19Рис.4.8. Автоматизированное рабочее место технолога

В

Рис. 2.4.9 Вид автоматизированного рабочего места

зависимости от своей проблемной ориентации на практике используется АРМ – исследователя; АРМ - конструктора; АРМ – технолога и т. п. Конкретный состав всех используемых в составе АРМов технических средств рассматривать нет необходимости, так как он слишком быстро меняется в соответствии с развитием СВТ. Основой его в настоящее время чаще всего является ПЭВМ (персональная ЭВМ).

Для завершения общего представления о принципиальном составе технических средств автоматизации инженерной подготовки производства необходимо рассмотреть – средства обеспечения коллективной работы различных АРМ.

Теоретические аспекты потребности совместной работы различных АРМ будут описаны далее. В рамках данного раздела будут рассмотрены только технические аспекты проблемы.

Основным понятием при описании технических решений в области обеспечения совместной работы различных АРМ является ЛВС – локальная вычислительная сеть. Объединенные в рамках ЛВС рабочие места обеспечивают потребителю возможность пользоваться любой информацией, имеющейся в памяти ПВМ всех АРМов, входящих в состав ЛВС, и, соответственно, передавать данные, полученные ими в процессе работы, любому пользователю из состава сети. Обеспечивается это путем объединения вычислительных (системных) блоков ПЭВМ всех АРМов специальной кабельной связью и включения в состав сети так называемых файловых станций.

К

Рис. 2.4.10 Коаксиальный кабель

абельная связь представляет собой моноканал (иначе, шину) на основе коаксиального кабеля с сопротивлением 50 Ом (рис. 2.4.10). В качестве файловых станции (серверов) используются мощные персональные ЭВМ, на которых хранятся наборы данных, предназначенные для общего пользования, а также программное обеспечение управления работой сети.

По своему конструктивному устройству сети отличаются видом топологии [18]. Топология ЛВС - это усредненная геометрическая схема соединений узлов сети. В принципе, топологии вычислительных сетей могут быть самыми различными, но для локальных вычислительных сетей ЭВМ, применяемых в сфере автоматизации инженерной деятельности, типичными являются всего три: кольцевая, шинная, звездообразная (иногда для упрощения используют термины - кольцо, шина и звезда). Каждая компьютерная сеть представляет собой совокупность узлов, где узел - любое устройство, непосредственно подключенное к передающей среде сети.

К

Рис. 2.4.11 Сеть кольцевой топологии

ольцевая топология предусматривает соединение узлов сети замкнутой кривой - кабелем передающей среды (рис. 2.4.11).

Выход одного узла сети соединяется с входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу. Каждый промежуточный узел между передатчиком и приемником ретранслирует посланное сообщение. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения.

Кольцевая топология лучше всего подходит для сетей, занимающих сравнительно небольшое пространство. В ней отсутствует центральный узел, что повышает надежность сети. Ретрансляция информации позволяет использовать в качестве передающей среды любые типы кабелей. В то же время последовательная дисциплина обслуживания узлов такой сети снижает ее быстродействие, а выход из строя одного из узлов нарушает целостность кольца и требует принятия специальных мер для сохранения тракта передачи информации.

Ш

инная топология - одна из наиболее простых (рис. 2.4.12).

Рис. 2.4.12 Сеть шинной топологии

Она основана на использовании в качестве передающей среды только коаксиального кабеля. Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не транслируют поступающих сообщений. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано. Дисциплина обслуживания параллельная. Это обеспечивает высокое быстродействие ЛВС, а также возможность простого наращивания, конфигурирования и адаптации к различным системам. Помимо этого, сеть шинной топологии устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов. Данный вид сетей достаточно широко распространен в сфере автоматизации инженерной деятельности.

З

Рис. 2.4.13 Сеть звездообразной топологии

вездообразная топология (рис. 2.4.13) базируется на концепции центрального узла, к которому подключаются периферийные узлы.

Каждый периферийный узел имеет свою отдельную линию связи с центральным узлом. Вся информация передается через центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети. Звездообразная топология значительно упрощает взаимодействие узлов ЛВС друг с другом, позволяет использовать более простые сетевые адаптеры. В то же время работоспособность ЛВС со звездообразной топологией целиком зависит от центрального узла.

В реальных вычислительных сетях могут использоваться более сложные топологии, представляющие в некоторых случаях сочетания рассмотренных.

Важной характеристикой особенностей работы ЛВС являются реализуемые методы доступа к передающей среде. Существуют два основных класса методов доступа: детерминированные, недетерминированные.

При детерминированных методах доступа передающая среда распределяется между узлами с помощью специального механизма управления, гарантирующего передачу данных узла в течение некоторого, достаточно малого интервала времени. Наиболее распространенными детерминированными методами доступа являются методы опроса и передачи права. Метод опроса используется преимущественно в сетях звездообразной топологии. Метод передачи права применяется в сетях с кольцевой топологией. Он основан на передаче по сети специального сообщения – маркера (служебное сообщение определенного формата, в которое абоненты сети могут помещать свои информационные пакеты).

Недетерминированные – случайные методы доступа предусматривают конкуренцию всех узлов сети за право передачи.

В большинстве случаев в ПЭВМ, применяющихся для автоматизации инженерной деятельности в составе АРМ или ЛВС, используются так называемые арифметические процессоры. Данный тип процессоров технически предназначен для выполнения (путем моделирования энергетического сложения информационных единиц) вычислительных операций. Наиболее распространенными видами арифметических процессоров сегодня являются процессоры типа intel и pentium.

Основной технической характеристикой процессора является быстродействие. Под быстродействием чаще всего понимается количество операций, которое процессор может выполнить в одну секунду. Однако время выполнения различных операций может довольно сильно разниться. Поэтому под быстродействием фактически понимается некоторая средняя скорость выполнения смеси из различных операций, взятых в определенной пропорции друг к другу. (Одна из употребляемых для данных целей смесей называется смесью Гибсона. В смеси Гибсона 33 % составляют операции сложения и вычитания с фиксированной запятой; 7,3 % – с плавающей; 0,6% – операции умножения с фиксированной запятой и 4 % – с плавающей; 0,2 % - деление с фиксированной запятой и 1.6% – с плавающей; 53,3 % – все остальные операции).

В

Рис. 2.4.14 Графическая станция

ПЭВМ с арифметическими процессорами решение инженерной задачи осуществляется путем моделирования выполнения проектного решения с помощью вычислительных операций. Особенности этого моделирования и определяют требования к производительности процессора. В рамках рассмотрения проблемы автоматизации инженерной подготовки строительства судов наиболее высокие требования предъявляются к процессорам, обеспечивающим решение задач математического моделирования динамических процессов. Именно в этой области сегодня используются самые производительные процессоры. Подобные задачи решаются в научно-исследовательских институтах при создании новых типов оборудования и технологических процессов. Время просчета одного численного эксперимента иногда достигает 10 – 15 часов работы мощной ПЭВМ. Другой областью применения высокопроизводительных процессоров является работа с насыщенными геометрическими объектами. Подобные задачи возникают, в частности, при автоматизации проектирования судна. Для автоматизации таких задач сегодня используются как ПЭВМ с высокопроизводительными арифметическими процессорами, так и специализированные вычислительные машины, имеющие так называемые графические процессоры. Данные процессоры конструктивно ориентированы на моделирование геометрических объектов и операций работы с ними. В результате скорость выполнения операций по обработке геометрических образов в данных процессорах существенно отличается от скорости решения геометрических задач на ПЭВМ с обычными арифметическими процессорами. Подобные вычислительные машины на практике получили название графических станций (рис. 2.4.14).

По своему внешнему виду они мало чем отличаются от обычных ПЭВМ и могут включаться в состав любой ЛВС в качестве самостоятельной рабочей станции.

Не смотря на сформировавшееся отличие требований к вычислительной мощности процессора в составе различных АРМ, основу их проблемной ориентации обеспечивает состав программного обеспечения, необходимого для решения задач соответствующего раздела инженерной деятельности. Технические особенности формирования программного обеспечения для АРМ описать достаточно сложно. Поэтому далее будет рассмотрен лишь набор основных терминологических определений, которые применяются для характеристики программного обеспечения различных АРМ.

2.4.2

Основные виды типового программного обеспечения для решения инженерных задач

Реализация всех процессов работы с информацией осуществляется с помощью программного обеспечения, сущность которого состоит в том, что с его помощью описываются алгоритмы решения задач в форме элементарных действий с единицами информации. Как было показано в п.2.2.7, программное обеспечение – это управляющая программа обработки информационных единиц (исходных данных) на автомате, которым является процессор – часть ЭВМ.

Используя аналогию с человеком, можно сказать, что процессор – это мозг (его материальная составляющая), а программное обеспечение – знания (энергетическое состояние нейронов – запоминающих элементов мозга).

Для того, чтобы ЭВМ могла понимать пользователя (общаться с ним в принципе), она снабжается специальным программным обеспечением, которое обеспечивает возможность восприятия ею команд, подаваемых с пульта управления, различные варианты настройки на работу, чтение исходных данных и заданий на запоминание программ действий, которые предполагает выполнять пользователь. Для подобной работы в память компьютера (еще на стадии приобретения) заводится общесистемное программное обеспечение, которое применительно к современным ПЭВМ называется DOS – (дисковая операционная система).

В мозгу у новорожденного младенца имеются знания, которые позволяют ему сосать грудь матери, подавать сигналы о своем состоянии (плакать) и выполнять все начальные физиологические действия. Для компьютера DOS – это то же самое. Он уже живет, с ним можно общаться на примитивном уровне, но он еще ничего не умеет делать как специалист; у него нет проблемной ориентации.

Для решения задач, ориентированных на конкретные особенности обработки информации, в компьютер с помощью DOS вводится (записывается в память) прикладное программное обеспечение. Оно продается отдельно от компьютера, а его состав для генерации (установки) на конкретном компьютере определяется в зависимости от потребностей пользователя.

Прикладное программное обеспечение в самом общем виде можно подразделить на типовое (универсальное) и проблемно-ориентированное.

Наиболее показательными примерами типового программного обеспечения являются текстовый и графический редакторы.

Текстовые редакторы создаются как универсальные программные системы, обеспечивающие ввод в ЭВМ, редактирование, хранение и отображение различной текстовой информации. Очевидно, что подобные задачи встречаются на всех этапах инженерной деятельности. Поэтому данное программное обеспечение является универсальным средством автоматизации инженерной подготовки производства в целом (и не только ее). В настоящее время применяются различные текстовые редакторы. Однако наибольшее распространение сегодня получил текстовый редактор Microsoft Word. Данный редактор позволяет осуществлять практически любой набор операций, связанных с созданием текстовых документов, их хранением, отображением и передачей, независимо от их проблемной ориентации.

Именно с помощью этого редактора подготовлена данная монография, включая текст и оформление в тексте всех рисунков.

Основное преимущество, которое предоставляют текстовые редакторы по сравнению с ручными вариантами подготовки документов (например, с помощью печатающей машинки) является значительное снижение трудоемкости их переиздания в случаях необходимости внесения в них каких-либо изменений. Обеспечивается это тем, что один раз введенные в ЭВМ документы могут храниться затем в ее памяти. В варианте возникновения необходимости отредактировать содержание любого из них он просто «вызывается» на экран монитора и корректируется с использованием алфавитно-цифровой клавиатуры. Последующее переиздание (печать) нового документа будет выполнено автоматически с помощью подключенного к ЭВМ печатающего устройства. Помимо корректировки значительное снижение трудоемкости при подготовке документов обеспечивают возможности формирования новых документов из отдельных фрагментов документов, уже введенных в память ЭВМ путем их автоматического слияния. При этом особые удобства и высокое качество обеспечивают имеющиеся в составе редакторов средства введения в текст любой графической информации и иллюстраций.

Для разработки чертежей и обработки различной геометрической информации существует широкий ряд графических редакторов. В области инженерных приложений в качестве наиболее распространенного сегодня используется графический редактор AutoCAD. Данная программная система позволяет осуществлять ввод в ЭВМ информации о геометрических объектах и операциях геометрического построения, формировать компьютерные модели геометрических объектов в соответствии со сложившимися в мировой практике принципами, осуществлять широкий набор операций редактирования геометрических объектов, включая решение задач формирования сложных графических комплексов из отдельных структурных единиц.

В общем случае возможности современных графических редакторов позволяют реализовывать с их помощью широкий спектр задач, связанных с автоматизацией выпуска чертежей и различной графической документации для реальных объектов производства. Однако, как будет показано далее, чаще, в рамках инженерной подготовки производства, для данных целей применяются специализированные программные системы, построенные на основе использования типовых графических редакторов.

К разряду типового программного обеспечения, имеющего общеинженерное программное применение, можно отнести и редакторы электронных таблиц и системы работы с базами данных.

Смысл проблемной ориентации редакторов электронных таблиц состоит в том, что они позволяют автоматизировать обработку, хранение, редактирование любой группы информационных единиц, логические связи между которыми можно описать в виде таблицы. Подобные задачи встречаются одинаково часто как у ученых, так и у конструкторов и технологов. Из имеющихся на рынке редакторов электронных таблиц наибольшее распространение сегодня получил редактор Excel.

Текстовый редактор дает возможность описывать данные в форме таблиц, но при этом содержание адресных ячеек таблицы должно быть постоянным.

В электронной таблице (формируемой средствами Excel) содержание каждой ячейки может быть описано либо через аргумент (значение какой-либо величины, рассчитываемой в процессе решения задачи), либо как результат выполнения математических и логических действий с любыми элементами таблицы. В таком виде электронная таблица является фактически программой обработки любого набора данных.

Что касается сути программного обеспечения редакторов баз данных, то с их помощью решаются любые задачи, связанные с организацией, быстрым поиском и обеспечением высокого сервиса отображения больших объемов информации. Редактор баз данных – это автоматический архив.

Очевидно, что подобные задачи также актуальны для самых различных областей инженерной деятельности.

С помощью унифицированного программного аппарата баз данных создаются проблемно-ориентированные архивы данных и системы работы автоматизированной работы с ними. Достаточно часто – это сложные информационно-программные комплексы, которые на практике называют Банками данных.

Рынок типового программного обеспечения постоянно растет. Однако направления его развития рассматривать нет смысла. Используя аналогию с мозгом человека, можно сказать, что типовое программное обеспечение – это общее образование (10 классов) для инженера. Для того, чтобы использовать его для решения конкретных прикладных задач, инженеру необходимо самому, на основании профессиональных знаний, полученных в процессе обучения в университете, придумать способ его применения как автоматизированной машины по обработке информации.

В процессе практической деятельности любому инженеру приходится в основном решать различные задачи, связанные как с редактированием или разработкой текстовых документов, так и с обработкой табличных данных, либо выборкой данных из накопленного массива промежуточных результатов работ. В варианте автоматизированного решения таких задач с помощью ЭВМ, в каждом из случаев он должен прибегать к использованию различного типового программного обеспечения. В соответствии с особенностями работы ЭВМ, прежде чем начать работу по обработке данных, нужно ввести в память ЭВМ соответствующее типовое программное обеспечение. Ранее, если инженеру в процессе решения какой-либо задачи сначала требовалось сформировать текст документа, затем обработать таблицу данных, которые, в свою очередь, он должен был выбрать среди хранящихся в базе данных памяти ПЭВМ, а затем включить в документ рисунок, он должен был последовательно с помощью обращения к программному обеспечению DOS загружать в ПВМ и чистить память перед каждой новой загрузкой соответственно: текстовый редактор, затем редактор баз данных, редактор электронных таблиц и графический редактор. Данная процедура достаточно трудоемка и требует высокой квалификации пользователя. Для того, чтобы облегчить (автоматизировать) труд пользователя по одновременному использованию различных программных продуктов, сегодня над системой DOS созданы специальные программные средства, обеспечивающие автоматическую перезагрузку с ее помощью различных программных продуктов без участия человека. Подобные программные средства классифицируются как операционные системы (программные оболочки), основным представителем которых сегодня является система Windows.

Варианты, когда программное обеспечение имитирует знания, полученные в институте и в результате практической деятельности, реализуются с помощью специального прикладного проблемно-ориентированного программного обеспечения. К такого рода программным продуктам относится, например, система моделирования поведения конструкций в результате силового воздействия (в частности, система ANSYS). В основе алгоритмов решаемых ею задач лежат теория конечных элементов и другие положения науки о поведении конструкций. Для выполнения исследований с помощью подобного программного обеспечения нет необходимости придумывать способ его применения, а требуется только выполнение определенной настройки и подготовка исходных данных в соответствии с требованиями конкретного раздела программного обеспечения.

Д

Рис. 2.4.15 Моделирование технологии гибки с помощью программного комплекса ANSYS

ля исследования технологии гибки листовой заготовки с помощью системы ANSYS пользователю достаточно описать только схему гибки, а форму согнутой заготовки и основные физико-механические параметры зон пластической деформации система будет рассчитывать с помощью специальных алгоритмов, к

оторые являются областью знаний «инженера г ибщика» (рис. 2.4.15).

П

Рис. 2.4.15 Моделирование технологии гибки листов с помощью системы ANSYS

римером проблемно-ориентированного программного обеспечения для автоматизации задач проектирования и технологической подготовки производства являются программные системы типа CAD/CAM (от англ. Computer Aided Design/ Computer Aided Manufactoring). Более подробно особенности данного вида программного обеспечения будут рассмотрены во второй части.

Для автоматизации специальных задач из области управления и организации производства создаются программные системы управления проектами. Программное обеспечение систем управления проектами обеспечивает возможность выполнения автоматического анализа различных вариантов организации выполнения работ по созданию продукции на основе анализа текущего состояния и просчет рационального варианта. Системы управления проектами в наибольшей степени подходят для автоматизации труда инженеров, занимающихся организацией и управлением производства (труда управленческого аппарата). Поэтому его также можно отнести к разряду проблемно-ориентированных.

Принцип работы системы управления проектами сводится к тому, что с ее помощью все этапы выполнения работ описываются в виде логически увязанных событий на временной оси – в форме так называемого исходного расписания. В качестве логических связей используются такие логические конструкции, как: «Работа В не может быть начата пока не будет закончена работа А» или «работа В может быть начата через 10 дней после того как будет закончена работа А» и т. п. В процессе выполнения работы исходное расписание дополняется данными о законченных этапах и возникших изменениях в условиях реализации проекта, например, изменения срока завершения какого-либо этапа по объективным причинам. После введения в текущее расписание необходимой корректировки система автоматически просчитает, что произойдет со сроком окончания проекта в целом, и может дать рекомендации о том, какие дополнительные ресурсы следует подключить для того, чтобы проект был выполнен вовремя или дать качественную оценку трудоемкости работ по любому из этапов реализации проекта. Помимо чисто интеллектуальной поддержки руководителя работ по реализации проекта, система позволяет выпускать практически любой набор отчетной документации. В настоящее время одной из наиболее применяемых систем управления проектами является система Microsoft Project.

Необходимо отметить, что в большинстве случаев проблемно-ориентированные программные системы создаются на основе использования типового программного обеспечения, путем его определенной адаптации. В частности, программное обеспечение современных CAD/CAM систем в значительной степени создавалось на основе развития графического редактора AutoCAD, современных баз данных и текстовых редакторов.

2.4.3

Основные автоматизированные системы выполнения инженерной подготовки производства

Процесс создания судна, как и любой производственной продукции, включает в качестве организационно-технических этапов:

А – научные исследования, связанные с поиском конструктивных, технологических и т. п. решений, удовлетворяющих постоянно изменяющимся требованиям функции цели;

Б – проектирование образа (проекта) производимой продукции и выпуск всей необходимой конструкторской документации (формирование отображения спроектированного образа продукта);

В – технологическая подготовка производства – как обеспечение функции настройки производства на изготовление конкретной продукции;

Г – материально-энергетическое обеспечение и техническая подготовка производства как реализация функции поддержания производства;

Д – непосредственное управление выполнением производственных процессов.

Этап А выполняется в научно-исследовательском институте учеными. При этом здания, лабораторное оборудование и собственно ученые все вместе представляют собой систему выполнения научных исследований (СНИ).

Этап Б выполняется в конструкторских бюро - конструкторами. Любое КБ и конструкторы являются работопроизводящей системой выполнения проектных работ (СПР).

Технологическая подготовка производства выполняется работопроизводящей системой ТПП (СТПП), а организация выполнения управления процессом работ системой управления производством – СУП.

Внедрение вычислительной техники в состав приведенных работопроизводящих систем привело к тому, что ряд проектных процедур и процедур отображения информации в рамках структурных составляющих инженерной подготовки производства стал решаться с использованием СВТ. В результате, указанные выше организационно-технические работопроизводящие системы приобрели качественные изменения — они стали автоматизированными и получили новые определения (рис.2.4.16).

В частности, система выполнения научных исследований, в которой ряд проектных процедур и процедур отображения информации решается автоматизировано (с использованием СВТ), получила название автоматизированной системы научных исследований (АСНИ). Аналогично система проектирования судов, в которой используются средства автоматизации инженерного труда, в большинстве литературных источников определяется как САПР судов. Система технологической подготовки производства верфи, в которой для решения задач разработки технологических процессов и выпуска документации используются средства автоматизации, стала называться – АСТПП верфи. Помимо указанных систем при подготовке и выполнении, или любого из этапов подготовки производства всегда приходится решать задачи организации процесса реализации всех пpoeктных процедур и управления им. Использование СВТ для решения указанных задач сформировало автоматизированную систему управления производством – (АСУП).

Сегодня данная аббревиатура часто используется в качестве классификационных определителей структурных составляющих автоматизированной инженерной подготовки в целом. Однако необходимо понимать, что указанные термины определяют не собственно программные системы, а организационно-технические системы, связанные с этапами процесса создания судна, и при этом могут меняться.

Данный набор терминов лишь частично охватывает вопросы, связанные с созданием судна. В частности, как было показано в п. 1.7.2, комплексная подготовка производства в судостроении включает, в соответствии с ОСТ5.0369—83, семь составляющих. В то же время термин, определяющий систему решения задач подготовки производства с применением СВТ, сегодня имеется только для одной составляющей – технологической подготовки (АСТПП). Это cвидетельствует об относительности принятой терминологии.

2.4.4

Принципы разработки прикладного программного обеспечения для автоматизации инженерной подготовки производства

В зависимости от типа программного обеспечения сегодня применяется различная технология его разработки. Частично она рассматривалась в п. 2.2.7.

Созданием общесистемного программного обеспечения занимаются специалисты в области программного обеспечения, которые работают в сфере совершенствования собственно компьютеров как средства автоматизации обработки информации (компьютерных фирмах). Особенностями разработки данного вида программного обеспечения являются жесткие требования к наиболее оптимальному использованию технических возможностей процессора и памяти ЭВМ. Разработка подобного программного обеспечения (написание программ) осуществляется с использованием специальных языков программирования, работающих на уровне машинных команд, с помощью которых алгоритм расписывается в виде последовательности действий, связанных с операциями обработки не более чем двух информационных единиц. Такие языки программирования предопределяют высокую трудоемкость работы программистов, но позволяют учитывать все конструктивные особенности процессора машины и оптимально использовать ресурсы ЭВМ (в основном, память).

Разработкой типового программного обеспечения занимаются специализированные фирмы, программисты которых используют для описания алгоритмов как языки низшего уровня, так и языки высокого уровня (Фортран (Форт), Бейсик, Кобол, С++ и т. п.). Языки высокого уровня предоставляют программисту больше удобства для описания алгоритмов, связанных с их проблемной ориентацией.

Что касается разработки проблемно-ориентированных программных продуктов, то их созданием в настоящее время занимаются либо специализированные на данном виде инженерной деятельности фирмы из профессионалов программистов-прикладников, либо непосредственно специалисты инженеры, занимающиеся автоматизацией собственного труда, параллельно с основной инженерной деятельностью. Очевидно, что в последнем случае в качестве инструмента для разработки программного обеспечения необходимы средства, обеспечивающие максимальные удобства описания алгоритмов решаемых задач, в роли которых выступают алгоритмические языки высокого уровня.

Для разработки алгоритмов решения инженерных задач пока не создано каких-либо однозначных методов. В то же время опыт использования типового программного обеспечения для автоматизации прикладных инженерных задач позволил сформулировать определенную классификацию их структурных составляющих с точки зрения особенностей создания для них программного обеспечения.

С точки зрения автоматизации любую инженерную деятельность можно представить в виде определенного множества задач I = (I₁, I₂, ….. I_к, ), связанных с вводом информации, задач Q= (Q₁, Q₂, ….. Q_к, ) –непосредственной обработки введенной информации и множества работ

Т = (Т₁, Т₁, Т₁, … Т₁, ), обеспечивающих отображение результатов обработки информации (разработки технической документации).

Решая любую инженерную задачу, человек сначала читает задание на работу, изучает (например, в библиотеке) дополнительный информационный материал, слушает указания своего непосредственного руководителя и только потом начинает разрабатывать необходимые проектные решения, которые после завершения работы он выводит из головы в форме документов или чертежей.

Опыт автоматизации задач, связанных с обработкой информации, показал, что с учетом особенностей создания программного обеспечения все задачи можно разделить на два основных типа проектных процедур (смысл понятия проектная процедура при этом соответствует определению ГОСТ 22487-72 - формализованная совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением).

К первому типу относятся процедуры, в которых на базе исходной информации i разрабатывается (генерируется) новое решение (информация) I = {j, g}, при этом j  i, а g  i. Назовем для удобства такие процедуры процедурами уровня q (рис. 2.4.17).

Примером процедуры уровня q может быть расчетное определение точки пересечения двух прямых, заданных своими

коэффициентами. В этом случае исходными данными для процедуры являются коэффициенты А1, В1, С1 и А2, В2, С2 прямых, результатом решения – значения координат x и y искомой точки пересечения. То есть полученная информация не входит в состав исходной.

Автоматизация q процедур предусматривает создание проблемно-ориентированного программного обеспечения, в основе которого лежит проектирующий алгоритм. Разработка алгоритма программного обеспечения подобной процедуры требует полного технического понимания принципов аналитического решения задачи. Данные алгоритмы и разработанное для их реализации программное обеспечение называются проблемно-ориентированными. Их разработкой занимаются специалисты в заданной проблемной инженерной области, владеющие знаниями в области создания программного обеспечения. Ко второму типу относятся процедуры, в которых из состава исходных данных i осуществляется выборка отдельных частей {i’₁, i’₂,….. i’_к,  и логические операции с ними. Такие процедуры назовем процедурами уровня f . Смысл выполнения подобных процедур сводится к реализации операций манипулирования с информационными единицами, при этом результатом выполнения во всех случаях будет информация i' == i_] V i_k V …..

Примером процедуры уровня f может быть задача выборки из списка данных о работниках предприятия всех мужчин в возрасте до 35 лет. Любая полученная в результате выполнения процедуры информация будет являться составной частью исходной (см. рис..2.4.17).

Применительно к каждой процедуре алгоритм выборки (обработки) информации может быть самым разнообразным. Однако для его реализации возможно применение типового программного обеспечения, в качестве которого чаще всего используются различные универсальные информационно-поисковые системы – базы данных. Для разработки алгоритма решения подобной задачи и соответствующего программного обеспечения специалисту требуется знать принцип решения задачи и форму отображения результата. Однако основные теоретические знания для решения задачи создания необходимого средства автоматизации обработки информации ему потребуются из области содержания программного обеспечения типовых программных средств реализации информационно- поисковых алгоритмов. В данном случае программное обеспечение создается методом настройки готового типового программного продукта на решение конкретной задачи.

Свои особенности, с точки зрения создания программного обеспечения, имеют и задачи, связанные с реализацией ввода исходных данных в вычислительную систему. В зависимости от сложности решаемой задачи данные могут вводиться либо в виде некоторого упорядоченного массива числовых данных, либо в виде некоторого условного их описания. Для чтения числовых массивов часто используется типовое программное обеспечение ЭВМ, реализующее адресную запись информации в память. Однако такой подход применим только для достаточно простых случаев. В большинстве практических задач, решаемых сегодня в рамках инженерной подготовки производства, для ввода исходных данных требуются более сложные варианты их описания. В качестве основного принципа реализации ввода исходных данных в настоящее время используются проблемно-ориентированные языки. В отличие от алгоритмических языков программирования языки ввода исходных данных служат не для описания последующих действий с данными, а цели описания содержания собственно исходных данных, используемых в решаемой задаче. Тем не менее, как и в случае с алгоритмическими языками для проблемно-ориентированных языков необходима разработка специальных программ- трансляторов. Данные программы фактически представляют собой сложные логические программы, разрабатываемые на алгоритмических языках высокого уровня, целью которых является анализ вводимой в ЭВМ информации, записанной на проблемно-ориентированном языке, и последующее автоматическое формирование логического числового массива исходных данных для программного обеспечения, решающего конкретную прикладную задачу.

Что касается вопросов создания программного обеспечения для автоматизации процедур отображения информации (процедуры t ), то в большинстве случаев оно разрабатывается применительно к особенностям технического устройства конкретного средства отображения и чаще всего специалистами фирмы, производящей данное устройство. Подобное программное обеспечение продается вместе с устройством и называется драйвером (от англ. driver – управлять). По своей сути драйверы – это автоматические генераторы управляющей программы работы устройств печати, черчения или т. п., которые, как было показано ранее, по сути являются автоматическим оборудованием с ЧПУ.

2.5	Основные принципы и средства автоматизации производственной деятельности

Автоматизация процесса производства подразумевает минимизацию участия человека в ходе выполнения работ и операций. Именно поэтому сегодня идет активное внедрение нового оборудования, которое не требует ручного управления. Номенклатура применяемого на современных промышленных предприятиях автоматизированного оборудования достаточно обширна. Однако в качестве основных видов, используемых в том числе и на судостроительных предприятиях, достаточно рассмотреть автоматизированные станки и машины, роботы, обрабатывающие центры и гибкие производственные модули, а так же комплексные структурные составляющие производственной системы, построенные на основе использования данных средств автоматизации.

2.5.1

Автоматизированные станки и машины

К наиболее распространенным видам автоматизированного оборудования сегодня можно отнести станки и машины.

Станками принято называть оборудование, которое выполняет одну, или несколько технологических операций, условно говоря, «стоя на одном месте». Для станков характерно наличие неподвижной (закрепленной на фундаменте) станины. В качестве основных принципов автоматического управления на станках чаще всего используется числовое программное управление и управление с помощью копира.

Станки с ЧПУ обладают рядом значимых преимуществ. Во-первых, станки с числовым программным управлением отличаются высокой скоростью работы. Во-вторых, такие станки являются высокоточным оборудованием, способным выполнять самые сложные и тонкие виды операций. В-третьих, станки с числовым программным управлением предназначены для обработки самых разных материалов: металл, древесина, пластик, полимеры и т.д. Благодаря отличным техническим и эксплуатационным характеристикам, высоким срокам использования и многофункциональности станки с ЧПУ нашли широкое применение во многих областях.

На рис. 2.5.1 показан токарный станок с числовым программным управлением (а) и фрезерный станок с копировальной системой управления (б).

а)

б)

Рис.2.5.1 Станки с числовой и копировальной системой управления

Т окарный станок стоит в цехе на постоянном месте и предназначен для обработки деталей типа «тела вращения». Стоящий рядом человек – это оператор. Его основная роль состоит в настройке станка на выполнение конкретной работы (он вводит статическую УП).

Для простых деталей подготовка управляющей программы может выполняться оператором непосредственно на рабочем месте по чертежу изделия. Для этого в составе СЧПУ станка имеется соответствующая клавиатура ввода данных. Управляющие программы изготовления сложных изделий, готовятся специальными инженерными службами (Бюро подготовки программ ЧПУ) с использованием специальных программных систем. Оператор в этом случае получает их на соответствующих программоносителях (перфоленте, магнитной дискете и т.п.). В процессе выполнения работ по ее отработке он осуществляет операции по установке заготовки, настройке системы координат для управляющей программы, вводу ее в систему считывания и наблюдает за отработкой УП (отслеживает возможные сбои).

В варианте станков с копировальной системой управления (рис. 2.5.1,б) в функции оператора входят работы по установке копира, выведению следящей головки на стартовую позицию и формирования системы координат.

В отличие от станков автоматизированные машины имеют перемещаемую станину, несущую технологический инструмент. Данное различие, в принципе, весьма условно. Однако, оно пока используется в рамках существующей классификации технологического оборудования.

В качестве примера, на рис. 2.5.2 показана автоматизированная машина вырезки деталей из листового металлопроката «Гранат».

Рис.2.5.2 Автоматизированная машина термической резки металлопроката «Гранат»

Основной технологический инструмент – плазменный резак находится на свободно перемещающейся по заданной программе конструкции (портал-суппорт), которая «возит» его (как машина) в процессе выполнения вырезки листовой заготовки (см.п.2.3.2.3).

2.5.2

Обрабатывающие центры

Стремление к повышению уровня универсальности, производительности и точности выполнения технологических операций с помощью станков и машин привело к созданию нового вида оборудования, получившего название обрабатывающий центр.

Основная область использования обрабатывающих центров связана, прежде всего, с машиностроением (включая и судовое машиностроение), где с их помощью выполняются сверлильно-фрезерно-расточные операции на сложных литых заготовках (типа корпусов механизмов).

В конструкции обрабатывающих центров заложены технические решения, обеспечивающие автоматизацию смены инструментов и выполнения контроля технологических параметров выполняемых операций (рис. 2.5.3). За счет этого обрабатывающие центры получили возможность выполнять последовательно не одну, а сразу несколько различных технологических операций на одной заготовке.

Барабанные кассеты со

сменным инструментом

Рис.2.5.3 Обрабатывающий центр

Главной особенностью обрабатывающих центров, определяющей эффективность их использования, является использование общей системы базирования заготовки для всего комплекса технологических операций. Это позволяет получать максимальную совместную точность всех размеров обрабатываемых поверхностей и изделия в целом.

При обработке заготовки на обрабатывающем центре ее установка осуществляется один раз. Все дальнейшие операции по ее перемещению и замене инструментов осуществляются автоматически по управляющим программам, заложенным в память системы управления оборудованием, и реализуются приводами с ЧПУ.

В следствие того, что на этапе подготовки производства расчет всех управляющих программ осуществляется в рамках одной системы координат, в которой затем реализуется их отработка, погрешности относительных размеров обрабатываемых поверхностей, выполняемых различными инструментами, определяются только механическими погрешностями приводов оборудования и качеством используемых в системе инструментов исключаются. При этом погрешности, возникающие в процессе каждого нового базирования как в случае использования нескольких единиц оборудования, исключаются.

Несколько меньший, но постоянно увеличивающийся, объем применения для автоматизации производственных процессов (в том числе и в судостроении) имеют роботы, ГПМ и, создаваемые на их основе, производственные технологические комплекса.

2.5.3

Роботы и робото-технологические комплексы

Роботами в современной науке автоматизации производства называют автоматические устройства и оборудование антропоморфного (человекоподобного) типа.

Идея создания антропоморфного устройства, имитирующего физические, двигательные и умственные функции человека, возникла с незапамятных времен. Cлово же «робот» для обозначения подобного устройства впервые употребил чешский писатель-фантаст Карел Чапек (робот - производное от чешского «robota» — барщина, подневольный труд). В его романе искусственный человек (робот) делал работу вместо своего создателя-хозяина.

В большинстве литературных источников [31], [25] робот определяется как автономно функционирующая универсальная автоматическая машина, предназначенная для воспроизведения определенных физических, двигательных и умственных функций человека, наделенная теми или иными средствами обратной связи (слухом, зрением, осязанием, обонянием, запоминанием и т. п.), а также способностью к обучению и адаптации в процессе активного взаимодействия с окружающей средой. Иначе говоря, робот – это автомат, по принципу выполнения работы напоминающий человека.

В чистом виде данному определению сегодня соответствует только достаточно узкий класс так называемых интеллектуальных роботов, применяемых в специальных областях научной деятельности. В общем виде интеллектуальный робот, активно взаимодействующий с окружающей средой, должен содержать все структурные составляющие автомата (А₀, А_1, А_2, А₃) (см. п.1.1.2.6.). Роботы, применяемые сегодня для автоматизации производства, имеют не четыре, а только три кибернетические составляющие, конструктивно оформленные в виде: управляющей (А₂), исполнительной (моторной), а также информационно-измерительной (сенсорной) (А₂) и специализированной системы обратной связи (А₂). Выработку сигналов управления механизмами исполнительной системы на основе заложенной, либо генерируемой программы, и отработку сигналов обратной связи от сенсорной системы, включая реализацию общения робота с человеком на том, или ином языке, осуществляет система управления роботом. С точки зрения кибернетической схемы – это А₂ . В качестве технической основы для создания управляющих систем в настоящее время используются пневматические или электрические логические элементы, аналоговые и цифровые ЭВМ. Стоимость системы управления составляет значительную часть стоимости самого робота (до 60%). Наиболее дешевыми являются цикловые и аналоговые системы управления, а наиболее дорогими - контурные и адаптивные системы управления. Энергообеспечивающая составляющая (А₀) может быть построена на использовании электроэнергии из сети, сжатого воздуха из воздушной магистрали и т.п. Данные роботы напоминают человека, главным образом, только по кинематике транспорта технологического инструмента, который он перемещает, и принципам адаптируемости к реальным условиям. На рис. 2.5.4 показаны наиболее распространенный вариант схемы конструктивного устройства робота и пример реального промышленного робота для выполнения сварки металлоконструкций.