Опыт разработки проектов АСУТП в среде E³.CADdy

Сергей Пащенко, Виктор Константинов, Сергей Селиванов

Выбор САПР для электротехники

Технология проектирования в E³.CADdy

Первые результаты и перспективы

Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) — всемирно известный исследовательский центр. Фундаментальные исследования здесь интегрированы с прикладными разработками и университетским образованием. В составе ОИЯИ — семь крупных лабораторий, каждая из которых по масштабам и объему проводимых исследований сопоставима с большим институтом.

Мы работаем в Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) имени Г.Н.Флерова, где имеются четыре ускорителя тяжелых ионов и один ускоритель электронов, позволяющие проводить различные физические эксперименты (в частности, поиск сверхтяжелых элементов). С целью дальнейшего успешного развития лаборатории было решено использовать ее возможности по разработке и изготовлению ускорителей для потенциальных заказчиков на рынке высокотехнологичной продукции.

Основным направлением деятельности нашей группы разработки и эксплуатации АСУ ускорителей (состоящей из 20 сотрудников, включая 5 программистов, 10 инженеров и 3 монтажников) является разработка проектов систем управления ускорителей, в том числе создание полного набора конструкторской документации. Производство систем управления проводится собственными силами с привлечением смежных организаций.

Типичная технологическая схема выполнения работ — разработка технических решений, подбор оборудования, собственно проектирование, получение необходимой проектной документации и оформление проекта, монтаж и отладка проектируемой системы, ввод системы в опытную эксплуатацию, а затем — ввод в промышленную эксплуатацию и, при необходимости, — ее сопровождение.

Для обеспечения управления и диагностики оборудования систем ускорителя мы применяем промышленные контроллеры SMARTBOX серий 4, 5 и 6, главным преимуществом которых является одноплатная структура (рис. 1), позволяющая осуществлять горячую замену при круглосуточно работающем оборудовании. Контроллер был разработан и изготавливается в нашем институте, он хорошо зарекомендовал себя в ускорительных комплексах.

Управляющий компьютер и модули SMARTBOX объединяются в сеть на базе высокоскоростного промышленного стандарта последовательной связи EIA RS-485. Для обмена данными используется протокол ProfiBus-LNR, обеспечивающий более быстрый обмен сообщениями (LNR — аббревиатура английского названия нашей лаборатории). Программное обеспечение для SMARTBOX, драйверы для LabView и BITCONTROL (операционная система QNX), также разработаны в нашей лаборатории.

Система управления ускорителей не является типовой, и каждый новый проект требует разработки не менее 10 оригинальных шкафов. Вся АСУ разбивается на самостоятельные подсистемы (вакуумную, диагностики пучков тяжелых ионов, электропитания магнитных элементов, высокочастотного питания ускорителя, водяного охлаждения ускорителя), состоящие из нескольких шкафов, причем каждый шкаф выполняет свои конкретные функции.

Дальнейшая разработка ведется по каждому конкретному шкафу. Отладка аппаратуры управления происходит на стендах, где проводится технологическая проверка отдельных элементов ускорителя. Пусконаладочные работы системы АСУ выполняются при вводе ускорителя в эксплуатацию. В качестве программного обеспечения используется операционная система QNX и система сбора и управления данными SCADA BITCONTROL. Тестирование программного обеспечения выполняется на стадии отладки созданного оборудования, а также в процессе пусконаладочных работ и при вводе ускорителя в эксплуатацию.

Очевидно, что быстро выполнять подобные сложные проекты можно только с помощью современных средств проектирования.

Кроме того, одной из сфер нашей деятельности является поставка оборудования как европейским, так и азиатским фирмам-клиентам, что сегодня невозможно без легального использования САПР. Вот почему руководством было принято решение о переходе на мощную современную систему разработки проектов.

Выбор САПР для электротехники

Одним из важнейших наших партнеров и поставщиков электронного оборудования является словацкое предприятие EVPU-Nova Dubnica, для которого мы выдаем технические требования, учитывающие заложенное в контроллеры SMARTBOX программное обеспечение, интерфейс пользователя и т.д. Таким образом, у нас используется единый протокол для всей системы управления ускорителем.

Приезжая к ним принимать продукцию, мы, естественно, интересовались, как организовано их производство и какие программные продукты они используют. Оказалось, что Словакия, как и остальная Европа, широко использует САПР для электротехники (в то время они, например, работали на EPLAN).

До закупки E³.CADdy мы пытались приложить к разработке электротехнических проектов пакет Protel-99SE, который используется нами для разработки электронных блоков (электрические схемы и разводка печатных плат). Однако трассировку проводов и кабелей в шкафах и панелях при этом приходилось выполнять вручную, что было слишком трудоемким процессом. Наши словацкие партнеры из EVPU были первыми, кто указал на принципиальную неправильность подобной технологии проектирования и побудил к скорейшей ее перестройке.

Мы провели соответствующий анализ рынка САПР и подробно познакомились с четырьмя реально используемыми в Европе продуктами — системами EPLAN, ELCAD, WSCAD и E³.CADdy. Изучили описания и отзывы в Интернете, поработали с демо-версиями и пр. Где-то не устраивал интерфейс, еще не выросший из DOS-овских «штанишек», где-то — отсутствие русификации или другие неудобства.

В результате мы остановились на системе E³.CADdy и приобрели три лицензии (E³.Cable, E³.Schematic и E³.Panel). Сегодня на трех рабочих местах E³.CADdy наши специалисты работают иногда и в две смены, а последние проекты выполняются только с использованием этой САПР (как, например, ускорительный комплекс DC-60 с системой управления для Казахстана, срок поставки которого заказчику — 2006 год).

Система E³.CADdy привлекла нас прежде всего полной русификацией, а также наличием некоторых крайне полезных для нас функциональных возможностей: автоматической трассировки проводов внутри шкафа, эффективной реализацией двусторонней связи в реальном времени между принципиальной схемой и сборочным чертежом и т.д.

Наряду с дружественным Windows-интерфейсом и «заточенностью» E³.CADdy для выполнения именно проектов АСУТП и электротехники, на нас произвело очень благоприятное впечатление соответствие выходной документации нормам ЕСКД и возможность быстрой разработки собственных шаблонов документов с помощью написания скриптов, удобные средства пополнения и редактирования баз данных, а главное — мощный функционал для разводки соединений внутри шкафа, чем не могут похвастать другие САПР.

Осенью прошлого года мы прошли обучение, а с декабря проектируем в E³.CADdy. Трудности перехода на новую САПР проявились при разработке первого же проекта. Во-первых, пришлось преодолеть психологические проблемы. После длительной работы в схемотехническом пакете Protel для перехода к другой логике работы — электротехнического проектирования — потребовалась некоторая перестройка мышления. Во-вторых, пришлось существенно дополнять базы данных вследствие уникальности наших проектов, изменять шаблоны ЕСКД документов под наши институтские стандарты и пр. В-третьих, для нас, как для научной лаборатории, существенным минусом оказался недостаток практического опыта разработки полного комплекта документации на электротехнический проект. Поэтому необходимость некоторых доработок стала понятна только после формирования итоговых отчетов по проекту. Однако уже сегодня, после дополнения баз данных, написания необходимых скриптов и другого совершенствования инструментов проектирования системы E³.CADdy под наши конкретные условия, разработка нового проекта ускорителя представляется нам привычным и легким делом.

Технология проектирования в E³.CADdy

Приведем последовательные этапы выполнения комплекса работ по типичному контракту:

• разработка принципиальной схемы шкафа аппаратуры управления (рис. 2 и 3) выполняется с помощью модуля редактора схем E 3 .Schematic программного пакета E 3 .CADdy ;

• компоновка шкафа (рис. 4), в ходе которой выполняется размещение клемм, реле, источников питания и другого оборудования на DIN-рейках. Для размещения оборудования применяем шкафы TS8 38U (габаритные размеры шкафа 600Ѕ1800Ѕ800 мм). На шкаф слева или справа устанавливается дополнительный отсек глубиной 200 мм с боковой дверью. Это позволяет комфортно разместить до семи DIN-реек и обеспечивает хороший доступ к аппаратуре как при монтаже, так и при эксплуатации шкафа. Внутри шкафа размещаются короба, которые формируют две виртуальные плоскости для прокладки проводов и кабелей. Сформированные плоскости коробов позволяют выполнять монтаж оборудования на разной глубине шкафа. Для монтажа шкафа широко используются кабели с числом жил от 2 до 36, что упрощает монтаж и сокращает количество возможных ошибок. Со стороны задней двери обеспечивается доступ к остальному оборудованию шкафа и к разъемам панелей, к которым подключаются устройства систем ускорителя.

Для вывода результатов трассировки проводов и жил кабелей был доработан скрипт перечня проводов из компоновки, чтобы в отчет включались и жилы кабелей, а также подсчитывались длины кабелей. Результаты выводятся в формате Excel. Для вывода спецификации и перечня элементов в формате А4 также были доработаны соответствующие скрипты (рис. 5).

Компоновка шкафа выполняется редактором чертежей E³.Panel. Определяется оптимальный вариант размещения оборудования в шкафу. Выбранный вариант компоновки используется для автоматической трассировки цепей (рис. 6).

Поскольку в системах управления ускорителями мы используем ПЛК SMARTBOX, содержащий на одной плате (в одном корпусе) цифровые входы и выходы, аналоговые входы и выходы, а также линии связи, то подобное изделие, содержащее более ста элементов, нужно было суметь правильно отобразить в базе данных и корректно использовать. Пришлось помучиться, но зато после описания модели SMARTBOX в базе данных остальные используемые модули (например, первичного преобразования токов) описывать было уже просто.

Таблицу проводов и жил кабелей для выполнения монтажа шкафа мы получаем после фильтрации данных исходной таблицы в формате Excel и последующей сортировки отфильтрованной информации. При этом фильтрация проводилась по одному из критериев для столбцов таблицы «Откуда» и «Куда», а в качестве критерия для фильтрации выбирался конкретный элемент или элементы устройства (DIN-рейка, панель разъемов и т.д.).

Теперь еще несколько слов о наших доработках в выдаче документации. Когда нами были получены стандартные таблицы проводов для проекта, то оказалось, что очень многие провода имеют один и тот же адрес «откуда» или «куда». Иными словами, не было указаний для монтажника, как он должен провести тот или иной провод (по коробу сверху DIN-рейки или снизу рейки, а ведь это разная длина провода!). Чтобы не переделывать проект, мы добавили к существующим номерам выводов клеммы еще один атрибут, соответствующий положению точки подключения относительно оси DIN-рейки: выше оси — литера «T» ( от англ. Top — верх) или ниже — литера «B» (Bottom — низ).

Таким образом, в символе клеммы на принципиальной схеме указываются не две, а четыре точки подключения: точки сверху и снизу символа клеммы на схеме соответствуют точке подключения перемычки, а точки слева и справа от символа указывают на положение точки подключения относительно оси DIN-рейки (соответственно Bottom и Top). Теперь каждая реальная точка подключения провода к клемме в шкафу может быть легко идентифицирована монтажником, поскольку с помощью скрипта вывода в таблице распечатываются все нужные атрибуты (рис. 7): например, DIN-рейка 2-я, клемма 15-я, вывод 1-й, символ B (то есть снизу DIN-рейки).

Кроме того, в этой же строке атрибутов с помощью доработанного скрипта распечатывается важная для монтажника информация о том, один или два провода подходят к этому контакту клеммы. Это важно потому, что монтажник должен обжать оба провода вместе, если они подходят к одному контакту, а по информации в строке обычной таблицы нельзя понять, сколько проводов подключается к данному контакту. Знак диез (то есть #) указывает монтажнику, что к контакту подходят два провода, и это заставляет его найти второй провод, указанный в таблице, и обжать их вместе.

Окончательная проверка созданной базы данных проходила на этапе трассировки и на основе полученных результатов в таблицах для выполнения последующего монтажа шкафа (рис. 8). Так приходило понимание того, что именно нам требуется от элементов. Пришлось дорабатывать базу данных, причем клеммы оказались самыми сложными элементами.

Поскольку все внутренние соединения в шкафу мы выводим до панели разъемов, еще одна из наших проблем была решена, когда в библиотеке элементов E³.CADdy 2004 появились разъемы с указанием модели.

Упомянем еще одну привлекательную возможность использования E³.CADdy. Это экспорт разработанных проектов в формате PDF (рис. 9) с сохранением таких актуальных возможностей для просмотра чертежей, как переходы по гиперссылкам между листами и др.

Первые результаты и перспективы

Сегодня мы предлагаем своим заказчикам весь комплекс услуг, начиная с составления Технического задания, разработки и согласования проекта и заканчивая производством испытаний и поставкой готовой аппаратуры, а также полного комплекта проектной и эксплуатационной документации, включая сервисное оборудование для контроля всех блоков (например, для контроллеров — схемы, программное обеспечение, а также специальные промышленные тестеры, позволяющие заниматься ремонтом и восстановлением). Естественно, по требованию заказчика мы также обеспечиваем сопровождение работы установки.

Соответственно, сейчас наша лаборатория отвечает за реализацию шести проектов ускорительных комплексов, три из которых разрабатывались для внутренних нужд ОИЯИ (аппаратура управления для ускорителей У-400, МЦ-400 и ИЦ-100). Что касается внешних проектов, то в настоящее время уже готовится к отправке ускоритель DC-72 с системой управления АСУ для Словацкой республики. Подписан контракт и ожидается начало финансирования разработки и производства системы управления ускорителя для Сербии и Черногории, причем заказчик специально интересовался тем, какую САПР мы используем, и был удовлетворен, выяснив, что разработка будет проведена в E³.CADdy.

Для нас важно, что использование таких систем, как E³.CADdy и Protel, позволяет поддерживать подобный развивающийся архив. Кроме того, в будущем мы ожидаем существенного ускорения разработки проектов, поскольку добиваемся унификации оборудования некоторых систем (например, вакуумного оборудования). При этом постоянно идет модернизация уже выполненных нами проектов (например, казахстанского ускорителя в Астане).

Вообще говоря, мы занимаемся промышленной автоматизацией не только ускорителей, но и любых других сложных установок, требующих сверхнадежной работы в условиях управления многими тысячами параметров в реальном времени. Это могут быть металлургические и нефтеперерабатывающие производства, системы транспортировки газа и нефти и т.п.

Переговоры о новых контрактах, ведущиеся в настоящее время, подтверждают, что, используя современную САПР и схемотехнический пакет Protel, а также промышленную SCADA-систему BITCONTROL и операционную систему реального времени QNX, наша Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н.Флерова смогла занять определенную — и мало кому доступную — нишу на рынке спроса и предложения АСУТП. Фактически, сегодня мы предлагаем заказчикам уникальный набор услуг.

«САПР и графика» 6'2005