточную для ее реализации. В быстро
изменяющемся мире изменилась и работа проектировщика. Если раньше достаточно было
приспосабливать типовые проекты к конкретным объектам проектирования, то теперь требуется
вырабатывать оригинальные проектные решения, способные как можно дольше обеспечить
конкурентоспособность заказчика. Особенно изменилось проектирование автоматизированных
систем. С появлением микропроцессорной техники произошел переход от централизованных к
распределенным системам автоматизации. Аппаратные устройства управления уступают место
программным устройствам, требующим совершенно других методов проектирования. Благодаря
переходу к программируемой автоматике стали быстрее развиваться технические средства
автоматизации и способы их привязки к технологическим процессам. Системы
автоматизированного проектирования все больше приспосабливаются к непрограммирующему
проектировщику, освобождая его от рутинной работы. Происходит интеграция компьютерных
систем проектирования, производства и анализа процесса эксплуатации автоматизированной
системы.
Сложилась определенная последовательность реализации идеи (рис.1).
Появление идеи
Ввод в
эксплуатацию
Формирование
концепции
Предпроектный
анализ
Рабочая
Технический
документация
проект
проект
Рис. 1. Последовательность реализации идеи
Техническое
задание
Эскизный
проект
1.Разработка общих требований к системе:
 оценка перспективности автоматизации;
 формулировка цели создания автоматизированной системы;
 задание границ изменений входов и выходов производства;
 разработка критериев сравнения проектных решений.
2.Формирование концепции автоматизированной системы:
 изучение существующего производства;
 разработка вариантов концепции;
 выбор и описание варианта концепции.
3. Предпроектный анализ производства:
 прогноз развития альтернативных производств;
 оценка подготовленности производства к автоматизации;
 выделение объектов, не поддающихся автоматизации;
 разработка предложений по реорганизации производства.
4.Разработка технического задания:
 формирование требований заказчика к системе;
 оценка проектировщиком условий выполнения требований заказчика;
 согласование требований заказчика к системе и возможностей их реализации ;
 составление технического задания.
4. Генерирование вариантов проектных решений:
 разделение автоматизированной системы на подсистемы;
 сопоставление вариантов взаимодействия подсистем;
 поиск проектных решений;
 сокращение числа вариантов.
5 . Выбор проектного решения:
 сопоставление вариантов проектного решения;
 выбор наилучшего варианта ;
 проверка соответствия выбранного решения требованиям технического задания;
 обеспечение технологической, конструктивной и информационной совместимости средств
автоматизации;
6. Разработка эскизного проекта:
 компоновка автоматизированной системы из набора проектных решений;
 описание работы системы;
 согласование эскизного проекта с заказчиком.
7. Разработка технического проекта:
 детализация принятых проектных решений;
 составление перечня покупных элементов;
 разработка технических заданий на разработку других подсистем;
 разработка технических заданий на изменение
объектов автоматизации,
систем
энергоснабжения и других внешних систем;
 разработка требований по обеспечению безопасности работы системы.
8. Разработка комплекта рабочей документации:
 разработка рабочей документации на автоматизированную систему и ее монтаж;
 разработка рабочей документации на обслуживающие подсистемы.
9. Ввод системы в эксплуатацию:
 комплектование системы покупными элементами;
 обучение персонала;
 монтажные работы;
 пуско-наладочные работы;
 проведение предварительных испытаний;
 проведение опытной эксплуатации;
 приемка системы в эксплуатацию.
10. Сопровождение системы в процессе эксплуатации
Собственно проектирование заканчивается этапом 7, после чего комплект проектной
документации передается изготовителю. Однако в концепции CALS ( Computer Aided Lifecycle
Support) или ИПИ ( Информационная Поддержка Изделия) проектную документацию
корректируют вплоть до вывода системы из эксплуатации.
В развитии методологии проектных работ можно выделить шесть этапов.
I. Индивидуальное проектирование ( до 40-х годов 20-го века).
Основой индивидуального проектирования является
опыт специалистов, вырабатывающих
уникальные проектные решения . Для выполнения проектных процедур используют
логарифмические линейки. Чертежи вычерчивают вручную на кульманах. Высокая трудоемкость
проектных работ не позволяет рассматривать более одного варианта проектного решения.
Результаты проектирования оформляются по правилам, принятым в данной проектной
организации, поэтому плохо понимаются другими.
II. Типовое проектирование (до 70-х годов 20-го века).
Проект составляют из типовых элементов, что ускоряет процесс проектирования и обеспечивает
взаимозаменяемость элементов системы. Появляются
такие технические средства, как
арифмометры, электрические печатающие машинки, средства копирования документации.
Начинают сравнивать несколько вариантов проектных решений. Принципы типового
проектирования переносят и на организацию труда проектировщиков. В 50-х годах прошлого
века вводят Единую Систему Конструкторской Документации (ЕСКД).
Недостатком типового проектирования является уменьшение доли творческого труда.
Проектировщики роются в объемных справочниках, многочисленных нормативных документах
и стандартах. При проектировании они стараются как можно полнее использовать типовые
решения. Привлекательность проектирования начинает снижаться. Необходимость сокращения
сроков и трудоемкости проектирования показала, что следует
менять принципы
проектирования.
III. Выполнение расчетов с помощью вычислительной техники ( до 80-х годов 20-го века).
Появление больших вычислительных машин привело к их использованию в проектных
организациях для хранения информации, расчетов по типовым методикам, подготовки текстовой
и графической документации. Некоторые проектировщики стали проверять проектные решения
путем компьютерного моделирования, оптимизации структуры и параметров объектов
проектирования. Благодаря этому сроки проектирования стали сокращаться, а доля творческого
труда проектировщиков - расти.
IV. Переход к системам автоматизированного проектирования (до 90-х годов 20-го века).
Необходимость еще большего сокращения сроков и повышения качества проектирования
привела к появлению программных продуктов, позволяющих быстро анализировать проектные
решения на автоматизированных рабочих местах.
V. Объединение систем автоматизированного проектирования и производства (до настоящего
времени).
Стала развиваться концепция объединения систем автоматизированного проектирования,
автоматизированной подготовки производства и самого производства.
В ней результаты автоматизированного проектирования сразу преобразуют в программы
автоматизированного управления технологическим оборудованием. Безбумажная передача
результатов проектирования в производство позволила ускорить процесс выполнения заказов.
VI. Корректировка проектных решений путем контроля за объектом в ходе его эксплуатации (
перспектива развития)
Проектировщик стал анализировать информацию о ходе эксплуатации объекта проектирования и
использовать ее для корректировки проектных решений.
Основным термином является проектное решение, представляющее собой часть варианта
реализации одного из требований технического задания. Описание проектного решения должно
быть необходимым и достаточным для
выбора
пути дальнейшего проектирования.
Последовательность проектных решений называют маршрутом проектирования. Поиск и выбор
проектных решений представляет собой
творческую сторону процесса проектирования.
Выбранное проектное решение описывают в проектном документе.
Проектная процедура представляет собой некоторое действие по обоснованию проектного
решения. Типовыми проектными процедурами являются синтез и анализ.
Синтез направлен на
формирование облика системы. Он может быть структурным или параметрическим. При
структурном синтезе определяют набор и взаимодействие компонентов системы, формируют
связи между компонентами и описывают функционирование системы в целом. При
параметрическом синтезе определяют количественные характеристики компонентов системы,
например, потребление энергии. Анализ представляет собой проверку вариантов проектных
решений с целью оценки степени их приближения к требованиям технического задания.
X1
Y1
X1
X2
Y2
X2










Ym
Xn
п
а
м
я
т
ь
команды
Y1





процессор
Y2

Ym

Переход от аппаратной к программируемой технике автоматизации заслуживает отдельного
рассмотрения. В обоих случаях на вход устройства управления подают сигналы X 1, X 2, …, X n с
датчиков на объекте управления (рис.2). Устройство управления по заданному алгоритму
вырабатывает команды управления объектом Y1, Y2,…., Ym.
X1
Y1
X1
X2
Y2
X2










Xn
Ym
а)
Xn
п
а
м
я
т
ь
команды
Y1





процессор
Y2

Ym

б)
Рис. 2 . Устройство автоматического управления:
а – аппаратное; б – программное
Аппаратное устройство управления (рис. 2 , а) выполнено путем жесткого соединения элементов
на плате в соответствии с заданным алгоритмом управления. Элементы работают параллельно.
При изменении объекта или алгоритма управления приходится создавать новое устройство
управления, поскольку перемонтаж элементов на плате требует больших затрат. Это препятствует
модернизации устройств управления и увеличению уровня автоматизации. Задача
проектирования аппаратного устройства управления состоит в конструировании электронной
платы, на которой в соответствии с электрической схемой размещают и соединяют элементы.
Главным является размещение элементов так, чтобы избежать пересечений соединительных
дорожек между элементами.
Программное устройство управления (рис. 2 ,б) имеет универсальную структуру из
микропроцессора, постоянной и оперативной памяти, устройств ввода и вывода сигналов. Его
привязку к конкретному объекту автоматизации осуществляют путем записи соответствующего
алгоритма управления в запоминающее устройство. При изменении объекта или алгоритма
управления достаточно переписать программу управления. Массовый выпуск программных
устройств управления позволил снизить их стоимость и повысить надежность. Функциональные
возможности перепрограммируемых устройств постоянно расширяются, а размеры уменьшаются.
Программное обеспечение все больше приспосабливают к непрограммирующему пользователю,
знающему особенности управления объектом.
Автоматизированные системы делят на две группы:
 встраиваемая автоматизированная система, находящаяся внутри объекта производства;
 распределенная автоматизированная система, связывающая рассредоточенные в
пространстве единицы производственного ого оборудования.
Как для встраиваемой, так и для распределенной автоматизированных систем убытки от
ошибок проектирования увеличиваются с повышением производительности объекта
производства.
При несистемном подходе к проектированию сначала разрабатывают элементы системы, из
которых впоследствии компонуют систему в целом (рис. 3,а). В системе некоторые элементы
могут не
согласовываться друг с другом или не обеспечивать достижение цели
функционирования системы, поэтому их приходится изменять.
Система
Элементы
а)
Система
идея
разработка
Время
компоновка
Элементы
б)
Время
Рис. 3 . Несистемный (а) и системный (б) подходы к проектированию автоматизированной
системы
Системный подход отличается тем, что сначала формируют концепцию системы в целом
(рис. 3 ,б). Затем разбивают систему на подсистемы и разрабатывают их в соответствии с
концепцией системы. Каждую подсистему разрабатывают из элементов в соответствии с
концепцией подсистемы. После разработки подсистем их объединяют в автоматизированную
систему.
Сравним оба подхода на примере развития города. При несистемном подходе сначала строят
здания в удобных местах, затем определяют положение улиц. При системном подходе сначала
разрабатывают план города с будущими улицами, затем строят здания вдоль улиц.
Системный подход к проектированию автоматизированной системы заключается в том, что
проектировщик должен учитывать:
динамику взаимодействия системы с надсистемой и
подсистем внутри системы; предысторию и перспективы развития системы; экологические и
информационные аспекты функционирования системы; возможность изменения исходных данных
и цели функционирования системы; развитие технических средств автоматизации; уровни знаний
и технологии; развитие возможностей оборудования.
Для проектирования с помощью САПР необходимо обеспечить техническую, математическую,
программную, информационную, лингвистическую, методическую и организационную
поддержку процесса проектирования .
Техническое обеспечение
Технические средства САПР должны обеспечивать выполнение необходимых проектных
процедур, поддержку человеко-машинного диалога, взаимодействие между исполнителями.
Основным компонентом технического обеспечения САПР является рабочая станция (Workstation),
которая объединяет компьютер, периферийные устройства и программное обеспечение. В отличие
от персонального компьютера, рабочие станции предназначены для решения группой
проектировщиков ограниченного круга задач проектирования. Например, рабочая станция для
проектирования изделий машиностроения должна обеспечивать выполнение процедур машинной
графики. Рабочую станцию, установленную на рабочем месте проектировщика, называют
автоматизированным рабочим местом проектировщика (АРМ). В зависимости от уровня
решаемых задач различают АРМ конструктора, технолога и руководителя проекта.
Распределенные в пространстве рабочие станции связаны информационной сетью,
представляющей собой коммуникационную сеть, в которой генерируется, перерабатывается и
используется информация. Информационную сеть, узлами которой являются персональные
компьютеры, называют . вычислительной сетью Рабочие станции, объединенные в
вычислительную сеть, обеспечивают взаимодействие проектировщиков и совместное
использование программных, аппаратных и информационных ресурсов вычислительной сети.
Локальная вычислительная сеть ЛВС ( LAN- Lokal Area Network) объединяет рабочие станции
проектировщиков, размещенные в соседних комнатах. Вычислительную сеть, объединяющую
десятки рабочих станций в разных подразделениях крупной проектной организации, называют
корпоративной. Если совместно работающие проектировщики находятся в разных городах, то
корпоративная сеть становится территориальной. Ее называют ( WAN- Wide Area Network).
Для обеспечения диалога проектировщика с компьютером необходимы программы человекомашинного интерфейса, средства подготовки, ввода, отображения и документирования данных.
Для ввода графической информации применяют дигитайзер (кульман, по которому можно
двигать считывающее устройство с кнопкой) или сканер. Для вывода информации используют
принтер или плоттер (для листов с большими размерами).
Математическое обеспечение
Представляет собой математические модели проектируемых объектов, методы и алгоритмы
выполнения проектных процедур. На микроуровне математические модели непрерывных систем
представляют собой дифференциальные уравнения в частных производных или передаточные
функции. Уравнения решают методом конечных разностей или методом конечных элементов,
например, для оценки распределения нагрузок в механической системе. На макроуровне
математическая модель имеет одну независимую переменную, например реальное время. При
этом систему рассматривают как одно целое.
В качестве аппарата моделирования дискретных процессов используют теорию конечных
автоматов, теорию массового обслуживания или сети Петри.
Программное обеспечение
Различают общесистемное, базовое и прикладное программное обеспечение (ПО).
Общесистемным ПО является операционная система, принятая в проектной организации. Она
обеспечивает управление каталогами и файлами, управление ресурсами, связь проектировщиков
в вычислительной сети, защиту от несанкционированного доступа, обеспечение
отказоустойчивости, управление сетью. Базовое ПО содержит набор программ человекомашинного интерфейса, позволяющих работать с прикладными программами. Прикладное ПО
предназначено для выполнения однотипных проектных процедур.
Интеграция программного обеспечения осуществляется одним из двух способов:
 автоматизированное проектирование с типовыми проектными процедурами и
маршрутами проектирования;
 объектно-ориентированное проектирование, при котором формируют шаблоны
проектирования, обладающие свойствами наследования, полиморфизма, инкапсуляции и
абстрагирования.
Информационное обеспечение
Проектировщик ищет в базе данных справочную информацию о материалах, комплектующих,
типовых решениях, параметрах элементов, состоянии текущих разработок и использует ее для
решения своих задач. Так, при проектировании автоматизированных систем в качестве
информационного обеспечения используются характеристики технических средств
автоматизации, имеющихся в базе данных. Их разделяют по видам, технологическим задачам,
техническим характеристикам, входным и выходным переменным, степени стандартизации,
производителю, стоимости, размерам и другим показателям.
Лингвистическое обеспечение
Представляет собой средства общения проектировщика с компьютером. Это программы связи
естественного языка с машинным, обеспечивающие правильное восприятие естественных
понятий машиной и машинных понятий проектировщиком.
Методическое обеспечение
Представляет собой совокупность документов, в которых описывают структуру и правила
применения САПР проектировщиком.
Организационное обеспечение
В САПР должны быть положения, инструкции, приказы, штатные расписания,
квалификационные требования и другие документы, регламентирующие взаимодействие
проектных подразделений с САПР и ее обслуживающим персоналом.
Лекция 2 ( 2 часа).
Развитие систем и средств управления. Структура компьютерно-интегрированного производства.
Организация проектных работ. Методы генерирования, выбора и проверки проектных решений.
Задачи технического, лингвистического, программного и информационного обеспечения систем
автоматизированного проектирования.
Лекция 3 ( 2 часа).
Отличия автоматизированного проектирования управляющих систем. Языки программирования
систем управления LD, FBD, IL, ST, SFC. Среды автоматизированного программирования систем
управления СoDeSys, Concept, IsaGraf, UltraLogiс.
Лекция 4 ( 2 часа).
Моделирование систем управления с помощью САПР. Объектно-ориентированный подход и
шаблоны проектирования. Автоматизация конструкторского и технологического проектирования
систем управления. Концепции CAD/CAM, CASE, CALS. Автоматизация испытаний систем
управления.