Анализ применения современных CAD/CAM/CAE-систем в нефтегазовых отраслях

Анализ информационных технологий, применяемых при автоматизации проектных и чертежно-конструкторских работ, не будет полным без рассмотрения CAD/CAM/CAE-систем.

CAD-системы (computer-aided design - компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования - САПР). Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т. д.). В свою очередь, САМ-системы (computer-aided manufacturing - компьютерная поддержка строительства) предназначены для проектирования обработки объектов и изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). САМ-системы еще называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В САМ-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

САЕ-системы - (computer-aided engineering- поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа имоделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин. В САЕ-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. САЕ-системы еще называют системами инженерного анализа.

За почти 30-летний период существования CAD/CAM/CAE-систем сложилась их общепринятая международная классификация:

· чертежно-ориентированные системы, которые появились первыми в 70-е гг. (и успешно применяются в некоторых случаях до сих пор);

· системы, позволяющие создавать трехмерную электронную модель объекта, которая дает возможность решения задач его моделирования вплоть до момента строительства;

· системы, поддерживающие концепцию полного электронного описания объекта (EPD - ElectronicProduct Definition).

Как отмечалось выше, EPD - это технология, которая обеспечивает разработку и поддержку электронной информационной модели на протяжении всего жизненного цикла объекта, включая маркетинг, концептуальное и рабочее проектирование, технологическую подготовку, производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию. Вследствие разработки EPD-концепции и появились основания для превращения автономных CAD-, САМ- и САЕ-систем в интегрированные CAD/CAM/CAE-системы.

Традиционно существует также деление CAD/CAM/CAE-систем на системы верхнего, среднего и нижнего уровней. Следует отметить, что это деление является достаточно условным, т. к. сейчас наблюдается тенденция приближения систем среднего уровня (по различным параметрам) к системам верхнего уровня, а системы нижнего уровня все чаще перестают быть просто двумерными чертежно-ориентированными и становятся трехмерными.

Примерами CAD/CAM-систем верхнего уровня являются PDS, PDMS, Pro/Engineer, Unigraphics, CATIA, I-DEAS.

Необходимо заметить, что за последние годы CAD/CAM/CAE-системы прошли путь от сравнительно простых чертежных приложений до интегрированных программных комплексов, обеспечивающих поддержку всего цикла разработки, начиная от эскизного проектирования и заканчивая технологической подготовкой производства, испытаниями и сопровождением.

В CAD/CAM/CAE - комплексах, как и в любых других сложных многокомпонентных и многоцелевых системах, важнейшим показателем является архитектура (организация) ядра. Это сердце системы: именно архитектура ядра определяет наращиваемость функциональных возможностей и размерность решаемых задач.

По принципам организации ядра абсолютно все системы автоматизированного проектирования подразделяются на две группы (рис. 13).

Рис. 13. Распределение интегрированных программных продуктов поддержки автоматизированного проектирования на две группы

К первой группе относятся системы, сохраняющие объектную информацию проекта в файловой структуре. Для хранения, как правило, используются популярные графические форматы DWG, DGN и их модификации. На принципах «файловой» архитектуры работают такие системы, как CADPIPE (AEC Design Group), CADWorx (COADE), AutoPLANT (Bentley/Plant - бывш. Rebis), PlantSpace (Bentley - бывш. Jacobus) и многие другие, в том числе новейшая разработка - Autodesk Building Systems.

Вторая группа, называемая Database Driven Systems (DDS), объединяет системы, сохраняющие информацию проекта в централизованном (едином) хранилище базы данных. К этой группе относятся система PDS (Intergraph), система PDMS (AVEVA - бывш. CADCENTRE), признанная многими экспертами самым мощным из существующих на сегодня решений, и известный своей открытой архитектурой PLANT-4D (CEA Technology).

Первая группа программ использует графические форматы САПР-платформ для хранения геометрической, топологической и прочих составляющих модели объекта. Такой возможностью обладают Autodesk Building Systems, CADWorx, CADPIPE, AutoPLANT, PlantSpace, а также десяток других средних и небольших систем.

Модель объекта в нефтегазовой отрасли представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из множества элементов, деталей и технологических связей. А надежность и управляемость, как известно, обратно пропорциональны количеству задействованных в модели компонентов. Именно поэтому чем крупнее проект по размеру, по масштабу решаемых задач и чем больше он фрагментирован по файлам, тем хуже этот проект контролируется в системе первой группы, тем тяжелее увязываются отдельные его фрагменты.

Графические форматы (DWG или DGN) в первую очередь призваны оперировать геометрическими фигурами, геометрическими телами и параметрическим описанием геометрических характеристик, а необходимая технологическая и производственная информация присутствует лишь как дополнительный атрибут к геометрии.

Второстепенность технологической информации в файлах графических систем порождает проблему доступа к такой информации. Безусловно, когда речь идет о модели, состоящей из десяти-пятнадцати элементов, замедлением при обработке технологической информации можно пренебречь, но как только фрагментация достигает десятка или сотни тысяч элементов, сложности управления, стыковки и интерпретации информации становятся очевидными.

Кроме ограничений по размерности модели, файловое хранение информации делает крайне трудной, а то и попросту невозможной интеграцию с АСУП, АСУТП и другими системами эксплуатации и управления жизненным циклом объекта.

Именно эти особенности файлового хранения жестко ограничивают применимость систем проектирования «файловой» группы: они вполне применимы и хороши, если ранг проектных задач ограничивается, допустим, небольшими технологическими установками, локальными реконструкциями или ремонтными работами.

В качестве примера таких систем приведем систему Autodesk Building Systems, которая стала наиболее удачным инструментом решения задач такого ранга на платформе AutoCAD. К основным достоинствам такой CAD-системы можно отнести: насыщенную функциональность (строительная часть, трубопроводы и оборудование различного назначения, воздуховоды, вентоборудование, кабельные трассы), внятный интерфейс, очень высокий уровень контроля поведения объектов и оптимальная цена.

Что касается второй группы, то идея сохранения данных проекта в едином хранилище базы данных возникла очень давно, но все упиралось в возможности аппаратного обеспечения. Современные технические средства, составляющие основу технического обеспечения САПР нефтегазовых объектов, в полной мере удовлетворяют потребности данной технологии и полномасштабно ее реализуют.

Комплексные системы проектирования объектов нефтегазовой отрасли сегодня используют именно технологию хранения модели в БД (табл. 4).

Таблица 4

Системы компьютерной поддержки проектирования второй группы

Сохранение модели (проекта) в базе данных обеспечивает контроль и управляемость всеми данными проектируемого объекта. Когда наиболее трудоемкая работа - управление данными - переложена с САПР-платформы на СУБД, происходит вполне логичное перераспределение задач.

САПР-платформа выполняет операции управления геометрической моделью: отображение и редактирование трехмерной модели, формирование чертежей, оформление проектной документации и т.д.

СУБД (как правило, применяется Microsoft SQL Server или Oracle) занимается своей работой: исполняет запросы к модели (ко всей, а не к фрагментам), классифицирует и упорядочивает данные модели, сохраняет технологические характеристики и связи, организует коллективную работу над единым проектом и обеспечивает все возможности механизмов СУБД.

Еще одним важным преимуществом систем проектирования нефтегазовых объектов, работающих на основе баз данных, является возможность применения модели объекта на всем его жизненном цикле. Говоря о единой модели проекта, контроле и высокой управляемости данных, следует упомянуть, что при проектировании объектов ни одна из существующих САПР-платформ, в том числе AutoCAD и MicroStation, не может хранить модель иначе чем в файловой структуре. Самое большее, на что самостоятельно способны САПР-платформы и системы с файловой структурой проекта, - это преобразовывать (сохранять) элементы геометрии и их атрибуты в форматированные записи БД. Причем операции сохранения являются разовыми и, конечно, ничем не способствуют решению задач проектирования объектов и управления проектным процессом. Что касается PDS и PLANT-4D, то они используют САПР-платформы для графического отображения модели, но сама сущность модели и все данные сохраняются в БД.

Таким образом, переход с одной платформы на другую не обеспечивает единство модели объекта: единое хранение единой модели возможно только на основе СУБД.

Системы проектирования, работающие на основе файловой структуры, способны повысить качество лишь отдельного фрагмента проектной задачи. Решать же задачи проектирования промышленных объектов в целом, в комплексе, по силам лишь системе, работающей на основе баз данных. При этом задача может быть практически любой размерности и сложности: от простого байпаса до морских нефтегазодобывающих сооружений и платформ. Ориентируясь на такую систему, обеспечивается сохранность проектов вне зависимости от старения графических форматов данных, появления или исчезновения тех или иных САПР-платформ.

Современные системы инженерных расчетов (CAE-системы) входят в состав интегрированных программных решений по автоматизированному проектированию объектов. Так, например, трехмерная модель трубопровода, выполненная в PLANT-4D или PDS, рассчитывается мощным зарубежным пакетом CAESAR II. Этот расчетный модуль позволяет осуществить статический и динамический расчет прочности и жесткости трубопровода с соблюдением соответствующих зарубежных норм и правил.

Интеграция CAD-систем (PLANT-4D, PDS, Vantage PDMS) с CAE-продуктами (AutoPipe Plus, PlantFlow, MechaniCS, СТАРТ) позволяет проектировать трубопроводные системы и объекты c учетом номенклатуры изделий, выпускаемых отечественной промышленностью, оформлять чертежи с соблюдением норм ЕСКД и рассчитывать трубопроводы по СНиП 2.05.06-85, РД 10-249-98 и РТМ 38.001-94.