Системы управления этапами жизненного цикла промышленного продукта. PDM – системы. Использование средств глобальных сетей

Проектирование и внедрение PDM-системы для управления конфигурациями состава и расходом материалов сложных изделий

А.И. Беспалов,

аспир., fraer.fraer@gmail.com,

МИФИ, г. Москва

В данной работе освещен опыт внедрения системы информационной поддержки жизненного цикла изделия на предприятии, производящем сложную мелкосерийную продукцию. Освещаются проблемы построения подсистем для управления составом изделия сырьем и материалами, а также оптимизация расхода материалов с помощью линейного программирования и генетических алгоритмов.

The present article describes the experience of а product lifecycle infotainment system implementation at a high-technology small-scale production works. Problems of developing solutions for product structure and raw materials management are covered, as well as optimizing the enterprise’s demands for raw materials using linear programming and genetic algorithms.

Введение

Перед предприятиями, производящими сложную наукоемкую продукцию, остро стоит проблема управления информацией о производимых изделиях, об их составе, технологиях производства, требуемых материалах и комплектующих, производственных планах, сопутствующей документации.

Эта проблема распадается на множество подзадач, среди которых можно выделить следующие:

· управление большими объемами информации об изделии;

· управление изменениями и экземплярами изделий;

· обеспечение работы инженеров, которые осуществляют ввод и изменение состава изделия, разработку техпроцессов, нормирование материалов и т.д.;

· управление потоками работ;

· классификация объектов;

· управление потребностями в материалах и комплектующих.

В случае традиционного бумажного подхода решение этих проблем сталкивается с большими трудностями.

Поэтому эти проблемы требуют альтернативного комплексного решения на основе современных средств управления информацией [1]. Особенно актуальна автоматизация указанных процессов для таких сложных производств, как, например, производство космической или авиационной техники. В этой сфере приходится сталкиваться с огромными объемами информации об изделиях, насчитывающих в своем составе сотни тысяч деталей (не считая покупных комплектующих), для изготовления каждой из которых требуются сложные технологические процессы, различное сырье и материалы.

1. Область автоматизации

Работа с составом изделия занимает важное место в общей структуре информационных процессов предприятия. Весь документооборот, связанный с новым изделием, начинается с ввода состава изделия, когда на завод поступает комплект конструкторской документации на новое изделие.

рис. 1 Схема основных процессов работы

Информационные процессы, так или иначе связанные с управлением составом изделия, включают в себя:

· ввод состава изделия на основе первичной конструкторской документации, передаваемой на производство из КБ;

· изменение состава изделия на основе извещений об изменении, также передаваемых на производство из КБ;

· разработка маршрутно-разрезочных ведомостей (МРВ) для введенного состава изделия;

· изменение МРВ;

· разработка технологических процессов (ТП);

· внедрение ТП;

· изменение ТП, утвержденного либо уже внедренного;

На схеме на рис. приведена последовательность этих процессов. Структура процессов с указанием управляющих событий, создаваемых и изменяемых данных и исполнителей работ показана на рис. 1

Для решения проблем, обозначенных в гл.1 и с учетом приведенной схемы процессов была разработана концепция автоматизации процессов, которая включала в себя

· Создание объединенного хранилища данных об изделии

· Разработку программных инструментов:

o для управления данными о составе изделия, включающего АРМ для ввода данных и Workflow-средство для выдачи и контроля заданий на ввод или изменение данных о составе того или иного изделия. Эти данные находятся в ведении Отдела координации (ОК) и через него становятся доступны остальным подразделениям завода.

o для управления классификатором материалов, используемых для производства деталей, и для привязки этих материалов к производимым деталесборочным единицам (ДСЕ), т.е. для управления данными о заготовках и сопутствующих расходных материалов (припой, спирт для обезжиривания, ветошь и т.д.) Из введенных и привязанных к ДСЕ данных о потребных материалах образуются агрегированные данные о потребности производства в сырье и материалах на заданный период времени. Этой работой занято бюро материально-технологического нормирования (БМТН).

o для создания маршрутно-разрезочных ведомостей (МРВ) производства. МРВ – межцеховой маршрут, по которому проходит изделие, вместе с задействованными мощностями и временными нормативами. Эта задача лежит на Бюро технологического планирования Отдела главного технолога (БТП ОГТ).

o для упорядочения разработки технологических процессов (ТП) производства ДСЕ. ТП в период реализации проекта разрабатывались в обычном редакторе Microsoft Word, затем передавались по сети через общую папку нормоконтролерам, контролерам ОТК и т.д. Необходимо было создать упорядоченный поток работ, в котором ТП передавался бы по инстанциям в виде задания, а версии документа, возникающие при доработках, сохранялись бы в общем хранилище для отслеживания истории и на случай ошибочных изменений. ТП предприятия разрабатываются для каждого цеха в технологических бюро (ТБ) этих цехов, в каждом из которых имеется свой представитель ОТК.

Указанные инструменты образуют единый механизм обработки данных об изделии, обслуживающий все этапы жизненного цикла этих данных.

В данном докладе освещаются аспекты автоматизации, касающиеся состава изделия и управления материалами. В этой части проекта участие автора работы было максимальным.

2. Требования к системе

В ходе анализа основных процессов и данных были выяснены следующие основные особенности.

Состав изделия ведется поэкземплярно (экземпляры изделий на предприятии называются «машинами»), с большой долей общего/заимствованного состава. Как следствие, необходимо реализовать лишь один механизм применяемости – по серийному номеру машины, других (по серии, по времени и т.д.) – не требуется.

Использование сырьевых материалов, особенно металлических, регулируется имеющимся на предприятии ограничителем размеров, запрещающим использование некоторых из имеющихся по ГОСТам размеров кругов, прутков, швеллеров и т.п. металлоизделий. Это было сделано еще в советские годы с целью укрупнения партий закупаемых материалов и, как следствие, достижения экономии при закупке крупных оптовых партий. При этом расчет объемов партий ведется в БМТН практически вручную, с помощью MS Excel и микрокалькуляторов, и считается, что фиксированный ограничитель размеров удовлетворительно решает задачу максимизации этой экономии.

Конечным результатом анализа деятельности предприятия и подготовки проекта системы информационной поддержки жизненного цикла изделия (СИП ЖЦИ) стало формулирование требований к проекту подсистемы информационной поддержки управления составом изделия. Это требования к структуре данных, базовым функциям системы и алгоритмам, представляющим собой воплощение этой базовой функциональности.

Система должна обладать следующими основными возможностями:

· Обеспечивать ведение помашинного состава изделия с применяемостью вхождений ДСЕ не только по серийному номеру, но и по дате. Других механизмов применяемости (по партии, по исполнению) специфика производства данного предприятия не требует. Для выполнения этого общего требования необходим следующий набор функций:

o Просмотр состава каждой конкретной машины как на сегодняшний день, так и на любую дату в прошлом и будущем.

o Хранение собственных атрибутов машин, как то: дата пуска, нахождение в разработке.

o Возможность работы с актуальным составом: добавления, удаления и изменения входимостей ДСЕ, указания и изменения параметров входимости: количества и единиц измерения входящих ДСЕ. ДСЕ для добавления в состав машины должны браться из классификатора изделий.

o Возможность заимствования в состав нового изделия полного или частичного (часть сборок) состава из какого-либо уже существующего изделия с указанием параметров применяемости

o Возможность «присвоения» каких-либо подсборок из заимствованного состава с целью внесения изменений, специфичных для той машины, в которую была заимствована сборка высшего уровня.

· Обеспечивать работу с документами и характеристиками: добавление и редактирование документов с помощью вызова соответствующих пакетов (например, MS Word для работы с текстовыми документами).

· Механизм статусов. Система должна включать в себя механизм управления электронными цифровыми подписями (ЭЦП) и статусами («разработано», «проверено», «утверждено», «замечание» и т.д.). То есть сотрудник, получивший и выполнивший задание, например, на разработку состава изделия, должен после выполнения задания установить на сгенерированном составе свою электронную подпись, и система автоматически присвоит изделию(одной машине или нескольким, в зависимости то того, какое было задание и какая работа выполнена) статус, например «разработано: Варюхина А.Г.», где первая часть определяется спецификой задания, а вторая – атрибутами учетной записи пользователя, под которой он входит в систему и ведет работу над заданием.

· Классификация. Система должна предоставлять набор функций для работы с классификатором изделий для того, чтобы сотрудник, работающий с составом изделия, мог напрямую работать с классификатором и «на ходу» заносить в него ДСЕ, которые указаны в конструкторской документации, но по каким-либо причинам (например, упущению сотрудников бюро классификации и кодирования отдела координации) отсутствуют в классификаторе изделий. Также объединение управления составом изделия и классификацией полезно в том плане, что пользователь, получив комплект конструкторской документации и задание на занесение указанных в КД деталей и сборок в классификатор, может пользоваться той же самой программной средой. Данная задача облегчается тем, что в приложении в любом случае должен присутствовать интерфейс для отображения элементов классификатора изделий, чтобы пользователь мог заселять этими элементами создаваемый состав. Этот же интерфейс может быть использован для работы функций управления структурой и элементами классификатора изделий. Функции эти должны включать в себя:

o Функции управления структурой классификатора изделий.

o Это функции добавления новых классов (в заводской терминологии предприятия - тем), переноса и переименования существующих, удаления ненужных классов, а также просмотра структуры классов.

o Функции управления элементами классификатора изделий. Это функции добавления ДСЕ в класс с указанием наименования, обозначения и типа ДСЕ; удаления ДСЕ из класса, копирования и переноса ДСЕ в другой класс, переименования, поиска требуемых ДСЕ. Это очень важные функции, которые являются наиболее часто используемыми в работе с классификатором изделий.

рис. 2 Функции управления структурой классификатора изделий

· Контекстный поиск объектов, подсказки и проверка правильности ввода. При вводе ДСЕ в классификатор, например, система должна помогать пользователю произвести наиболее быстрый и корректный ввод. Во-первых, после ввода первых нескольких символов обозначения (или наименования) пользователю должен быть показан список из всех имеющихся в классификаторе ДСЕ, обозначение (наименование) которых начинается с введенных символов. Это связано с тем, что в заводской номенклатуре существует множество ДСЕ с похожими обозначениями, и использование этих обозначений в качестве подсказки дает возможность сократить время ввода. Кроме того, система должна воспрещать ввод обозначений ДСЕ, которые не соответствуют определенным синтаксическим правилам, например, в обозначении не может быть двух пробелов подряд. Это диктуется тем, что в противном случае в системе появятся ДСЕ с обозначениями, различающимися, например, одним пробелом, и при внесении вхождений этих ДСЕ в состав различных изделий может возникнуть путаница с маршрутами, техпроцессами и нормированием. (В одном изделии присутствует первый вариант ДСЕ, в другом – второй. Для первого создается маршрут, а второй сотрудники БТП не трогают, считая, что для него уже все сделано. Затем в БМТН привязывается материал, но уже ко второму. При подсчете сводных норм обнаруживается ошибка, и работа дезорганизуется.)

3. Среда автоматизации

Перед исполнителями проекта стоял выбор базовой PDM-системы для реализации СИП ЖЦИ. Из нескольких доступных на российском рынке PDM-систем (Windchill, Lotsia PDM Plus, PDM STEP Suite - PSS) была выбрана система Lotsia PDM Plus, также известная как PartY Plus, российской компании Lotsia Soft. PSS была отвергнута по техническим соображениям (фиксированная внутренняя структура данных, ограниченный набор возможных объектов), Windchill же – по соображениям финансирования: цена лицензии и стоимость обслуживания этой системы являются наивысшими среди указанных трех.

Lotsia PDM Plus – средство для построения PDM-решений среднего уровня, развертывается на MS SQL Server, хранит объекты и процессы в нескольких основных таблицах, позволяет на этапе настройки создавать произвольные типы объектов с произвольным набором атрибутов и связей, выстроить различные представления структуры изделия. Также осуществляет управление документооборотом путем формирования и рассылки исполнителям, контролерам и утверждающим лицам их задач в соответствии с настраиваемыми картами потоков работ.

Важное свойство Lotsia PDM Plus– обработка задач с помощью внешних программных расширений, которые напрямую обращаются к БД PDM-системы, то есть., на этапе настройки можно создавать свой специализированный софт для выполнения специфических операций с данными системы.

Таким образом, эта система в большей степени, нежели другие, является ядром для развития эксклюзивного решения для любого конкретного предприятия.

4. Реализация проекта

Реализация проекта была проведена в несколько этапов. На первом из них были созданы информационная, функциональная (процессная) и организационная модель деятельности предприятия. Далее эти модели были воплощены в структуре объектов Lotsia PDM Plus и картах потоков работ. Были разработаны потоки работ для ввода состава изделия, разработки МРВ, разработки-проверки-утверждения ТП и т.д. Третьим и главным этапом было создание внешних программных расширений для работы с составом изделия и материалами/заготовками. Были созданы следующие основные расширения:

1.1. Состав изделия. Было создано программное расширение, обеспечивающее ввод и управление поэкземплярным (помашинным) составом с заимствованием состава сборок из предыдущих экземплярах с последующим «присвоением» тех узлов, которые подлежат изменению. В этом же расширении реализован функционал для классификации ДСЕ по произвольным классам, а также по цехам и изделиям, в которых данные ДСЕ применяются. Также был создан модуль для ввода временных данных по изготовлению той или иной сборки и расчета на их основе план-графиков изготовления изделия.

1.2. Материалы. Был создан 4-уровневый классификатор материалов, в котором хранились комплексные данные о марке, сортаменте, профиле материала, технических требованиях к нему (ГОСТ, ТУ), возможных размерах, определяемых этими требованиями, и т.д. Для управления этим классификатором и разносом по нему материалов с их основными атрибутами – маркой, сортаментом, техническими требованиями – было также создано простое программное расширение. Другое расширение решало основную задачу управления материалами – привязкой материалов к детали в составе изделия с указанием размеров заготовки, массы и кол-ва изготавливаемых деталей. На основе вводимых данных расширение осуществляет расчет нормы расхода материала на производство одной детали. Совокупность таких данных по всем деталям машины (экземпляра изделия) формирует потребность в материале каждого вида на его производство. Также с помощью план-графиков производства возможен расчет потребности в материалах на нужный период времени. Эта задача относится уже к сфере ERP.

Однако хотелось бы затронуть один аспект этой проблемы, а именно оптимизацию расхода материалов.

5. Оптимизация расхода материалов

Задача оптимизации потребностей производства в материалах с учетом их заменяемости по размерам решалась на предприятии путем введения ограничителя металлов, который через отказ от использования некоторых размеров сортаментов принудительно укрупняет размеры партий закупаемых металлоизделий. Детально постановка этой задачи выглядит так.

Некоторые профили материалов («масштабируемые») допускают использование одного размера вместо другого – например, можно выточить деталь диаметром 10мм из прутка диаметром 12мм, введя в техпроцесс начальную операцию приведения к требуемому размеру – 10мм.

Естественно, такая манипуляция является источником дополнительных производственных затрат, тратится рабочее время оператора станка и ресурс оборудования. Появившиеся затраты могут быть частично компенсированы за счет реализации дополнительных отходов – стружки, обрезков материала.

Возможность замены одного размера сортамента на другой, с одной стороны, и наличие на рынке оптовых скидок в зависимости от объема закупаемой партии, с другой – позволяет поставить задачу оптимизации закупок материалов. Действительно, за счет отказа от закупки одних размеров и закупки более крупной партии других можно добиться снижения затрат за счет закупки по оптовым ценам, учитывая возникающие технологические издержки и их частичную компенсацию продажей отходов.

Задача состоит в том, чтобы закупить все нужные материалы с минимальными затратами.

Была произведена математическая формализация задачи [2], задача была сведена к задаче кусочно-линейного программирования [3] с размерностью, экспоненциально зависящей от числа доступных размеров материала и порогов снижения оптовых цен.

В общем случае, число линейных подзадач этой задачи может быть достаточно большим, что исключает нахождение оптимального решения прямым перебором оптимальных решений всех задач линейного программирования.

В качестве средства решения предложен полный перебор всех задач линейного программирования, либо генетический алгоритм (ГА) типа Гольдберга [4]. ГА следует применять при достаточно большой размерности задачи. Создано программное решение, реализующее как ГА, так и перебор.

Таким образом, необходимость иметь ограничитель была обойдена. В случае, если закупка какого-либо размера материала невыгодна, оптимизационная процедура «выбросит» этот размер из оптимального решения, причем отказ будет происходить именно от тех размеров, которые неоптимальны именно в данный момент. Такая схема является гораздо более гибкой, нежели ограничитель, и позволяет использовать всю имеющуюся на рынке номенклатуру размеров материалов. Экономия от применения оптимизации достигает 5-10% от общего объема затрат на закупку материалов для нужд предприятия.

Заключение

Общим итогом проекта PDM-автоматизации производственных процессов предприятия стало построение интегрированного решения, включающего в себя, кроме прочего, программные средства для управления составом изделий, номенклатурой и расходом материалов, а также частью технологического документооборота предприятия. Кроме того, была решена частная задача оптимизации расхода материалов с учетом их заменяемости по размерам.

Литература

1. А.Ф. Колчин, М.В. Овсянников, А.Ф. Стрекалов, С.В. Сумароков
Управление жизненным циклом продукции. Анахарсис, 2002.

2. А.И. Беспалов, Низаметдинов Ш.У. Генетический алгоритм в задаче кусочно-линейного программирования. // Вестн.Мос. гос. обл.ун-та. Сер.Физика-математика, 2009, 3,с.61-68.

3. Х. Таха Введение в исследование операций. Вильямс, 2005. – 901 с.

4. Л.А. Гладков, В.В. Курейчик, В.М. Курейчик. Генетические алгоритмы. Физматлит, 2006. – 320 с.