Основные положения, приведенные ниже, изложены в [55, 61].

Сегодняшний рынок программных продуктов предлагает большой выбор программного обеспечения (ПО) для автоматизации процессов проектирования в разных прикладных областях. Системы автоматизированного проектирования (САПР) интегрируют в себе творческие усилия проектировщиков, возможности математических методов и вычислительные возможности ЭВМ. Основной эффект использования САПР - улучшение качества проектных работ и сокращения их сроков, поэтому разработчики САПР стараются охватить всю совокупность взаимосвязанных этапов проектирования.

При разработке такой сложной технической системы как электропривод (ЭП) инженерами-проектировщиками выполняются следующие виды работ:

сбор и обработка информации;

решение проектно-расчетных задач;

выбор элементов и реализация системы управления (СУ);

разработку чертежной документации;

монтаж электрооборудования и пусконаладочные работы.

Степень автоматизации этих работ различная. Например, для выполнения чертежных работ существуют специализированные CAD-системы (КОМПАС, SolidBox и др.).

Для выбора элементов построения технических систем, кроме традиционной справочной научно-технической литературы, существуют еще различные базы данных (БД). Например для проектирования силовой части управляемого преобразователя энергии можно использовать электронный справочник по силовым полупроводниковым приборам [_1], а для выбора электродвигателя по его паспортным данным - базу данных EngineBox [_2], в которой разработчиками предусмотрены определенные возможности интеграции с другими программными продуктами, или "Справочник по асинхронным АД" [_3]. В тайных скобках отметим, что с первыми двумя программами вы можете познакомиться, эксплуатируя разрабатываемую в рамках данного проекта САПР ЭП, а по третьему ПО - прочитать описание программы. В еще более тайных скобках заметим, что по сути в этих программах нет необходимости, потому что в нашей САПР используется собственная БД [15, можно еще заглянуть в раздел "База данных технической информации"] - и пусть в ней еще и не реализована полностью запланированная функциональность, но работать-то с ней можно!.. наверное....

Реализация системы управления в современных условиях заключается, как правило, в параметрировании комплектных ЭП и, возможно, в программировании микропроцессорных управляющих устройств. В этом случае фирмы-производители оборудования, как правило, разрабатывают программные средства для подобных работ. Также при разработке СУ возможен и более традиционный вариант - разработка платы управления. И в этом случае для расчета и разводки электронных плат также существует специализированное программное обеспечение (например, MicroCap, PCAD).

А вот сбор и обработка информации, а так же автоматизация проектно-расчетных задач плохо поддаются формализации. Практически единственной возможностью здесь является использование инструментальных средств предпроектного анализа, таких как, например, MathCAD или MatLab. На мой взгляд, это можно объяснить следующими причинами:

расчетные процедуры для автоматизированного проектирования электроприводов бывают как проблемно-ориентированные, так и объектно-ориентированные;

требуется специализированное оборудование (например, управляемый преобразователь энергии), разработка которого выходит за рамки задач проектирования ЭП, а для существующих вариантов промышленного оборудования, как правило, отсутствуют данные, необходимые для полноценного проектирования (хотя если говорить уж совсем честно, то проектирование управляемого преобразователя энергии может входить - и иногда входит! - в задачу проектирования электропривода, тем более что в современных микропроцессорных системах управления ЭП задачи управления процессом преобразования энергии и задачи собственно управления приводом конструктивно решаются одним элементом - микропроцессором);

проектирование осуществляется, как правило, в несколько итераций, опираясь во многом на эмпирически полученные зависимости;

процесс проектирования электроприводов осложняется многообразием механизмов, управляемых с помощью ЭП, наличием для однотипных механизмов различных методик расчета, отсутствием однозначных критериев для выбора подходящей методики.

Кстати сказать, нет определенности и в самих этапах проектирования электропривода. Например, в курсе "Основы электропривода" Н.Ф. Ильинского [_4], профессора МЭИ, выделены следующие этапы - формулировка задачи, анализ задачи, поиск возможных решений, выбор решения, детальная разработка выбранного технического решения. С этим невозможно не согласиться, но... тем не менее, подобная последовательность этапов подходит не только для ЭП, но и для проектирования практически любой технической (да и не только технической) системы. Желательно конкретное содержание... Хочется быть правильно понятым. Это не критика. Я очень хорошо понимаю, что в данной работе Ильинский дает только общий подход к процессу проектирования с точки зрения системного подхода - и он безусловно верен. Как инженер, имеющий некоторый опыт проектирования, с общих позиций я с такими этапами согласен. А вот как преподавателю мне придется тем не менее заставить студента наполнить эти этапы конкретным содержимым - и с этих позиций я бы использовал иной принцип разделения процесса проектирования ЭП на этапы. Но об этом позже...

Подобные по сути этапы проектирования ЭП предлагаются и в работе [_8]. Автор отмечает, что в общем виде для процесса проектирования электропривода принципиально нельзя указать жесткую последовательность операций, а так же оценить трудоемкость отдельных его этапов. Все это - (абсолютно справедливо, на мой взгляд!) - зависит от степени сложности задачи, квалификации разработчика (студента), возможности применения вычислительной техники и наличия математического и программного обеспечения. Однако, с точки зрения нормальной логики мышления общую последовательность этапов проектирования можно определить так, как показано на рис. 1.1.

В работе Водовозова В.М. [_5], представителя питерской школы привода, без конкретизации этапов приведен примерный алгоритм проектирования ЭП. Это, на мой взгляд, уже более приближено к реальной жизни. Работы этого автора применительно к тематике автоматизации процесса проектирования приводов важны и будут рассмотрены далее в разделе "Альтернативное программное обеспечение", там же будет приведен и предлагаемый алгоритм. Пока же, игнорируя свое собственное мнение как величины научно незначительной , сошлюсь на мнение коллег по работе, имеющих более существенный опыт (как теоретический, так и практический) проектирования ЭП. Так вот, обобщая услышанное и опуская подробности, получается, что использование предлагаемого алгоритма реально далеко не во всех случаях, а в отдельных - использование другого алглритма проектирования позволит получить более качественный результат в более короткие сроки. В принципе я с этим согласен, но Вы должны составить свое собственное мнение лично изучив работы Водовозова В.М., тем более, что для проектировщика электроприводов, работающего как правило в режиме недостатка нужной информации, там есть очень много интересного.

В зарубежной научно-технической литературе процесс проектирования электропривода ограничен синтезом механической части и заканчивается выбором электродвигателя [_6], оставляя в стороне такие важные вопросы, как синтез системы управления, оптимизацию динамических характеристик, расчет энергетических показателей. Естественно, что приведенная литература [_6] не может являться документом, выражающим все развитие зарубежного научно-технического прогресса в области проектирования ЭП, но мне не встречался материал, опровергающий приведенное утверждение. И тем не менее указанные вопросы зарубежных ученых интересуют, только занимаются ими люди, далекие как бы от привода. Попытаюсь пояснить... Но здесь я перехожу в область предположений и мнение свое основываю на рассказах коллег о том как у них (у буржуев ) реализуется обучение техническим специальностям. (Кстати сказать, очень рад был бы услышать или прочитать более точную информацию по этому вопросу)!.. Дело в том, что ТАМ нет специальности "электропривод". Вопросами проектирования приводов занимаются специалисты-электромеханики. Если же требуется "разобраться" с нехорошей динамикой, то привлекают специалистов по системам управления, для которых электропривод не более чем абстрактная математическая модель (имеющая как и любая модель много отличий от реального объекта) - и, по-моему, только самые мудрые из них подозревают, что например, в режимах торможения ЭД может работать принципиально не так, как в двигательном режиме... Вопросы же энергетики решаются специалистами-энергетиками, которые вообще считают привод активно-индуктивной нагрузкой. И только самые мудрые из них () решаются предположить, что ЭП является еще и источником помех, причиной местной "просадки" напряжения и ряда других эффектов. У нас тоже есть электромеханики, энергетики, специалисты по синтезу систем управления, но им-то никто не доверит проектировать ЭП, потому что для этого есть приводчики, способные справиться не только с указанными задачами, но и со многими другими! Вот!

...а все-таки самое странное в том, что их буржуйские комплектные привода работают лучше наших отечественных...

Надо ли отмечать в тайных скобках, что всю вышеперечисленную литературу, как и многие мегабайты другой полезной технической литературы, Вы можете найти в библиотеке САПР ЭП? А сколько еще литературы неразобранной, ценность которой для проектирования ЭП пока не определена, или просто не нашлось времени для ее интеграции... И Вы даже можете увеличить количество этой литературы, прислав ее лично мне (andr-romanov@narod.ru).

Подводя итог вышесказанному, заметим, что никакой определенности с этапами проектирования ЭП так и не возникло. Действительно - никто еще не придумал универсального алгоритма проектирования абсолютно любого электропривода. Может быть потому, что в общем виде это невозможно? Иногда я и сам так думаю... И тем не менее опять вернемся к формулировке профессора Н.Ф. Ильинского. Своим студентам я даю ее под запись и советую все свои дела делать именно согласно этим этапам. Это не гарантирует успех, но, на мой взгляд, увеличивает вероятность положительного результата.

Но тем не менее..., согласно общей теории САПР [2], процесс автоматизации проектирования с помощью ЭВМ реализуется в виде определенной последовательности формализованных этапов проектирования, проектных процедур и операций, как позано на рисунке 1.1.

Напомним основные определения.

Этап проектирования - часть процесса проектирования, включающая в себя формирование всех требуемых информационных описаний объекта.

Проектная процедура - составная часть этапа проектирования, выполнение которой заканчивается получением проектного решения.

Проектное решение - промежуточное или конечное описание объекта, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

Каждой проектной процедуре соответствует некоторая задача проектирования, решаемая в рамках данной процедуры. Проектная процедура состоит из элементарных проектных операции, имеет твердо установленный порядок их выполнения и направлена на достижение локальной цели в процессе проектирования.

Под проектной операцией понимают условно выделенную часть проектной процедуры, элементарное действие или совокупность действий, совершаемое конструктором в процессе проектирования. Как правило, проектная операция выполняется по алгоритму, остающемуся одинаковым для ряда проектных процедур.

Примерами проектных процедур могут служить процессы анализа кинематической схемы, определение по технологическому режиму обработки изделия нагрузочной диаграммы и тахограммы, а примерами проектных операций - определение эквивалентной мощности, выбор электродвигателя, решение какого-либо уравнения.

То есть получается, что невозможно обойтись без четкой, можно даже сказать детальной, формулировки этапов. И хотя несколькими абзацами ранее я убеждал Вас в том, что это невозможно, но тем не менее это придется сделать... Потому что приводчик всегда решает поставленную задачу, даже если решение невозможно. В этом его ценность как специалиста, а во всем остальном он ничем не лучше других. Впрочем, это мое личное мнение, пиар специальности и вообще к делу не относится. !

При постановке задачи формализации процесса проектирования ЭП целесообразно учесть ГОСТовское определение электропривода, которое звучит следующим образом.

Электродвигательная установка как объект проектирования является электромеханической системой или совокупностью механических и электромеханических устройств, объединенных общими силовыми электрическими цепями и (или) цепями управления, предназначенной для осуществления механического движения объекта [_7]. В электроприводе в единое целое объединяются три части: механическая часть, электрический двигатель и система управления (рисунок 1.2).

Механическая часть включает все движущиеся элементы механизма - ротор электродвигателя РД, передаточное устройство - редуктор Р, исполнительный механизм ИМ. В электродвигательное устройство входят: электромеханический преобразователь энергии ЭМП, преобразующий электрическую мощность в механическую, и ротор двигателя РД, на который воздействует электромагнитный момент Мэд двигателя при частоте вращения (угловой скорости) wэд . Система управления (СУ) включает в себя энергетическую часть ЭСУ и информационную часть ИСУ. На ИСУ поступают сигналы от задающих устройств ЗУ и датчиков обратной связи DOC, а также вырабатывается сигнал управления для энергетической подсистемы, которая, как правило, имеет в своем составе преобразователь электрической энергии.

Синтез и анализ такой системы, которая обеспечивает заданные технологическим режимом работы перемещения исполнительного органа и есть процесс проектирования электропривода.

А далее рассмотрим тот принцип разделения процесса проектирования ЭП на этапы, который принят для формирования структуры данной САПР. Согласно определению электродвигательной установки как совокупности механических и электромеханических устройств, объединенных общими силовыми электрическими цепями и (или) цепями управления, можно выделить в общем виде четыре этапа проектирования [3]:

проектирование в рамках подсистемы "Механика";

проектирование в рамках подсистемы "Энергетическая часть системы управления";

общий синтез информационной части системы управления, анализ динамических характеристик, при необходимости - оптимизация динамики;

определение энергетических характеристик системы.

Софт-компоненты САПР ЭП могут быть разработаны в виде специализированного прикладного ПО, ориентированного на решение какого-либо класса задач, или в виде стандартных пакетов прикладных программ, реализующих более широкую проблематику предметной области.

Вопросами разработки расчетных программ, автоматизирующих процесс проектирования электроприводов, в Воронежском государственном техническом университете на кафедре автоматики и информатики в технических системах занимались с 1982 года. Первый из вариантов структуры САПР электроприводов показан на рис. 1, место базы данных в системе автоматизированного проектирования показано на рис. 2.

Литература

_1. Шульгин О.А., Шульгина И.Б., Воробьев А.Б. Справочник по полупроводниковым приборам. Version 1.01. 1997.

_2. Кузнецов В.А. EngineBox - управление данными по электродвигателям. http://www.masmat.narod.ru/enginebox/index.html.

_3. Поносов А.В. Комплекс программ "Ремонт АД LD" - "Справочник АД 3.0". / ALPON studio. 2000 - 2008. http://www.alponatudio.perm.ru

_4. http://www.aep.mpei.ac.ru

_5. Водовозов В.М. Проектирование электропривода с использованием пакета eDrive: методические указания. / СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2006. 32 с.

_6. Практика приводной техники. Проектирование приводов. Издание 11/2001. 160 c. http://www.sew-eurodrive.com.

_7. ГОСТ 50369-92. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ. Термины и определения.

_8. Грузов В.Л. Автоматизированный электропривод. Проектирование объектно-ориентированных электроприводов. Методическое пособие по проектированию. Вологда: ВоГТУ. 2007. 133с.

обновление 03.09.2011