Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)

Впроцессе технического проектирования (конструирования) ЭРЭС решаются задачи компоновки и размещения элементов и узлов, выполнения печатных и проводных соединений, а также задачи теплоотвода, электрической прочности, защиты от внешних воздействий и т.п. На этом этапе разрабатывается техническая документация для изготовления и эксплуатации ЭРЭС.

Входе технологической подготовки производства осуществляется разработка технологических процессов изготовления отдельных блоков и всей системы в целом.

И нисходящее, и восходящее проектирование обладают своими достоинствами и недостатками.Так, при нисходящем проектировании возможнопоявлениетребований, впоследствии оказывающихсянереализуемыми потехнологическим, экологическим или иным соображениям. При восходящем проектированиивозможнополучениеобъекта, несоответствующегозаданным требованиям. В реальной жизни, вследствие итерационного характера проектирования оба его вида взаимосвязаны.

Так разрабатывая при нисходящем проектировании смартфон (от общей схемы к его частям, например к блоку цифровой обработки сигналов), необходимо заранее иметь представление об ассортименте современной электронной компонентной базы, поскольку есть риск начать разрабатывать в масштабе дискретных элементов то, чтоуже существует в готовомвиде на уровне интегральной схемы. Другими словами, вместо того чтобы разрабатывать электрическую принципиальную схему блока цифровой обработки сигналов с целью её дальнейшей реализации, к примеру, на дискретных SMD-компонентах, можно просто купить на рынке этот функциональный узел, реализованный уже в интегральном исполнении. При этом может возникнуть проблема выбора производителя: если электронная компонентная база производится в других странах, всегда существуют риски срыва поставок вследствие разного рода причин (изменение внешней политики государства, санкции, экономическая диверсия конкурирующих производителей, ликвидация производства и т.п.).

1.1.4 Жизненный цикл технической системы

Состояниелюбой технической системыдинамично, т.е. изменяетсявовремени. ТС, как и любая биологическая система, включая человека, рождается, живет и умирает, образуя жизненный цикл (ЖЦ).

Жизненный цикл технической системы – это последовательность ста-

дий и этапов существования объектов искусственного происхождения от начала их создания до момента исчезновения (рисунок 1.6) [18].

30

Типичный состав стадий ЖЦ:

1)исследование и проектирование;

2)изготовление;

3)обращение;

4)эксплуатация;

5)утилизация.

Стадии состоят из этапов. На каждом этапе объект имеет относительно стабильный набор характеристик. Типичный состав этапов:

1)определение функциональных и потребительских качеств ТС, что соответствует составлению технического задания;

2)выбор функциональной структуры, принципа действия и технического решения, чтосоответствует разработкетехническогопредложения или (и) технического проекта;

3)рабочее проектирование, связанное с расчетом и оптимизацией параметров ТС, выбором и разработкой технологии изготовления, составлением проектной документации;

4)изготовление, контроль и испытание ТС;

5)транспортировка и хранение ТС;

6)функциональное использование (использование по назначению), диагностика неисправностей и ремонт ТС;

7)утилизация ТС как результат её физического или морального старения. Наибольшее число задач технического творчества возникает на 1-й и 2-й

стадиях; характерны такие задачи и для 4, 6, 7-й стадий. Разные классы ТС могут иметь несколько различающиеся наборов стадий и этапов жизненного цикла.

При разработкеновых ТС проектировщикунеобходимоучитыватьинформацию об этих системах от заинтересованных сторон. Для её выявления разработчику нужно занять позицию определенной заинтересованной стороны и задать соответствующие ключевые вопросы общего характера. В случае идеальной коммуникации каждый специалист должен сформулировать свои вопросы к каждому из остальных специалистов, участвующих в жизненном цикле ТС. В качестве примера приведем главные вопросы ключевых позиций.

Позиция исследователя:

–использование каких существующих физических принципов действия может улучшить показатели ТС;

–перспективы развития каких наук и отраслей техники помогут усовершенствовать существующую систему?

Позиция системотехника:

–какую систему нужно проектировать;

–нужно ли вообще проектировать данную ТС;

–какова величина спроса на ТС;

–как много экземпляров изделий ТС нужно сделать;

–окупится ли производство ТС серии заданного объема;

32

–существуют ли аналоги разрабатываемой системы; если «да», то в какой форме (идея, патент, рабочий прототип, ноу-хау, серийно выпускаемый и продаваемый образец и т.д.);

–какова должна быть максимальная себестоимость ТС;

–каким образом ТС будет влиять на окружающие объекты, пользователей

иобщество;

–как долго будет востребована функция данной ТС её потребителями;

–какие дополнительные функции должна выполнять ТС; в каких случаях использования эти функции будут наиболее востребованы;

–как упростить электрическую структурную схему ТС?

Позиция схемотехника:

–какие существуют замечания к электрической структурной схеме?

–какие принципиальные схемотехнические решения функциональных узлов структурной электрической схемы существуют сегодня; какие из них могут подойти для данной проектной ситуации;

–в каких условиях будет эксплуатироваться ТС;

–какие схемотехнические решения могут обеспечить требования электромагнитной совместимости электрической схемы;

–на какой элементной базе нужно реализовать ТС, чтобы обеспечить балансмеждупротиворечивыми требованиями ксебестоимости еёизготовления, массо-габаритным показателям печатного узла, его надежности, технологичности и т.п.?

Позиция программиста:

–какие вычислительные алгоритмы и программные решения нужно использовать для обеспечения работы ТС в режиме реального времени;

–насколько эргономичным должен быть пользовательский интерфейс;

–какие могут быть замечания к выбору микропроцессоров и микроконтроллеров;

–насколько типовыми должны быть интерфейсы ТС;

–что экономически целесообразнее – использовать готовое ПО или разработать собственное;

–какие действия по поддержке программного продукта могут потребоваться на стадии эксплуатации ТС?

Позиция конструктора:

–насколько надежной должна быть ТС;

–насколько конструкция ТС должна быть эстетична и эргономична;

–каковы должны быть массо-габаритные показатели ТС;

–как обеспечить технологичность конструкции;

–как обеспечить серийность ТС;

–какие материалы следует использовать;

–в каких условиях будет эксплуатироваться ТС;

–насколько типовой (унифицированной) должна быть конструкция ТС;

–какие могут быть замечания к электрической принципиальной схеме?

33

Позиция технолога:

–как свести время и затраты изготовления ТС к минимуму;

–как в максимальной степени автоматизировать процесс изготовления ТС;

–какие могут быть замечания к конструкции ТС;

–какие могут быть замечания к электронной компонентной базе ТС? Позиция специалиста по сбыту:

–как долго ТС может храниться;

–как ТС должна транспортироваться;

–какие могут быть замечания к конструкции ТС?

Позиция специалиста по эксплуатации:

–требуется ли ТС обслуживание, диагностика, ремонт;

–как свести время простоя ТС, время технического обслуживания и ремонта к минимуму;

–как улучшить удобство эксплуатации, технической диагностики, технического обслуживания и ремонта ТС;

–как свести к минимуму амортизационные расходы по эксплуатации ТС;

–как увеличить срок использования ТС;

–как увеличить срок активного использования ТС до первого отказа;

–какие могут быть замечания к структурной и принципиальной электрическим схемам;

–какиемогут быть замечания к конструкции ТС; чтоможет показать опыт эксплуатации данной ТС?

Позиция специалиста по утилизации:

–насколько ценны составные компоненты, материалы и вещества, входящие в состав ТС;

–насколько опасны для окружающей среды компоненты, материалы и вещества, входящие в состав ТС;

–как в максимальной степени автоматизировать процесс утилизации ТС;

–можно ли использовать компоненты, материалы и вещества, входящие

всостав ТС, повторно в производстве других технических объектов;

–как повысить долю добываемых в процессе утилизации полезных компонентов, материалов и веществ;

–как осуществить процесс доставки ТС до пункта утилизации;

–как повысить долю ТС, возвращаемых пользователями в пункт утилиза-

ции;

–как минимизировать долюТС, невозвращаемых пользователями в пункт утилизации;

–как свести время стадии утилизации к минимуму;

–как долго будут разлагаться материалы и вещества, входящие в состав ТС и попавшие в природу; к чему это может привести с позиции окружающей среды;

–какие могут быть замечания к структурной и принципиальной электрическим схемам?

34

–какиемогут быть замечания к конструкции ТС; чтоможет показать опыт утилизации данной ТС?

Кроме вышеприведенного, существуют и другие определения жизненного цикла ТС.

Жизненный цикл – это не временной период существования, а процесс последовательного изменения состояния, обусловленный видом производимых воздействий [19].

Жизненныйциклсистемы–этостадии процесса, охватывающиеразличные состояния системы, начиная с момента возникновения необходимости в такой системе и заканчивая её полным выводом из эксплуатации [20]; конечный набор общих фаз и этапов, через которые система может проходить в течение своей жизни [21]; эволюция новой системы в виде нескольких ступеней, включающих такие важные стадии, как концепция, разработка, производство, эксплуатация и окончательное выведение из эксплуатации [9].

В стандартах системной инженерии описаны четыре основных принципа моделирования жизненного цикла, а именно:

–в течениесвоей жизни система развивается, проходя через определенные стадии;

–на каждой стадиижизненногоцикла должныбытьдоступны подходящие обеспечивающие системы (англ. enabling systems), только в этом случае могут быть достигнуты результаты, запланированные для данной стадии;

–на определенных стадиях жизненного цикла такие атрибуты, как технологичность, удобство использования, пригодность к обслуживанию и возможность удаления отходов, должны быть специфицированы и практически реализованы;

–переход к следующей стадии возможен только при условии полного достижения результатов, запланированных для текущей стадии.

В полном жизненном цикле любой системы всегда присутствуют типовые стадии, каждая из которых имеет характерные только для неё цели и вносит свой вклад в полный жизненный цикл [22].

Модели жизненногоцикла системы получили значительноераспространение в последние два десятилетия. Некоторые модели развивались как дополнительные уникальные и пользовательские приложения в исследованиях. Кроме того, разработка программного обеспечения повлекла за собой формирование новых моделей разработки, которые впоследствии были приняты системным сообществом [9].

Не существует единой модели жизненного цикла, удовлетворяющей требованиям любой возможной задачи. Различные организации по стандартизации, правительственные учреждения и инженерные сообщества публикуют собственныемодели и технологии, которыемогут быть использованы для конструирования. Таким образом, нецелесообразно говорить о существовании единственно возможного алгоритма построения модели жизненного цикла (таблица 1.3).

35

Таблица 1.3 – Типовые модели жизненного цикла технической системы

36

Окончание таблицы 1.3

Автоматизация жизненного цикла технических систем. Реализация процессов проектирования и производства современных ЭРЭС невозможна без использования информационных технологий, а сами процессы не могут рассматриваться отдельно друг от друга и других этапов ЖЦ продукции: маркетинга, планирования, проектирования, производства, а также при реализации, эксплуатации и утилизации РЭС. Только широкое использование информационных технологий и реализующих их информационных систем (CALSтехнологий) позволяет предприятиям выйти на качественно новый уровень управления и производства (рисунок 1.7) [14].

CALS-технологии (Continuous Acquisition and Lifecycle Support – непре-

рывная поддержка производства и жизненногоцикла) призваны служить средством, интегрирующим промышленные автоматизированные системы в единую многофункциональную систему. Цель интеграции автоматизированных систем проектирования и управления заключается в повышении эффективности создания и использования сложной техники и выражается в следующем

[12]:

37

1)улучшается качество изделий за счет более полного учета имеющейся информации при проектировании и принятии управленческих решений;

2)сокращаются материальные и временные затраты на проектирование

иизготовление изделий;

3)значительноснижаютсязатратына эксплуатациюблагодаряреализации функций интегрированной логистической поддержки, облегчается решение проблем ремонтопригодности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации и т.п.

Рисунок 1.7 – Концептуальная модель CALS

Основные стадии ЖЦ промышленных изделий представлены на рисунке 1.8 [23]. На рисунке указаны основные типы автоматизированных систем, используемых в ЖЦ изделий:

CAE – Computer Aided Engineering (автоматизированные расчеты и ана-

лиз);

CAD – Computer Aided Design (автоматизированное конструкторское проектирование);

CAM – Computer Aided Manufacturing (автоматизированная технологиче-

ская подготовка производства);

PDM – Product Data Management (управление проектными данными); ERP – Enterprise Resource Planning (планирование и управление предприя-

тием);

MRP-2 – Manufacturing Requirement Planning (планирование производ-

ства);

MES – ManufacturingExecutionSystem (производственная исполнительная система);

SCM – Supply Channel Management (управление последовательностью поставок);

38

CRM – Customer Relationship Management (управление взаимоотношени-

ями с заказчиками);

SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition (диспетчерское управ-

ление производственными процессами);

CNC – Computer Numerical Control (компьютерное числовое управление); S&SM – Sales and Service Management (управление продажами и обслужи-

ванием);

CPC – Collaborative Product Commerce (совместный электронный бизнес).

Рисунок 1.8 – Этапы жизненного цикла промышленных изделий и системы их автоматизации

Итак, CALS-технологии – это технологии комплексной компьютеризации сфер промышленного производства, причем комплексность обеспечивается унификацией и стандартизацией описания состава (спецификаций) промышленных изделий на всех этапахихЖЦ. Основныеспецификации представлены проектной, технологической, производственной, маркетинговой, эксплуатационной документацией. В CALS-системах предусмотрено хранение, обработка и передача информации в компьютерных средах, оперативный доступ к данным в нужное время и в нужном месте.

В 1990-х годах разработан и кнастоящемувремени принят ряд серий международных стандартов, представляющих CALS-технологии, среди которых наиболее значим ISO 10303 STEP (Standart of Exchange of Product data). В кон-

трактах, заключаемых на поставку зарубежным заказчикам военной техники, требования к изделиям и документации на них, как правило, формулируются с позиций международных CALS-стандартов и военных стандартов DoD (с префиксом MIL). Успех на рынках сложной технической продукции

39