 |
Задачи, стадии и этапы проектирования
|
|
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В Г. ОКТЯБРЬСКОМ
КАФЕДРА РАЗВЕДКИ И РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Учебно-методическое пособие
К выполнению практических работ
УФА
2018
Учебно-методические пособие содержит учебные материалы и методические рекомендации по самоконтролю (вопросы для самопроверки), материалы лабораторного курса по учебной дисциплине «Системы автоматизированного проектирования» в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом, охватывает все разделы учебной программы дисциплины.
Предназначено для очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 21.04.01 «Нефтегазовое дело» магистерской программы «Разработка нефтяных месторождений».
Публикуется в авторской редакции.
| Составитель: | Рахимов Н.Р., проф., д-р техн. наук, каф. РРНГМ |
| Рецензенты: | Арсланов И.Г., проф., д-р техн. наук, зав. каф. МТМ |
| Жмудь В.А., проф., д-р техн. наук, зав. каф. автоматики Новосибирского государственного технического университета |
Ó ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной
технический университет», 2018
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня на многих предприятиях нефтегазовой промышленности применяются системы автоматизированного проектирования (САПР). Ни одна из множества прикладных задач, связанных с разведкой и освоением месторождений, добычей, транспортом, переработкой, хранением и реализацией нефти и газа, не может быть решена без тщательного планирования, подготовки и контроля выполняемых работ, которым предшествует проведение научно-исследовательских, опытно-конструкторских (НИОКР) и проектно-изыскательских (ПИР) работ.
|
|
|
Существует довольно большое количество поставщиков подобных решений. Возможности и функции таких систем проектирования, представленных специализированным программным обеспечением соответствующего назначения, могут быть самыми различными. В чем же состоит главная сущность систем автоматизированного проектирования? Какие особенности разработки таких систем можно отметить? Что такое САПР?
Итак, что же собой представляют системы автоматизированного проектирования? Под САПР подразумеваются автоматизированные системы, которые призваны реализовывать ту или иную информационную технологию путем проектирования. На практике САПР представляют собой технические системы, которые позволяют таким образом автоматизировать, обеспечить функционирование процессов, которые составляют разработку проектов. Под САПР в зависимости от контекста может иметься в виду:
— программное обеспечение, применяемое в качестве основного элемента соответствующей инфраструктуры;
— совокупность технических и кадровых систем (в том числе и тех, что предполагают использование САПР в виде программного обеспечения), применяемых на предприятии с целью автоматизации процесса разработки проектов.
Таким образом, можно выделить широкую и более узкую трактовку термина, о котором идет речь. Тяжело сказать, какая из этих трактовок чаще применяется в бизнесе. Все зависит от конкретной сферы использования систем автоматизированного проектирования, а также от тех задач, для решения которых предполагается применять данные системы. Так, например, в контексте отдельно взятого цеха на производстве, под САПР предполагается конкретная программа для автоматизированного проектирования. Если речь идет о стратегическом планировании развития организации, то такое понятие как САПР скорее всего будет соответствовать масштабной инфраструктуре, которая задействуется с целью повышения эффективности разработки различных проектов. Необходимо отметить, что сам термин САПР представляет собой аббревиатуру, которая может расшифровываться по-разному. В общем случае данная аббревиатура соответствует сочетанию слов «система автоматизированного проектирования». Также существуют и другие варианты расшифровки данной аббревиатуры. Например, довольно распространен вариант «система автоматизации проектных работ». По смыслу английским аналогом термина САПР является аббревиатура CAD, в некоторых случаях также используется CAX. Давайте более подробно рассмотрим следующий вопрос: в каких целях могут создаваться системы автоматизированного проектирования в машиностроении и других сферах?
|
|
|
Основной целью разработки САПР является повышение эффективности труда специалистов предприятия, которые решают различные производственные задачи, в том числе и те, которые связаны с инженерным проектированием. В данном случае повышение эффективности может осуществляться за счет следующих факторов:
— снижения трудоемкости процесса проектирования;
— сокращения сроков реализации проектов;
— снижения себестоимости проектных работ, и издержек, связанных с эксплуатацией;
— обеспечение повышения качества инфраструктуры проектирования.
— снижение издержек на проведение испытаний и моделирование.
САПР – это инструмент, который позволяет добиться отмеченных преимуществ за счет следующих факторов:
— эффективная информационная поддержка специалистов, участвующих в разработке проектов;
— автоматизация документации;
— применение концепций параллельного проектирования;
— унификация различных решений;
— применение математического моделирования, как альтернативы дорогостоящим испытаниям;
— оптимизация методов проектирования;
|
|
|
— повышение качества процессов управления бизнесом.
В систему автоматизированного проектирования технологических процессов могут входить следующие компоненты:
— комплекс элементов автоматизации;
— программно-техническая инфраструктура;
— методические инструменты;
— элементы поддержки функциональности САПР.
Большое распространение получил подход, в соответствии с которым в структуре САПР следует выделять подсистемы. Ключевыми считаются:
— обслуживающие подсистемы, поддерживающие функционирование основных проектирующих компонентов САПР, инфраструктуры, поддержание программного обеспечения;
— проектирующие подсистемы, которые в зависимости от соотнесения с объектом разработки, могут быть представлены с объектными задачами или инвариантными, т.е. связанными с реализацией конкретных проектов или совокупностью нескольких.
Эксперты выделяют несколько основных принципов, в соответствии с которыми ведется разработка САПР. К ним относятся:
— унификация;
— открытость;
— интерактивность;
— комплексность.
Еще одним важным принципом разработки САПР является интерактивность. Данный принцип предполагает создание разработчиком соответствующих систем интерфейсов, которые максимально облегчают процедуру их использования человеком, а также осуществления им необходимых коммуникаций с другими пользователями САПР. Еще одним аспектом интерактивности является обеспечение в необходимых случаях взаимодействия между различными моделями САПР в рамках формирования производственной инфраструктуры. Принцип интерактивности тесно связан с принципом унификации. Все дело в том, что обмен данными в рамках тех или иных интерактивных процедур будет наиболее эффективным только при условии необходимой стандартизации взаимодействии между субъектами.
В данной работе все эти вопросы рассмотрены более подробно.
I. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ САПР
ЗАДАЧИ, СТАДИИ И ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Всякая профессиональная инженерная или научная деятельность в XXI веке уже немыслима без компьютера. Автоматизировать отдельные этапы труда, связанного с разработкой систем управления (СУ) позволяют различные программные пакеты, не связанные непосредственно с этой задачей, а более универсальные, такие как текстовые редакторы (Word), электронные таблицы (Excel), программы и пакеты для математических расчетов и моделирования (MATLAB, MathCAD, Maple, VisSim, Simulink).
|
|
|
Как правило, разработка нового изделия начинается с научно-исследовательской работы (НИР). Характерные этапы НИР показаны на рис. 1. К настоящему времени существуют программные средства для автоматизации всех операций, связанных с НИР, включая исследование и анализ объекта автоматизации.
|
Рис. 1. Характерные этапы НИР.
При заключении контракта следует исходить из предположения, что ни цену, ни сроки, ни ТЗ изменить не получится. Также при составлении и согласовании требований ТЗ следует исходить из предположения, что соответствие продукции каждому пункту ТЗ следует доказывать, причем обязанность доказательств лежит полностью на Исполнителе.
Разработка ТЗ и КП. В большинстве случаев ТЗ разрабатывает потенциальный Исполнитель, так же как и календарный план (КП) и смету затрат (или общую стоимость договора и ее разбивку по этапам). Если работа заключена по конкурсу, то конкурсная документация содержит ТЗ, КП и цену договора, которые Исполнитель может корректировать лишь в сторону улучшения условий для Заказчика, то есть сокращать КП, ужесточать ТЗ, снижать стоимость. Если Исполнитель выиграл конкурс, то его предложения по этим документам принимают силу закона, т.е. он обязан заключить контракт на этих условиях, а в случае отказа от заключения контракта к нему применяются штрафные санкции.
Штрафными санкциями могут быть: невозвращение залоговой суммы, которая в некоторых случаях берется для допуска к конкурсу или аукциону; недопущение организации к аналогичным конкурсам в течение длительного периода после отказа от заключения контракта; внесение в «Реестр недобросовестных поставщиков», что влечет недопущение к большинству видов работ и конкурсов. Если победитель отказывается от заключения контракта, то право заключения передается организации, занявшей второе место, или результаты конкурса аннулируются. Конкурс может быть объявлен снова (но не обязательно).
Первым этапом НИР, как правило, пренебрегают, что является грубейшей ошибкой. Исследование объекта автоматизации крайне необходимо для обоснованного принятия технических решений по созданию САУ, не говоря уже о том, насколько это важно для корректного составления ТЗ. Петля с уточнением ТЗ и повторным проектированием, вообще говоря, не обязательна и даже не желательна, поскольку вызывает удорожание НИР. Необходимость пересмотра ТЗ, как правило, возникает именно потому, что объект автоматизации был исследован не достаточно тщательно, либо вследствие недостаточного профессионализма разработчиков НИР.
|
|
|
Окончание НИР начинается с этапа приемо-сдаточных испытаний. После начала этого этапа никакие изменения условий договора недопустимы. Поэтому если Исполнитель или Заказчик инициируют изменение условий договора, этот вопрос следует окончательно решить до начала этого этапа. Как минимум, следует перенести срок этого этапа дополнительным соглашением для того, чтобы успеть заключить другое дополнительное соглашение, регламентирующее другие изменения. При инициировании изменений ТЗ следует помнить, что в случае прогноза о невозможности получения результатов НИР, полностью отвечающих ТЗ, возможно, лучший вариант состоит в увеличении стоимость и (или) времени выполнения НИР, чем ухудшении результата хотя бы по какому-то параметру. Не следует пытаться сдать неудовлетворительный результат Заказчику. Вопрос изменений следует согласовывать с Заказчиком заблаговременно и оформлять документально. Силу имеет лишь такое дополнительное соглашение, которое подписано с обеих сторон лицами, заключившими основной договор или их непосредственными заместителями, имеющими эти полномочия, что оформлено приказом. Третий вариант – заключение дополнительного соглашения о смягчении требований ТЗ. Этот вариант не желателен, а в случае государственного контракта практически исключен.
Зачастую Заказчик и Исполнитель ограничены в возможностях изменения условий контракта даже при условии их полного согласия. Например, условия государственного контракта не могут быть изменены по согласованию сторон больше, чем на 10% в отношении срока, цены и качества окончательного продукта. При невозможности достижения согласия, например, если Исполнитель считает работу выполненной, а Заказчик с этим не согласен, вопрос решается, чаще всего, арбитражным судом, однако, в некоторых случаях в контракте предусмотрена возможность одностороннего расторжения контракта по инициативе Заказчика, о чем Исполнителю всегда следует помнить. В случае одностороннего расторжения Заказчик может требовать возвращения всех ранее уплаченных авансов, а иногда еще и требовать выплаты неустойки, если в контракте не предусмотрены иные условия. Если работа разбита на несколько этапов, и часть этапов сдана, то выплаты, осуществленные по актам приемки сданных этапов, как правило, обратно не могут быть востребованы.
Упрощение требований ТЗ вызывает подозрение на сговор между Заказчиком и Исполнителем, а если сумма контракта значительна (более 500 тыс. руб.), то контракт, как правило, заключается на основе конкурса, следовательно, упрощение ТЗ ставит под сомнение результаты конкурса. Поэтому в условиях контракта, как правило, не допускается изменение требований ТЗ в сторону смягчения. Также не допускается изменение цены более чем на оговоренный процент, как правило, 10%. Изменения сроков чаще всего сопряжено со штрафными санкциями в виде уменьшения цены договора. Исполнителю желательно, чтобы было оговорено, что сумма этих санкций не превышает заранее оговоренный процент (например, не более 15%). Если Исполнитель обосновал изменение сроков контракта непредвиденными обстоятельствами или дополнительными требованиями Заказчика, то сроки могут быть изменены без дополнительных санкций, но только в том случае, если получено согласие Заказчика.
Баланс интересов. Любая инициатива об изменении условий контракта требует удовлетворения двусторонних интересов. Например, ужесточение требований ТЗ по инициативе Заказчика позволяет Исполнителю ставить вопрос об адекватном изменении сроков и цены контракта. Увеличение сроков контракта по инициативе Исполнителя также может вызвать со стороны Заказчика требование либо о снижении цены, либо об ужесточении ТЗ.
Перенос работ НИР на ОКР не допустим. Ни в коем случае нельзя надеяться на то, что при выполнении опытно-конструкторской разработки отдельные недостатки НИР могут быть учтены и изжиты. Эти надежды никогда не оправдываются. Целью ОКР не должно быть получение более высоких технических характеристик, чем у системы, выполненной на этапе НИР, целью ОКР является разработка технологического процесса производства изделий, полезность и ценные качества которых несомненны, поскольку подтверждены испытанием действующего макета, разработанного в результате НИР. Результатом ОКР должны являться технология изготовления продукции с технической документацией, исчерпывающе описывающей эту технологию применительно к организации, намеченной для производства этого изделия, а также один или несколько опытных образцов, выполненных по этой технологии, подтверждающих ее достаточность.
Доводочные испытания. Исполнителю рекомендуется предварительно самостоятельно осуществить все испытания изделия, прежде чем выносить его на приемо-сдаточные испытания. Требуемые технические характеристики действующего макета, получаемого в итоге НИР, могут быть первоначально не получены. Они могут быть получены в результате детального исследования этого макета и модификации его после многократных испытаний, называемых доводочными.
Основное отличие ОКР от НИР: Разработку НИР можно кратко зазвать «исследованием», выполнение ОКР – «подготовкой производства». В НИР буква «Р» означает «Работа», то есть действие, а в ОКР – «Разработка», то есть результат. Поэтому аббревиатура НИОКР, означающая НИР + ОКР, категорически не правильна. Она предполагает согласование сумм, сроков и качества результата ОКР на стадии (до начала работ), когда даже еще НИР не начата. Но НИР имеет право окончиться отрицательным результатом, поскольку всякая НИР содержит элементы неизвестности, научные исследования, то есть получение новых знаний. ОКР всегда опирается на потенциальную коммерциализацию результата путем серийного выпуска конечной продукции. Планировать коммерческую деятельность до того, как выполнено научное исследование (и, собственно, вопрос о возможности производства требуемого изделия еще не решен положительно) – такая деятельность образно характеризуется поговоркой «делить шкуру неубитого медведя» (в англоязычной литературе – жарить еще не пойманную рыбу).
Результаты НИР могут быть (и, как правило, являются) результатом кропотливой работы по доведению изделия до нужной кондиции. Для получения действующего макета могут существовать множество способов, некоторые детали и даже отдельные узлы могут быть заимствованы из какой-либо другой установки, серийной, или уникальной.
Чаще всего НИР оканчивается испытаниями действующего макета. Этот макет демонстрирует возможность выполнения задачи в принципе. При этом совершенно не важно, каким путем получен данный макет: Исполнителю не требуется полностью владеть технологией производства этого изделия, часть изделий (или даже все его компоненты) могут быть покупными, или сделаны на основе покупных изделий путем их модификации. Например, если требуется высоковольтный усилитель, и Исполнитель решил эту задачу путем изъятия «лишних» узлов из серийного осциллографа (пример из практики) – это не возбраняется для НИР, если условиях договора специально не оговорено иное. Если же целью исследования являлось, в том числе, обеспечение компактности, малого веса, высокой надежности и так далее, что требует изготовления соответствующих узлов непосредственно исполнителем, то это должно быть недвусмысленно зафиксировано в ТЗ. Основным (физически осязаемым) результатом НИР является действующий макет, который демонстрирует возможность достижения поставленной задачи. В ходе испытания этого макета он может быть приведен в негодность или уничтожен. Зачастую даже если это не так, то в протоколах фиксируют такую ситуацию, чтобы не ставить на баланс Заказчика этот действующий макет как некоторую материальную ценность. Действительно, в случае успешности НИР, макет более полезен Исполнителю для дальнейших исследований, нежели Заказчику, поскольку к этому макету, как правило, не предъявлялись требования по надежности и долговечности. Следовательно, но имеет право придти в негодность в любой момент после окончательных испытаний (если в условиях контракта на НИР не оговорено иное). Поэтому самым важным результатом НИР является научный отчет, в котором описаны все технические решения, которые позволили выполнить НИР и создать экспериментальный образец. Считается, что этот отчет должен быть написан достаточно подробно, чтобы позволить Заказчику силами иных исполнителей воспроизвести результаты. Основной критерий научности результатов – возможность их повторения (воспроизводимость результата).
В итоге ОКР разрабатывается технология производства изделий, а не само изделие. Требуемые технические характеристики опытных образцов (которые произведены по этой технологии и тем самым подтверждают ее достаточность) должны быть результатом правильности технологии производства, а не результатом их последующей штучной доводки до требуемого качества. Для получения опытных образцов должна быть выбрана единственная технология, и они должны быть выполнены именно в соответствии с ней. Базой для выполнения ОКР являются результаты НИР, то есть действующий макет, результаты его испытания (или исследования) и научный отчет по НИР. Поскольку действующий макет может быть приведен в нерабочее состояние (и списан) в итоге приемо-сдаточных испытаний, то наиболее важным результатом НИР является научный отчет и акты приемо-сдаточных испытаний. ОКР не должен быть простым повторением НИР с целью изготовления новых (пусть даже слегка улучшенных) действующих макетов. Основной результат ОКР – не количество и не качество новых изделий, а технология для их производства в требуемом количестве. Как правило, для доказательства завершенности ОКР Исполнитель все же выпускает несколько образцов окончательного изделия, но они совершенно не являются обязательными и не являются весомой частью результата этих работ. Если Исполнитель или Заказчик не понимают этой тонкости, то они не понимают сути ОКР.
Исключением являются НИР и ОКР на разработку программного продукта, поскольку само тиражирование программного продукта – действие, не требующее заводских производственных мощностей, и здесь не столь важно, где и как тиражировать, как важно, что именно тиражировать. Поэтому опытный образец в данном случае – это готовый программный продукт, который далее должен устанавливаться на компьютеры Заказчика. В этом случае основными результатами НИР и ОКР являются как раз не научные отчеты и технологическая документация, а действующий макет программного продукта (в данном случае – отлаженная первая версия программного продукта) и опытные образцы (в данном случае – последующие версии, содержащие результаты модификации и модернизации по результатам опытной эксплуатации результатов НИР).
Научно технический прогресс и потребности общества в новых разработках и технологиях обусловили необходимость выполнения проектных работ большой сложности в максимально короткие сроки. Возможность сокращения времени разработки и повышения качества проектирования появилась благодаря внедрению САПР. CAD – computer Aided Design (САПР). Это общий термин для обозначения всех видов проектирования с использованием компьютерной техники. CAD охватывает создание как геометрических моделей изделия, а также и генерацию чертежных изделий и их сопровождений. CAM – Computer Aided Manufacturing. Термин CAM используется для обозначения систем автоматизированной подготовки производства и для обозначения программных средств подготовки информации для станков с ЧПУ.
CAE – Computer Aided Engineering– это система автоматического анализа проекта, необходима для обнаружения ошибок например в расчете прочности или оптимизации производственных возможностей. CAD/CAM/CAE = САПР Сегодня под САПР понимается процесс проектирования с использованием машинной графики поддерживаемых пакетами ПО для решения на компьютерах аналитических квалификационных экономических и эргономических проблем связанных с проектной деятельностью. Широкое применение САПР началось с использованием микроЭВМ. Лидером в разработке была фирма Computer Visual.
СТУПЕНИ РАЗВИТИЯ САПР
1. В 70х годах были получены результаты, которые показали, что область проектирования можно реализовать машинными средствами. В тот период основное внимание уделялось системам авт. черчения.
2. В 80-х годах, благодаря развитию компьютерной техники, компьютеры стали доступны даже мелким фирмам. Столы для черчения заменили дисплеи компьютеров, благодаря этому скорость работы и уровень черчения значительно повысился. В это время наряду с 2D проектированием появляется и 3D моделирование. Сначала в 3D были только простые поверхности, а затем твердотельные изображения.
3. В 90-е годы – можно считать периодом зрелости, были исправлены многие ошибки в разработке систем. На переднем плане встал интерфейс. Актуальны методы отката назад, которые восстанавливают конкретно проект, несмотря на ошибки как собственные, так и ошибки алгоритмов данных. В последнее время происходит более отчетливое расслоение классов систем. Так как в промышленности имеются большие предприятия, средние и мелкие, то и автоматизация для них должна быть разной. Сейчас на рынке CAD/CAM/CAE систем имеется большой выбор систем, различающихся по стоимости, по функциональности и по степени охвата проектно-технологической и производственной сферы предприятия.
Достоинства САПР:
1. Более быстрое выполнение чертежей (до 3 раз).
2. Повышение точности выполнения. На чертежах, построенных с помощью системы САПР, место любой точки определено точно, а для увеличения достаточного просмотра элементов есть средство, называемое наезд, или zooming
3. Повышение качества;
4. Возможность многократного использования чертежа. Запомненный чертеж может быть использован повторно для проектирования, когда в состав чертежа входит ряд компонентов, имеющих одинаковую форму.
5. САПР обладает чертежными средствами (сплайны, сопряжения, слои).
6. Ускорение расчетов и анализа при проектировании.
7. Понижение затрат на обновление. Средства анализа и имитации в САПР, позволяют резко сократить затраты времени и денег на тестирование и усовершенствование прототипов, которые являются дорогостоящими этапами процесса проектирования;
8. Большой уровень проектирования. Мощные средства, комплексного моделирования. Возможность проектирования нестандартных геометрических форм, которые быстро оптимизируются;
9. Интеграция проектирования с другими видами деятельности. Интегрируемые вычислительные средства обеспечивают САПР более тесное взаимодействия с инженерными подразделениями.
Классификация систем автоматизированного проектирования.
САПР можно классифицировать по ряду признаков, например, по целевому назначению, по масштабам, по характеру ядра САПР.
По приложениям, САПР делится на группы:
- САПР для применения в отраслях общего машиностроения (машиностроительные САПР или системы MCAD - Mechanical CAD);
- САПР для радиоэлектроники (ECAD Electronic CAD или EDA Electronic Design Analysis);
- САПР в области архитектуры и строительства (наряду с традиционным применением, появляется эргономический подход);
- САПР для авиа- и самолетостроения;
- САПР для судостроения.
По целевому назначению могут быть громоздкие и объемные САПР и САПР используемые для конкретной задачи.
По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР:
- САПР, ориентированные на приложения, в которых основной процедурой является конструирование, то есть определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. К этой группе относится большинство САПР в области машиностроения, построенных на базе графических ядер. В настоящее время используют унифицированные графические ядра, применяемые более чем в одной САПР.
- САПР на базе СУБД, ориентированные на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах, перерабатывается большой объем данных.
- САПР на основе конкретного прикладного пакета, это автономно используемые комплексы, осуществляющие расчеты, типа MatCAD.
- Комплексные или интегрированные САПР, которые состоят из совокупности подсистем.
|
|
|
