АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ САПР В РАСЧЕТАХ
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Ковалев Алексей
Анатольевич
«Уральский
государственный университет путей сообщения», Россия
доцент, канд. техн. наук
тел. (343) 221-25-27
saprks@mail.ru
Головин Александр
Александрович
«Уральский
государственный университет путей сообщения», Россия
магистрант гр. ЭЭм-114,
инженер НИЛ «САПР КС»
Algolovin1993@mail.ru
Любую развитую страну мира немыслимо представить
себе без мощной электроэнергетики – одной из основных отраслей промышленности,
охватывающей производство электроэнергии, ее передачу, распределение и
потребление.
Современные энергетические системы состоят из
сотен связанных между собой элементов, влияющих друг на друга. Однако
проектирование всей системы от электростанций до потребителей с учетом
особенностей элементов с одновременным решением множества вопросов (выбора
ступеней напряжения, схем станций, релейной защиты и автоматики, регулирования
режимов работы системы, перенапряжений) нереально [1]. Поэтому общую глобальную
задачу необходимо разбить на задачи локальные, которые сводятся к
проектированию отдельных элементов системы: станций и подстанций; частей
электрических сетей в зависимости от их назначения (районных, промышленных,
городских, сельских); релейной защиты и системной автоматики и т. д. Однако
проектирование должно проводиться с учетом основных условий совместной работы
элементов, влияющих на данную проектируемую часть системы.
Намеченные проектные варианты должны
удовлетворять следующим требованиям: надежности, экономичности; удобства
эксплуатации; качества энергии и возможности дальнейшего развития.
Единая энергетическая система (ЕЭС) России
сформирована электрическими сетями напряжения 220-1150 кВ от Байкала до
Калининграда, общей протяженностью более 148 тыс. км.
Наличие протяженной ЕЭС позволяет использовать
максимумов нагрузки по часовым поясам суммарным эффектом до 8 млн.кВт [2].
Развитие системообразующей сети должно
осуществляться с использованием двух систем номинальных напряжений
110-220-500-1150 кВ на большей части территории России и 110-330-750 кВ в
западной части ОЭС Центра и ОЭС Северо-Запада.
В перспективной структуре электропотребления
планируют определять изменения соотношения между долей промышленного и
коммунально-бытового электропотребления. На производство единицы сопоставимой
продукции большинство российских заводов затрачивают в 2-3 раза больше энергии
и топлива, чем их зарубежные конкуренты.
Причинами является: изношенное оборудование
многих предприятий, низкий научно-технический уровень промышленности, особенно
в части энергосберегающих технологий, реконструкция энергооборудования должна
сочетать демонтаж устаревшего оборудования, замену его новым более экономичным
и экологически чистым, и продление сроков службы оборудования путем замены
выработавших свой ресурс узлов и деталей.
Серьезная проблема – это старение оборудования
электростанций и электрических сетей. Более 60 % оборудования эксплуатируется
свыше 15 лет, в том числе более 40 % свыше 25 лет. Срок службы части
электрических сетей превышает 30 лет.
Ухудшение
технического состояния системы электроснабжения − одна из основных причин
роста повреждений линий электропередачи (ЛЭП) и силового оборудования
подстанций. Реконструкция и модернизация элементов электроснабжения требует
огромных капитальных вложений, поэтому актуальной задачей остается выбор
оптимального варианта проектирования с заданной степенью надежности.
Для изучения условий работы и воздействия
внешних факторов на устройства электроэнергетики, а именно опор линий
электропередач (ЛЭП), выявления факторов сокращающих жизненный цикл опоры и
влияющих на безопасность при эксплуатационной работе была поставлена цель
оценить их надежность и рассмотреть известные решения по этому вопросу.
В результате проведенного анализа литературных
источников установлено, что системы автоматизированного проектирования (САПР)
начали появляться в 1970-х годах. САПР или CAD
(Computer-Aided Design) обычно
используются совместно с системами автоматизации инженерных расчетов и анализа CAE (Computer-aided
engineering). Данные из СAD-систем
передаются в CAM (Computer-aided manufacturing) – систему
автоматизированной разработки программ обработки деталей для станков с числовым программным управлением
(ЧПУ).
Под термином «САПР для машиностроения»
подразумеваются пакеты, выполняющие функции автоматизированного проектирования,
подготовку производства и конструирования, а также управление инженерными
данными.
Тенденции к появлению CAD-системы зародились в 1960-х годах. Именно тогда в компании General Motors была разработана
интерактивная графическая система подготовки производства, а в 1971-м ее
создатель – Патрик Хэнретти – основал компанию Manufacturing and Consulting Services (MCS), оказавшую огромное
влияние на развитие этой отрасли. По мнению аналитиков, идеи MCS составили основу почти 70 %
современных САПР [3].
Надежность
работы систем электроснабжения зависит от многих факторов: качества
проектирования и выполнения строительно-монтажных операций, ввода в действие и
грамотной эксплуатацией в различных режимах и атмосферно-климатических условиях
[4].
Основные
метеорологические факторы, влияющие на безаварийность работы, как контактной
сети, так и ЛЭП: гололедообразование, ветер и температура воздуха,
гололедно-ветровые аварии сопровождаются многочисленными обрывами проводов и
тросов, поломкой опор, массовыми отключениями воздушных линий всех классов
напряжения и нарушением электроснабжения, потребителей с соответствующим
ущербом.
Информационный поиск показал, что работниками
компании Solidworks проведены широкие
исследования условий работы устройств технических систем, а в частности
устройств систем электроснабжения.
Было установлено, что с помощью SolidWorks и AltiumDesigner становится возможным использовать основные принципы
по разработке сборочных чертежей электроаппаратуры и электроники, используя
модуль Circuit Works и SolidWorks. Для
поставленной задачи используется САПР AltiumDesigner.
Появляется возможность увидеть, как будет выглядеть устройство после монтажа электрорадиоэлементов
ЭРЭ. Затем можно получить модель печатной платы с установленными компонентами.
Таким образом, использование САПР, позволяет ускорить разработку конструкторской
документации и облегчить труд проектировщика.
Так же доказано, что с помощью САПР можно
создать реалистичные виды моделей (например, печатной платы с проводниками,
контактными площадками) [5] . Но в большинстве случаев для разработчиков важнее
сделать комплект документации, по которому будут собирать устройство.
Показывать топологию печатной платы для этого совсем не обязательно.
Circuit
Works
нужен для создания презентации устройства, а не для разработки его, поэтому
использование программного продукта для
создания сборочного чертежа устройства не является осмысленным шагом.
САПР применяется и для совместной подготовки
кадров, для конструкторских и технологических отделов предприятий
электроэнергетики, использования систем автоматизированного проектирования при
формировании электронного описания изделия, реализации проекта межотраслевого
ресурсного центра, разработки сетевой образовательной программы для
формирования профессиональных компетенций [6].
Современные системы автоматизированного проектирования
позволяют значительно ускорить процесс конструкторско-технологической
подготовки производства, предоставляя инженерам различные по сложности и
функциональному назначению возможности. Особенно широко рассмотрены
всевозможные графические и объемно-моделирующие программные продукты, с помощью
которых конструкторы в короткий срок разрабатывают чертежи и модернизируют
выпускаемую продукцию [6].
Представленная информация подтверждает
актуальность внедрения и применения систем автоматизированного проектирования
для конструкторских и технологических отделов предприятий электроэнергетики.
CAD/CAE/CAM
системы и системы класса PDM организовывают
параллельное проектирование – коллективный режим работы над проектом, когда
одновременно большое количество специалистов работает над различными частями и
стадиями проекта изделия как в рамках ОКБ, так и в рамках виртуальной
корпорации (с распределенными смежниками). Все это дает новое качество –
проектирование и изготовление превращается в виртуальную технологию изготовления компьютерного макета изделия [8].
Для решения поставленных задач при моделировании работы устройств
электроэнергетики актуально использовать CAD систему среднего класса − программный продукт
SolidWorks 2013 Premium [9].
С помощью CAD/CAE/CAM систем можно проводить анализ различных материалов и
прогнозировать их поведение под теми или иными нагрузками при воздействии
внешних факторов, что помогает опробовать новые конструктивные решения и
провести простейшие испытания без создания опытного образца и использования
дорогостоящих испытательных лабораторий. В дальнейшей работе принято решение
использовать программный
продукт SolidWorks, который содержит все
необходимые инструменты для моделирования и проведения термических и
механических испытаний элементов ЛЭП.
Применение CAD/CAE/CAM систем при испытании
устройств систем электроснабжения − это осмысленный шаг для выбора оптимального варианта линии с заданной степенью надежности на
ранних этапах проектирования.
Литература:
1.
Блок
В. М. Электрические сети и системы. – М.: Высшая школа, 1986 – 430 с.
2.
«Энергия»
журнал №14 ,. М. « Энергия», 2006 – 75с.
3.
Политов В. Системы автоматизированного
проектирования // Электронный журнал «Умное производство» – № 27. От 09.2104
URL : http:// www.umpro.ru (дата обращения: 7.10.2014).
4.
Электронный ресурс. Высшая математика,
физика, теория электрических цепей, механизмов и машин. – URL :
http://fizses.ru (дата обращения 15.03.2014).
5.
Душевин
А. Разработка документации для электроники с помощью SolidWorks и
AltiumDesigner // Электронный журнал «SolidWorks». – URL : http://solidworld.ru/ (дата обращения 18.11.2014).
6.
Петрова Е.В.. Особенности внедрения
профессионального модуля «САПР ТП в энергетике» // Электронный ресурс
– URL : http://pk-41.ru/ (дата обращения 19.11.2014).
7.
Рубин Д. О. Расчет и построение эвольвенты,
сопряжение и анимация пары шестерен (зубчатая передача) // Электронный журнал
«SolidWorks». – URL : http://solidworld.ru/ (дата обращения 19.11.2014).
8.
Галкин А.Г., Ковалев А.А. Системы автоматизированного
проектирования: 190401
– «Электроснабжение железных дорог». – Екатеринбург: УрГУПС, 2009. – 92 с.
9.
Официальный русскоязычный сайт программных
продуктов SolidWorks. – URL :
http://www.solidworks.ru (дата обращения: 10.03.2014)