Опыт проектирования АСУТП в системе E³.CADdy

Юрий Николаев, Виктор Перепелов

Особенности технологии проектирования

Новые возможности компоновки

ООО «Металлтехпром» представлено на российском рынке электротехнической продукции более восьми лет. За это время заказчиками московской инжиниринговой фирмы стали крупнейшие нефтедобывающие компании, государственные структуры, строительные и частные фирмы. Фирма является сертифицированным системным интегратором SIEMENS и ABB по направлениям АСУТП, а также силового и низковольтного оборудования.
Около года назад в компании был образован департамент автоматизации, где разработка проектов АСУТП выполняется в системе E³.CADdy. Таким образом были реализованы планы по организации структуры, осуществляющей замкнутый цикл работ — от оформления заказов до сдачи готовых изделий и систем в эксплуатацию (включая проектирование, программирование, изготовление и монтаж, пусконаладочные работы и сопровождение).

В первые годы после своего создания фирма «Металлтехпром» занималась прежде всего продажей кабельной продукции и производством компонентов для изготовления кабелей, но затем появилось направление разработки, сборки и установки низковольтной аппаратуры (ниже 6 кA) — распределительных шкафов и систем распределения энергоснабжения в целом.

При этом «Металлтехпром» ориентировался в основном на комплектующие концерна ABB, признанного лидера по производству низковольтного оборудования. Высокое качество электрощитового оборудования, производимого ООО «Металлтехпром», позволило завоевать авторитет у таких заказчиков, как архитектурно-строительная фирма «ДОН-строй», ЛУКойл, ТНК, МТС. Дополнительно к этому компания реализует проекты интеллектуальных зданий на основе EIB (Европейская инсталляционная шина). Фирма имеет соответствующие сертификаты и на сборку таких устройств, и на применение EIB.

После образования департамента автоматизации у фирмы появились серьезные заказы на разработку АСУ технологических процессов, и сейчас в «Металлтехпроме» проектируется уже третья подобная система. Одна из них (АСУТП для расфасовочной линии продуктов питания) уже сдана заказчику — компании «Истра-нутриция», а другая — для системы приемки молока — находится в стадии внедрения.

Сейчас «Металлтехпром» заканчивает проект АСУТП стекловаренной печи № 2 для стекольного завода в Кингисеппе фирмы «Веда-ПАК», закупившего за рубежом линию по изготовлению стеклотары (полный цикл — начиная от формирования шихты, ее подготовки и загрузки, и заканчивая тремя ручьями выпуска готовых бутылок разных видов). Ранее спроектированная нами и уже установленная АСУТП первой печи (см. статью в «САПР и графика» № 4’2001) успешно эксплуатируется с декабря прошлого года. И если АСУТП первой очереди была выполнена еще в «классической» CADdy–Электротехника 16.0, то все разработки по новой системе управления мы провели уже в E³.CADdy.

Кроме задач по автоматизации технологического процесса (управление тепловым режимом, и контрольные функции) в проекте для завода в Кингисеппе следует оптимизировать процессы сжигания в печи, связанные с регулированием концентрации вредных выбросов окислов азота. Другая важная задача — визуализация процессов плавления: на выходе из печи будет стоять телекамера, ориентированная в сторону загрузки и позволяющая не просто наблюдать поступление шихты из бункеров, но и контролировать процесс, чтобы подаваемая смесь не превышала заданные границы (иначе будет брак в стекле). Здесь реализуются варианты оптического распознавания образов с выдачей управляющих команд. Естественно, при этом будет использован определенный алгоритм повышения и понижения темпа загрузки.

Задачу создания в E³.CADdy системы управления для печи второй очереди мы выполняем под ключ — от проектирования до пусконаладочных работ, и пуск системы планируется осуществить в нынешнем году. Работа очень хорошо подготовлена: теперь мы будем сдавать шкафы как готовые изделия (с паспортами на них, с протоколами испытаний и т.д.). Сейчас проходит этап стендовых испытаний оборудования без периферийных датчиков, и мы готовимся к полигонным испытаниям и к пусконаладочным работам (совместно с фирмой СМС, разработчиком программного обеспечения верхнего уровня АСУТП).

САПР E³.CADdy включает широкий набор развитых средств разработки электротехнического проекта, из которых мы приобрели модули E³.CADdy.schematic (Схема) и E³.CADdy.panel (Компоновка), позволяющие нашему департаменту решать все поставленные задачи. Как и в случае «классической» системы CADdy–Электротехника, локализация E³.CADdy, выполненная компанией «ПОИНТ», заключалась не только в дополнении баз данных отечественными приборами, аппаратами, кабелями и другими элементами схемы, но и в разработке механизмов создания и подготовке шаблонов документации согласно российским стандартам. Сегодня стандартный комплект документации по проекту выпускается в полном соответствии с нашими требованиями. В частности, необходимые таблицы, спецификации, перечни могут быть выведены как в форматах приложений MS Office, так и в виде готового для печати листа чертежа E³.CADdy с необходимой форматкой.

Поскольку организация базы данных и принципы проектирования в E³.CADdy принципиально отличаются от «классической» CADdy, продемонстрируем наш новый опыт разработки проектов на примере указанной АСУТП. При этом мы постараемся выделить как типичные приемы проектирования, так и существенные преимущества E³.CADdy.

Особенности технологии проектирования

Рассмотрим структурную схему базы данных E³.CADdy (рис. 1). Единая база данных проекта формируется из базы данных изделий (рис. 2) и представлена проектировщику в виде связанных между собой в режиме реального времени принципиальных схем, чертежей компоновки и таблицы подключений. При этом для проектировщика очень удобна работа с несколькими базами данных, а также переключение между ними. Поскольку каждый проект представляет собой единый файл, это удобно для его переноса, архивирования и пр. Кроме того, в проект E³.CADdy при желании можно добавлять внешние документы (паспорта на изделия, протоколы испытаний, пояснительные записки, фотографии и пр.) в виде отдельных файлов.

Интерфейс E³.CADdy включает окно иерархической структуры проекта, содержащее всю необходимую информацию, структурированную так, чтобы проектировщику было удобно работать с любым разделом. Каждому изделию в проекте соответствуют его графическое схемное изображение, текстовое описание и образ для компоновки. И если схемная часть включает атрибуты, характерные для всех САПР, то компоновочная часть изделия в E³.CADdy принципиально отличает эту САПР от других. В дополнение к внешнему виду изделий здесь описаны такие детализированные параметры, как габаритные размеры и запретные зоны, учитывающие характер теплового рассеяния, особенности крепежа и пр. (рис. 3). Кроме того, можно описывать области крепления (например, дополнительных контактов к реле), ограничения на монтаж проводов и кабелей к выводам изделий (максимальное число жил кабеля и проводов, интервалы допустимых сечений, суммарные максимальные сечения и тип соединения).

Связь между различными разделами проекта осуществляется через функциональное ядро единой базы данных проекта. Все принципиальные схемы, чертежи компоновки и таблицы подключений фактически являются лишь различными представлениями одной и той же информации, содержащейся в базе данных проекта E³.CADdy (рис. 4). Поэтому все изменения, производимые проектировщиком в одном разделе проекта, мгновенно автоматически отображаются в остальных разделах этого проекта.

Для нас важно также и то, что система позволяет вызывать элементы из базы данных не по схемному образу, а по конкретному наименованию, совпадающему, как правило, с каталожным номером изделия у фирмы-изготовителя.

При проектировании в разделе принципиальных схем в E³.CADdy используется удобный графический редактор. Впоследствии, при автоматизированной генерации комплекта документации на проект, мы выпускаем принципиальные схемы и схемы компоновки в формате A3, а таблицы — в формате A4. Принципиальная схема формируется путем вызова на схему изделий из базы данных с использованием таких функциональных возможностей, как режим «резиновых нитей», автоматическое динамическое удлинение ортогональных отрезков соединений при произвольном перемещении схемного образа изделия и т.д. Указанные функции редактора принципиальных схем более характерны для САПР, используемых при проектировании печатных плат, но в E³.CADdy они используются и при разработке электротехнического проекта.

Поисковая система E³.CADdy позволяет находить любой элемент проекта во всех его разделах (рис. 5). В частности, она работает и в направлении от выходных документов к остальным разделам проекта — к принципиальным схемам, чертежам компоновки, таблицам подключений. Кроме того, поисковая система выполняет поиск не только изделий по любым их атрибутам, но и прочих элементов проекта: сигналов, надписей, графических символов и т.д.

При задании связей между элементами E³.CADdy–Схема самостоятельно нумерует все получаемые цепи. Проектировщик может дополнительно задавать и изменять правила наименования цепей, так что в результате получается таблица цепей как совокупность логических связей между выводами. Каждой цепи, реализуемой впоследствии в виде отдельного провода, можно назначить в виде атрибутов марку того провода, которым предполагается вести монтаж. При создании принципиальной схемы можно сформировать витые пары, экраны и т.д. Данные о проводах, составляющих витую пару или экран, отображаются в структуре проекта и позволяют получить необходимые конструкторские документы.

По принципиальной схеме автоматически составляются необходимые перечни элементов, таблица соединений, таблица кабелей и отдельно таблица жгутов, которая содержит список проводов этого жгута. Включенный в E³.CADdy язык программирования Visual Basic позволяет формировать выходные документы требуемой структуры. Результаты расчетов выводятся как на лист схемы либо на отдельный лист, так и в ASCII-файл или приложения MS Office. Связь c офисными приложениями является двусторонней: изменения в таблице цепей или перечне элементов, внесенные, например, в рамках Excel, автоматически отразятся в структуре проекта, в принципиальной схеме и т.д.

Новые возможности компоновки

Поскольку изделие в базе данных описано и схемным, и «конструктивным» символом, при создании принципиальной схемы автоматически создается и чертеж компоновки, где связи схемных элементов превращаются в «резиновые нити», соединяющие конструктивные элементы. Модуль E³.CADdy–Компоновка благодаря высотным отметкам (изделий, выводов и др.) фактически использует не плоскую поверхность компоновки, а трехмерное пространство. Благодаря возможности работы со всеми монтажными плоскостями (включая лицевую и заднюю панель, боковые стенки и дверцу) для компоновки достаточно вызвать подходящий шкаф из базы данных и на его развертке выполнить компоновочный чертеж. При этом в дереве проекта формируются разделы «Неразмещенные изделия» и «Размещенные изделия», а в процессе компоновки изделия переходят из одного раздела в другой.

При компоновке шкафов (а также щитов, пультов и панелей) очень полезным является механизм представлений цепей в виде логических связей внутри шкафов и между шкафами (рис. 6). Это позволяет разработчику проекта оценить характер соединений и впоследствии оформить внешние соединения в виде кабелей, а внутренние — в виде проводов. При раскладке проводов внутри шкафа можно использовать режим автоматической трассировки с минимизацией их суммарной длины, а также выбрать ручной или комбинированный режим раскладки (когда некоторая часть проводов прокладывается вручную, а остальные — автоматически. Как видно из представленного на рис. 6 фрагмента принципиальной схемы, механизм ссылок системы E³.CADdy информирует об ответной части цепи и обеспечивает мгновенный переход по ссылкам.

Появилась и новая возможность — уже после выполнения компоновки можно перенумеровать клеммы так, как они фактически расположены на рейках в шкафу (см. рис. 3). Это упрощает и ускоряет монтаж, делая его более наглядным. Раньше, при работе в CADdy–Электротехника, в технологической цепочке имелся разрыв, связанный с передачей документации на завод, что требовало от нас постоянно отслеживать процесс монтажа. Сейчас E³.CADdy позволяет нам приблизиться к самой современной технологии разработки и сборки сложных изделий.

В процессе компоновки проектировщик вызывает из базы данных монтажные рейки, длину которых можно динамически менять, причем система затем подсчитает длину этих реек. Аналогично вызываются из базы данных и размещаются на чертеже компоновки типовые короба. При попытке разместить на чертеже изделие или группу изделий на заданном расстоянии одно от другого, E³.CADdy–Компоновка отслеживает расположение изделий в пределах указанных в базе данных зон допуска и подсвечивает рейки, на которых возможна такая установка. При перемещении изделия с одной монтажной рейки на другую все связанные с ним «резиновые нити» автоматически переключаются до близлежащих проводов (за исключением тех проводов, для которых предварительно был задан фиксированный порядок монтажа между выводами). При размещении клеммных колодок система автоматически учитывает дополнительные элементы (например, боковые фиксаторы).

Если изделие представляет собой реле, на которое устанавливаются дополнительные контакты, то при описании данного реле можно задать атрибуты места подключения этих контактов (в том числе высотные отметки), а система корректно вычислит требуемую сумму высотных отметок самих дополнительных контактов и их места подключения. Кроме того, каждому изделию в базе данных назначается атрибут, содержащий информацию о конкретном размере монтажной рейки, на которой оно крепится. Впоследствии, в процессе компоновки и трассировки шкафов, E³.CADdy контролирует вышеуказанные параметры, что позволяет правильно рассчитывать физические длины проводов.

При трассировке проводов в шкафу система позволяет прокладывать провод или группу проводов вручную (например, в случае отдельных важных цепей) или с использованием функций автотрассировки, причем принимаются во внимание не только высотные отметки выводов, но и степень заполнения коробов. E³.CADdy–Компоновка автоматически учитывает внешние габариты проводов, а также рассчитывает заполнение короба при изгибе проводов (например, при переходе от горизонтального короба к вертикальному.

При попытке проложить провод, не помещающийся в короб при заданном предельном уровне его заполнения, система трассирует его по другому пути. Если назначить для конкретного вывода провод недопустимого сечения, то E³.CADdy не позволит его трассировать и немедленно выдаст сообщение об ошибке в окне протокола работы. После того как трассировка закончена, проектировщик получает данные о длине каждого провода, причем автоматически формируются таблица проводов с их длинами и отдельная таблица для каждого короба с описанием всех проложенных в нем проводов.

При использовании системы проверки создаваемого проекта на отсутствие ошибок (рис. 7) можно задать разные опции проверки в отношении корректности параметров цепей, линий соединений, ссылок, символов и пр. В зависимости от указанных настроек E³.CADdy выдает различные предупреждающие сообщения и сообщения об ошибках.

Автоматическая генерация таблицы подключений основана на использовании единой базы данных проекта (рис. 8), которая может быть оформлена как в табличном виде, так и в виде схематического изображения клеммной колодки. Настройка конкретного вида таблицы подключений осуществляется проектировщиком в соответствии с принятыми в данной организации шаблонами оформления документации. В представленном на рисунке случае выводится информация о номере клеммы, о названии цепи и о подключаемых изделиях внутри и снаружи шкафа, причем система автоматически выполняет графическое отображение перемычек между клеммами. К тому же E³.CADdy поддерживает работу с многорядными клеммами.

Для безошибочного выполнения физического монтажа E³.CADdy включает специальный интерфейс со многими программными системами автоматической нарезки провода с заделкой и обработкой их концов на станках с ЧПУ. При описании каждого вывода в базе данных изделий, кроме информации о высотной отметке вывода и сечении провода, указывается еще и способ, которым монтируется провод (скрутка, зажим, под шлиц и пр.). Эта информация используется в E³.CADdy для экспорта необходимых данных для станков-автоматов нарезки провода. Для этих станков выдаются также данные о маркировке концов провода, о специальных бирках и наклейках, а также файлы с информацией о надписях на проводах.

Автоматическая генерация комплекта выходной документации позволяет получить для разработанного проекта все необходимые перечни, таблицы, спецификации и ведомости покупных изделий (рис. 9). Встроенный API-интерфейс позволяет настроить систему выдачи документации под требования конкретной организации. Кроме того, проектировщик имеет возможность по своему желанию изменить иерархическую структуру представления проекта. В частности, можно включить опцию сортировки разделов проекта (включая разделы выходных документов) по таким параметрам, как устройство, место, позиционное обозначение, код изделия, тип чертежа и т.д.

Система E³.CADdy позволяет использовать технологию ActiveX (например, встраивать и сохранять в структуре своего проекта документы в форматах MS Office и других программных приложений, поддерживающих эту технологию). Это, в частности, обеспечивает автоматическую обработку базы данных проекта, представленной в табличном виде MS Excel. На рис. 10 приведен пример генерации таблицы соответствий между тэгами (переменными, идентифицирующими каналы передачи сигнальной информации) и изделиями в проекте, подключенными к каналам контроллера.

Прежде создание таблицы ввода-вывода (таблицы тэгов) было отдельной задачей проектировщика, поскольку «классическая» система CADdy не могла выполнять такие задачи. Сегодня таблица тэгов фактически не только определяет задание для начала проектирования и программирования, но и обеспечивает более удобное взаимодействие с уже внедренной АСУТП на этапе ее эксплуатации. Так, очень полезен поиск по именам тэгов, в которых зашифрованы назначение и параметры работы системы. Система E³.CADdy позволяет автоматически получать таблицы ввода-вывода в формате MS Excel по модулям контроллера.

E³.CADdy является Windows-приложением, что впоследствии даст нам возможность интегрировать данный продукт в систему визуализации, которая будет использоваться на заводе. Это позволит сотрудникам завода, отвечающим за автоматизацию технологических процессов, всегда иметь проект под рукой в процессе эксплуатации АСУТП — вызвать любой необходимый документ из проекта и работать с ним. Для этого нужная кнопка вызова проекта просто размещается на соответствующем кадре визуализации работы АСУТП (в системе SCADA).

В перспективе мы рассчитываем внедрить программное обеспечение E3 и в разработку низковольтной аппаратуры. В частности, для инженерной группы, отвечающей за это направление, в E³.CADdy был создан небольшой проект изделия «Аварийное включение резерва». При этом мы учитываем, что проекты низковольтных шкафов имеют свои особенности: там требуется 3D-компоновка и соблюдение очень высокой точности при переходе от слоя к слою с изгибом шин внутри шкафа.

В заключение отметим, что у «Металлтехпрома» сегодня нет кадровых проблем и достаточно хорошо организовано обучение молодых специалистов. Можно предположить, что ко времени постановки задачи ввода очередной, уже третьей, печи для фирмы «Веда-ПАК» у нас уже будет достаточно специалистов для выполнения полного цикла работ. Таким образом, «Металлтехпром» к настоящему моменту превратился в инжиниринговую электротехническую фирму, которая способна в полном объеме выполнять как задачи разработки АСУТП, так и последующие (чисто электротехнические) этапы реализации разработанных проектов.

«САПР и графика» 11'2003