2.2. Задачи проектирования

Проектирование систем представляет собой высокоинтеллектуальное занятие, творчество, требующее применения разнообразных знаний. Задачей инженерного проектирования является разработка, при некоторых ограничениях, обусловленных способом решения, систем (элементов, процессов), обеспечивающая оптимальное выполнение поставленной задачи при некоторых ограничениях, накладываемых на решение.

Основными ограничениями, помимо физических, являются: наличие знаний (навыков), в том числе технологических, наличие необходимых материалов и комплектующих элементов и устройств, возможности имеющегося лабора-торного и производственного оборудования, имеющаяся вычислительная техника и сроки проектирования.

На последнем ограничении следует остановиться особо. При современных, все ускоряющихся темпах научного и технического прогресса предельное сокращение сроков проектирования становится одним из главных требо-ваний к процессу проектирования.

Действительно, при увеличении сроков проектирования, новизна и ориги-нальность решений, используемых в проекте, теряются. Еще не будучи осуществленным, проект может морально устареть и потерять смысл. Поэтому быстротечность процесса проектирования, иными словами динамика этого процесса, становится одной из главных его характеристик.

Важнейшей задачей проектирования является разработка и отработка полного комплекта технической документации на систему. Эта докумен-тация, с одной стороны, должна обеспечивать возможность промышленного изготовления системы, отвечающей заданным требованиям, и, с другой стороны, – обеспечивать надежную эксплуатацию системы в заданных условиях.

В любой воображаемой вами схеме предельное количество абстрактных сущностей будет стремится к пределу объема сверхоперативной памяти. Это означает, что существует физический предел сложности проектирования систем, имеющий в основе ограничение на уровне сознания разработчика.

В результате проектирования выпускается большой объем технической документации, состав которой в нашей стране определяется системой ГОСТов.

Эти ГОСТы можно условно разделить на три группы:

1. стандарты на правила разработки и классификации конструкторских документов;

2. стандарты на правила выполнения и оформления конструкторских документов;

3. стандарты на правила обращения и использования конструкторских документов.

Техническую документацию, выпускаемую в процессе проектирования, подразделяют на следующие категории:

• схемную;

• конструкторскую;

• монтажную;

• текстовую;

• технологическую;

• эксплуатационную.

Если схемная, конструкторская, монтажная и текстовая документации являются отражением идей и принципов, заложенных в систему при ее проектировании, и отвечают на вопрос, что должно быть изготовлено, то технологическая документация дает представление о методах и средствах изготовления системы.

Эксплуатационная документация, как правило, включает в себя основные документы схемной, конструкторской и текстовой документации и должна обеспечивать грамотную эксплуатацию системы.

Проектирование чего бы то ни было ( образцов машин, оборудования, устройств, аппаратов, приборов и других изделий) представляет сложный и длительный процесс, включающий в себя разработку исходных данных, чертежей, технической документации, необходимых для изготовления опытных образцов и последующего производства и эксплуатации объектов проектирования.

Проектирование - это комплекс работ с целью получения описаний нового или модернизируемого технического объекта, достаточных для реализации или изготовления объекта в заданных условиях. В процессе проектирования возникает необходимость создания описания, необходимого для построения еще не существующего объекта. Получаемые при проектировании описания бывают окончательными или промежуточными. Окончательные описания представляют собой комплект конструкторско-технологической документации в виде чертежей, спецификаций, программ для ЭВМ и автоматизированных комплексов и т.д.

Представления о сложных технических объектах в процессе их проектирования разделяются на аспекты и иерархические уровни.

Аспекты характеризуют ту или иную группу родственных свойств объекта. Типичными аспектами в описаниях технических объектов являются:

-функциональный,

- конструкторский;

- технологический.

Функциональный аспект отражает физические и информационные процессы, протекающие в объекте при его функционировании.

Конструкторский аспект характеризует структуру, расположение в пространстве и форму составных частей объекта.

Технологический аспект определяет технологичность, возможности и способы изготовления объекта в заданных условиях.

Процесс проектирования, осуществляемый полностью человеком, называют неавтоматизированным. В настоящее время наибольшее распространение при проектировании сложных объектов получило проектирование, при котором происходит взаимодействие человека и компьютерной техники. Такое проектирование называют автоматизированным. Система автоматизированного проектирования - это организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации и выполняющая автоматизированное проектирование.

Проектирование делится на стадии, этапы и процедуры. Выделяют стадии научно-исследовательских работ (НИР), опытно-конструкторских работ (ОКР), эскизного проекта, технического проекта, рабочего проекта, испытаний опытного образца.

Проектное решение - описание объекта или его части, достаточное для принятия заключения об окончании проектирования или путях его продолжения.

Проектная процедура - часть проектирования, заканчивающаяся получением проектного решения. Проектные процедуры делятся на процедуры синтеза и анализа.

Процедура синтеза заключается в создании описаний проектируемого объекта. В описаниях отображаются структура и параметры объекта (т.е. осуществляется структурный и параметрический синтез).

Процедура анализа - исследование объекта. Собственно задача анализа формулируется как задача установления соответствия двух различных описаний одного и того же объекта. Одно из описаний считается первичным, и его корректность предполагается установленной. Другое описание относится к более подробному уровню иерархии, и его правильность нужно установить сопоставлением с первичным описанием. Такое сопоставление называют верификацией. Существует два метода верификации проектных процедур: аналитический и численный

Проектирование как отдельных объектов, так и систем начинается с выработки технического задания (ТЗ) на проектирование. В ТЗ содержатся основные сведения об объекте проектирования, условиях его эксплуатации, а также требования, предъявляемые заказчиком к проектируемому изделию. Важнейшее требование к ТЗ - это его полнота. Выполнение этого требования определяет сроки и качество проектирования.

В процессе проектирования сложной системы формируются определенные представления о системе, отражающие ее существенные свойства с той или иной степенью подробности. В этих представлениях можно выделить составные части - уровни проектирования. В один уровень, как правило, включаются представления, имеющие общую физическую основу и допускающие для своего описания использование одного и того же математического аппарата. Уровни проектирования можно выделять по степени подробности, с какой отражаются свойства проектируемого объекта. Тогда их называют горизонтальными (иерархическими) уровнями проектирования.

Выделение горизонтальных уровней лежит в основе блочно-иерархического подхода к проектированию. Горизонтальным уровням свойственно следующее:

• при переходе с некоторого уровня К1, на котором рассматривается система S, на соседний, более низкий уровень К2 происходит разделение системы S на блоки и рассмотрение вместо системы S ее отдельных блоков;

• рассмотрение каждого из блоков на уровне К2 с большей степенью детализации, чем на уровне К1, приводит к получению задач приблизительно одинаковой сложности с точки зрения возможностей восприятия человеком и возможностей решения с помощью имеющихся средств проектирования;

• использование своих понятий системы и элемента на каждом иерархическом уровне, т.е. если элементами проектируемой системы S считались блоки S_k, то на соседнем, низшем уровне К2 те же блоки S_k рассматриваются уже как системы.

Уровни проектирования можно выделять также по характеру учитываемых свойств объекта. В этом случае их называют вертикальными уровнями проектирования. При проектировании устройств автоматизации основными вертикальными уровнями являются функциональное (схемное), конструкторское и технологическое проектирования. При проектировании автоматизированных комплексов к этим уровням добавляется алгоритмическое (программное) проектирование.

Функциональное проектирование связано с разработкой структурных, функциональных и принципиальных схем. При функциональном проектировании определяются основные особенности структуры, принципы функционирования, важнейшие параметры и характеристики создаваемых объектов.

Алгоритмическое проектирование связано с разработкой алгоритмов функционирования ЭВМ и вычислительных систем (ВС), с созданием их общего системного и прикладного программного обеспечения.

Конструкторское проектирование включает в себя вопросы конструкторской реализации результатов функционального проектирования, т.е. вопросы выбора форм и материалов оригинальных деталей, выбора типоразмеров унифицированных деталей, пространственного расположения составных частей, обеспечивающего заданные взаимодействия между элементами конструкции.

Технологическое проектирование охватывает вопросы реализации результатов конструкторского проектирования, т.е. рассматриваются вопросы создания технологических процессов изготовления изделий.

Для этапа НИР целесообразно использование специальных систем автоматизации научных исследований и экспериментов. В этих системах используются многие элементы математического и программного обеспечения системы проектирования, обслуживающие другие этапы проектирования.

В ТЗ на разработку тех или иных продуктов входят: перечисление функций, выполняемых устройством; условия работоспособности устройства, требования к его выходным параметрам, данные о содержании и форме информации, которой данное устройство обменивается с другими устройствами системы. Кроме того, на этапе функционального проектирования устройств уже известно принятое на этапе предварительного проектирования решение относительно характера элементной базы.

При нисходящем проектировании связь иерархических уровней проявляется через формирование ТЗ на разработку элементов с учетом требований, предъявляемых к системе.

При восходящем проектировании разработка элементов предшествует разработке системы, поэтому обычно ТЗ на элементы формируются на основе мнений экспертов на том же уровне, на каком эти элементы проектируются. Связь между уровнями проявляется прежде всего в том, что при проектировании системы учитываются свойства уже спроектированных элементов через использование макромоделей элементов.

Заключительный этап - изготовление опытного образца, по результатам испытаний которого вносят необходимые изменения в проектную документацию.

Теперь необходимо ввести понятие системы

Система – некоторое множество взаимосвязанных элементов, обла-

дающее свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов.

Или более подробно - это объединение разнородных элементов с опреде-

ленной целью, образующее в результате объединения новые связи между

элементами и новые (системные) свойства, которыми не обладает ни один

из составляющих систему элементов.

Технические системы (ТС) - это научно-технические объекты.

Организационные системы (ОС) (или системами административного менеджмента – САМ) – это промышленные предприятия и научно-производственные комплексы, научно-исследовательские и опытно-конструкторские центры, комбинаты бытового обслуживания и транспортно-экспедиционные агентства, фирмы и корпорации и т.п.

Технические объекты (ТО). - это совокупности взаимосвязанных элементов по пространственному признаку

В составе проекта разрабатывается следующая документация:

1. структурная схема управления и контроля (для сложных систем управления);

2. структурная схема комплекса технических средств (КТС);

3. структурные схемы комплексов средств автоматизации;

4. функциональные схемы автоматизации технологических процессов. Для объектов с несложным технологическим процессом и простыми системами автоматизации допускается вместо функциональных схем автоматизации составлять перечни параметров контроля, регулирования, управления и сигнализации;

5. планы расположения щитов, пультов, средств вычислительной техники и т.д.;

6. заявочные ведомости приборов и средств автоматизации, средств вычислительной техники, электроаппаратуры, трубопроводной арматуры, щитов и пультов, основных монтажных материалов и изделий, нестандартизированного оборудования;

7. технические требования на разработку нестандартизированного оборудования;

8. локальная смета на монтажные работы, приобретение и монтаж технических средств систем автоматизации;

9. пояснительная записка, содержащая краткое описание, принятых в процессе проектирования решений;

10. задания генпроектировщику (смежным организациям или заказчику) на разработки, связанные с автоматизацией объекта:

-на обеспечение средств автоматизации электроэнергией, сжатым воздухом, гидравлической энергией, теплоносителями, хладагентами (требуемых параметров); на теплоизоляцию трубных проводок и устройств;

-на проектирование помещений систем автоматизации (для установки щитов, пультов, средств вычислительной техники, датчиков и т.д.), а также помещений для работы оперативного персонала, кабельных сооружений (туннелей, каналов, эстакад и т.д.), проемов и закладных устройств в строительных конструкциях;

-на обеспечение средствами производственной связи;

-на размещение и установку на технологическом оборудовании и трубопроводах закладных устройств, первичных приборов, регулирующих и запорных органов и т.п.;

-на устройства пожаротушения и пожарной сигнализации.

Перечисленные задания к проекту не прикладываются, а передаются генпроектировщику (заказчику) в процессе проектирования для согласования и исполнения. Копии заданий хранятся в деле проекта.[3]

Технико-экономическое обоснование (ТЭО) - документ по обоснованию целесообразности и эффективности инновационного проекта на прединвестиционной стадии разработки. В пределах ТЭО детализируются и уточняются решения, которые были приняты на стадиях предпроектного обоснования инвестиций: технологические, проектные, конструктивные, природоохранные; возможность правовой охраны инноваций; экологическая эффективность и социальные последствия.