Качество проектирования в значительной степени определяет темпы технического прогресса.
Прогресс производства в современных условиях связывают с достижениями в области автоматизации производства. Поскольку проектирование и разработка технологии являются ступенью производства (логическим уровнем), то прогресс на этой ступени также должен определяться автоматизацией.
Таким образом, автоматизация проектирования — закономерность, соответствующая естественному пути совершенствования производства вообще. Дело лишь в том, что логический уровень подготовки производства (проектирование и конструирование) связан непосредственно с интеллектуальной деятельностью человека, которую пока еще формализовать сложно.
При неавтоматизированном проектировании результаты во многом определяются инженерной подготовкой конструкторов, их производственным опытом, профессиональной интуицией и другими факторами. Автоматизированное проектирование позволяет значительно сократить субъективизм при принятии решений, повысить точность расчетов, выбрать наилучшие варианты для реализации на основе строгого математического анализа всех или большинства вариантов проекта с оценкой технических, технологических и экономических характеристик производства и эксплуатации проектируемого объекта, значительно повысить качество конструкторской документации, существенно сократить сроки проектирования и передачи конструкторской документации в производство, эффективнее использовать технологическое оборудование с программным управлением. Автоматизация проектирования способствует более полному использованию унифицированных изделий в качестве стандартных компонентов проектируемого объекта.
Применение ЭВМ при проектировании различных объектов с течением времени претерпевает значительные изменения. С появлением вычислительной техники был сделан переход от традиционных «ручных» методов проектирования к реализации отдельных задач проектирования на ЭВМ. Этот подход, характеризовавший использование ЭВМ на первом этапе, носит название «позадачного» и заключается в том, что каждая вновь возникающая задача решается с помощью автономно создаваемой программы, которая функционирует независимо от других программ данной предметной области. Коренной недостаток такого подхода заключается в том, что подобные программы строятся по принципу «натурального хозяйства», когда для решения отдельной задачи требуется полная подготовка вспомогательных средств (технических, информационных, программных и т. д.). Поскольку проектирование объекта, как правило, предполагает и его оптимизацию, то машинная программа в этом случае представляет «симбиоз» модели проектируемого объекта и некоторого алгоритма оптимизации. Естественно, что в этом случае ни модель, ни алгоритм оптимизации не могут использоваться для других целей (например, чтобы провести оптимизацию модели трансформатора с помощью другого алгоритма, необходимо разработать новую программу).
Однако применение ЭВМ на этом этапе, несмотря на отмеченный недостаток, позволило перейти от упрощенных методов расчета и проектирования с субъективным выбором «лучшего» варианта к научно обоснованным методам, обеспечивающим рассмотрение всего многообразия технически приемлемых вариантов с учетом заданных условий и ограничений и объективный выбор среди них оптимального.
По мере совершенствования ЭВМ акцент в использовании вычислительной техники постепенно смещался от факта применения ЭВМ в качестве электронного арифмометра в сторону более эффективного и производительного использования ЭВМ в системах с режимом ЭВМ — человек.
С появлением вычислительной техники новых поколений и совершенствованием методов ее использования наметился новый, системный подход к организации процесса проектирования на ЭВМ, заключающийся в создании крупных программных комплексов в виде пакетов программ (ПП) и САПР, ориентированных на определенный класс задач. Такие комплексы строятся по модульному принципу с универсальными информационными и управляющими связями между модулями, при решении задач данного класса используются единые информационные массивы, организованные в банки данных.
Объединение нескольких ПП в единую систему, предназначенную для реализации вполне определенных функций, позволяет говорить о новом, более высоком уровне в иерархии программных комплексов, т. е. САПР.
Рис. 1.1. Связь САПР с системами низшего и высшего уровней
При этом качественные изменения претерпевают и организация информационного, технического и других видов обеспечения, и, что особенно важно, условия обмена информацией между человеком и ЭВМ. Как правило, эти изменения направлены на повышение гибкости и универсальности системы, улучшение характеристик взаимодействия проектировщика с ЭВМ, повышение качества получаемого результата и снижение времени его получения. Собственно САПР могут в качестве подсистемы входить в системы более высокого уровня, например АСУП (рис. 1.1).
За последнее время автоматизированное проектирование превратилось в новое научно-техническое направление, стало самостоятельной научной дисциплиной [1]. Об этом свидетельствуют следующие факторы:
автоматизированное проектирование и САПР преподают во многих высших учебных заведениях;
растет число успешно функционирующих САПР;
увеличивается число публикаций по проблемам САПР;
САПР выделяется в отдельную рубрику в научно-технических и реферативных журналах;
ежегодно проводятся международные и всесоюзные конференции и совещания по проблемам САПР.
Дадим формальное определение САПР, определяющее ее главные особенности: САПР — человеко-машинная система, использующая современные математические методы, средства электронно- вычислительной техники и связи, а также новые организационные принципы проектирования для нахождения и практической реализации наиболее эффективного проектного решения соответствующего объекта.
Процесс проектирования на базе САПР можно разделить на следующие укрупненные этапы:
- Поиск принципиальных проектных решений.
- Разработка эскизного варианта конструкции и его оптимизация.
- Уточнение и доработка выбранного варианта конструкции выполнение полного детального расчета.
- Разработка полного комплекта чертежей.
Особенности этих этапов определяют эффективность применения ЭВМ на каждом из них. На первом этапе значительна роль эвристических действий. Полная автоматизация этого этапа возможна лишь в некоторых специальных случаях. Применение ЭВМ здесь наиболее целесообразно и эффективно при организации диалога между конструктором и ЭВМ, где конструктору отводятся функции выбора и принятия решений, а ЭВМ — выполнение действий по заданным алгоритмам, прежде всего представление необходимой информации и ее обработка в соответствии с заданием. На втором этапе, где рассматриваются различные конструктивные решения с выполнением большого количества операций расчета и оптимизации, целесообразно использование ЭВМ путем создания систем диалога с запрограммированным процессом конструирования и расчетной оптимизации, при этом конструктор направляет поиск оптимального варианта конструкции и принимает решения на основании выполненных расчетов. Поскольку третий и четвертый этапы требуют самых значительных затрат времени и средств (до 60%), причем расчетно-конструкторская деятельность на этих этапах достаточно просто алгоритмизируется, целесообразно применение на этих этапах ЭВМ в комплексе со средствами ввода- вывода графической информации.
Как правило, САПР предназначены для проектирования сложных объектов (в качестве такого объекта, в частности, можно рассматривать силовой трансформатор класса напряжения 35— 110 кВ и выше).
Сложным объектом проектирования считается изделие или сооружение, которое характеризуется следующими признаками:
состоит из большого количества элементов (деталей конструкции и комплектующих изделий);
отличается противоречивостью требований, предъявляемых к его качествам;
отличается неразработанностью формализованных зависимостей показателей его качеств от принимаемых решений или отсутствием однозначных критериев оценки этих решений;
имеет совокупность свойств, определяемых не только свойствами элементов, но и характером взаимодействия между элементами;
отличается новизной технических решений;
предназначается для эксплуатации в составе многокомпонентной системы или в меняющихся (не вполне определенным образом) условиях;
изготавливается с привлечением большого числа предприятий или с использованием индивидуальной технологии.
Очень высокие требования предъявляются и к конкретному проектировщику или группе проектировщиков сложного технического объекта. В настоящее время продолжительность проектирования большинства сложных объектов превышает разумные пределы, определяемые сроками морального износа, утратой конкурентоспособности изделий и др. Поскольку сложность объектов будет возрастать, а время проектирования должно сокращаться, можно сделать вывод, что единственной разумной альтернативой неавтоматизированному проектированию может быть широкое использование САПР.
Основываясь на рассмотрении процесса проектирования различных сложных объектов и существа решаемых при этом проектных и проектно-технологических задач, можно утверждать, что системы автоматизированного проектирования должны:
- Автоматически выявлять наилучшие проектные и проектнотехнологические решения во всех случаях, когда оптимизационные задачи поддаются формализации.
- Автоматически вводить в процессе работы системы информации во все взаимосвязанные программы, использующие соответствующую информацию в качестве исходной.
- Автоматически проверять совместимость решений, принимаемых по разным частям и элементам проектируемого объекта, и осуществлять (когда это возможно) корректировку несовместимых решений без участия проектировщика.
- Автоматически выдавать в привычной для проектировщика форме некоторые промежуточные результаты.
- Выдавать любые промежуточные результаты по запросу проектировщика.
- Предоставлять проектировщику возможность вносить произвольные коррективы в первоначально принятые системой решения.
- Давать возможность изолированного решения отдельных задач по задаваемым проектировщиком исходным данным.
- Накапливать опыт проектирования.
- Выдавать по запросу любые сведения, хранящиеся в банке данных системы.
- Обеспечивать возможность совершенствования и развития системы без ее коренной переделки.
Все эти требования могут быть сведены к двум важнейшим качествам системы: информативность и адекватность. Именно они практически полностью определяют успех внедрения и эксплуатации САПР.
Практика разработки и эксплуатации САПР показывает, что ряд особенностей построения автоматизированной системы может быть оговорен и сформулирован до начала ее проектирования. Может возникнуть вопрос: накладывает ли специфика объекта проектирования требования на структуру и организацию САПР? На этот вопрос следует ответить утвердительно. Специфика проектирования, например, трансформаторов состоит в следующем:
- Это «старый» объект, расчетами и проектированием которого специалисты занимаются уже более 100 лет, следовательно, все принципиальные улучшения конструкции уже, как правило, внесены, а стремление к повышению технико-экономических показателей трансформатора заставляет проектировщиков все глубже вникать в существо физических процессов, что достигается на пути последовательного усложнения математической модели трансформатора и адекватного отражения процессов, протекающих в нем, в том числе и при переходных режимах.
- Если трудоемкость проектирования силового трансформатора средней мощности класса напряжения 35 кВ принять за 100%, то трудоемкость отдельных проектных процедур распределится ориентировочно следующим образом: обзор существующих конструкций и определение патентной чистоты изделия 2—3%; выполнение расчетов 6—14%; проработка конструкции 12—20%; выполнение чертежей 37—55%; согласование технической документации 6—18%; оформление технической документации 9—16%.
- Неавтоматизированное проектирование трансформаторов реализуется на основе интуитивных методов, определяемых квалификацией проектировщика, и логических методов, базирующихся на достижениях теории проектирования трансформаторов, соотношение между этими компонентами неодинаково: с ростом мощности и класса напряжения проектируемого трансформатора доля творческих функций растет, что связано с расширением круга проблем и наличием для крупных трансформаторов множества альтернативных решений по принципиальным электрической и компоновочной схемам трансформатора, типам обмоток и магнитопровода, способам защиты от перенапряжений и предупреждения перегревов элементов конструкции и т. д. Выбор конкретных решений производится на стадии расчетного проектирования исходя из условий обеспечения электрической прочности изоляций, механической и термической стойкости, заданного уровня потерь, необходимых условий транспортировки, технологичности конструкции и др.
- На производство трансформаторов расходуются остродефицитные материалы: электротехническая сталь, медь, алюминий. При большом объеме выпуска трансформаторов в стране даже незначительное снижение потребления материалов на каждый производимый трансформатор будет обеспечивать заметный экономический эффект.