Технические средства автоматизации конструирования, моделирования и проектирования

6

Технические средства автоматизации конструирования, моделирования и проектирования

Системы автоматизированного проектирования (САПР) позволяют осуществлять черчение, конструирование и моделирование различных устройств и механизмов с помощью компьютера.

Поэтому основным техническим средством при автоматизации конструирования является современный персональный компьютер с установленным специализированным программным обеспечением - пакетом прикладных программ САПР.

Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трех частей:

системного блока;

клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;

монитора (или дисплея) - для изображения текстовой и графической информации.

Компьютеры выпускаются и в портативном варианте - в “блокнотном” (ноутбук) или “наколенном” (лап топ). Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре.

В отличие от офисных персональных компьютеров промышленные персональные компьютеры разработаны для работы в жестких условиях эксплуатации: наличие пыли, экстремальных механических и климатических воздействий, а также интенсивного электромагнитного излучения.

Наиболее известные производители промышленных компьютеров - фирмы IBM, Texas Micro, Siemens, Octagon Systems, Advantech и др.

Промышленные компьютеры обычно снабжены высокоскоростными охлаждающими вентиляторами и воздушными фильтрами, которые обеспечивают принудительную приточно-вытяжную вентиляцию внутри шасси. Постоянный приток воздуха создает избыточное давление внутри корпуса. Подобная система вентиляции предотвращает попадание в корпус пыли и обеспечивает его охлаждение. Эти меры обеспечивают надежную работу компьютера в широком диапазоне окружающих температур. Промышленные компьютеры Advantech работают в диапазоне температур 0 - 50С, а Octagon Systems - в диапазоне от -40 до +85С.

Большинство промышленных компьютеров поставляются с фиксирующими приспособлениями для плат и ударозащищенными отсеками для дисковых накопителей. Прижимные планки надежно фиксируют платы расширения в слотах шины ISA/PCI. Виброударостойкие отсеки для НЖМД и НГМД повышают их срок службы в тяжелых промышленных условиях. Часто вместо обычного НЖМД используются диски на базе флэш-памяти.

Электромагнитное излучение (ЭМИ) является общей проблемой для промышленности. Почти все промышленные компьютеры изготовлены из высококачественной стали со специальным покрытием для защиты от ЭМИ. Источники питания также невосприимчивы к выбросам напряжения в сети, перенапряжениям и колебаниям напряжения, обеспечивая стабильность выходного напряжения. Для улучшения надежности применяются дублированные источники питания с “горячей” заменой.

Сочетание пассивных объединительных плат и промышленных процессорных плат обеспечивает совершенную конфигурацию для промышленной автоматизации, основанной на IBM PC совместимых компьютерах. Эта архитектура обеспечивает гибкость и упрощает модернизацию и эксплуатацию изделия.

Пассивные объединительные платы обеспечивают возможность установки плат ISA и PCI в различных сочетаниях. Например, фирма Advantech предоставляет широкий ряд пассивных объединительных плат с числом гнезд расширения от 3 до 20. Эти платы характеризуются поддержкой одной или нескольких систем в пределах одного конструктива.

Все фирмы, выпускающие промышленные компьютеры, предлагают широкий набор плат расширения и периферийных устройств.

Промышленные процессорные платы, как правило, имеют сторожевой таймер, который непрерывно следит за работой системы. В случае непредвиденной остановки функционирования системы сторожевой таймер генерирует аппаратный сигнал сброса.

Промышленные процессорные платы являются 100% совместимыми с системными платами общего назначения. Их цельная конструкция включает множество расположенных на плате дополнительных устройств и контроллеров, таких как твердотельные диски, интерфейсы VGA/ЖКИ, SCSI, Ethernet, дополнительные последовательные порты (до 6-ти) и т.д.

Отказоустойчивым промышленным компьютером является компьютер, снабженный системой обнаружения неисправности шасси и выдачи сигнала тревоги. Контролируется исправность источника питания, вентиляторов и температура внутри блока.

При возникновении неисправности блок предупреждает пользователя о необходимости текущего ремонта путем подачи звукового или светового сигнала. Как правило, вычислительная система будет по-прежнему работать некоторое время, несмотря на отказ.

Как правило, промышленные компьютеры очень надежны. Например, процессорные платы фирмы Octagon Systems имеют среднее время наработки на отказ от 10 до 26 лет, а периферийные платы - свыше 100 лет.

Периферийные платы отличаются большим разнообразием. Например, фирма Advantech предлагает платы ввода-вывода цифровых и аналоговых сигналов для шин ISA и PCI с количеством дискретных входов-выходов - до 192, аналоговых (ЦАП, АЦП) - до 32, в том числе с гальванической развязкой от источников (приемников) сигналов, платы расширения интерфейсов RS-232/422/485/токовая петля с количеством каналов до 8-ми, платы счетчиков-таймеров, квадратурных преобразователей, 3-х и 4-х координатного управления шаговыми двигателями и т.д.

Это позволяет вводить в компьютер информацию от датчиков любого типа и управлять различными исполнительными механизмами.

В системном блоке располагаются все основные узлы компьютера:

электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.д.);

блок питания, который преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

накопители (дисководы) для гибких магнитных дисков (НГМД) (дискет);

накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) - “винчестер”;

другие устройства.

К системному блоку IBM PC можно подключать различные устройства ввода-вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности.

Многие устройства располагаются вне системного блока и подсоединяются к нему через разъемы, обычно находящиеся на задней стенке блока. Такие устройства обычно называются внешними. Кроме монитора и клавиатуры это:

принтер - для вывода на печать текстовой и графической информации;

мышь или трекбол - устройство, облегчающее ввод информации в компьютер;

джойстик - манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки с кнопкой;

другие устройства.

Некоторые устройства могут встраиваться внутрь системного блока и поэтому называются внутренними, например:

модем или факс-модем - для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть (факс-модем может также получать и передавать факсы);

дисковод для компакт-дисков;

звуковая карта - для записи и воспроизведения звуков (музыка, голос и т.д.).

Для управления работой устройств в IBM PC-совместимых компьютерах используются специальные электронные схемы - контроллеры. Различные устройства используют разные способы подключения к контроллерам.

Самым главным элементом в компьютере является микропроцессор - интегральная микросхема, выполняющая все вычисления и обработку информации.

В IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.). Одинаковые модели могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Например, процессоры семейства Pentium производства Intel выпускаются с тактовой частотой свыше 4 ГГц.

На рынке Украины доминирующее положение занимают два производителя - Intel и AMD, компьютеры в большинстве случаев комплектуются процессорами Duron, Sempron, Athlon фирмы AMD или Celeron, Pentium-IV фирмы Intel.

Электронная начинка IBM PC, как правило, выполняется из нескольких модулей - электронных плат. Каждая плата представляет собой кусок пластика (стеклотекстолит), на котором укреплены электронные компоненты (микросхемы, конденсаторы и т.д.) и различные разъемы.

Самой большой электронной платой является системная, или материнская, плата. На ней обычно располагаются основной микропроцессор, оперативная память, кэш-память, шины, BIOS и интегрированные контроллеры.

Неинтегрированные контроллеры выполняются в виде отдельных электронных плат и вставляются в специальные разъемы (слоты) на материнской плате. При вставке в слот контроллер подсоединяется к шине магистрали передачи данных между контроллерами и оперативной памятью. В современных компьютерах обычно имеется две шины: ISA - для контроллеров низкоскоростных устройств, и PCI - для контроллеров высокоскоростных устройств. В последнее время в материнских платах появился специальный слот AGP - для видеоадаптера.

Блок-схема устройства современного IBM PC-совместимого компьютера приведена рис.1.

Наряду с самим компьютером важную роль при автоматизации конструирования играют различные устройства ввода-вывода графической и текстовой информации.

Матричные принтеры обеспечивают значительно худшее качество печати, чем другие типы, сильно шумят при работе, но широко применяются, так как недороги и стоимость отпечатанной страницы у них самая низкая. Принцип действия: печатающая головка содержит вертикальный ряд тонких металлических стержней (иголок), головка движется вдоль печатаемой строки, а стержни в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту.

Устройство современного компьютера, а также устройств ввода-вывода графической и текстовой информации, Обзор источников экономической эффективности создания и внедрения новой техники. Определение цены новой техники и экономического эффекта от ее внедрения.

Рис.1. Блок-схема устройства компьютера.

Струйные принтеры - изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выбрасываемых на бумагу через сопла в печатающей головке. В отличие от матричных принтеров, струйные работают с гораздо меньшим шумом, обеспечивают лучшее качество печати и самую дешевую цветную печать приемлемого качества.

Лазерные принтеры обеспечивают наилучшее качество печати. Используется принцип ксерографии: изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички краски (тонера).

Отличие от обычного ксерокса состоит в том, что печатающий барабан электризуется с помощью лазера по командам компьютера. Обеспечивают самую высокую среди всех принтеров скорость печати, работают практически бесшумно и не требуют специальной бумаги.

Плоттеры - устройства для вывода чертежей, графиков, диаграмм и т.д. с использованием пишущего узла типа “перо”. Отличаются по формату используемой бумаги и количеству перьев. Различают планшетные плоттеры (бумага неподвижна, перо перемещается по двум осям) и плоттеры, использующие перемещение бумаги по одной оси и перемещение пера - по другой.

Современные плоттеры снабжены восемью перьями различных типов и могут быть использованы для черчения, как на бумаге, так и на кальке или пленке. Стандартом в области плоттеров является фирма “Hewlett Packard” и графический язык HPGL - стандарт для промышленности.

Дигитайзеры. С их помощью осуществляется ввод координат в компьютер. Практически являются той же мышью, но с визирной сеткой для точного передвижения манипулятора по желаемой траектории. Используются для оцифровки кривых, например при вводе изображения карт.

Кодирующие (графические) планшеты (Art Pad). Электронное “перо” художника (конструктора): вводит в компьютер движения карандаша по планшету, в том числе учитывается, с какой силой осуществляется нажим на перо. “Карандаш” не имеет механической связи с поверхностью планшета.

Сканеры. Устройства для ввода графических изображений в компьютер. Могут быть ручными, планшетными или предназначаться для ввода изображений со слайдов. Различаются по максимально разрешимому количеству линий, по числу передаваемых уровней цвета, по возможности ввода цветных иллюстраций.

Цифровые фотокамеры. Выполняют ту же функцию, что и сканеры, но в «безбумажном» варианте. Отснятое изображение сохраняется в памяти устройства, а затем через последовательный порт (обычно USB) вводится в компьютер.

Первый этап разработки и постановки на производство практически любой продукции - разработка технического задания (ТЗ), который включает разработку технико-экономического обоснования (ТЭО).

В типовое ТЭО входят следующие разделы:

актуальность проблемы;

основание для выполнения работ;

существующее состояние вопроса в отрасли или состояние рынка сбыта;

характеристика исполнителя (исполнителей) - разработчика, предполагаемого изготовителя;

краткая техническая характеристика изделия;

объемы внедрения (предполагаемая потребность);

экономическая эффективность;

стоимость и этапы выполнения разработки.

Как правило, необходимость создания новой техники вызвана желанием усовершенствовать процесс производства с целью минимизации затрат и, следовательно, достижения лучших экономических показателей предприятия.

На начальных этапах разработки, предшествующих конструированию, делается ТЭО создания новой техники. На этом этапе выделяются источники экономической эффективности внедрения разрабатываемого устройства или системы (раздел “экономическая эффективность” ТЭО).

Типовыми, наиболее часто встречающимися источниками экономической эффективности создания и внедрения новой техники являются:

увеличение объема выпускаемой продукции;

повышение качества выпускаемой продукции (ведет к возможности увеличения цены на продукцию);

экономия ресурсов (сырьевых или энергетических), затрачиваемых на производство единицы продукции;

повышение производительности труда (сокращение трудозатрат на производство единицы продукции);

снижение стоимости новой техники по сравнению с используемой (базовой);

снижение затрат на эксплуатацию новой техники (сравнительно с базовой).

Определение цены новой техники и экономического эффекта от ее внедрения.

Учитывая экономические интересы разработчиков и потребителей новой техники, договорная цена на новую научно-техническую продукцию должна располагаться между нижним и верхним ее пределами.

ЦН < ЦД < ЦВ , (1)

где ЦН - нижний предел цены, учитывающий собственные расходы, услуги сторонних организаций и нормативную (или минимальную) прибыль;

ЦВ - верхний предел цены.

Величина ЦД и ее положение в интервале зависит от долей экономического эффекта, принадлежащих создателям и потребителям новой техники.

Нижний предел цены определяется по укрупненной калькуляции затрат и стоимости работ при создании единицы изделия.

Для определения верхнего предела цены необходимо определить хозрасчетный эффект предприятия-потребителя ЭХ за весь расчетный период эксплуатации ТЭ путем сравнения затрат при новом и заменяемом оборудовании, например, по следующей формуле:

, (2)

где:

ИТ - экономия издержек производства (без отчислений на реновацию) за период ТЭ;

ПК - прирост прибыли за счет улучшения качества продукции;

ЭСП - экономия на смежных процессах;

ЛТ - ликвидационные суммы, полученные от реализации замененного оборудования по его остаточной стоимости;

КТ - капитальные затраты по балансовой стоимости на приобретение нового оборудования с учетом транспортно-заготовительных расходов;

КТ доп - дополнительные единовременные затраты, связанные с внедрением новой техники.

Верхний предел цены нового оборудования определяется из (4.2) путем приравнивания ЭХ к нулю.

Поскольку КТ = ЦВ КТР , где КТР - коэффициент транспортно-заготовительных расходов, то

. (3)

Следует отметить, что количество, состав и величина слагаемых в числителе приведенного выражения зависят от конкретных условий предприятия, типа внедряемой техники и источников экономической эффективности, принятых во внимание при расчете.

Договорная цена определяется по формуле:

, (4)

где - общая доля эффекта организаций разработчиков и предприятия-изготовителя.

Распределяемый экономический эффект на единицу оборудования в расчете на один год эксплуатации определяется согласно формуле:

. (5)

В качестве примера рассмотрим типичную ситуацию - приобретение промышленным предприятием новой техники для замены устаревшей, морально или физически изношенной, и проведем расчет верхнего предела цены и договорной цены.

Необходимо определить верхний предел цены комплекса и договорную цену при условии, что его стоимость на заводе-изготовителе с учетом планового уровня рентабельности составляет ЦН = 4,5 млн. грн., а доля экономического эффекта разработчика и изготовителя составляет б = 50%.

На первом этапе расчета следует определить источники экономической эффективности, которые необходимо принять во внимание.

В данном случае это:

увеличение объема выпускаемой продукции;

повышение качества выпускаемой продукции;

экономия на смежных процессах;

экономия издержек производства (затраты на ремонт и электроэнергию).

Далее необходимо произвести расчет экономического эффекта за весь срок службы оборудования по каждому из указанных источников.

Литература

Стехин А.П. Основы конструирования, моделирования и проектирования систем управления производственными процессами: Учеб. пособие. - Донецк: ДонГАУ, 2008.

Лукас В.А. Основы теории автоматического управления. -М.: “Недра”, 1977.

Основы теории оптимального управления: Учеб. Пособие для эконом. вузов/ В.Ф.Кротов, Б.А. Лагоша, С.М.Лобанов и др.; Под ред.В.Ф. Кротова.- М.: Высш. Шк., 2008.

Иванилов Ю.П., Лотов А.В. Математические модели в экономике.- М.: “Наука”, 2007