Комплексное решение задачи проводного монтажа в интегрированной САПР электроавтоматики

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

Данный доклад продолжает представление специализированной САПР, предназначенной для автоматизации схемно-конструкторского проектирования систем электроавтоматики. В рамках разработки САПР «СА» достаточно большое внимание уделяется комплексному решению задачи проводного монтажа.

Задача проводного монтажа в процессе схемно-конструкторского проектирования электроавтоматики

В процессе схемно-конструкторского проектирования систем электроавтоматики особое место занимает реализация проводного монтажа. Задача проводного монтажа состоит в том, чтобы оптимальным образом обеспечить электрические соединения принципиальной схемы с помощью разъемных и проводных соединений в жгутах изделия, на монтажных платах и в жгутах приборов автоматики. Исходными данными для проектирования проводного монтажа являются состав изделия, электрические цепи, реализующие принципы работы изделия, жгутовые соединения изделия и жгуты внутреннего монтажа приборов. Результаты проектирования – таблица соединений с указанием адресов проводных связей и марок проводов, которыми они выполнены, а также данные конструкторского расчета, которые включают суммарные диаметры участков жгутов, длины проводов, подбор и расчет количества деталей и материалов, необходимых для изготовления жгутов. Полученные данные оформляются в виде соответствующих конструкторских документов.

рис. 1 Цепь «Э3» на фоне схемы «Э6»

Схема «Э6» определяет приборы и соединители, входящие в состав изделия, а также жгутовые связи между ними. На схеме «Э3» раскрывается полный состав элементов и электрические связи между ними. Этап компоновки дополняет информацию о составе изделия данными о механической конструкции. Далее разработчик, сопоставляя информацию об электрических цепях и жгутовых соединениях (рис. 1), определяет последовательность и маршрут соединения контактов. Маршрут зависит от местоположения приборов в изделии и конфигурации соединяющих их жгутов. Он может целиком лежать в одном жгуте, а может проходить транзитом через несколько жгутов, включая внутренние жгуты приборов.

На первый взгляд может показаться, что реализация проводного монтажа сводится к решению чисто математической задачи трассировки. Однако опыт показывает, что комплексное решение задачи проводного монтажа имеет несколько аспектов и требует системного подхода. Этапы проектирования не являются изолированными. В процессе разработки изделия схемный этап, компоновка и определение жгутовых связей, проводной монтаж, конструкторская реализация изделия оказывают друг на друга значительное влияние. Это позволяет получить в результате сбалансированную конструкцию, удовлетворяющую требованиям заказчика.

Схемный этап кроме определения элементного состава изделия и принципов его работы накладывает ограничения на реализацию проводного монтажа, призванные обеспечить электрические параметры цепей, исключить наводки и влияние внешних воздействий. На этом этапе указываются требования по сечению проводов, скрутке и экранированию. Также существуют определенные требования по порядку соединения контактов цепей. Например, контакт соединителя для подключения контрольной аппаратуры, включенный в цепь, реализующую функционал изделия, не должен находиться между основными контактами цепи и для экономии пространства может быть присоединен проводом меньшего сечения.

К изделию предъявляются жесткие требования по массогабаритным характеристикам, поэтому важна качественная компоновка и, соответственно, оптимальный проводной монтаж. Также существуют требования по надежности, обусловленные экстремальными воздействиями различных физических факторов (вибрация, перепады температур) в процессе эксплуатации изделия. Заделка соединителей, конструкция жгутов и приборов должны исключить нарушение проводного монтажа при любых возможных механических, термических и прочих воздействиях.

Задача проводного монтажа решается на стыке схемного и конструкторского этапов разработки изделия, поэтому в процессе автоматизированного проектирования одним из актуальных вопросов является организация взаимодействия сотрудников схемных и конструкторских отделов, в частности организация обмена проектными данными.

Отражение проводного монтажа в информационной модели процесса схемно-конструкторского проектирования
электроавтоматики

Фундаментом интеграции САПР «СА» является единое информационное ядро, разделяемое всеми подсистемами проектирования. Информационное ядро реализовано в виде реляционной базы данных, в основе которой лежит информационная модель предметной области схемно-конструкторского проектирования (рис. 2).

Основной сущностью, представляющей проводной монтаж в информационной модели является сущность Отрезок Провода. В реальном изделии отрезок провода соединяет пару контактов, изготавливается из провода определенной марки и сечения, может быть скручен с другим отрезком провода, может иметь экран, экраны различных проводов могут иметь общее заземление. В информационной модели сущность, Отрезок Провода, связана с сущностью Контакт через ассоциативную сущность Контакт-ОП. Специальные атрибуты группаСЭ и тип_группыСЭ служат для описания группировки по скрутке/экранированию. Атрибут соед_экран сущности Контакт-ОП отражает соединение экранов проводов на контактах конкретного соединителя. Ссылка на марку провода реализуетсяс помощью внешнего ключа код Провода.

рис. 2 Модель данных, отражающая электрическую конструкцию изделия

Сущность Цепь имеет атрибут описание, который определяет марку провода и группировку отрезков проводов по признаку скрутка/экранирование.

Проводной монтаж проектируется с учетом компоновки изделия. В результате для каждого отрезка провода назначается трасса. В трассу включаются участки соединительных жгутов и жгутов внутреннего монтажа приборов. Трасса для отрезка провода подбирается так, чтобы суммарная длина проводов цепи была минимальной, но с учетом требования по подключению контактов контрольной аппаратуры. Для описания взаимосвязи с механической конструкцией изделия введены сущности, описывающие топологию жгута: УзелЖ, УчастокЖ, ТрассаЖ, – вместе с соответствующими атрибутами и отношениями.

Сущность УчастокЖ имеет атрибут диамУч, который показывает диметр участка жгута наполненного проводами. С учетом этого атрибута производится подбор материалов для изготовления жгута. Также этот атрибут влияет на подбор элементов заделки соединителей.

Математическое обеспечение задачи трассировки

Одним из этапов реализации проводного монтажа является трассировка проводных соединений. Общей методологии решения задачи проводного монтажа большое внимание уделяется в специальной литературе/1, 3/. Задача трассировки решается с использованием методов теории графов и сводится к поиску кратчайших путей для определения возможных трасс и построения покрывающего дерева для получения списка отрезков проводов отдельной цепи.

На этапе проводного монтажа известны участки жгутов, их длины и расположение элементов внутри приборов. Этих сведений достаточно для поиска трасс, по которым могут быть проложены участки проводов. Соединители, элементы и точки сочленения ветвей жгутов являются вершинами графа, а ветви соединительных жгутов и жгутов внутреннего монтажа – ребрами. Кратчайшие пути на графе определяются с помощью алгоритма двойного поиска /2/. Этот алгоритм позволяет найти несколько кратчайших путей между каждой парой вершин. Определение нескольких трасс обусловлено тем, что прокладка провода во исполнение прочих ограничений может осуществляться не по самому кратчайшему пути.

Алгоритм построения покрывающего дерева /2/ определяет последовательность соединения контактов одной цепи отрезками проводов. Исходными данными для него являются списки контактов цепей с их описанием и описание геометрии, содержащее трассы между узлами жгута. При этом максимальная степень вершины в дереве равна максимально возможному количеству подпаиваемых проводов для данного контакта. Вес ребра исходного графа равен длине трассы, соединяющей контакты, с учетом описания контактов. Ребра, вершины которых ассоциированы с контактами контрольной аппаратуры, заведомо имеют больший вес и включаются в дерево последними.

Полученные деревья порождают в информационном ядре САПР «СА» экземпляры сущностей ОтрезокПровода и Контакт-ОП.

Программное обеспечение комплексного решения задачи проводного монтажа средствами интегрированной САПР
электроавтоматики

В настоящее время ведется работа по обеспечению комплексного решения задачи проводного монтажа средствами интегрированной САПР «СА».

Средствами схемных редакторов «Э6» и «Э3» задаются исходные данные для проводного монтажа. Информация о топологии жгутов может быть импортирована из трехмерных моделей.

Для прокладки проводных соединений изделия используется табличный трассировщик «Э6+Э3=Э4». Данная программа предоставляет пользователю, работающему с табличными представлениями схем Э6 и Э3, удобные средства для навигации по жгутам, соединителям и контактам; для назначения и отмены проводных соединений, для присвоения отрезкам проводов требуемых характеристик (сечение, скрутка, экранирование). При этом она строго контролирует правильность назначения соединений, в частности, никогда не будут соединены контакты, принадлежащие разным электрическим цепям или соединителям, лежащие в разных жгутах. Результатом работы программы «Э6+Э3=Э4» является табличное представление схемы Э4 изделия, которое может быть отображены в привычном графическом виде с помощью схемного редактора «Э4». Также информация о проводных соединениях отображается на сборочных чертежах жгутов средствами редактора «ЖгутСБ».

Редактор «ЖгутСБ» содержит средства для проведения конструкторского расчета жгутов (расчет суммарных диаметров ветвей, длин проводов), подбора элементов заделки соединителей и материалов, необходимых для изготовления жгута.

рис. 3 Проволочная модель жгута прибора в окне программы «АвтоТрассировка»

Проводной монтаж во внутренних жгутах приборов производится средствами программы «АвтоТрассировка» (рис. 3). Программа в качестве обязательных исходных данных использует топологию жгута внутреннего электромонтажа и нацелена на минимизацию суммарной длины отрезков проводов. После проведения процедуры автоматической трассировки возможен анализ качества трассировки, проверка и ручная корректировка на фоне проволочной модели жгута (упрощенная трехмерная модель жгута). Результатом проектирования является таблица электрических соединений жгута внутреннего электромонтажа прибора, а также данные конструкторского расчета.

рис. 4 Взаимодействие САПР электроавтоматики и системы трехмерного моделирования

Поскольку процесс проектирования проводного монтажа тесно взаимосвязан с конструированием механической части изделия в САПР «СА» включены средства для обмена данными с системой трехмерного моделирования (рис. 4). Сначала в проект электроавтоматики из трехмерной модели изделия передаются данные о топологии жгутов, необходимые для проведения трассировки и конструкторского расчета. Затем описание проводного монтажа с учетом результатов конструкторского расчета может быть представлено в виде трехмерных моделей жгутов и добавлено в общую сборку изделия для оценки правильности реализации проводного монтажа и качества компоновки.

Литература

1. Курейчик В.М. Математическое обеспечение конструкторского и технологического проектирования с применением САПР. – М.: Радио и связь, 1990 – 352 с.

2. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах: Пер. с англ. – М.: Мир, 1981 – 323 с.

3. Овчинников В.А. Алгоритмизация комбинаторно-оптимизационных задач при проектировании ЭВМ и систем. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 288 с.