Анализ проблем в области автоматизированного проектирования и расчета электрических схем

NovaInfo 39
Опубликовано
Раздел: Технические науки
Просмотров за месяц: 1
CC BY-NC

Аннотация

Продвижение методологий, алгоритмов и инструментов систем автоматизированного проектирования (САПР) становится все более актуальным, чтобы справиться с быстро растущей сложностью конструкций, высокими требованиями производительности и при этом сократить трудозатраты до минимума для более коротких сроков выхода на рынок. Практически каждому радиолюбителю, электрику и радиоспециалисту приходится чертить схемы или их фрагменты и производить множество весьма сложных расчетов различных параметров электрических систем. В этой статье описаны наиболее популярные программы, которые предназначены для автоматизации процессов проектирования и расчета электрических схем. Графические редакторы позволяют сохранять схемы в удобочитаемом виде. Польза от применения этих программ радиоспециалистами и студентами различных курсов очевидна.

Ключевые слова

MATLAB С SIMULINK, CADSTAR EXPRESS, EAGLE, SPLAN, ЭЛЕКТРИК, САПР

Текст научной работы

Переоценить важность схем в электрорадиотехнике невозможно. Это тоже самое, что и, например, UML-диаграммы в проектировании программного обеспечения: без них просто нельзя будет сделать ничего серьёзного. И, если попытаться отремонтировать что-то из электроники без схемы, шанс есть, то создать что-то новое вряд ли получится. Где-нибудь, хотя бы вчерне, вам все равно придется составить некое подобие чертежа, т.е. схемы предлагаемого решения. И, хотя документом это назвать нельзя, но для получения необходимого результата и сверки такой чертеж очень пригодится.

Конечно же, есть довольно умные люди, которые смогут сделать, к примеру, монтаж электропроводки квартиры и безо всяких схем. Несомненно, они должны обладать обширными знаниями в электротехнике, хорошей памятью и большим опытом работы. Предположим, что такой человек есть, он выполнил свою работу и исчез, не оставив после себя совсем никаких чертежей. Что будет делать другой специалист, если в этом доме появятся проблемы с электропроводкой? Найти того самого способного монтажника будет проблематично. Вдруг он уехал из города или просто занят и не может нам помочь? Другой электрик не сможет без электросхемы сделать ничего путного, и вряд ли поможет хоть как-то разобраться с проблемой.

Что же из себя представляют схемы, и каково их основное назначение в электротехнике? В общепринятом смысле схемой можно назвать конструкторский документ, в котором все составные части изделия, т.е. его элементы и связи между ними, обозначаются символично, без соблюдения масштаба. Электрическая схема — это документ, составленный в виде условных изображений или же обозначений составных частей изделия, работающих при помощи электрической энергии. Электрические схемы являются разновидностью схем изделия. Таким образом, электрическая схема позволяет знающему человеку быстро разобраться во всех особенностях электроустановки. Благодаря схеме мастер может:

  • производить монтаж установки в соответствии с электрической схемой;
  • выполнять сверку со схемой при монтаже и пусконаладочных работах;
  • выполнить диагностику и ликвидировать поломку при ремонтных работах.

Существует несколько типов электрических схем, основные из них:

  • принципиальные;
  • структурные;
  • функциональные;
  • монтажные.

Наиболее распространенный из всех типов электрических схем — это принципиальные схемы. Основное предназначение таких схем дать детальное представление о принципах работы цепи или какого-то определенного её участка. На такой схеме условными обозначениями показаны все электрические аппараты, элементы и устройства с учетом реальной последовательности их работы.

Монтажная схема, или как её еще называют схема соединений, демонстрирует реальное расположение компонентов как внутри, так и снаружи объекта, а также связи между ними — провода и электрические кабели. В этих схемах применяются буквенно-цифровое обозначение всех элементов электрической цепи и нумерация кабелей и проводов. После монтажа электроцепи нумерация наносится на провода при помощи цифровых маркеров или бирок. Монтажная схема применяется для непосредственного проведения работ или для изготовления объекта. Примером подобной схемы может быть схема трубной разводки с указанием реального расположения труб и всеми необходимыми размерами для их установки.

Помимо электрических монтажных и принципиальных схем распространены функциональные и структурные схемы. Они помогают разобраться с общим принципом действия какого-либо сложного оборудования или отдельных элементов. Главное отличие функциональной схемы от структурной заключается в том, что функциональная схема объясняет процессы, которые протекают в цепи, т.е. объясняется принцип работы устройства, а на структурной схеме определяются и обозначаются основные функциональные части устройства. Как правило, на первом этапе проектирования разрабатываются именно структурные схемы.

В зависимости от выбранного типа, схема может предоставлять технические сведения о приборе и принципе его работы различной полноты. При этом для понимания и выбора решения, как правило, достаточно схем двух различных типов.

Однако, если человек не может читать электрические схемы, то её наличие само по себе ничего не дает. Чтобы разобраться и получить важные сведения, необходимо иметь знания об основных понятиях и обозначениях, используемых на этой схеме: наиболее распространенных условных обозначениях ламп, обмоток, трансформаторов, контактов, выпрямителей, двигателей и других элементов цепи. Так же важно наличие сведений о свойствах последовательного и параллельного соединений контактов, обмоток, емкостей, индуктивностей и сопротивлений, а также условные обозначения наиболее распространенных узлов электроустановок, например, выпрямителей, двигателей, газоразрядными, освещения лампами накаливания и т. д.

То есть, мало иметь чертеж, нужно также обладать познаниями в соответствующей предметной области.

Анализ существующих систем автоматизированного проектирования электрических схем

Каждому электрику, радиолюбителю и радиоспециалисту приходится проводить множество трудных расчетов всяческих свойств электрических систем и чертить электрические схемы или их фрагменты. На такого рода работу тратится очень большое количество сил и времени. Это стало причиной создания специальных программ для электриков, главная задача которых состоит в упрощении работы и снижении временных затрат на выполнение различных расчетов и вычерчивание схем. Конечно, есть возможность уменьшить время, затраченное на проектирование и без автоматизации процесса — за счет понижения качества проектных решений или увеличения стоимости проекта. Нельзя требовать от мастера качественный продукт в кратчайшие сроки. При таких условиях решения принимаемые мастером могут оказаться неудовлетворительными, а времени для проведения дополнительных работ уже не останется. Гораздо удобнее, понятнее и проще составить проект электропроводки дома на ПК, используя специальный программы. Основная проблема заключается в том, что далеко не все программы просты в освоении, и, впервые наткнувшись на неудобную и к тому же коммерческую версию ПО, большая часть мастеров старой закалки просто отказываются от современных методов моделирования электрических схем. Имеется множество различных программ для электриков, которые в значительной степени облегчают работу, автоматизируя некоторые аспекты.

Ниже рассмотрены некоторые из этих программ и их функции.

sPlan

sPlan представляет из себя простой в освоении и очень удобный графический редактор для автоматизированного проектирования принципиальных схем, которым пользуются многие радиолюбители.

Основные достоинства программы sPlan:

  • обширная библиотека готовых стандартных электронных компонентов;
  • относительно маленький размер;
  • не перегружает систему;
  • существует portable-версия программы, которая не нуждается в установке на компьютер и может работать с флеш-накопителя.

sPlan широко применяется как студентами в процессе обучения, так и профессиональными инженерами в работе.

В этой программе установлено колоссальное количество элементов электропродукции. В программе sPlan любой отыщет для себя нужные ему элементы для изображения той или иной схемы. Создание схемы в программе sPlan происходит довольно быстро и без особых усилий: достаточно выбрать нужный элемент и просто переместить его в область схемы (рис. 1).

Кроме вышеупомянутых достоинств данной программы следует отметить ещё одно — возможность печати больших форматов на простом домашнем принтере. То есть имеется возможность разбить чертеж в формате A1 на несколько листов формата A4 и потом их склеить. Такая функция весьма полезна для тех, у кого нет оборудования для печати больших форматов.

Однако данная программа распространяется на коммерческой основе. Большая часть элементов из библиотек выполнена не по отечественному стандарту. Так же этот программный продукт не предоставляет возможность выполнять расчеты различных физических свойств электрических систем. Помимо всего этого официальной русской версии не существует.

Рабочий стол программного продукта sPlan.
Рисунок 1. Рабочий стол программного продукта sPlan

Eagle

Программный комплекс Eagle предназначен для черчения электрических схем и трассировки печатных плат электронных устройств. Данный программный пакет позволяет не только рисовать однолинейные схемы электроснабжения, но и автономно создавать чертеж печатной платы. Что касается последнего, то черчение можно осуществлять как вручную, так и в автоматическом режиме. Программный пакет Eagle состоит из 3-х основных компонентов:

  1. Компонент Autorouter, предназначенный для автоматической трассировки печатной платы;
  2. Компонент Schematic Module, предназначен для черчения электронных схем используя стандартные элементы;
  3. Компонент Layout Editor, позволяющий вручную создать чертеж печатной платы.

Eagle (рис. 2) содержит обширную библиотеку готовых элементов с небольшим описанием, логические модули и удобный редактор элементной базы, проверяющий подключение и расположение компонентов на плате. Из преимуществ Eagle над другими подобными программами специалисты отмечают возможность отката событий на любое количество шагов назад, мощный скриптовый язык, отсутствие проблем при работе на старых компьютерах и наличие драйвера для вывода результата на принтер или плоттер.

Рабочий стол программного продукта Eagle
Рисунок 2. Рабочий стол программного продукта Eagle

Программа Eagle также имеет и бесплатную версию. Недостаток представленного программного пакета в том, что он рассчитан на англоязычного пользователя, официального русификатора нет. И хотя в интернете встречаются неофициальные русификаторы от сторонних разработчиков, они не могут гарантировать работоспособность программы после установки и полноту перевода.

CADStar express

Данное программное обеспечение является бесплатным вариантом более «продвинутой» CADSTAR — весьма мощного комплекса автоматизированного проектирования, созданный фирмой Zuken.

Система автоматизированного проектирования CADSTAR имеет модули для проектирования схем и поддерживает сквозной маршрут разработки печатных плат, размещения и автоматической их трассировки, подготовки технологической и конструкторской документации, электромагнитной совместимости и анализа целостности сигналов, трехмерного анализа результатов работы в механическом окружении. Программный комплекс CADSTAR Express (рис.3) создан только с целью ознакомить вероятных пользователей с основными возможностями продукта CADSTAR, т.к. включает в себя главные возможности, имеющиеся в полнофункциональной версии. Вместе с тем бесплатная версия имеет ряд ограничений: число контактных площадок не превышает 300 штук, а число компонентов не более 50.

Программное обеспечение CADSTAR Express выполнено на английском языке, официального русификатора к нему не существует. Так же CADSTAR Express работает только в операционных системах семейства Windows.

Рабочий стол программного продукта CADStar express
Рисунок 3. Рабочий стол программного продукта CADStar expre

Matlab с Simulink

Matlab с Simulink (рис. 4) является одной из популярных программ для составления электрических схем. Данная графическая среда имитационного моделирования предлагает возможность не только составить схему, но и проверить ее работоспособность, задав параметры расчетов. Данный программный продукт позволяет создавать не только электрические, но и радиосхемы. Каждый элемент находится в соответствующем разделе, необходимо только поместить один из них на рабочий лист и соединять их проводниками.

Главная проблема программного комплекса: подобрать подходящую версию для каждой операционной системы. Нужно очень сильно постараться, чтобы установить ее на ноутбук с ОС Windows 7. Неподготовленному пользователю будет сложно в этом разобраться, да и вряд ли рядовой электрик захочет вникать в данную проблему.

Рабочий стол Мatlab с simulink
Рисунок 4. Рабочий стол Мatlab с simulink

Программа "Электрик"

Многофункциональная программа «Электрик» служит для расчетов и проектирования электросетей. Возможности данной программы очень широкие, например, программа позволяет:

  • определить номинальный ток и мощность по заданному сечению проводника с учетом способа прокладки, а также иных условий;
  • выполнить расчет потери напряжения;
  • по заданным параметрам определить требуемое сечение шнура, спецкабеля, провода и кабеля;
  • проверить выбранное сечение на: корону; потери напряжения; экономическую плотность тока; нагрев;
  • рассчитать токи короткого замыкания;
  • произвести проверку выбранного кабеля по нескольким критериям;
  • вычислить заземляющий контур.

Благодаря интуитивно понятному интерфейсу (рис 5) и множеству полезных функций, программой «Электрик» может пользоваться не только профессионал, но также и обычный человек в домашних условиях.

В данной программе есть множество полезных функций, которые пригодятся не только инженеру, но и домашнему мастеру. К примеру, в представленном программном продукте есть возможность вычислить требуемое количество провода для прокладки электропроводки в квартире. Помимо выше перечисленного функционала следует упомянуть еще об одном достоинстве данной программы — она полностью бесплатна. Но эта программа только для расчетов спроектировать схему в ней нельзя.

Интерфейс программы "Электрик"
Рисунок 5. Интерфейс программы "Электрик"

Программа "Мобильный электрик"

Иногда у электрика нет возможности воспользоваться ноутбуком или персональным компьютером, а вот смартфон всегда с собой. Специально для таких случаев была разработана программа «Мобильный электрик», которая обладает множеством полезных функций для выполнения задач различной степени сложности. Эти функции будут полезны не только для профессионального электрика, но и для рядового домашнего мастера.

Благодаря программе «Мобильный электрик» (рис. 6) электрик может рассчитать необходимое сечение кабеля или провода, выбрать необходимый аппарат защиты, вычислить номинальный ток того или иного кабеля, рассчитать допустимый длительный ток для проводов и кабелей по таблицам правила устройства электроустановок и многое другое. Огромное превосходство этой программы над другими в том, что она всегда будет под рукой, и в нужный момент вы сможете с легкостью произвести расчет требуемого параметра. Существует версии программы как для операционной системы Android, так и для iOS. Программа «Мобильный электрик» представлена на английском, русском и украинском языках. Как и предыдущая программа, она не дает возможности проектировать электрические схемы. Также по сравнению с предыдущей программой она имеет куда меньшие количество возможностей. Так, например, нельзя произвести расчет требуемое количество провода необходимого для прокладки электропроводки в квартире.

Интерфейс программы "Мобильный электрик"
Рисунок 6. Интерфейс программы "Мобильный электрик"

Выводы

Подведем итог проведенного анализа программных средств для проектирования и расчета электрических схем. Формализуем сравнительный анализ, выбрав следующие критерии: мобильность, доступность, понятность, функциональность. Результаты анализа представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты анализа

Программа

Библиотека готовых элементов

Трассировка печатных плат

Проектирование печатных плат

Portable версии

Расчет физических свойств цепи

Русификация

Бесплатная

sPlan

+

-

-

+

-

-

+\- (есть бесплатная пробная версия)

Eagle

+

+

+

-

-

-

+\- (есть бесплатная пробная версия)

CADStarexpress

+

-

+

-

-

-

+

Matlab с Simulink

+

-

-

-

+

-

-

"Электрик"

-

-

-

+

+

+

+

"Мобильный электрик"

-

-

-

-

+

+

+\- (есть бесплатная версия)

Подводя итоги анализа можно сказать, что многие из рассмотренных программных продуктов не имеют русификатора и, следовательно, человек, плохо знающий иностранный язык, не сможет разобраться в том, как эта программа работает. Большая часть распространяется на коммерческой основе. А бесплатные версии этих программ не имеют многих необходимых функции. Например, в бесплатной версии Splan отключены такие важные функции как печать, сохранение и экспорт файлов. Некоторые программы, помимо черчения обычных схем, предлагают возможность сконструировать печатную плату. Как правило, программы ориентированы на какую-то одну основную задачу: либо проектирование, либо расчет. Matlab с Simulink попытались объединить в себе эти функции. Но поиск подходящей версии для версий операционных систем и очень неудобный интерфейс представляют большую проблему и значительно снижают положительный эффект от использования.

Читайте также

Список литературы

  1. Аббазова Р.А. Исследование проблем в области автоматизации управления узкоспециализированных малых предприятий [Электронный ресурс] / Р.А. Аббазова, О.Ф. Абрамова // Современная техника и технологии. - 2015. - № 1. - C. Режим доступа : http://technology.snauka.ru/2015/01/5601.
  2. Абрамова О.Ф. К вопросу о повышении эффективности функционирования тренажёрно-обучающих систем / О.Ф. Абрамова, М.Л. Цыганкова // Открытое и дистанционное образование. - 2014. - № 4. - C. 34-39.
  3. Безверхний И.Б. Программа для конструирования передних панелей FrontDesigner 3.0. Самоучитель // Электрик. — 2009.
  4. Габдулхакова Н.К. Исследование и разработка оптимального алгоритма функционирования системы электронного документооборота для малого предприятия [Электронный ресурс] / Н.К. Габдулхакова, О.Ф. Абрамова, О.В. Свиридова // Современные научные исследования и инновации. - 2014. - № 4. - C. Режим доступа : http://web.snauka.ru/issues/2014/04/32939 (дата обращения 08.04.2014).
  5. Цыганкова М.Л. Обзор проблем и возможные пути их решения в процессе проектирования и реализации тренажёрно-обучающих систем [Электронный ресурс] / М.Л. Цыганкова, О.Ф. Абрамова // Современная техника и технологии. - 2014. - № 6. - C. Режим доступа : http://technology.snauka.ru/2014/06/3699.
  6. http://www.sxemotehnika.ru/programmi-dlya-risovaniya-schem/cherchenie-elektricheskich-schem-v-programme-splan.html.
  7. http://jelektrik.by/jelektrika-spravochnik/411-populyarnye-programmy-dlya-elektrikov-kratkij-obzor.html.
  8. http://re-energo.ru/programmy-dlya-elektrikov-kratkij-obzor-naibolee-populyarnyx-programm/.
  9. http://uploadclubs35.fo.ru/blog/1/576514_%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D1%8B_%D0%94%D0%BB%D1%8F_%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2.
  10. http://cxem.net/software/cadstar_express.php.
  11. http://www.abacom-online.de/
  12. httр://www.ua4fn.fataI.ru /softs.htm
  13. http://hamradio.online.ru/ftp2/RusPlan50.zip

Цитировать

Абрамова, О.Ф. Анализ проблем в области автоматизированного проектирования и расчета электрических схем / О.Ф. Абрамова, С.А. Лащенов. — Текст : электронный // NovaInfo, 2015. — № 39. — URL: https://novainfo.ru/article/4086 (дата обращения: 19.01.2022).

Поделиться