книги из ГПНТБ / Добролюбов, А. И. Автоматизация проектирования систем управления технологическими машинами

А. И. ДОБРОЛЮБОВ,. С. И. АКУНОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МАШИНАМИ

М о с к в а

«МАШИНОСТРОЕНИЕ:

1974

Д56 УДК 621.9.06—522/523.001

Ж

Добролюбов А. И., Акунович С. И. Автоматизация проектирования систем управления технологическими машинами. М., «Машиностроение», 1974, 224 с.

Автоматизация проектно-конструкторских работ с помощью ЭВМ в различных областях техники — это сложная проблема автоматизации инженерного тру­ да. Рост сложности автоматизированных машин и устройств, повышенные требования к оптимальности их структур, сжатые сроки и большая трудоемкость проектирования делают проблему автоматизации про­ ектирования особенно актуальной в машиностроении.

Книга .посвящена вопросам автоматизации конкрет­ ной области проектирования в машиностроении — автоматизации проектирования, анализа и вычерчи­ вания схем управления технологическими машина­ ми. Рассматриваются электрические и гидравличес­ кие релейно-контактные системы управления маши­ нами механико-технологического типа — металлооб­ рабатывающими станками, автоматическими линиями подъемно-транспортными машинами и т. п.

Большое внимание уделено процессам алгоритмиза­ ции (формализации) процесса проектирования, ана­ лиза и вычерчивания систем управления с последую­ щей реализацией полученных алгоритмов на универ­ сальных ЭВМ и соответствующих внешних устройст­ вах ЭВМ. В приложении приведены примеры авто­ матизированного синтеза, анализа и вычерчивания схем управления конкретных автоматизированных станков.

Книга рассчитана на инженеров, занимающихся проектированием электрических и гидравлических систем управления.

Табл. 50. Ил. 47. Список лит. 21 назв.

Рецензент лауреат Государственной премии

Э. И. МИНСКЕР

\

30501—604

Д 038(01)—74 59-73

© Издательство «Машиностроение», 1974 г.

Пр е д и с л о в и е

Вкниге приведены методы и практичес­ кий опыт автоматизации проектирования (синтеза), анализа и вычерчивания систем управления автоматизированного оборудо­ вания. Методы в подавляющем большинст­ ве случаев рассмотрены на примерах проек­ тирования и анализа схем управления авто­ матизированными станками. Главное вни­ мание при отборе материала авторы уделя­ ли практической направленности методов По методам, описанным в книге, получены практические результаты.

При написании книги авторы столкну­ лись с рядом трудностей, обусловленных спецификой излагаемого материала. Глав­ ная трудность заключалась в нахождении способов доступного и краткого описания методов, алгоритмов и программ автомати­ зированного проектирования, анализа и вы­ черчивания.

Изложение материала на упомянутых трех уровнях — методов, алгоритмов и про­ грамм — велось различными способами, яв­ ляющимися, по мнению авторов, наиболее эффективными в каждом конкретном случае.

Методы описываются обычным инженер­ ным языком с привлечением общематемати­ ческих символов и выражений и сопровож­ даются конкретными примерами.

3

ВВЕДЕНИЕ

Использование универсальных ЭВМ для автоматиза­ ции проектирования является актуальной проблемой сов­ ременной науки и техники.

Под проектированием в широком смысле слова пони­ маются процессы создания технической документации (проектов) различных технических объектов — машин, механизмов, приборов, разнообразных технических сис­ тем и устройств, технологических процессов.

Проектирование в настоящее время является наибо­ лее трудоемкой частью инженерной деятельности. Удель­ ный вес трудовых затрат на проектирование постоянно повышается, что вызывает рост численности проектиров­ щиков.

Быстрые темпы прогресса во всех областях техники и непрерывный рост сложности проектируемых объектов предъявляют к проектированию новые требования. Одной из основных задач является сокращение сроков проекти­ рования. Длительные сроки часто приводят к тому, что в процессе проектирования, изготовления и отладки новое изделие морально устаревает.

Важной задачей является получение высокого качест­ ва проектов. Понятие качества проекта включает в себя как содержание проекта — его новизну, научную обосно­ ванность, использование новейших технических средств, оптимальность решений, технологичность, так и его фор­ му— качество и полноту полученных документов, отсут­ ствие ошибок, простоту и ясность документации.

Внастоящее время ЭВМ, оснащенные соответствую­ щими внешними устройствами, могут успешно разрешить эти задачи проектирования.

Всилу своего быстродействия ЭВМ могут ускорить процессы проектирования в десятки и сотни раз по срав­ нению с обычными сроками, а природа алгоритмов и программ цифровых машин такова, что они обнаружива­ ют в большинстве случаев каждую, даже самую незна-

5

чительную ошибку в исходных данных, промежуточных и конечных результатах.

Однако для внедрения методов автоматизированного проектирования необходимо разрешить ряд коренных проблем проектирования, качественно отличных от тра­ диционных. Решение их требует больших трудовых зат­ рат, привлечения новых современных областей науки и форм организации проектирования.

Автоматизация проектирования включает в себя два основных этапа:

1)алгоритмизацию процессов проектирования;

2)программирование алгоритмов и отладку прог­

рамм на ЭВМ.

Оба эти этапа, как показывает опыт, являются чрез­ вычайно трудоемкими. Их трудоемкость, например для проектирования объектов машиностроения, колеблется от нескольких человеко-месяцев до нескольких человеколет.

Алгоритмизация процессов проектирования — это соз­ дание системы строгих правил и предписаний, точное вы­ полнение которых на ЭВМ обеспечивает выполнение за­ данного процесса проектирования и получение конечно­ го результата — проекта.

Процесс алгоритмизации проектирования в настоя­ щее время мало изучен как теоретически, так и практи­ чески. Разработчик алгоритмов должен быть специалис­ том высокой квалификации как в области «интуитивно­ го», «ручного» проектирования данного класса объектов, так и в области математики и вычислительной техники, программирования и алгоритмических языков. В необхо­ димости сочетания разнородных знаний — инженерных и математических — основная трудность на пути широ­ кого внедрения методов автоматизации проектирования.

Главным фактором ускорения программирования яв­ ляются алгоритмические языки. Алгоритмический язык является средством общения инженера и ЭВМ, он позво­ ляет сравнительно быстро запрограммировать и ввести з ЭВМ любую инженерную задачу и получить требуемый результат, быстро внести изменение в программу, на­ ладить обмен программами. Однако использование ал­ горитмических языков требует решения таких проблем, как разработка трансляторов, подготовка программистов высокой квалификации, высокого уровня организации ра­ боты вычислительного центра.

6

Отечественный и зарубежный опыт автоматизации инженерного труда и, в частности, проектирования пока­ зывает, что наибольшей эффективности в этой области можно добиться, объединяя в единый творческий про­ цесс разработку алгоритмов, их программирование и от­ ладку.

Из универсальных алгоритмических языков, получив ших наибольшее международное распространение, явля­ ются прежде всего АЛ ГОЛ-60 [2], ФОРТРАН-1 V, ПЛ-1 [7] и другие языки, построенные на их базе. АЛГОЛ имеет неоспоримые преимущества по сравнению с другими язы­ ками из-за богатства возможностей представления раз­ нообразных задач, легкости чтения человеком, возможно­ сти блочного построения программ и использования про­ цедур. Однако следует заметить, что реализация АЛГОЛа довольно сложна, трансляторы сравнительно громоздки, велико время трансляции и счета.

В этом отношении неоспоримые преимущества имеют специальные (проблемно-ориентированные) языки. При­ мером такого языка является ЛЯПАС [13]. Однако специ­ альные языки неприменимы в больших системах, объеди­ няющих разнородные задачи.

Автоматизация проектирования в настоящее время находится в стадии экспериментальных разработок и тео­ ретических поисков. Автоматизированы лишь отдельные этапы проектирования. Автоматизация процессов проек­ тирования в целом носит человеко-машинный характер. В ближайшие годы предстоит большая работа по соеди­ нению этих этапов в единую систему автоматизированно­ го проектирования и сведения к минимуму вмешательст­ ва человека в этот процесс.

В области проектирования цифровых вычислительных устройств автоматизированы лишь некоторые этапы про­ ектирования и анализа этих устройств [17], и актуальной задачей является соединение автоматизированных этапов в единую систему.

Необходимым условием успешного решения задач автоматизированного проектирования систем управления технологическими машинами является комплексное ис­ пользование формальных теоретических методов и пряктическсуо опыта проектирования. Работы по теории ре­ лейных устройств, выполненные советской школой, воз­ главляемой М. А. Гавриловым, дают возможность фор­ мализовать сложный процесс проектирования систем

7

управления и использовать для реализации этого процес­ са вычислительную технику. Необходимость дополнитель­ ного учета ряда трудноформализуемых требований по надежности, безаварийности, эксплуатационным качест­ вам и других требует, как правило, аппроксимации фор­ мальных теоретических методов и создания инженерных методов проектирования.

Следует отметить, что в настоящее время имеются все необходимые условия для того, чтобы поставить ав­ томатизацию проектирования систем управления (дис­ кретных устройств) на практические рельсы. Это явля­ ется следствием того, что имеются значительные теоре­ тические разработки в области анализа и синтеза дискретных устройств; заводами и конструкторскими бю­ ро накоплен большой практический опыт проектирования самых разнообразных дискретных устройств: схем управ­ ления машинами и механизмами, вычислительных уст­ ройств, различных автоматических и полуавтоматических приборов, процессов и т. д.; дискретные устройства по своей природе являются структурами, строение и функ­ ционирование которых чаще всего описываются средст­ вами математической логики, что создает предпосылки для эффективного применения при их проектировании цифровой вычислительной техники; реализация дискрет­ ных систем чаще всего осуществляется на стандартной аппаратуре; схемы управления являются инвариантными структурами, допускающими большой диапазон тополо­ гических и конструктивных решений; проектирование схем управления в значительно меньшей степени по сравнению с проектированием механических конструкций связано с задачами пространственного размещения элементов. Большинство задач размещения аппаратов схем сводится к топологическим задачам на плос­ кости.

Процесс автоматизированного проектирования схем управления может быть в общем случае разбит на следу­ ющие основные этапы:

1. Формирование технического задания на автомати­ зированное проектирование схемы управления;

2.Проектирование принципиальной схемы;

3.Моделирование и анализ работоспособности спро­ ектированной схемы;

4.Выбор и расчет аппаратуры;

8

5.Проектирование монтажной схемы, схем размеще­ ния аппаратуры, спецификаций и другой конструктор­ ской документации;

6.Автоматизация вычерчивания схемы и другой кон­ структорской документации;

7.Разработка технологической документации на из­ готовление схемы;

8.Разработка эксплуатационной документации.

Не все из перечисленных этапов одинаковы с точки зрения возможности и необходимости их автоматизации. Рассмотрим более подробно каждый из этапов.

1. Формирование технического задания является на­ чальным и весьма трудоемким этапом автоматизирован­ ного проектирования, определяющим все его последую­ щие этапы. Одновременно этот этап является характер­ ным, отражающим специфику автоматизированного про­ ектирования и его отличия от обычного интуитивного проектирования. Прежде всего задание на автоматизиро­ ванное проектирование должно быть полным и абсолютно безошибочным. Наличие одной даже второстепенной ошибки в задании приводит к неверным результатам. Если во время интуитивного проектирования допущен­ ные в задании ошибки чаще всего выявляются и исправ­ ляются проектировщиком на последующих этапах и само задание также часто корректируется в процессе раз­ работки проекта, то при автоматизированном проекти­ ровании требуется формализованное и безошибочное за­ дание, выданное в полном объеме до начала проектиро­ вания.

В излагаемом в настоящей книге методе синтеза схем управления станков техническое задание на проектирова­ ние схем представляется в виде таблиц устойчивых сос­ тояний (ТУС). ТУС составляется конструктором и отра­ жает условия работы будущей схемы. Специальная про­ грамма производит проверку правильности составления технического задания.

Составление технического задания на схему в виде ТУС представляет значительные трудности. Особенно эта задача усложняется для станков и агрегатов, имею­ щих большое число рабочих органов и сложный цикл работы.

Основой метода автоматизированного составления технического задания на проектирование схем управле­ ния и механизмов является моделирование работы ме­

9