化工设备CAD系统的实现模式

第 4 5卷第2期 2 0 0 8年 4月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N T&P I P I N G Vo 1 45 No 2 Ap r 2 00 8 化工设备 C A D系统的实现模式 曹文辉 ( 中国石化集 团上海工程有 限公 司 ， 上海2 0 0 1 2 0 ) 摘要： C A D是一种应用软件 ， 在建立一个C A D系统之前， 必须作全面的考虑和规划， 以选择一个恰当的系统实现 模式 来满足其性 能要 求。对化工设备 C A D 系统 的性 能要 求、 软硬件 选择 、 系统 的模 型和 结构选择 等诸方 面进 行讨 论 ， 并对 已经开发 完成的一 个化 工设备 C A D施工 图软件( P V C A D) 的 实现模 式作 一介 绍。 关键词 ：化Y - 设备 ； 计算机辅助设计 ； P V C A D 中图分类号 ： T Q 0 5 0 2 文献标 识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 9 3 2 8 1 ( 2 0 0 8 ) 0 2 - 0 0 1 5 - 0 4 Ex e c ut i o n M o d e o f CAD S y s t e m f o r Pr o c e s s Eq ui p m e n t Cao W e n hui ( S I N O P E C S h a n g h a i E n g i n e e r i n g C o ， L t d ， S h a n g h a i 2 0 0 1 2 0 ) Ab s t r a c t CAD i s a ki n d o f a pp l i c a t i o n s o f t wa r e Be f o r e t he d e v e l o pme n t o f a CAD s y s t e m ， t h e c o mp l e t e c o n s i d e r a t i o n a n d p l a n s h o u l d b e c a r r i e d o u t s 0 a s t o s e l e c t a n a p p r o p r i a t e r e a l i z a t i o n mo d e l t o f u l fi l l t h e r e q u i r e me n t s I n t h i s a r t i c l e t h e d e ma n d s i n c h a r a c t e r i s t i c s o f p r o c e s s eq u i p me nt CAD s y s t e m ，t he s e l e c t i o n o f h a r d wa r e a nd s o f t wa r e e n vi r o n me nt s，t he s y s t e m mo de l a n d t h e s y s t e m s t r uc t u r e we r e di s c u s s e dAt t he s a me t i me s ，t he r e a l i z a t i o n mo de l o f o ne c o mp l e t e d p r o c e s s e q u i p me nt CAD s y s t e m PVCAD wa s i n t r od u c e d Ke y wo r ds pr o c e s s e q u i p me nt ；c o mpu t e r a i d e d d e s i g n；PVCAD C A D ( 计 算机辅助设计 ) 的研 究历史可追溯 到 1 9 5 0年代。1 9 6 0年代 中期 已出现了实用 的 C A D系 统 ， 如贝尔电话实验室所研制 的一个可用于电路设 计的 C A D系统G R A P HI c 1 。在 1 9 7 0年代 ， 众 多 C A D设计师与系统设计者做 了大量 的理论研究 工作 ， 随之 出现了针对土木工程设计 、 飞机设计 、 汽 车设计等方 面的 C A D系统 。用于机械设计 的 C A D 系统长期以来一直是许多工程技术人员希望实现 的 目标。但遗憾的是 由于机械零件形状 的千变万化 ， 要使一个 C A D系统能简便 、 迅速地构造 出它们 的形 状很难办到 。因此 ， 从迄今为止的发展成果来看 ， 还 无法设计出一个实用的通用机械设计的 C A D系统 。 化工设备虽然种类 也不少 ， 但组成各类设备 的 常用零部件种类还是较有 限的， 而每种零部件 的基 本形状变化也不大 ， 因此建立用 于化工设备设计 的 C A D系统完全是可行的。近二十几年来 ， 国内有些 设计院已经做了不少这方面的工作 ， 并取得 了一定 成果。笔者于 1 9 9 0年开始参与一个化工设备 C A D 系统的设计开发 ， 从该 系统 的开发实践 中体会到选 择怎样 的一种模式来建立系统 ， 对 系统实现时的难 易程度及系统最终能达到的性能有着举足轻重的作 用。因此 ， 我们在建立一个 C AD系统之前必须作全 面考虑及规划 ， 以选择一个恰 当 的系统 实现模式。 本文将对设备 C A D系统的性能要求、 硬件选择 、 系 统的模型及结构选择等诸方面进行讨论 ， 并对我们 已经开发完成 的一个化工设备 C A D系统 P V C AD的 实现模式作一简单介绍。 1 化工设备 C AD系统的性能要求 从 C A D的本身词义来看 ， 一个 C A D系统应包 括产品设计的全过程 ， 即从产 品性能要求分析 、 规划 到详细设计 ( 详细设计 包括必要 的计算 、 工程 图纸 与设计说 明) 。从 国内目前 C A D的发展水平及工程 需求来看 ， 最为 急迫 也是 切实 可行 的是 要求一 个 C A D系统能帮助工程师较完满地 完成详细设计过 收稿 日期 ： 2 0 0 8 - 0 2 - 2 2 作者简 介： 曹文辉 ( 1 9 6 7 一)， 男 ， 高级 工程师。从事压力容器设计及 工程软件开发 。 维普资讯 1 6 化工设备与管道 第4 5卷第 2期 程。对化工设备设计来说， 同国家标准相一致的常 规设计计算软件早 已问世 ， 利用 软件可获得施工 图 需要 的绝大部分数据。因此 ， 首先应考虑建立一个 功能较狭窄但实用 的 C A D系统交互式辅助制 图系统 ， 然后再进一步设法将计算软件 同这个交互 式辅助制图系统合并 ， 组成一个功能较强的 C A D系 统 ， 以求得整个详细设计过程的优化 。 对一个 C A D系统而言 ， 要 使其达到 实用 的阶 段， 则必须使它满足一定 的性 能要求。首先 ， 一个 C A D系统应该 能够切 实提高设计工程师 的工作效 率。这体现在两个方面： ( 1 )帮助工程师对设备 的结构进行 构思和分 析。 ( 2 )能帮助工程师将 已构思好 的设备快速地反 映到图纸上， 并能使工程师方便地对局部结构进行 一 些必要的修改。 要实现第一点 ， 从 C A D目前所达到的发展水平 来看尚有困难 ， 将来如能将人工智 能技术成功地 引 入 C A D中则可解决这个难题 。而实现第 二点应该 是一个实用 C A D系统 目前能够达到也 必须达 到的 目标。工程 图纸是设备从设计阶段到制造阶段用以 传递信息的主要手段。对一个工程设计来说 ， 绘制 工程 图纸的工作量是很大 的， 往往会 占到整 个设计 工作量的 5 0 以上。因此 ， 我们显然希 望 C AD系 统能帮助工程师大大减少制图的工作量。这样， 或 者可缩短工程设计 的周期 ， 或者可使工程师把较多 的时间用到产品性能分析和结构分析上去 ， 以提高 设计 的质量。 其次 ， 由于 C A D系统 的 目的是帮助设计， 故其 最终用户应是设计工程师而不是计算机操作员。这 就要求 C A D系统的操作应是简便易学的。从这一 点来说 ， 一个理想的 C A D系统应具备以下条件 ： ( 1 )该系统具有 良好 的人机交互能力 ， 能使用 户随时了解系统正在进行的设计进程 。 ( 2 )对系统进行操作的指令和系统的提示应是 简单、 明确， 对一个懂得计算机基本操作的人员来 说 ， 只需很短时间( 例如几小 时到几十小时 ) 的培训 即可进行操作 。 ( 3 )C A D系统 的运行进程应尽量 与工程 师所 习惯的设计过程一致。 最后 ， 一个成功 的 C A D系统应使经过其帮助而 得到的设计结果优于或至少不低于用传统方法进行 设计而得的结果。大量应用软件 的运行实践表明， 能否满足 以上三点性能要求将是评判一个 C A D系 统具有多大实用价值 的关键 。因此 ， 我们在建立一 个化工设备 C A D系统的初级阶段 ， 就必须考虑应该 采用怎样 的系统实现模式 ， 才有可能或有利 于使最 终完成的 C A D系统能达到这些性能要求。 2硬件与 图形支撑 软件的选择 C A D系统在运行过程 中总要进行 大量 的图形 处理 ， 这对运算速度和 内外存 容量提 出了较高的要 求。另外 ， 为 了应用方便 ， 对硬件环境 的应用灵活 性 、 屏幕的图形显示质量等也有一定 的要求。而从 一 种工程应用手段来 看 ， 成本 也是必需要 考虑 的。 近些年来 ， 硬件 的选 择趋 向于 在配 备有 高质量 的 C R T和绘图机 的高档微机 和工作 站之 间进行 。而 采用分时系统的宿主机由于其操作不灵活和价格较 昂贵 ， 在 C A D领域 中已很少再被选用。 目前 ， 微机正处于一个升级换代很快 的阶段 ， 各 种新 的较高档的微机不断问世。它们的 C P U能力 、 内外存容量 、 图形 显示 质量等均 比老 的 P C机有很 大的提高。微机应用灵活 、 价格较便宜 ， 因而仍可作 为实现 C A D系统的一种硬件环境 。 由于 P C机的流行， 使得 A u t o C A D成为大家最熟 悉 的一个图形支撑软件。A u t o C A D基本上是一个二 维的图形支撑软件。它有 自己的一个命令集 ， 在进入 运行环境后 ， 用户通过键入该命令集中的命令可画出 一 些最基本的图元 ， 如点、 直线 、 圆等等。它没有 自己 的高级语言可供编程 ， 但其它高级语言程序可通过提 供两种数据文件D x F文件 和 D X B文件来使 得 A u t o C A D直接根据文件画出所需的图形， 这两种文件 即是 A u t o C A D同其它高级语言之间的接 口。 考虑到软件的兼容性与可移植性 ， 便于软件 的 二次开发 ， 我们 自行开发 了点 、 线 、 面 、 块等基本 图 素 ， 以二进制 D X B文件形式与 A u t o C A D接 口。 3化工设备 C AD的图形模型选择 在着手编制 C A D软件时 ， 首先要考虑的就是将 要建立 的模型到底是取二维还是三维。这个问题实 际上是由所建立的 C A D系统的 目的和所具备 的软 硬件资源来决定的。 二维模型只能用来建立直线 、 点、 曲线等平面图 形 ， 对工程制图中的各个视图是采用分立图形画出。 二维模型的图形数据文件要 比三维小得多， 相应所 占用的内外存也就 比较少 ， 图形处理速度一般较快 ， 维普资讯 2 0 0 8年 4月 曹文辉 化 工设备 C A D 系统的 实现模式 1 7 所需要的硬件和图形支撑软件的代价也较低 。在某 些场合 ， 二维模型也能满足工程需要 ， 例如 ， 对一个 不需作三维结构分析的化工设备 C A D系统来说 ， 选 择二维模型也是可行的。 4化工设备 C AD施 工 图软件 ( P V C AD) 的 实现模式 已经开发完成的 P V C A D是一个用于化工设备 设计的 C A D系统 ， P V C A D的编制工作分 为两 个 阶 段 ： 第一阶段的 目标 是当一个设备 的结构参数都确 定之后 ， 能迅速地 画出设备总装图。这个 阶段 的 目 的是希望 P V C A D能帮助设 计工程师从 制 图、 描 图 等费时较多又较低级 的工作 中解脱 出来 ， 并缩短设 备设计的周期。第二阶段将考虑把 目前 已在 P C机 上运行的设备计算软件包引入 P V C A D， 使之具备较 完整的规范化的化工设备常规设计功能。 根据现有 的硬 件资源 ， 从运行 速度 、 内外存 容 量、 交互式作图能力及 图形支撑软件 的可选性 等诸 方面考虑 ， 选 择 了微机作 为 P V C A D 的硬 件 环境 。 从第 2节的介绍可知 ， 在微机上可运行的图形 支撑 软件中， A u t o C A D具有较为丰富的图形功能， 对编制 一 个计算机辅助制图软件将较为方便 。因此 。 我们 选择了 A u t o C A D作为 P V C A D的支撑软件。 对化工设备来说 ， 其总装 图的主要视图总是 由 正视图加顶视图或正视 图加侧视 图组成 ， 而各视 图 的投影方 向对同类设备也是有一定规律可循。根据 这个特点 ， 对每个零部件可画成两个 固定的分立视 图， 这一点同采用二维模型相似。 为了使 P V C A D能帮助设计工程师切实提高设 计效率 ， 以及使设计 工程师 能方便地使用 ， P V C A D 系统被设计成按设备类 型分类 的程序形式 ， 各个设 备程序将尽可能按照常规的设计步骤来调用零部件 模块和各功能模块 ， 使工程师 能以最方便 的方式进 行操作 。由于不是采用命令集 的结构形式 ， 因此对 熟悉微机基本操作 的用户来说 ， 估计只需几小时的 培训即能独立操作。 5 软件维护 在软件研制阶段结束 以后 ， 作为产品的软件交 付给用户使用 ， 进入运行 阶段。实践表明， 在运行 中 仍然需要对软件进行修改维护 ， 这是 因为 ： ( 1 )需要改正在运行中新发现 的软件错误和设 计上的缺陷。这些错误和缺陷是在研制阶段后期 的 测试工作 中未能发现的。 ( 2 )需要改进设计 ， 以便增强软件的功能 ， 并提 高软件的性能。 ( 3 )要求 已运行 的软件能适应特定 的硬件、 软 件 、 外部设备 、 通信设备的运行环境 。 ( 4 )为使投入运行的软件与其它相关的软件有 良好的接 口， 以利于协 同工作。 ( 5 )为使运行 的软件的应用范围得到必要的扩 充 。 因此 ， 软件维护工作可分为改正性维护 、 适应性 维护和完善性维护三个方面。 5 1 改正性维护 改正性维护是在软件运行中发生异常或故障时 进行的。这种故障常常是由于遇到了从未使用过的 输人数据组合 ， 或者是 与其 它软件或硬件 的接 口出 现 了问题。严重的故障未能及时排除 ， 势必使得 它 所支持 的数据处理活动被迫中断。究其原因， 这些 故障是 由于软件研制 过程 中某个环 节上存在着 隐 患 ， 而且在测试时未能发现。带着这些隐患运行， 只 有在某些特定 的情况下才会暴露 出来 。对这些 已发 现的问题进行修改 ， 必 须十分谨慎 。在制订修改计 划后还需经过复审 ， 修改工作应在严密的控制下进 行 ， 以防造成不 良的后果 。例如 ： 解决研制时未能测 试各种可能条件带来的问题等。 5 2 适应性维护 适应性维护是要使运行 的软件能适应外部环境 的变动。我们知道 ， 计算机技术发展得越来越迅速 ， 硬件和软件运行环境更新速度不断加快。建立在这 些软硬件基础之上 的应用软件 ， 其使用年限通常是 长于这种更新周期的。这就要求应用软件能跟上发 展的需要 ， 使之不致 因不能适应新 的软硬件版本而 影响正常运行 。除此之外 ， 数据环境 的变动也要求 进行适应性维护。例如 ： 为最新发布的设计 、 制造标 准修改软件中相应数据库 ， 使其适应最新 的设计 、 制 造标准等 。 5 3完善性维护 完善性维护则是为扩充软件 的功能 、 提高原有 软件性能而开展的软件工程活动。这里所说 的新功 能和新性能都是在原来编制的软件需求规格说明书 上并未规定 的内容 。用户在使用 了一段时间 以后， 提出了新的要求， 希望在原已研制软件的基础上加 以扩充。例如： 增加交互式功能等。 ( 下转 第 2 4页) 维普资讯 2 4 化工设备与管道 第 4 5卷第 2期 对其沸腾过程 中气泡 的影响来体现 的， 对多孔管传 热机理的认识应当从气泡动力学的角度人手 。 参 考 文 献 1 O N e i l l P S， G o t t z m a n n C F ， T e r b o t J WN o v e l H e a t E x c h a n g e r I n c r e a s e s C ASC ADE C y c l e E f f i c i e n c y f o r Na t u r a l Ga s Li q u e f a c t i o n J A d v a n c e i n C r y o g e n i c E n g i n e e ri n g ， 1 9 7 2， 1 7 ： 4 2 0 - 4 3 7 2 G r i ff i t h P Wa l l i s J D T h e R o l e o f S u r f a c e C o n d i t i o n s i n N u c l e a t e B o i l i n g J C h e m i c a l E n g i n e e ri n g P r o g r e s s ， 1 9 6 0 ， 5 6 ( 4 9 ) 3 Mi lt o n R MH e a t E x c h a n g e S y s t e m P U S A： 3 3 8 4 1 5 4 ，1 9 6 8 4 西川兼康， 伊藤猛宏 ， 田中克典烧结金属层核c 二土为沸腾 传热促进 J 冷冻， 1 9 7 8 ， 5 3 ( 6 1 2 ) ： 1 5 5 伊藤猛宏， 藤田恭伸， 西川兼康核沸腾热交换 高性能传 热面 J 机械 研 究，1 9 7 9， 3 1 ( 1 ) ： 7 7 6 翟贵立， 林瑞泰， 蔡义汉烧结型多孔表面沸腾传热优化设 计 A 中国工程热物理 学会传 热传 质学术会 议论文 C ， 8 6 3 0 7 4，1 9 8 6 7 C z ik k A M， O Ne i l l P S C o r r e l a t i o n o f N u c l e a t e B o i l i n g fr o m P a r - O U S Me t al F i l m s J A d v a n c e s i n E n h a n c e d He a t T r a n s f e r ， ASME，1 9 7 9： 5 3 - 6 0 8 We b b RL N u c l e a t e B o i l i n g o n P o r o u s C o a t e d S u r f a c e J H e a t T r a n s f e r E n g i n e e ri n g ，1 9 8 3 ， 4 ( 3 4) ： 7 1 - 8 2 9 河合素直， 町山忠弘 早稻田大学理工研究所报告第5 5辑， 1 9 7 2 1 0 刘 阿龙 ，徐宏 ， 王学生 ，等复合粉末 多孔表 面管的沸腾传 热 J 化工学报 ， 2 0 0 6 ， 5 7 ( 4 ) ： 7 2 6 - 7 3 0 1 1 G a e r t n e r R F P h o t o g r a p h ic S t u d y o f N u c l e a t e P o o l B o i l i n g o n a H o ri z o n t al S u r f a c e J J o u rnal o f H e a t T r a n s f e r 1 9 6 5 ， 1 8 7 ( 1 7 ) 1 2 陈嘉宾， 蔡振业， 林纪方带有多孔覆盖层的沸腾传热实验 研究 A 传热传质学文集 c 北京： 科学出版社， 1 9 8 6 ， 1 7 6 1 81 1 3 C z i k k AM， e t a 1 N u c l e a t e B o i l i n g f r o m P o r o u s Me t al F i l m J Ef f e c t o f P rima ry Va ria b l e s ，Ad v a n c e s i n En h a n c e d He a t T r a n s f e r AS ME HTD，1 9 8 1，1 8：1 9 0 1 2 2 1 4 伊 藤猛 宏 ， 西川 兼康 ，田中克典 各种 多孔质 沸腾传 热面 性能冷冻1 9 8 2， 5 7( 6 5 1 ) ： 7 7 1 5 D a n i l o v a G N，e t a1E n h a n c e me n t o f H e a t T r a n s f e r D u ri n g B o i l i n g o f L i q u i d R e f ri g e r a n t s a t L o w He a t F l u x e s J H e a t T r a n s - S O v i e t R e s e a r c h 1 9 7 6， 8 ( 4 ) 1 6 N a k a y a ma W ，D al k o k u T，K u w a h a r a H a n d N a k a j i m a T D y n a mi c Mo d e l o f E n h a n c e d B o i l i n g He a t T r a n s f e r o n P o r o u s S ur - f a c e (I) J J o u r n a l o f H e a t T r a n s f e r ， 1 9 8 0， 1 0 2 ： 4 4 5 -4 4 9 1 7 N a k a y a ma W ，D a l k o k u TK u w a h a r a H a n d N a k a j i m a T D y 。 n a mi c Mo d e l o f En h an c e d B o i l i n g He a t T r an s f e r o n P o r o us S ur - f a c e ( I I ) J J o u rna l o f H e a t T r a n s f e r ， 1 9 8 0， 1 0 2 ： 4 5 1 -45 6 1 8 F o r s t e r H K a n d Z u b e r N G r o w t h o f a V a p o r B u b b l e i n a S u p e r - h e a t e d L iq u i d J J o u rna l o f A p p l i e d P h y s i c s 1 9 5 4， 2 5： 4 7 4 1 9 S u Y Y a n d G r a h a n R WA n A n a ly t c al a n d E x p e ri m e n t al S tu d y o f t h e T h e r ma l Bo u n d a ry L a y e r an d Eb u l l i t i o n Cy c l e i n Nu c l e a t e Bo i l i n g， 1 9 61， NAS A T ND- 5 9 4 2 0 D e r b y R The D y n a mi c s o f V a p o r B u b b l e s i n N u c l e a t e B o i l i n g J C h e mi c al E n g i n e e ri n g 1 9 6 4， 1 9： 3 9 2 1 K e s h o c h E G a n d S i e g e l RF o r c e s Ac t i n g o n B u b b l e s i n N u c l e a t e Bo i l i n g u n d e r No rm a l a