Датчики параметров для систем автоматизации

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Датчики параметров для систем автоматизации

Применительно к датчикам используются следующие основные определения и термины.

Функция преобразования измерительного преобразователя -- это зависимость выходной величины данного измерительного преобразователя от входной, задаваемая либо аналитическим выражением, либо графиком, либо таблицей.

Чувствительность преобразователя -- это именованная величина, показывающая, насколько изменится выходная величина при изменении входной величины на одну единицу. Для термопары единицей чувствительности будет мВ/К (милливольты на 1 градус Кельвина), для регулируемого электродвигателя -- (обороты в секунду на 1 вольт) и т.д.

Разрешающая способность преобразования -- это наименьшее изменение входного сигнала, которое может быть измерено преобразователем.

Воспроизводимость является мерой того, насколько близки друг к другу результаты измерений одной и той же физической величины.

Прецизионность является мерой того, насколько близки друг к другу результаты аналогичных измерений.

Точность (погрешность) измерения показывает, насколько показанное датчиком значение параметра близко к его истинному значению. Обычно точность задается в процентах от полной шкалы измерительного прибора и в результате представляет собой некоторую абсолютную величину.

В большинстве случаев при измерении механических величин, нагрузка воспринимается не самим преобразователем, а упругим элементом, который под воздействием измеряемой величины деформируется. Входной величиной в таком случае может быть сосредоточенная сила, крутящий момент, давление газа или жидкости и пр. Выходным сигналом может быть как непосредственно воспринимаемая человеком информация, так и электрический параметр.

Различают статическую и динамическую характеристики датчика.

Под статической характеристикой датчика понимают зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин.

Под динамической характеристикой датчика понимают поведение выходной величины во время переходного процесса в ответ на мгновенное (ступенчатое) изменение измеряемой входной величины.

Если в статической характеристике датчика строится зависимость только между значением выходной величины Y в ответ на изменение входной величины, то в динамической характеристике датчика участвует параметр времени t и такая характеристика представляет собой зависимость вида.

Очевидно, что установившееся значение выходной величины датчика представляет собой то значение, которое приобретает его выходная величина после окончания всех переходных процессов. Зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин применительно к датчикам называется тарировочной кривой.

Наконец, приведена идеализированная статическая характеристика датчика с зоной нечувствительности на входе, с насыщением на выходе и с петлей гистерезиса. Гистерезисом называется различие между характером соответствия выходной и входной величин при прямом и обратном ходе изменения входной величины.

Практически это выражается в том, что значение выходной величины при возрастании входной величины не совпадает с ее же значениями при убывании входной величины, а следовательно, при наличии гистерезиса чувствительность датчика при «прямом» и «обратном» ходах неодинакова. Заметим, что значение выходной величины при возрастании входной величины может как «опережать», так и «отставать» по сравнению с ее же значениями при убывании входной величины. В первом случае говорят о положительном гистерезисе, а во втором -- об отрицательном.

Абсолютная величина разницы в значениях X при возрастании и убывании входной величины, при которых на выходе имеет место одно и тоже значение, называется шириной петли гистерезиса. В таком случае говорят, что данный элемент обладает «памятью», так как на его выходе остается ненулевое значение и после того, как на его входе установится нулевое значение. Но это будет иметь место лишь в том случае, если перед этим величина на входе осуществила цикл возрастания с последующим убыванием хотя бы до нуля. Если же такого цикла на входе не происходило, то на выходе датчика будет продолжать сохраняться нулевое значение. Иными словами, наблюдая за состоянием выхода датчика в данный момент, можно сделать заключение о том, что происходило на его входе в предыдущие моменты. Это и есть то, что принято называть «памятью».

Однако в реальной жизни практически не существует датчиков с идеализированной пропорциональной (линейной) зависимостью между значениями выходной и входной величин. Это значит, что приращение выходной величины в ответ на единичное приращение входной величины не является постоянным во всем интервале изменения измеряемой величины.

Может создаться такая ситуация, когда в начале изменения входной величины произошедшие в ней изменения будут приводить к существенным изменениям выходной величины, а в конце изменения входной величины произошедшие в ней изменения будут приводить к малым изменениям выходной величины. Может иметь место и обратная картина. В ряде случаев для удобства дальнейшего анализа фактическая нелинейная статическая характеристика датчика в определенных пределах измерения и с определенным влиянием на показания этого датчика может быть приближенно заменена неким линейным эквивалентом. В определенных условиях такая операция является допустимой и тогда она носит название линеаризации.

2. Преобразователи в системах автоматизации

Современные распределенные и многофункциональные системы контроля и управления при всем их многообразии, условно принято разбивать на уровни, где доминирующим критерием выделения определенного уровня является его функциональность.

К настоящему времени выработана четырёхуровневая структура, которой придерживаются практически все производители систем автоматизации технологических процессов. Пример такой иерархической структуры представлен на рисунке 1.

Рис. 1 Пример четырехуровневой структуры системы контроля и управления

4. Расчет и анализ финансово-экономических показателей, сервис, администрирование

3. Оперативный технологический контроль и управление

2. Управление. Контроллеры, в том числе Программируемые логические

1. Технологический процесс. Объект автоматизации. Датчики и исполнительные устройства

Традиционно, такую структуру представляют в виде пирамиды, подчеркивая то обстоятельство, что базисом любой автоматизации является технологический процесс с его многообразием параметров. Собственно измерение технологических параметров и управление ими в соответствии с требованиями технологических регламентов является основной задачей автоматизации.

На первом уровне находятся все первичные датчики и органы управления, необходимые для измерения и для изменения параметров. Состав датчиков и органов управления, их характеристики определяются прежде всего требованиями технологического процесса, поэтому для разных технологических процессов они различны.

На втором уровне выполняются следующие функции:

* Измерение и получение данных о параметрах и состояниях процесса и оборудования

* Анализ данных

* Управление процессом (локальное или координированное или взаимосвязанное), доведение управляющих воздействий до исполнительных устройств

* Представление информации о процессе и об оборудовании, включая сигнализацию, в том числе и аварийную, накопление и сохранение информации

* Обмен информацией со смежными системами и верхним уровнем

На втором уровне находятся различные контрольно-измерительные приборы, регуляторы, программируемые контроллеры. Несмотря на разнообразие технологических процессов, технические средства на втором уровне в значительной степени унифицированы.

Таким образом, между первым и вторым уровнями происходит интенсивный обмен данными: измеренные данные о параметрах и состояниях процесса и оборудования передаются в одном направлении и сигналы управления -- в обратно.

Обобщенно перечисленные выше функции обеспечивают сбор и передачу данных о параметрах и состояниях процесса и технологических переменных.

автоматизация исполнительный проектирование

Самый простой подход к сбору и передаче данных заключается в том, чтобы передавать сигналы непосредственно с датчиков на первом уровне к вторичным измерительным и управляющим приборам на втором уровне. Но такой подход часто оказывается не самым лучшим по двум причинам.

Во-первых, как правило, большинство датчиков и исполнительных механизмов, расположенных на технологической установке, удалены на значительные расстояния от вторичных средств контроля и управления. Именно удаленность датчиков от вторичных приборов во многих случаях является причиной наведения помех на длинных кабельных линиях, которые, как антенны, собирают «весь электромагнитный мусор» и искажают передаваемую информацию. Кроме того, стоимость длинных кабельных линий может составлять значительную долю стоимости всей системы.

Во-вторых, разнообразие типов сигналов от первичных датчиков вступает в противоречие с принципом унификации сигналов на втором уровне средств контроля и управления. Поэтому часто более предпочтительным решением является введение между первичным датчиком и вторичным прибором преобразователя сигнала в унифицированный сигнал - ток 4-20 мА. Преобразователь находится в непосредственной близости к первичному преобразователю и относится к первому уровню. В силу своего положения в структуре системы автоматизации преобразователи работают на «два фронта» и, соответственно, выполняют два основных набора функций.

Со стороны первичного датчика преобразователь:

* реализует метод измерения электрического параметра с первичного датчика;

* усиливает слабые сигналы;

* линеаризует нелинейную характеристику первичного датчика;

* осуществляет термокомпенсацию «холодных» спаев термопар;

* осуществляет преобразование в унифицированный токовый сигнал 4-20 мА.

Со стороны вторичных средств измерения и управления:

* ослабляет влияние электромагнитных помех;

* ослабляет погрешности, связанные с влиянием сопротивления соединительных линий и с влиянием нестабильности источника питания;

* позволяет экономить финансовые ресурсы за счет снижения стоимости соединительных линий;

* позволяет унифицировать сигналы, используемые для передачи данных и обрабатываемые вторичными средствами измерения.

Согласно ГОСТ 13384-93 преобразователи измерительные классифицируются в зависимости от эксплуатационной законченности, по защищенности от воздействия окружающей среды, по степени защищенности от электрических помех, по числу и виду преобразуемых входных сигналов, по зависимости выходного сигнала от входного сигнала, по наличию или отсутствию гальванической связи между входными и выходными цепями, а также и по некоторым другим показателям. Тот же ГОСТ 13384-93 устанавливает целый ряд требований:

* к нормируемым метрологическим характеристикам;

* к входным и выходным сигналам;

* к сопротивлениям входных и выходных цепей;

* к электропитанию;

* к электрической прочности и сопротивлению изоляции

и целый ряд других требований к техническим характеристикам преобразователей, которые призваны обеспечить высокое качество преобразователей при их производстве, повторяемость технических характеристик и взаимозаменяемость преобразователей при эксплуатации.

К числу важнейших характеристик можно отнести:

* класс точности или предел допустимой основной погрешности;

* предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной отклонением напряжения питания от номинального;

* предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной отклонением нагрузочных сопротивлений от номинальных;

* предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры окружающего воздуха.

Класс точности или предел допускаемой основной погрешности в первую очередь характеризует преобразователь как Измерительный прибор. Наименьшими погрешностями обладают преобразователи с классами точности 0,05, 0,1, 0,15, 0,2 и 0,25. Если преобразователи с классом точности 0,05 обычно применяются для высокоточных, аналитических или лабораторных задач, то для промышленного применения, как правило, используются преобразователи с классами точности от 0,1 до 0,25. При прочих равных условиях преобразователи с классами точности 0,1 в состоянии «покрыть» практически все задачи промышленной автоматизации и они с успехом могут применяться как с целью замены находящихся в эксплуатации преобразователей (ремонт, модернизация, реконструкция действующих производств), так и для вновь создаваемых автоматизированных систем контроля и управления.

Пределы допускаемых дополнительных погрешностей, вызванных отклонением напряжения питания и отклонением нагрузочных сопротивлений от номинальных значений, также важны для преобразователей, но, как было показано выше, в токовой петле этим дополнительным погрешностям «мало шансов проявиться», конечно, если преобразователь спроектирован на высоком современном уровне и конечный пользователь будет его использовать в условиях и режимах эксплуатации, не выходящих за пределы, установленные в спецификации на преобразователь.

Предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры окружающего воздуха - весьма важная техническая характеристика преобразователя, которая характеризует его термостабильность. Особенно она важна для преобразователя, встраиваемого в головку датчика температуры, где рабочая температура изменяется от минус 40 до +80 °С. Можно считать, что преобразователь обладает высокой термостабильностью, если предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры окружающего воздуха, не превышает 0,025 % на 10 °С изменения окружающей температуры. Чем меньше этот показатель -- тем лучше.

3. Исполнительные механизмы и сопутствующие им устройства

Электрическим исполнительным механизмом в системах управления обычно называют устройство, предназначенное для перемещения рабочего органа в соответствии с сигналами, поступающими от управляющего устройства.

Рабочими органами могут быть различного рода дроссельные заслонки, клапаны, задвижки, шиберы, направляющие аппараты и другие регулирующие и запорные органы, способные производить изменение количества энергии или рабочего вещества, поступающего в объект управления. При этом перемещение рабочих органов может быть как поступательным, так и вращательным в пределах одного или нескольких оборотов. Следовательно, исполнительный механизм с помощью рабочего органа осуществляет непосредственное воздействие на управляемый объект.

В общем случае электрический исполнительный механизм состоит из электропривода, редуктора, узла обратной связи, датчика указателя положения выходного элемента и конечных выключателей.

В качестве электропривода в исполнительных механизмах используются либо электромагниты, либо электродвигатели с понижающим редуктором для снижения скорости перемещения выходного элемента до величины, обеспечивающей возможность непосредственного соединения этого элемента (вала или штока) с рабочим органом.

Узлы обратной связи предназначены для введения в контур регулирования воздействия, пропорционального величине перемещения выходного элемента исполнительного механизма, а, следовательно, и сочлененного с ним рабочего органа. С помощью конечных выключателей производится отключение электропривода исполнительного механизма при достижении рабочим органом своих конечных положений во избежание возможных повреждений механических звеньев, а также для ограничения перемещения рабочего органа.

Как правило, мощность сигнала, вырабатываемого регулирующим устройством, бывает недостаточной для непосредственного перемещения рабочего органа, поэтому исполнительный механизм можно рассматривать как усилитель мощности, в котором слабый входной сигнал, усиливаясь во много раз, передается на рабочий орган.

Все электрические исполнительные механизмы, нашедшие широкое применение в самых различных отраслях современной техники автоматизации производственных процессов, можно разделить на две основные группы:

1) электромагнитные

2) электродвигательные.

К первой группе относятся прежде всего соленоидные электроприводы, предназначенные для управления различного рода регулирующими и запорными клапанами, вентилями, золотниками и т. п. Сюда же можно отнести исполнительные механизмы с различными видами электромагнитных муфт. Характерная особенность электрических исполнительных механизмов этой группы состоит в том, что необходимое для перестановки рабочего органа усилие создается за счет электромагнита, являющегося неотъемлемой частью исполнительного механизма. Для целей регулирования соленоидные механизмы обычно применяются только в системах двухпозиционного регулирования. В системах автоматического управления в качестве исполнительных элементов часто используются электромагнитные муфты, которые подразделяются на муфты трения и муфты скольжения.

Ко второй, наиболее распространенной в настоящее время группе относятся электрические исполнительные механизмы с электродвигателями различных типов и конструкций.

Электродвигательные исполнительные механизмы обычно состоят из двигателя, редуктора и тормоза (последнего иногда может и не быть). Сигнал управления поступает одновременно к двигателю и тормозу, механизм растормаживается и двигатель приводит в движение выходной орган. При исчезновении сигнала двигатель выключается, а тормоз останавливает механизм. Простота схемы, малое число элементов, участвующих в формировании регулирующего воздействия, и высокие эксплуатационные свойства сделали исполнительные механизмы с управляемыми двигателями основой для создания исполнительных устройств современных промышленных систем автоматического регулирования.

Существуют, хотя и не получили широкого распространения, исполнительные механизмы с неуправляемыми двигателями, которые содержат управляемую электрическим сигналом механическую, электрическую либо гидравлическую муфту. Характерной их особенностью является то, что двигатель в них работает непрерывно все время работы системы регулирования, а сигнал управления от регулирующего прибора передается рабочему органу через управляемую муфту.

Исполнительные механизмы с управляемыми двигателями в свою очередь можно разделить по способу построения системы управления на механизмы с контактным и бесконтактным управлением.

Включение, отключение и реверсирование электродвигателей исполнительных механизмов с контактным управлением производится с помощью различной релейной или контактной аппаратуры. Это определяет основную отличительную особенность исполнительных механизмов с контактным управлением: у таких механизмов скорость выходного органа не зависит от величины управляющего сигнала, подаваемого на вход исполнительного устройства, а направление перемещения определяется знаком (или фазой) этого сигнала. Поэтому исполнительные механизмы с контактным управлением относят обычно к исполнительным устройствам с постоянной скоростью перемещения рабочего органа.

Для получения средней переменной скорости перемещения выходного органа исполнительного механизма при контактном управлении широко используется импульсный режим работы его электродвигателя.

В большинстве исполнительных механизмов, предназначенных для работы в схемах с контактным управлением, используются реверсивные электродвигатели. Применение электродвигателей вращающихся только в одну сторону, весьма ограничено, но все же имеет место.

Бесконтактные электрические исполнительные механизмы отличаются повышенной надежностью и позволяющие относительно просто получать как постоянную, так и переменную скорость перемещения выходного органа. Для бесконтактного управления исполнительными механизмами используются электронные, магнитные или полупроводниковые усилители, а также их сочетание. При работе управляющих усилителей в релейном режиме скорость перемещения выходного органа исполнительных механизмов постоянна.

Как электрические исполнительные механизмы с контактным управлением, так и бесконтактные можно подразделять также по следующим признакам.

По назначению: с вращательным движением выходного вала -- одиооборотные; с вращательным движением выходного вала -- многооборотпые; с поступательным движением выходного вала -- прямоходпые.

По характеру действия: позиционного действия; пропорционального действия.

По исполнению: в нормальном исполнении, в специальном исполнении (пылеводозащищенном, взрывозащищениом, тропическом, морском и т. п.).

Выходной вал однооборотных исполнительных механизмов может вращаться в пределах одного полного оборота. Такие механизмы характеризуются величиной крутящего момента на выходном валу и временем его полного оборота.

В отличие от однооборотных многооборотные механизмы, выходной вал которых может осуществлять перемещение в пределах нескольких, иногда значительного количества, оборотов, характеризуются также полным числом оборотов выходного вала.

Прямоходные механизмы имеют поступательное движение выходного штока и оцениваются усилием на штоке, величиной полного хода штока, временем его перемещения на участке полного хода и по скорости движения выходного органа в оборотах в минуту для однооборотных и многооборотных и в миллиметрах в секунду для прямоходных механизмов.

Конструкция исполнительных механизмов позиционного действия такова, что с их помощью рабочие органы можно устанавливать только в определенные фиксированные положения. Чаще всего таких положений бывает два: «открыто» и «закрыто». В общем случае возможно существование и многопозиционных механизмов. Исполнительные механизмы позиционного действия обычно не имеют устройств для получения сигнала обратной связи по положению выходного органа.

Исполнительные механизмы пропорционального действия конструктивно таковы, что обеспечивают в заданных пределах установку рабочего органа в любое промежуточное положение в зависимости от величины и длительности управляющего сигнала. Подобные исполнительные механизмы могут использоваться как в позиционных, так и в П, ПИ и ПИД-системах автоматического регулирования.

Существование электрических исполнительных механизмов как нормального, так и специальных исполнений в значительной мере расширяет возможные области их практического применения.



4. Управление автоматическими линиями

Системы управления автоматических линий должны обеспечить заданную последовательность работы станков и механизмов в соответствии с циклограммой линии. Необходимая последовательность обеспечивается своевременной подачей однозначных команд приводным и исполнительным органам станков и механизмов, входящих в автоматическую линию. В систему управления входят подсистемы блокирования, обеспечивающие безаварийную работу, подсистемы контроля размеров обрабатываемых заготовок, подсистемы сигнализации и т. д. Системы управления автоматических линий обеспечивают автоматизацию обнаружения места и характера возникающих отказов. В задачу систем управления входит также получение информации для управления эксплуатацией оборудования: данные о производительности АЛ, учет и анализ простоев, сведения о работе инструмента и т. д.

Для управления автоматическими линиями часто применяют метод путевого контроля с применением релейно-контактной аппаратуры. Качественно новый принцип управления связан с появлением программируемых контроллеров (ПК) - командоаппараторов. Программируемый контроллер - это малая специализированная управляющая машина, построенная на элементах вычислительной техники. Наметилась тенденция децентрализации управления АЛ, когда каждый станок, транспортное устройство управляются собственным командоанпаратом, которые объединяются в единую систему управления.

Выпускаются два вида программируемых контроллеров:

1) малые программируемые контроллеры - ПКМ, предназначенные только для управления циклом оборудования;

2) большие программируемые контроллеры ПК-ПКБ, предназначенные для управления циклом и организации технического обслуживания.

Опыт эксплуатации автоматических линий показал, что необходима двухуровневая система управления, в которой, нижний уровень организован на базе ПК, а верхний - на базе ЭВМ. Состав управляющего оборудования зависит от структуры автоматических линий. Так, для автоматических линий с жесткой связью целесообразна система управления, при которой большие программируемые контроллеры управляют циклом работы автоматической линией, осуществляет диагностику и решает некоторые задачи диспетчирования. На верхнем уровне системы установлена малая ЭВМ, обеспечивающая накопление и обработку статистической информации. Такая ЭВМ может быть общей для нескольких АЛ. Для автоматических линий с гибкой связью наиболее рационально управление каждым станком от индивидуального малого программируемого контроллера. При выходе из строя какого-либо станка или ПКМ линия не останавливается, использует межстаночные заделы. ПКМ объединяются или ПКБ или специализированной малой ЭВМ, которые ориентированы только на выполнение функций технического обслуживания АЛ.

5. Управление комплексами обработки и сборки

Система управления многономенклатурными обработкой и сборкой, представляющая собой человеко-машинный программно- аппаратный комплекс, также обычно строится по иерархическому принципу с широким применением компьютерных средств и агрегатно-модульного построения. При иерархическом принципе построения систем управления каждый управляемый объект должен быть снабжен собственной системой управления, представляющей собой либо управленческий аппарат, либо программно- аппаратный комплекс, либо компьютерную сеть автоматического управления. Такая локальная система управления должна обеспечивать функционирование своего управляемого объекта в соответствии с его техническими характеристиками с учетом складывающейся производственной обстановки и директив вышестоящих уровней.

При создании такой системы должны соблюдаться следующие принципы:

* принцип системности, заключающийся в том, что взаимосвязи между ее компонентами должны устанавливаться и сохраняться как при проектировании, так и при реализации и развитии этой системы с целью обеспечения ее целостности;

* принцип развиваемости, заключающийся в том, что еще при проектировании системы должна быть предусмотрена возможность видоизменения ее функций и дополнительного включения функций за счет доработки имеющихся программных и аппаратных средств;

* принцип стандартизации и унификации, заключающийся в том, что еще при проектировании системы должно быть предусмотрено самое широкое применение типовых, унифицированных, стандартизованных или, по крайней мере, широко распространенных программных и аппаратных средств и технических решений;

* принцип эффективности, заключающийся в том, что между затратами труда, материальных ресурсов и времени на создание и эксплуатацию подобной системы и получаемыми результатами должно существовать рациональное соотношение.

Генеральным направлением в создании такого рода систем управления является децентрализация. Однако децентрализация должна сочетаться с программной и аппаратной интеграцией. Такая интеграция обеспечивается за счет использования общих баз данных и объединения распределенных компьютеров в локальные вычислительные сети.

Существенным компонентом технических средств, используемых для создания такого рода систем, являются различного рода дисплейные терминалы, обеспечивающие оперативную двухстороннюю связь системы управления с персоналом. Подобные терминалы могут быть как алфавитно-символьными, так и графическими, как монохромными (черно-белыми), так и цветными. Они располагаются на всех уровнях иерархии систем управления многономенклатурной обработкой и сборкой.

На уровне организационно-технологического управления они используются для ввода, вывода и индикации плановой и отчетно-справочной информации, учета поступления и отправки заготовок, изделий, инструментов, приспособлений, материалов и комплектующих, ввода, вывода и индикации конструктивных и технологических данных по обрабатываемым деталям, необходимым для технологической подготовки их запуска, а также же для ведения диалога с персоналом, занимающимся организационной и технологической подготовкой производства, и ведения диалога с общезаводскими службами.

На уровне диспетчерского управления эти терминалы используются для ввода, вывода и индикации информации, необходимой для ведения производственного процесса, внесения корректировок в сменно-суточные задания по рабочим позициям и редактирования текстов управляющих программ оборудования с ЧПУ, а также для внесения корректировок в массивы картотек, ведущихся системой управления и осуществления диалога с уровнем организационно-технологического управления.

На уровне группового управления подобные терминалы используются для переадресации текстов управляющих программ оборудования с ЧПУ и их редактирования, для внесения директив, определяющих взаимодействие единиц оборудования, образующих данную группу, а также для осуществления диалога с диспетчерским уровнем и уровнем непосредственного управления.

6. Системы автоматизированного проектирования

Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем: различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах.

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными (PDM -- Product Data Management), управления процессом проектирования (DesPM -- Design Process Management), пользовательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ, CASE (Computer Aided Software Engineering) для разработки и сопровождения программного обеспечения САПР, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.

Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появление видов обеспечения. Принято выделять семь видов обеспечения:

Техническое (ТО), включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства);

Математическое (МО), объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;

Программное (ПО), представляемое компьютерными программами САПР;

Информационное (ИО), состоящее из баз данных (БД), систем управления базами данных (СУБД), а также других данных, используемых при проектировании; отметим, что вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, а БД вместе с СУБД носит название банка данных (БнД);

Лингвистическое (ЛО), выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР;

Методическое (МетО), включающее различные методики проектирования, иногда к МетО относят также математическое обеспечение;

Организационное (ОО), представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, регламентирующими работу проектного предприятия.

Классификацию САПР делают по приложению, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы и т. д.

По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР:

· САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или MCAD (Mechanical CAD) системами;

· САПР для радиоэлектроники. Их названия -- ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation) системы.

· САПР в области архитектуры и строительства;

Кроме того, известно большое число более специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь в классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т.п.

По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты проектирования. Так, в составе MCAD появляются CAE/CAD/CAM системы:

· САПР функционального проектирования, иначе САПР-Ф или CAE (Computer Aided Engineering) системы.

· Конструкторские САПР общего машиностроения -- САПР-К, часто называемые просто CAD системами;

· Технологические САПР общего машиностроения -- САПР-Т, иначе называемые автоматизированными системами технологической подготовки производства АСТПП или системами CAМ (Computer Aided Manufacturing).

По масштабу различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР, например, комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ) или комплекс анализа электронных схем; системы ПМК; системы с уникальными архитектурами не только программного (software), но и технического (hardware) обеспечений.

По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР:

САПР на базе машинной графики и математического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т.е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. Поэтому к этой группе систем относится большинство графических ядер САПР в области машиностроения.

САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях, например, при проектировании бизнес-планов, но имеют место также при проектировании объектов, подобных щитам управления в системах автоматики.

САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые программно-методические комплексы, например, имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по методу конечных элементов, синтеза и анализа систем автоматического управления и т.п. Часто такие САПР относятся к системам CAE. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD.

Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проектирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий. Для управления столь сложными системами применяют специализированные системные среды.

7. Системы CAD/CAM

CAD-системы предназначены для автоматизации только конструкторско-проектных работ.

CAM-системы позволяющие автоматизировать разработку технологического проекта и подготовить управляющие программы для станков с числовым программным управлением.

CAD/CAM системы, объединяющие в себе как конструкторские, так и технологические функции, базирующиеся на идеологии пространственного моделирования, в которых геометрическая модель автоматически передается в технологическую часть.

CAD-системы в чистом виде в настоящее время практически выходят из области практического применения.

CAD/CAM-системы имеют значительное преимущество на концептуальном (начальном) этапе проектирования, особенно, когда идет формирование сложных пространственных компоновок. Концептуальная стадия (Mass modeling), является ранней стадией проекта. На этой стадии решается вопрос об общих формах изделия, о взаимодействии с другими модулями и устройствами. Как правило, создаётся несколько вариантов решения, из которых выбирается лучший по мнению проектировщика и заказчика. Ранее для очень крупных проектов изготовлялась натурная 3D модель в масштабе, которая позволяла дать более обоснованную оценку для выбора конкретного решения. Во время применения современных ИТП компьютерное моделирование позволяет проделать ту же самую работу значительно быстрее и качественнее. Кроме того, электронная модель, созданная на этой стадии, позволяет провести предварительный расчет габаритных показателей.

Однако, следует отметить, что практическое внедрение таких систем в условиях нашей действительности идет сложно. Подавляющее большинство конструкторов могут иметь в своем распоряжении последние версии системы Mechanical Desktop. Процентов тридцать из них активно используют эту систему для проработки моделей деталей и узлов с целью более качественного и скорейшего получения чертежей. Как правило, в чертеже делается ссылка на имя файла с соответствующей моделью. В большинстве случаев только после передачи чертежа в отдел технической документации он и трехмерная модель становятся доступны для технологов и производства. Такой классический подход к проектированию, когда конструктор, технолог и станочник связываются последовательной цепочкой с доступом только к конечному результату на каждом из этапов, ничего общего не имеет с предлагаемыми современными CAD/CAM-системами технологиями параллельного проектирования и совместной разработки проекта.

Диапазон применяемых CAD/CAM систем достаточно широк: от моделирования простых объектов до полного электронного представления самых сложных изделий современной техники. В практике конструкторов и технологов более часто встречаются типовые задачи, для решения которых необходимо разрабатывать и применять прикладные проблемно-ориентированные системы, хорошо взаимодействующие с базовой универсальной системой. CAD / CAM системы имеют значительное преимущество на концептуальном (начальном) этапе проектирования, особенно, когда идет формирование сложных пространственных компоновок.

Размещено на Allbest.ru

...