Принципы создания системы автоматизированного проектирования электрической части САПР-электро

Применение ЭВМ к решению каждой конкретной задачи автоматиза­ции проектирования электроснабжения состоит из ряда этапов, важ­нейшими из которых являются создание математической модели объек­та с учетом имеющейся информации, анализ возникающих при исследо­вании математической модели задач, выбор алгоритма решения, напи­сание программы, использование системного обеспечения, проведение расчетов и оценка результатов. Знание этих этапов необходимо каждо­му специалисту, активно применяющему ЭВМ и ориентирующемуся на технологию комплексного использования ЭВМ.

Итоги использования вычислительной техники показывают недоста­точность внимания, которое уделяется созданию системы автоматизи­рованного проектирования цехов и предприятий. Теоретически и прак­тически не осознано принципиальное отличие электрического хозяйст­ва как технической системы, состоящей из множества готовых изделий, от электротехники — крупного раздела науки и крупных научных проб­лем, важнейшие среди которых следующие:

выделение электрического хозяйства как технической системы ново­го типа, изучение особенностей его построения, функционирования и развития для формулировки критериев оптимизации;

системные исследования электрического хозяйства, опирающиеся на математическое описание элементов, системы и подсистем, на мо­делирование иерархии и структуры, особенности эволюции системы во времени, на описание взаимодействий и связей внутри системы и внешних связей, на циркуляцию информационных потоков;

изучение закономерностей электрического хозяйства, принципиаль­но отличающихся от классической физики Ньютона—Максвелла—Ло­ренца, в частности устойчивости развития и устойчивости структуры;

выделение крупных подсистем электрического хозяйства и форму­лировка задач, целей, программно-математического и другого обеспе­чения САПР подсистем;

исследование проектных информационных потоков и потоков, инфор­мационно обеспечивающих САПР-Электро, создание локальных баз данных по задачам, баз данных по институтам, подотраслевых, меж­отраслевых и отраслевых, переход к базам знаний.

Упрощенно можно сказать, что на ЭВМ легко реализуется, например, расчет электрической цепи методом узловых потенциалов, выбирается по нагреву кабель в 20-отверстном блоке, сравниваются приведенные затраты на три КТП 2 х 1000 кВ • А и две КТП 2 х 1600 кВ • А, опреде­ляется центр нагрузок нескольких потребителей.

Общая теория систем утверждает, что система обладает свойствами, не присущими элементу, что сколь бы глубоко и полно ни исследовался отдельный элемент (и даже по отдельности), это не приведет к знанию закономерностей поведения системы. Система не есть множество эле­ментов, а каждый элемент не описывается только количественными показателями — обязательно качественное описание (например, элект­родвигатель рольганговый и крановый).

Любой проектировщик участвует в создании системы и видит ее не­значительную часть. Но система всегда есть целостный комплекс взаи­мосвязанных и взаимодействующих элементов, т. е. целое, которое всегда следует рассматривать и оценивать как единое; она образует единство со средой и требует учета взаимодействия этой среды, крите­рии оптимизации определяются вне системы, система сама является под­системой или элементом системы более высокого порядка и может быть разбита на ряд подсистем более низкого порядка. Создавая часть, всегда следует помнить, что действия проектировщика проявляются в эффективности функционирования системы.

Следовательно, чтобы приступить к созданию САПР-Электро, надо знать термины и выявить объект, который подлежит автоматизации проектирования; описать его математически, как ЭДС, ток и сопро­тивление описывают эквивалентные схемы источника электроэнергии; рассмотреть законы и закономерности развития электрического хо-

зяйства; представить объем информации, которая необходима, во-первых, чтобы математически описать все элементы и связи, со­ставить алгоритмы и программы; во-вторых, чтобы иметь сведения по оборудованию, материалам, расценкам, нормам.

Создание САПР идет по двум взаимно дополняющим путям: 1) по проектирующим подсистемам (САПР-Электро); 2) по проектно­му институту в целом — САПР ПИ (создается система автоматизиро­ванного проектирования, охватывающая все отделы данного институ­та). До 2000 г. должна быть образована система, опирающаяся на еди­ную методологическую и информационную основу. На ближайшие го­ды будет идти создание САПР техноценозов по пути развития САПР ПИ с учетом разработок институтов "Тяжпромэлектропроект", "Электро­проект", "Энергосетьпроект", "Теплоатомэлектропроект".

САПР представляет собой организационно-техническую систему, состоящую из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации, и выпол­няющую автоматизированное проектирование. САПР опирается на различные виды обеспечения, каждое из которых выполняет опреде­ленную функцию:

методическое - документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования;

лингвистическое - языки программирования и терминология;

математическое — методы, математические модели, алгоритмы;

программное — документы с текстами программ, программы на машинных носителях и эксплуатационные документы;

техническое — устройства вьиислительной техники и организацион­ной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства и их сочетания;

информационное - документы, содержащие описание стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элемен­тов, комплектующих изделий, материалов и другие данные, а также файлы и блоки на машинных носителях с записью указанных доку­ментов;

организационное - положения, инструкции, приказы, штатные рас­писания, квалификационные требования и другие документы, регла­ментирующие организационную структуру подразделений и их взаимо­действие с комплексом средств автоматизации проектирования.

Если подсистему САПР определить как выделенную по некоторым признакам часть САПР, обеспечивающую получение законченных реше­ний и соответствующих проектных документов, то можно назвать САПР-Гололед, имея ввиду документацию, обеспечивающую плавку гололеда, САПР-Болт и т. д. Мы будем называть подсистемой только крупные разделы и объекты, например электроснабжение, электро­оборудование, электроремонт.

Различают два вида проектируемых подсистем по отношению к

объекту проектирования: объектно-ориентированные (объектные) и объектно-независимые (инвариантные). Объектные выполняют одну или несколько проектных процедур или операций, непосредственно зависимых от конкретного объекта проектирования. Проектирующая подсистема состоит из компонентов САПР. Компонент — элемент средства обеспечения, выполняющий определенную функцию в под­системе САПР.

Реализация отдельных подсистем, компонентов и работа по подго­товке организации к вводу в действие САПР проводится на всех ста­диях создания САПР до завершения рабочего проекта САПР.

Предпроектные исследования для создания САПР включают обсле­дование, сбор и анализ данных об организации и ее внешних связях. Важнейшим является получение данных об объекте тгроектирования для выделения объектов-представителей (видов): их количестве за год; прогнозируемом количестве объектов на момент ввода в дей­ствие САПР и последующую перспективу; периодичности проектирова­ния объектов, длительности, трудоемкости. Рассматриваются исходные данные для проектирования каждой стадии, соисполнители (подразде­ления, участвующие в работе), виды и количество документов; затраты времени на согласование и утверждение. Очевидны трудности сбора данных по объектам, представляющим собой техноценозы, точнее, не­возможность формализации описания и процедур применительно к крупным объектам для целей САПР.

Применительно к САПР-Электро перечень объектов и необходимые сведения о них приведены в табл. 14.1—14.3. Это электрооборудование цеха, сети района электроснабжения, ГПП и РП, объекты электроре­монта. Возможна большая детализация, например машинный зал глав­ных преобразователей, КТП склада пальмового масла. Такая детализа­ция приводит к объектам типа освещения стрелочной будки, электро­снабжения концевой задвижки газопровода. Поэтому понятие объекта не формализуется, а в качестве рабочего при создании САПР-Электро принято определение: объектом называется выделенная проектиров­щиком целостность, на которую составляется объектная смета.

С учетом предпроектных исследований разрабатывается техническое задание, которое является исходным документом для создания САПР и должно содержать следующие разделы: общие положения; назначение и область применения; описание объекта проектирования в САПР; описание процесса автоматизированного проектирования; характери­стики и анализ вариантов структуры САПР; обоснование и описание выбранного варианта; технико-экономическое обоснование.

Если возникает несколько вариантов создания САПР и необходимо выбрать рациональный, предусмотрена специальная стадия — техниче­ское предложение. Необязательной стадией является и эскизный про­ект, ставящий целью принятие основных технических решений, даю­щих представление о создаваемой САПР.

Принятие окончательных технических решений, дающих полное представление о создаваемой САПР, осуществляется на стадии техни­ческого проекта. На этой стадии: разрабатывают процесс проектирова­ния; уточняют (детализируют) структуры САПР и взаимосвязи САПР с другими автоматизированными системами; принимают окончатель­ные решения по -математическому, лингвистическому, информацион­ному, методическому и организационному обеспечению САПР в целом и по подсистемам САПР; разрабатывают компоненты САПР по подси­стемам и отдельным объектам; уточняют технико-экономические по­казатели САПР.

Оценим проблему создания и развития САПР-Электро и конкретизи­руем ближайшие цели на примере САПР электрооборудования. Сами объекты проектирования образуют структуру, близкую к иерархиче­ской: отрасль (подотрасль), предприятие, цех (комплекс), отделение или участок, элементарный объект. Все они делятся по частям проекта.

САПР-Электро является сложной открытой и развивающейся доку­ментальной системой, опирающейся на единство методического, лингви­стического, математического, программного, информационного и орга­низационного обеспечения. САПР любого института и САПР-Электро как подсистема в процессе развития превращаются в сообщество слабо­связанных и слабо взаимодействующих между собой документов — создается своеобразный информценоз. В основу САПР-Электро поло­жена иерархия, отражающая качественные, неформализуемые по Геделю, и количественные особенности электрического хозяйства. Коли­чество программ, обеспечивающих подсистему САПР-Электро, оцени­вается 10⁴.

Каковы ориентировочные параметры САПР-Электро и каковы требо­вания к техническому обеспечению? По трудоемкости рассматриваемые разделы находятся в соотношении 5: 30: 1 (соответственно электро­снабжение; силовое электрооборудование, электропривод и автомати­зация, электроосвещение; электроремонт). В эксплуатации соотноше­ние персонала, занятого ремонтом и обслуживанием, к дежурному — около 3: 2, а собственно занятых электроснабжением близко к 15%.

Информационное обеспечение при выполнении электрической части схемы развития и размещения предприятий какой-либо одной базовой отрасли оценивается в 100 Мбайт, выполнение ТЭО для всех предприя­тий отрасли - 1 Гбайт, обеспечение всей рабочей документации - 100-1000 Гбайт. Для охвата САПР-Электро на уровне 40-60% (100% - вся документация, включая переписку, выдается с машины) необходима для каждого проектировщика собственная персональная ЭВМ с выхо­дом на центральный процессор (в информационную сеть) с возмож­ностью локально решать широкий круг вопросов, обмениваться зада­ниями через распределенные сети, в диалоге выбирать технические варианты

От проектировщика-электрика, работающего в режиме САПР, тре-

буется знание собственной специальности, особенностей технологии и состава объекта, языков программирования, основ создания и рабо­ты с информационными базами, возможностей вычислительной тех­ники, на которой необходимо работать. Инженер может быть пользо­вателем САПР и ее создателем.

Работа с ЭВМ развивает качества, которые требуются от инженера-проектировщика: творчество, под которым подразумевают самостоя­тельность, инициативность, опыт, знания и способности; исполнитель­ность, связанную с тщательностью, аккуратностью, усидчивостью, дис­циплинированностью, старательностью, добросовестностью, трудолю­бием; ответственность, под которой подразумевают настойчивость, оперативность, организованность, работоспособность.

Работающие на ЭВМ подразделяются на: параметрических пользова­телей (непрограммистов), которые могут обращаться к машине и производить некоторые вычисления, получать информацию в различных аспектах по готовому набору команд; аналитиков или пользователей-профессионалов — инженеров, систематически работающих с ЭВМ по широкому классу задач САПР и пишущих небольшие и вспомогатель­ные программы; прикладных программистов — инженеров, разраба­тывающих САПР-Электро; системных программистов — специалистов, обслуживающих вычислительную технику как систему.

Проектировщик — создатель и пользователь САПР — должен быть ориентирован на работу в диалоговом режиме. Проектировщик может в диалоге: выполнить расчет токов КЗ, релейной защиты и другие инже­нерные расчеты; формировать готовые таблицы, используя данные ин­формационного банка; выбрать варианты, используя имитационное моделирование, другие экономико-математические модели, оптимиза­цию; обработать графики нагрузки, прогнозировать количество обо­рудования, вычертить технологические схемы, графики, ситуационные чертежи, чертежи конструкций шкафов и пультов, чертежи раскладки кабельных линий, монтажные чертежи, спецификации; рассчитать и составить сметы.

Проектирование сопровождается большим количеством писем (крупный институт 20000 шт. в год), телеграмм, протоколов, заданий и т. д. Есть возможность перейти на безбумажный обмен заданиями и безбумажный контроль и оформление пояснительных записок, смет, спецификаций, кабельных журналов.

В запоминающих устройствах элементной базы машин 1980-1981 гг использовалась память с произвольным доступом емкостью 64 кбит/ кристалл (рекорд 1981 г. - схема с плотностью монтажа 450 тыс. тран­зисторов/кристалл). Усложнение на порядки и развитие программного обеспечения принципиально меняет подход к созданию САПР-Электро если основываться на машинах архитектуры RISC или Pentium который имеет тактовую частоту 75, 90, 100 МГц, носитель информации на

жестком магнитном диске 1 Гбайт, оперативную память 32 Мбайта с кэш-памятью 256 Кбайт, шину PCI, обеспечивающую передачу дан­ных со скоростью 133 Мбит/с, встроенную видеосистему ATI емкостью 2 Мбайта ОЗУ.

Компьютеры принимают на себя функции: 1) понимания описания проблемы и необходимых ситуаций; 2) синтеза процедур обработки;

оптимизации распределения функций между машинами (сетями);

синтеза ответа, базирующегося на машинных результатах; 5) интеллектуального общения, обеспечивающего понимание речи, текстов на
естественном языке, изображений и чертежей непосредственно с ори­гинала. Отметим, что архитектура машин РИСК основана на техноценологическом подходе, как и фрактальная машинная графика Мандель-
брота.