Стартовая >> Архив >> Подстанции >> Автоматизированное проектирование силовых трансформаторов

Базовое техническое обеспечение - Автоматизированное проектирование силовых трансформаторов

Оглавление
Автоматизированное проектирование силовых трансформаторов
Значение автоматизированного проектирования
Основные сведения об автоматизированном проектировании
Структура САПР
Основные принципы создания САПР
Виды САПР
Проблемы функционирования человека в САПР
Особенности технологии автоматизированного проектирования
Экономическая эффективность САПР
Понятие и назначение гибких автоматизированных производств
Проектирование технологических процессов на базе САПР
Проблемы и перспективы организации гибких автоматизированных производств в трансформаторостроении
Базовое техническое обеспечение
Периферийное техническое оборудование
Проблемы формирования комплекса технических средств САПР
Общесистемное программное обеспечение
Специальное программное обеспечение
Организация информации при использовании ЭВМ
Информационное обеспечение
Банки данных
Базы знаний
Предпосылки оптимального проектирования трансформаторов
Постановка задачи оптимального проектирования трансформаторов
Исследование характера задачи оптимального проектирования трансформаторов
Основные направления в разработке методов оптимального проектирования силовых трансформаторов
Оптимальное проектирование силовых трансформаторов методом рационализированного перебора
Разработка и исследование проектирования на основе метода случайного поиска
Сравнение и анализ эффективности методов оптимального проектирования силовых трансформаторов
Разработка математической модели трансформатора
Результаты применения методов программирования для оптимального проектирования
Развитие систем автоматизированного проектирования в электротехнике
Система автоматизированного проектирования типоисполнений трансформаторов класса 35 кВ
Система автоматизированного проектирования трансформаторов класса 110 кВ
Организация интегрированных систем автоматизированного проектирования трансформаторов
Модели графических документов
Общесистемное программное обеспечение машинной графики
Методология решения графических задач при проектировании трансформаторов
Структура чертежно-графической подсистемы
Организация специального программного обеспечения

ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР
Базовое техническое обеспечение
В состав технического обеспечения САПР входят основные вычислительные средства; вспомогательные вычислительные средства, терминальные станции и терминалы пользователей; средства передачи данных, образующие абонентскую сеть САПР; автоматизированные рабочие места проектировщиков; устройства ввода— вывода, обработки и хранения графической информации; устройства подготовки данных.
Техническое обеспечение САПР должно удовлетворять следующим основным требованиям [36]:
обеспечению решения задач на всех этапах проектирования объекта;

обеспечению эффективного взаимодействия проектировщика (коллектива проектировщиков) с ЭВМ;
открытости комплекса технического обеспечения САПР для расширения и модернизации системы по мере прогресса вычислительной техники.
Совокупность технического и общесистемного программного обеспечения образует вычислительный комплекс САПР [37], одним из основных критериев эффективности которого для задач САПР считается время реакции (ответа) комплекса на запрос проектировщика. Чтобы определить экономический критерий эффективности комплекса, время реакции надо привести к стоимости оборудования.
Этот критерий W может быть представлен как отношение изменения цены комплекса АС, к изменению времени реакции АТ; для j-й категории проектировщиков:

Время реакции комплекса определяется как период времени от ввода запроса до получения ответа на этот запрос. В общем случае для многоуровневого комплекса время реакции можно представить следующим образом:

где Твв — время ввода запроса с терминала; Твыв — время вывода ответа на терминал Тком — время коммутации (или мультиплексирования) на ί-м уровне комплекса; Тобр — время обработки запроса на i-м уровне; Тпер — время на передачу данных в звене комплекса; п — число уровней вычислительных ресурсов комплекса.
Основное требование к времени реакции для каждой категории пользователей — выполнение следующего неравенства:

где 7доп/ — максимальное время задержки ответа на вопрос проектировщика.
Производительность вычислительного комплекса Νвк можно определить с помощью коэффициента комплексной эффективности использования вычислительных ресурсов ηΒΚ. Этот коэффициент показывает, какая часть данного ресурса затрачивается на полезную работу по обработке запросов проектировщиков, исключая расход ресурса на функционирование операционных систем машины и комплекса в целом:

где Nс—суммарная производительность всех р машин или процессоров; Νi — производительность каждой машины; ηi — коэффициент эффективности использования производительности каждой машины; Νij— часть производительности, необходимая для организации взаимодействия i-й и j-й машин между собой; Срn— число сочетаний из п по р.

Из приведенных критериев видно, что эффективное функционирование вычислительного комплекса САПР во многом определяется. структурой технического обеспечения и возможностями различных элементов технического обеспечения при решении разнообразных проектно-конструкторских задач.
Характерной тенденцией развития современных средств вычислительной техники является аппаратная реализация функций программного обеспечения, что позволяет повысить производительность вычислительных систем [38]. Дальнейшее развитие получает принцип модульности, который позволяет обеспечить создание семейств ЭВМ, различающихся функциональными возможностями и перекрывающих диапазон применений. Модульный подход способствует стандартизации элементов различных уровней и сокращению затрат на проектирование систем, а также упрощает наращивание мощности и реконфигурации систем, увеличивает временной интервал до момента морального старения технических систем.
Вычислительные средства в настоящее время принято делить на следующие классы [39]: микрокалькуляторы; микро-ЭВМ; мини-ЭВМ;
универсальные ЭВМ малой производительности; универсальные ЭВМ средней производительности; универсальные ЭВМ большой производительности; сверхбыстродействующие вычислительные системы.
Необходимо отметить, что четкой грани между этими классами не существует.
Микрокалькуляторы представляют собой некоторый класс электронных вычислительных машин с программным управлением, который содержит очень большое число разнообразных машин— от самых простых, выполняющих только четыре арифметических действия и эквивалентных простейшему арифмометру, до программируемых калькуляторов с выводом на бумажную ленту. Эти устройства пришли на смену логарифмическим линейкам и стали необходимым атрибутом деятельности инженеров, конструкторов, технологов.
Массовое распространение микрокалькуляторов играет немаловажную роль в области использования вычислительной техники, позволяя экономить машинное время крупных ЭВМ.
Микро-ЭВМ. Развитие интегральной технологии позволило на одной кристаллической пластине в едином технологическом цикле создавать интегральные схемы, содержащие сотни и тысячи простейших элементов и реализующие различные функции.
С ростом возможностей технологии в направлении размещения на одном кристалле большого числа логических элементов, т. е. с появлением так называемых больших интегральных схем (БИС), открылась другая возможность — на одном кристалле создать миниатюрный цифровой автомат с памятью и программным управлением. Следовательно, открылась возможность заменить всю серию интегральных схем одним элементом — микропроцессором, который в зависимости от поставленных задач может быть разработчиком настроен на выполнение любой заданной достаточно сложной функции. Именно микропроцессоры открывают, как отмечалось выше, возможность перенесения многих функций, ранее выполнявшихся программно, в схемы ЭВМ. Другими словами, многие функции программного обеспечения перекладываются на аппаратуру, и тем самым повышается интеллектуальный уровень вычислительных машин. Кроме того, применение микропроцессоров предполагает параллельное выполнение вычислений.
Микро-ЭВМ — это вычислительная или управляющая машина, выполненная на основе микропроцессора, в состав которой также могут входить программная память, память данных, устройства ввода — вывода и некоторые другие устройства, выполненные с использованием БИС.
В настоящее время наметилась тенденция проникновения ми- κρο-ЭВМ в области применения мини-ЭВМ, что объясняется наличием у них ряда общих признаков, например, достаточно мощная система команд, многоуровневая система прерываний, периферийный интерфейс и т. д. По отношению стоимости к числу команд микро-ЭВМ имеют на порядок лучшие показатели, чем мини-ЭВМ. Основные параметры, по которым микро-ЭВМ уступают мини-ЭВМ, — это малая разрядность и меньшее быстродействие (в 2—3 раза). Оба эти параметра очень существенны для САПР, поэтому при автоматизации проектирования микро- ЭВМ решают пока отдельные локальные задачи.
Микро-ЭВМ способны работать в тяжелых условиях (вибрации, высокой температуры и влажности, электрических помех и т. д.) и отличаются высокой надежностью и сравнительно малой стоимостью. Представителями этого класса машин являются отечественные ЭВМ «Электроника-60», «Искра-226», «Электроника ДЗ-28», а также MERA-60 на базе процессора «Электроника-60» и др. (рис. 3.1).
Мини-ЭВМ представляют собой наиболее интенсивно развивающийся класс ЭВМ. Прирост мировой продукции в этом классе машин в настоящее время составляет около 40% по сравнению с 15—16 % по всей вычислительной технике. Мини-ЭВМ принадлежат к числу стационарных ЭВМ, обладающих достаточно развитой периферией и достаточно высоким быстродействием. Быстродействие мини-ЭВМ составляет от 10—15 тыс. до 1 млн. операций в секунду.

Рис. 3.1. Структурная схема микро-ЭВМ «Электроника-60»

Одной из важнейших областей применения мини-ЭВМ является область, связанная с управлением сложными внешними устройствами вычислительной техники — графопостроителями, устройствами отображения информации и др. В этих задачах управления сравнительно невелик объем вычислительной работы, однако много работы, связанной с обработкой символьной и логической информации. Данный класс машин в СССР представлен системой малых электронных вычислительных машин (СМ ЭВМ).

Универсальные ЭВМ малой производительности. Этот класс ЭВМ пр своим техническим характеристикам тесно смыкается с классом мини-ЭВМ. Производительность малых ЭВМ находится в диапазоне от 10 до 100 тыс. операций в секунду. Объем оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) —в диапазоне от 64 до 256 Кбайт. В состав устройств ввода — вывода входят широкоформатная печать, перфокарточный и перфоленточный ввод — вывод. В состав внешних накопителей — магнитные ленты и диски ограниченного объема. В семействе машин ЕС ЭВМ к этому классу относятся вычислительные машины ЕС-1020 и ЕС-1022.

Универсальные ЭВМ средней производительности. Производительность таких машин находится в диапазоне от 80 до 400 тыс. операций в секунду, объем ОЗУ — от 128 до 512 Кбайт. В состав внешних устройств, кроме обычных устройств ввода — вывода, входят устройства дистанционного доступа (терминалы), а также графического воспроизведения результатов.
В семействе ЕС ЭВМ к машинам этого класса можно отнести ЕС-1030, ЕС-1033, ЕС-1035 и, по-видимому, ЕС-1040 (рис. 3.2).

Универсальные ЭВМ большой производительности. Производительность таких машин находится в диапазоне от 500 тыс. до 3—5 млн. операций в секунду, объем ОЗУ — от 512 до 8000 Кбайт. В семействе ЕС ЭВМ к этому классу относятся машины ЕС-1045, ЕС-1050, ЕС-1060 и ЕС-1065.

Сверхбыстродействующие вычислительные системы. Необходимость создания ЭВМ с огромным быстродействием (сотни миллионов операций в секунду и выше) и другими уникальными показателями обусловлена требованиями науки и промышленности, и прежде всего в таких важнейших областях, как атомная энергетика, физика плазмы, космические исследования и др.

Рис. 3.2. Структурная схема ЕС ЭВМ:
ЭПМ — электрифицированная пишущая машинка; АКК — адаптер связи «канал — канал»; СК — селекторные и МК — мультиплексорные каналы; ЦП — центральный процессор

После мини-ЭВМ наибольший рост капиталовложений в сфере вычислительной техники связан с выпуском ЭВМ высокой и сверхвысокой производительности, например отечественная вычислительная машина «Эльбрус».
Основой любых вычислительных машин являются процессоры, т. е. устройства, способные выполнять некоторый заданный набор операций над данными в памяти ЭВМ и вырабатывать значение заданного набора логических условий над этими данными.
Существуют различные типы процессоров [14]:

  1. Арифметические процессоры предназначены для автоматизации вычислительных операций различной степени сложности. Для проектно-конструкторских расчетов наиболее употребительны процессоры, выполняющие полный набор арифметических операций (сложение, вычитание, умножение и деление) над многозначными числами в двоичной системе счисления параллельным способом. Выбор двоичной системы и параллельного способа выполнения операций обусловлен тем, что при этом достигаются наибольшая скорость вычислений и наилучшее использование оборудования.
  2. Интеллектуальные процессоры допускают аппаратную реализацию простейших элементарных функций, тождественные преобразования алгебраических формул, символьное дифференцирование и интегрирование и т. д. Применение таких процессоров весьма эффективно для реализации процесса автоматизированного проектирования, поскольку значительно облегчается общение проектировщика с ЭВМ, повышается производительность машины и, наконец, существенно экономится оперативная память ЭВМ при хранении программ и промежуточных данных.
  3. Магистральные процессоры обеспечивают распараллеливание сложных операций (разложение на отдельные составные части и одновременное выполнение этих частей), что приводит к существенному повышению, быстродействия таких процессоров (по - крайней мере на порядок) по сравнению с обычными видами процессоров. Магистральные процессоры широко применяются практически во всех современных сверхбыстродействующих ЭВМ.
  4. Специализированные процессоры предназначены для выполнения определенных видов сложных операций. В САПР широкое распространение получили векторные и матричные процессоры. Быстродействие таких процессоров снижается на один-два· порядка при работе с обычными скалярными величинами.
  5. Периферийные процессоры обеспечивают разгрузку основных процессоров от выполнения относительно простых операций, в первую очередь операций управления обменом данными оперативной памяти с внешней памятью и устройствами ввода — вывода. Такие процессоры также называют канальными процессорами или просто каналами. Специальные канальные процессоры употребляются для сопряжения ЭВМ с телефонными и телеграфными каналами; в качестве периферийных процессоров используются микро- и мини-ЭВМ.

Основные характеристики микро- и мини-ЭВМ приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Основные характеристики процессоров микро- и мини-ЭВМ

Таблица 3.2. Основные характеристики процессоров ЕС ЭВМ


Показатель

ЕС-1022

ЕС-1033

ЕС-1035

ЕС-1040

ЕС-1045

ЕС-1050

ЕС-1060

ЕС-1065

Быстродействие, тыс. операций/с

80

200

150

250

800

450

1500

5000

Время сложения с фиксированной запятой, мкс

3,3—6

1,4-2

1,7—3

1,2—1,8

0,4—0,5

0,65

0,2

0,14

Время умножения с фиксированной запятой, мкс

29—42

8,5

10—12

7

1

2

0,6

0,228

Разрядность машинного слова

16

32

32

32

32

32

32

32

Емкость ОЗУ, Кбайт

128—512

256—512

256—512

128—1024

2048—4096

128—1024

256—8126

4096—8126

Емкость внешних ЗУ, Мбайт: на магнитной ленте

25

25

25

25

25

25

25

25

на магнитном диске

7,25

7,25

100

100

100

100

100

100

Время обращения к ОЗУ, мкс

2

1,2

1,2

1,2

1,25

1

Скорость передачи в мультиплексном канале, Кбайт/с

40

40

40

50—200

100—450

100—450

100—450

100—450

Количество селекторных каналов

2

3

4

6

6

6

Скорость передачи в селекторном канале, Кбайт/с

600

600

740

1200

1500

1300

1500

1500

  1. Центральные процессоры обеспечивают широкий набор операций, выполнение арифметических и логических операций, организацию обращений к оперативной памяти, выборку и дешифрацию команд, инициирование работы исполнительных блоков и процедур ввода — вывода, обработку прерываний и др. [41]. В соответствии с этими функциями центральный процессор включает центральное устройство управления, арифметико-логическое устройство управления памятью. Термин «центральный» добавляется потому, что в состав вычислительного комплекса входят также специализированные периферийные процессоры. В табл. 3.21 приведены основные характеристики процессоров семейства ЕС ЭВМ, широко используемых для САПР.

Критерием эффективности процессора является быстродействие, которое определяется элементной базой ЭВМ, организацией внутренней структуры, оптимизацией вычислительного процесса.
Современные электронные схемы близки к теоретически возможному пределу быстродействия, который определяется скоростью света. Повышение быстродействия вычислительных средств ведется в направлении повышения степени совмещения во времени выполнения нескольких операций, разделения вычислительных процессов во времени (мультипрограммирование). Трудности здесь усугубляются еще отсутствием однозначных методик определения быстродействия процессоров.· Наиболее распространена оценка по Гибсону, когда указывают среднее быстродействие на смеси различных операций, взятых в определенных пропорциях друг к другу. Если рi,.................................................................................. рn — относительные доли этих
операций в смеси, a ti,............. tn — время выполнения каждой из этих операций, то среднее быстродействие М вычисляется по формуле

Для большинства научных задач выбирается так называемая смесь Гибсона I, в которой доля операций сложения и вычитания с фиксированной запятой p1=33%, с плавающей запятой p2=7,3%; доля умножения с фиксированной запятой р3=0,6%, с плавающей запятой p4=4% и т. д.



 
Вакуумная сильноточная дуга в магнитном поле »
электрические сети