Архитектура системы автоматизации проектирования шнековых экструдеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Архитектура системы автоматизации проектирования шнековых экструдеров

А.М. Пищухин

В работе показана необходимость создания системы автоматизации проектирования шнековых экструдеров. Перечислены функции САПР, предложена ее архитектурная схема. Разработана реляционная схема базы данных конструкций и примитивов.

Ключевые слова: шнековый экструдер, САПР, архитектура программных систем, реляционные БД.

Экструзионные технологии применяются в пищевой, химической, строительной промышленности. Достоинство экструзионных технологий состоит в непрерывности процесса, обеспечивающей высокую производительность и решающей проблему массовости производства. Другим достоинством экструзионных технологий является совмещение процессов перемешивания, прессования, продавливания через фильеры для придания материалам определенной формы. Наиболее высокие показатели эффективности этих технологий достигаются при рационально выбранной конструкции экструдера и оптимальных технологических режимах.

Инженерные расчеты экструдеров, в связи со сложностью их форм и разнообразием свойств перерабатываемых материалов, осуществляется по приближенным, зачастую эмпирическим, формулам с большим количеством предположений.

Так, в работе [1] распределение напряжений сдвига между корпусом экструдера и валом шнека полагается линейным. В работе [2] приводятся основанные на опытных данных аналитические зависимости давления аномально-вязкой среды от скорости движения, угловой скорости вращения от производительности экструдера и т.п. В работе [3] даются практические рекомендации по выбору шага винтовой нарезки шнека, глубины винтового канала, приводится эмпирическая формула для расчета критической частоты вращения шнека, а также других величин, таких как максимальный прогиб, максимальные касательные напряжения, производительность.

Создание автоматизированного инструмента проектирования шнековых устройств, предоставляющего возможность проведения теоретически обоснованных тепловых, прочностных расчетов, расчетов износоустойчивости, расчетов напряженного состояния в различных точках перерабатываемого материала, позволит повысить качество принимаемых проектных решений при их синтезе, увеличит точность расчета и информативность его для проектировщика.

Дж. Клир в работе [4] определяет архитектуру как совокупность наиболее важных принципов организации системы. Создание архитектуры программной системы - это проектирование на самом высоком уровне, согласно работе [5]. Архитектуру понимают также как искусство определения требований пользователя к структуре, а затем проектирование таким образом, чтобы она как можно полнее соответствовала этим требованиям при заданных экономических и технологических ограничениях [6].

Архитектура программной системы представляет собой взгляд на нее «с определенного расстояния» [4]. Детали исполнения могут и должны оставаться непроработанными до конца, оставляя достаточно свободы для дальнейшей детализации; однако все существенные для пользователя характеристики должны быть специфицированы.

Таким образом, архитектура САПР шнековых экструдеров определяется потребностями пользователя в автоматизации. Система должна включать в себя следующие функции:

1. Структурный синтез конструкции. Используя заданные примитивы элементов экструдера, пользователь системы составляет его структурную схему. На этом этапе возможен выбор различной геометрии (плоские или гофрированные стенки, цилиндрическая или конусоидальная форма корпуса и т.п.). Необходимые для задания структуры примитивы хранятся в базе данных конструкций и примитивов. Результаты структурного синтеза отображаются на экране и могут быть сохранены в БД. Все остальные функции, описанные ниже, связаны с работой пользователя над конструкциями, загружаемыми из БД конструкций и примитивов.

2. Редактирование существующих решений. Элементы экструдера, выбранные в процессе структурного синтеза, как правило, имеют настраиваемые параметры, такие как шаг шнека, толщина лопастей и т.п. Система должна позволять пользователю варьировать эти параметры в допустимых с точки зрения выполнимости конструкции пределах. Результаты сохраняются в БД конструкций и примитивов.

3. Инженерные расчеты. Система должна обеспечивать возможность расчета проектируемого экструдера исходя из заданных пользователем структуры, параметров конструкции, параметров технологического режима (рабочее давление перед формующей матрицей, скорость вращения шнека и т.п.) и свойств перерабатываемого материала. Можно выделить следующие виды расчетов: тепловые, прочностные, расчеты напряженного состояния в различных точках перерабатываемого материала, расчеты износоустойчивости. Результаты расчетов в графическом виде пользователь может вывести на экран или распечатать.

4. Анализ влияния параметров. Система должна отображать графики взаимных зависимостей выбранных параметров в соответствии с результатами инженерного расчета (например, зависимость момента от угловой скорости вращения или от шага шнека).

5. Моделирование технологического процесса. В результате возникновения в процессе производства нештатных ситуаций, таких как внезапное увеличение или уменьшение давления, предельные температурные условия, применение установки для нового материала с принципиально иными свойствами, показатели эффективности экструдера могут меняться скачкообразно. По команде пользователя система должна производить моделирование поведения проектируемой конструкции в нештатных ситуациях.

6. Разработка документации. В соответствии с выбранными пользователем стандартами изготовления конструкторской документации система должна производить проектные чертежи, необходимые для выполнения спроектированного решения, и пояснительные записки к ним.

Архитектура системы автоматизации проектирования шнековых экструдеров, которая способна выполнять перечисленные функции, показана на рис. 1. В качестве основных блоков можно выделить:

блок работы с конструкциями, предоставляющий доступ к базе данных конструкций и примитивов. Эта БД может хранить как проекты конструкций, находящиеся в разработке, так и законченные решения, используемые пользователем в качестве прототипов новых конструкций;

блоки разнообразных инженерных расчетов. Расчеты производятся согласно расчетным схемам, хранящимся в специальной БД;

блок анализа, позволяющий исследовать взаимные зависимости параметров; автоматизация проектирование шнековый экструдер

блок работы с различными видами продукции, позволяющий проектировать конструкции с учетом особенностей обрабатываемого сырья и конечного продукта. Этот блок связан с БД применяемых к различным видам продукции технологических режимов;

блок моделирования технологического процесса в нештатных ситуациях, представленных в специальной БД;

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Архитектура САПР шнековых экструдеров

блок построения документации, использующий БД стандартов, норм и требований.

В целях удобства развития системы архитектура должна предусматривать возможность подключения встраиваемых модулей. Встраиваемый модуль - это дополнительный модуль системы, о котором неизвестно на этапе ее создания. Как правило, такие модули разрабатываются сторонними разработчиками, не связанными с разработчиками системы, для решения специфических задач, не включенных в ее общие функциональные возможности. Применительно к САПР шнековых экструдеров отдельные встраиваемые модули могут производить дополнительные виды инженерных расчетов, предоставлять новые примитивы, работать с различными стандартами оформления документации, обеспечивать интерфейс пользователя на языках, отличных от языка первоначальной разработки, и т.п.

Включение в архитектуру программной системы возможности подключения встраиваемых модулей повышает гибкость системы и увеличивает ее жизненный цикл, а изначальная реализация части функций системы в виде встраиваемого модуля уменьшает связность системы, упрощает процессы тестирования, развертывания и сопровождения.

К встраиваемым модулям предъявляются следующие требования:

наличие блока инсталляции. При обнаружении нового встраиваемого модуля система запускает его инсталляцию, в ходе которой он получает доступ к базам данных, в которые может записать требуемую для его функционирования информацию (например, справочную);

наличие блока активации. При старте системы для каждого инсталлированного встраиваемого модуля последовательно вызывается процедура активации. В ходе этой процедуры встраиваемый модуль получает доступ к меню системы, где может добавить новые пункты, указывающие на принадлежащие ему программные обработчики. Также возможно выполнение активационных действий с БД, если необходимо (так, модуль может проверять целостность БД на старте системы);

наличие блока деактивации. При завершении работы в системе для каждого инсталлированного встраиваемого модуля последовательно вызывается процедура деактивации, в ходе которой модули могут освободить занятые ресурсы или сохранить собранные данные.

Приведенные блоки должны быть публичными методами встраиваемого модуля в соответствии с принципами ООП. Каждый из этих методов может быть пустым, если логика встраиваемого модуля не предусматривает соответствующих действий. В системе необходимо предусмотреть возможность запуска в «безопасном режиме», в котором встраиваемые модули игнорируются, на случай сбоев во встраиваемом модуле, нарушающем работу системы в целом.

Функциональные возможности и удобство использования создаваемой системы напрямую зависят от того, насколько гибкой будет структура БД конструкционных решений и примитивов. В силу того, что реляционный подход «сущность - связь» хорошо зарекомендовал себя в информационных системах [7], выделим основные сущности и связи между ними (рис. 2).

Конструкция. Это основная сущность, с которой работает пользователь системы. Конструкции идентифицируются уникальными кодами, однако для удобства различения человеком каждой конструкции присваивается текстовое описание. Для того чтобы отличать завершенные конструкции от рабочих проектов, введем атрибут «Флаг готовности». Это позволит фильтровать список конструкций, показывая по требованию пользователя только конструкции, находящиеся в работе, только завершенные либо без фильтрации. Для адекватной поддержки долговременной работы над конструкцией необходимо сохранять информацию о номере версии, который увеличивается при каждом сохранении; особенно важным номер версии становится, если над конструкцией работают несколько пользователей.

Пользователь. Эта сущность позволит нам хранить данные о пользователе, такие как фамилия, имя, отчество, и (возможно) другую необходимую информацию.

Рис. 2. Схема БД конструкций и примитивов

История версий. Связь между пользователями и конструкциями является связью типа «многие ко многим», так как каждый пользователь системы может иметь дело с различными проектами в один и тот же промежуток времени, и наоборот, одним проектом может заниматься группа пользователей. При каждом сохранении конструкции в таблицу БД, связанную с сущностью «История версий», записываются дата и краткое описание изменений, благодаря чему история правок в любой момент может быть восстановлена.

Примитив. Под примитивами понимаются типовые составные части проектируемых конструкций. В случае проектирования экструдеров это могут быть разнообразные виды шнеков, корпусов, матриц с фильерами, загрузочных устройств, узлов крепления. Первоначальный набор примитивов загружается в БД при поставке системы и может быть впоследствии дополнен путем инсталляции встраиваемых модулей. Отметим, что примитив - качественное понятие. Каждый примитив может иметь хранимое в БД графическое изображение для быстрой идентификации его пользователем на экране компьютера; в случае отсутствия такового используется изображение по умолчанию.

Параметр примитива - сущность, связанная с количественной стороной примитива. Различные примитивы имеют различные наборы параметров: если цилиндрический корпус характеризуется лишь радиусом, длиной и толщиной стенок, то у конусоидального корпуса к этим величинам добавляется угол наклона. Данная сущность связана с примитивом связью «многие к одному»; различные параметры одного и того же примитива идентифицируются различными названиями. Для предотвращения нежелательных значений (чаще всего отрицательных) в сущности присутствуют необязательные атрибуты, связанные с диапазоном допустимых значений параметра: минимальное и максимальное значения.

Элемент - это составная часть конструкции, являющаяся примитивом определенного вида и обладающая количественными характеристиками. Все конструкции, создаваемые пользователем системы, визуально состоят из элементов. Ввиду данного определения каждый элемент связан с сущностями «Конструкция» и «Примитив» как «многие к одному».

Параметр элемента. Конкретные значения параметров конкретных элементов составляют эту сущность. Если элемент связан с примитивом А, то его параметры соответствуют набору параметров примитива А. Отметим, что возможна ситуация нарушения непротиворечивости данных, если связи этой сущности будут направлены ошибочно; так, может возникнуть ситуация, когда внешний ключ «Код элемента» будет связан с элементом примитива «Цилиндрический корпус», а внешний ключ «Код параметра примитива» - с параметром «Угол наклона», не относящимся к нужному примитиву. Для контроля целостности необходим специальный алгоритм.

Соединение. Конструкция не является простым набором элементов; элементы должны быть соединены надлежащим образом и в надлежащем порядке. Данная сущность представляет собой информацию о соединении элементов. Каждое соединение характеризуется своим типом и может соединять два и более элементов.

Инциденции соединений. Для хранения информации о том, какие элементы конструкции связаны какими соединениями, наиболее подходящей представляется структура двудольного графа [8], в одной доле которого расположены элементы, а в другой - соединения. Графовое представление не накладывает ограничений на арность соединения и позволяет использовать графовые алгоритмы для проверки связности схемы элементов. Ввиду разреженности графа список инциденций является оптимальным подходом к хранению информации.

Таким образом, система автоматизированного проектирования, построенная с учетом приведенного исследования функций, архитектуры и схемы отношений БД, позволит производить инженерные расчеты в автоматизированном режиме и повысить качество принимаемых проектных решений.

Библиографический список

1. Полищук В.Ю., Коротков В.Г., Зубкова Т.М. Проектирование экструдеров для отраслей АПК. - Екатеринбург: УрО РАН, 2003. - 201 с.

2. Абрамов О.В. Научное обеспечение процесса экструзии модельных сред на основе крахмалосодержащего сырья и разработка высокоэффективного оборудования для его реализации: Автореферат дисс. … д. т. н. - Воронеж, 2009. - 45 с.

3. Соколов М.В., Клинков А.С., Ефремов О.В., Беляев П.С., Однолько В.Г. Автоматизированное проектирование и расчет шнековых машин. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 248 с.

4. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач: пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - 544 с.

5. Брауде Э. Технология разработки программного обеспечения. - СПб.: Питер, 2004. - 655 с.

6. Brooks F.P. Architectural philosophy // Planning a Computer System, edited by W. Buchholz. - New York: McGraw-Hill, 1962. - pp. 5-16.

7. Кузнецов С.Д. Основы баз данных: курс лекций: учеб. пособие. - М.: Интернет-ун-т информ. технологий, 2005. - 488 с.

8. Новиков Ф.А. Дискретная математика для программистов. - Спб.: Питер, 2000. - 304 с.

Размещено на Allbest.ru