ГЛАВА ПЯТАЯ
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Развитие систем автоматизированного проектирования в электротехнике
В качестве прообраза первых САПР трансформаторов может рассматриваться комплекс программ для расчета типоисполнений силовых трансформаторов, разработанный применительно к ЭВМ «Мир» в начале 70-х годов [77]. Функционирование этого комплекса предполагало существенное участие проектировщика как в процессе принятия решений, так и в обеспечении интерфейса между программами проектирования, что было обусловлено невысокими техническими характеристиками ЭВМ и состоянием зарождающейся в тот период теории автоматизированного проектирования.
Совершенствование вычислительной техники открывало, казалось, неограниченные перспективы автоматизации проектных работ, что выражалось в создании многочисленных программ проектирования трансформаторов и электрических машин, позволявших практически без участия человека осуществлять переработку информации от задания исходных данных до проектного результата. Когда период восторга перед возможностями вновь появляющихся ЭВМ прошел и специалисты начали анализировать результаты автоматических проектных расчетов, они пришли к выводу, что, в большинстве случаев, эти результаты не могут быть практически использованы без существенной доработки человеком.
Проектировщику пришлось вновь вернуться к диалогу с машиной, однако на качественно ином уровне. Если раньше он был, по существу, вспомогательным звеном, то в САПР проектировщик выполняет главные функции по принятию наиболее ответственных и важных решений, что сделать ЭВМ на современном этапе пока неспособна.
Таким образом, если в первых программных комплексах роль человека в системе «человек — машина» рассматривалась в свете машиноцентрического подхода, т. е. представлялась упрощенно с целью облегчения согласования техники с человеком, то в современных САПР начал формироваться новый антропоцентрический подход к анализу этих систем, в котором человек рассматривается как субъект деятельности организующий всю систему и направляющий ее на достижение им же самим заданной цели [78].
В электротехнической отрасли работы в области САПР ведутся достаточно интенсивно, в результате созданы первые очереди этих систем.
Целью создания системы автоматизированного проектирования асинхронных двигателей (АД) [79—81] является решение следующих основных задач:
проведение поисковых расчетов с определением оптимальных геометрических размеров электрических машин и основных электрических характеристик; автоматизация разработки конструкции и технологии;
получение носителей информации для станков с числовым программным управлением (ЧПУ), которые могут быть использованы для изготовления отдельных деталей и технической оснастки (штампов, пресс-форм и т. д.).
На основе математической модели осуществляется проведение оптимизационных расчетов активной части машины. На следующем этапе с помощью специального пакета прикладных программ для полученного оптимального варианта активной части электродвигателя производятся поверочные расчеты. Они охватывают все технические характеристики изделия и предусматривают унификацию и доводку важнейших элементов и узлов машины.
Уточненные технико-экономические характеристики, полученные в результате поверочных расчетов, используются для разработки конструкторских решений, осуществляемых с применением пакета прикладных программ машинной графики. Разработка конструкции включает прочностные, виброакустические расчеты, расчеты подшипников и т. д. Изменение конструкции приводит к необходимости итерационного повторения поверочных расчетов.
В функции САПР АД входят выпуск документации на машинных носителях для автоматического изготовления оснастки и отдельных деталей на станках с ЧПУ, а также ведение чертежного хозяйства в производстве. Эти функции САПР АД представляют переходный этап от конструирования к технологии изготовления АД.
Система автоматизированного проектирования АД имеет двухуровневую структуру вычислительных средств. Конструктор взаимодействует с терминальными устройствами, входящими в состав автоматизированного рабочего места, которое составляет нижний уровень технического обеспечения системы САПР АД. Комплекс АРМ связан посредством интерфейса с верхним уровнем — расширенным комплексом ЕС ЭВМ, имеющим объем оперативной памяти 512 Кбайт, не менее шести запоминающих устройств на магнитных дисках, комплекс отображения алфавитно-цифровой информации.
По своей сути задача автоматизированного конструирования двигателя является оптимизационной задачей нелинейного программирования с ограничениями, большая часть которых практически не поддается формализации. К числу требований и ограничений, учитываемых на стадии конструирования, относятся следующие:
требования технической эстетики; требования технологии изготовления; требования удобства эксплуатации; требования стандартизации и унификации:
ограничения, накладываемые на некоторые характеристики двигателя (уровень шума и вибраций, предел прочности отдельных узлов и т. д.).
В процессе конструирования АД можно выделить две важные стадии: разработку общего вида конструкции и выпуск детализированных чертежей. Задача оптимизации конструкции возникает в основном на стадии разработки общего вида.
В силу относительной консервативности конструкции АД удается выделить несколько типов общих видов двигателей, охватывающих основные базовые конструкции. Выбираются некоторый критерий качества и система ограничений, накладываемых на конструкцию.
Постановка задачи в этом случае и разработка программы сводятся к следующему:
необходимости выводить параметры, описывающие конструкцию АД, на экран дисплея и возможности оперативно корректировать их значения;
необходимости проводить расчеты значений ограничивающих функций;
необходимости иметь возможность вычертить на графопостроителе требуемый тип общего вида АД.
Конструктор работает над общим видом АД по частям, отрабатывая отдельно его узлы, и использует полный чертеж общего вида лишь на последней стадии для увязки всех размеров. В соответствии с этим чертеж общего вида АД был разбит на фрагменты, каждый из которых как сборочная единица
или узел может представлять самостоятельный интерес. После проведения корректировки значений параметров конструктор имеет возможность либо перейти к вычерчиванию, либо провести дополнительные расчеты. Предусмотрены средства записи получаемых чертежей в архив для последующего использования.
В последние годы в объединении «Электросила» проведены организационные работы по развитию и совершенствованию технологии проектирования на основе применения вычислительной техники [17].
В состав первой очереди САПР вошли программы поверочных электромагнитных, тепловых и механических расчетов машин всех типов; методики автоматизированного выполнения чертежей; программы конструирования сегментов стали статора, бандажного и центрирующего колец турбогенераторов, магнитной системы машин постоянного тока, ротора и лобовых частей обмотки статора машин переменного тока; методика перевода нормативно-технической документации на машинные носители информации; инструкции по эксплуатации технических и программных средств САПР, включая пакеты научных программ, машинную графику, системы управления базой данных и телеобработки.
Разработанная во ВНИИКЭ САПР синхронных машин автономной энергетики позволяет осуществлять сложные расчеты широкого класса синхронных и индукторных генераторов, применяя методы численного моделирования электромагнитных полей с учетом нелинейных свойств ферромагнитной среды. Использование графического дисплея в процессе конструирования деталей дает возможность наглядно представлять результаты проектирования и оперативно вносить необходимые изменения [82].
Производство низковольтных комплектных устройств (НКУ) требует индивидуального проектирования каждого изделия при массовом выпуске продукции— панелей, щитов, шкафов управления, выполненных на релейно-контактной элементной базе [83, 84].
Для проектирования крупных силовых трансформаторов во Всесоюзном институте трансформаторостроения (ВИТ) разработана система автоматизированного проектирования трансформаторов общего назначения САПР-ТОН [6, 85], которая позволяет реализовать математические модели по расчетам импульсных напряжений в обмотках, магнитного поля рассеяния с учетом дискретных ферромагнетиков, распределения тока в параллельных ветвях обмоток и сопротивления КЗ и др. Языковые средства позволяют проектировщику вводить исходную информацию, формировать граф расчета, обеспечивать представление результирующей информации в виде технической документации (см. § 3.5).
Одесским политехническим институтом совместно с ВИТ ведутся исследования по разработке принципов организации и реализации автоматизированного проектирования мощных силовых трансформаторов класса напряжения 750 кВ для линий электропередач постоянного тока [86]. Предлагается идея поэтапной оптимизации трансформаторов с использованием на каждом этапе частных критериев.
Положительный опыт, полученный при разработке САПР в электротехнической отрасли, а также в ряде других отраслей, учтен при создании САПР трансформаторов классов напряжения 10—110 кВ, которые описаны в следующих параграфах данной главы.
