"", 6, 2008 .

Опыт внедрения системы АСОНИКА в интеграции с другими системами на предприятиях электронной промышленности

Бекишев А.Т., Кофанов Ю.Н., Шалумов А.С.
(ОАО «Моринформсистема – Агат», Московский государственный институт электроники и математики)

Несмотря на то, что уже много лет существуют различные программные продукты, связанные с моделированием электрических, тепловых, механических и других физических процессов в изделиях, они так и не стали инструментарием проектировщика на большинстве предприятий. Широкий резонанс в промышленности вызвало появление PDM-систем, что является основой внедрения CALS-технологий. Однако и здесь не видно широкого применения PDM-систем на предприятиях. В основном либо отдают дань моде, либо решают чисто коммерческие задачи, либо то и другое. При этом в публичных выступлениях специалистов многих предприятий по вопросам внедрения CALS-технологий часто желаемое красиво выдается за действительное. На словах все хорошо, на деле – разработчики аппаратуры не владеют CALS-технологиями.
Многие на предприятиях понимают автоматизацию очень ограниченно и исключительно в трех аспектах: 1) создание электронных чертежей в программах типа AUTOCAD; 2) создание электронных документов в среде WORD; 3) создание баз данных материалов, комплектующих и т.д. Но разработка электронной аппаратуры – это не рисование чертежей с помощью компьютера. Напротив, это конструирование на основе математического моделирования с применением ЭВМ, где нужно чувствовать «железо» на экране компьютера. Создание же электронных чертежей и электронных документов является следствием данного процесса. Кроме того, существует тесная взаимосвязь на всех этапах жизненного цикла изделия. Поэтому без моделирования физических процессов в аппаратуре нельзя говорить о качественной разработке, тем более в сжатые сроки и с минимальными затратами.
В чем же причины такого положения дел, когда на предприятиях имеются программные продукты, но они не дают того эффекта, который от них ожидался. Причин здесь достаточно много, причем не обязательно чисто технического характера. Чтобы понять их и систематизировать, необходим определенный опыт, связанный с разработкой и внедрением программных продуктов в конкретной отрасли, в частности, в электронной промышленности. Такой опыт в настоящее время накоплен группой разработчиков автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры (АСОНИКА) за более, чем 10 лет.
Чтобы понять указанные проблемы, нужно сделать небольшой экскурс в историю в начало 90-х годов. Разработчики системы АСОНИКА тогда активно занимались внедрением своей системы на предприятиях электронной промышленности Советского Союза. Однако на предприятиях стали появляться люди, которые активно продвигали дорогостоящие импортные конечноэлементные программные продукты, связанные с моделирование тепловых и механических процессов. Продвижение ими данных программных продуктов никак не было связано с реальным их внедрением на предприятиях электронной промышленности, а преследовало личные коммерческие интересы, связанные с получением определенных девидентов от фирм, распространяющих соответствующие программные продукты. Чтобы устранить отечественных конкурентов, использовалось все возможное по ликвидации научных коллективов, занимающихся в России разработкой программ, аналогичных западным. В СССР имелось на тот период достаточно большое количество программных продуктов, не уступающих, а то и превосходящих  по возможностям и качеству импортные аналоги. Первый удар был нанесен переходом с отечественных ЭВМ на импортные. Большое количество программ тогда просто пропало из-за несовместимости устройств. В тот же период из-за задержек в зарплате, в перечислении денег по хоздоговорам многие молодые талантливые специалисты в области математического моделирования ушли в коммерцию либо уехали на Запад. При этом они чаще всего меняли профиль своей деятельности. Уходили работать туда, где быстро и хорошо платили. В результате развалились многие научные коллективы в области моделирования физических процессов в аппаратуре. Порой оставались только профессора-руководители. Учитывая, что в советское время реально профессором можно было стать лишь около 60-и лет, можно понять, что у данных руководителей даже при наличии достаточных знаний и опыта не было сил и возможностей в кратчайшие сроки подготовить опытных программистов, способных не просто писать программы по готовым алгоритмам, а умеющих создавать новые математические модели и их программировать. При этом они должны были также обладать конструкторскими знаниями, чтобы создаваемые продукты легко осваивались разработчиками аппаратуры. На подготовку таких специалистов, как подсказывает наш собственный опыт, при условии наличия предварительных фундаментальных знаний в области физики, математики, информатики требуется не менее 10-лет интенсивного обучения. При этом должна постоянно поддерживаться тесная связь молодого специалиста как с научным руководителем, так и с промышленными предприятими. Причем, учитывая длительность обучения, уже в данный период обучающиеся должны давать конкретные практические результаты в виде отдельных программ или подсистем.
В этих условиях в России реально уцелел только один научный коллектив, занимающийся комплексным моделированием физических процессов в электронной аппаратуре и руководимый профессором МИЭМ, академиком Кофановым Юрием Николаевичем. В дальнейшем ученики Кофанова Ю.Н., поддерживая тесную связь с промышленными предприятиями, стали дальше развивать и продвигать систему АСОНИКА. При этом большое значение имели проводимые совместно с 22 ЦНИИИ МО РФ проверки военных предприятий на предмет соблюдения требований по стойкости электронной аппаратуры к внешним воздействующим факторам. В этих проверках широко применялась АСОНИКА, что привлекло внимание многих руководителей предприятий, в результате часть из них стали заказчиками системы и по настоящее время сотрудничают с научным коллективом, разрабатывающим систему АСОНИКА. Так образовался круг предприятий, внедривший у себя систему АСОНИКА и продолжающий взаимодействовать с научным коллективом в области автоматизации разработки аппаратуры: КБ ИГАС «ВОЛНА», РКК «Энергия», Государственный НИИ Приборостроения, НИИ автоматической аппаратуры имени академика В.С. Семенихина и др. Возникли филиалы научной школы Кофанова во Владимирской области под руководством профессора Шалумова Александра Славовича (Владимирский региональный научный центр CALS-технологий «ИННОВАЦИЯ») и в Красноярске под руководством профессора Сарафанова Альберта Викторовича.
Учитывая, что у научного коллектива системы АСОНИКА имеются серьезные наработки в области моделирования физических процессов в электронной аппаратуре, можно было плавно двигаться вверх, а именно, создать интерфейсы с существующими и широко используемыми в практике проектирования электронной аппаратуры CAD-системами, разработать проектную базу данных, где бы хранились результаты моделирования и проектирования в целом, создать управляющую оболочку, позволяющую быстро извлекать из проектной базы данных всю информацию по изделию, в том числе математические модели, а также непосредственно из управляющей модели редактировать модели и проводить расчеты, сохраняя результаты опять-таки непосредственно в проектной базе данных. Таким образом, сама жизнь, а не дань моде, заставила перейти к необходимости создания PDM-системы в виде подсистемы АСОНИКА-ИПИ (информационной поддержки изделий) и ее интеграции с системой АСОНИКА.
В результате стало реальностью осуществление автоматизированного проектирования высоконадежной  электронной аппаратуры подвижных объектов в соответствии с требованиями CALS-технологий. Разработанный программный комплекс предназначен для решения 3 основных проблем, существующих при разработке современной электронной аппаратуры (ЭА):
1) проблемы предотвращения возможных отказов при эксплуатации на ранних этапах проектирования;
2) проблемы сокращения сроков и затрат на проектирование;
3) проблемы автоматизации документооборота и создания электронной модели ЭА в рамках CALS-технологий.
Взятое научным коллективом АСОНИКА направление самым непосредственным образом вписывается в приоритетное направление «Информационно-телекоммуникационные технологии и электроника», обозначенное в документе: «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации», а также связано со следующими критическими технологиями РФ, обозначенными в документе «Перечень критических технологий Российской Федерации», утвержденном Президентом РФ 30 марта 2002 г.:

Методологической основой для решения поставленных задач являются разработанные научные положения теории математического моделирования  полей и процессов различной физической природы, взаимодействующих друг с другом в единой неоднородной среде, и системные методы теории чувствительности. Разработана структура программного комплекса, предусматривающая, что в процессе проектирования в рамках CALS-технологий на базе имеющейся подсистемы АСОНИКА-ИПИ (PDM-системы) и с использованием систем моделирования происходит формирование электронной модели изделия (см. рис.1). С помощь специального графического редактора вводится электрическая схема, которая сохраняется в базе данных проектов в PDM-системе и передается в виде файла в систему анализа электрических схем PSpice и в систему размещения и трассировки печатных плат PCAD. Выходной pcb-файл системы PCAD сохраняется в PDM-системе, а также передается в системы AUTOCAD, КОМПАС, ProEngineer, SolidWorks для создания чертежей. Чертежи также сохраняются в PDM-системе и передаются из PDM-системы в подсистему анализа механических процессов в шкафах и блоках РЭА АСОНИКА-М (1), в подсистему анализа тепловых процессов в шкафах и блоках РЭА АСОНИКА-Т (3). Полученные в результате моделирования напряжения, перемещения, ускорения и температуры в конструкциях шкафов и блоков сохраняются в PDM-системе (2, 4). Чертежи печатных узлов (ПУ) и спецификации к ним, а также pcb-файлы  передаются из PDM-системы в подсистему комплексного анализа тепловых и механических процессов в ПУ АСОНИКА-ТМ (5). Кроме того, передаются температуры воздуха в узлах, полученные в подсистеме АСОНИКА-Т, а также ускорения опор, полученные в подсистеме АСОНИКА-М (6). Полученные в результате моделирования температуры и ускорения электрорадиоизделий (ЭРИ) сохраняются в PDM-системе (7). Перечень ЭРИ (8), файлы с электрическими характеристиками ЭРИ (9), температурами и ускорениями ЭРИ (10) передаются из PDM-системы в подсистему анализа показателей надежности РЭА АСОНИКА-К. Полученные в результате показатели надежности РЭА сохраняются в PDM-системе (11). Перечень ЭРИ, файлы с электрическими характеристиками ЭРИ (12), температурами и ускорениями ЭРИ (13) передаются из PDM-системы в подсистему формирования карт рабочих режимов ЭРИ АСОНИКА-Р. Полученные в результате карты рабочих режимов сохраняются в PDM-системе (14).

 

` 


Рис.1. Структура взаимодействия PDM-системы
с моделирующими подсистемами

Система сориентирована на разработчика ЭА. С этой целью в подсистемах АСОНИКА-М и АСОНИКА-ТМ разработаны специальные интерфейсы для ввода типовых конструкций аппаратуры – шкафов, блоков, печатных узлов, что значительно упрощает анализ физических процессов в ЭА. Если бы пользователь строил модель механических процессов сложного шкафа или блока в обычной конечноэлементной системе, например, ANSYS, ему бы пришлось вначале пройти специальное обучение и набраться опыта, что заняло бы примерно около года, а затем в течение нескольких часов вводить саму модель. В системе АСОНИКА не нужно проходить специального обучения, нужно просто вводить на доступном конструктору языке то, что представлено на чертеже. Ввод того же сложно шкафа может быть осуществлен в течение получаса.
Таким образом, полноценный комплексный анализ шкафа на тепловые и механические воздействия вплоть до каждого ЭРИ (получаем ускорения и температуры на каждом элементе) может быть проведен в течение 1 дня.
АСОНИКА-ИПИ (SQL_PDM) - это компьютерная подсистема управления инженерными данными технического изделия. Её назначение – собрать всю информацию об изделии в интегрированной базе данных и обеспечить совместное использование этой информации в процессах проектирования, производства и эксплуатации.
В соответствии с требованиями стандарта ISO 10303, база данных подсистемы АСОНИКА-ИПИ содержит информацию о структуре, вариантах конфигурации изделия и входимости компонентов в различные изделия, идентификационную информацию об изделии и его компонентах, информацию о технологии изготовления изделий и их компонентов собственного производства, электронные образы бумажных документов, данные об организационной структуре предприятия и соподчиненности ее элементов, ролях и полномочиях людей, данные о процессе разработки: статусах, присвоенных результатам работы, проведенных изменениях. Кроме того, база данных содержит ассоциированные с элементами изделия документы, а сами элементы имеют набор функциональных или технических характеристик, измеряемых в различных единицах.
Отличительной особенностью подсистемы АСОНИКА-ИПИ является то, что она специализирована для электронной аппаратуры и состыкована с другими подсистемами системы АСОНИКА.
Подсистема АСОНИКА-М позволяет анализировать блоки кассетного, этажерочного и цилиндрического типов, шкафы радиоэлектронных средств и проводить расчет на следующие виды механических воздействий:

В результате моделирования могут быть получены:
1) зависимости ускорений от частоты и времени в контрольных точках и узлах конструкции;
2) перемещения, прогибы, ускорения и напряжения участков конструкции блоков и шкафов;
3) деформации блоков и шкафов;
4) ускорения в местах крепления печатных узлов, необходимые для их дальнейшего анализа вплоть до каждого ЭРИ в подсистеме АСОНИКА-ТМ.
Подсистема АСОНИКА-М включает в себя базу данных со справочными геометрическими, теплофизическими и физико-механическими параметрами конструкционных материалов.
Подсистема «АСОНИКА-Т» позволяет анализировать следующие типы конструкций: микросборки, радиаторы и теплоотводящие основания, гибридно-интегральные модули, блоки этажерочной и кассетной конструкции, шкафы, стойки, а также произвольные конструкции ЭА.
Подсистема дает возможность провести анализ стационарного и нестационарного тепловых режимов аппаратуры, работающей при естественной и вынужденной конвекциях в воздушной среде, как при нормальном, так и при пониженном давлении.
          При анализе произвольных конструкций определяются температуры выделенных изотермических объемов и выводятся графики зависимости температур от времени для нестационарного теплового режима
Подсистема АСОНИКА-Т включает в себя базу данных со справочными теплофизическими параметрами конструкционных материалов.
Подсистема АСОНИКА-ТМ позволяет анализировать печатные узлы ЭА и проводить расчет:
1) стационарного и нестационарного тепловых режимов как при нормальном, так и при пониженном давлении;
2) на следующие виды механических воздействий:

Подсистема имеет специальный графический интерфейс ввода конструкции печатного узла.
В результате моделирования могут быть получены:
1) зависимости ускорений от частоты и времени в контрольных точках конструкции;
2) максимальные температуры, ускорения и напряжений участков печатных узлов и электрорадиоизделий;
3) формы колебаний печатных узлов на собственных частотах;
4) карты тепловых и механических режимов электрорадиоизделий.
Подсистема АСОНИКА-ТМ имеет интерфейс с системой P-CAD: автоматически считываются координаты расположения всех ЭРИ на плате.
Подсистема АСОНИКА-ТМ включает в себя базу данных со справочными геометрическими, теплофизическими и физико-механическими параметрами ЭРИ  и конструкционных материалов.
Подсистема «ВИБРОЗАЩИТА» предназначена для анализа механических характеристик конструкций шкафов, стоек и блоков ЭА, установленных на виброизоляторах, при воздействии гармонической вибрации, случайной вибрации, ударных нагрузок, линейного ускорения, при воздействии акустических шумов и для принятия решения на основе полученных механических характеристик с целью обеспечения стойкости аппаратуры при механических воздействиях. Подсистема имеет специальный графический интерфейс ввода конструкции на виброизоляторах.
Подсистема позволяет осуществлять идентификацию параметров виброизоляторов, а также оптимизацию их параметров с целью снижения нагрузок на конструкцию.
В результате моделирования могут быть получены зависимости ускорений конструкции на виброизоляторах от частоты и времени.
Подсистема «ВИБРОЗАЩИТА» включает в себя базу данных со справочными параметрами виброизоляторов.
Подсистема АСОНИКА-Р предназначена для облегчения и ускорения процесса заполнения карт рабочих режимов ЭРИ. В подсистему заложены все возможные формы карт рабочих режимов последней редакции РДВ.319.01.09-94 (2000 года).
Результаты работы подсистемы - заполненные карты режимов ЭРИ - автоматически конвертируются программой в текстовый процессор WORD, где они могут быть отредактированы и распечатаны.
          Подсистема имеет необходимую базу данных, где находится информация о предельных значениях параметров ЭРИ, взятая из нормативно - технической документации  (НТД).
          Подсистема автоматически заносит информацию для каждого ЭРИ из базы данных в карты режимов в колонки «По НТД»
          При верстке карты автоматически осуществляется сравнение значений параметров «В схеме» со значениями «По НТД». Значения «В схеме» выделяются красным цветом, если они превышают значения «По НТД».
          Подсистема имеет встроенный конвертор для выходных файлов AUTOCAD  и P-Cad, с помощью которого перечни ЭРИ автоматически считываются программой.
          Подсистема имеет встроенный конвертор для выходных файлов подсистемы АСОНИКА-ТМ, с помощью которого ускорения и температуры ЭРИ автоматически считываются программой.
          Подсистема имеет встроенный конвертор для выходных файлов системы моделирования электрических схем PSpice, с помощью которого электрические характеристики ЭРИ автоматически считываются программой.
В качестве приложения к подсистеме АСОНИКА-Р поставляется программа «СИНХРОНИЗАЦИЯ». Программа позволяет решать следующие задачи:

На территории РФ данная система аналогов не имеет и разрабатывается впервые. По зарубежным аналогам информация в открытой печати отсутствует.
Данный проект направлен прежде всего на то, чтобы ликвидировать недостаток квалифицированных кадров на предприятиях России, способных решать следующие задачи: 1) комплексное моделирование взаимосвязанных разнородных физических процессов в схемах и конструкциях ЭА; 2) системное обучение инновационной исследовательской деятельности в области моделирования высоконадежной ЭА; 3) выявление системных отказов, возникающих при взаимодействии наложенных друг на друга нескольких физических процессов; 4) использование в учебном процессе мотивационных механизмов и психологических аспектов восприятия и обучения принципам инновационной исследовательской деятельности, позволяющее снять психологические барьеры, связанные с восприятием новой информации при обучении моделированию, значительно сократить сроки обучения и повысить его эффективность.
Реализация описанной интеграции положила начало развитию и внедрению CALS-технологий на предприятиях радиоэлектронной и приборостроительной отраслей. Практические и инновационные результаты работы состоят в следующем. Интеграция программных продуктов позволяет осуществить сквозное автоматизированное проектирование радиоэлектронной аппаратуры на основе комплексного моделирования физических процессов. Язык интерфейса пользователя с программами является максимально приближенным к языку разработчика ЭА. На освоение предлагаемых программ требуется сравнительно малое время. При их внедрении достигается достаточно быстрая скорость решения задач моделирования и значительная экономия материальных средств за счет сокращения количества испытаний. Повышается надежность и качество ЭА, проектируемой на основе предлагаемой интегрированной САПР.
Конкретным инновационным решением является то, что впервые в комплексе решаются 3 основные проблемы, существующие при разработке современной радиоэлектронной аппаратуры:  1) проблема предотвращения возможных отказов при эксплуатации на ранних этапах проектирования за счет комплексного моделирования разнородных физических процессов; 2) проблема сокращения сроков и затрат на проектирование за счет доступности разработчику аппаратуры предлагаемых программных средств и адекватности результатов моделирования; 3) проблема автоматизации документооборота и создания электронной модели изделия за счет интеграции предлагаемых программных средств в рамках PDM-системы хранения и управления инженерными данными и жизненным циклом изделия (аппаратуры).
В настоящее время программный комплекс внедряется на таких ведущих предприятиях России, как:
1. Ракетно-космическая корпорация «Энергия» (наукоград Королев).
2. ОКБ Ижевского радиозавода.
3. Государственный НИИ приборостроения (Москва).
4. КБ ИГАС «Волна» (Москва) и др.
Внедрение данного программного комплекса позволяет получить значительную экономию материальных средств за счет сокращения количества испытаний при внедрении предлагаемого программного обеспечения.
Например, КБ ИГАС "Волна" (г. Москва) только в 2004 году, используя результаты данной работы при проектировании системы управления подводной лодки, сэкономила порядка 30 миллионов рублей на изготовлении опытных образцов и проведении испытаний при параллельном сокращении сроков проектирования на 1 год.
Актуальность работы для системы образования обусловлена отсутствием в вузах и на предприятиях Российской Федерации средств обучения и программного обеспечения, необходимых для подготовки и переподготовки кадров, способных осуществлять инновационную исследовательскую деятельность на основе комплексного компьютерного моделирования физических процессов, обеспечивая высокие показатели надежности и качества ЭА. Жесткие условия эксплуатации современной ЭА, сжатые сроки проектирования, ограниченное финансирование научно-исследовательских работ требуют обязательного внедрения инноваций для обеспечения высокой надежности ЭА. Эффективное решение данной задачи возможно только на основе применения систем автоматизации научных исследований и проектирования, так как надежность РЭА зависит от условий протекания физических процессов (электрических, тепловых, механических при воздействии вибраций, ударов, линейных ускорений, акустических шумов, аэро- и гидродинамических при использовании систем охлаждения). Результаты данной работы направлены прежде всего на то, чтобы ликвидировать недостаток квалифицированных кадров на предприятиях, способных решать вышеперечисленные задачи.
Разрабатываются программные средства системного обучения инновационной исследовательской деятельности при автоматизированном проектировании, комплексном компьютерном моделировании и технологической подготовке производства высоконадежной радиоэлектронной аппаратуры в рамках новейших CALS-технологий, необходимых для подготовки и переподготовки кадров в области управления инновациями и коммерциализации технологий.
К работе над проектом были привлечены студенты и аспиранты, которые в настоящее время занимаются научно-исследовательской работой по направлению компьютерного моделирования радиоэлектронной аппаратуры и CALS-технологий в рамках Владимирского регионального научного центра CALS-технологий «ИННОВАЦИЯ» (руководитель профессор Шалумов А.С.) при Владимирской областной общественной организации «Союз молодых ученых» (председатель Правления профессор Шалумов А.С.).
За работу «Разработка научных основ, создание и внедрение автоматизированных систем комплексного математического моделирования физических процессов в радиоэлектронных средствах» в 2001 году присуждена  премия  Правительства Российской Федерации в области науки и техники. В основу была положена система АСОНИКА.
Владимирским региональным научным центром CALS-технологий «ИННОВАЦИЯ» за создание интегрированной системы автоматизированного проектирования и комплексного компьютерного моделирования высоконадежной радиоэлектронной аппаратуры в рамках CALS-технологий получено 12 дипломов Всероссийских и Международных конкурсов научных работ студентов и аспирантов, в том числе, например, престижного конкурса «Компьютерный инжиниринг». Научный проект по данной теме признан лучшим в области информатики и математики на Международной выставке «ЭКСПО - НАУКА - 2003». Данный проект на Всероссийской выставке НТТМ – 2004 занял 1-е место по направлению математики и информатики и удостоен золотой медали ВВЦ.
На V Московском Международном салоне инноваций и инвестиций, который проходил 15 - 18 февраля 2005 г. во Всероссийском выставочном центре данный проект в конкурсе инновационных проектов получил серебряную медаль и диплом за подписью министра образования и науки РФ Фурсенко А.А.
Система АСОНИКА  - это первая российская автоматизированная система моделирования, которая рекомендуется специальным руководящим документом Министерством обороны РФ для замены испытаний электронной аппаратуры на ранних этапах проектирования, что позволяет создавать конкурентоспособную аппаратуру в минимальные сроки и с минимальными затратами (РДВ 319.01.05-94, ред.2-2000. Руководящий документ. Комплексная система контроля качества. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Принципы применения математического моделирования при проектировании/ Ю.Н. Кофанов, А.С. Шалумов, А.И. Андреев, В.Г. Журавский, В.В. Гольдин, Ю.И. Степанов, А.А. Борисов. - М.: 22-й ЦНИИИ МО РФ, 2000. - 57с.).
В результате внедрения разработанной методологии системного обучения удалось бы осуществить следующее:
1. Развитие на базе Владимирского филиала Российской академии государственной службы при Президенте РФ, Владимирского регионального научного центра CALS-технологий «ИННОВАЦИЯ», Московского государственного института электроники и математики, КБ ИГАС «Волна» межрегиональной инфраструктуры научно-инновационной деятельности высшей школы в образовательной и научно-технической сферах за счет внедрения в учебный процесс вузов Владимирской и Московской областей программных средств системного обучения инновационной исследовательской деятельности при автоматизированном проектировании, комплексном компьютерном моделировании и технологической подготовке производства высоконадежной ЭА в рамках новейших CALS-технологий.
2. Распространение программных средств системного обучения инновационной исследовательской деятельности при автоматизированном проектировании, комплексном компьютерном моделировании и технологической подготовке производства высоконадежной ЭА в рамках новейших CALS-технологий в вузах других регионов Российской Федерации.

 

 

"", 6, 2008 .