В настоящее время компьютеризация ускоренными темпами проникает в деятельность исследовательских и проектных организаций, поднимая проектную работу на принципиально новый уровень, при котором значительно ускоряются скорость и качество проектирования, сложные инженерные задачи решаются с большим обоснованием. Во многом этому способствует использование высокоэффективных специализированных программ, реализуемых как в виде самостоятельных программных продуктов, так и в виде надстроек и приложений к известным пакетам прикладных программ. Деятельность по созданию специализированных программных продуктов и специальных технических средств для автоматизации проектных работ осуществляется в рамках создания САПР.
САПР (англ. CAD, Computer-Aided Design) – программный пакет, предназначенный для разработки (проектирования) технических объектов и оформления технологической и/или конструкторской документации (рис. 3).
Рисунок 3 - Состав и и структура САПР
В составе многофункциональных систем САПР, как правило, выделяют три составляющие: CAD, САМ, САЕ. Модули блока CAD (Computer Aided Designed) в основном используются для выполнения графических работ, модули САМ (Computer Aided Manufacturing) – для решения задач по технологической подготовке производства, модули САЕ (Computer Aided Engineering) – для инженерных расчетов, анализа и проверки проектных решений.
В наши дни все крупные научно-исследовательские и проектные институты, производственные предприятия и инжиниринговые фирмы в своей работе применяют компьютерные системы технологического моделирования (CAM/CAE-системы), сменившие программы расчета технологических процессов. CAM/CAE-системы представляют собой «программные конструкторы», позволяющие достаточно быстро «собирать» практически любые процессы и технологические схемы, выполнять многовариантные расчеты технологических режимов функционирования, материальных и тепловых балансов, основных показателей качества сырья и продукции. Наиболее «продвинутые» системы технологического моделирования могут создавать системы и отдельные контуры автоматического регулирования и управления технологическими параметрами, выполнять расчеты технологических параметров и их влияние на выбранные показатели качества процесса и решать оптимизационные задачи. Более того, ряд систем позволяют работать не только со схемами установок, но и цехов, заводов и даже предприятий. Область применения CAM/CAE-систем – подробный анализ состояния технологии и выявление недостающей информации, необходимой для действующих производств, выработка технических решений по оптимальному проектированию новых и модернизации действующих производств, обоснование перспективных и текущих планов переработки сырья и т.д. Таким образом, системы технологического моделирования остро необходимы в научно-исследовательских и проектных институтах и на предприятиях.
Применение технологического моделирования также очень эффективно при поиске решений по реконструкции производства и модернизации технологии. Как правило, в ходе эксплуатации предприятий время от времени возникает необходимость реконструкции некоторых технологических установок, их обвязки с предварительной проработкой альтернатив технических решений. С помощью технологических моделей объектов, действующих на предприятии, эта задача может решаться достаточно квалифицированно и с минимумом ошибок. Это объясняется тем, что расчетный анализ моделей в итоге позволяет отбросить все нерациональные варианты, уточнить концепции реконструкции, определить все приемлемые решения с минимумом затрат времени и сил. И, наконец, очень полезны технологические модели для анализа состояния технологии, а также обоснования перспективных и текущих планов.
Для профессионального использования моделирования необходима разработка технологических моделей, адекватных реальным объектам и явлениям. Для этого модели предварительно настраивают с использованием результатов исследований потоков и параметров внутреннего состояния моделируемого объекта так, чтобы в процессе вычислительного эксперимента воспроизвести с высокой степенью точности количественные и качественные характеристики продукции, режимные параметры процесса. Основными параметрами для настройки моделей выбирают составы потоков, так как они более чувствительны к отклонениям моделей от реальных характеристик процессов. Качество проектирования и расчета новых технологических объектов зависит во многом от точности имеющейся информации о составе сырья. При этом модели разрабатываемых объектов необходимо настраивать на основании данных об эксплуатации аналогичных действующих объектов.
В настоящее время лидерами на рынке моделирующих систем являются продукты трех компаний – Hyprotech, Aspen Technologies и Simulation Sciences (SimSci).
Hysys и Hysim. Программные продукты канадской фирмы Hyprotech Ltd. предназначены для статического моделирования основных процессов нефтепереработки, газопереработки и нефтехимии. Особое внимание в них уделяется работе с уравнением состояния Пенга-Робинсона. Программа включает различные варианты записи уравнения состояния Пенга-Робинсона, предназначенное для работы с различными правилами смещения и несимметричными коэффициентами бинарного взаимодействия, модификации для работы с аминами, гликолями и водой. В основе программного пакета лежит оригинальный алгоритм расчета ректификационных колонн любой сложности. Пакет сопряжен с форматом программы AUTOCAD через табличный ввод данных. Дополнительный модуль Hyprop служит для обработки результатов экспериментов по свойствам чистых компонентов и впоследствии полученные корреляции используют в расчетах. Помимо статического моделирования технологических схем программа позволяет осуществлять динамическое моделирование технологических цепочек и отдельных схем, а также разрабатывать схемы регулирования процессов. Широкие возможности имеются в программе по расчетам и оценке стоимости основных конструктивных характеристик различного оборудования, емкостей, сепарационного оборудования, теплообменной аппаратуры, насадочных и тарельчатых ректификационных колонн. Программа имеет развитый графический интерфейс, интегрируется с офисными приложениями Microsoft.
Aspen Plus и Speed UP. Прораммный пакет американской компании Aspen Technologies Inc. Эти системы получили широкую известность во всем мире, особенно в среде студентов химико-технологических специальностей. Aspen Plus является открытой системой для статического моделирования процессов, в основе которых лежит химическое и фазовое превращения. В программу с развитым графическим интерфейсом включен широкий набор постоянно расширяющихся алгоритмов. Пакет позволяет производить расчеты основных конструктивных характеристик технологического оборудования, выполнять их оценку стоимости. Дополнительный модуль, совместимый на уровне данных с платформой Aspen Plus, Speed UP , является системой динамического моделирования технологических процессов. Обе программы объединены в интегрированном пакете Dyna Plus.
Pro II и ProVision – широко известные программные продукты американской фирмы Simulation Sciences, Inc. Система Pro II была известна и использовалась на платформах мэйнфреймов и DOS/PC. Сегодня имеются реализации системы почти для всех широко распространенных платформ. В Pro II / ProVision заложены возможности моделирования практически всех химических и нефтехимических производств. Система имеет широкие возможности для обработки процессов с растворами электролитов, выполнения гидравлических расчетов реакторов, сепарационного оборудования, тарельчатых и насадочных ректификационных колонн. Через интерфейс ProVision имеется возможность подключения пакета динамического моделирования Protiss. В сотрудничестве с Shell Development Co. создан онлайновый симулятор Romeo.
Кроме программных продуктов “первого эшелона”, на рынке программного обеспечения для инженерного моделирования имеются продукты с меньшими функциональными возможностями, но тем не менее достаточными для решения основных задач инженером–технологом.
CHEMCAD. Пакет CHEMCAD разработан фирмой ChemStations, Inc. Программа включает средства статического моделирования основных процессов, в основе которых лежат фазовые и химические превращения, средства для расчета конструктивных характеристик и геометрических размеров основных аппаратов, средства для оценки стоимости оборудования.
PROSIM. Программный продукт компании Bryan Research & Engineering, Inc. включает средства статического моделирования основных процессов газопереработки и нефтепереработки. Имеются средства для расчета конструктивных характеристик и геометрических размеров аппаратов.
На российском рынке производителей программ следует отметить разработки КОМФОРТ и GIBBS.
КОМФОРТ – система моделирования, представляющая собой инструментальные средства для выполнения проектных и поверочных расчетов материальных и тепловых балансов различных химических производств. КОМФОРТ состоит из основной управляющей программы и различных модулей расчета аппаратов. Управляющая программа с выбранным набором технологических модулей создает предметно-ориентированную моделирующую программу, которая позволяет выполнять расчеты для выбранного класса химико-технологических схем (ХТС). В программе имеются средства для расчета ключевых процессов фракционирования в газопереработке.
GIBBS – моделирующий пакет, разработанный фирмой “Топэнергобизнес” в 1992 году, включающий средства моделирования большинства процессов промысловой подготовки природных газов. Помимо прочего программа имеет средства для расчета товарных свойств фракций моторных топлив, синтеза нефтяной смеси по данным лабораторных анализов, расчета условий образования твердой фазы СО2, условий образования и ингибирования газовых гидратов, расчета дифференциальной конденсации пластовых смесей и другие модули инженерного применения.
Проектирование выполняется, как правило, с помощью специализированного программного обеспечения (CAD/CAM приложений). При этом стадии проектирования всегда предшествует исследование проекта, где выполняются отдельные общие стадии проектирования (электро-, тепло-, водоснабжение, планирование размещения объекта и т.п.), оценивается стоимость отдельных стадий и проекта в целом, составляется смета проекта, разрабатывается сетевой график выполнения проекта, анализируется финансовая эффективность проекта. И хотя исследование проекта не является задачей моделирования химико-технологических процессов, тем не менее существует специальное программное обеспечение, которое позволяет решать такие задачи, используя при этом в качестве исходных данные, полученные с помощью перечисленных выше программ. К числу таких программ относится ICARUS PROCESS EVALUATOR (IPE), исходные данные для которого получены с помощью HYSYM, Aspen Plus, ProVision и CHEMCAD. Программа служит для выбора наиболее прибыльного проекта из нескольких вариантов, чтобы обеспечить окупаемость инвестиций после осуществления проекта. С этой целью выполняется полный анализ стоимости проекта с использованием данных о стоимостях труда, оборудования, различных типов установок, транспортировки, зданий, сооружений и т.д. При этом в случае необходимости производится подробный расчет размеров оборудования. Как итог – на основе общих характеристик проекта и сметных расчетов разрабатывается сетевой график производства работ, и затем – выполняется подробный финансовый анализ.
Современные средства моделирования, используемые для анализа, разработки и проектирования новых производств, а также анализа работы действующих, очень многообразны. Они позволяют автоматизировать почти все стадии инженерного труда и минимизировать затраты трудовых ресурсов, денежных средств и рабочего времени. При этом получается оптимальное решение поставленной задачи с учетом имеющихся данных и опыта. Очевидно, что конкурентное развитие технологии и техники немыслимо без широкомасштабного использования подобных средств моделирования в исследовательских и проектных организациях и на производстве.
Широкое распространение в наши дни получили системы, ориентированные на создание "открытых" (расширяемых) базовых графических модулей CAD, в которых модули для выполнения технологических или расчетных задач (соответственно блоки САЕ и САМ) остаются для создания специализирующемся на соответствующем программировании организациям. Эти дополнительные модули могут использоваться и без CAD-систем самостоятельно, что практикуется в строительном проектировании.
Крупнейшим в мире поставщиком программных продуктов для гражданского и промышленного строительства, рынка средств информации, машиностроения является фирма Autodesk, Inc. Начиная с 1982 года, этой компанией создается широкий спектр программных решений для конструкторов, инженеров, архитекторов, позволяющих им создавать цифровые модели проектов.
В России очень широко распространен программный комплекс AutoCAD. Разработанный компанией Autodesk несколько десятилетий назад, долгое время он отвечал всем требованиям проектировщиков, обладая широкими возможностями адаптации к запросам пользователя и богатым инструментарием.
Система CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) – одна из наиболее распространенных высокоуровневых систем автоматизированного проектирования (рис. 4). Это комплексная система проектирования (CAD), технологической подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (САЕ), которая аккумулирует передовой инструментарий 3D-моделирования, включает подсистемы программной имитации технологических процессов, средства анализа и единую базу данных графической и текстовой информации. Программный пакет может эффективно решать все задачи технической подготовки производства, начиная от внешнего (концептуального) проектирования и до выпуска спецификаций и чертежей.
Рисунок 4 - Пример работы в программе CATIA
DesignCAD 3D Max – простой в использовании программный продукт 2D/3D-моделирования(рис. 5). В программе предусмотрена возможность твердотельного моделирования и создания анимации, презентаций. С помощью этой программы можно создавать 3D модели объектов, проектировать двигатели, механические детали, выполнять чертежи печатных плат и др. DesignCAD 3D Max является универсальным инструментарием САПР для продвинутых и начинающих проектировщиков.
Рисунок 5 - Пример работы в программе DesignCAD 3D Max
Google SketchUp – удобный и простой инструмент для создания, обработки и визуализации трехмерных моделей(рис. 6). Он позволяет качественно и быстро создавать любые построения различного уровня сложности – от эскизного до готового проекта. Кроме этого, Google SketchUP позволяет создавать презентации проектов и многостраничные документы, аннотировать множество масштабированных моделей на одной странице.
Рисунок 6 - Пример работы в программе Google SketchUp
GstarCAD – это средство для создания чертежей в общепринятом формате DWG/DXF(рис. 7). Программа является достойной заменой AutoCAD и по соотношению цена/качество отличной альтернативой другим распространенным российским и зарубежным аналогам. Благодаря тому что в GstarCAD применяются современные технологии производства систем проектирования, в основе которых лежат новейшие разработки Open Design Alliance и ITC, пакет GstarCAD является полностью совместимым со всеми существующими CAD-программами и САПР-системами, работающими с форматом графики DWG.
Рисунок 7 - Пример работы в программе GstarCAD
IronCAD – это профессиональная САПР последнего поколения(рис. 8). Она представляет собой полнофункциональный инструментарий разработчиков, в котором используются как классические методы параметрического моделирования, так и инновационный метод прямого редактирования. Программная система IronCAD предоставляет пользователю мощнейший инструмент для создания чертежей. По своим функциональным возможностям программа является достойным конкурентом T-Flex, AutoCAD, КОМПАС 3D, SolidWorks.
Рисунок 8 - Пример работы в программе IronCAD
NanoCAD – первая свободно распространяемая отечественная САПР-платформа для различных отраслей(рис. 9). Платформа nanoCAD имеет интуитивно понятный интерфейс, содержит все необходимые инструменты базового проектирования, а благодаря непосредственной поддержке формата DWG и совместимости с другими САПР-решениями является одним из лучших выборов при переходе на альтернативные САПР-системы.
Рисунок 9 - Пример работы в программе NanoCAD
OmniCAD – программная среда 2D-черчения, проектирования и 3D-поверхностного моделирования.(рис. 10)
Рисунок 10 - Пример работы в программе OmniCAD
Система T-FLEX CAD – эффективное средство для профессиональной работы конструктора(рисю. 11). Включает в себя средства 2D-черчения, 3D-проектирования, модули динамического и конечно-элементного анализа. Первая в мире САПР-система с геометрической параметризацией.
Рисунок 11 - Пример работы в программе T-FLEX CAD
Pro/ENGINEER – система, охватывающая все сферы проектирования, технологической подготовки производства и изготовления изделия(рис. 12). Широкий спектр возможностей средств трехмерного моделирования, высокое качество результата проектирования, устойчивость его к последующим модификациям и доработкам сделали Pro/ENGINEER одним из лидеров CAD/CAM/CAE-систем, а существование прямого доступа в систему полной поддержки жизненного цикла изделия Windchill PDMLink выводит Pro/ENGINEER в разряд PLM-систем.
Рисунок 12 - Пример работы в программе Pro/ENGINEER
TurboCAD – универсальное программное приложение для профессионального проектирования в формате CAD, использующее совмещенное 2D- и 3D-редактирование(рис. 13). Возможности промышленного стандарта ACIS совмещаются с поверхностным моделированием. TurboCAD Professional поддерживает двадцать пять самых распространенных форматов файлов, в том числе AutoCAD DWG/DXF, MicroStation DGN, IGEN, 3DS, STL и др. Имеется возможность экспорта проектов в MTX, HTML, JPG. TurboCAD Professional включает реалистический рендеринг, 3D-моделирование с оболочками и лофтингом, работу с файлами AutoCAD, обучающие программы, возможность работы с сетью Internet. TurboCAD полностью настраивается, совместим с Microsoft Office и содержит встроенный Microsoft VBA. Приложение также содержит Software Development Kit и Visual Basic Macro Recorder.
Рисунок 13 - Пример работы в программе TurboCAD
VariCAD – предназначенная для инженерного проектирования САПР(рис. 14). VariCAD содержит библиотеки стандартных механических деталей (ANSI, DIN), все необходимые для них методики расчетов, инструменты 3D-моделирования и 2D-черчения. VariCAD – это CAD-решение, позволяющее создавать, модифицировать и подсчитывать стоимость проектируемых моделей и обладающее хорошей функциональностью, простым и интуитивно понятным интерфейсом.
Рисунок 14 - Пример работы в программе VariCAD
КОМПАС – разработанная российской компанией «АСКОН» система автоматизированного проектирования с возможностями оформления конструкторской и проектной документации по стандартам ЕСКД и СПДС. Существует в двух версиях: КОМПАС-3D (рис. 15) и КОМПАС-график, предназначенных, соответственно, для трехмерного проектирования и плоского черчения.
Рисунок 15 - Пример работы в программе КОМПАС
SolidWorks – продукт компании SolidWorks Corporation, система автоматизированного проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий любой сложности и назначения (рис. 16). Пакет представляет собой инструментальную среду, предназначенную для автоматизации проектирования сложных изделий в машиностроении и в других областях промышленности.
Рисунок 16 - Пример работы в программе SolidWorks
ANSYS – универсальная программная система конечно-элементного анализа, развивающаяся на протяжении нескольких десятилетий, является довольно популярной у специалистов в области компьютерного инжиниринга и конечно-элементного решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твердого тела и механики конструкций(рис. 17).
Рисунок 17 - Пример работы в программе ANSYS
Сегодня перспективой развития САПР-систем является тесная интеграция со смежными программами. Суть этой интеграции заключается в установлении тесной взаимосвязи между расчетными и чертежными программами. Такая интеграция позволяет за счет автоматизации процессов объединить в едином информационном пространстве все стадии технологических расчетов, моделирования и проектирования и, следовательно, избежать дорогостоящих и длительных циклов разработки типа «проектирование – изготовление – испытания».
