Как проектируют аппаратуру для защиты энергосетей

    Привет Хабр. Блог АСКОН возвращается к своим читателям. Теперь в нем будут посты не только наших сотрудников, но и гостевые посты инженеров, работающих с продуктами АСКОН. Первая история – о проектировании аппаратуры для энергетики.

    Рассказывает Евгений Фофанов, руководитель отдела конструкторско-технологического обеспечения производства «Уралэнергосервис» (Екатеринбург).

    Чем мы занимаемся


    Более 25 лет наше предприятие разрабатывает и производит аппаратуру передачи команд релейной защиты и противоаварийной автоматики для нужд отечественной энергетики. Наши изделия установлены на энергообъектах компаний «Россети», «Интер РАО», РусГидро, крупных нефтегазовых и металлургических предприятий.

    Мы оказываем полный комплекс услуг, в том числе проектирование, разработку, поставку, настройку и включение в работу, гарантийное и постгарантийное обслуживание, модернизацию аппаратуры на месте установки. Помимо этого, в собственном учебном классе проводятся лицензированные курсы повышения квалификации сотрудников организаций, эксплуатирующих произведенную нами аппаратуру.



    Источник goodfon.ru

    Требования к конструкции нашей продукции стандартизованы и определяются ГОСТ Р МЭК 60297-3-101-2006, распространяющимся на 19-дюймовое телекоммуникационное оборудование. Поэтому творческая составляющая при разработке оболочек для наших изделий серьезно ограничена требованиями этого документа.



    Как мы запускаем новое изделие


    Как правило, при разработке нового изделия в первую очередь формируется команда проекта, которая и будет заниматься решением основополагающих задач. В ней под руководством главного инженера трудятся разработчики, схемотехник и инженер-конструктор. На первом этапе на основании полученного технического задания составляется структурная схема изделия, определяются его габаритно-массовые характеристики, происходит разбивка на составные части. Конструктор определяется с требованиями к оболочке изделия и его составных частей, после чего определяет размеры печатных плат, устанавливаемых в блоки.

    После утверждения конструктивных особенностей изделия схемотехник получает чертеж шаблона печатной платы, которую в дальнейшем планируется установить в один из блоков аппарата. Работа ведется в программе Altium Designer. В результате создаются файлы, содержащие проект печатной платы разрабатываемого блока. Затем модель печатной платы экспортируется в формат *.step, который передается конструктору для последующей проверки на соответствие требованиям, содержащимся в шаблоне печатной платы.

    Конструктор открывает полученный файл в системе КОМПАС-3D и встраивает сборку печатной платы в сборку разрабатываемого блока. После чего проверяет модель полученной сборочной единицы на отсутствие геометрических пересечений. При выявлении проблемных мест совместно со схемотехником конструктор находит пути их решения, затем процесс согласования геометрии повторяется.

    После согласования печатной платы ее файлы передаются в отдел закупок и далее пересылаются изготовителям печатных плат.

    Конструктор, со своей стороны, занимается подготовкой корпусной части изделия. Преимущественно в качестве элементов шасси используются детали, выполненные из листового материала. Для их создания конструктор работает в КОМПАС-3D с командами листового проектирования. С их помощью выполняются сложные операции с листовыми материалами: построение обечаек, просечка штамповок, замыкание углов и самое главное – построение разверток. Эта функциональность обладает достаточными возможностями для реализации всех наших потребностей, надежна и проста в использовании.


    Корпус изделия, выполненный с помощью команд листового моделирования

    В обязательном порядке мы применяем справочник Стандартные Изделия, в который, помимо моделей метизов, включен полезный подраздел Конструктивные элементы. Инструмент позволяет добавлять различные проточки, отверстия, канавки и пазы как в 3D-модель изделия, так и в плоский чертеж. Отдельно отметим наличие раздела «Изделия предприятия» с пользовательскими данными.

    В нашем случае в него включены все собранные из зарубежных каталогов данные по специализированным метизам (как 3D-геометрия, так и данные для заполнения спецификации).


    Номенклатура изделий «Уралэнергосервис» в справочнике Стандартные изделия

    Стоит упомянуть о ресурсе TraceParts, где опубликованы более 100 млн деталей из более чем 800 официальных каталогов от множества производителей со всей планеты. При скачивании файлов с этого ресурса (обычно в формате *.step) иногда возникает необходимость упростить геометрию детали. К сожалению, импортированные файлы не содержат подробностей в дереве построений, которые бы позволяли вносить в деталь изменения. Поэтому редактированию детали должно предшествовать восстановление истории построения.

    Для восстановления утраченного в ходе экспорта дерева построений мы используем приложение Распознавание 3D-моделей для КОМПАС-3D. При обработке сложных деталей могут возникнуть определенные затруднения, но с простыми моделями библиотека справляется быстро и без ошибок. В результате мы получаем файл модели, подготовленный к внесению изменений в КОМПАС-3D.

    Взаимодействие со смежниками


    После завершения конструирования модели корпуса она передается на сторону, нашим партнерам, изготовителям корпусных деталей. Для этого файл из КОМПАСа экспортируется в step-файл, после чего через файлообменник передается нашим смежникам, занимающимся механообработкой. Они анализируют полученный файл, проводят конструкторско-технологическую адаптацию под возможности своего производства, после чего высылают свой вариант step-файла на согласование. Интересным моментом в этом взаимодействии является то, что мы не согласовываем чертежи на изделие. Все согласования проводятся в рамках обсуждения 3D-модели. Это позволяет существенно сократить сроки разработки корпусной части изделия.

    После решения всех технических вопросов согласуется стоимость изделия. На этом этапе порой приходится вносить изменения в модель, чтобы оптимизировать издержки. Затем идет поставка первых пробных образцов.

    Прокладка кабелей и жгутов


    Одновременно с подготовкой производства корпусных деталей конструктор работает с файлом 3D-сборки всего изделия. Определяются места для оптимальной трассировки межплатных соединений, закладываются необходимые соединители, определяется тип провода. Для этого мы используем приложение Оборудование: Кабели и жгуты. Его применение позволяет с первого раза рассчитать нужную длину проводных соединений, а также выпустить необходимую конструкторскую документацию на кабели и жгуты.


    Пример использования приложения Оборудование: Кабели и жгуты

    В обоснованных случаях проводятся необходимые расчеты с применением CAE-систем, например термосимуляция работы наиболее мощных блоков аппарата. После этого изучаются результаты расчета и принимается решение о внесении изменений в элементы конструкции. Эти виртуальные испытания можно успешно выполнять с применением системы FlowVision (разработка компании ТЕСИС). Но, поскольку сейчас нет постоянной необходимости в подобных расчетах, экономически более выгодно выполнять такие работы разово, на договорной основе, с помощью наших подрядчиков.

    Визуализация: показываем будущее изделие


    После детальной прорисовки внешнего вида изделия наступает время для подготовки качественных изображений нового аппарата – для рекламных буклетов, каталогов и прочей полиграфической продукции. Здесь мы используем Artisan Rendering для КОМПАС-3D, которое превращает многоцветные 3D-модели в реалистичные фотоизображения изделия.



    С помощью приложения можно создать рекламный буклет будущего серийного изделия, даже не имея фотографий первых образцов продукции.



    Испытания


    После окончания разработки изделия и выпуска первых опытных образцов начинается этап проведения квалификационных испытаний. Изделие проверяется на соответствие заявленным характеристикам и функциональностям на производственной площадке нашего предприятия. После их успешного прохождения следуют сертификационные испытания в независимой лаборатории на соответствия требованиям безопасности, электромагнитной совместимости, климатических и механических воздействий.

    Было бы правильно выходить на эти испытания, имея на руках положительные результаты предварительных расчетов. В связи с этим представляет интерес система прочностного анализа APM FEM для предварительной оценки устойчивости конструкции к синусоидальной вибрации в диапазоне от 2 до 100 Гц для последующего проведения натурных испытаний на соответствие требованиям ГОСТ 30546.1-98 (сейсмостойкость). Возможно, наш интерес к этой теме поддержат испытательные лаборатории, т. к. в обоснованных случаях допускается проводить испытания на сейсмостойкость расчетным методом. В настоящее время для этого используется программный продукт ANSYS.

    Финишная прямая: подготовка конструкторской документации


    К началу серийного производства следует уже иметь оформленный по требованиям ЕСКД и утвержденный генеральным Заказчиком комплект конструкторской документации. Работы по его подготовке ведут сотрудники отдела по заданию руководителя в нескольких программах:

    • конструкторская документация на монтаж печатных плат оформляется в Altium Designer с использованием недавно разработанного редактора Draftsman
    • сборочные чертежи блоков и рабочие чертежи сложных деталей выполняются в КОМПАС-График
    • конструкторская документация на лицевые панели, шильды и наклейки выполняется в CorelDRAW и передается подрядчикам только в электронном виде.

    Перспективы бесчертежных технологий


    Хотелось бы обратить внимание разработчиков АСКОН на тенденцию перехода на бесчертежные технологии. При работе с зарубежными поставщиками корпусного оборудования мы уже перешли от согласования чертежей к согласованию 3D-моделей по сопроводительному письму.

    Уже сейчас КОМПАС-3D позволяет хранить в модели информацию, необходимую для производства изделия: размеры (в том числе с допусками), шероховатости (в том числе неуказанные), базы, допуски форм, линии выноски и другие. Вся эта информация видна непосредственно в рабочей области, а вот технические требования открываются в отдельной вкладке.

    На наш взгляд, было бы удобно предоставить пользователю возможность по необходимости размещать технические требования в пространстве 3D-модели изделия, в одной из трех базовых плоскостей. Так, чтобы при открытии файла в КОМПАС-3D или в КОМПАС-3D Viewer вся необходимая информация выводилась на экран и всегда была перед глазами. При этом у пользователя должна быть возможность перемещать технические требования в плоскости и изменять параметры текста.

    В будущем мы планируем рассмотреть отказ от сборочных чертежей в пользу файлов 3D-сборок и на нашем производственном участке. Это позволит упростить прочтение конструкторской документации, а следовательно, облегчит процесс постановки изделий на серийное производство.

    Также было бы интересно увидеть синхронизацию справочника Стандартные Изделия с бухгалтерским продуктом 1С, чтобы обеспечить единообразие используемых на предприятии данных.

    P.S. Так сложилось, что написанию этой статьи предшествовал месяц плотной работы с новой версией КОМПАС-3D v18. Понимаю, что это отдельная тема для обсуждения, но обойти ее стороной никак не могу.

    Основной интерес у нас был к обработке «тяжелых» сборок с количеством деталей более 10 тысяч. Разработчики АСКОН заявляют о прорывном улучшении быстродействия в 18-й версии. Сравнительные характеристики с более ранними версиями выглядят очень привлекательно. По этой причине хотелось оценить возможности новой версии в реалиях нашего предприятия.

    Полученные результаты воодушевляют. Перестроение «тяжелых» сборок теперь измеряется десятками секунд. В то время как раньше перестроения могли длиться десятки минут. Значительно сократилось время открытия и сохранения файлов. В целом система ведет себя заметно стабильнее.


    Автор — Евгений Фофанов, руководитель отдела КТОП «Уралэнергосервис».
    АСКОН
    Крупнейший российский разработчик инженерного ПО

    Комментарии 10

      0
      Было бы интересно почитать и о самой аппаратуре — какая, где и для чего используется.
      За статью спасибо.
      +1

      То есть это пример классической Waterfall разработки, как и принято в разработке ответственных систем. Поэтому можно писать не просто про аппаратуру для защиты энергосетей, а про правильную аппаратуру вообще. Есть вопросы.


      1. Было бы очень интересно и показательно узнать количество человеко-часов, потраченных на каждом из этапов разработки или хотя бы относительный вклад каждого этапа в общее количество человеко-часов, затраченных на всю разработку. Особенно от этапа ТЗ до начала реальной разработки схем и начиная от этапа выпуска опытных образцов.
      2. Есть ли итерации? Что делается, если, например, провалены сертификационные испытания и по итогам надо корректировать печатную плату? Или корпус не влезает и надо опять менять и его и плату? Как это оформляется?
      3. Что с требованиями? Есть ТЗ, но как оно трассируется по этапам разработки?
      4. Указано только железо. Что насчет встроенного ПО? Как оно проектируется, на каком этапе происходит интеграционное тестирование железо + ПО?
      5. Чем оформляется переход от одного этапа к следующему? Есть ли design review?
      6. Как производится сертификация на SIL или таких требований нет?
      7. Какое общее количество разработчиков у вас в R&D?

      По компасу — почему не пишите статьи про Компас-электрик?

        0
        пример классической Waterfall разработки

        Вы думаете на производстве будет работать Agile?) Если вы заготовку уже расточили в размер или отфрезировали, то назад к состоянию заготовки её уже не вернуть, надо новую покупать.
        На стадии разработки модели можно конечно и согласования с заказчиком проводить и любые доработки — тут применимы любые гибкие методы.
          0
          Вы думаете на производстве будет работать Agile?)

          Я то как раз нет. Мой коммент как раз адресован тем, кто думает, что да.

          +3
          Ответы от автора статьи:

          1. Было бы очень интересно и показательно узнать количество человеко-часов, потраченных на каждом из этапов разработки или хотя бы относительный вклад каждого этапа в общее количество человеко-часов, затраченных на всю разработку. Особенно от этапа ТЗ до начала реальной разработки схем и начиная от этапа выпуска опытных образцов.

          Этап 1. Анализ ТЗ на наличие новых требований, выполнение которых не является «прозрачным». Поиск информационных материалов по этим темам (от 100 чел∙ч, здесь и далее приводятся усреднённые данные).
          Этап 2. Моделирование фрагментов будущего изделия, обеспечивающих обоснованное прогнозирование степени выполнения недостаточно «прозрачных» требований. Применяется как математическое моделирование, так и натурное на стандартных отладочных модулях (400 чел∙ч).
          Этап 3. Определение конструктивной компоновки и габаритов корпуса изделия (например, 6U*84HP), а также габаритов печатных плат с элементами, с учётом рекомендуемых стандартом ГОСТ Р МЭК 60297-3-101-2006 размеров (100 чел∙ч ).
          Этап 4. Расчёт энергопотребления будущего изделия. 3D-моделирование и тепловой расчёт модели изделия в режиме длительно/допустимых максимальных нагрузок, с учётом пространственного расположения элементов со значительным тепловыделением (*300 чел∙ч).
          Этап 5. Разработка функциональных узлов (блоков) изделия (аппаратной части и встроенного ПО). Проверка их работоспособности и взаимодействия с другими блоками в составе опытного образца изделия. Разработка сервисного ПО для управления ПК (15000 чел∙ч).
          Этап 6. Сборка опытной партии изделий и проведение предварительных испытаний на соответствие ТЗ. Доработка функциональных узлов. Разработка эксплуатационной документации на изделие (РЭ, ПС) (2000 чел.ч).
          Этап 7. Квалификационные (сертификационные) испытания, в т.ч., в независимых лабораториях (трудоёмкость в каждом конкретном случае — индивидуальная).

          2. Есть ли итерации? Что делается, если, например, провалены сертификационные испытания и по итогам надо корректировать печатную плату? Или корпус не влезает и надо опять менять и его и плату? Как это оформляется?

          Мы выходим на сертификационные испытания только после проведения предварительных испытаний, подтверждающих соответствие ТЗ (Этап 6). Здесь возможны незначительные изменения конструкции. (Этапы 1, 2, 3 страхуют нас от необходимости существенных изменений конструкции). Изменения в КД вносим в соответствии с ГОСТ 2.503-2013. 

          3. Что с требованиями? Есть ТЗ, но как оно трассируется по этапам разработки?

          См. ответ на первый вопрос.

          4. Указано только железо. Что насчет встроенного ПО? Как оно проектируется, на каком этапе происходит интеграционное тестирование железо + ПО?

          Встраиваемое ПО проектируется в специальных средах разработки. В максимально возможной степени используются модули ПО, спроектированные для предшествующих изделий. Задания на разработку новых модулей встраиваемого ПО формируются на основании ТЗ.
          Интеграционное тестирование железо + ПО производится на этапе «6» (См. ответ на первый вопрос)

          5. Чем оформляется переход от одного этапа к следующему? Есть ли design review?
          Все этапы проекта разбиваются на отдельные задачи, ход выполнения которых фиксируется публикацией промежуточных и итоговых результатов в системе документооборота предприятия.

          Анализ результатов выполнения каждой (отдельной) задачи проекта выполняется согласно запланированных сроков на техническом совещании, при участии исполнителей и потребителей выходных данных задачи.

          6. Как производится сертификация на SIL или таких требований нет?

          Наш генеральный Заказчик формулирует (в ТЗ) Требования безопасности, не используя классификацию SIL, из чего следует, что в нашем случае сертификация на SIL не требуется.

          7. Какое общее количество разработчиков у вас в R&D?

          В зависимости от сложности проекта, на самых напряженных его этапах может быть задействовано одновременно до 20 специалистов различных направлений (программистов, схемотехников, конструкторов, испытателей).
            0
            5. Чем оформляется переход от одного этапа к следующему? Есть ли design review?
            Все этапы проекта разбиваются на отдельные задачи, ход выполнения которых фиксируется публикацией промежуточных и итоговых результатов в системе документооборота предприятия.

            Анализ результатов выполнения каждой (отдельной) задачи проекта выполняется согласно запланированных сроков на техническом совещании, при участии исполнителей и потребителей выходных данных задачи.


            Какие инструменты используются для контроля изменений и сопровождения изделия в течении всего жизненного цикла?

            Как происходит постановка на производство?
              +2
              Ответы от автора статьи:

              Какие инструменты используются для контроля изменений и сопровождения изделия в течение всего жизненного цикла?

              Система документооборота предприятия позволяет формировать задачи на выпуск КД с отслеживанием статуса каждой задачи. Примеры статусов следующие: «Новая», «В работе», «Согласование», «Нормоконтроль», «Дубликаты», «Аннулировано». Таким образом, сформировав запрос, мы всегда можем увидеть статус интересующей нас задачи. А также можем получить выгрузку актуальных задач для нужного изделия.

              Как происходит постановка на производство?

              Мы руководствуемся требованиями собственного стандарта предприятия, разработанного с учетом требований ГОСТ Р 15.301-2016 «Система разработки и постановки продукции на производство (СРПП). Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство». К сожалению, описать весь этот сложный процесс коротким ответом, не представляется возможным.
                0
                Из какие инструментов состоит состоит система документооборота?
                К сожалению, описать весь этот сложный процесс коротким ответом, не представляется возможным.

                Может это будет история ещё для одной статьи?
          +1
          Проблема актуальна в свете американского терроризма. Луше перебдеть.

          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

          Самое читаемое