Опыт разработки и внедрения интегрированной САПР электроавтоматики

А.Н.Липатов,
ведущий инженер-программист,
А.А Левыкин.,
инженер-программист 3 категории

г.Снежинск

В докладе обобщен опыт разработки и внедрения специализированной САПР, предназначенной для автоматизации схемно-конструкторского проектирования систем автоматики (СА).

Краткая характеристика предметной области

Система автоматики представляет собой совокупность приборов, объединенных электрической схемой, через которую реализуются алгоритмы работы автоматики. СА включает в себя источники тока, электромагнитные, электронные и электромеханические приборы, пиротехнические устройства, разнообразные датчики и т.д. Для объединения приборов в систему используется проводной монтаж, разъемные и жгутовые соединения.

Процесс проектирования СА является подпроцессом общего процесса проектирования изделия и состоит из нескольких последовательных этапов, в частности:

- создание общей электрической схемы изделия (Э6);

- создание принципиальной электрической схемы изделия (Э3);

- создание схемы соединений изделия (Э4) на основе схем Э6 и Э3;

- создание конструкторской документации на жгуты автоматики на основе схемы Э4 и дополнительной информации о механической конструкции изделия.

При разработке СА существует определенное разделение труда между конструкторскими отделами (приборными, схемными, компоновочными), которые регулярно обмениваются актуальной информацией о состоянии проекта.

Таким образом, очевидно, что объект проектирования (СА) – это отнюдь не изолированный фрагмент изделия, а, наоборот, компонент, воплощающий его интегральные, системные качества. Это предопределило комплексный подход к построению САПР, в основу которого были положены принципы, заимствованные из арсенала CALS (ИПИ) – технологий:

- САПР должна быть ориентирована на создание информационной модели проектируемого изделия;

- информационная модель изделия должна строиться таким образом, чтобы любой ее фрагмент был доступен на любом последующем этапе проектирования;

- фундаментом интеграции должно являться единое информационное пространство, разделяемое всеми подсистемами проектирования.

Разработка интегрированной САПР «СА» началась в 2001 году. Разумеется, не «с чистого листа». В схемном отделе уже несколько лет эксплуатировались автономные версии графических редакторов (типа «электронных кульманов») для схем класса Э6 и Э3, разработанные нами для среды AutoCAD 14. В конструкторском отделе использовались автономные системы проектирования жгутов и компоновочных блоков автоматики. Опыт общения программистов с пользователями-конструкторами насчитывал более 10 лет.

Разработка информационного ядра САПР

Первым шагом на пути создания интегрированной САПР стало построение функциональной и информационной моделей предметной области схемно-конструкторского проектирования СА. В качестве инструментария были использованы признанные во всем мире методологии моделирования сложных систем IDEF0 и IDEF1X.

Рис. 1: Фрагмент функциональной модели
процесса проектирования СА

Функциональная модель процесса проектирования СА в виде диаграмм IDEF0 в формализованном виде отразила традиционную цепочку этапов проектирования, соединенных потоками информации. На фоне традиционного маршрута проектирования были показаны особенности движения информации при автоматизированном проектировании, при котором не отдельные процессы передают информацию друг другу, а все они отдают и потребляют проектные данные из единого источника (рис.1).

Функциональная модель явилась предпосылкой для построения
информационной модели предметной области схемно-конструкторского проектирования. За основу была принята реляционная модель данных. Хотя электрические схемы обычно представляют в графическом виде (что регламентируется соответствующими Гостами), при детальном анализе можно увидеть, что графика служит лишь для удобства восприятия человеком, а информационной начинкой являются данные о составе и взаимосвязях, которые при соответствующей формализации могут быть представлены в виде реляционных таблиц (рис.2). Были выделены в виде сущностей составные части (СЧ) объекта проектирования: Приборы, Жгуты, Соединители, Платы, ЭРИ и т.д., – вместе с присущими им характеристиками (атрибутами). Определены основные типы взаимосвязей (отношений) между этими составными частями (СЧ):

- отношение входимости (СЧ входит в состав другой СЧ, Материал входит в состав СЧ);

- отношение разъемного соединения (СЧ-вилка соединяется с СЧ-розеткой);

- отношение равного потенциала (Цепь объединяет контакты СЧ);

- отношение проводного соединения (ОтрезокПровода соединяет контакты СЧ).

Для описания взаимосвязи с механической конструкцией изделия введены сущности, описывающие топологию жгута: Узел, Участок, Трасса, – вместе с соответствующими атрибутами и отношениями.

Рис. 2: Фрагмент информационной модели,
относящийся к схеме Э6

На основе разработанной модели предметной области было создано информационное ядро интегрированной САПР, реализованное в виде связанных таблиц базы данных MS Access 2000. Это ядро состоит из десятка базовых таблиц, которые в компактном и формализованном виде накапливают, хранят и предоставляют всем связанным этапам проектирования необходимую информацию. Такого рода табличная модель данных, заполненная в процессе проектирования информацией о конкретном изделии, с точки зрения отражения состава, характеристик составных частей и взаимосвязей между ними является полным эквивалентом традиционной КД на СА.

Строго говоря, существуют две базы данных разной структуры и назначения. Одна из них, БД СА, является общей для всех проектов автоматики и содержит долговременную информацию о приборах, соединителях, проводах и других изделиях и материалах, применяемых при проектировании. Различные этапы проектирования извлекают из нее необходимые характеристики составных частей СА, а также используют заложенные в ней стандартные проектные решения. Другая база данных, БД проекта, содержит актуальную информацию, относящуюся к конкретному проекту. Она содержит, в том числе, и ссылки на БД СА, позволяющие в любой момент получить доступ к полному набору характеристик каждого элемента в составе проекта.

Структура и принципы построения интегрированной САПР «СА»

Вслед за разработкой информационного фундамента, для интеграции существующих и вновь создаваемых подсистем САПР «СА» в единую цепочку автоматизированного проектирования потребовалось решить следующие задачи:

- разработать единую концепцию пользовательского интерфейса для всех подсистем проектирования;

- выбрать единые программные инструменты разработки;

- разработать библиотеки классов для объектов предметной области;

- разработать технологию внесения изменений в проект, при которой они будут автоматически отслеживаться на связанных этапах проектирования и отражаться в электронной КД;

- разработать, отладить и отработать на реальных проектах программные модули САПР;

- решить организационные вопросы, связанные с сопровождением подсистем и передачей результатов проектирования между подразделениями в электронном виде.

Итогом этой работы стала интегрированная САПР «СА» (рис. 3), в состав которой входят следующие подсистемы:

- подсистема «ПроводникСА», предназначенная для сопровождения долговременной БД, управления проектом, запуска подсистем проектирования;

- подсистема «СхемыСА», предназначенная для разработки и выпуска электрических схем изделия (включает в себя схемные редакторы «Э6», «Э3», «Э4»);

- подсистема «ЖгутыСА», предназначенная для разработки и выпуска конструкторской документации на жгуты СА (включает в себя редактор сборочного чертежа жгута, подсистемы трассировки, конструкторского расчета и формирования спецификации).

Рис. 3 Структура интегрированной САПР «СА»

САПР «СА» представляет собой программно-информационную систему, построенную на объектно-ориентированных принципах. При этом объектная модель, положенная в основу прикладных модулей САПР и формируемых ими электронных конструкторских документов (ЭКД), тесно связана с реляционной моделью информационного ядра, что позволяет решить задачу поддержания целостности проектных данных при их создании, изменении и удалении.

Например, один из основных инструментов конструктора, схемный редактор, в интегрированной САПР является не просто «электронным кульманом», а специализированной формой для ввода, редактирования и отображения проектных данных. Работая с привычными графическими элементами схем, конструктор одновременно создает или изменяет соответствующие экземпляры сущностей в БД проекта, создает или удаляет связи между ними и т.д. Для того чтобы это стало возможным, потребовалось привычное для конструктора модельное пространство, основанное на графическом представлении данных, адекватно отобразить в табличное представление. Процедуры схемного редактора по созданию и редактированию графических элементов и атрибутивной информации построены таким образом, что производят необходимые изменения в таблицах БД проекта.

Основываясь на данных, сохраненных в БД проекта, другие подсистемы проектирования могут в автоматическом режиме осуществлять ряд формальных конструкторских процедур, освобождая инженера-конструктора от рутинной ручной работы. Например, подсистема «АвтоТрассировка», используя в качестве исходных данных табличное представление схемы Э3 и геометрические данные о жгуте электромонтажа, осуществляет трассировку проводных соединений с учетом минимизации суммарной длины соединительных проводов. А программа конструкторского расчета жгута, реализованная в подсистеме «ЖгутыСА», помимо подсчета длины проводов и диаметров участков жгута, автоматически подбирает элементы заделки для каждого входящего в жгут соединителя. На основе данных, хранящихся в БД проекта, автоматически формируется ряд текстовых документов с данными о составе изделия и электрических параметрах: перечень элементов Э3, спецификация жгута, таблицы проверки электрических цепей жгута. Как правило, всякая процедура, осуществляемая в автоматическом режиме, дополняется возможностями ручной корректировки с помощью предметно-ориентированного интерфейса. Например, после проведения процедуры автоматической трассировки возможен анализ качества трассировки, проверка и редактирование трасс на фоне проволочной модели жгута.

Все подсистемы САПР объединяет единая концепция пользовательского интерфейса, с одной стороны, ориентированного на традиционные конструкторские документы, с другой – отражающего табличную начинку информационного ядра. В модельном мире, представленном на экране компьютера, обе формы отображения данных: традиционная графическая и эквивалентная ей табличная – получили одинаковое право на существование. Всюду, где это возможно, они дополняют друг друга, чтобы с наилучшей наглядностью отобразить лежащую в их основе информационную структуру объектов предметной области.

Несколько слов об инструментах разработки. Все графические редакторы реализованы в среде AutoCAD 14 (2004), с использованием Visual Lisp и VBA. Расчетные программы и элементы интерфейса, отвечающие за связь с базами данных, разработаны с помощью Object Pascal (Delphi 5) и Visual Basic. Взаимодействие прикладных систем с информационным ядром осуществляется через специализированную библиотеку классов, построенную на основе COM-технологий.

По нашему мнению, общий методологический подход, примененный нами при разработке САПР «СА», а именно, «через функциональную и информационную модели процесса проектирования к прикладным системам, объектная модель которых опирается на единое информационное ядро», – является универсальным и плодотворным. Он может быть с успехом использован при построении других специализированных САПР.

Внедрение интегрированной САПР «СА»

Сказать, что внедрение интегрированной САПР происходило гладко, значит погрешить против истины. Большинство исполнителей устраивали те инструменты, к которым они привыкли: примерно половину – автономные версии схемных редакторов типа «электронных кульманов», а другая половина до сих пор еще не ушла с кульмана на компьютер. И проблема даже не в том, что не хватает компьютеров, или не проводится обучение персонала. Внедрение САПР приводит к изменению содержания работы. Проектировщики верхнего уровня получают возможность увеличить производительность своего труда и улучшить его качество. А проектировщики нижнего уровня, если они не способны сделать шаг наверх, становятся совсем ненужными, так как их деятельность в основном ограничивалась рутинной работой, которую целиком взял на себя компьютер.

C января 2005 года интегрированная САПР «СА» находится в опытной эксплуатации. Программное обеспечение установлено на двух десятках компьютеров схемного и конструкторского отделов. На каждую подсистему САПР имеется подробная пользовательская документация, общий объем которой составляет более 300 листов. Проведены курсы по обучению пользователей работе с новыми инструментами проектирования. Результатом такой целенаправленной работы является постепенная, но необратимая переориентация пользователей с автономных версий графических редакторов и других подсистем проектирования в пользу интегрированной САПР «СА». В настоящее время с ее использованием ведутся работы по нескольким проектам автоматики.