Системы управления этапами жизненного
цикла промышленного продукта. PDM – системы.
Использование средств глобальных сетей
Концепция создания базы знаний по автоматизации технологической
подготовки производства
К.Н. Болдырева,
инж.- прогр. 1-ой кат.,
В.Д. Костюков,
вед. н. с., к.т.н.,
А.И. Островерх,
зам. ген. дир.,
д.т.н.,
А.П.
Петухов,
дир.
«Хруничев-Телеком»,
А.В.
Цырков,
гл.
констр. ЕКИТСУП, д.т.н.
ГКНПЦ им. М.В.
Хруничева, zavod-hrunichev@mail.ru, г. Москва
Представлены
результаты научно-исследовательских работ по формированию концепция создания
базы знаний в области автоматизации технологической подготовки производства
ракетно-космической техники.
Наибольшее
значение для экономического развития общества в настоящее время имеет
научно-технический прогресс, обеспечивающий повышение качества продукции,
ускорение темпов производства и повышение производительности труда. При этом
уровень научно-технического прогресса определяется ускорением разработки и
освоения новых образцов техники и технологии, совершенствованием организации и
управления производством.
На внешние условия
производственные предприятия практически повлиять не могут, но принятие
собственных решений целиком зависит от конкретного предприятия.
Обстоятельства, в которых
будут развиваться машиностроительные предприятия в первой четверти XXI века, можно
увидеть уже сегодня:
качественное
изменение состава и вида конструкторской документации (КД) (рис. 1):
размещение КД на машинных носителях
информации; формирование данных о теоретических контурах в виде математических
моделей; представление моделей изделий в международном стандарте PDES/STEP (DIS 10300).
рис. 1. Изменение
состава и вида КД.
ужесточение конкурентной борьбы: активное проникновение
на отечественный рынок зарубежной аэрокосмической техники; усиливающаяся конкуренция
со стороны развивающихся стран; сокращение продолжительности жизни новых типов
летательных аппаратов; усиление тенденции к ограничению экспорта и эксплуатации
на внешних авиалиниях Российской авиационной техники со стороны ведущих зарубежных
фирм и стран рис. 2,3.
На эти изменения
предприятия должны своевременно отреагировать следующим путём:
·
использования
средств вычислительной техники и программного обеспечения, таким образом за
счет создания компьютеризированной производственной инфраструктуры
обеспечивается рентабельное восприятие конструкторской документации и снижается
себестоимость продукции;
·
применения
систем геометрического моделирования, средств объективного контроля, в том
числе координатно-измерительных машин с ЧПУ, баз данных и знаний
технологического назначения, объединенных в локальные вычислительные сети,
создания
рис. 2. Изменение авиационного парка России рис. 3. Динамика роста
разорившихся предприятий
интегрированной
системы технологической подготовки производства, перехода на бесплазовый метод
производства летательных аппаратов, совершенствования единой корпоративной
информационно-телекоммуникационной системы управления предприятием - ЕКИТСУП,
что позволит сертифицировать производство, сократить в 10—12 раз затраты и
сроки подготовки производства, обеспечит возможность изготовления лицензионной
зарубежной авиационной техники;
·
рационализации
производства и создания компьютеризированных интегрированных производственных
систем, что позволит повысить гибкость, работать меньшими партиями, начинать
изготовление деталей ближе к сроку монтажа, сократить время производственного
цикла, снизить складские расходы, и таким образом повысить
конкурентоспособность выпускаемой продукции. В этих условиях особое значение
приобретает оснащение предприятий современными информационными технологиями,
поскольку они позволяют резко сократить временные и материальные затраты,
повысить производительность труда и качество производимой продукции и в
результате существенно повысить конкурентные возможности на внутреннем и международном
рынках.
В
ГКНПЦ имени М.В. Хруничева имеется достаточный опыт в создании и эксплуатации
автоматизированных систем технологического и планово-экономического назначения
(САПР-ТП механической обработки, САПР-СТО, САПР-ТП КШЦ, АСУ-ТП склада, САПР-УП,
АСУ-ТП гальваника, АСУП, КИПС КШЦ).
Созданы коллективы (ИВЦ, ОМО, ОАСУ ТП), укомплектованные
высококвалифицированными специалистами, способными решать самые сложные задачи
ТПП. Однако текучесть кадров (уход высококвалифицированных специалистов -
программистов, электронщиков, математиков) перешла критический барьер. Это
положение усугубляется нерациональными мероприятиями по реформированию
подразделений информационных технологий. В последние 7 лет ликвидированы: отдел
АСУ ТП и робототехники, ИВЦ РКЗ и др. Созданный на их основе ВЦ ИПИ не просуществовал
и 2-х лет. В настоящее время он расформирован и его подразделения переданы в
состав «Хруничев-Телеком». Создан, но не укомплектован кадрами в полном объёме
и функционирует в усечённом составе комплекс совершенствования ЕКИТСУП. Мы
стоим перед опасностью в ближайшее время вообще остаться без специалистов в
этой области. Причина этого – отсутствие стабильности в тематике и
неудовлетворенность заработной платой.
Другими причинами
неудовлетворительного положения в области внедрения информационных технологий
являются: отсутствие системности и комплексности подхода в решении вопросов
внедрения информационных технологий; отсутствие единой технической политики
(выбор математического и программного обеспечения, технического комплекса и
т.д.), и, как следствие этого, отсутствие единой цели, конкретизации задач,
стоящих перед каждой службой для достижения этой цели (имеются задачи для
отдела, цеха и т.д., но никак не задачи структурного подразделения, филиала и
"Центра" в целом), что усугубляется отсутствием единого руководителя
работ по направлению информационных технологий, а его уровень должен быть не
ниже заместителя Генерального директора по информационным технологиям в
"Центре" и соответствующих заместителей руководителей структурных
подразделений и филиалов. Как показывает практика отечественных предприятий,
эффективность внедрения информационных технологий достигается только в том
случае, если Генеральный директор уделяет этим вопросам не менее 40% своего
рабочего времени и использует их как основной инструмент для руководства
предприятием. Это возможно лишь при условии создания и эффективного применения
баз знаний в области информационных технологий и, в первую очередь, базы знаний
по автоматизации технологической подготовки производства, так как более 80% информации
для управления предприятием составляет информация, формируемая автоматизированными
системами ТПП – подсистемами ЕКИТСУП.
Разработка
данной КОНЦЕПЦИИ и является одним из
первых шагов, направленных на устранение этих недостатков.
В
КОНЦЕПЦИИ обосновывается
целесообразность проведения работ по предпроектному обследованию и мониторингу,
включая создание структурно-функциональных моделей ГКНПЦ, его структурных
подразделений и филиалов, и входящих в них подразделений (направлений,
отделений, комплексов, отделов, цехов, секторов, бюро, производственных
участков, групп и т.п.) и анализа уровня внедрения информационных технологий с
использованием контрольного списка ABCD Оливера Уайта.
Для
интеграции автоматизированных систем конструкторского, технологического
назначений – АС КН и АС ТН, систем управления всех уровней иерархии (автоматизированных
систем управления производством – АСУП (ERP),
АСУ - цехового уровня (MES), автоматизированных
систем управления технологическими процессами – АСУ ТП (SCADA)
и др.) должна быть применена Единая корпоративная информационно -
телекоммуникационная система управления предприятия ЕКИТС УП.
В
КОНЦЕПЦИИ приводится предполагаемая
структура базы знаний и примерное содержание основных разделов.
Особое
внимание в КОНЦЕПЦИИ уделяется
совершенствованию кадрового обеспечения в области информационных технологий и
интеграции автоматизированных систем, для достижения которого на территории
Государственного Космического Научно-производственного Центра имени М. В.
Хруничева создана и работает более 7-ми лет кафедра «Технологии интегрированных
автоматизированных систем» «МАТИ» - Российского Государственного
Технологического Университета имени К.Э. Циолковского, обеспечивающая высокое
качество подготовки кадров и их закрепление на предприятии.
В
отдельный раздел КОНЦЕПЦИИ выделены перспективные направления совместной
учебно-научной деятельности ГКНПЦ имени М. В. Хруничева и «МАТИ» по созданию и
развитию подсистем и компонентов АСТПП в рамках совместных инновационных
проектов.
Перспектива развития России в начале XXI века в
значительной степени определяется успехами в возрождении машиностроительных
отраслей промышленности и производства наукоемкой продукции. В связи с этим
актуальной становится проблема создания компьютеризированных интегрированных
производств (КИП) и высшей стадии их развития - компактных интеллектуальных
сертифицированных производств (КИСП), в состав которых, в зависимости от
номенклатуры изделий и масштабов производства, должны входить
высокопроизводительное штамповочное и литейное оборудование, агрегатные станки
(в том числе с числовым программным управлением) для размерной механической и
электро-физико-химической обработки, гибкие производственные модули (ГПМ),
гибкие производственные ячейки (ГПЯ), гибкие производственные комплексы (ГПК),
робототехнические комплексы (РТК), гибкие производственные системы (ГПС),
другое интегрированное высокопроизводительное оборудование и компьютеризированные
системы, реализующие CALS-технологии. Реструктуризация бизнес процессов и создание
КИСП требуют больших капитальных вложений. Определение объемов, очередности и
сроков выполнения работ по созданию КИСП является достаточно сложной проблемой,
требующей принятия продуманного ответственного и взвешенного решения. Для
принятия его необходимо располагать достоверной информацией об эффективности работы
действующей организации, для чего и предназначены функциональные модели работ
структурных подразделений, филиалов и ГКНПЦ в целом. [8]. Эту информацию
предоставляют системы информационной поддержки разработок (СИПР). За рубежом
они получили название систем бизнес аналитики - BI (Business Intelligence).
Предприятия аэрокосмического машиностроения, как и
многие машиностроительные предприятия других отраслей, имеют особенности, которые
связанны со спецификой создания сложных технических объектов. Объектами
производства являются сложные технические системы, а также структурные элементы
этих изделий: агрегаты, системы, узлы, детали. Основные
особенности изделий аэрокосмического машиностроения, как объектов производства,
состоят в следующем:
1) высокие требования к качеству изделий в целом и к его
отдельным элементам;
2) сложность пространственных форм и большие габариты;
3) многономенклатурность и многодетальность изделий;
4) разнообразие применяемых конструкционных материалов.
В
процессах создания и эксплуатации сложных технических объектов задействованы
значительные производственные ресурсы и участвуют большие коллективы
специалистов различного профиля и квалификации. Каждые десять лет развития
науки и техники характеризуются усложнением технических объектов в два-три
раза. Усложнение технических объектов приводит к увеличению трудоемкости и
затрат на их создание, что, в свою очередь, требует развития методов и средств
автоматизации интеллектуального и физического труда на всех стадиях жизненного
цикла изделия.
При
применении новых информационных технологий, обеспечивающих переход к
компьютерным методам проектирования и малолюдному производству, жизненный цикл
изделия, включающий проектирование, производство и эксплуатацию, подразделяется
на следующие стадии: научные исследования; конструирование; контроль
технологичности; подготовка производства; изготовление; испытания;
эксплуатация; техническое обслуживание и ремонт; снятие с эксплуатации и утилизация.
Для каждой из стадий
жизненного цикла изделия можно функционально и организационно выделить два
слоя: информационный и материальный.
В информационном слое
создаются описания изделий (ДСЕ) и процессов различного назначения. Этот слой
характеризуется преобладанием интеллектуального труда. В материальном слое по
описаниям, представленным в различной форме, выполняется материализация изделий
и процессов. В этом слое преобладает, так называемый, физический труд (не
автоматизированный, механизированный, автоматизированный), связанный с преобразованием
исходных материалов различными методами с применением различных средств и
источников энергии в изделия. Функциональная схема обеспечения жизненного цикла
изделий представлена на рис. 4.
рис. 4. Функциональная схема обеспечения рис. 5. Укрупненная структурная схема
Основные
направления работы технологов машиностроителей: технологический анализ изделий
и технологическая подготовка их производства. Технологическая подготовка
производства включает: информационный слой, охватывающий разработку и
исследование новых методов производства, проектирование эффективных средств
производства, оптимальную привязку методов к изделиям (ДСЕ) и средствам
производства; и материальный слой, связанный с изготовлением средств технологического
оснащения. Наиболее сложным для автоматизации проектирования является
ракетно-космическое производство. В ракетно-космическом производстве преобладают
связанные методы обеспечения взаимозаменяемости, требующие проектирования и изготовления
многочисленной формообразующей и базирующей оснастки. Анализ процессов проектирования,
технологической подготовки производства и производства изделий на различных
стадиях их жизненного цикла позволяет сделать вывод о том, что, несмотря на
признанное отставание от мирового уровня средств механизации и автоматизации
производственных процессов, все-таки первичным, гораздо большим сдерживающим
фактором является недостаточная степень поддержки интеллектуального труда
конструкторов-технологов современными инструментальными системами, слабая
подготовка проектировщиков к работе в новых условиях современных информационных
технологий, отсутствие электронной базы знаний.
Комплексное
решение всех задач, связанных с проектированием, производством и эксплуатацией
изделий, необходимо осуществлять в рамках постоянно совершенствуемых автоматизированных
систем, использующих единые методы и средства для решения всех задач
конструирования и технологической подготовки производства, базирующихся на
типовых математических моделях и специализированных базах знаний.
Укрупненная структурная схема компьютеризированного интегрированного производства
представлена выше на рис. 5.
В современных рыночных условиях на первый план выходит задача выпуска конкурентно-способной
продукции. Это требует коренных изменений схем работы подразделений,
структурных взаимосвязей внутри предприятия, а также взаимосвязей между
предприятиями. Для решения данных проблем необходимо включение в организационную
схему функционирования промышленных предприятий трех основополагающих
принципов. Такими принципами являются:
· научно-техническая и технико-экономическая экспертиза, включающая промышленный менеджмент, маркетинг и
функционально–стоимостной анализ. Без проведения комплекса мероприятий по
экономической оценке нового изделия на самых ранних стадиях его жизненного
цикла, стоимостной оценки ожидаемых затрат на его производство, его спроса на
рынке невозможно дальнейшее развитие предприятия (отдел менеджмента, BI – системы
бизнес анализа, BSC – система сбалансированных показателей деятельности
предприятия);
сертификация изделия и его производства на всех
стадиях жизненного цикла, которая
является неотъемлемой частью производства и эксплуатации современной техники
(отдел сертификации производственных процессов, CALS – непрерывная
информационная поддержка жизненного цикла продукта);
·
информационные технологии. По имеющейся статистики,
даже на самых передовых предприятиях лишь 25% от общего числа конструкторской
документации представлено в электронном виде, не говоря о ее стандартизации. Речь
идет не о технологических электронных каталогах и мультимедийных процессах, а о
едином информационном пространстве подразделений и о многом другом.
В части системной интеграции предполагается, что бизнес процессы на машиностроительном
предприятии можно условно объединить в следующие группы (категории): маркетинг
и новые разработки; конструирование и конструкторское сопровождение;
технологическая подготовка производства изделий; материальное снабжение;
производственные процессы; сбыт; процессы управления различными ресурсами
(финансы, персонал, производственная инфраструктура, инженерное оборудование и
т.д.).
Естественно, что различные бизнес процессы в рамках работ по системной интеграции
реализуются различными автоматизированными системами [2].
Бизнес
процессы первой группы
реализуются автоматизированными системами бизнесанализа BI,
в том числе системой сбалансированных показателей деятельности предприятия BSC.
Бизнес процессы четвёртой, пятой,
шестой и седьмой групп реализуются автоматизированными системами
управления производством всех уровней иерархии – АСУП, второй группы - автоматизированными системами конструирования –
АСК (Computer Aided Design/
Computer Aided Manufacturing/
Computer Aided Engineering
- CAD/CAM/CAE
– системами), третьей -
автоматизированными системами технологической подготовки производства – АСТПП.
Типовая структура корпоративной информационно–управляющей системы промышленного
предприятия представлена на рис. 6.
рис.6. Типовая структура
корпоративной информационно – управляющей системы промышленного предприятия.
Внедрение информационных технологий требует больших затрат, которые окупаются
в сжатые сроки. Для этого предприятиям и нужна база знаний по автоматизации ТПП,
для создания которой и разработана данная КОНЦЕПЦИЯ. Дальнейшая
детализация и конкретизация КОНЦЕПЦИИ возможна только совместными силами
специалистов-предметников и специалистов в области комплексной информатизации.
Эффективное решение любой проблемы необходимо начинать с рассмотрения
предметной области, истории её развития, текущего состояния и желаемого направления
развития с учётом системного и комплексного подходов, предусматривающих
декомпозицию её на ряд подпроблем. Следующим закономерным этапом будет формулировка
задач, то есть программ или наборов действий, необходимых для перехода от
текущего состояния рассматриваемой системы к желаемому. Следует особо отметить,
что проблемы отличаются от задач тем, что задачи – это проектируемый объект в
развитии системы, а проблема – результат значительного несоответствия
поставленной задачи и реальных возможностей
технических подразделений предприятия и соответствующих процессов развития
системы. Обследование существующей
структуры основных технических подразделений предприятия и соответствующих
процессов целесообразно проводить по методике структурного анализа (SADT), в
результате которого формируется компьютерная модель фактических процессов. На
основе модели фактических процессов («как есть») формируется модель-эталон («как
надо»), после одобрения которой руководством предприятия разрабатывается
конкретный план организационно-технических мероприятий реформирования структурных
подразделений с целью перехода на работу в соответствии с эталонной моделью. В
результате проведения работ по обследованию предприятия формируются:
1. Модель организационной структуры технических
подразделений.
2. Функциональная и информационная модель существующих
процессов (фактическая модель).
3. Полученная на основе фактической модели эталонная
модель, соответствующая представленным руководством предприятия целям и
требованиям.
4. Детальный план реформирования технических подразделений для постепенного
перехода без остановки производства от фактической к эталонной модели.
5. В структурных
подразделениях, филиалах и ГКНПЦ специальные, постоянно работающие группы
системного анализа и развития, укомплектованные компьютерными и специальными
программными средствами - аналитические группы (бюро, отделы).
После
формулировки задач начинается этап разработки детального плана действий по
преобразованию системы, перевода её из одного состояния в другое. Этап
собственно реформы системы является итерационным, то есть в ходе проведения
запланированных изменений осуществляется оценка эффективности выполняемых
действий, используемых методов, а также соответствие реализованного состояния
системы общей парадигме предметной области и основным критериям развития данной
системы. По результатам этих промежуточных анализов в программу реформы системы
и детальный план её осуществления вносятся коррективы.
Существенным
моментом разработки программы реформирования информационной системы предприятия
является определение границ проводимого изменения. Чересчур масштабные
внедрения инноваций потребуют неоправданно крупных затрат времени и
материальных средств. В то же время затянувшаяся реформа информационной системы
предприятия может привести к тому, что она морально устареет ещё до окончания
внедрения этих изменений.
В
качестве предметной области рассмотрим подготовку производства
ракетно-космической техники в условиях Ракетно-космического завода (РКЗ)
Федерального Государственного Унитарного Предприятия (ФГУП): «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
КОСМИЧЕСКИЙ НАУЧНО–ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЦЕНТР имени М.В.Хруничева». Основным
продуктом РКЗ является ракетоноситель «Протон». Данный РН выпускается
предприятием с 60-х годов прошлого века, претерпел множество модернизаций и в
настоящее время является конкурентоспособным на мировом рынке как ракетоноситель
тяжёлого класса, позволяющий выводить на орбиту большие полезные нагрузки (до
20 т).
Проектирование – процесс создания описания нового или
модернизируемого объекта (изделия, технологического процесса, производственной
системы, информационной системы), необходимого и достаточного для реализации
проектируемого объекта в заданных условиях.
Заданные условия – среда, в которой будет реализован объект
проектирования. Описания объекта могут быть выполнены в различной форме и с разной
степенью детализации (подробности). Как правило, на всех стадиях жизненного
цикла эффект от создания нового изделия оценивается с помощью различных
технико-экономических показателей, которые, зачастую, выступают в качестве
ограничений (т.е. должны выполняться всегда), тогда как другие показатели могут
рассматриваться в качестве желательных условий, обеспечивающих заданные
значения.
Основными критериями – при проектировании технологических процессов являются:
качество, ограничения, себестоимость (полная и технологическая), трудоёмкость,
затраты на технологическое оснащение и цикл.
Оптимальное решение – это единственное решение, полученное по (четко) заданному
критерию (в качестве критерия оптимизации могут выступать различные показатели,
отнесенные к условиям).
Рациональные варианты
получаются в процессе проектирования в том случае, если задается область
изменения значений нескольких показателей. Взаимосвязь области рациональных
вариантов решений с оптимальными вариантами по заданным критериям осуществляется
заданием функционала, объединяющим различные технико-экономические показатели
[3].
Централизованное
хранилище данных вполне может быть территориально распределённым, что позволит
хранить данные в тех подразделениях предприятия, которые несут ответственность
за её безопасность, точность и достоверность.
С
учётом рассмотренных положений была сформирована КОНЦЕПЦИЯ базы знаний по
автоматизации технологической подготовки производства, которая в настоящее
время прошла верификацию, валидацию и принята за основу при проведении цикла
работ по совершенствованию Единой Корпоративной
Информационно-Телекоммуникационной Системы Управления Предприятием – ЕКИТС
УП.
Литература
1.
Костюков
В.Д., Годин Э.М., Соколов В.П., Сокольский М.Л., Баранов А.П. CALS
– технологии в технологической подготовке производства авиакосмической
техники.; Под ред. Э.М. Година. – М.: Изд-во МАИ, 2005. – 552 с.: ил. ISBN
5-7035-1621-8
2.
Воронцов А.В., Костюков В.Д., Островерх А.И., Лобова С.А. Проблемы внедрения
информационных технологий на производственных предприятиях //Научно-технический журнал «Информационные технологии в проектировании и
производстве» №1
3.
Шалаев П.А., Соколов В.П., Костюков В.Д. и др. САПР.
Правила проектирования технологических процессов в условиях гибких
производственных систем. Методические указания. РД 50-633-87. -М.: Изд.
стандартов, 1987. -64 с., ил.