Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А

вичную обработку измерительной информации, а также вычислительную и логическую обработку технологических данных в операторских станциях; осуществляют архивизацию и хранение текущей информации и ее дальнейшую обработку.

Эти программы обеспечивают визуализацию текущей и исторической информации на дисплеях (в формах динамизированных мнемосхем, гистограмм, анимационных изображений, таблиц, трендов, аварийных сообщений и т. д.). Они реализуют печать отчетов и протоколов в задаваемых формах – по времени или по запросу оператора, осуществляют регистрацию аварийных ситуаций в моменты их возникновения и вывод аварийных сообщений на экран или на внешние устройства, реализуют ввод команд и сообщений оператора, их отработку или передачу в контроллеры и другие устройства.

SCADA-npoграммы реализуют подключение и организацию взаимодействия прикладных программ пользователя с переменными базы данных реального времени и командами оператора, осуществляют информационные сетевые взаимодействия между узлами системы управления.

Каждая SCADA-программа содержит в своем составе две базовые подсистемы:

1)инструментальную подсистему разработки (Development

Kit);

2)исполнительную подсистему (Runtime), поддерживающую работу программного обеспечения операторских станций в реальном времени.

Инструментальная подсистема применяется при разработке программ операторских станций проектантами и системными интеграторами. Каждый экземпляр инструментальной подсистемы многократно используется для разработки операторских станций

вразных проектах, применяется также эксплуатационниками на предприятиях для коррекции и модернизации программного обеспечения станций.

289

Исполнительная подсистема поддерживает, как правило, работу программного обеспечения отдельной станции. Инструментальная система технически тоже может поддерживать в реальном времени работу операторской станции. Очевидно, что она же может быть использована и в качестве исполнительной системы. В некоторых специализированных SCADA-программах инструментальная и исполнительная системы не разделены и представляют собой единое целое. В тексте обзора возможность использования инструментальной системы в качестве исполнительной по умолчанию не оговаривается.

Главными функциями SCADA-программ являются отображение технологического процесса в виде мнемосхем, сигнализация об аварийных ситуациях, ведение системного журнала, обеспечение общего управления процессом со стороны оператора и т.п. Прообразом современных систем SCADA на ранних стадиях развития автоматизированных систем управления являлись системы телеметрии и сигнализации.

Все современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента (рис. 17.1).

Remote Terminal Unit (RTU) – удаленный терминал, осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени. Спектр его воплощений широк – от примитивных датчиков, осуществляющих съем информации с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управле-

290

ние в режиме жесткого реального времени. Конкретная его реализация определяется конкретным применением. Использование устройств низкоуровневой обработки информации позволяет снизить требования к пропускной способности каналов связи с центральным диспетчерским пунктом.

Master Terminal Unit (MTU), Master Station (MS) – диспетчер-

ский пункт управления (главный терминал), осуществляющий обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме мягкого (квази-) реального времени; одна из основных функций обеспечения интерфейса между человеком-оператором и системой (HMI, MMI). В зависимости от конкретной системы MTU может быть реализован в самом разнообразном виде от одиночного компьютера с дополнительными устройствами подключения к каналам связи до больших вычислительных систем (мэйнфреймов) и/или объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов. Как правило, и при построении MTU используются различные методы повышения надежности и безопасности работы системы.

Communication System (CS) – коммуникационная система (каналы связи), необходимая для передачи данных с удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс операторадиспетчера и передачи сигналов управления на RTU (или удаленный объект в зависимости от конкретного исполнения системы).

Основные структурные компоненты SCADA-систем представлены на рис. 17.2.

Рис. 17.2. Основные структурные компоненты SCADA-систем

291

SCADA содержит TIS – подсистему взаимодействия с задачей

(Task Interactive Subsystem) и HIS – подсистему взаимодействия с человеком (Human Interactive Subsystem).

Многие системные интеграторы или подразделения АСУ крупных предприятий, как правило, имеют свои наработки в этой области.

Вто же время есть фирмы, специализирующиеся на разработке универсальных SCADA-программ, таких как Genesis (Iconics), FixDmacs (Intellution), InTouch (Wonderware).

Из отечественных разработок хотелось бы отметить програм-

му TraceMode (Adastra Research Group). Граница между про-

граммными обеспечениями классов SCADA и HMI весьма условная, поэтому многие системы SCADA могут работать в качестве интерфейса НМ1 для систем нижнего уровня.

Впоследнее время получает распространение программное обеспечение класса MES (Manufacturing Execution Systems), ос-

новной задачей которого является оптимизация управления производством в целом, включая планирование запасов комплектующих, расписание технологических процессов и т.д. Системы MES, с одной стороны, взаимодействуют с системами SCADA, образуя единую систему управления производством, с другой – часто интегрируются в систему планирования и управления предприятием в целом.

17.4. Системы автоматизированного проектирования

К системам автоматизированного проектирования предъявляются следующие требования:

1) совершенствование методов проектирования, в частности, использование методов многовариантного проектирования и оптимизации для поиска эффективных вариантов и принятия решений;

292

2)повышение доли творческого труда инженера-проекти- ровщика;

3)повышение качества проектной документации;

4)совершенствование управления процессом разработки про-

ектов;

5)частичная замена натурных экспериментов и макетирования моделированием на ЭВМ;

6)уменьшение объёма испытаний и доводки опытных образцов в результате повышения уровня достоверности проектных решений и, следовательно, снижение временных затрат.

В настоящее время ситуация в области САПР технических систем сложилась таким образом, что образовался очевидный разрыв между специализированным информационным и программным обеспечением, реализующим проектный расчет изделий на различных этапах проектирования (специализированные САПР),

иинструментальными средствами проектирования на ЭВМ. Если в первом случае отечественная наука имеет неоспоримые приоритеты как в области математического моделирования технических систем, построения информационного и программного обеспечения, так и в области разработки процедур принятия решений, то в области построения пространственных геометрических моделей деталей и узлов имеется существенное отставание от зарубежных разработок.

Инструментальные средства – это CAD/CAE/CAM системы, которые в последние годы в двигателестроении получили широкое распространение. Они предназначены для комплексной автоматизации проектирования, конструирования и изготовления продукции машиностроения. В них фактически объединены три системы разного назначения, разработанные на единой базе, аббревиатуры которых расшифровываются следующим образом:

CAD (Computer Aided Design) – компьютерная поддержка конструирования;

293

САЕ (Computer Aided Engineering) – компьютерная поддержка инженерного анализа;

САМ (Computer Aided Manufacturing) – компьютерная под-

держка изготовления;

PDM (Product Data Management) – системы управления про-

ектными данными.

Этап конструирования (CAD, САЕ) предполагает объемное и плоское геометрическое моделирование, инженерный анализ на расчётных моделях высокого уровня, оценку проектных решений, получение чертежей.

Этап технологической подготовки производства (АСТПП),

на Западе называемый САРР (Computer Automated Process Planing), предполагает разработку технологических процессов, технологической оснастки, управляющих программ (УП) для оборудования с ЧПУ. На данном этапе решается задача САПР ТП

– разработка технологической документации (маршрутной, операционной), доводимой до рабочих мест и регламентирующей процесс изготовления детали.

Конкретное описание обработки на оборудовании с ЧПУ в виде управляющих программ вводится в систему автоматизированного управления производственным оборудованием (АСУПР), которую на Западе называют САМ.

САЕ-системы, используемые для анализа и оценки функциональных свойств проектируемых двигателей, их систем, узлов и деталей, охватывают широкий круг задач моделирования упругонапряженного, деформированного, теплового состояния, колебаний конструкции, стационарного и нестационарного газодинамического и теплового моделирования с учетом вязкости, турбулентных явлений, пограничного слоя и т.п. Наиболее распространены САЕ-системы, использующие решение систем дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных элементов (МКЭ). Они делятся на универсальные системы анализа с использованием МКЭ и специализированные. В авиадвигателе-

294

строении наиболее известны такие универсальные системы, как Nastran, Ansys, отечественные ИСПА, КОСМОС и другие, позволяющие выполнять различные виды анализа на распределенном уровне. Специализированные системы МКЭ ориентированы на конкретные виды анализа. Примерами таких систем могут служить пакеты Flotran, Fluid, для моделирования гидрогазодинамических процессов, OPTRIS для моделирования деформаций и др.

PDM-системы используются на всех этапах проектирования, позволяя осуществлять режим коллективного проектирования, автоматизируя функции управления, связанные с этим режимом: назначение и обеспечение квалитета ответственности, прав доступа, ведение базы данных проекта и т.д.

В зависимости от функциональных возможностей, набора модулей и структурной организации CAD/CAE/CAM системы можно условно разделить на три группы: легкие, средние и тяжелые системы.

Легкие системы. Это первый в сложившемся историческом развитии класс систем. К этой категории можно отнести такие системы, как AutoCAD, CAD-KEY, Personal Designer, ADEM,

КОМПАС. Они, как правило, используются на персональных компьютерах отдельными пользователями. Такие системы предназначены в основном для качественного выполнения чертежей. Также они могут использоваться для двухмерного (2D) моделирования и несложных трёхмерных построений.

Эти системы достигли в последнее время высокого уровня совершенства. Они просты в использовании, содержат множество библиотек стандартных элементов, поддерживают различные стандарты оформления графической документации.

Системы среднего класса. Сравнительно недавно появившийся класс относительно недорогих трёхмерных CAD систем включает системы AMD, Solid Edge, Solid Works и т.д. Их появле-

ние связано с увеличением мощности персональных компьютеров и развитием операционной системы. С их помощью можно ре-

295

шать до 80 % типичных машиностроительных задач, не привлекая мощные и дорогие CAD/CAM системы тяжёлого класса.

Большинство систем среднего класса основываются на трёхмерном твёрдотельном моделировании. Они позволяют проектировать большинство деталей общего машиностроения, сборочные единицы среднего уровня сложности, выполнять совместную работу группам конструкторов. В этих системах можно производить анализ пересечений и зазоров в сборках.

Системы тяжёлого класса. Такие системы предоставляют полный набор интегрированных средств проектирования, производства, анализа изделий. В эту категорию систем попадают

CATIA, Unigraphics, Pro/ENGENEER, CADDS5, EUCLID,

Cimatron. Они используют мощные аппаратные средства, как правило, рабочие станции с операционной системой UNIX.

Системы тяжёлого класса позволяют решать широкий спектр конструкторско-технологических задач. Кроме функций, доступных системам среднего класса, тяжёлым CAD/CAM системам доступно:

проектирование деталей самого сложного типа, содержащих очень сложные поверхности;

выполнение построения поверхностей по результатам обмера реальной детали, выполнения сглаживания поверхностей и сложных сопряжений;

проектирование массивных сборок, требующих тщательной компоновки и содержащих элементы инфраструктуры (кабельные жгуты, трубопроводы);

работа со сложными сборками в режиме вариантного анализа для быстрого просмотра и оценки качества компоновки изделия.

Классы CAD/CAM систем и объемы выполняемых функций представлены на рис. 17.3.

Можно утверждать, что в будущем для автоматизированной разработки двигателей преимущественно будут использоваться

296

тяжелые системы во взаимодействии со специализированными САПР, поскольку они значительно снижают трудоемкость проектирования и конструирования.

CAD/CAE/CAM системы и системы класса PDM позволяют организовать параллельное проектирование – коллективный режим работы над проектом, когда одновременно большое количество специалистов работает над различными частями и стадиями проекта изделия как в рамках ОКБ, так и в рамках виртуальной корпорации (с распределёнными смежниками). Все это дает новое качество – проектирование и изготовление превращается в виртуальную технологию изготовления компьютерного макета изделия.

●Автономное черчение

●2М-моделирование

легкие

●Объемное твердотельное моделирование

●Параметрические построения

●Объемное проектирование средних сборок

●Ассоциативное черчение

●Построение сложных поверхностей

●3М-проектирование сложных сборок

●Разработка технологических процессов и оснастки

Рис. 17.3. Классы CAD/CAM систем и объемы выполняемых функций

Для современных CAD/CAM систем характерен модульный принцип построения.

297

Выбор технических средств автоматизации накладывает требования и к выбору программного обеспечения для автоматизации. Это, в первую очередь, характерно для микроконтроллеров, ориентированных на свою систему команд и поддерживающих свою систему программирования.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Перечислите основные требования к программному обеспечению.

2.Каковы уровни программного обеспечения?

3.Опишите SCADA-системы.

4.Какова структурная схема SCADA-систем?

5.Каковы требования к системам автоматизированного проектирования?

6.Охарактеризуйте CAD/CAE/CAM системы.

7.Опишите системы среднего класса.

298