Реализация CALS-технологий для проектирования сложной радиоэлектронной аппаратуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реализация CALS-технологий для проектирования сложной радиоэлектронной аппаратуры

Кофанов Ю.Н., Малютин Н.В., Коломейцев С.С.

Realization CALS-technology for designing various radio-electronic equipments. Kofanov Ju.N., Malutin N.V., Kolomeysev S.S.

Abstract. In given article is considered realization in Design agency of the informatics, hydroacoustics and relationship CALS-technology. The Described methods of the shaping the virtual model on stage of the designing radio-electronic equipments on base of the system ASONIKA. Given methods possesses scientific novelty to the extent that allows to reveal on early stages of the designing potential system refusals. Using the methods prevents the appearance unexplained refusal of usage and allows to raise the quality and reliability of the design researches.

Аннотация. В данной статье рассматривается реализация в Конструкторском бюро информатики, гидроакустики и связи CALS-технологий. Описана методика формирования виртуального макета на стадии проектирования радиоэлектронных устройств на основе системы АСОНИКА. Данная методика обладает научной новизной в том смысле, что позволяет выявлять на ранних стадиях проектирования потенциальные системные (многофакторные) отказы. Применение методики предотвращает появлению необъяснимых отказов во время эксплуатации и позволяет повысить качество и надежность проектных исследований.

Современные условия характеризуются все более жесткой конкуренцией на международном рынке, повышением сложности и наукоемкости продукции, что ставит перед промышленниками и предпринимателями страны новые проблемы. К их числу относятся:

Ш критичность времени, требующегося для создания изделия и организации его продажи;

Ш снижение всех видов затрат, связанных с созданием и сопровождением изделия;

Ш повышение качества процессов проектирования и производства;

Ш обеспечение гибкого и надежного эксплуатационного обслуживания.

Действенным средством решения этих проблем в последнее десятилетие выступают новые информационные CALS-технологии сквозной поддержки сложной наукоемкой продукции на всех этапах ее жизненного цикла (ЖЦ) от маркетинга до утилизации. Базирующиеся на стандартизованном едином электронном представлении данных и коллективном доступе к ним, эти технологии позволяют существенно упростить выполнение этапов ЖЦ продукта и повысить производительность труда, обеспечить повышение качества продукции.

В настоящее время CALS-технологии в России рассматриваются как средство интеграции в мировую экономику, как важный инструмент реструктуризации всех отраслей промышленности, коренным образом упрощающий внутреннюю и международную промышленную кооперацию. Отставание с внедрением CALS-технологий сделает для предприятий невозможным участие в международной кооперации, негативно отразится на конкурентоспособности и привлекательности производимой продукции, послужит причиной потери определенных сегментов рынка.

В данной статье описывается реализация в Конструкторском бюро информатики, гидроакустики и связи (КБ ИГАС) CALS-технологий для проектирования сложной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) на основе современной автоматизированной системы обеспечения надежности а качества аппаратуры «АСОНИКА».

Цель и задачи внедрения CALS-технологий. Целью внедрения CALS-технологий на основе системы АСОНИКА является повышение эффективности работы структурных подразделений предприятия КБ ИГАС, приведение их в соответствие с современными мировыми и отечественными стандартами качества, сокращение сроков проектирования и разработки наукоемкой РЭА, повышение надежности разрабатываемой РЭА. Это достигается путем решения следующих задач:

Ш создание единой информационной среды для эффективного управления разработкой РЭА;

Ш возможность подключения к работе любых типов документов, состоящих как из одного, так и из нескольких файлов. Вызов любых приложений для работы с документами;

Ш автоматизированное создание спецификаций на любой узел проекта;

Ш возможность использовать типовых элементов и решений в нескольких проектах одновременно;

Ш интеграция с системами проектирования (AUTOCAD, P-CAD, Компас) и комплексного математического моделирования (АСОНИКА), что позволяет использовать их как единый комплекс для разработки РЭА;

Ш обеспечение параллельной коллективной работы над проектами разных групп пользователей и различных подразделений предприятия КБ ИГАС;

Ш повышение управляемости структурных подразделений предприятия;

Ш контроль сроков исполнения работ;

Ш формирование электронного архива и централизованное структурированное хранение электронных документов;

Ш оперативный поиск, получение и обработка документов и данных;

Ш защита документов от несанкционированного доступа;

Ш автоматизация процедуры внесения изменений в рабочую документацию, контроль и регистрация внесения изменений;

Ш упрощение процедура прохождения сертификации на соответствие требованиям различных международных и отечественных стандартов.

Таким образом, результатом внедрения CALS-технологий на основе системы АСОНИКА станет переход на принципиально новый уровень информационных технологий, что позволит расширить номенклатуру выпускаемой продукции, сократить сроки выхода на рынок новых изделий, снизить процент отказов аппаратуры и затраты на производство.

Структура системы комплексного моделирования и разработки РЭА на основе CALS-технологий. Виртуальный макет изделия - это совокупность информации, содержащая структурированные в базе данных сведения об изделии, собранные на стадиях проектирования и систематизированные таким образом, чтобы можно было при просмотре составить достаточно полное о нем представление, включая как внешний вид конструкции, так и его внутренние параметры, режимы работы элементов, и выходные характеристики. Виртуальный макет изделия дает возможность обращаться с ним, как с материальным оригиналом, а именно: оценивать соответствия параметров и выходных характеристик изделия требования ТЗ, стандартам и другой нормативной документации, а также принимать обоснованные решения для внесения изменений в проектирование изделия с целью улучшения при оптимизации показателей его качества и надежности.

Виртуальный макет изделия позволяет улучшать показатели процесса проектирования и изготовления такие, как стоимость, сроки и содержание работ на тех или иных этапах. Одним из эффективных с этой точки зрения решений является замена натурных испытаний физического макета или опытного образца математическим моделированием.

Виртуальный макет изделия формируется при проектировании и в него могут быть внесены изменения на этапах изготовления и эксплуатации в силу реальных условий производства на заводе и эксплуатации на конкретном объекте установки. Например, при изготовлении может возникнуть необходимость замены материалов и технологических режимов, а при эксплуатации - необходимость получения разрешений на применение в новых условиях эксплуатации, а также на продление времени эксплуатации изделия. Подобные разрешения дают проектировщики изделий после дополнительного исследования виртуального макета. Поэтому виртуальный макет изделия хранится в головной проектной организации, а на стадии изготовления и эксплуатации передается в электронном виде только часть виртуального макета изделия, относящаяся к технологической или эксплуатационной документации.

Программное обеспечение виртуального макетирования, основанное на современных технологиях виртуальной реальности, позволяет заменить физический макет изделия его виртуальным аналогом и в процессе компьютерного анализа электронного образца решать те задачи, для выполнения которых раньше требовались натурные испытания. В отличие от физического макета, который может быть изготовлен только после завершения всех этапов проектирования и подготовки производства, виртуальный макет создается сразу после выработки основных требований к изделию. cals технология радиоэлектронный аппаратура

Таким образом, процесс проектирования нового изделия сопровождается виртуальным макетированием, что позволяет проводить тестирование параллельно с разработкой и тем самым своевременно обнаруживать и исправлять возможные ошибки.

Еще на этапе концептуального проектирования использование виртуального макета позволяет провести анализ альтернативных подходов и выбрать наиболее верное решение. При конструировании виртуальное макетирование помогает оценить внешние формы частей, их стыковку и согласованность друг с другом в рамках единого изделия. Применение виртуальных макетов повышает наглядность и упрощает процесс управления проектированием изделий в распределенной среде корпоративной сети.

Вся система АСОНИКА, предлагаемая для использования при моделировании РЭА, состоит из рада проблемных подсистем, позволяющих моделировать большинство основных физических процессов для различных уровней иерархии современной наукоемкой РЭА. Это такие подсистемы, как: АСОНИКА-У (управление), АСОНИКА-Т (моделирование тепловых процессов), АСОНИКА-М (моделирование механических процессов), АСОНИКА-Р (заполнение карт рабочих режимов) и т. д. Также в систему включаются программы сторонних разработчиков для обеспечения комплексного анализа физических процессов, протекающих в РЭА, например OrCAD или P-CAD и система управления данными SQL-PDM. Общая схема в рамках поддержки всего жизненного цикла изделия представлена на рис 2.

Проблемные подсистемы представляют собой отдельные программные комплексы, решающие различные задачи моделирования, управления и подготовки проектной документации. Рассмотрим основные подсистемы, программы и решаемые ими задачи.

PDM - система «SQL_PDM» - это компьютерная система управления данными об изделии. Назначение SQL_PDM - собрать всю информацию об изделии в интегрированной базе данных (БД) и обеспечить совместное использование этой информации в процессах проектирования, производства и эксплуатации.

В основе SQL_PDM лежит международный стандарт ISO 10303 (STEP) (в РФ действует ГОСТ Р ИСО 10303), определяющий схему (модель) данных в БД, набор информационных объектов и их атрибутов, необходимых для описания изделия.

На стадии проектирования БД используется для накопления в стандартизованной форме результатов труда разработчиков и обмена данными между ними. Подготовленные, проверенные и утвержденные данные используются в процессах материально-технического снабжения, производства и эксплуатации изделия.

В соответствии с требованиями стандарта ISO 10303 БД системы SQL_PDM содержит информацию о виртуальном макете, данные об организационной структуре предприятия и соподчиненности ее элементов, ролях и полномочиях людей, данные о процессе разработки: статусах, присвоенных результатам работы, проведенных изменениях. Виртуальный макет содержит информацию о структуре, вариантах конфигурации изделия и входимости компонентов в различные изделия, идентификационную информацию об изделии и его компонентах, геометрические модели различных типов и/или электронные образы бумажных документов (чертежей) и все это изображается в виде дерева виртуального макета (см рис. 2). Такое отображение позволяет легко найти и извлечь информацию для использования в других работах, принятия проектных решений и т.п. Кроме того БД может содержать ассоциированные с элементами изделия документы, а сами элементы иметь набор функциональных или технических характеристик, измеряемых в различных единицах.

Данные могут попадать в систему различными способами: вводиться вручную или передаваться автоматизированными системами. Аналогично может происходить извлечение и использование данных: от диалогового доступа к данным и визуального просмотра - до автоматического отбора при помощи прикладных программных систем в задачах материально-технического снабжения, планирования и т.д.

Рис. 1. Пример дерева виртуального макета в PDM-системе «SQL_PDM».

Интегрированная БД предназначена для решения различных задач, связанных с обработкой данных об изделии. Содержание этих задач и роли людей при их решении предполагает множество точек зрения на данные и дисциплин доступа к данным.

Рис. 2. Структурная схема интегрированной САПР на базе системы АСОНИКА

Например, с точки зрения конструктора изделие имеет несколько вариантов состава (конфигураций), причем в состав входят все компоненты изделия, необходимые для его изготовления. С точки зрения эксплуатации - в состав изделия входят только те элементы, которые нужно демонтировать для обслуживания или замены. Службу обеспечения качества продукции и эксплуатации могут интересовать физические параметры конкретного экземпляра изделия. Каждая из групп пользователей работает со своими наборами данных, логически увязанными в интегрированную БД.

SQL_PDM представляет собой трехуровневую информационную систему, состоящую из сервера СУБД (Microsoft SQL Server 2000), сервера приложений и клиентского модуля.

Ниже описывается суть метода формирования виртуального макета изделия с применением комплексного моделирования электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов в РЭА, применяемого в КБ ИГАС.

Вначале для разработки сложной наукоемкой РЭА необходимо провести концептуальное макромоделирование электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов. При этом рассчитываются: характеристики электрической схемы РЭА, интегральные температуры конструктивных элементов (печатных узлов, стенок, элементов крепления и др.), реакция на вибрационное и ударное воздействие конструктивных элементов (шкафов, блоков и печатных узлов), скорости потоков хладоносителя (воздуха, воды и др.) внутри конструкции и в плитах охлаждения. На этих этапах с помощью подсистемы АСОНИКА-П может быть получена вся информация об электрических характеристиках, тепловых и механических режимах работы РЭА, необходимая для расчёта надёжности. Полученные результаты заносятся в PDM-систему «SQL_PDM» и являются основой для принятия решения о конструктивном и схемотехническом исполнении разрабатываемого РЭА.

Затем на основе полученных режимов работы проводится анализ надежности последовательно соединенных составных частей на уровне шкафов, блоков и печатных узлов с учетом результатов, полученных при концептуальном моделировании (см. рис. 3). На основе полученных результатов формируются частно-технические задания на составные части и эти требования учитываются при дальнейших этапах комплексного моделирования.

Рис. 3. Интерфейс подсистемы АСОНИКА-К: модуль расчета надежности сложных изделий.

Далее необходимо проанализировать исследуемую РЭА с точки зрения электрических процессов в схеме с помощью программ P-CAD или OrCAD с учетом температур ЭРЭ. На начальных этапах задается интегральная температура печатного узла, полученная при концептуальном моделировании с помощью подсистемы АСОНИКА-П. Исходные данные для расчета начиная от ТЗ заканчивая исходными файлами для расчета разработчик берет из PDM-системы «SQL_PDM», которая формирует виртуальный макет разрабатываемой РЭА.

Известно, что в состав разрабатываемого РЭА входит один или несколько функциональных узлов, поэтому необходимо провести анализ электрического режима каждого функционального узла с учетом предполагаемой или взятых из виртуального макета температур ЭРЭ, полученных при тепловом расчете.

Рис. 4. Модель тепловых процессов, протекающих в конструкции стойки с водяным охлаждением

Затем необходимо выяснить, все ли электрические режимы каждого функционального узла соответствуют требованиям технического задания. Если требование не выполняется, то вносятся изменения в схему функционального узла и проводится повторный электрический анализ. Если требование выполняется и получены все необходимые результаты электрических расчетов, необходимо сформировать промежуточные карты электрических режимов работы ЭРЭ функциональных узлов, входящих в состав разрабатываемого РЭА и поместить эти результаты в виртуальный макет. В картах рабочих режимов указываются токи, напряжения и мощности, выделяемые в ЭРЭ, которые будут впоследствии использованы при тепловом моделировании функционального узла.

На втором шаге комплексного моделирования требуется проанализировать блок с точки зрения тепловых процессов (см. рис. 4) с учетом мощностей тепловыделений, полученных из предыдущего электрического моделирования РЭА и находящихся в виртуальном макете РЭА или, если на начальных этапах, то с учетом мощностей тепловыделений, полученных при концептуальном моделировании и также хранящихся в виртуальном макете.

Файл с рассчитанными мощностями тепловыделений выгружается из виртуального макета и с помощью конвертера, связывающего программу электрического анализа и подсистему АСОНИКА-Т эти мощности учитываются в модели тепловых процессов. Таким образом, формируется МТП блока (блоков) в составе каждого шкафа и проводится расчет. В результате получаются температуры стенок блока и температуры печатных узлов (ПУ), составляющих блок. Эти температуры вместе с результирующим файлом заносятся в виртуальный макет РЭА и в дальнейшем учитываются при аэродинамическом моделировании блока и тепловом моделировании ПУ.

На третьем шаге в конструкции выявляются аэродинамические каналы и другие различные фрагменты, необходимые для построения аэродинамической модели и если они существуют, строится полная аэродинамическая модель исследуемой конструкции с помощью подсистемы АСОНИКА-А. При описании аэродинамических сопротивлений в каналах необходимо задать температуру воздуха на входе в канал и температуру стенок канала. Эти температуры, полученные при тепловом моделировании блока, находятся в виртуальном макете. Разработчик выгружает результирующие файлы теплового расчета из виртуального макета и с помощью конвертора данных из АСОНИКА-Т в АСОНИКА-А автоматизировано добавляет эти температуры в аэродинамическую модель.

В результате аэродинамического моделирования получаются значения скоростей воздуха (воды, другого жидкого вещества) у стенок блока и у поверхностей ЭРЭ. Полученные значения скоростей таким же способом, что и из АСОНИКА-Т в АСОНИКА-А передаются тепловым ветвям МТП блока (вынужденной конвекции и массопереноса) и повторяется тепловой расчет.

На четвертом шаге комплексного моделирования требуется проанализировать исследуемую конструкцию с точки зрения механических процессов при воздействии ударов, линейных ускорений, вибраций и акустических шумов с учетом температур, полученных из теплового моделирования блока, которые разработчик берет из виртуального макета РЭА. В результате расчета с помощью подсистемы АСОНИКА-М получаются линейные ускорения блока, которые разработчик сохраняет в виртуальном макете и эти данные будут являться граничными условиями для расчета на механические воздействия ПУ.

Далее на основе граничных условий, полученные из теплового расчета блока, МТП каждого ПУ, входящего в блок, происходит автоматическое формирование модели конвертированием размеров и координат ЭРЭ из системы размещения и трассировки печатных плат, например, P-CAD, в подсистему АСОНИКА-ТМ, т.е. разработчик выгружает из виртуального макета итоговый файл программы P-CAD и при помощи конвертера, связывающего P-CAD и АСОНИКА-ТМ, формируется геометрия модели механических процессов.

В результате теплового моделирования всех ПУ получаются их температурные поля и температуры всех ЭРИ (см. рис. 5), расположенных на ПУ РЭА. Эти температуры ЭРИ сохраняются в виртуальном макете РЭА и при помощи конвертера передаются в электрические модели для коррекции параметров ЭРИ и затем осуществляется очередной итерационный шаг электрического моделирования. Эти итерации повторяются до тех пор, пока полученные электрические и тепловые режимы ЭРЭ не будут удовлетворять требованиям технических условий на ЭРЭ.

Для расчета ПУ на механические воздействия применяется подсистема АСОНИКА-ТМ. При расчете необходимо из виртуального макета взять результирующий файл расчета, полученный из АСОНИКА-М, и с помощью конвертера данных в модель заносятся граничные условия. Температуры всех ЭРИ, расположенных на ПУ, и средняя температура всего ПУ берутся из виртуального макета РЭА в виде результирующего файла подсистемы АСОНИКА-Т, который является исходным для проведения механического моделирования ПУ.

Рис. 5. Температуры радиоэлементов печатного узла

Рис. 6. Поле максимальных виброускорений по плате при гармонической вибрации

После проведения комплексного расчета на пятом шаге необходимо оценить надежность проектируемого РЭА (см. рис 7, 8). При расчете надежности необходимо учитывать температуры ЭРИ, полученные при моделировании тепловых процессов в ПУ и уточненные после аэродинамического моделирования, и ускорения ЭРИ, полученные из моделирования механических процессов в ПУ и уточненные после теплового моделирования блока. Эти данные берутся из виртуального макета и при помощи конвертера, связывающих АСОНИКА-К с АСОНИКА-ТМ добавляются в расчет надежности разрабатываемой РЭА. Результаты расчета надежности разработчик сохраняет в виртуальном макете разрабатываемой РЭА.

Рис. 7. ПК АСОНИКА-К: Интерфейс пользователя

Рис. 8. Гистограмма эксплуатационных интенсивностей отказов каждого ЭРИ

После удовлетворения всех результатов, полученных при расчетах, техническому заданию, на шестом шаге разработчик заполняет карты рабочих режимов всех рассчитанных ПУ с помощью подсистемы АСОНИКА-Р, т.е. разработчик выгружает из виртуального макета результирующие рассчитанные файлы и конвертируя данные из электрических, тепловых и механических результатов расчета заносит в карты рабочих режимов, которые затем заносятся в виртуальный макет.

Практический эффект применения метода комплексного моделирования и формирование на его базе виртуального макета РЭА заключается в повышении точности моделирования (на 30 % - 50 %) и соответственно точности расчетов и надёжности проектных решений. За счет уменьшения количества изменений в проекте, вносимых в процессе комплексного моделирования, происходит снижение сроков и трудоемкости проектирования РЭА на 60%.

Повышение точности результатов при комплексном моделировании позволяет выявить системные отказы РЭА, которые не выявляются при раздельном моделировании электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов.

Предложенная методика является новой концепцией выполнения проектно-конструкторских работ по созданию сложной наукоемкой РЭА на предприятии КБ ИГАС.

Список литературы

1. Информационная поддержка жизненного цикла электронных средств. Монография / В. В. Гольдин, В. Г. Журавский, А. В. Сарафанов, Ю. Н. Кофанов. М.: Радио и связь, 2002. 379 с. ISBN 5-256-01552-0.

2. Автоматизация проектных исследований надежности радиоэлектронной аппаратуры: Научное издание. // Жаднов В.В., Кофанов Ю.Н., Малютин Н.В. и др. - М.~: Изд-во "Радио и связь", 2003. - 156 с.

3. Кофанов Ю.Н., Малютин Н.В., Воловиков В.В., Коломейцев С.С. Комплексное концептуальное и техническое моделирование при проектировании высоконадёжных радиоэлектронных устройств морской навигации. - Надежность, 2005, № 3, с. 3 - 7.

4. Шалумов А.С., Кофанов Ю.Н., Малютин Н.В., Носков В.Н. Создание интегрированной системы автоматизированного проектирования и комплексного компьютерного моделирования высоконадежной электронной аппаратуры в рамках CALS-технологий// EDA Express. Журнал о технологиях проектирования и производства электронных устройств. - 2005. - № 11. - С.9 - 15.

Размещено на Allbest.ru